中國天然氣資源十分豐富，天然氣遠(yuǎn)景儲量47萬億立方米，可開采儲量18萬億立方米，年產(chǎn)量約350億立方米，可供開采約500年左右。新中國成立以來，我國一直致力于清潔能源天然氣的勘探開發(fā)，但受各方面因素制約，發(fā)展不快。我國天然氣生產(chǎn)的跨越發(fā)展始于西氣東輸工程的實施。該工程自2000年2月啟動，特別是2003年10月投產(chǎn)以來，大大促進(jìn)了全國天然氣的勘探開發(fā)和消費。到2006年，我國累計探明天然氣可采儲量3。7萬億立方米，天然氣產(chǎn)量從2000年262億立方米迅速增長到去年595億立方米，年均增長55億立方米，是20世紀(jì)90年代年均增長11億立方米的5倍，在天然氣高速發(fā)展的前提下，計量工作顯得更加重要。專家認(rèn)為，中國將成為未來世界上天然氣需求增長zui為迅速的國家之一，西氣東輸年設(shè)計輸量120億立方米，而且輸量逐年增加，這樣大的輸量要求計量更加準(zhǔn)確無誤，如果出現(xiàn)誤差，損失相當(dāng)嚴(yán)重，這樣西氣東輸采用了計量精度0.5級的英國DANIEL超聲波流量計。
2. DANIEL超聲波流量計工作原理及流量方程
2.1. 工作原理
DANIEL超聲波流量計是時間直通式超聲流量計，聲波由一個探頭發(fā)射另一個接收，不經(jīng)管壁反射，聲波由上游向下游傳輸?shù)臅r間（由于聲波被氣流推動）小于聲波由下游向上游傳輸?shù)臅r間（聲波被氣流反向阻擋），這兩個時間之差與氣流的速度存在某種對于關(guān)系，從上、下游測得的傳輸時間可以計算出氣流的平均速度和聲波的速度。如圖一。
2.2. 流量方程
2.2.1. 任意一對傳感器的流量方程
逆流傳播時間：
（1）
順流傳播時間：
（2）
從（1）、（2）方程中求出：
2.2.2. 四聲道超聲波流量計流量方程美國Daniel公司生產(chǎn)的四聲道超聲波流量計，四組對射傳感器呈“X”型分布，使之更有利于渦流或偏流等流態(tài)的測量。這種四聲道超聲波流量計利用測量在四個并行通道上超聲波通過流動氣體的傳輸時間，以獲得氣體的平均流速。
四聲道超聲波流量計所測流體平均速度的計算是在單聲道流量計的基礎(chǔ)上得出的：
式中Wn為權(quán)重幾何因子。權(quán)重因子僅取決于探頭的幾何分布情況，如圖二所示。
2.2.3. 流量流量與流體的流速和截面積有關(guān)：
流量Q=流速V×截面積S
3. DANIEL超聲波流量計結(jié)構(gòu)（帶MARKII電子單元）
DANIEL超聲波流量計主要由超聲波本體、超聲波探頭、MARKII電子單元三部分組成。
3.1 超聲波本體流量計本體采用整體鑄造鋼制表體，減少焊縫接口，有效減少表體熱脹冷縮對計量的影響。
3.2 超聲波探頭DANIEL超聲波流量計采用了T-Slot型超聲波探頭，如圖三所示。
T-Slot型超聲波探頭主要有四個特點：
（1）高頻率，低功耗，低電壓工作，，安全；
（2）靈敏度高；
（3）可以在線帶壓更換，更換電纜不影響工作及精度；
（4）結(jié)構(gòu)緊湊，插入表體淺，不易受污垢影響，壽命長。
3.3 MARKII電子單元MARKII電子單元功能很強大，可以計算工況流量；可以直接接入溫度和壓力信號，進(jìn)行溫壓補償運算，即不使用流量計算機獲得標(biāo)況流量；它可以按AGA8號報告粗略計算壓縮因子；可以進(jìn)行雷諾數(shù)的計算，用來矯正流態(tài)剖面對流量測量的影響；可以在單通道或雙通道流量計中進(jìn)行流態(tài)的矯正。在西氣東輸管線上，為了保證得到zui準(zhǔn)確的天然氣流量，并沒有使用MARKII電子單元的強大計算功能。而是只將它作為一個流速信號的變送器進(jìn)行輸出，然后由一臺獨立的流量計算機進(jìn)行zui后的標(biāo)況計算。
4. DANIEL超聲波流量計的安裝
4.1 安裝環(huán)境
4.1.1 根據(jù)安裝點具體的環(huán)境及工作條件，對流量計采取必要的隔熱、防凍及其他保護(hù)措施。
4.1.2 流量計的安裝盡可能避開振動環(huán)境，尤其是可引起信號處理單元、*等部件發(fā)生共振的環(huán)境。
4.1.3 在安裝流量計及其相關(guān)的連接導(dǎo)線時，應(yīng)避免可能存在較強電磁或電子干擾、遠(yuǎn)離噪聲源或采取措施消除噪聲干擾、以及避免脈動流的干擾。
4.2 上、下游直管段的安裝管道內(nèi)的流體流態(tài)對流量計的計量準(zhǔn)確影響很大，雖然DANIEL超聲波流量計采用了四聲道的測量原理，可以對旋渦和不同流態(tài)進(jìn)行動態(tài)補償，但是為了得到計量的高準(zhǔn)確度，減少測量的誤差，在流量計上、下游安裝一定長度的直管段是*要求。上、下游直管段越長，流態(tài)就越理想，流量計的測量精度就越高。但是，由于受到場地和成本等因素的影響，直管段又不能做的太長。因此，DANIEL超聲波流量計安裝要求上游至少保留30D的距離，下游為5D的距離。
4.3 直管段內(nèi)徑及法蘭連接為了避免流量計本體內(nèi)徑與上、下游直管段法蘭連接所產(chǎn)生的臺階對流態(tài)產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致計量誤差加大。安裝時要求上、下游直管段內(nèi)徑與超聲波流量計的內(nèi)徑之差小于超聲波流量計內(nèi)徑的1%，其值應(yīng)小于5mm。
4.4 溫度變送器的安裝溫度是計算管道中天然氣壓縮因子的一個重要變量，對溫度測量的準(zhǔn)確度直接影響到流量計zui終的測量結(jié)果。為了測量準(zhǔn)確的溫度值，需要溫度傳感器有足夠的插入深度來和天然氣有充分的接觸面積。但是，插入的深度不能對氣體流態(tài)產(chǎn)生影響。因此，DANIEL超聲波流量計要求溫度變送器的安裝位子應(yīng)該在流量計的下游3-5D范圍內(nèi)，傳感器插入深度大于75mm，測溫點在管道的中心附近。DANIEL超聲波流量計采用的是具有HART通訊功能的溫度變送器。
4.5 壓力變送器的安裝壓力變送器在超聲波流量計本體取壓。在流量計本體上有取壓口。DANIEL超聲波流量計采用了絕壓變送
器，因此，在流量計算機中輸入的大氣壓力為0。DANIEL超聲波流量計采用的壓力變送器具有HART通訊功能。
DANIEL超聲波流量計在西氣東輸?shù)姆州斦局?，采用了整體撬體的安裝模式，配合站內(nèi)的整體流程工藝，均采用水平安裝，沒有選用整流器和氣體過濾器。
5. 運行及維護(hù)
5.1 流量計的運行
5.1.1 西氣東輸選用的DANIEL超聲波流量計投入使用前，在美國進(jìn)行了檢定和實流校準(zhǔn)。
5.1.2 DANIEL超聲波流量計在投產(chǎn)前進(jìn)行了試壓操作，試壓等級為10MPa，并且進(jìn)行了密封試驗。
5.1.3 規(guī)定DANIEL超聲波流量計每2年檢定1次。
5.1.4 超聲波流量計在使用前，在無流動介質(zhì)的情況下，檢查流量計的讀數(shù)是否為零或在流量計本身規(guī)定的允許范圍內(nèi)。
5.1.5 在運行前，為了避免流量計承受過高差壓或過高流速，管道要緩慢加壓，直至達(dá)到流量計的運行壓力。壓力的劇烈震蕩或不當(dāng)?shù)母咚偌訅憾紩p壞流量計。
5.1.6 超聲波流量計zui高流速不超過30m/s。
5.1.7 管道掃線時，應(yīng)將流量計拆除，以直通短管代替，掃線作業(yè)完成后再安裝流量計。流量計在進(jìn)行拆卸和從管線移走之前，管線必須先卸壓和氮氣置換。管線卸壓要緩慢進(jìn)行，以免損壞流量計。
5.1.8 由于超聲波流量計對水分比較敏感，因此要盡量保證管道干燥，及時排出分離器中的污水。
5.1.9 在啟動運行超聲波流量計之前必須進(jìn)行如下關(guān)鍵性的檢查：
（1）對流量計的測量管段進(jìn)行充壓，檢查所有的法蘭連接處和引壓接頭，以及溫度傳感器的插入接頭處，確認(rèn)無任何氣體泄漏現(xiàn)象。
（2）暫時先斷開供電電源與所有電路板的連接；
（3）接通流量計的供電電源；
（4）檢查現(xiàn)場超聲波流量計接線端子板上的供電電壓；
（5）檢查供電電源的極性；
（6）如果按第（4）與（5）所執(zhí)行的檢查都確認(rèn)無誤后，把剛剛斷開的電源與電路板的連接重新接好；
（7）檢查接到RS485/232轉(zhuǎn)換器的頻率輸出引線的極性；
（8）檢查氣體超聲流量計、溫度/壓力變送器安裝是否正確、可靠，包括流量計的安裝方向、垂直度；所有連接部位的密封性能；
（9）使用HART編程器為溫度、壓力變送器設(shè)定地址；（相關(guān)通訊）
（10）依照生產(chǎn)廠家所提供的系統(tǒng)接線圖，核對所有接線。
5.2 流量計的維護(hù)由于超聲流量計是一種無可動部件，無節(jié)流件，無引壓/*路的純電子產(chǎn)品，不存在部件磨損和堵塞的問題，應(yīng)定期檢查信號處理單元和聲道有*、零流量測量是否準(zhǔn)確、*表面是否有沉積物等，以降低故障的發(fā)生率，提高設(shè)備使用壽命。
5.2.1 軟件診斷DANIEL超聲波流量計在日常的維護(hù)工作中有以下幾個重要參數(shù)，利用DANIEL超聲波流量計的診斷軟件DUI可以查找到這些參數(shù)。
5.2.1.1 每個聲道的增益（AGC）Gainsettingupstrm：各聲道信號上行的增益，Gainsettingdnstrm：各聲道信號下行的增益。增益的zui大值為180，當(dāng)測的值大于170即視為不正常。一般160以下為正常值。如果增益大于160，要檢查是否是由管道壓力過低、或者傳感器臟污造成的。
5.2.1.2 信號質(zhì)量與噪音Signalmaxupstrm：表示各聲道上行的質(zhì)量，Signalmaxdnstrm：表示各聲道下行的質(zhì)量，該數(shù)字越大，表示信號質(zhì)量越高。正常的信號質(zhì)量應(yīng)該在五位以上。
Noisemaxupstrm：表示各聲道上行傳輸?shù)脑肼?，Noisemaxdnstrm：表示各聲道下行傳輸?shù)脑肼暋Ｔ摂?shù)值越小，表示噪聲越小，也表示流量計工作正常，當(dāng)該數(shù)值大于100之后，說明工作不正常，應(yīng)該檢查管道配置。消除噪聲。
5.2.1.3 流量，聲速，平均流速，工況流速Flowvelocity為各聲道當(dāng)時的流速。SoundVelocity為當(dāng)時的聲道聲速。AVGFlowvelocity為各聲道當(dāng)時的平均流速。AVGSoundVelocity為當(dāng)時的聲道平均聲速。
通過對比對稱聲道的流量，聲速，平均流速，工況流速，可以直觀的判斷各聲道的工作狀態(tài)。
5.2.2 日常維護(hù)*的檢查、維護(hù)方法及步驟：
1. 聲波探頭（換能器的）檢查主要是測量其電阻值，其應(yīng)為1毆姆左右，開路或短路則表明探頭可能損壞。
2. 換能器拆卸有帶壓拆卸和不帶壓拆卸兩種方式：
（1）不帶壓拆卸：無需工具。關(guān)斷流量計前后閥門，將閥門間的氣體排出，觀察現(xiàn)場壓力表，當(dāng)壓力為零時方可拆卸。擰下罩殼上的螺絲，拆下罩殼。擰下露出的螺絲，拔下聯(lián)線插頭。用活扳手逆時針擰下探頭。
（2）帶壓拆卸：應(yīng)使用廠家提供的工具，并由經(jīng)培訓(xùn)的專門人員操作。操作步驟詳見帶壓拆卸工具使用說明書。
對拆卸下的探頭進(jìn)行外觀檢察，并使用干布擦去探頭上的污垢。
3. 小流量切除由于管道內(nèi)氣流的撞擊，會造成超聲波流量計的誤判斷，產(chǎn)生一個不真實的流量，所以需要利用流量計算機的小流量切除功能將低于工況1立方米每小時的流量進(jìn)行切除。
4. 定期清潔超聲波流量計前后的直管段。
5. 氣體超聲流量計長期不計量系統(tǒng)應(yīng)斷電，當(dāng)短期不計量而管道內(nèi)壓力低于工作壓力時，系統(tǒng)也應(yīng)立即斷電，以延長氣體超聲流量計的系統(tǒng)使用壽命。
6. DANIEL超聲波流量計的配套流量計算機
西氣東輸應(yīng)用的DANIEL超聲波流量計選用的是DANIEL公司的S600流量計算機。西氣東輸選用的S600流量計算機主要由3塊板
卡組成：CPU板、HART板、I/O板。
CPU板采用了32-bit80486DX2CPU，具有強大的計算功能。同時，還具有強大的通訊功能：具有2個RS232通訊接口，用于連接打印機或RTU；具有3個RS422/RS485通訊接口，用于連接SCADA系統(tǒng)（Modbus協(xié)議）；并且，可以通過FTP和TCP/IP連接到以太網(wǎng)。DANIEL超聲波流量計測得的工況流量數(shù)據(jù)就是通過RS485接口傳送到S600流量計算機上的。同時，由色譜分析儀測出的天然氣氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)也傳輸?shù)絊600流量計算機上。
HART板主要功能就是讀取壓力變送器和溫度變送器測得的壓力、溫度值。
I/O板，將S600流量計算機計算得出的重要參數(shù)傳輸?shù)絊CADA用于在站控機上顯示讀取。
這樣，S600流量計算機從現(xiàn)場讀取到的工況流量、壓力、溫度和氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)通過其強大的計算功能，zui后準(zhǔn)確計算出用于計量交接的天然氣標(biāo)況流量。
7. 結(jié)束語
西氣東輸管線在大流量的計量工作中，主要采用了英國DANIEL超聲波流量計，高準(zhǔn)確度的進(jìn)行了與下游用戶的計量交接。本文通過對DANIEL超聲波流量計原理、計算、結(jié)構(gòu)、使用和維護(hù)的介紹，明確DANIEL超聲波流量計在計量中的重要性。它具有的測量精度高、測量范圍寬、無壓損、無磨損部件、使用壽命長等特點和較低的安裝成本和運行成本，在西氣東輸高壓、大流量的天然氣計量中具有強大的優(yōu)勢。
