上游彎管對時(shí)差法超聲波流量計(jì)測量準(zhǔn)確性影響分析

王杰，孫潾，王宏偉，李高峰，陳凱

1.中國石化勝利油田分公司技術(shù)檢測中心（山東 東營 257000）2.中國石化勝利油田分公司檢測評價(jià)研究有限公司（山東 東營 257000）

隨著科技進(jìn)步的發(fā)展，越來越多的新型儀表應(yīng)用到油田的計(jì)量之中，如超聲波流量計(jì)、質(zhì)量流量計(jì)等。超聲波流量計(jì)在用于流體測量時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，它是非接觸式儀表，不會改變流體形態(tài)，便于安裝，可以測量強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)和非導(dǎo)電介質(zhì)的流量，且測量過程不受溫度、壓力、密度及黏度等物性參數(shù)的影響[1-4]。但也存在一些缺點(diǎn)，主要是抗干擾能力差，氣泡、結(jié)垢等會影響其測量精度，且安裝時(shí)對直管段要求嚴(yán)格。否則離散性差，測量精度低等[5-9]。在油田實(shí)際現(xiàn)場應(yīng)用時(shí)，部分超聲波流量計(jì)的應(yīng)用場所，不可避免地會存在一些非標(biāo)準(zhǔn)安裝條件，如直管段長度不夠、上游存在彎管等情況。為提高超聲波流量計(jì)在非標(biāo)準(zhǔn)條件下的測量精度，本文選取了目前在油田應(yīng)用最為廣泛的時(shí)差法便攜式超聲波流量計(jì)為研究對象，通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場試驗(yàn)研究了其上游存在彎管下測量準(zhǔn)確性的變化情況，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型對超聲波流量計(jì)的計(jì)量誤差進(jìn)行修正，從而提高了超聲波流量計(jì)在彎管存在下的測量準(zhǔn)確性。

1 時(shí)差法超聲波流量計(jì)的原理

時(shí)差式超聲流量計(jì)工作的基本原理為：超聲探頭發(fā)出的超聲波在流動(dòng)的液體中，其順流方向上跟逆流方向上傳播速度不同，根據(jù)相同傳播距離上的不同時(shí)間差，可以計(jì)算出液體的流速，從而換算成流量。原理示意圖如圖1所示。

圖1 時(shí)差式超聲流量計(jì)工作原理示意圖

一個(gè)探頭發(fā)出的超聲波的傳播路徑為：管壁—流體—管壁，然后被第二個(gè)探頭接收，那么其順流方向上跟逆流方向上，聲波的傳播時(shí)間分別為：

根據(jù)式（1）、（2）、（3）可得出流體沿直徑方向上的平均流速：

式中：M為聲束在液體中的傳播次數(shù)；L為聲波在液體中的波長，mm；D為管道內(nèi)徑，mm；θ為超聲束入射角，（°）；C0為靜止時(shí)流體聲速，m/s；V為管內(nèi)流體沿管軸向的平均流速，m/s；TUP為聲波在順流方向上的傳播時(shí)間，s；TDOWN為聲波在逆流方向上的傳播時(shí)間，s；ΔT為聲波在順逆兩個(gè)方向上的傳播時(shí)間差，s。

2 彎管對超聲波流量計(jì)測量準(zhǔn)確性影響的仿真研究

為了減小現(xiàn)場工況下彎管對超聲流量計(jì)在線測量準(zhǔn)確性的影響，本文借助數(shù)學(xué)仿真軟件，通過模擬現(xiàn)場測量狀況，擬合了測量誤差曲線，建立了相應(yīng)的誤差修正模型，以減小現(xiàn)場測量誤差。

2.1 彎管仿真模型

根據(jù)實(shí)際使用情況，設(shè)置了管道直徑分別為200mm和150mm，曲率半徑分別為1.5 和1.0 ，設(shè)置管道粗糙度為0.3（圖2）。

圖2 管徑200mm曲率半徑1.5 的平面單彎管幾何模型

由于流體在流經(jīng)彎管時(shí)，外側(cè)上的速度大于內(nèi)側(cè)，從而導(dǎo)致兩側(cè)粒子的發(fā)生瞬時(shí)堆積，從而導(dǎo)致在徑向平面上產(chǎn)生2個(gè)旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)，這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與主流上的流動(dòng)結(jié)合變形成了2次螺旋流。在這種紊流的狀態(tài)下，2次螺旋流約將持續(xù)100D（D為管道直徑，以下相同）的距離，一般彎管損失的一半來自二次螺旋流。顯然，彎管的曲率半徑越小，彎管內(nèi)外側(cè)的速度差越大；管子的直徑越大，二次螺旋流的影響范圍就越大，結(jié)果使流體流經(jīng)彎管的局部損失越大。為了使流場能夠充分發(fā)展，將彎管前的直管段長度設(shè)置為20D，彎管下游的直管段長度設(shè)置為100D。

為合理設(shè)置網(wǎng)格數(shù)量，采用了非結(jié)構(gòu)形混合網(wǎng)格對計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為提高計(jì)算精度，對距離彎管近的部分、邊界層及彎管處加密了網(wǎng)格。如圖3、圖4分別為邊界層面網(wǎng)格劃分及體網(wǎng)格劃分。

圖3 邊界層面網(wǎng)格劃分

圖4 體網(wǎng)格劃分

2.2 彎管下游直管段長度仿真分析

圖5為管徑150mm、曲率1.0、入射角45°、旋轉(zhuǎn)角90°時(shí)超聲流量計(jì)距離上游彎管不同長度的誤差擬合曲線圖。由圖5可知在（2～10）D時(shí)，超聲流量計(jì)誤差隨著流量的增大而增大，（10～15）D階段，超聲流量計(jì)誤差逐漸變小，并由正向誤差轉(zhuǎn)為負(fù)向誤差，15D之后超聲流量計(jì)測量誤差逐漸變小并趨近于0。誤差變化的主要原因?yàn)椋河捎趶澒艿拇嬖?，使管道?nèi)的流體運(yùn)動(dòng)速度分布不均勻，流體在各個(gè)方向上都存在相對運(yùn)動(dòng)，尤其是距離彎管越近，其相對運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致測量誤差越大。

圖5 管徑150mm彎管下游直管段長度與誤差關(guān)系曲線

圖6為管徑200mm、曲率1.5、入射角45°、旋轉(zhuǎn)角90°時(shí)超聲流量計(jì)距離上游彎管距離的誤差擬合曲線圖，由圖6可知，在0～20D時(shí)超聲流量計(jì)具有較大的誤差，并具有由正向誤差轉(zhuǎn)為負(fù)向誤差的特性，25D之后超聲流量計(jì)測量誤差逐漸變小并趨近于0。

圖6 管徑200mm上游直管段長度與誤差關(guān)系曲線圖

2.3 不同流量對超聲流量計(jì)測量誤差的仿真分析

為研究流量對超聲流量計(jì)測量誤差的影響，將流量的研究范圍最低值設(shè)為100m3/h（現(xiàn)場常用流量下限），如圖7所示，其中縱坐標(biāo)為超聲流量計(jì)測量誤差值。從圖7中可知，在距離彎管相同直管段條件下，入口流量為100～600m3/h時(shí)，流量對超聲流量計(jì)測量誤差的影響基本呈水平直線分布，流量對超聲流量計(jì)的測量誤差影響較小，流量小時(shí)測量誤差相對較小，但差別不大，圖8為管徑200mm、曲率1.5 時(shí)的誤差擬合曲線圖，比對發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律基本相同。因此后續(xù)建模修正時(shí)，可忽略流量的影響。

圖7 管徑150mm流量對超聲流量計(jì)測量誤差的影響

圖8 管徑200mm流量對超聲流量計(jì)測量誤差的影響

3 修正模型的建立

采用了數(shù)據(jù)擬合的方式建立數(shù)學(xué)模型，管徑為200mm時(shí)彎管誤差曲線如圖9所示，為提高測量精度，采用了分段擬合的方式，Adjusted R～square分別為0.97463 和0.92403 接近于1，說明擬合效果較好。所以，超聲流量計(jì)在管徑200mm、曲率1.5 單彎頭管道的修正模型為：

圖9 管徑200mm誤差曲線擬合圖

Y=X/(22.19388 -7.19401 ×Z+1.62297 ×Z2-0.1416 ×Z3+0.00383 ×Z4（Z≤17）

Y=X/(-26.58978 +1.75782 ×Z-0.04417 ×Z2+0.00040192 ×Z3)（Z＞17）

其中，Y為修正后的流量值，X為測量值，Z為距離彎管長度。

圖10為管徑150mm誤差曲線擬合圖，為了更好擬合效果，同樣采取分段擬合的方式進(jìn)行，Adjust?ed R～square為0.9998 和0.95305 接近于1，說明擬合效果較好。

圖10 管徑150mm誤差曲線擬合圖

所以，超聲流量計(jì)在管徑150mm、管徑曲率1.0 單彎頭管道的修正模型為：

Y=X/（33.48397 -12.93816 ）×Z+3.40581 ×Z2-0.34484 ×Z3+0.01102 ×Z4（Z≤14）

Y=X/（-25.19539 +3.0098 ×Z-0.13684 ×Z2+0.00256 ×Z3-0.0000166242 ×Z4（Z＞14）

其中，Y為修正后的流量值，X為測量值，Z為距離彎管長度（D）。

為了比較修正前后誤差變化，進(jìn)行了修正前后誤差仿真，如圖11為管徑200mm單彎管修正后的誤差與原始誤差的對比圖，由圖11可知，修正后的誤差基本穩(wěn)定在-0.5 %～0.5 %。

圖11 管徑200mm單彎管修正前后誤差對比

圖12為管徑150mm單彎管修正后的誤差與原始誤差的對比圖，由圖12可知，修正最大的誤差為0.5 %，誤差基本穩(wěn)定在～0.5 %～0.5 %。

圖12 管徑150mm單彎管修正前后誤差對比

4 修正模型的現(xiàn)場測試

為了修正模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了彎管實(shí)流試驗(yàn)驗(yàn)證。

試驗(yàn)方法：同時(shí)啟停超聲流量計(jì)和靜態(tài)質(zhì)量法液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，分別在100、200、300、400m3/h流量下，比較瞬時(shí)流量值或比較一段時(shí)間內(nèi)兩者的累積值。

試驗(yàn)條件：管道口徑為DN150mm；超聲流量計(jì)等級為GE公司1.0 級；測量管道材質(zhì)為304不銹鋼；管道壁厚為4.10 mm；管道周長為496mm；介質(zhì)為清潔水；管段為彎管。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1～表4。

表1 100m3/h流量點(diǎn)不同安裝條件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 200m3/h流量點(diǎn)不同安裝條件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 300m3/h流量點(diǎn)不同安裝條件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 400m3/h流量點(diǎn)不同安裝條件試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1～表4可知，彎管后不同直管段長度經(jīng)模型修正后，其誤差在±1%以內(nèi)。

5 結(jié)論

通過對超聲波流量計(jì)上游存在彎管的仿真研究可知，彎管情況下，在（2～10）D時(shí)，超聲流量計(jì)最大測量誤差可達(dá)10%，且誤差隨著流量的增大而增大，在（10～15）D階段，超聲流量計(jì)誤差逐漸變小，并由正向誤差轉(zhuǎn)為負(fù)向誤差，15D之后超聲流量計(jì)測量誤差逐漸變小并趨近于0；在仿真研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了誤差曲線修正模型的擬合，經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證，建立的修正模型準(zhǔn)確性較高，經(jīng)修正后，超聲流量計(jì)測量示值誤差能夠控制在±1.0%以內(nèi)，大大提高了超聲波流量計(jì)在彎管下的測量準(zhǔn)確性。