關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校準方面暴露出的準確性不高的問題，結合超聲波流量計的原理和現場試驗，通過數據分析對超聲流量計在污水流量計校準中的作用進行了討論。試驗證明，超聲波流量計不適用于在線校準污水流量計。

油田污水回注是合理開發和利用水資源、節能環保的有效途徑。污水回注量是否合適關系到地層結構的優化，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。油田現場污水流量計拆卸較困難，往往又沒有備用流量計，因此現場通常采用超聲波流量計在線校準法。近幾年隨著油田對污水計量的重視，超聲波流量計現場校準方法得到了廣泛應用，同時也暴露了該流量計準確性不高的問題。本文結合超聲波流量計原理和現場應用經驗，通過現場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：時差法和多普勒法。

1.1時差法原理

超聲波信號在流體中, 順流時信號傳播速度快，傳播時間短；逆流時信號傳播速度慢，傳播時間長，利用超聲波信號在流體中順逆流方向聲波信號傳播時間存在差值，即時差，可以計算出流體流量。時差法較適于測量純凈液體，有較多氣泡的液體或懸浮物會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。發射信號頻率受多普勒效應的影響后變為不同的接收信號頻率，2個頻率之差

與流體流速有確定的數量關系，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。同時多普勒法測量精度低于時差法，一般為2.0級，即2%滿量程誤差（2%F.S.）。

2、超聲波流量計使用注意事項

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

2.1操作不規范

管道方面，技術人員經常不按照標準操作規程進行操作，例如未準確測量管道外徑、周長、壁厚、接觸溫度等，這些參數都會對超聲流量計的原始數據修正產生重要影響。

安裝方式方面，技術人員經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，技術人員往往隨意放置超聲探頭，且不確認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行準確測量，流體向上流的垂直管道能保證滿管流。

除此以外，現場的管道內襯的種類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題

首先是時差法和多普勒法流量計的選用。時差法流量計適用于純凈液體的計量，準確度優于±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的選用非常重要。一般情況下，管道中污水較干凈時，可選用時差法；當污水較渾濁時，應選用多普勒法。但是污水干凈還是渾濁在現場很難被定量界定，因此選用這2種原理的流量計沒有通用方法可遵循，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。超聲波由于是通過在管道中發射和接收超聲信號來測量流體流量的，所以管道材質對超聲的折射、流體中雜質對超聲的反射和散射、流體中隨機存在的氣泡和雜質的含量高低都會對測量產生不穩定的影響。油田污水中含有不少的原油、砂礫、氣泡、化學藥劑等，管道內環境十分復雜和多變，嚴重影響了測量的精度。

3、現場試驗

針對超聲波流量計在污水流量計在線校準中準確性不高的問題。在近一年的的時間里，使用26臺檢定合格的污水流量計作為參考流量計，對4臺超聲波流量計進行了現場在線校準，通過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商的時差式A型、多普勒B型，國內知名廠商的時差式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量不高的問題。

3.3試驗內容

首先將污水流量計分別安裝到污水管線中，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行數據比對，比對內容為60min 內的累積流量。

為了分析時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進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；濁度≥50mg/L的為較差水質。

試驗數據見表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量差導致的儀器測量錯誤。對表1中的數據進行分類處理，以便得到一般和較差水質2種情況時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時的流量計誤差統計。

從表2和表3發現，試驗中水質一般（濁度<50mg/L）的情況下，時差法流量計的有效數據（誤差<20%）為13個，占總試驗數據（32個）的40.63%；不顯示的情況有4個，占總試驗數據（32個）12.5%的。水質較差（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，占總試驗數據（32個）的12.5%；該類型流量計不存在不顯示的情況。

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

同時，表2和表3也驗證了時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校準污水流量計。因管線中情況復雜，雜質和氣泡儀表在流量計測量區域內隨機出現，時差法流量計在一般水質中的有效數據（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，且雜質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驗室進行檢定。