齊偉

中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心(山東東營(yíng)257100)

超聲流量計(jì)在污水流量計(jì)校準(zhǔn)中適應(yīng)性的討論

齊偉

中國(guó)石化勝利油田分公司技術(shù)檢測(cè)中心(山東東營(yíng)257100)

針對(duì)超聲波流量計(jì)在污水流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方面暴露出的準(zhǔn)確性不高的問(wèn)題，結(jié)合超聲波流量計(jì)的原理和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析對(duì)超聲流量計(jì)在污水流量計(jì)校準(zhǔn)中的作用進(jìn)行了討論。試驗(yàn)證明，超聲波流量計(jì)不適用于在線校準(zhǔn)污水流量計(jì)。

超聲波流量計(jì);污水流量計(jì);現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn);實(shí)驗(yàn)比對(duì)

油田污水回注是合理開(kāi)發(fā)和利用水資源、節(jié)能環(huán)保的有效途徑。污水回注量是否合適關(guān)系到地層結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，油層壓力的恢復(fù)和保持，直接影響油田采收率，因此污水流量計(jì)的準(zhǔn)確性十分重要。油田現(xiàn)場(chǎng)污水流量計(jì)拆卸較困難，往往又沒(méi)有備用流量計(jì)，因此現(xiàn)場(chǎng)通常采用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)法。近幾年隨著油田對(duì)污水計(jì)量的重視，超聲波流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方法得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也暴露了該流量計(jì)準(zhǔn)確性不高的問(wèn)題。本文結(jié)合超聲波流量計(jì)原理和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析對(duì)超聲流量計(jì)在污水流量計(jì)校準(zhǔn)中的適應(yīng)性進(jìn)行了討論[1-5]。

1 超聲波流量計(jì)原理

常用的超聲波流量計(jì)有2種原理：時(shí)差法和多普勒法。

1.1 時(shí)差法原理

超聲波信號(hào)在流體中，順流時(shí)信號(hào)傳播速度快，傳播時(shí)間短;逆流時(shí)信號(hào)傳播速度慢，傳播時(shí)間長(zhǎng)，利用超聲波信號(hào)在流體中順逆流方向聲波信號(hào)傳播時(shí)間存在差值，即時(shí)差，可以計(jì)算出流體流量。時(shí)差法較適于測(cè)量純凈液體，有較多氣泡的液體或懸浮物會(huì)阻礙聲脈沖正常傳播，導(dǎo)致不能正常測(cè)量。

1.2 多普勒法原理

超聲波信號(hào)在傳播路徑上遇到微小浮游物(懸浮物質(zhì)或微小氣泡)而被散射，超聲接收器能夠接收散射后的超聲波信號(hào)。發(fā)射信號(hào)頻率受多普勒效應(yīng)的影響后變?yōu)椴煌慕邮招盘?hào)頻率，2個(gè)頻率之差與流體流速有確定的數(shù)量關(guān)系，由此可以計(jì)算出流體流量。多普勒法流量計(jì)不能測(cè)量清潔的流體，僅能測(cè)量約50mg/L以上濁度的流體。同時(shí)多普勒法測(cè)量精度低于時(shí)差法，一般為2.0級(jí)，即2%滿量程誤差(2%F.S.)。

2 超聲波流量計(jì)使用注意事項(xiàng)

近幾年，隨著超聲波流量計(jì)在污水流量計(jì)在線校準(zhǔn)中的應(yīng)用越來(lái)越普遍，流量計(jì)準(zhǔn)確性不高的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，原因主要是操作不規(guī)范和流量計(jì)自身問(wèn)題。

2.1 操作不規(guī)范

管道方面，技術(shù)人員經(jīng)常不按照標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程進(jìn)行操作，例如未準(zhǔn)確測(cè)量管道外徑、周長(zhǎng)、壁厚、接觸溫度等，這些參數(shù)都會(huì)對(duì)超聲流量計(jì)的原始數(shù)據(jù)修正產(chǎn)生重要影響。

安裝方式方面，技術(shù)人員經(jīng)常不按照管道大小和信號(hào)強(qiáng)度選擇安裝方式，往往選擇流量計(jì)的默認(rèn)雙聲程模式。正確的安裝方式為：在大管道和復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)采用單聲程;在小管道和信號(hào)特強(qiáng)的情況下選擇多聲程。

安裝位置方面，技術(shù)人員往往隨意放置超聲探頭，且不確認(rèn)管道污水是否滿管這一重要的測(cè)量條件。正確的安裝位置為：應(yīng)選擇管道的水平中間位置放置探頭;只有在管道滿管的條件下才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，流體向上流的垂直管道能保證滿管流。

除此以外，現(xiàn)場(chǎng)的管道內(nèi)襯的種類和厚度等重要參數(shù)往往很難獲得，這些也嚴(yán)重影響了流量計(jì)的準(zhǔn)確性。

2.2 超聲波流量計(jì)自身問(wèn)題

首先是時(shí)差法和多普勒法流量計(jì)的選用。時(shí)差法流量計(jì)適用于純凈液體的計(jì)量，準(zhǔn)確度優(yōu)于± 1.0%;多普勒法流量計(jì)適用于濁度50mg/L以上的流體。因此，2種原理的流量計(jì)在污水流量計(jì)校準(zhǔn)時(shí)的選用非常重要。一般情況下，管道中污水較干凈時(shí)，可選用時(shí)差法;當(dāng)污水較渾濁時(shí)，應(yīng)選用多普勒法。但是污水干凈還是渾濁在現(xiàn)場(chǎng)很難被定量界定，因此選用這2種原理的流量計(jì)沒(méi)有通用方法可遵循，導(dǎo)致流量計(jì)自身計(jì)量不準(zhǔn)確，更談不上校準(zhǔn)污水流量計(jì)了。

其次超聲波接收也存在缺陷。超聲波由于是通過(guò)在管道中發(fā)射和接收超聲信號(hào)來(lái)測(cè)量流體流量的，所以管道材質(zhì)對(duì)超聲的折射、流體中雜質(zhì)對(duì)超聲的反射和散射、流體中隨機(jī)存在的氣泡和雜質(zhì)的含量高低都會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生不穩(wěn)定的影響。油田污水中含有不少的原油、砂礫、氣泡、化學(xué)藥劑等，管道內(nèi)環(huán)境十分復(fù)雜和多變，嚴(yán)重影響了測(cè)量的精度。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

針對(duì)超聲波流量計(jì)在污水流量計(jì)在線校準(zhǔn)中準(zhǔn)確性不高的問(wèn)題。在近一年的的時(shí)間里，使用26臺(tái)檢定合格的污水流量計(jì)作為參考流量計(jì)，對(duì)4臺(tái)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)在線校準(zhǔn)，通過(guò)大量的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，討論超聲波流量計(jì)在污水流量計(jì)校準(zhǔn)中的作用。

3.1 流量計(jì)的選擇

為了使試驗(yàn)具有代表性，便攜式超聲波流量計(jì)選用某國(guó)外知名廠商的時(shí)差式A型、多普勒B型，國(guó)內(nèi)知名廠商的時(shí)差式C型、多普勒D型各1臺(tái)，均檢定合格且在檢定周期內(nèi)。26臺(tái)污水流量計(jì)為檢定合格后第1次使用的，且在檢定周期內(nèi)。

3.2 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

本試驗(yàn)嚴(yán)格遵循超聲波流量計(jì)附帶的使用說(shuō)明及本文中第3章提到的注意事項(xiàng)。

試驗(yàn)中流量計(jì)安裝的管道的直管段符合“前十后五”的規(guī)定。試驗(yàn)中所選安裝流量計(jì)的管道為近1年內(nèi)的新管道，盡量避免因管道內(nèi)壁腐蝕導(dǎo)致超聲信號(hào)接收質(zhì)量不高的問(wèn)題。

3.3 試驗(yàn)內(nèi)容

首先將污水流量計(jì)分別安裝到污水管線中，然后將污水流量計(jì)作為參考流量計(jì)與便攜式超聲波流量計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，比對(duì)內(nèi)容為60min內(nèi)的累積流量。

為了分析時(shí)差法和多普勒法流量計(jì)在不同渾濁程度的污水中的計(jì)量準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中在數(shù)據(jù)比對(duì)的同時(shí)進(jìn)行同管道的污水采樣，采樣周期為5min，試驗(yàn)結(jié)束后將12次水樣放入樣品桶后攪拌均勻，由光學(xué)濁度計(jì)測(cè)試污水濁度，本試驗(yàn)設(shè)定濁度小于50mg/L的為一般水質(zhì);濁度≥50mg/L的為較差水質(zhì)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中流量表示污水流量計(jì)60min內(nèi)的累計(jì)流量;A、B、C、D分別為4個(gè)型號(hào)的超聲波流量計(jì)在60min內(nèi)的累計(jì)流量;排名為與同一臺(tái)污水流量計(jì)比對(duì)的4臺(tái)超聲波流量計(jì)的誤差按從小到大的順序。

表1中，“——”表示超聲波流量計(jì)因接收信號(hào)差而不顯示累計(jì)流量，誤差＞20%的超聲波流量計(jì)累計(jì)流量表示因接收信號(hào)質(zhì)量差導(dǎo)致的儀器測(cè)量錯(cuò)誤。對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類處理，以便得到一般和較差水質(zhì)2種情況時(shí)4臺(tái)流量計(jì)的誤差統(tǒng)計(jì)。表2和表3分別為為一般和較差水質(zhì)時(shí)的流量計(jì)誤差統(tǒng)計(jì)。

從表2和表3發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中水質(zhì)一般(濁度＜50mg/L)的情況下，時(shí)差法流量計(jì)的有效數(shù)據(jù)(誤差＜20%)為13個(gè)，占總試驗(yàn)數(shù)據(jù)(32個(gè))的40.63%;不顯示的情況有4個(gè)，占總試驗(yàn)數(shù)據(jù)(32個(gè))12.5%的。水質(zhì)較差(濁度≥50mg/L)的情況下，多普勒法流量計(jì)的有效數(shù)據(jù)(誤差＜20%)為4個(gè)，占總試驗(yàn)數(shù)據(jù)(32個(gè))的12.5%;該類型流量計(jì)不存在不顯示的情況。

當(dāng)管徑較大時(shí)(流速＞300m3/h)，在2種水質(zhì)情況下，流量計(jì)僅有1次有效測(cè)得數(shù)據(jù)，占此情況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(20個(gè))的5%.

同時(shí)，表2和表3也驗(yàn)證了時(shí)差法流量計(jì)僅適合測(cè)量較純凈的流體，而多普勒法流量計(jì)僅適合測(cè)量渾濁(濁度≥50mg/L)的流體。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論及建議

通過(guò)本試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論：

1)2種原理的超聲波流量計(jì)均不適用于在線校準(zhǔn)污水流量計(jì)。因管線中情況復(fù)雜，雜質(zhì)和氣泡儀表在流量計(jì)測(cè)量區(qū)域內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)，時(shí)差法流量計(jì)在一般水質(zhì)中的有效數(shù)據(jù)(誤差＜20%)僅占40.63%，多普勒法流量計(jì)在較差水質(zhì)中的的有效數(shù)據(jù)(誤差＜20%)僅占12.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2)大管徑污水管線因流體復(fù)雜不適合采用非接觸式流量計(jì)測(cè)量。大管徑中污水分層流動(dòng)，且雜質(zhì)和氣泡在儀表測(cè)量區(qū)域內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)，明顯增大了測(cè)量誤差的概率。

建議油田的污水流量計(jì)在條件允許的情況下還是需要送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢定。

[1]王秀英.超聲波流量計(jì)的原理及應(yīng)用[J].山西建筑，2002，28 (4):13-15.

[2]楊聲將.超聲波流量計(jì)計(jì)量系統(tǒng)性能的主要影響因素[J].天然氣工業(yè)，2006，26(3):22-25.

[3]潘藩，楊龍.超聲波流量計(jì)的應(yīng)用與維護(hù)[J].南方金屬，2006 (8):26-28.

[4]章瑞平.超聲波流量計(jì)在液體測(cè)量中的應(yīng)用[J].廊坊師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，5(12):21-23.

[5]鄭永志.超聲波流量計(jì)新技術(shù)淺析[J].石油化工自動(dòng)化，2013(4):52-55.

Aiming at the low accuracy of ultrasonic flowmeter being used for the field calibration of sewage flowmeter，the role of ultrasonic flowmeter in the calibration of sewage flowmeter is discussed by combining data analysis with ultrasonic flowmeter principle and field test.The experiments show that ultrasonic flowmeter is not suitable for on-line calibration of sewage flowmeter.

ultrasonic flowmeter;sewage flowmeter;field calibration;experiment comparison

路萍

2015-04-17

齊偉(1983-)，男，工程師，主要從事計(jì)量檢定、科研和考核工作。