一种大口径天然气超声波质量流量计的制作方法

本发明隶属于流体流量测量的，具体涉及一种大口径天然气超声波质量流量计。

背景技术：

1、天然气管网是由多条管道相连接的管路网络，管网中各分支管道入口称为管网的分支节点，管网有一个或数个管网源头节点、有多个管网分支节点、有很多个终端出口节点，天然气管网实现着把天然气从管网源头输送到管网各终端出口。

2、对天然气管网运行的技术管理和贸易管理而言，不仅需要掌握终端用户的天然气供应量，还需掌握天然气管网中各个支线、各个子线的输运量，这样才能获知天然气管网的运行状况。

3、目前，在天然气管网上，能提供管道流体参数如流量、压力和温度的测量设备是流量计，但流量计通常安装在终端用户处，其作用是对终端用户使用量进行贸易结算。终端用户的数量相对天然气管网的节点而言占比有限，对于一个庞大的天然气管网，特别是天然气管网铺设在路面以下情况，要想获知天然气管网内天然气流量、压力和温度参数的分布，极其困难。

4、为了提高天然气管网的技术管理水平，应实施天然气管网量平衡、以及天然气管网量平衡监测监控系统。天然气管网量平衡就是管网中各节点间流体质量流量的平衡。天然气管网量平衡不仅可获知管网中各个支线、各个子线、各管段的天然气流量，揭示天然气管网中天然气的泄露，以保证对终端用户的供给和天然气管网的运行安全性，还可以揭示天然气管网的结构性能，如天然气管网的压损性能、流体输运的能量损耗性能、天然气管网的保温性能等，这为天然气安全运行、管网的维护、技术改造、防止资源的浪费、促进科学利用天然气资源提供重要的技术保证。当今，在步入物联网大数据及人工智能与工业自控时代，已为天然气管网量平衡提供了物联网通信技术，若在天然气管网中加入监测单元与控制单元的分布，就构成了对现代天然气管网技术升级的天然气管网量平衡监测监控系统，它不仅可获知天然气管网量平衡，还可对天然气管网中阀门进行远程数据跟踪和精准调节与控制。

5、天然气管网量平衡监测监控系统的实现，是以天然气管网量平衡的天然气流量测量为基础的。对于天然气管网而言，应在天然气管网各节点设置流量测量表。由于天然气管网入口节点即天然气管网源头已装设有流量测量表，在管网末端即终端用户也已装设有流量测量表，如天然气表，那么只要在天然气管网中各个支线入口节点、各个子线入口节点装设流量测量表，就可实现天然气管网量平衡的监测。由于天然气管网中各个支线、各个子线的入口节点，都设置有阀门，在该阀门处再加装流量测量表，就可完成天然气管网量平衡的监测和监控，以保证对终端用户的供给量。

6、天然气是由多种成分组成的混合气体，受天然气矿藏资源所限，天然气中的组份和各组份的比例不是固定不变的，而是变化的。天然气管网量平衡的天然气流量测量，所采用的流量测量表应是质量流量测量表即质量流量计，而不是体积流量计，质量流量计对通过天然气管网节点的质量流量以及压力和温度进行测量。对天然气管网而言，因为天然气的质量流量是守恒的，天然气的体积流量是不守恒的，天然气的质量流量不仅与天然气的体积流量相关，而且还与天然气的压力、温度、特别是和组份相关，所以，天然气管网量平衡的天然气流量测量必须采用质量流量计进行测量。现有技术的流量测量表即流量计，绝大多数都是体积流量计，如：孔板流量计、喷管流量计、内锥流量计、均速管流量计、弯管流量计、叶轮流量计、浮子流量计、转子流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、靶式流量计、涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、射流流量计、超声波流量计、电磁流量计等，上述这些流量计都是体积流量计，现有技术能直接测量流体质量流量的流量计有热式流量计、科里奥利流量计。然而，热式流量计在测量时，需事先在热式流量计中设定待测流体的组份和各组份的比例，由于受天然气矿藏资源所限，天然气中的组份和各组份的比例不是固定不变的，而是变化的，所以当待测天然气的组份和各组份的比例发生变化时，热式流量计就无法测量待测天然气的质量流量，或者说热式流量计此时测量的天然气质量流量其测量误差很大，另外，热式流量计在实施测量时，其功耗较大，这是热式流量计的特点和缺陷，由此可见，热式流量计不能作为实现天然气管网量平衡测量可用的质量流量计。科里奥利流量计基于其测量原理，不能测量高温混合气体以及组份变化的气体质量流量，由于受天然气矿藏资源所限，天然气中的组份和各组份的比例不是固定不变的，而是变化的，所以科里奥利流量计也不能作为实现天然气管网量平衡测量可用的质量流量计，另外，大口径管道的科里奥利流量计极少制造，特别是科里奥利流量计的制造或购置费用高昂，目前为止，市场上基本为国外品牌，国产化率不高，由此可见，科里奥利流量计也不适宜作为天然气管网量平衡测量可用的质量流量计。

7、就天然气管网而言，各个支线、各个子线的入口管道，其管径常常是大口径的管道，如管径dn400或以上的管道，天然气在大口径管道的流动具有这样的特征：其管道横截面的天然气流速分布是不均匀的，其管道横截面天然气密度分布也是不均匀的，这一大口径管道的天然气流动特征，给大口径天然气管道质量流量的准确测量带来相当的困难，因为对天然气管网来说，大口径天然气管道质量流量测量的准确性，对天然气管网的量平衡及天然气管网的量平衡监测监控有着重要的影响，由此可见，对大口径天然气质量流量计的开发，就应更加关注大口径管道中天然气流动的这一不利影响的特征。

8、综上分析可见，要实现天然气管网的量平衡、要实施天然气管网量平衡监测监控系统，须在天然气管网各节点设置质量流量计，而现有技术的质量流量计还不能用于天然气管网的量平衡，所以，为了向天然气管网量平衡监测监控系统的实现提供技术手段，填补国内外天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的天然气质量流量的空白与缺陷，以及如何克服大口径管道中天然气流速和密度分布不均、造成对流量测量精度的负面影响，发明适用于天然气管网量平衡的大口径质量流量计是很有必要的，这也是本技术要解决的问题。

技术实现思路

1、实现天然气管网的量平衡、以及实施天然气管网量平衡的监测监控系统，须在天然气管网各节点设置质量流量计，而现有技术的质量流量计不适宜用于天然气管网的量平衡测量，为了向天然气管网量平衡监测监控系统的实现提供技术手段，填补国内外天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的天然气质量流量的空白与缺陷，以及消除了大口径管道中天然气流速和密度分布不均、造成对流量测量精度的负面影响，本发明旨在发明适用于天然气管网量平衡测量的大口径质量流量计，为此，提出了一种用于天然气管网量平衡的大口径天然气超声波质量流量计。

2、本发明的技术方案为：由于管道内流动的天然气，其质量流量为管道流通面积乘以管道内天然气流速、然后再乘以管道内天然气的动态密度，对于已定管径的管道而言，其管道流通面积是已知的，所以测量管道内天然气的质量流量就是如何能准确和有效地测量出天然气的流速分布和相对应的燃气动态密度，这是测量管道内天然气质量流量的一种方向和途径。本技术方案按照这一方向，从现有技术的各类气体流速计或气体体积流量计中，以能够测量组份变化的气体流速、测量的量程很宽、流速测量的精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，优选出一种适宜的气体流速计及测量方案，再从现有技术各种气体密度计中，以能够测量组份变化的气体动态密度、测量的量程宽、气体动态密度的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，优选出一种适宜管道气体流动的气体动态密度计及测量方案，将优选出的气体流速计测量方案与气体动态密度计测量方案有机结合起来，即把管道内气体流速测量分布和所对应的气体动态密度测量分布有机匹配起来，作为天然气质量流量计的测量方案，通过测量气体流速分布以及相对应的气体动态密度分布再与管路流道的流通面积有机融合，形成一种天然气质量流量计的组成结构。基于该组成结构，再考虑到大口径天然气管道内其横截面天然气流速分布不均性、横截面天然气密度分布不均性、横截面天然气流速和密度分布的对称性，通过优选出的超声波测速传感器和差压型气体动态密度计的耦合匹配，组成天然气质量流量的测量基构，在此基础上，采取三路对称性气体流速测量与气体动态密度测量分区布局匹配的测量基构，构建出一种新型的用于大口径天然气管网量平衡的高精度、宽量程超声波气体质量流量计。

3、本发明包括测量管法兰，测量管、采控积算单元、流速测量单元、动态密度测量单元；其中：

4、两个测量管法兰分别固定于测量管的两端，测量管为直通管，且通过测量管法兰与外部待测流量的大口径天然气管道连接，以实现对天然气管网量平衡的监测；

5、采控积算单元通过对流速测量单元、动态密度测量单元的信号采集、控制、处理获得测量管内的天然气质量流量；

6、流速测量单元实施对测量管内的天然气流速进行对称性的分区测量，动态密度测量单元实施对测量管内的天然气动态密度进行对称性的分区测量；

7、流速测量单元由三路超声波测速传感器组成，每一路超声波测速传感器的结构相同仅是分区布局的位置不同；动态密度测量单元由三路动态密度传感器组成，每一路动态密度传感器的结构相同只是分区布局的位置不同；

8、第j路的超声波测速传感器和第j路的动态密度传感器耦合匹配，完成对测量管内一个分区的天然气质量流量测量，这里j表示第一路、或第二路、或第三路；

9、采控积算单元包括积算电路盒、积算电路板、积算cpu处理器、积算电路盒固定座；

10、每一路超声波测速传感器均由入口换能器组件和出口换能器组件这两部分组成，其中，入口换能器组件包括入口换能器信号线、入口换能器护管、入口换能器安装孔、入口换能器，出口换能器组件包括出口换能器、出口换能器护管、出口换能器安装孔、出口换能器信号线；

11、每一路动态密度传感器均包括静压管安装孔、静压管、密度计壳体、密度计静压腔、密度计信号线、密度计传感器、密度计动压腔、动压管、动压管安装孔、动压管动压孔；

12、每一路动态密度传感器布局位置是以动压管安装孔来定位的，每一路超声波测速传感器是以入口换能器号安装孔和出口换能器安装孔共同来定位的；所述测量管，顺着气流流向、以其横截面管壁的顶点为圆周角0度、且沿顺时针方向圆周角度增加；

13、在测量管的出口端、圆周角为0度的管壁上布置有第一路动态密度传感器，即布置有第一路动态密度传感器的动压管安装孔；在测量管的出口端、圆周角为120度的管壁上布置有第二路动态密度传感器，即布置有第二路动态密度传感器的动压管安装孔；在测量管的出口端、圆周角为240度的管壁上布置有第三路动态密度传感器，即布置有第三路动态密度传感器的动压管安装孔；

14、在测量管的入口端、圆周角为0度的管壁上布置有第一路超声波测速传感器的入口换能器组件，即布置有第一路超声波测速传感器入口换能器安装孔，在测量管的近出口端即紧邻动态密度传感器、圆周角为180度的管壁上布置有第一路超声波测速传感器的出口换能器组件，即布置有第一路超声波测速传感器出口换能器安装孔；在测量管的入口端、圆周角为120度的管壁上布置有第二路超声波测速传感器的入口换能器组件，即布置有第二路超声波测速传感器入口换能器安装孔，在测量管的近出口端即紧邻动态密度传感器、圆周角为300度的管壁上布置有第二路超声波测速传感器的出口换能器组件，即布置有第二路超声波测速传感器出口换能器安装孔；在测量管的入口端、圆周角为240度的管壁上布置有第三路超声波测速传感器的入口换能器组件，即布置有第三路超声波测速传感器入口换能器安装孔，在测量管的近出口端即紧邻动态密度传感器、圆周角为60度的管壁上布置有第三路超声波测速传感器的出口换能器组件，即布置有第三路超声波测速传感器出口换能器安装孔；

15、所述的动态密度传感器，动压管安装孔位于测量管出口端的管壁上，动压管安装孔为直道通孔且与测量管内气流水平流向垂直；

16、所述动压管，其一端与密度计壳体的动压口固定连接，另一端的端头是封闭的、且穿过动压管安装孔、并深入到测量管的管中心，动压管与动压管安装孔之间固定连接，动压管位于测量管内的部分为直管、且与测量管内气流水平流向垂直；

17、在位于测量管内的动压管的气流来流外壁上，均匀分布有若干个动压管动压孔，这若干个动压管动压孔沿着动压管的轴向，即与测量管内气流水平流向相垂直的方向，形成了一列动压管动压孔；静压管安装孔位于测量管出口端、动压管安装孔的近旁、且与动压管安装孔在同一圆周线的管壁上，静压管安装孔为直道通孔、与测量管内气流水平流向垂直；静压管的一端与密度计壳体的静压口固定连接，另一端与静压管安装孔固定连接；

18、所述密度计壳体为装配密度计传感器的容器，密度计壳体依次分布有密度计壳体的静压口、密度计静压腔、密度计传感器、密度计动压腔和密度计壳体的动压口；

19、所述密度计壳体的静压口与密度计静压腔相连通，密度计静压腔与密度计传感器的静压感应面相连通，密度计壳体的动压口与密度计动压腔相连通，密度计动压腔与与密度计传感器的动压感应面相连通，密度计静压腔与密度计动压腔之间相隔离；密度计传感器上的密度计信号线与积算电路盒内的积算电路板连接；

20、所述动压管位于测量管内的部分其横截面为扁圆形管，该扁圆形管的长径方向与测量管内气流水平流向平行；

21、所述密度计传感器为圆柱形的差压传感器，该差压传感器的两个圆形端面，一端面为测量气流动压的动压感应面，另一端面为测量气流静压的静压感应面；

22、所述入口换能器组件，其入口换能器护管为装配入口换能器5的直管，入口换能器封装于入口换能器护管内的首端、并与入口换能器护管内的尾部密封，入口换能器通过其上的入口换能器信号线与积算电路盒内的积算电路板连接；所述入口换能器安装孔位于测量管入口端的管壁上、且为向测量管出口端倾斜的直道孔；所述入口换能器护管固定于入口换能器安装孔内，并且入口换能器护管的首端恰刚深入到测量管之内、入口换能器护管的尾部位于测量管的外壁面之外；

23、所述出口换能器组件，出口换能器护管为装配出口换能器的直管，出口换能器封装于出口换能器护管内的首端、并与出口换能器护管内的尾部密封，出口换能器通过其上的出口换能器信号线与积算电路盒内的积算电路板连接；所述出口换能器安装孔位于测量管近出口端管壁上即与动态密度传感器相邻、且为向测量管入口端倾斜的直道孔；所述出口换能器护管固定于出口换能器安装孔内，并且出口换能器护管的首端恰刚深入到测量管之内、出口换能器护管的尾部位于测量管的管壁外；所述入口换能器与出口换能器组成一对对射的换能器，并且入口换能器圆板面中心与出口换能器圆板面中心之间的连线，在测量管内与测量管气流水平流向之间构成锐角；

24、在第一路、第二路和第三路的超声波测速传感器中，入口换能器圆板面中心与出口换能器圆板面中心之间的连线长度都是相同的，该连线与测量管内气流水平流向之间所构成得锐角也是相同的；

25、所述测量管，当其内流通着待测流量的天然气，对于天然气的这三种情况，即已知各组份的天然气、或者未知各组份的天然气、或者组份时常变化的天然气，积算电路盒内的积算cpu处理器都能测算出天然气的质量流量；

26、所述积算电路盒通过积算电路盒固定座固定于测量管的外壁面上；在积算电路盒内装配有积算电路板；在积算电路板上有超声波处理芯片、无线数据发送芯片、积算cpu处理器、显示屏、电池、电源开关；

27、所述积算cpu处理器依据：入口换能器圆板面中心与出口换能器圆板面中心之间的连线长度l（m）、该连线与测量管内气流水平流向之间的锐角、测量管的内半径r（m）、所测得的第j路超声波测速传感器中入口换能器发出的超声波被出口换能器接收到的时间间隔（s）、所测得的第j路超声波测速传感器中出口换能器发出的超声波被入口换能器接收到的时间间隔（s）、所测得的第j路密度计传感器涉及的密度计动压腔与密度计静压腔之间的压力差（pa），这里的j等于第一路或第二路或第三路，就得到了流经测量管6的天然气质量流量g（kg/s）为

28、 。

29、综上所述，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著进步，表现为：

30、第一，本发明是一款新型的大口径气体质量流量计，是对现有技术的一种突破，不仅能测量已知各组份的天然气质量流量，还能测量未知各组份的天然气质量流量、以及组份时常变化的天然气质量流量，克服了大口径管道中天然气流速和密度分布不均、造成对流量测量精度的负面影响，为天然气管网的量平衡实现、为天然气管网量平衡的监测监控系统的实施提供了技术支持，填补国内外天然气或天然气管网输运技术上、难于测量组份未知或组份变化的天然气质量流量的空白与缺陷。

31、第二，本发明基于所提出的将气体流速分布、气体动态密度分布有机融合来测量天然气质量流量的技术方案，通过优化，成功获得了优选的气体流速测量和气体动态密度测量相融合的技术方案，并采取三路对称性气体流速测量与气体动态密度测量分区布局匹配的测量架构，克服了大口径管道中天然气流速和密度分布不均造成对流量测量精度的负面影响，并基于该方案，创造性地构建了完整结构的一款新颖、可实用的大口径天然气质量流量计。

32、第三，本发明以能够测量组份变化的气体流速、测量的量程很宽、流速测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，获得了优化的气体流速计及测量方案，再以能够测量组份变化的气体动态密度、测量的量程宽、气体动态密度的测量精度高、对测量管路的流体阻流小为优选原则，获得了优化的气体动态密度计及测量方案，将优化的气体流量计测量方案与气体动态密度计测量方案有机融合，并采取三路对称性气体流速测量与气体动态密度测量分区布局匹配的测量架构、克服了大口径管道中天然气流速和密度分布不均造成对流量测量精度的负面影响，由此构建出了本发明的大口径天然气质量流量计，与现有技术相比，具有测量精度更高、测量的量程更宽的特性。

33、第四，本发明与现有技术的气体质量流量计相比，具有测量管的流道通畅光顺，流动阻力小，不受大口径管道中天然气流速和密度分布不均的负面影响、结构精简的特点，不受测量管管径的限制，易加工出从口径dn300至超大口径dn3000的大口径天然气质量流量计。