超声波流量计在西部管道工程中的应用.pdf

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仪器仪表与应用
石油化
化,2009,1:62
AUTOMATION IN PETRO-CHEMICAL INDUSTRY
超声波流量计在西部
管道工程中的应用
柯琳,吴兆鹏
(中国石油天然气管道工程有限公司仪表自动化室,河北廊坊06500)
摘要:以UFM3030型超声波流量计为基础,概括地介绍了时差法超声波流量计的测量原理,分析了影响测量精度的主
要因素以及被测管道条件和安装要求,并根据现场应用的实际经验,为得到较满意的应用效果,提出选型及安装的原则。简单
地介绍如何认识超声波流量计、如何选择合适的类型,并结合西部原油成品油管道工程的实际应用,探讨使用中应注意事项等
一系列问题。
关键词:超声波流量计;嵌入式;管道工程
中图分类号:TT814·92
文献标志码
文章编号:1007-7324(200901-0062-02
引言
传播方向与流体流动方向之间的夹角(声道角)。
超声波流量计是一种利用超声波脉冲来测量
超声波流量计测量的流速是一个直径方向的
流体流量的速度式流量仪表,从20世纪80年代开平均流速,即线平均流速,而计算流量所需的平
始进入中国工业生产和计量领域,并涌现出了大量均流速为流动截止面上的面平均流速,两者之间的
新产品,成为新型流量计的主要品种之
关系决定流速的分布形式。因此流量计算式如式
2工作原理
(2)所示。
按工作原理可分为传播速度差法和多普勒
υァD
法,因根据多普勒法的产品应用较少,且主要用
Cv
(2)
于多相流体的测量,这里暂不做介绍,主要探讨
式中:qgv一体积流量;Kー平均流速修正系
下依据传播速度差法原理测量单相流。传播速度数,K=u/a:x-面平均流速;一线平均流
差法有时间差法、频率差法和相位差法,文中主要
速;D一一管道内径
讨论应用较多的时间差法。
由式(1)可见,v受6角变化的影响,而声道角
时间差法是测量超声波流量计在流体中顺流0又随流体声速c而变化,c又是流体温度的函数,
和逆流传播的时间差的方法2,其工作原理如
因此,必须对θ角进行自动补偿。
图1所示。
在测量时需确定被测管道外径、管道厚度及
换能器
管道
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。当以上数据输人到流量
计的主机后,主机可以精确地计算出换能器的安
换能器
装距离。
3主要特点
图1超声波流量计原理
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
流速方程
(1)
2r1(1+△r)cos6
a)超声波流量计可从管道外部进行测量,作
式中:一线平均流速;I一一超声波在流体中
的传播略径长度(声道长度);41ー一超声波从换
收稿日期:2008-09-16。
能器1到换能器2的顺流传播时间;△tー一超声
作者简介:柯琳(1980-),女,现在中国石油天然气管道工程
波在流体中顺、逆流传播的时间差;0-…超声波有限公司从事仪表自动化设计,任工程师
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第1期
柯琳等.超声波流量计在西部管道工程中的应用
为非接触式仪表,该类型仪表无压力损失,不改变
a)了解现场测量对象的实际情况及物理特
流体的流动状态,对原有的管道无需做任何加工即性,这是选型的前提。
可测量。
b)信号处理单元应适于在户外和爆炸危險性
b)超声波流量计的输出信号与被测流体流量场所安装,其防爆、防护等级应符合现场要求
成线性关系。
c)换能器前后要有足够长的直管段,以确保
c)测量结果不受被测流体的黏度、电导率的流体所需的流速分布,一般情况下要求前直管段
影响,可测非导电性液体(或气体)。
10D以上,后直管段5D以上,而且上游30D内不
d)在大口径大流量测量中,其造价基本上与能安装泵、阀等扰动设备。换能器安装在倾斜和水
管径的大小无关,节约能耗。而其他流量计随着管平管道上时,不要装在上部或底部,以避免管道内
径的增大,制造成本会大幅度增加
的气体或杂质进入测量声道。换能器的安装要使
e)更适用于恶劣条件下的被测对象(高压、高超声波传播路径通过管道中心。
黏度、强腐蚀、易挥发、易爆、放射性介质等),因检
d)针对测量对象是气体或液体进行换能器的
测件无需与之接触,带来了很大的好处和便利。
选型,一般气体用换能器的频率较低(100
当然,每种产品也有不足之处,外夹式超声波300kHz),液体用换能器的频率较高(1~5MIHz)。
流量计,其检测元件维修更换比较方便,无需断流
在西部原油成品油管线所使用产品为管道嵌
进行,不对生产运行产生影响,但因其在管道外测入式,与工艺管道采用焊接安装方式。与传统的法
量,且声道数较少,所以其精度要比管道嵌入式的兰安装方式相比,焊接方式减少了泄露点,更进
要低;如果是管道嵌入式超声波流量计相对来说维步地提高了精度。传感器的所有外部零件采用适
修和更换就比较麻烦,但目前产品可做到三声道、合所处环境中使用的抗腐蚀(聚酯)涂层进行保护。
四声道甚至更多声道数,所以产品的精度会比较
UFM3030K采用三声道弦状布置测量方式,
高。另外,因为超声波流量计安装要求其前后直管为宽波朿传感器,声波在液体中的传送速度为
段有比较大的限制(前10D后5D),这样会造成计350~2000m/s。能实现全雷诺数范围的动态流
量精度级产品用于贸易交接,尤其是组装成橇时,态补偿,能补偿如介质温度、密度、黏度等变化引起
橇的体积会比较大,造价成本和运输成本都会的误差,超声波探头采用固定在测量管件上的专利
较高。
技术,并具有动态增益补偿功能,能克服如固体颗
4在西部原油成品油管道工程中的应用
粒、气泡、旋涡、结垢、结蜡引起的干扰,从而保证了
西部原油成品油管道起始于新疆维吾尔自治流量测量高精度、高稳定性和高重复性,在流速大
区乌鲁木齐市,沿线经过新疆、甘肃炳省,管线终点于等于0.5m/s时,测量流量的精度可以达到
位于兰州市西固区。西部管道工程包括两部分,即士0.3%,在流速不大于0.5m/s且不小于0.3m/s
成品油管道工程和原油管道工程,成品油管道干线时,精度可以达到士0.5%
和原油管道干线同沟敷设?。
该型号超声波流量传感器和信号处理单元(流
西部管道工程的特点是油品来源较多,油品复量变送器)可以在室外露天安装,并处于爆炸危险
杂,而且成品油采用顺序输送的方式,选用场所区域内,其防爆等级为 EEXDIICT3,防护等级
UFM3030K/F管道嵌入式超声波流量计,与外夹为IP67,满足西部管道现场的使用要求。信号处
式超声波流量计相比,它可以更好地避免管道壁厚理单元采用以微处理器为核心的数字电路技术,能
不均匀对测量精度造成的影响。
够准确、稳定、可靠地将被测介质的流量转换为标
在如此长的成品油和原油管道工程中,尤其是准的输出信号。
考虑到贸易交接、经济分析和降低成本等主要因素
原油和成品油每个站场的进站