基于超聲波流量計的輸油管線多參數(shù)測量方法研究

孟凡芹，陳利安，賈 麗

(空軍勤務(wù)學院，江蘇 徐州 221000)

長距離管線輸油中，針對不同工況需要測量多種參數(shù)。在穩(wěn)定輸油階段需要測量輸油流量；在順序輸送時，需要測量混油段的混油濃度；在輸油初始階段，管路內(nèi)含有大量氣泡，流量計量誤差較大，這時候需要給出流速和氣泡指示。利用超聲波流量計實現(xiàn)了長輸管線體積流量、密度、質(zhì)量流量、流速、混油濃度和氣泡報警等多參數(shù)測量的方法。利用兩通道內(nèi)插式超聲波流量計測量技術(shù)，結(jié)合密度與聲速溫度二維關(guān)系曲線，實現(xiàn)了流體實時密度測量。并在密度測量的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了質(zhì)量流量、混油比例測量，利用超聲波接收強度變化，給出氣泡與不滿管報警，并綜合實現(xiàn)輸油管線流速、密度、體積流量、質(zhì)量流量、混油比例等多參數(shù)測量與氣泡報警。

1 超聲波流量流速與密度測量方法

輸油管線流量計測量流速、流量和質(zhì)量流量。對于延時式超聲波流量計，截面平均流速u可由下式得出(不考慮流形分布影響)：

(1)

式中t12、t21分別為上下游超聲波傳播時間(s)；在超聲波質(zhì)量流量測量中，其流體質(zhì)量流量qm可由下式得到：

qm=ρqv=Au

(2)

式中：qm——質(zhì)量流量，kg/s；

qv——體積流量，L/s；

ρ——油品密度，kg/L；

A——為超聲波測量管道截面積，cm2；

u——流體橫截面平均流速，cm/s。

因此，為測量出質(zhì)量流量，必須得到液體密度。根據(jù)理論分析和實驗已經(jīng)證明，各品種批次的油品密度可以通過超聲波速c和油品溫度t得到[1]。

假設(shè)介質(zhì)平均流速為u，超聲波從上游換能器1到下游換能器2和從換能器2到換能器1的傳播時間分別為t12、t21，超聲波在靜止介質(zhì)中的傳播速度為c。在實際測量系統(tǒng)中， t12、t21包括測量信號處理電路延時和數(shù)據(jù)處理時間，若忽略這些時間(對一定的系統(tǒng)來說通常為常數(shù))，則有：

經(jīng)推導(dǎo)可得出：

(3)

式中：L——換能器管路中心線方向距離，m；

t12、t21——超聲波上下游傳播時間，s；

c——超聲波在靜止介質(zhì)中的傳播速度，m/s。

對原油和石油產(chǎn)品，密度與聲速之間有如下經(jīng)驗公式[2]。

ρ=Ct+Btc

(4)

式中：Ct——在密度為0時的截距；

Bt——斜率。

另外，截距Ct和斜率Bt均為溫度的線性函數(shù)，有近似如下的函數(shù)關(guān)系：

Ct=C0+s1t

(5)

Bt=B0+s2t

(6)

由此可見，通過測量超聲波在輕質(zhì)油品中的傳播速度c和溫度t，利用上述關(guān)系式，可以準確地計算出油品的密度。根據(jù)當前實驗結(jié)果，利用最小二乘回歸法得出公式(4)(5)(6)的參數(shù)如表1所示。

表1 輕質(zhì)燃油密度計算系數(shù)表

按以上公式計算，汽油、噴氣燃料、柴油計算結(jié)果均小于0.163%。如表2所示為噴氣燃料實驗結(jié)果。

表2 煤油測量誤差分析

2 輸油管線用超聲波流量計設(shè)計

為滿足快速鋪設(shè)輸油管線輸油過程中流量等多參數(shù)集中測量的需要，對流量計外型和聲道布置進行了特殊設(shè)計。以150mm輸油管線用流量計為例，其外型如圖1 所示。測量管段和主機集成在一起，其中管段兩端設(shè)計為槽頭式，便于快速安裝。為減小整機重量，管段和主機采用X65鋼材。主機采用隔爆型設(shè)計。輸油管線流量計采用雙聲道布置方式，如圖2所示。其中BB聲道位于水平面內(nèi)，AA聲道位于垂直面內(nèi)。這樣布置的目的在于，當不滿管運行時，只要液面大于50%，水平聲道將有信號。通過一個聲道信號，流量計可以給出液體流動速度v。兩個聲道的頻率為1MHz，聲道軸線距離350mm(150mm管線用流量計)。為便于野戰(zhàn)管線清掃作業(yè)，管段內(nèi)腔超聲傳感器外緣距管段內(nèi)徑2mm。

圖1 輸油管線流量計外型

圖2 輸油管線流量計雙聲道空間布置

3 混油段混油比測量方法

在管線輸油作業(yè)中，通常需要按順序輸送不同油品。當轉(zhuǎn)換輸送不同油品時，會產(chǎn)生一定長度混油段。正確檢測和判斷混油段，將便于接收端適時切換受油裝置，防止接收罐混油。

通過超聲波聲速溫度法測量的油品密度為ρ，若該段為混油段，則可通過油品標準密度求出混油比例x。混油比例x定義為后行油品占總量的體積百分比。

若求出的混油段油品密度為ρ，則該混油段混合油品的標準密度ρ0可由下式計算：

ρ0=ρ-γ ′(20-t)

(7)

式中：ρ——油品密度，kg/L；

ρ0——油品在20℃時的標準密度，Kg/L；

γ′——石油產(chǎn)品溫度系數(shù)，kg/m3·℃；

t ——油料溫度，℃。

石油產(chǎn)品溫度系數(shù)γ′與油品的標準密度有關(guān)，可查表得到。

若前行、后行油品標準密度分別為ρ1、ρ2，則混油段混油比可由下式得到：

(8)

4 氣泡報警方法

在快速鋪設(shè)輸油管線每次輸油初期，由于管路未充滿等原因產(chǎn)生半管流或不滿管流動。這一階段的流動屬于氣液兩相流。根據(jù)氣液兩相流理論，按照氣液界面總體特征，水平管內(nèi)氣液兩相流的流型可分為分層流、泡狀流、段塞流和環(huán)狀流。在水平管段空氣水混合輸送模型中，其流型可利用Mandhane流型圖判斷，如圖3所示[3-4]。Mandhane流型圖是1974年由Mandhane等人在大量實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上繪制的，在油空氣混合輸送中可參照該模型進行流型判斷。

在輸油管線輸油初始階段，由于液體處于不滿管狀態(tài)，液相表觀流速小。根據(jù)Mandhane流型圖可以判斷流型處于分層流狀態(tài)，隨著流速增大和液相比例增加，逐步向塞狀流和泡狀流過渡。根據(jù)彭壯等人進行的水平管路大流量輸送實驗[3]，當氣相表觀流速較小時(小于1m/s)，主要表現(xiàn)為分層流和氣泡流。輸油管線穩(wěn)定運行時的輸油速度一般在7 m/s左右，因此也可以判斷，在初始輸油階段處于分層流，當運行一段時間，隨著氣量的減少，氣相表觀流速進一步減低，液相表觀流速進一步增加，流型將有一段時間處于泡狀流。

圖3 Mandhane流型圖

根據(jù)觀察，在足夠長的水平直管段上(彎頭、閥門等節(jié)流元件后)，流型基本符合以上分析。但穩(wěn)定的分層流出現(xiàn)的機會將更多，當氣相比例很小時，在足夠長的水平直管段上，氣泡會集中于管路頂部形成分層流。

分層流和氣泡流的存在，將影響流量測量精度。對超聲波流量計來說可能完全無法完成測量。然而，輸油初始階段是調(diào)節(jié)油泵，穩(wěn)定工作狀態(tài)的關(guān)鍵階段。為此需要給出流速和氣泡含量的報警信息。

在如圖2 所示輸油管線流量計中兩路聲道的布置上，兩束超聲波分別在水平面和鉛垂面。若出現(xiàn)不滿管的分層流情況，則處于鉛垂面的超聲接收信號變?nèi)趸蚪邮詹坏叫盘枺藭r若水平面信號接收正常，則可給出流速數(shù)據(jù)，并進行不滿管報警。

當輸油管線處于氣泡流情況，則流速和氣泡含量的測量比較復(fù)雜。5和6等文獻研究了氣液兩相流聲速問題，在均勻混合下的氣液兩相流聲速可通過兩者的密度、體積比和體彈性模量推出。

但是，這對低頻聲速下測量結(jié)果是一致的[6]，對于1Mhz的超聲波，其波長為1mm量級，小于氣泡尺寸。如此，超聲波傳播速度不取決于兩相流的復(fù)合彈性模量，而是在流體內(nèi)經(jīng)氣液結(jié)合面以散射、繞射形式傳播。信號接收端的兩路信號強度減弱，其超聲強度當符合統(tǒng)計規(guī)律。關(guān)于氣泡流下氣液兩相流超聲波傳播衰減規(guī)律的理論分析，以及是否可以建立接收超聲波強度與氣相含量關(guān)系，還有待進一步研究。在此，從氣泡含量報警的角度，僅當信號降低到一定程度，比如70%時，給出氣泡報警。根據(jù)以上分析，就氣泡報警問題采取兩項決策方法。在垂直信號消失，水平信號正常時，給出流速信息，并判斷為分層流；當兩路信號減弱，峰值寬度增加時，認為是氣泡流。

5 結(jié)論

從以上分析可以得出以下結(jié)論。(1)長距離快速鋪設(shè)管線輸油過程中，利用超聲波流量測量方法實現(xiàn)多參數(shù)測量是可行的。通過超聲波速、超聲波傳播延時和溫度測量，可以綜合給出流速、體積流量、質(zhì)量流量、密度、混油濃度等信息。(2)超聲波延時測量技術(shù)達到皮秒量級后，超聲方法可以實現(xiàn)精確多種物理量測量，如密度、黏度等，超聲波測量應(yīng)用范圍進一步擴大。(3)超聲波多參數(shù)測量裝置，可實現(xiàn)輸油管線多參數(shù)測量，并具有氣泡含量預(yù)警等功能，充分利用了超聲波流量檢測無阻流元件特點，能更好地適應(yīng)管線輸油作業(yè)測量和控制需要。雖然缺少氣液兩相流與超聲波傳播規(guī)律的研究，但結(jié)合超聲波流量測量，提出了超聲波新的應(yīng)用范圍。可以預(yù)計，隨著時間測量精度和計算速度的提高，超聲波技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用。