天然气用超声流量计声速检验软件及其应用

【关键词】天然气 超声流量计 声速检验

天然气是一种清洁能源和优质化工原料。

随着我国经济的高速发展，天然气在国内各个

领域的需求量日益增大，其贸易交接计量的重

要性也日益突出。目前，国内许多天然气输送

项目都采用了超声流量计作为贸易交接计量器

具。与孔板、涡轮等传统天然气用流量计相比，

超声流量计具有量程大、精度高、重复性好、

压损小、使用寿命长、制造工艺相对简单等优

点。但是，在超声流量计越来越广泛地应用于

天然气流量计量的同时，也存在着一些问题。

例如，国家计量检定规程《JJG 1030-2007 超

声流量计》规定，超声流量计的检定周期一般

不超过2 年，而大口径超声流量计的定期拆除

送检需要大量消耗人力、物力和财力，并严重

影响企业生产运行。

针对这一问题，国家标准《GB/T 30500-

2014 气体超声流量计使用中检验声速检验法》

规范了气体超声流量计的声速检验方法。通过

比较天然气的理论声速值与超声流量计测量的

实际声速值，判断流量计的计量性能，将超声

流量计的检定周期由2 年延长至6 年。本文依

据《GB/T 30500-2014 气体超声流量计使用中

检验声速检验法》和超声流量计量系统现场

应用实际要求，介绍了天然气声速检验方法，

并研发了一套天然气声速检验软件，应用于天

然气超声流量计的在线检验，延长了流量计送

检周期，大大降低了企业送检成本。

1 理论声速

声波在天然气中传播的理论声速是天然

气组分、温度和压力的函数，其热力学表达式

文/雷阳1,2

探讨了天然气用超声流量计

的声速检验方法，研制了一套天

然气用超声流量计声速检验软件。

通过输入天然气组分、温度和压

力等参数计算理论声速，进行超

声流量计的在线声速检验。通过

实际应用表明，在线声速检验能

够有效延长超声流量计的送检周

期，降低企业的送检成本。

摘 要

见式（1）：

（1）

其中，cf 表示理论声速，Cp 表示定压比

热容，Cv 表示定容比热容，R 表示通用气体

常数，T 表示热力学温度，M 表示气体摩尔质

量，Z 表示压缩因子，ρm 表示气体的摩尔密度。

公式中的Cp、Cv、Z 和ρm 是天然气组分、温

度和压力的函数，其具体表达式详见美国天然

气协会的AGA Report No. 10。理论声速的计

算流程见图1。

2 测量声速

超声流量计由流量计表体、超声换能器

及信号处理单元等部分构成，其基本测量原理

如图2 所示。

对于如图2 所示安装的超声换能器A、B，

超声波由其中一个换能器发射，被另一个换能

器接收。假设两个换能器之间的距离为L，换

能器安装方向和流量计轴线的夹角为φ，超声

波在天然气中的传播速度为c，则当管道内天

然气流速为v 时，超声波逆流传播时间t1 和顺

流传播时间t2 分别为：

（2）

（3）

根据（2）式和（3）式，可以得到超声

流量计的测量声速：

（4）

3 声速检验原理

联立（2）式和（3）式，在得到（4）式

的同时，还可以得到管道内天然气流速v 的表

达式：

（5）

由（5）式可知，要使得超声流量计测量

的天然气流速v 准确，则需距离L、轴线夹角

φ、逆流传播时间t1 和顺流传播时间t2 均准确。

换能器之间的距离L 和轴线夹角φ 在超声流

量计出厂时就已确定并置入，因此只需保证时

间t1、t2 准确。又由（4）式，假设超声流量

计的测量声速c 准确，则认为时间t1、t2 准确。

因此，可以通过测量天然气的组分、温度

和压力，根据（1）式计算工况条件下的理论

声速cf，与同一条件下流量计的测量声速c 进

行比较，检验超声流量计的测量声速c 是否准

确，从而判断超声流量计的运行状态，对流量

计的计量性能进行评价。

4 声速检验软件

采集超声流量计、气相色谱仪、温度变送

器和压力变送器等现场计量设备的数据，通过

广域网或局域网上传至声速检验中心，对现场

的超声流量计进行在线声速检验，如图3 所示。

依据第3 节所述的声速检验原理，研制

了一套声速计算检验软件，软件界面如图4 所

示。在界面左侧显示采集到的天然气组分摩尔

百分比，以及温度和压力值。界面右侧则是输

出的天然气热力学参数计算结果，包括声速值、

临界流系数、比焓、比熵、等熵指数及压缩因

表1：某天然气用超声流量计声速检验结果

检验项目理论声速(m/s) 测量声速(m/s) 声速偏差的绝对值(%)

第1 声道声速412.55 412.22 0.08

第2 声道声速412.55 412.26 0.07

第3 声道声速412.55 412.27 0.07

第4 声道声速412.55 412.19 0.09

平均声速412.55 412.24 0.08

72 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering

软件应用 • Software Application

子等。

点击界面上方的“计算”按钮，可根据

式（6），计算出声速偏差：

（6）

其中，δ 表示声速偏差， 表示平均声速，

按（7）式计算：

（7）

式中，n 表示超声流量计的声道数，ci 表

示第i 声道的测量声速。

5 软件应用

采用声速检验软件对某燃气公司管道上

的四声道超声流量计进行在线声速检验，结果

如表1 所示。

从声速检验的结果可以看出，该超声流

量计各个声道的测量声速和平均声速与理论声

速的声速偏差绝对值均小于0.1%，满足《GB/

T 30500-2014 气体超声流量计使用中检验声

速检验法》第5.6 条声速偏差的绝对值应小于

等于0.2% 的要求。

6 结论

本文依据国家标准《GB/T 30500-2014