基于超声波流量计的输油管线多参数测量方法研究

孟凡芹，陈利安，贾 丽

(空军勤务学院，江苏 徐州 221000)

长距离管线输油中，针对不同工况需要测量多种参数。在稳定输油阶段需要测量输油流量；在顺序输送时，需要测量混油段的混油浓度；在输油初始阶段，管路内含有大量气泡，流量计量误差较大，这时候需要给出流速和气泡指示。利用超声波流量计实现了长输管线体积流量、密度、质量流量、流速、混油浓度和气泡报警等多参数测量的方法。利用两通道内插式超声波流量计测量技术，结合密度与声速温度二维关系曲线，实现了流体实时密度测量。并在密度测量的基础上，实现了质量流量、混油比例测量，利用超声波接收强度变化，给出气泡与不满管报警，并综合实现输油管线流速、密度、体积流量、质量流量、混油比例等多参数测量与气泡报警。

1 超声波流量流速与密度测量方法

输油管线流量计测量流速、流量和质量流量。对于延时式超声波流量计，截面平均流速u可由下式得出(不考虑流形分布影响)：

(1)

式中t12、t21分别为上下游超声波传播时间(s)；在超声波质量流量测量中，其流体质量流量qm可由下式得到：

qm=ρqv=Au

(2)

式中：qm——质量流量，kg/s；

qv——体积流量，L/s；

ρ——油品密度，kg/L；

A——为超声波测量管道截面积，cm2；

u——流体横截面平均流速，cm/s。

因此，为测量出质量流量，必须得到液体密度。根据理论分析和实验已经证明，各品种批次的油品密度可以通过超声波速c和油品温度t得到[1]。

假设介质平均流速为u，超声波从上游换能器1到下游换能器2和从换能器2到换能器1的传播时间分别为t12、t21，超声波在静止介质中的传播速度为c。在实际测量系统中， t12、t21包括测量信号处理电路延时和数据处理时间，若忽略这些时间(对一定的系统来说通常为常数)，则有：

经推导可得出：

(3)

式中：L——换能器管路中心线方向距离，m；

t12、t21——超声波上下游传播时间，s；

c——超声波在静止介质中的传播速度，m/s。

对原油和石油产品，密度与声速之间有如下经验公式[2]。

ρ=Ct+Btc

(4)

式中：Ct——在密度为0时的截距；

Bt——斜率。

另外，截距Ct和斜率Bt均为温度的线性函数，有近似如下的函数关系：

Ct=C0+s1t

(5)

Bt=B0+s2t

(6)

由此可见，通过测量超声波在轻质油品中的传播速度c和温度t，利用上述关系式，可以准确地计算出油品的密度。根据当前实验结果，利用最小二乘回归法得出公式(4)(5)(6)的参数如表1所示。

表1 轻质燃油密度计算系数表

按以上公式计算，汽油、喷气燃料、柴油计算结果均小于0.163%。如表2所示为喷气燃料实验结果。

表2 煤油测量误差分析

2 输油管线用超声波流量计设计

为满足快速铺设输油管线输油过程中流量等多参数集中测量的需要，对流量计外型和声道布置进行了特殊设计。以150mm输油管线用流量计为例，其外型如图1 所示。测量管段和主机集成在一起，其中管段两端设计为槽头式，便于快速安装。为减小整机重量，管段和主机采用X65钢材。主机采用隔爆型设计。输油管线流量计采用双声道布置方式，如图2所示。其中BB声道位于水平面内，AA声道位于垂直面内。这样布置的目的在于，当不满管运行时，只要液面大于50%，水平声道将有信号。通过一个声道信号，流量计可以给出液体流动速度v。两个声道的频率为1MHz，声道轴线距离350mm(150mm管线用流量计)。为便于野战管线清扫作业，管段内腔超声传感器外缘距管段内径2mm。

图1 输油管线流量计外型

图2 输油管线流量计双声道空间布置

3 混油段混油比测量方法

在管线输油作业中，通常需要按顺序输送不同油品。当转换输送不同油品时，会产生一定长度混油段。正确检测和判断混油段，将便于接收端适时切换受油装置，防止接收罐混油。

通过超声波声速温度法测量的油品密度为ρ，若该段为混油段，则可通过油品标准密度求出混油比例x。混油比例x定义为后行油品占总量的体积百分比。

若求出的混油段油品密度为ρ，则该混油段混合油品的标准密度ρ0可由下式计算：

ρ0=ρ-γ ′(20-t)

(7)

式中：ρ——油品密度，kg/L；

ρ0——油品在20℃时的标准密度，Kg/L；

γ′——石油产品温度系数，kg/m3·℃；

t ——油料温度，℃。

石油产品温度系数γ′与油品的标准密度有关，可查表得到。

若前行、后行油品标准密度分别为ρ1、ρ2，则混油段混油比可由下式得到：

(8)

4 气泡报警方法

在快速铺设输油管线每次输油初期，由于管路未充满等原因产生半管流或不满管流动。这一阶段的流动属于气液两相流。根据气液两相流理论，按照气液界面总体特征，水平管内气液两相流的流型可分为分层流、泡状流、段塞流和环状流。在水平管段空气水混合输送模型中，其流型可利用Mandhane流型图判断，如图3所示[3-4]。Mandhane流型图是1974年由Mandhane等人在大量实验数据基础上绘制的，在油空气混合输送中可参照该模型进行流型判断。

在输油管线输油初始阶段，由于液体处于不满管状态，液相表观流速小。根据Mandhane流型图可以判断流型处于分层流状态，随着流速增大和液相比例增加，逐步向塞状流和泡状流过渡。根据彭壮等人进行的水平管路大流量输送实验[3]，当气相表观流速较小时(小于1m/s)，主要表现为分层流和气泡流。输油管线稳定运行时的输油速度一般在7 m/s左右，因此也可以判断，在初始输油阶段处于分层流，当运行一段时间，随着气量的减少，气相表观流速进一步减低，液相表观流速进一步增加，流型将有一段时间处于泡状流。

图3 Mandhane流型图

根据观察，在足够长的水平直管段上(弯头、阀门等节流元件后)，流型基本符合以上分析。但稳定的分层流出现的机会将更多，当气相比例很小时，在足够长的水平直管段上，气泡会集中于管路顶部形成分层流。

分层流和气泡流的存在，将影响流量测量精度。对超声波流量计来说可能完全无法完成测量。然而，输油初始阶段是调节油泵，稳定工作状态的关键阶段。为此需要给出流速和气泡含量的报警信息。

在如图2 所示输油管线流量计中两路声道的布置上，两束超声波分别在水平面和铅垂面。若出现不满管的分层流情况，则处于铅垂面的超声接收信号变弱或接收不到信号，此时若水平面信号接收正常，则可给出流速数据，并进行不满管报警。

当输油管线处于气泡流情况，则流速和气泡含量的测量比较复杂。5和6等文献研究了气液两相流声速问题，在均匀混合下的气液两相流声速可通过两者的密度、体积比和体弹性模量推出。

但是，这对低频声速下测量结果是一致的[6]，对于1Mhz的超声波，其波长为1mm量级，小于气泡尺寸。如此，超声波传播速度不取决于两相流的复合弹性模量，而是在流体内经气液结合面以散射、绕射形式传播。信号接收端的两路信号强度减弱，其超声强度当符合统计规律。关于气泡流下气液两相流超声波传播衰减规律的理论分析，以及是否可以建立接收超声波强度与气相含量关系，还有待进一步研究。在此，从气泡含量报警的角度，仅当信号降低到一定程度，比如70%时，给出气泡报警。根据以上分析，就气泡报警问题采取两项决策方法。在垂直信号消失，水平信号正常时，给出流速信息，并判断为分层流；当两路信号减弱，峰值宽度增加时，认为是气泡流。

5 结论

从以上分析可以得出以下结论。(1)长距离快速铺设管线输油过程中，利用超声波流量测量方法实现多参数测量是可行的。通过超声波速、超声波传播延时和温度测量，可以综合给出流速、体积流量、质量流量、密度、混油浓度等信息。(2)超声波延时测量技术达到皮秒量级后，超声方法可以实现精确多种物理量测量，如密度、黏度等，超声波测量应用范围进一步扩大。(3)超声波多参数测量装置，可实现输油管线多参数测量，并具有气泡含量预警等功能，充分利用了超声波流量检测无阻流元件特点，能更好地适应管线输油作业测量和控制需要。虽然缺少气液两相流与超声波传播规律的研究，但结合超声波流量测量，提出了超声波新的应用范围。可以预计，随着时间测量精度和计算速度的提高，超声波技术将得到更为广泛的应用。