超聲流量計計量的準確性直接影響供需雙方的經(jīng)濟利益，而管路結構是影響超聲流量計計量性能的主要因素。文章研究調(diào)壓閥、匯管、流動調(diào)整器、直管段等管路元件對天然氣流場的擾動規(guī)律，表明調(diào)壓閥噪聲、匯管相對進出口方式、流動調(diào)整器類型、直管段長度對超聲流量計計量精度產(chǎn)生較大影響，在此基礎上提出改善超聲流量計計量性能的技術對策。

隨著天然氣工業(yè)的快速發(fā)展，天然氣計量工作越來越重要。在天然氣計量工作中，超聲流量計由于其計量、量程比寬、壓損低、安全可靠、抗干擾能力強、便于維護的特點，在天然氣計量交接中被廣泛使用，特別是在大口徑、高壓力的天然氣長輸管線計量中，超聲流量計具有顯著地優(yōu)越性。超聲流量計計量的準確性直接關系著開發(fā)、供給、運行、用戶各方面的經(jīng)濟利益，而管路結構是影響超聲流量計計量性能的主要因素。因此，本文以調(diào)壓閥、匯管、流動調(diào)整器、直管段為研究對象，分析管路元件對天然氣流場影響，探索管路結構對超聲流量計計量能量影響規(guī)律，為保證超聲流量計計量的準確性提出合理化建議。

1.管路元件的影響

1.1調(diào)壓閥

調(diào)壓閥是通過改變流體流通面積而實現(xiàn)對流體流量和壓力的調(diào)節(jié)。調(diào)壓閥是阻流元件，當流體流過調(diào)壓閥的節(jié)流元件時，由于節(jié)流元件的阻流作用，對天然氣產(chǎn)生擾動，流體流態(tài)發(fā)生畸變，局部產(chǎn)生漩渦流和脈動流。

 超聲流量計是通過測量高頻聲脈沖在管道內(nèi)順流和逆流方向傳播時間差來實現(xiàn)天然氣流量計量。流體通過調(diào)壓閥節(jié)流元件，因流態(tài)和速度發(fā)生改變產(chǎn)生噪聲，噪聲主要包括流體動力學噪聲和機械噪聲。機械噪聲是由于流體流態(tài)改變產(chǎn)生漩渦和湍流沖擊調(diào)壓閥部件而引起振動，波及臨近表面產(chǎn)生噪音。流體動力學噪聲是天然氣在節(jié)流過程中，機械能轉化為聲能的直接結果，是調(diào)壓閥噪聲主要來源。正常情況下，超聲波流量計發(fā)出的脈沖信號頻率為 125 kHz(不同型號超聲流量計有所不同)。天然氣通過調(diào)壓閥節(jié)流作用產(chǎn)生的噪聲頻率為 16~130 kHz，產(chǎn)生的噪聲沿著管道向上、下游傳播，在一定條件下與超聲波流量計的脈沖頻率重合，造成流量計計量信號模糊，使流量信噪比增大。流量計的信號處理單元難以區(qū)分這兩種信號，導致超聲波換能器不能準確收發(fā)超聲波，影響超聲流量計計量準確性和穩(wěn)定性。實驗研究表明，高頻率噪聲可使超聲流量計產(chǎn)生的***大誤差為 2 %，這嚴重影響天然氣計量準確性和企業(yè)經(jīng)濟效益。

1.2 匯管

匯管是將兩條管路或兩條以上管路，同時經(jīng)過一條管路后再分開輸送的一段管道(如圖 1)。由于匯管與下游直管段交匯處結構突變，天然氣壓能與動能相互轉化，流經(jīng)匯管天然氣速度增大，流場內(nèi)速度主要分布在匯管與下游管道交匯處，且此處的速度值均發(fā)生了突變，湍流強度和湍動能為整個流場內(nèi)***大。湍流內(nèi)流體介質發(fā)生不規(guī)則運動，介質相互碰撞，能量相互交換，局部出現(xiàn)漩渦流和脈動流，造成匯管下游速度分布不均勻，管道壁面流體流速慢，中心處流體流速快，管道內(nèi)出現(xiàn)二次流。

匯管進出口方式影響超聲流量計計量性能。研究表明，匯管進出口錯開流體恢復到充分發(fā)展湍流斷面比匯管進出口相對所需直管段長。天然氣流經(jīng)匯管后產(chǎn)生漩渦流，匯管進出口方式不同，匯管下游旋渦角變化規(guī)律也不同(如表 1)。在匯管進出口相對的管路結構的擾動情況明顯弱于匯管進出口錯開管路結構。匯管進出口錯開條件下，管路內(nèi)的天然氣因為管路結構、壓力、速度等因素的變化產(chǎn)生回流，使天然氣的擾動增強，速度分布不均勻，在超聲流量計處的擾動仍然較強，對流量計的準確度產(chǎn)生一定的影響。

1.3 流動調(diào)整器

天然氣流過匯管、調(diào)壓閥等阻流件后會造成流態(tài)畸變，流態(tài)畸變包括速度分布剖面不對稱和漩渦流，或兩者的組合。流體畸變可造成超聲流量計計量誤差。超聲流量計計量要求上游流體流動狀態(tài)為近似于無漩渦和充分發(fā)展的湍流。流動調(diào)整器能***大限度地減小或消除流態(tài)畸變對流量計性能產(chǎn)生的不利影響。

流動調(diào)整器是一種“調(diào)整”流量計入口或入口附近流場的裝置。管束式調(diào)整器和板式調(diào)整器在計量中經(jīng)常使用。管束式調(diào)整器采用蜂窩式結構或管束把流體分成若干個細小平行的流體束，主要消除流體中的漩渦。板式調(diào)整器讓流體通過多孔網(wǎng)或多孔板而產(chǎn)生一個軸對稱的速度分布剖面。即使流量計入口的流場是充分發(fā)展的湍流，流量計的性能也會因為使用不同形式的流動調(diào)整器而發(fā)生改變。對于超聲流量計而言，宜選用板式調(diào)整器消除流體中的漩渦和糾正速度分布剖面不對稱。性能優(yōu)良的流動調(diào)整器可以改善進入超聲流量計的流體流態(tài)，優(yōu)化流動條件，從而提高超聲流量計計量性能。

1.4直管段

超聲流量計的計量系數(shù)是在充分發(fā)展的管流條件下標定的，在現(xiàn)場天然氣計量中，只有在充分發(fā)展的管流條件下，才能保證測量的性。充分發(fā)展的管流就是具有充分發(fā)展、均勻的速度分布的管流。在流動過程中，沿流向從一個橫截面到另一個橫截面速度分布不發(fā)生改變。流體發(fā)展為充分發(fā)展流體需要在足夠長的管道末端才能形成。國標 JJG 1030-2007 明確規(guī)定在不安裝流動調(diào)整器的情況下，多聲道超聲流量計上游直管段長度至少為 10DN(DN 為流量計內(nèi)徑)，下游直管段長度至少為 5DN；或根據(jù)流量計生產(chǎn)廠家的要求選擇合適的上、下游直管段。

直管段長度直接影響超聲流量計計量穩(wěn)定性，直管段長度不足時流量測量不確定度相應增大，但是引起的附加誤差是正向還是負向，需要具體分析。提供了 PROTAFLOW-X超聲流量計上游直管段不足引起的附加誤差曲線(如圖 2)。實驗為上游有 90°彎管條件下測量的不同直管段長度誤差，由圖 2 可知，隨著上游直管段長度的增加，超聲流量計計量誤差逐漸減小。當上游管道為 15DN 時，計量誤差約為 0.5 %，達到高精度。

2.結論與建議

管路結構對超聲流量計計量性能產(chǎn)生影響，主要是管路結構對天然氣產(chǎn)生擾動，天然氣流經(jīng)阻流件后，天然氣流態(tài)發(fā)生畸變，流動伴隨著漩渦、二次流，速度分布不對稱。為保證超聲流量計計量準確性，提出以下建議；

(1)改變調(diào)壓計量工藝流程，采用“先計量，后調(diào)壓”的計量方式。將超聲流量計安裝在調(diào)壓閥上游，有效避免了調(diào)壓閥對流體的擾動。超聲流量計與調(diào)壓閥之間安裝“T”型管和 90°彎頭，有效降低節(jié)流噪聲對超聲流量計的影響。

(2)匯管采用開口模壓拔制結構。開口模壓拔制結構使匯管出口管段過渡平緩，流體阻力小，有效的減少了流體的湍流強度。

(3)合理選擇流動調(diào)整器，超聲流量計宜選用板式調(diào)整器，板式調(diào)整器消除流體中的漩渦和糾正速度分布剖面不對稱，提高超聲流量計計量性。

(4)保證超聲流量計上、下游直管段長度，在上游無整流器條件下，多聲道超聲流量計上游直管段長度至少為 10DN(DN 為流量計內(nèi)徑)，下游直管段長度至少為 5DN；或根據(jù)流量計生產(chǎn)廠家的要求選擇合適的上、下游直管段。保證超聲流量計前流體是充分發(fā)展的湍流。