關(guān)于超聲波流量計在污水測量適應性的探討

摘要：針對超聲波流量計在污水流量計現場(chǎng)校準方面暴露出的準確性不高的問(wèn)題，結合超聲波流量計的原理和現場(chǎng)試驗，通過(guò)數據分析對超聲流量計在污水流量計校準中的作用進(jìn)行了討論。試驗證明，超聲波流量計不適用于在線(xiàn)校準污水流量計。

油田污水回注是合理開(kāi)發(fā)和利用水資源、節能環(huán)保的有效途徑。污水回注量是否合適關(guān)系到地層結構的優(yōu)化，油層壓力的恢復和保持，直接影響油田采收率，因此污水流量計的準確性十分重要。油田現場(chǎng)污水流量計拆卸較困難，往往又沒(méi)有備用流量計，因此現場(chǎng)通常采用超聲波流量計在線(xiàn)校準法。近幾年隨著(zhù)油田對污水計量的重視，超聲波流量計現場(chǎng)校準方法得到了廣泛應用，同時(shí)也暴露了該流量計準確性不高的問(wèn)題。本文結合超聲波流量計原理和現場(chǎng)應用經(jīng)驗，通過(guò)現場(chǎng)試驗和數據分析對超聲流量計在污水流量計校準中的適應性進(jìn)行了討論。

1、超聲波流量計原理

常用的超聲波流量計有2種原理：時(shí)差法和多普勒法。

1.1時(shí)差法原理

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

1.2多普勒法原理

超聲波信號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。發(fā)射信號頻率受多普勒效應的影響后變?yōu)椴煌慕邮招盘栴l率，2個(gè)頻率之差

與流體流速有確定的數量關(guān)系，由此可以計算出流體流量。多普勒法流量計不能測量清潔的流體，僅能測量約50mg/L以上濁度的流體。同時(shí)多普勒法測量精度低于時(shí)差法，一般為2.0級，即2%滿(mǎn)量程誤差（2%F.S.）。

2、超聲波流量計使用注意事項

近幾年，隨著(zhù)超聲波流量計在污水流量計在線(xiàn)校準中的應用越來(lái)越普遍，流量計準確性不高的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，原因主要是操作不規范和流量計自身問(wèn)題。

2.1操作不規范

管道方面，技術(shù)人員經(jīng)常不按照標準操作規程進(jìn)行操作，例如未準確測量管道外徑、周長(cháng)、壁厚、接觸溫度等，這些參數都會(huì )對超聲流量計的原始數據修正產(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強度選擇安裝方式，往往選擇流量計的默認雙聲程模式。正確的安裝方式為：在大管道和復雜環(huán)境中應采用單聲程；在小管道和信號特強的情況下

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，且不確認管道污水是否滿(mǎn)管這一重要的測量條件。正確的安裝位置為：應選擇管道的水平中間位置放置探頭；只有在管道滿(mǎn)管的條件下才能進(jìn)行準確測量，流體向上流的垂直管道能保證滿(mǎn)管流。

除此以外，現場(chǎng)的管道內襯的種類(lèi)和厚度等重要參數往往很難獲得，這些也嚴重影響了流量計的準確性。

2.2超聲波流量計自身問(wèn)題

首先是時(shí)差法和多普勒法流量計的選用。時(shí)差法流量計適用于純凈液體的計量，準確度優(yōu)于±1.0%；多普勒法流量計適用于濁度50mg/L以上的流體。 因此，2種原理的流量計在污水流量計校準時(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；當污水較渾濁時(shí)，應選用多普勒法。但是污水干凈還是渾濁在現場(chǎng)很難被定量界定，因此選用這2種原理的流量計沒(méi)有通用方法可遵循，導致流量計自身計量不準確，更談不上校準污水流量計了。

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)射和接收超聲信號來(lái)測量流體流量的，所以管道材質(zhì)對超聲的折射、流體中雜質(zhì)對超聲的反射和散射、流體中隨機存在的氣泡和雜質(zhì)的含量高低都會(huì )對測量產(chǎn)生不穩定的影響。油田污水中含有不少的原油、砂礫、氣泡、化學(xué)藥劑等，管道內環(huán)境十分復雜和多變，嚴重影響了測量的精度。

3、現場(chǎng)試驗

針對超聲波流量計在污水流量計在線(xiàn)校準中準確性不高的問(wèn)題。在近一年的的時(shí)間里，使用26臺檢定合格的污水流量計作為參考流量計，對4臺超聲波流量計進(jìn)行了現場(chǎng)在線(xiàn)校準，通過(guò)大量的試驗和數據分析，討論超聲波流量計在污水流量計校準中的作用。

3.1流量計的選擇

為了使試驗具有代表性，便攜式超聲波流量計選用某國外知名廠(chǎng)商的時(shí)差式A型、多普勒B型，國內知名廠(chǎng)商的時(shí)差式C型、多普勒D型各1臺，均檢定合格且在檢定周期內。26臺污水流量計為檢定合格后第1次使用的，且在檢定周期內。

3.2試驗注意事項

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

試驗中流量計安裝的管道的直管段符合“前十后五”的規定。試驗中所選安裝流量計的管道為近1年內的新管道，盡量避免因管道內壁腐蝕導致超聲信號接收質(zhì)量不高的問(wèn)題。

3.3試驗內容

首先將污水流量計分別安裝到污水管線(xiàn)中，然后將污水流量計作為參考流量計與便攜式超聲波流量計進(jìn)行數據比對，比對內容為60min 內的累積流量。

為了分析時(shí)差法和多普勒法流量計在不同渾濁程度的污水中的計量準確性，試驗中在數據比對的同時(shí)進(jìn)行同管道的污水采樣，采樣周期為5min，試驗結束后將12次水樣放入樣品桶后攪拌均勻，由光學(xué)濁度計測試污水濁度，本試驗設定濁度小于50mg/L的為一般水質(zhì)；濁度≥50mg/L的為較差水質(zhì)。

試驗數據見(jiàn)表1，其中流量表示污水流量計60min內的累計流量；A、B、C、D分別為4個(gè)型號的超聲波流量計在60min內的累計流量；排名為與同一臺污水流量計比對的4臺超聲波流量計的誤差按從小到大的順序。

表1中，“—”表示超聲波流量計因接收信號差而不顯示累計流量，誤差>20%的超聲波流量計累計流量表示因接收信號質(zhì)量差導致的儀器測量錯誤。對表1中的數據進(jìn)行分類(lèi)處理，以便得到一般和較差水質(zhì)2種情況時(shí)4臺流量計的誤差統計。表2和表3分別為為一般和較差水質(zhì)時(shí)的流量計誤差統計。

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

當管徑較大時(shí)（流速>300m3/h），在2種水質(zhì)情況下，流量計僅有1次有效測得數據，占此情況下實(shí)驗數據（20個(gè)）的5%。

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

3.4試驗結論及建議

通過(guò)本試驗的數據分析，得出結論：

1）2種原理的超聲波流量計均不適用于在線(xiàn)校準污水流量計。因管線(xiàn)中情況復雜，雜質(zhì)和氣泡儀表在流量計測量區域內隨機出現，時(shí)差法流量計在一般水質(zhì)中的有效數據（誤差<20%）僅占40.63%，多普勒法流量計在較差水質(zhì)中的的有效數據（誤差<20%）僅占12.5%，遠遠低于國家標準。

2）大管徑污水管線(xiàn)因流體復雜不適合采用非接觸式流量計測量。大管徑中污水分層流動(dòng)，且雜質(zhì)和氣泡在儀表測量區域內隨機出現，明顯增大了測量誤差的概率。

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