（油气储运工程专业论文）管道积液超声波检测技术研究.pdf

关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盔：! 篁：日期：州f ，年朝j 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部 门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文 被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盔! ：鱼 指导教师签名：2 臣盟 日期：z 1 ) 年 日期：2 0 ，年 上月3 日 上月3 日 捅要 在世界能源日益紧张的今天，天然气的开发因其得天独厚的优势洁净、安全、 热值高等而得到各国青睐。但天然气的开发过程中遇到很多亟待解决的问题，例如在输 送过程中，由于管壁和周围环境的换热，凝析液将可能会析出，同时，随着气田开采的 进行，气田将会出水，从而导致管线中产生积液。积液存在给管线的正常运行带来了极 大的威胁。目前，国内外常用的检测方法主要有快关阀门法、荧光法、射线法等一系列 的检测方法，但都存在着适用范围小、无法进行介入式测量、具有放射性等缺陷。而超 声波检测因其无需声速校正，不受管道内气液相组分以及温度、压力等参数影响，且不 改变现有管路结构，在管外壁采用单个超声探头即可实现对管内积液高度的快速精确测 量等优点而广受国内外专家的关注。 利用超声波进行积液液位的测量主要原理是，超声波在介质中传播时，其能量被逐 渐吸收，声波幅度逐渐衰减。通过测量声波幅度的衰减变化可以识别管道内部界面变化 情况，找出管道内的气液界面位置，从而确定积液的液位。 本文主要利用自主研发的以u m l q h u 一5 0 0 a 超声波检测仪为核心的超声波检测系 统，以空气和水为介质，在中国石油大学( 华东) 青岛校区逸夫实验楼多相流实验室的实 验环道上进行了大量的超声波检测。检测对象是水平道中的气液两相流，不同液位和流 体流速下，共取9 种工况。实验的主要目的是观察超声波探头在管道外壁上下移动时， 从管道内壁反射回来的超声信号的变化情况，从而确定气液界面位置。 通过调节电动控制阀，以及实验管路中涡街流量计前后的开关阀门来控制实验环道 管路内的气体流速，实现管内流体流速在不同液位下的变化，并通过测试管段的旁通管 路进行液位调节，实现不同液位下的超声测量。每种工况进行多次测量取其均值，并分 别采集固气界面、固液界面以及三相界点处的超声波反射回波波形图。 接下来对所采集的波形图进行人工分析，确定气体流速和积液液位对测量效果的影 响，并利用m a t l a b 软件，对实验误差进行分析。 最后，再次从理论上分析超声波积液液位检测的机理，并进一步研究液膜、壁厚以 及拖尾对超声波积液液位检测仪的影响。 关键词：超声波，反射，气液两相流，管道，液膜 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fp i p e l i n el i q u i dl o a d i n g u l t r a s o n i cm o n i t o r i n gt e c h n o l o g y w e ix i a o h u i ( s t o r a g ea n dt r a n s p o r t a t i o no fg a sa n do i le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f c a ox u e w e n a b s t r a c t w h i l ee n e r g yu s ei si n c r e a s i n g l yt e n s ei nt h ew o r l d ，t h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f n a t u r a lg a si sf a v o r e db ym a n yc o u n t r i e s ，b e c a u s eo fi t su n i q u ea d v a n t a g e so fh i g hc a l o r i f i c v a l u e ，c l e a na n ds a f e h o w e v e r , p e o p l ee n c o u n t e rm a n yp r o b l e m st o n e e dt ob es o l v e d u r g e n t l yd u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fn a t u r a lg a s f o re x a m p l e ，i nt h e c o u r s eo f g a s t r a n s m i s s i o n ，s i n c et h ep i p ew a l lt r a n s f e r sh e a t 谢t ht h es u r r o u n d i n ge n v i r o n m e n t ，c o n d e n s a t e m a yb ep r e c i p i t a t e d ，a tt h es a m et i m e ，g a sf i e l dw i l lo u t f l o ww a t e r 、) l ，i t l lt h ee x p l o i t a t i o no fg a s f i e l d ，r e s u l t i n gi nf l u i dp r o d u c e di nt h ep i p e l i n e t h ep r e s e n c eo ff l u i dp o s e sag r e a tt h r e a tt o t h en o r m a lo p e r a t i o no ft h ep i p e l i n e c u r r e n t l y , t h ed e t e c t i o nm e t h o du s e da th o m ea n da b r o a d a r em a i n l yt h em e t h o do fq u i c kc l o s i n gt h ev a l v e ，f l u o r e s c e n c em e t h o d ，r a ym e t h o da n ds oo n h o w e v e r , t h e r ea r es h o r t c o m i n g ss u c ha s ，t h es c o p eo fs o m em e t h o d si ss m a l l ，s o m eh a v et o b eu s e di n s i d et h ep i p e l i n e ，s o m ea r er a d i o a c t i v e o nt h ec o n t r a r y , u l t r a s o n i ct e s t i n gc a u s e s w i d e s p r e a dc o n c e r ni nd o m e s t i ca n df o r e i g ne x p e r t so na c c o u n to fo nn e e df o rc o r r e c tt h e s p e e do fs o u n d ，n o ta f f e c t i n gb yt h ep a r a m e t e r ss u c ha sg a s l i q u i dc o m p o s i t i o n ，t e m p e r a t u r e a n dp r e s s u r e ，e v e nn o th a v i n gt oc h a n g i n gt h ee x i s t i n gp i p e l i n es t r u c t u r e ，a n dy o uj u s to n l y n e e dt ou s eas i n g l eu l t r a s o n i cp r o b eo nt h eo u t e rs u r f a c eo ft h ep i p et og e tt h ef l u i dl e v e ld a t a q u i c k l ya n da c c u r a t e l y t h em a i np r i n c i p l eo ff l u i dl e v e lm e a s u r e m e n tb yu l t r a s o n i ci s ，a st h eu l t r a s o n i cw a v e p r o p a g a t e si nt h em e d i u m ，t h ee n e r g yi sg r a d u a l l ya b s o r b e d ，m e a n w h i l e ，w a v ea m p l i t u d e d e c r e a s e sa l s o ，w ec a ni d e n t i f yc h a n g e so ft h ei n t e r f a c ei nt h ei n t e m a lp i p e l i n eb ym e a s u r i n g t h ea c o u s t i ca t t e n u a t i o nr a t e ，f i n do u tt h el o c a t i o no fg a s - l i q u i di n t e r f a c ei n s i d et h ep i p e s ， d e t e r m i n et h ef l u i dl e v e lu l t i m a t e l y i nt h i s p a p e r , it a k e u s eo fu l t r a s o n i ci n s p e c t i o ns y s t e m ，w h i c hi sb a s e do n u m l q h u - 5 0 0 au l t r a s o n i cd e t e c t o r , t h a tw es e l f - d e v e l o p e d ，t oc o n d u c tt h ee x p e r i m e n t so f d e t e c t i o no ft h ef l u i d id i dal o to fu l t r a s o n i ct e s t i n gw i t ha i ra n dw a t e ra st h em e d i u m ，i nt h e c i r c u l a rp i p ei nl a b o r a t o r yo fm u l t i p h a s ef l o w , w h i c hi si nt h ey if ul a b o r a t o r yb u i l d i n go n q i n g d a oc a m p u so fc h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) d e t e c t e do b j e c tw a sa t w o p h a s ef l o wi nh o r i z o n t a lc h a n n e l ，a n dat o t a lo f9c o n d i t i o n sw a so b t a i n e di nd i f f e r e n t i i l e v e l sa n df l o wr a t e s t h em a i np u r p o s eo ft h i se x p e r i m e n ti st oo b s e r v et h ec h a n g e so ft h e u l t r a s o n i cs i g n a l sr e f l e c t e db a c kf r o mt h ei n s i d ew a l lo ft h ep i p e ，w h e nt h eu l t r a s o n i cp r o b ei s m o v e du pa n dd o w no nt h eo u t e rs u r f a c eo ft h ep i p e ，u l t i m a t e l yd e t e r m i n et h el o c a t i o no f g a s - l i q u i di n t e r f a c e b yr e g u l a t i n gt h ee l e c t r i c a l l yo p e r a t e dv a l v e s ，a n dt h es w i t c h i n gv a l v e sb e f o r ea n da f t e r t h ev o r t e xf l o wm e t e ri nt h ee x p e r i m e n t a lp i p e l i n e ，w ec o u l dc h a n g et h eg a sf l o wr a t eu n d e r d i f f e r e n tf l u i dl e v e l a f t e rt h a tw ec o n d u c tt h ea d j u s t m e n to ff l u i dl e v e li nt h et e s tp i p eb yp a s s p i p e ，t h e nc o m p l e t et h eu l t r a s o n i cm e a s u r e m e n tu n d e rd i f f e r e n tf l u i dl e v e l w ec a r r i e do u t m e a s u r e m e n t ss e v e r a lt i m e sf o re a c hc o n d i t i o n ，t a k i n gt h ea v e r a g eo ft h er e s u l t sa n dr e c o d i n g t h e m a tt h es a m et i m e ，w ec o l l e c t e du l t r a s o n i ce c h ow a v e f o r mr e s p e c t i v e l yi nt h ep o s i t i o n s o fs o l i d g a si n t e r f a c e s ，s o l i d - l i q u i di n t e r f a c e ，a n dt h et h r e e p h a s eb o u n d a r yp o i n t n e x t ，i tw a st h em a n u a la n a l y s i so fu l t r a s o n i ce c h ow a v e f o r mc o l l e c t e df r o mt h ed e t e c t o r t h a th a db e e nc a r r i e do u tt od e t e r m i n et h ei m p a c to ft h eg a sf l o wr a t ea n df l u i dl e v e lo nt h e u l t r a s o n i cm e a s u r e m e n t a f t e r w a r d sia n a l y z et h ee x p e r i m e n t a le r r o rt a k i n gu s eo fm a t l a b s o f t w a r e f i n a l l y , it h e o r e t i c a l l ya n a l y z e dt h em e c h a n i s mo ff l u i dl e v e ld e t e c t i o n 诵t 1 1u l t r a s o n i c ， a n df u r t h e rs t u d i e dt h ei m p a c to fl i q u i df i l m ，t h i c k n e s sa n dt h et a i l i n go nt h et e s t i n gs y s t e mo f u l t r a s o n i c k e y w o r d s ：u l t r a s o n i c ，r e f l e c t i o n ，g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o w , p i p e l i n e ，l i q u i dm e m b r a n e 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外积液监测研究现状2 1 2 1 快关阀门法2 1 2 2 荧光法3 1 2 3 射线法3 1 2 4 接触探针法4 1 2 5 微波吸收法5 1 2 6 层析成像法6 1 2 7 ，j 、j 右6 1 3 超声波测量液位技术的研究现状7 1 3 1 超声波测量开放式容器液位高度的应用现状7 1 3 2 超声波测量密闭式容器液位高度的研究现状8 1 4 本文的主要研究内容1 0 第二章超声波检测积液液位的机理分析11 2 1 超声波的检测原理1 l 2 2 室内实验条件下超声波的检测性能分析1 1 2 3 现场实验条件下超声波的检测性能分析1 2 2 4 超声波工作频率及相关参数的选择一1 4 2 5 小结1 5 第三章超声波测量管道积液液位的实验研究1 6 3 1 实验流程1 6 3 2 实验装置1 7 3 2 1u m l q h u 5 0 0 a 检测系统的总体结构1 8 3 2 2u m l q h u 5 0 0 a 检测仪功能简介一l8 3 2 3u m l q h u 5 0 0 a 检测仪主要性能2 0 3 3 实验方案及内容2 0 3 3 1 室内实验条件2 0 3 3 2 实验方案2 l 3 3 - 3 实验记录2 2 3 3 4 误差分析2 3 3 4 实验结论2 7 3 5 现场实验安排2 8 3 5 1 实验目的2 8 3 5 2 测点位置选择与测量具体安排2 8 3 5 3 管道测点位置的预处理一2 9 3 5 4 实验设施2 9 3 5 5 现场实验记录3 0 3 5 6 实验数据分析3 0 3 5 7 实验结论3 5 第四章超声波检测积液液位的实验分析3 6 4 1 图形分析3 6 4 1 1 第一积液量的工况一3 6 4 1 2 第二积液量的工况4 1 4 1 3 第三积液量的工况4 7 4 2 液膜对超声波积液检测的影响分析一5 4 4 - 3 壁厚对超声波积液检测的影响分析5 4 4 4 拖尾对超声波检测仪的影响分析5 5 4 5 图形分析与处理5 5 4 6 j 、结5 6 结论与展望5 7 参考文献5 9 至殳谢6 1 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论弟一早三有v 匕 本课题来源于国家“十一五 重大专项高含硫气田集输工艺与安全控制技术复 杂地表条件下湿气集输系统工艺技术研究。 湿度较高的天然气在井口进行计量，然后进入集输管线，最后到达气体处理站。在 此过程中，由于周围环境和管壁的温度不同，会进行换热，然后析出液体，即我们所谓 的积液。它的出现会产生一系列问题【1 3 j ： ( 1 ) 积液的聚集使管道截面积中的气液比减小，输送气体的有效面积减小，降低输气 管道的输送效率； ( 2 ) 液态水的存在是输气管道中水合物产生的必要条件，水合物聚集到一定量必然发 生“冰堵”； ( 3 ) 在输送气体的过程中，气体会对波动的液体做功，导致能耗增加； ( 4 ) 含h 2 s 和c 0 2 较多的酸性积液会使管道发生电化学腐蚀，甚至可能造成管道的 穿孔； ( 5 ) 积液的聚集会使管道内的流型发生变化，出现对管道伤害较大的段塞流。 到目前，经过国土资源部能源与矿产资源委员会审核，普光气田天然气探明储量 5 0 0 0 5 5 0 0 亿立方米，是国内最大的气田之一。“川气东送”项目的建设和普光气田的 开发，在完善我国天然气管道的总体布局的同时，还可以缓解因天然气供求不平衡而产 生的矛盾。然而，因普光气田的地理位置在四川盆地和青藏高原之间，受岩性和地质结 构的影响较大，地形复杂多样，到处都是坝、山、丘，给正常的操作运行带来不少的问 题。图1 1 从直观上显示出了普光气田的地表情况 现在，世界上凝析气田及天然气气田的集输工艺已经较为成熟。由于之前没有大规 模的湿气开发实践，对积液规律的研究也比较肤浅，利用非介入的方式进行积液液位的 测量应用更是少之又少。如上所述，而积液的存在天然气输送管路的安全影响非常大、 甚至可能造成无法挽回的损失。因此，研究各种非介入式的积液测量方式，选择合适的 清管方案对于普光气田集输系统的高效、安全运行有十分重大的意义。 在积液量的检测方面，许多测量方法都是介入式的，在压力较高，含h 2 s 较多的管 道测量中会影响正常的清管操作，给生产带来不便，局限性较大。同时对于含h 2 s 较多 1 第一章绪论 的湿气输送管路，用于介入式测量的测量部件还可能因迅速腐蚀而失去测量功能。伴随 我国越来越多高含硫气田的开采，开发既不影响正常清管操作、又能够应用于输送含 h 2 s 较多的湿气输送管路的积液检测系统，选择恰当的清管方案显得越来越重要。我国 重大专项的一个重要目标就是开发非介入式的具有自主知识产权的便携式积液检测系 统。实际上，超声波积液检测法、红外热成像积液检测法、振动噪声积液检测法，在气 液两相流管道的积液检测中，都是不错的非介入式方澍4 。1 们。而超声波积液检测法则是 本文的主要研究内容。 图1 - 1 普光气田地形图 f i g1 - 1p u g u a n gg a sf i e l dt o p o g r a p h i cm a p 1 2 国内外积液监测研究现状 虽然有些测量方法已开始应用于在实验室管道的实验测量，但应用于现场的积液检 测装备和产品，目前还不多见。下面列举实验室中常见的积液测量方法，并对他们的测 量原理，应用范围以及技术特点进行简单介绍： 1 2 1 快关阀门法 在直接测量中，快关阀门法是比较常见，它的原理是：选择一段测试管段，在其两 端安装快关阀门，在测试时，利用快关阀门迅速切断流有气液两相流的管道，然后关闭 整个环流系统，取出封闭与测试管段内的积液，并进行静态测量，这时比较容易得出积 液量。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这种方法操作简单，重复性较好，对实验管路的要求也不高，更不需要什么精密的 仪器。现在主要用于实验室内的液位测量装置的标定以及两相流的流动研究。这种方法 也不是没有问题，它的主要缺点是：一、每次积液测量都要中断整条输气管路，影响集 输系统的正常运营；二、开关阀门需要人工操作，开关阀门所需时间的精确度以及两端 阀门操作的同步度无法保证，在此操作的过程中，管道内的流体流动情况可能会改变， 导致精确度降低；三、这种切断管道的做法在实际生产中实现较为困难、更不能进行实 时、在线测量。这些都使得快关阀门法的实际应用价值大打折扣。 1 2 2 荧光法 荧光法是液膜中加入着色剂，根据光的强度测量积液厚度的方法。其具体原理是， 将水银灯射出的蓝光经光学系统聚焦于液膜，而液膜中含有的荧光着色剂( 钠荧光剂) 经蓝色入射光激发生成绿光，绿色散射光和部分入射的蓝色发射光均射入分光仪，为分 光仪所分离。而绿色散射光的强度是随着液膜厚度的增厚而增大的，因此，可由光电管 射出散射光的强度来确定液膜厚度。 此方法应用有较大的局限性，首先将荧光着色剂均匀加入液膜的难度太大，且要求 管线透明，此外还应该布置复杂的光学系统使光具备射入液膜的条件。 1 2 3 射线法 射线散射法和射线吸收法是利用射线来测量容器内液位高度的两种主要方法。 后者的测量原理是，射线在通过管道中的气液两相流时，部分被吸收，吸收程度见 下式： i = i o e 叫l ( 1 - 1 ) 式中：，卜射线源强度； ，广线性吸收系数； i ，_ _ 气液厚度； 卜- 射线强度。 从上式可以看出，气液混合物的空隙率与射线的被吸收的程度息息相关，通过空隙 率与线性吸收系数对应关系可以得出空隙率的经验值。 前者在管道流体参数检测中的应用与研究也很广泛，它是一种非接触式的测量，与 射线吸收法不同的是，散射法的测量仪器比较容易标定。利用这种射线衰减原理来测量 液位高度的方法，主要有x 射线检测法、y 射线检测法等。 3 一 第一章绪论 中子散射法和y 射线散射法是射线检测法中比较重要的两种检测方法。射线检测可 以对局部管道区域进行非接触式的测量，这种测量方法存在辐射危险，对人体伤害较大， 仪器也非常昂贵，同时还对流动的稳定性提出了要求，因为它的精确度是以长时间的计 数为代价的。 总之，射线法的辐射对人体伤害较大，不适用于目前的实验室研究及现场应用；射 线对管壁的穿透力有限，部分被其吸收，无法实现广义的非介入式测量，即无法在管道 外部对其中流体进行测量；不同流型对能量的吸收程度也是千差万别，受此影响，射线 法的应用范围也较小。 1 2 4 接触探针法 实验所用探针在接触到气相和液相时，会引起热、光、电等反应，即它可以将某些 非电量信号转化为电信号，接触探针法就是依据此原理来进行测量的。根据探针与气液 界面的接触形式，可分为点接触探针和线接触探针。 点接触探针法，现已开发出基于热学、电学以及光学的测量方法及配套仪器。基于 热学的测量，可以利用热线风速仪，它是根据气液相传热系数在大部分情况下的较大差 异来测量积液量的，该方法只适合局部点的测量，且探头极易受到损坏和污染。基于电 学的测量，n e a l & b a n k o f f 较早采用了针形接触电导探针测量了液膜厚度，这种探针具 有测量准确、操作简单的优点，但空间分辨率不高。基于光学的测量方法主要是光纤探 针法，其测量含气率的原理是：当光纤探针探入液相时，棱镜把入射光折射出去，被折 射的入射光进入被测介质，光电转换器因为没有接收到足够强度的反射光，进而输出低 电平；当光线入射到气液介质中时，因为气相和液相折射率的差异，在气液界面处发生 全反射，反射光纤把反射光投射到光电转换器上，这时光电转换器会相应输出高电平。 根据电平高低的变化，不难得到气液相的临界点，从而得到所求的液位高度及积液量。 这种探测方法的主要测量部件都是光学元件，对测量环境的要求较高；仪器的维护 和保养也非常专业；最重要的是光入射到介质里面时会发生多种反应，不一定会检测到 我们所需要的信息。 线接触式探针测量方法主要有电导探针法、电容探针法等。其结构形式主要有双平 行布置，环形布置、单丝布置等多种布置方式。c o l l i e r & h e w i t t 利用嵌入式电导探针测 量了液膜厚度。c o n e y 对这种嵌入式电导探针进行了理论分析，并提出了液膜厚度和电 导性关系的理论处理方法。他指出，当液膜厚度小于2 m m 时该方法的分辨率较高，而 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 当液膜较厚时，分辨率却很差。b r o w n 从理论上分析了双平行电导探针对二维方波的响 应特征。k o s k i e 等也对这种探针进行了理论研究，利用数值积分方法计算出了探针的 影响区域，从而为双平行电导探针的设计和制作提供了理论基础。h e w i t t 也对这项技术 的综合应用前景进行了阐述。 最近，美国i l l i n o i s 大学的h a n r a t t y 和h e w i t t 课题组大量采用双平行电导探针技术 对多相流参数测量进行实验研究。在国内，西安交通大学动力工程多相流国家重点实验 室的李广军较早地设计制作了双平行电导探针，并采用该探针开展了分层流和下降液膜 中气液界面波的实验研究。虽然利用双平行电导探针进行测量液膜厚度时空间分辨率很 高，但是，作为介入式的测量方法，当气液流速较大时，往往会在探针的下游产生涡流， 将气泡卷附在探针下游，进而影响测量精度。同时，实验过程中还必须保证液相的清洁， 以免污染物将双平行针直接导通而使探针失效。这就造成了该方法在实际应用中的局限 性。 双环形电导探针由内嵌在实验管道内壁上的一组环形电极组成。a s a l i 首次应用了 双环形电导探针，并研究了垂直管内的环状流的液膜特征。而后s o c h a t z i d i s 和a n d r e u s s i 等的理论分析为双环形电导探针的结构设计提供了理论基础。f o s s a 从实验和理论上研 究了双环形和双平行电导探针对相分布特征的敏感性。 电导探针法的优点是：成本较低、结构不复杂同时也不难实现；缺点是：非常容易 受到管道内的固体杂质、环境温度、管内流体的流型等因素的影响。 电导法只能测量导电流体并且测量结果容易受到被测流体导电系数的影响，但该方 法对信号处理电路的要求较低，且系统信号不易受外界环境的影响；传统的电容法可将 电极布置在管道外壁己达到不干扰流场的目的，并且电容法可以用于非导电介质的测 量，所以很多研究者都采用了电容法对多相管流进行实验研究，但电容法对电容检测电 路的要求较高，测量结果容易受到被测流体介电常数的影响。 所以，虽然基于电学法开发的探针测量系统具有使用安全、反应灵敏、成本较低等 优点，但基于电学法开发的测量系统其测量结果都受流型特征和流体电学性质的影响， 并不适合现场管道的推广应用。 1 2 5 微波吸收法 穿过油气水三相混合流体的微波信号的相位移p 和衰减值a ，可以近似地认为是微 波信号通过油相及水相的相位移及衰减值的函数，其表达式如下： s 第一章绪论 p = k 足+ 厶只 a = k 氐+ 厶4 式中：l w 、三o _ 分别为水相和油相的厚度； p w 、尸。- _ 一微波信号通过水相、油相单位厚度的微波信号的相位移； 彳w 、彳广微波信号通过水相、油相单位厚度的微波信号的衰减值。 利用公式可以解出水相和油相的厚度。 微波吸收法的微波对管壁的穿透性能较差，不能进行集输管路的非介入检测。 1 2 6 层析成像法 层析成像技术( t o m o g r a p h y ) 也称计算机层析( 断层) 成像技术( c o m p u t e r i s e d t o m o g r a p h y ) ，简称c t 技术，是上世纪七十年代初发展起来的一项新技术。多相管流参 数检测自上世纪八十年代中期开始采用这种技术，过程层析成像技术还能够提供被测流 体在流体管道某一横截面的实时图像，用于识别与判断流型及确定相间界面。该技术主 要分为有图像重建运算的过程层析成像技术和无图像重建运算的过程层析成像技术。有 图像重建运算的过程层析成像技术中，超声波流动层析和电容层析成像是目前广泛研究 的流动层析成像技术。气液两相流反射式超声波流动层析成像系统的研究较为成熟【1 1 】。 1 2 7 小结 从前几个小节的分析可以看出： ( 1 ) 快关阀门法影响集输系统的正常运营，开关阀门所需时间的精确度以及两端阀 门操作的同步度无法保证，精确度较低，这种方法在实际生产中实现较为困难、更不能 进行实时、在线测量。 ( 2 ) 而荧光法的荧光着色剂的加入难度太大，对透明管路的要求使得其现场应用较 难实现。 ( 3 ) 射线法的辐射对人体伤害较大，不适用于目前的实验室研究及现场应用；射 线对管壁的穿透力有限，部分被其吸收，无法在管道外部对其中流体进行测量；不同流 型对能量的吸收程度不同，使得它的应用范围变小。 ( 4 ) 接触探针法的测量部件对测量环境的要求较高；非常容易受到管道内的固体 杂质、环境温度、管内流体的流型等因素的影响；管内含h 2 s 较多的液体对探针的腐蚀 使得这种方法的现场推广应用较难。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 ( 5 ) 微波吸收法的微波对管壁的穿透性能较差，不能进行集输管路的非介入检测。 ( 6 ) 层析成像方法要求感测元件安置在管道内壁，与现场的测试条件相悖。 普光气田h 2 s 较多，介入式的测量可能会引起h 2 s 泄漏，所以普光的输气管道积液 检测只能在管道外壁进行测量，不能改变、破坏已建好的管道，以不影响正常的清管作 业和防止泄漏事故的发生。上面所提到的方法，都不能满足现有需求，需要讨论其他测 量方法。 1 3 超声波测量液位技术的研究现状 从十九世纪末n - - 十世纪初，压电效应与反压电效应被发现之后，人类实现了利用 电子学技术产生超声波的方法，从此超声技术开始迅猛发展。利用超声波的空化作用、 机械作用、化学效应和热效应，可进行超声钻孔、焊接、固体的粉碎、脱气、乳化、去 垢、除尘、灭菌、清洗、促进化学反应和进行生物学研究等，在农业、工矿业、医疗等 各个领域获得了广泛应用【1 2 1 。在我们石油行业，超声波的应用也比较多，尤其是测井， 探伤，测厚等方面的技术已经比较成熟，但在超声波测液位方面，目前比较成熟只有开 放式的测量，密闭容器的非介入式测量目前还处于研究阶段。 1 3 1 超声波测量开放式容器液位高度的应用现状 超声波测量开放式容器液位高度的理论已相当成熟，在工业中也有较为广泛的应 用。下面以储油罐的液位测量为例加以介绍。 超声波测量大罐液位技术实际上是应用了超声波测量距离的原理，超声波探头向某 一方向发射超声波，此时利用计时器开始计时，超声波在空气介质中传播，在途中碰到 液面之后被反射回来，被超声波探头接收，同时计时器马上停止计时。在空气中，超声 波的传播速度为3 4 0r n s ，根据计时器所记录的时间，以及简单的数学原理，可计算出超 声波探头距液面的距离s ，即：s = 3 4 0 t 2 。这就是开放式测量容器液位的基本原理【1 3 。14 1 。 用于测量开放式容器内液体液位的超声波液位仪，是由超声波探头将电信号转化为 压力信号，以波的形式在空气中传播，当超声波垂直入射到液面时，大部分能量的波， 会发生反射( 少部分会入射到液体里) ，并再次被超声探头接收，利用超声波的固定传 播速度和所测得的时间值，可计算出液面处据测量点的距离，从而得出液位值。超声波 液位仪的操作方便，价格低廉，但其传播速度受温度的影响较大导致测量精度偏低，测 量重复精度也较低，需要重复标定维和定期维修。正因如此，目前超声波液位仪已不代 7 第一章绪论 表开放式液位检测仪的发展方向【1 5 。1 8 】。 1 3 2 超声波测量密闭式容器液位高度的研究现状 超声波在不同阻抗的介质分界面会产生反射，根据此原理测量封闭容器内液位的方 法主要有顶部测量法和底部测量法【19 1 。 顶部液位测量原理如图1 2 所示。超声波探头安装在容器顶部的螺纹人口中，超声 探头发出的超声波在气体与被测液体的气液分界面发生反射，由于声速已知，通过测量 超声的往返时间而得到超声探头到液面的垂直距离，从而得到液位值。其原理和大罐液 位测量的原理较为类似。 图1 - 2 螺纹式液位测量示意图 超声波探头 容器 被测液体 f i g1 - 2s c r e w - t y p el i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n td i a g r a m ；2 = h 一曼 ( 1 2 ) 式中：h 容器高度； c 超声波在气体中的传播速度； ，超声波在气体中的往返时间； h 容器内的液体高度。 对于装有高压气体，以及易燃、易爆液体的容器来说，这种在顶部开孔的液位检测 方法存在容易爆炸、泄漏，安装不便等问题【2 0 1 。 底部液位检测原理如图1 3 所示。在容器壁外底部安装超声波发射器。从探头发出 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 的超声波穿过容器壁和液体，在气液分界面处发生反射，发射波再次通过液体、容器壁， 被超声探头接收。同样，记录超声波在此过程中往返时间，声速已知，可以计算从探头 到液面之间的距离，从而确定液位。 玉= 詈印一争( 1 - 3 ) 式中：l 容器壁厚； c l 超声波在液体中的传播速度； c 2 超声波在容器壁中的传播速度； t 超声波在介质中的往返时间； 厅容器内的液体高度。 这种底部液位检测法实现了对封闭容器的液位检测，但是与公式( 1 2 ) 相比较，公式 ( 1 3 ) 要求测量的参数较多。因而该方法产生误差的因素较多，实现也比较复杂。 湖南科技职业学院电子信息系的杜维玲、洪志刚对这种测量方法进行了改进。原理 与上法类似，只是测量的参数发生了些微变化，如图1 3 所示。超声波探头安装于容器 外壁底部，由超声发射器发出的超声波在容器内壁和管内液体的分界面处产生第一次回 波，部分超声波透射到管道内部，并在超声波在气液界面产生第二次回波，然后返回被 超声探头接收【2 1 1 。 图1 3 外测液位测量示意图 f i g1 - 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo fm e a s u r i n gl i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n to u t s i d e 9 第一章绪论 灸= 坠 ( 1 4 ) 式中：t 两个回波之间的时间差； c 超声波在液体中的传播速度。 此种测量方法不需要知道超声波在容器壁中的传播速度和容器的壁厚，减少了误差 来源。因此，该检测方法更具有简单方便，测量精度高等优点。但是，由于现场含有积 液的输气管道底部常常沉积固体杂质，气液界面常常处于波动状态而无法得到稳定界 面，且常常伴有气泡，使得超声波的二次反射比较分散，不容易得n - 次反射的回波。 因此，在气田管道液位测量的应用受到极大限制【2