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(jì)通過測量聲波穿過管道內(nèi)流體時(shí)所用時(shí)長，得到管輸介質(zhì)瞬時(shí)流速值，并通過對瞬時(shí)值的近似積分得到過站累計(jì)流量。將某運(yùn)行工況下瞬時(shí)流量與累計(jì)流量的趨勢變化進(jìn)行對比，證明了超聲波計(jì)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(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。將密度與聲速隨時(shí)間變化的趨勢進(jìn)行對比得出：使用超聲波流量計(jì)進(jìn)行批次界面檢測，可取代站場密度計(jì)檢測裝置從而大幅降低維護(hù)人員勞動強(qiáng)度并節(jié)省運(yùn)行費(fèi)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(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)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(yùn)用超聲波技術(shù)實(shí)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(jì)1臺。

1 超聲波流量計(jì)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(jì)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(jì)，該型流量計(jì)以時(shí)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(shí)差式超聲波流量計(jì)的測量原理（圖1）：超聲波穿過流體順流和逆流時(shí)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(shí)間差Δt與介質(zhì)速度成正比，介質(zhì)流速越快，時(shí)差值就越大[4]。

圖1 超聲波流量計(jì)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(shí)間t1；同理，換能器P2向P1發(fā)射超聲波，獲得其傳播時(shí)間t2，則：

式中：Δt——時(shí)間差，s；

L——超聲波流量計(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（流量計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際溫度進(jìn)行黏度補(bǔ)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(diǎn)是計(jì)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(jì)自帶流量計(jì)算機(jī)，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(jì)功能拓展

2.1 輸油計(jì)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(shí)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(shí)間段的積分。流量計(jì)算機(jī)以秒級為基本時(shí)間間隔采集到的是一系列孤立的、不連續(xù)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，在采集到瞬時(shí)流量數(shù)據(jù)點(diǎn)后計(jì)算機(jī)對其深度處理，進(jìn)行近似積分。即相鄰兩個(gè)瞬時(shí)流量值取平均數(shù)與時(shí)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(jì)瞬時(shí)值與累計(jì)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(shí)流量曲線出現(xiàn)階躍，累計(jì)流量曲線變得陡峭，斜率增大。

圖2 瞬時(shí)流量與累計(jì)流量趨勢

盡管在歷史趨勢圖中，超聲波流量計(jì)所測得的瞬時(shí)流量值在一定范圍內(nèi)波動，并且與管道內(nèi)實(shí)際值有一定的偏差，但這并不影響調(diào)度員對管道運(yùn)行狀態(tài)的整體把握，其精度完全可滿足管道調(diào)控運(yùn)行的實(shí)際需要；同理超聲波流量計(jì)近似積分所得的累計(jì)值一般也不作為管道各方交接計(jì)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(jì)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(jì)算相比，超聲波流量計(jì)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(shí)間t1和t2是裝置測得的初始數(shù)據(jù)，瞬態(tài)流量則是運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)。同時(shí)，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(jī)械波的傳播速度由介質(zhì)物理機(jī)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(jī)械波在介質(zhì)中傳播縱波時(shí)，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(shí)現(xiàn)檢測管輸批次界面的目的。

使用在線密度計(jì)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(jì)法實(shí)現(xiàn)簡單方便，密度檢測裝置運(yùn)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(yàn)證使用聲速值檢測混油界面的可行性與可靠性，將某一時(shí)段批次界面通過某站場時(shí)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(jì)撬座裝置連續(xù)循環(huán)取樣測得，聲速值由超聲波流量計(jì)測得。

由圖3可知，當(dāng)混油界面通過該站場時(shí)，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(shí)，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(gè)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(shí)，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(jì)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(shí)體積流量，在此基礎(chǔ)上將瞬時(shí)流量對時(shí)間進(jìn)行近似積分處理可得管道輸油累計(jì)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(jì)在對管道內(nèi)流體進(jìn)行流速測量的同時(shí)，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(jì)，在不增加其他附屬裝置的前提下，成功實(shí)現(xiàn)了柴汽界面的識別，且其識別精度與使用在線密度計(jì)方式相同。即便在密度計(jì)設(shè)備發(fā)生故障而失效的情況下，此系統(tǒng)仍可以獨(dú)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(jì)檢測裝置由之前的連續(xù)運(yùn)行，改為在批次界面通過時(shí)站場時(shí)間歇運(yùn)行，這不僅可大幅降低維護(hù)人員勞動強(qiáng)度、降低生產(chǎn)運(yùn)行費(fèi)用和產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)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(yùn)專業(yè)），從事長輸液體管道的調(diào)控運(yùn)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）