關(guān)于超聲波流量計(jì)在污水測量適應(yīng)性的探討

摘要：針對超聲波流量計(jì)在污水流量計(jì)現(xiàn)場校準(zhǔn)方面暴露出的準(zhǔn)確性不高的問題，結(jié)合超聲波流量計(jì)的原理和現(xiàn)場試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)分析對超聲流量計(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)。

油田污水回注是合理開發(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)場污水流量計(jì)拆卸較困難，往往又沒有備用流量計(jì)，因此現(xiàn)場通常采用超聲波流量計(jì)在線校準(zhǔn)法。近幾年隨著油田對污水計(jì)量的重視，超聲波流量計(jì)現(xiàn)場校準(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)確性不高的問題。本文結(jié)合超聲波流量計(jì)原理和現(xiàn)場應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析對超聲流量計(jì)在污水流量計(jì)校準(zhǔn)中的適應(yīng)性進(jìn)行了討論。

1、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，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(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)用越來越普遍，流量計(jì)準(zhǔn)確性不高的問題也逐漸暴露出來，原因主要是操作不規(guī)范和流量計(jì)自身問題。

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)確測量管道外徑、周長、壁厚、接觸溫度等，這些參數(shù)都會(huì)對超聲流量計(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)確測量，流體向上流的垂直管道能保證滿管流。

除此以外，現(xiàn)場的管道內(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)自身問題

*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)場很難被定量界定，因此選用這2種原理的流量計(jì)沒有通用方法可遵循，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。超聲波由于是通過在管道中發(fā)射和接收超聲信號(hào)來測量流體流量的，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(jī)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(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)重影響了測量的精度。

3、現(xiàn)場試驗(yàn)

針對超聲波流量計(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4臺(tái)超聲波流量計(jì)進(jìn)行了現(xiàn)場在線校準(zhǔn)，通過大量的試驗(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)選用某國外知名廠商的時(shí)差式A型、多普勒B型，國內(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*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)附帶的使用說明及本文中*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)量不高的問題。

3.3試驗(yàn)內(nèi)容

*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，比對內(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)致的儀器測量錯(cuò)誤。對表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)僅適合測量較純凈的流體，而多普勒法流量計(jì)僅適合測量渾濁（濁度≥50mg/L）的流體。

3.4試驗(yàn)結(jié)論及建議

通過本試驗(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**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(qū)域內(nèi)隨機(jī)出現(xiàn)，明顯增大了測量誤差的概率。

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。