近几年来，我国天然气行业发展突飞猛进。在天然气行业中流量计量是直接影响企业和用户经济效益的关键环节，越来越受到重视。时差式超声波流量计以其精度高、可测量范围大、量程比大、可测双向流量和无压损等优点，被广泛应用在天然气行业中。虽然目前天然气处理工艺技术已经非常先进和完善，但超声波换能器上往往还会出现积水现象。这些积水主要来源于残存的试压水和管道内湿空气遇冷析出的冷凝水，这些液态水致使超声波流量计失效或出现计量故障，造成经济损失，给企业和用户带来纠纷。

时差式超声波气体流量计工作原理

    当管道中没有流动气体时，超声波流量计换能器A接收对应换能器B发出的超声波所用时间，与换能器B接收所对应的换能器A发出的超声波所用时间相同。当有气体流经流量计时，顺流方向超声波传播时间小于逆流方向传播时间，气体的流速与超声波顺流和逆流传播时间差成函数关系[1]。

水对超声波气体流量计的影响

 如图1所示，在充满气体的管道壁有两个成一定夹角的超声波换能器，设气体流速为V，管道直径为D，两换能器中心线之间距离为L，两个换能器延管线方向距离为X，超声波在被测气体中静止速度为C。

图1 液态水在超声波流量计中位置

    在天然气流经换能器A和换能器B过程中，根据设计结构原理，与天然气顺流方向换能器B端部易存留积水，而A端在受到流体的冲击作用下不易产生积水。

    当A、B换能器均未积水的情况下，根据时差法测算气体流速原理，顺流时间

      （2）

    由公式（1）和（2）推导计算出气体流速V为

       （3）

    由此通过测量X、L、t1、t2就可计算气体流速，再将气体流速加权修正后，测算出气体流量。

    在换能器B积水的情况下，换能器A发出的超声波会首先作用在积水上，此时会出现两种情况：一种情况是超声波在水的反射作用下，使换能器B无法接收到超声波，因而造成流量计无法记录数据；另一种情况是超声波在气体传播实际距离为L′，在液态水中传播距离为L-L′。根据时差法超声波测量原理，顺流时间

      （4）

    其中

      （5）

    式中Δt为超声波在液态水中传播时间。

    逆流时间

    其中

       （6）

    另外

      （7）

    由公式（4）、（5）、（6）、（7）计算得气体实际速度V′为

      （8）

    超声波气体流量计后台根据实际t1和t2，计算出气体流速V为

      （9）

    因为超声波在液态水传播时间Δt相对于t1'很小，可认为，则有V>V′，这样引起了计量故障，严重时会引起商业纠纷。

减少水对超声波流量计影响措施

    （1）科学的设计是减少天然气长输管道存水的关键。在天然气管道路由设计时要考虑长输管道地势低洼地段积水因素；在场站设备设计时要考虑各超声波流量计前设备的排水功能和分离器系统的液态水处理功能。虽然现在的分离器可以除去各种尺寸的固体颗粒，也能100%分离掉大于8～10μm的水汽，但液态水的带入会严重降低分离器的处理效果[2]。所以在设计工艺流程时，应考虑在分离器前面加一级液态水处理装置，分离掉大部分从管道内带来的液态水，其余少量水汽再由分离器除去。这种两级分离工艺流程设计在国内气体超声波流量计的场站中已经得到应用，效果良好。

    （2）投产前干燥管线是天然气长输管道干燥的重要保证。天然气管道投产前的一般程序是试压→除水→干燥→置换→投产。投产前的管道积水是管道内液态水留存的主要原因。虽然国家规范中未强制规定进行干燥，但由于超声波气体流量计较其他气体流量计对液态水非常敏感，所以管线必须进行干燥。

    （3）加强制度管理，减少人为因素影响。加强对超声波流量计前设备的排水管理，尤其是对分离器的排污排水管理。现在的分离器均设有排污管，通过人工排除分离出的污水。但如果操作人员管理不到位，积液会导致分离器失效，使液态水随天然气进入超声波气体流量计而造成计量故障。所以应建立分离器和之前相关设备的巡检、点检制度和保养规程，确保及时排除污水。

    （4）定期对流量计进行清洗。根据实际情况，定期取下超声波换能器进行清洗，除去换能器上的污物和液态水，保证超声波流量计计量准确。

    由于超声波气体流量计在天然气长输管线计量中应用时间较短，对液态水的影响理论研究不多，也缺少改进措施的探讨和实践。液态水造成超声波流量计计量失效或偏大，这需要从设计、施工、投产前准备、投产、日常管理、流程的优化和设备改进等各方面制定措施，防止管道积水和水汽，从而减少液态水的影响，提高计量精度，保证企业与用户利益。