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超声波流量计在西部管道工程中的应用

时间:2011/7/22 10:29:30 点击:2052

  核心提示:1 引言  超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表,从20世纪80年代开始进入中国工业生产和计量领域,并涌现出了大量新产品,成为新型流量计的主要品种之一。  2 工作原理  按工作原理可分为传播速度差法和多普勒法[1],因根据多普勒法的产品应用较少,且主要用于多相流体的测量,...

  1 引言

  超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量流体流量的速度式流量仪表,从20世纪80年代开始进入中国工业生产和计量领域,并涌现出了大量新产品,成为新型流量计的主要品种之一。

  2 工作原理

  按工作原理可分为传播速度差法和多普勒法[1],因根据多普勒法的产品应用较少,且主要用于多相流体的测量,这里暂不做介绍,主要探讨一下根据传播速度差法原理测量单相流。传播速度差法有时间差法、频率差法和相位差法,文中主要探讨应用较多的时间差法。

  时间差法是测量超声波流量计在流体中顺流和逆流传播的时间差的方法[2-4],其工作原理如图1所示。

图1 超声波流量计原理

  流速方程: 

(1)

  式中:v———线平均流速;L———超声波在流体中的传播路径长度(声道长度);t1———超声波从换能器1到换能器2的顺流传播时间;Δt———超声波在流体中顺、逆流传播的时间差;θ———超声波传播方向与流体流动方向之间的夹角(声道角)。

  超声波流量计测量的流速是一个直径方向的平均流速[5],即线平均流速,而计算流量所需的平均流速为流动截止面上的面平均流速,两者之间的关系决定流速的分布形式。因此流量计算式如式(2)所示。

   

(2)

  式中:qV———体积流量;K———平均流速修正系数,K=v/u;u———面平均流速;v———线平均流速;D———管道内径。

  由式(1)可见,v受θ角变化的影响,而声道角θ又随流体声速c而变化,c又是流体温度的函数,因此,必须对θ角进行自动补偿。

  在测量时需确定被测管道外径、管道厚度及衬里厚度以计算管道流通截面积;确定管道材质、衬里材质、流体名称和流体黏度,以计算超声波的传播速度;还需确定换能器的安装方式以计算超声波的传播长度。当以上数据输入到流量计的主机后,主机可以精确地计算出换能器的安装距离。

  3 主要优点

  与传统的机械和电磁式流量测量仪表相比,超声波流量计具有很多优点[6]。

  a)超声波流量计可从管道外部进行测量,作为非接触式仪表,该类型仪表无压力损失,不改变流体的流动状态,对原有的管道无需做任何加工即可测量。

  b)超声波流量计的输出信号与被测流体流量成线性关系。

  c)测量结果不受被测流体的黏度、电导率的影响,可测非导电性液体(或气体)。

  d)在大口径大流量测量中,其造价基本上与管径的大小无关,节约能耗。而其他流量计随着管径的增大,制造成本会大幅度增加。

  e)更适用于恶劣条件下的被测对象(高压、高黏度、强腐蚀、易挥发、易爆、放射性介质等),因检测件无需与之接触,带来了很大的好处和便利。

  当然,每种产品也有不足之处,外夹式超声波流量计,其检测元件维修更换比较方便,无需断流进行,不对生产运行产生影响,但因其在管道外测量,且声道数较少,所以其精度要比管道嵌入式的要低;如果是管道嵌入式超声波流量计相对来说维修和更换就比较麻烦,但目前产品可做到三声道、四声道甚至更多声道数,所以产品的精度会比较高。另外,因为超声波流量计安装要求其前后直管段有比较大的限制(前10D后5D),这样会造成计量精度级产品用于贸易交接,尤其是组装成橇时,橇的体积会比较大,造价成本和运输成本都会较高。

  4 在西部原油成品油管道工程中的应用

  西部原油成品油管道起始于新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市,沿线经过新疆、甘肃两省,管线终点位于兰州市西固区。西部管道工程包括两部分,即成品油管道工程和原油管道工程,成品油管道干线和原油管道干线同沟敷设[7]。

  西部管道工程的优点是油品来源较多,油品复杂,而且成品油采用顺序输送的方式,选用UFM3030K/F管道嵌入式超声波流量计,与外夹式超声波流量计相比,它可以更好地避免管道壁厚不均匀对测量精度造成的影响。

  在如此长的成品油和原油管道工程中,尤其是考虑到贸易交接、经济分析和降低成本等主要因素时,流量计的计量便显得格外的关键,它将直接影响到企业的经济效益与用户利益。

  超声波流量计的安装和选型是一个比较复杂的工作,它包括被测介质种类,仪表性能参数,换能器类型及其适用范围,转换器的基本功能,声道设置及前后直管段的长度要求等,设计过程中要做好以下几方面:

  a)了解现场测量对象的实际情况及物理特性,这是选型的前提。

  b)信号处理单元应适于在户外和爆炸危险性场所安装,其防爆、防护等级应符合现场要求。

  c)换能器前后要有足够长的直管段,以确保流体所需的流速分布,一般情况下要求前直管段10D以上,后直管段5D以上,而且上游30D内不能安装泵、阀等扰动设备。换能器安装在倾斜和水平管道上时,不要装在上部或底部,以避免管道内的气体或杂质进入测量声道。换能器的安装要使超声波传播路径通过管道中心。

  d)针对测量对象是气体或液体进行换能器的选型,一般气体用换能器的频率较低(100~300kHz),液体用换能器的频率较高(1~5MHz)。

  在西部原油成品油管线所使用产品为管道嵌入式,与工艺管道采用焊接安装方式。与传统的法兰安装方式相比,焊接方式减少了泄露点,更进一步地提高了精度。传感器的所有外部零件采用适合所处环境中使用的抗腐蚀(聚酯)涂层进行保护。

  UFM3030K采用三声道弦状布置测量方式,为宽波束传感器,声波在液体中的传送速度为350~2000m/s。能实现全雷诺数范围的动态流态补偿,能补偿如介质温度、密度、黏度等变化引起的误差,超声波探头采用固定在测量管件上的专利技术,并具有动态增益补偿功能,能克服如固体颗粒、气泡、旋涡、结垢、结蜡引起的干扰,从而保证了流量测量高精度、高稳定性和高重复性,在流速大于等于0.5m/s时,测量流量的精度可以达到±0.3%,在流速不大于0.5m/s且不小于0.3m/s时,精度可以达到±0.5%。

  该型号超声波流量传感器和信号处理单元(流量变送器)可以在室外露天安装,并处于爆炸危险场所区域内,其防爆等级为ExdIICT3,防护等级为IP67,满足西部管道现场的使用要求。信号处理单元采用以微处理器为核心的数字电路技术,能够准确、稳定、可靠地将被测介质的流量转换为标准的输出信号。原油和成品油每个站场的进站管线上均设置了1台超声波流量计,能够较好地完成流量监测、泄露检测和油品的批量跟踪,从而将数据上传到站控制系统和调度控制中心,为模拟仿真软件提供可靠的基础流量数据。

  5 结束语

  西部原油成品油管道工程目前是国内最大口径的原油和成品油管道工程,该工程各站场均使用了超声波流量计,通过一年多的实际使用,现场反应情况良好,故障率低,具有较高的稳定性。由此可见,从超声波流量计自身在大口径管道工程中的优势和现场的良好表现来讲,它将在未来的管道工程中会有更为广泛的应用前景,只需要根据用途和场合,就可以选择合适的超声波流量计

  参考文献:

  1 陆得民,张振基,黄步余.石油化工自动控制设计手册[M].3版.北京:化学工业出版社,2001,100-104
  2 谢孝宏,王永强,刘润华.超声波流量计在输油管道泄漏检测与定位系统中的应用[J].石油化工自动化,2007,(2):78-82
  3 蔡武昌.电磁流量计和超声波流量计在线验证[J].自动化仪表,2007,(1):124
  4 高海燕.用超声波流量计实现厂干线用水量的平衡[J].自动化仪表,2007,(1):16-18
  5 宋飞,石红瑞,窦连旺.超声波传感器在料位测量中的应用[J].石油化工自动化,2007,(3):67-70
  6 强发红,毛协柱.时差法超声波流量计的应用技术[J].石油化工自动化,2001,(1):60-62
  7 王凯,俞承玮,卞爱民.流量计算机及其在西气东输工程中的应用[J].自动化仪表,2006,(1):49-51

作者:佚名 来源:不详
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