摘 要：本文針對天然氣的流量測量問題，提出了一種超聲測量的氣體流量計設(shè)計方法，主要分析了天然氣單回路超聲測量的流場原理模型，并由此擴展到天然氣多回路超聲測量的流場原理模型。在流場模型中，重點考慮了超聲波和天然氣的流動方向的一致性，并計算出天然氣的流動速度，進而完成天然氣體積流量測量。在仿真試驗的過程中，本文通過云圖分析證實了超聲氣體流量計對200 mm以上天然氣傳輸管道的測量效果更準確，仿真云圖也更均勻。

關(guān)鍵詞：天然氣；超聲測量；氣體流量計；仿真云圖

中圖分類號：TE 97 " " 文獻標志碼：A

為了實現(xiàn)節(jié)能減排和綠色發(fā)展，尤其為了達成碳中和、碳達峰的發(fā)展目標，使用清潔型能源代替高污染能源已經(jīng)成為一種必然趨勢。與煤炭和石油相比，天然氣屬于清潔型能源，釋放熱量過程中含碳污染物的排放量也較低，并且儲量豐富，是未來的主要能源[1]。目前我國天然氣的消費量不斷增加，并以年均近10%的速度遞增。從企業(yè)經(jīng)營和消費者支付的角度來說，對天然氣的準確計量是重要的工作內(nèi)容。天然氣的用量計量可根據(jù)天然氣的質(zhì)量、體積及其所產(chǎn)生的能量這3個方面進行計量，形成了多種型號的天然氣計量儀器[2]。超聲流量計量法是一種新穎的方法，對氣體和液體都可以進行準確計量，原理清晰，使用方便，安裝簡單，計量效率高且準確[3]。因此本文以此為計量方法，對天然氣氣體流量計進行原理設(shè)計、流場建模和云圖分析。

1 天然氣單回路和多回路超聲計量的流場分析

超聲流量計既可以對液體的流量進行測量，也可以對氣體的流量進行測量。因此，超聲流量測量方法成為天然氣氣體流量測量的備選方案。根據(jù)實際使用經(jīng)驗，超聲流量可以通過一個回路完成測量，也可以通過多個回路完成測量，其基本原理如下所示。在要測量天然氣流量的管道兩側(cè)分別布置超聲信號換能器，該換能器需要同時具有超聲信號發(fā)射器和超聲信號接收器的功能。管道一側(cè)的換能器發(fā)射超聲信號，另一側(cè)換能器接收信號。反之，管道兩側(cè)換能器的功能就發(fā)生轉(zhuǎn)換。這里需要指出的是，由于天然氣在管道內(nèi)的流動是有方向的，因此會導致超聲波和天然氣流動方向一致或相反。當超聲波和天然氣流動方向一致時，超聲信號從發(fā)射到接收的速度就會變快。反之，當超聲波和天然氣流動方向相反時，超聲信號從發(fā)射到接收的速度就會變慢。由于管道壁兩側(cè)的換能器安裝位置固定，因此二者間的絕對距離是固定的，2次異向發(fā)射和接收會出現(xiàn)速度差異，可以據(jù)此計算出天然氣的流速和流量，從而完成天然氣氣體計量。

通過一個回路完成超聲測量的原理圖如圖1所示。

假設(shè)管道內(nèi)天然氣的流動方向為從左到右，如果將管道壁上方的換能器作為發(fā)射器，將管道壁下方的換能器作為接收器，那么超聲波和天然氣的流動方向一致，此時超聲波傳遞的速度如公式（1）所示。

vAB=c0+vcosθ " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：vAB為管道壁上方的換能器為發(fā)射器、管道壁下方的換能器為接收器時的超聲波傳遞速度；c0為管道內(nèi)空氣阻力形成的速度固有參數(shù)；v為管道內(nèi)的天然氣流動速度；θ為天然氣流動速度和超聲波傳遞速度2個方向間的夾角。

當超聲波和天然氣的流動方向一致時，超聲波從發(fā)射到接收的時間如公式（2）所示。

（2）

式中：tAB為超聲波從發(fā)射器到接收器的傳遞時間；L為發(fā)射器到接收器的距離。

仍然設(shè)定管道內(nèi)天然氣的流動方向為從左到右，如果管道壁下方的換能器為發(fā)射器，管道壁上方的換能器為接收器，那么超聲波和天然氣的流動方向相反，那么此時超聲波傳遞的速度如公式（3）所示。

vBA=c0-vcosθ " " " " " " " " " " " " " " "（3）

式中：vBA為管道壁下方的換能器為發(fā)射器、管道壁上方的換能器為接收器時的超聲波傳遞速度。

當超聲波和天然氣的流動方向相反時，超聲波從發(fā)射到接收的時間如公式（4）所示。

（4）

式中：tBA為超聲波從發(fā)射器到接收器的傳遞時間。

至此可以計算出超聲波和天燃氣同向、反向時的傳遞時間差，如公式（5）所示。

（5）

式中：?t為超聲波和天燃氣同向、反向時的傳遞時間差。

進而可以計算出管道內(nèi)天然氣的流動速度，如公式（6）所示。

（6）

式中：v為管道內(nèi)的天然氣流動速度；D為天然氣傳遞管道的直徑。

考慮在多種因素的影響下，管道內(nèi)不同氣流層面上的天然氣流速并不相同，還可以在單回路超聲測量方法的基礎(chǔ)上進行多回路超聲測量。在管道內(nèi)的多個層面上分別布置對應的發(fā)射器和接收器，對超聲波進行發(fā)射和接收。在每個層面上按照單回路的處理方式進行天然氣流動速度計算，再將各個氣流層面上的天然氣流速做和并求取平均值，將其作為管道內(nèi)天然氣的流動速度，其基本原理如圖2所示。

與單個回路完成超聲測量相比，多個回路的測量方法具有明顯優(yōu)勢。一方面，多個回路進行了天然氣管道內(nèi)部不同層面上的測量，測量范圍大、測量點位多，更全面地表達了管道內(nèi)的天然氣傳輸情況。另一方面，多個回路測量可以更可靠地完成測量過程。如果某一回路出現(xiàn)錯誤，其余回路仍然能夠保證測量結(jié)果的準確性。而舍棄一個錯誤回路的數(shù)據(jù)，其余回路測量結(jié)果的均值仍然可以準確表達天然氣管道內(nèi)的氣體傳輸情況。

2 基于超聲原理的天然氣計量云圖分析試驗

上文構(gòu)建了基于超聲測量的天然氣氣體流量計的流場模型，進行了單回路流場測量和多回路流場測量。本節(jié)將運用計算流體力學軟件進行仿真試驗和云圖分析。在計算流體力學軟件的仿真過程中，需要將天然氣管道進行柵格化建模，其主要步驟是先建立幾何模型，再對幾何模型的各個區(qū)域進行命名。當各個區(qū)域的邊界形成稠密的網(wǎng)格分布后，逐漸檢查和提升網(wǎng)格質(zhì)量。輸出網(wǎng)格模型后，設(shè)置各區(qū)域的材料屬性，最后進行流體力學迭代計算并完成仿真云圖分析。所得天然氣管道和超聲流量計的仿真建模結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3建立的仿真模型進行進一步的迭代運算和網(wǎng)格優(yōu)化。優(yōu)化過程表明，在天然氣管道和超聲流量計的柵格模型中，網(wǎng)格需要達到一定數(shù)量才能更接近真實情況，但并不是數(shù)量越大越好。因為柵格數(shù)量過多會導致仿真迭代運算過程變慢、效率變低。仿真運算的過程表明，50萬左右的柵格體量即可對天然氣管道和超聲流量計進行準確表達。上述仿真分析結(jié)果如圖4所示。

目前，天然氣傳輸過程中常見的管道直徑并不統(tǒng)一，常見的有100mm、150mm、200mm、250mm和300mm的規(guī)格。接下來將通過管道內(nèi)的天然氣傳輸速度云圖分析來確定超聲流量計的適用范圍。如果在換能器發(fā)射和接受超聲波的過程中，管道內(nèi)的天然氣傳輸速度能夠保持均勻，就表明其測量結(jié)果會更準確。反之，如果管道內(nèi)的天然氣傳輸速度出現(xiàn)明顯的層次化波動，測量結(jié)果就可能存在一定誤差。本文對2組仿真云圖進行了畢竟，天然氣管道直徑為100 mm時的天然氣傳輸速度仿真云圖如圖5所示，天然氣管道直徑為200 mm時的天然氣傳輸速度仿真云圖如圖6所示。

從圖5和圖6的仿真云圖對比結(jié)果可以看出，天然氣傳輸管道直徑越小，在超聲波的測量下，天然氣傳輸速度就越不均勻。而當管道直徑達到200 mm時，即便存在超聲波測量干擾，天然氣傳輸速度也比較均勻。可見，本文研制的天然氣超聲流量計對直徑200 mm以上的管道均適用。

3 結(jié)論

作為清潔型能源，天然氣具有儲量豐富、低碳排放等突出特點，已經(jīng)成為取代石油煤炭等能源的重要標的。對天然氣用量進行準確測量，無論對天然氣的供給企業(yè)還是對消費者都具有非常重要的意義。從測量原理上看，根據(jù)天然氣的質(zhì)量、體積和所產(chǎn)生的能量進行測量是天然氣計量的常見方式。本文以超聲測量為主要技術(shù)手段，分析了天然氣流速的超聲測量原理和流場模型，進而進行了仿真云圖分析，完成天然氣體積流量測量，證實了超聲氣體流量計對200 mm以上天然氣傳輸管道的測量效果更準確。

參考文獻

[1]楊康新，魏韋，李佰濤，等.管道內(nèi)流動液體的流量測試方法及其發(fā)展趨勢探討[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2021，56（1）：116-119.

[2]劉永輝，杜廣生，陶莉莉，等.反射裝置對超聲波流量計水流特性影響的研究[J].儀器儀表學報，2023，32（5）：1183-1188.

[3]鄭丹丹，王蜜，孫彥招.速度分布對氣體超聲流量計聲傳播規(guī)律的影響[J].天津大學學報（自然科學與工程技術(shù)版），2017，50（11）：1169-1175.