超聲波技術(shù)在成品油管道的應(yīng)用

劉超 陳泓君 翟培君 胡善煒 郭鍇 聞峰 郝勇

（中國石油北京油氣調(diào)控中心）

超聲波技術(shù)在成品油管道的應(yīng)用

劉超 陳泓君 翟培君 胡善煒 郭鍇 聞峰 郝勇

（中國石油北京油氣調(diào)控中心）

超聲波流量計通過測量聲波穿過管道內(nèi)流體時所用時長，得到管輸介質(zhì)瞬時流速值，并通過對瞬時值的近似積分得到過站累計流量。將某運行工況下瞬時流量與累計流量的趨勢變化進(jìn)行對比，證明了超聲波計量準(zhǔn)確，精度滿足生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)效率。此外，超聲波流量計還采集了管道內(nèi)流體的聲速值，通過后期改造將該數(shù)據(jù)傳送至站PLC，可以得到油品聲速值的實時數(shù)據(jù)。將密度與聲速隨時間變化的趨勢進(jìn)行對比得出：使用超聲波流量計進(jìn)行批次界面檢測，可取代站場密度計檢測裝置從而大幅降低維護(hù)人員勞動強度并節(jié)省運行費用。

超聲波；流量；管道；混油界面；聲速

超聲波具有方向性好，穿透能力強的優(yōu)點，且易于獲得較集中的聲能，傳播距離遠(yuǎn)，在農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域有著廣泛的使用，特別是在測量工業(yè)領(lǐng)域，由于超聲波技術(shù)具有精度高、非接觸、無損等優(yōu)點因而得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]。我國某長輸成品油管道成功運用超聲波技術(shù)實現(xiàn)了流量精確測量和混油界面檢測。該管道于2009年建成投產(chǎn)，線路西起甘肅蘭州，東行河南鄭州，南抵湖南長沙，干線全長2086km。管道采用常溫密閉順序輸送工藝，輸送多種油品[3]。管道干線設(shè)有16座工藝站場，每座站場內(nèi)均安裝超聲波流量計1臺。

1 超聲波流量計工作原理

目前，工業(yè)上測量流量的傳感器種類繁多，檢測手段也多種多樣，按測量原理可分為電學(xué)原理、熱學(xué)原理、光學(xué)原理、聲學(xué)原理、原子物理學(xué)原理等。超聲波流量計即為利用聲學(xué)原理通過對管道中流體的聲速測量從而獲得其流速值。

管道采用固定式流量計，該型流量計以時差法為測量原理，主要由超聲波換能器、信號處理電路及流量顯示系統(tǒng)3部分組成。時差式超聲波流量計的測量原理（圖1）：超聲波穿過流體順流和逆流時間不同，根據(jù)超聲波脈沖在被測介質(zhì)的順流和逆流形成的速度差測量流體的流速，其時間差Δt與介質(zhì)速度成正比，介質(zhì)流速越快，時差值就越大[4]。

圖1 超聲波流量計測量原理

在介質(zhì)順流方向，換能器P1向P2發(fā)射超聲波信號，獲得其傳播時間t1；同理，換能器P2向P1發(fā)射超聲波，獲得其傳播時間t2，則：

式中：Δt——時間差，s；

L——超聲波流量計水平安裝距離，m；

c——超聲波在被測介質(zhì)中傳播速度，m/s；

α——超聲波傳播方向與管道水平夾角，rad；

uD——管道介質(zhì)在管道軸向上的平均流速，m/s。

由于超聲波速度遠(yuǎn)大于介質(zhì)平均流速，即c?uD，故體積流量表達(dá)式：

式中：Q——管道內(nèi)介質(zhì)體積流量，m3/s；

A——管道橫截面積，m2；

D——管道內(nèi)徑，m。

綜上所述，流量計通過對管道內(nèi)輸送介質(zhì)不同方向的超聲波傳播速度進(jìn)行測量，并經(jīng)系統(tǒng)自帶流量計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（流量計算機根據(jù)實際溫度進(jìn)行黏度補償從而提高測量精度），從而得到了管道內(nèi)介質(zhì)的流速和流量。其最大優(yōu)點是計量準(zhǔn)確并且無需直接接觸管道內(nèi)流體，安裝維護(hù)方便、快捷。由于流量計自帶流量計算機，自動化程度高。這也為其進(jìn)行數(shù)據(jù)深度處理及功能拓展提供了有力的硬件支持。

2 超聲波流量計功能拓展

2.1 輸油計量

管道內(nèi)介質(zhì)的流動可以近似看作是定常流，由不可壓縮流體定常流動連續(xù)性方程可知：任意時間段通過管道內(nèi)某截面的流體體積等于該截面面積乘以介質(zhì)通過該截面的平均流速對該時間段的積分。流量計算機以秒級為基本時間間隔采集到的是一系列孤立的、不連續(xù)的數(shù)據(jù)點，在采集到瞬時流量數(shù)據(jù)點后計算機對其深度處理，進(jìn)行近似積分。即相鄰兩個瞬時流量值取平均數(shù)與時間間隔相乘并將乘積累加求和。

圖2為SCADA系統(tǒng)采集到的某中間站場超聲波流量計瞬時值與累計值變化趨勢圖。如圖2所示，20：12過站流量由680m3/h增加至800m3/h，瞬時流量曲線出現(xiàn)階躍，累計流量曲線變得陡峭，斜率增大。

圖2 瞬時流量與累計流量趨勢

盡管在歷史趨勢圖中，超聲波流量計所測得的瞬時流量值在一定范圍內(nèi)波動，并且與管道內(nèi)實際值有一定的偏差，但這并不影響調(diào)度員對管道運行狀態(tài)的整體把握，其精度完全可滿足管道調(diào)控運行的實際需要；同理超聲波流量計近似積分所得的累計值一般也不作為管道各方交接計量的結(jié)算數(shù)據(jù)，但是可作為生產(chǎn)的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，例如可大致計算日輸量、批次輸量、批次界面位置等[5-7]。與使用首末站儲罐液位進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)計算相比，超聲波流量計數(shù)值獲取更加方便快捷，提高了調(diào)度員的工作效率。

2.2 批次界面識別

由上述內(nèi)容可知，超聲波在換能器之間傳播的時間t1和t2是裝置測得的初始數(shù)據(jù)，瞬態(tài)流量則是運算結(jié)果數(shù)據(jù)。同時，中間數(shù)據(jù)處理過程還產(chǎn)生了管道內(nèi)流體的聲速值等一系列次級數(shù)據(jù)，由式（1）、（2）可得：

根據(jù)波動理論，機械波的傳播速度由介質(zhì)物理機械屬性決定，即完全取決于介質(zhì)的彈性和慣性，也即取決于介質(zhì)的彈性模量和密度，機械波在介質(zhì)中傳播縱波時，其速率為[8]

式中：c——流體中聲波傳播速度，m/s；

K——體積模量，N/m2；

ρ——流體密度，kg/m3。

由上式可知，液體密度與其體積模量及聲速值三者之間存在對應(yīng)關(guān)系。成品油由原油經(jīng)生產(chǎn)加工煉制而成，管輸汽柴油即是由不同烴類按照不同比例組成的混合物，對于不同種類油品而言，混合物密度值不同，形變模量不同。因此可以通過對管道內(nèi)油品聲速值的測量實現(xiàn)檢測管輸批次界面的目的。

使用在線密度計對管道內(nèi)流體密度值進(jìn)行測量，從而達(dá)到批次跟蹤、混油界面檢測和識別不同油品的目的。密度計法實現(xiàn)簡單方便，密度檢測裝置運行可靠，該方法是成品油管道應(yīng)用較為成熟的技術(shù)手段[9-10]。為驗證使用聲速值檢測混油界面的可行性與可靠性，將某一時段批次界面通過某站場時油品聲速值與密度值在SCADA系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)繪制在同一圖示內(nèi)（圖3）。密度值由密度計撬座裝置連續(xù)循環(huán)取樣測得，聲速值由超聲波流量計測得。

由圖3可知，當(dāng)混油界面通過該站場時，油品密度值與聲速值開始同步上升；隨著混油段中柴油組分所占比例的不斷增多，二者數(shù)值均逐漸增大，曲線斜率也不斷增加；而當(dāng)下一批次純柴油油頭進(jìn)站時，密度曲線、聲速曲線也都趨于平緩，并最終穩(wěn)定不變。在整個過程中站內(nèi)油品由汽油逐漸變?yōu)椴裼?，管道?nèi)油品密度值由735kg/m3變化為832kg/m3，而聲速值由1221m/s上升至1398m/s。由以上分析可得：在進(jìn)行批次界面檢測時，聲速值與密度值兩種手段是等效的。

3 結(jié)論

超聲波流量計應(yīng)用聲學(xué)原理對流體在管道內(nèi)的流速值進(jìn)行測量，通過一系列的數(shù)據(jù)處理獲得了管道內(nèi)流體的瞬時體積流量，在此基礎(chǔ)上將瞬時流量對時間進(jìn)行近似積分處理可得管道輸油累計值，此數(shù)值雖有一定誤差，但完全可以滿足管道生產(chǎn)需要。以上兩種數(shù)值可直接供調(diào)度員作為指導(dǎo)性數(shù)據(jù)使用，增加了數(shù)據(jù)來源的便利性和有效性并大幅提高了工作效率。

超聲波流量計在對管道內(nèi)流體進(jìn)行流速測量的同時，間接地獲得了流體聲速值。根據(jù)不同烴類由于其密度、彈性模量不同導(dǎo)致聲速值也不同的物理學(xué)原理，利用站場現(xiàn)有的外夾式西門子超聲波流量計，在不增加其他附屬裝置的前提下，成功實現(xiàn)了柴汽界面的識別，且其識別精度與使用在線密度計方式相同。即便在密度計設(shè)備發(fā)生故障而失效的情況下，此系統(tǒng)仍可以獨立工作，幫助調(diào)度員進(jìn)行柴汽混油界面的識別。

在以上技術(shù)保障的前提下，站場密度計檢測裝置由之前的連續(xù)運行，改為在批次界面通過時站場時間歇運行，這不僅可大幅降低維護(hù)人員勞動強度、降低生產(chǎn)運行費用和產(chǎn)生經(jīng)濟效益，還提高了油品質(zhì)量的保障能力。

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新疆石西油田

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.09.008

劉超，工程師，2008年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院（油氣儲運專業(yè)），從事長輸液體管道的調(diào)控運行工作，E-mail：liu_chao@petrochina.com.cn，地址：北京市東城區(qū)東直門北大街9號中國石油大廈B1911室，100007。

2017-08-10

（編輯王古月）