水流量計(jì)在線校準(zhǔn)技術(shù)探討
水流量計(jì)在線校準(zhǔn)技術(shù)探討
引言：大慶是國(guó)內(nèi)50個(gè)嚴(yán)重缺水的城市之一，大慶油田有限責(zé)任公司又是一個(gè)年用水量近4億噸的用水大戶。隨著水資源的日趨緊張及油田改革的不斷深化，水計(jì)量問(wèn)題日顯突出，油田用水量的嚴(yán)格分級(jí)考核管理已提到日程上來(lái)。由于目前在線使用的大部分大口徑水表不僅沒(méi)有旁通和備用表，而且拆裝十分困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)周期檢定；同時(shí)由于部分水流量計(jì)口徑在DN300以上，大慶地區(qū)現(xiàn)有的水流量標(biāo)定裝置檢定能力也不能滿足。因此，油田內(nèi)水流量計(jì)，尤其是大口徑水流量計(jì)，難以做到在不影響正常供水情況下的周期檢定，其在線使用精度無(wú)法保證使用要求。對(duì)大口徑水流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)技術(shù)方面的研究，解決油田在用的大口徑水流量計(jì)在線校準(zhǔn)問(wèn)題，在不影響正常供水的情況下，有效提高水計(jì)量?jī)x表的在線使用精度，對(duì)于加強(qiáng)水資源管理，節(jié)約寶貴的水資源，提高油田的總體經(jīng)濟(jì)效益有著十分重要的意義。
對(duì)大口徑水流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)技術(shù)方面的探索， 從1999年初就已開(kāi)始。我們?cè)诖罅康恼{(diào)查研究的基礎(chǔ)上，決定從示蹤法和超聲波法兩方面著手，對(duì)大口徑水流量計(jì)在線校準(zhǔn)問(wèn)題做進(jìn)一步的嘗試。
1．用示蹤法對(duì)大口徑水流量計(jì)在線校準(zhǔn)
用示蹤法測(cè)量水流量的歷史可追朔到上個(gè)世紀(jì)的二十年代。這種方法對(duì)測(cè)量大口徑管道、開(kāi)口的流道和變截面流道的流量有著獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。它是根據(jù)流量的定義進(jìn)行流量測(cè)量的一種測(cè)量流量的**方法。在測(cè)量流量中使用的示蹤劑可以是放射性的或非放射性的物質(zhì)。示蹤劑法測(cè)量流量的方法大致可分為三種：峰定時(shí)法、總計(jì)數(shù)法和稀釋法。作為流量計(jì)的在線校準(zhǔn)裝置，峰定時(shí)法*為適合。它的主要特點(diǎn)是：
① 有較高的精度；
② 不需要測(cè)定注入的放射性溶液的量；
③ 對(duì)探測(cè)器不需要進(jìn)行刻度；
④ 要求被測(cè)管道的截面為已知。
峰定時(shí)法的工作原理是將 一小體積的放射性溶液快速注入到被測(cè)的流體中。在下游的某兩點(diǎn)安裝兩個(gè)射線探測(cè)裝置檢測(cè)示蹤劑濃度峰值通過(guò)的時(shí)刻。已知兩個(gè)射線探測(cè)裝置的距離L和示蹤劑濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間差T，即可求出線性流速 u= L / T 。則流量 Q =S·u。 為了驗(yàn)證示蹤法在大口徑水流量計(jì)在線校準(zhǔn)上的可行性，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了水循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置，系統(tǒng)由DN 200 mm 管道及管道泵組成。管道總長(zhǎng)約14米，內(nèi)部體積約 0.44m3 。試驗(yàn)時(shí)流量的改變是通過(guò)變頻電源改變泵電機(jī)的電源頻率實(shí)現(xiàn)的。化學(xué)示蹤法試驗(yàn)采用的示蹤劑是 ZnCl2的水溶液，ZnCl2的水溶性非常好。每100克水可溶解395克 ZnCl2。探測(cè)裝置采用 238Pu 放射源和 NaI(Tl) 閃爍計(jì)數(shù)器。由 238Pu發(fā)射的低能 x 射線穿過(guò)測(cè)量間隙打到 NaI (Tl)閃爍計(jì)數(shù)器上被記錄，它的強(qiáng)度決定于測(cè)量間隙中的介質(zhì)的成分和密度。當(dāng)水流中含有示蹤劑時(shí)，介質(zhì)對(duì) x 射線的吸收增加。探測(cè)器記錄x 射線強(qiáng)度減弱。在示蹤劑注入到管道后，在水流體中形成一個(gè)局部的示蹤劑濃度包。它隨水流向下游運(yùn)動(dòng)，通過(guò)探測(cè)器時(shí)即可被檢測(cè)到。由于在示蹤劑濃度包中流體的密度和成分都有變化，造成對(duì) x 射線吸收的增加，探測(cè)器測(cè)到的計(jì)數(shù)就減少。
用上面描述的設(shè)備和方法得到的一組試驗(yàn)結(jié)果可以看出，用這種方法測(cè)量的數(shù)據(jù)離散性比較大。*差的數(shù)據(jù)是在電源頻率為10Hz時(shí)，重復(fù)性為14.2%，其次是在 20Hz時(shí)，為11.8%。
對(duì)化學(xué)示蹤法的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，下面兩點(diǎn)可能是導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不理想的主要原因：**是流態(tài)受到干擾，這是由于示蹤劑注入的量較大，注入壓力也比較大以及探測(cè)器侵入到管道內(nèi)所造成的；**是信號(hào)相關(guān)性差，由于示蹤劑注入后的初始形態(tài)及隨后在運(yùn)動(dòng)中的擴(kuò)散過(guò)程均有隨機(jī)性，在達(dá)到探測(cè)器時(shí)又未能達(dá)到均勻分布，加上探測(cè)器的探測(cè)面積僅占管道截面的一小部分，因此造成信號(hào)相關(guān)性差。而侵入的探測(cè)器對(duì)流態(tài)的干擾又使信號(hào)相關(guān)條件更加惡化?；诹鲬B(tài)受到干擾和信號(hào)相關(guān)性差是導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果不理想的主要原因的分析，確定采用放射性同位素作為示蹤劑、不需要侵入到管道中去的NaI晶體做探測(cè)器，進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)。
同位素示蹤法試驗(yàn)采用放射性同位素作為示蹤劑，用峰定時(shí)法測(cè)量流量，試驗(yàn)使用化學(xué)示蹤法所用的同一水循環(huán)系統(tǒng)試驗(yàn)裝置。示蹤劑注入器和探測(cè)器有所不同。同位素示蹤劑可以選擇的品種很多，但需要考慮的影響選擇的因素也很多，諸如半衰期、射線的能譜、載體的化學(xué)性質(zhì)、價(jià)格等等，需要根據(jù)這些因素作綜合評(píng)價(jià)進(jìn)行選擇。我們選擇113mIn（銦-113m）作為示蹤劑。它可以從銦-113m放射性核素發(fā)生器獲得。銦-113m放射性核素發(fā)生器的價(jià)格較高，但是它有很多優(yōu)點(diǎn)，特別適合于研究階段使用，*主要的有兩點(diǎn)：**是使用方便。雖然113mIn 的半衰期僅為100分鐘，但它可以方便地從銦-113m放射性核素發(fā)生器獲得，就像擠牛奶一樣。而且?guī)缀趺刻炜梢浴皵D”一次，所得到的113mIn的量是按母體113Sn的半衰期—115天減少的。不像其它短半衰期的同位素那樣，在使用時(shí)必須由供應(yīng)地空運(yùn)。**是半衰期和射線種類合適。母體的半衰期為115天，一般可以使用半年以上（視訂購(gòu)的銦-113m放射性核素發(fā)生器 的強(qiáng)度等級(jí)和使用時(shí)所要求的113mIn的強(qiáng)度而定）。而子體113mIn的半衰期又很短，它對(duì)流量測(cè)量來(lái)說(shuō)卓卓有余，但對(duì)環(huán)境的影響微乎其微。
同位素示蹤法的流量測(cè)量試驗(yàn)中，示蹤劑注入器與化學(xué)示蹤法示蹤劑注入器雖然具有相同的功能，但在設(shè)計(jì)要求上有所差別。一是同位素示蹤劑溶液一般用量很小，只要滿足對(duì)放射性總量的要求即可，以便于操作和防護(hù)。因此，要求它能夠在很短的時(shí)間內(nèi)（理論上越短越好）將5-10毫升的溶液注入到管道中去。二是同位素示蹤法是基于一小體積的放射性溶液的快速注入，它隨水流移動(dòng)時(shí)會(huì)逐漸散開(kāi)，在注入點(diǎn)的下游，探測(cè)器測(cè)到的計(jì)數(shù)曲線是不對(duì)稱的。這種不對(duì)稱性隨著探測(cè)器距注入點(diǎn)距離的增加而減小，理想的示蹤劑注入應(yīng)該從管中心向徑向噴射，并且有足夠的力量使其盡可能布滿整個(gè)管截面，注入時(shí)間應(yīng)盡可能短，使得在注入時(shí)示蹤劑在軸向的彌散與隨后由紊流造成的彌散相比可以忽略，也就是說(shuō)，示蹤劑的分布應(yīng)該是一個(gè)薄的圓片。示蹤劑的注入越接近這一理想狀態(tài)，為滿足一定精度測(cè)量所要求的管道長(zhǎng)度就越短。注入器主要由錐形密封頭、示蹤液容器和電磁鐵組成。當(dāng)電磁鐵動(dòng)作時(shí)，錐形密封頭提起，示蹤液在壓縮氣體的推力下由泄流孔注入到流體中?？刂齐姶盆F通電的時(shí)間可以控制注入的示蹤劑的量。另外，在示蹤液噴管上加裝了徑向輻射型噴嘴。
與化學(xué)示蹤法不同的是在同位素示蹤法中探測(cè)器不需要侵入到管道中去，這是因?yàn)樗綔y(cè)的γ射線能量較高。因此探測(cè)器的NaI(Tl)晶體較大，以增加探測(cè)效率。在試驗(yàn)中使用的NaI(Tl)晶體的尺寸為φ40×50mm。探測(cè)器必須要有屏蔽和限束孔，以減少本底計(jì)數(shù)并使測(cè)得的計(jì)數(shù)曲線更加尖銳。探測(cè)器及其安裝筒座可以方便地將整個(gè)探測(cè)裝置夾緊在管道上。從9月至11月中旬完成了注入器設(shè)計(jì)加工、探測(cè)器研制、二次表研制等工作并在實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)。11月底至12月中旬在大慶油田南六聯(lián)污水站上進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。結(jié)果表明，同位素示蹤法優(yōu)于化學(xué)示蹤法，在滿足試驗(yàn)條件的情況下，可以達(dá)到±1%的測(cè)量精度。
2 用超聲波法實(shí)現(xiàn)大口徑水流量計(jì)在線校準(zhǔn)
用超聲波測(cè)量水流量的方法在發(fā)達(dá)國(guó)家已得到了廣泛的應(yīng)用，技術(shù)也已經(jīng)成型，如丹麥的丹佛斯、美國(guó)的康樂(lè)創(chuàng)、寶麗聲、日本的富士等都是生產(chǎn)超聲波流量計(jì)的專業(yè)廠家。近幾年，國(guó)內(nèi)也有儀表廠商開(kāi)始生產(chǎn)超聲波流量計(jì)，但在技術(shù)水平和生產(chǎn)規(guī)模上，與國(guó)外相比還有一定的差距。
超聲波流量計(jì)做為大口徑管線在線校準(zhǔn)儀表，有著其它儀表所無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
①在不影響被檢儀表正常工作的情況下，管外安裝校準(zhǔn)；
②便于攜帶，安裝方便 ；
③不妨礙流動(dòng)，無(wú)壓力損失量；
④無(wú)可動(dòng)部件，維修率低、穩(wěn)定性好。
超聲波流量計(jì)有多種形式，從精度上看排序依次為傳播速度差法、多普勒法、聽(tīng)音法。多普勒法主要應(yīng)用于含有很多氣泡或懸濁物的液體，如下水、泥水等，聽(tīng)音法適用于輔助測(cè)量或開(kāi)關(guān)的監(jiān)視。做為大口徑管線在線校準(zhǔn)儀表，我們選用傳播速度差法。傳播速度差法包括相位差法、聲循環(huán)法、時(shí)間差法，原理基本一致，我們選用時(shí)間差法。從原理上看時(shí)差法超聲波流量計(jì)是將流體流動(dòng)時(shí)與靜止時(shí)超聲波在流體中傳播的情形進(jìn)行比較，由于流速不同會(huì)使超聲波的傳播速度發(fā)生變化來(lái)測(cè)得流體流速的。從安裝角度講，時(shí)間差法超聲波流量計(jì)可分為外夾式和插入式，外夾式超聲波流量計(jì)便于攜帶，安裝方便，但在使用過(guò)程中，受使用環(huán)境影響較大，做為大口徑管線在線校準(zhǔn)儀表缺少說(shuō)服力；插入式超聲波流量計(jì)受使用環(huán)境影響較小，適合做為在線校準(zhǔn)儀表。
將流體流動(dòng)時(shí)與靜止時(shí)超聲波在流體中傳播的情形進(jìn)行比較，由于流速不同會(huì)使超聲波的傳播速度發(fā)生變化。取靜止流體中的聲速為C，流體流動(dòng)的速度為V，當(dāng)聲波的傳播方向與流體流動(dòng)的方向一致時(shí)，其傳播速度為（C+V），而聲波的傳播方向與流體流動(dòng)的方向相反時(shí)，其傳播速度為（C—V），我們?cè)诰嚯x為L(zhǎng)的兩處放兩組超聲波發(fā)生器與接收器（T1，R1和T2，R2），聲道夾角為θ，管道內(nèi)徑為D， K為流通系數(shù)，S為管道橫截面積。當(dāng)T1順?lè)较?、T2逆方向發(fā)射超聲波時(shí)，超聲波分別到達(dá)接收器R1和R2所需要的時(shí)間分別為t1和t2，則：
t1 =L/（C-Vcosθ）
t2= L/（C+Vcosθ）
管內(nèi)介質(zhì)的流速： V=лKSD3（t1+t2）/8t1t2cos2θ
測(cè)量時(shí)，超聲波收發(fā)器應(yīng)置于流管的正側(cè)面，這樣做的理由在于，氣泡易于聚集在管道的上方，大的異物則沿管道底部流動(dòng)，它們都將妨礙超聲波的穿過(guò)。
2000年4月，設(shè)計(jì)制做了DN300、DN150兩段插入式時(shí)差法超聲波流量計(jì)測(cè)量管段，為了能方便換能器的拆裝，設(shè)計(jì)制做了球閥式換能器護(hù)套，**測(cè)量超聲波探頭間距、超聲波探頭與直管段的角度和標(biāo)準(zhǔn)直管段的壁厚。首先在石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所的水流量標(biāo)定管線上，做了兩組試驗(yàn)，對(duì)SONOKIT插入式時(shí)差法超聲波流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用容積法對(duì)SONOKIT插入式超聲波流量計(jì)進(jìn)行檢測(cè)，標(biāo)定裝置精度達(dá)到2‰ 。試驗(yàn)結(jié)果是超聲波流量計(jì)在配備標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量直管段情況下，清水管線完全可以達(dá)到1%的計(jì)量精度，而且管徑越大精度越高，管徑越大穩(wěn)定性越好，可以作為大口徑水流量計(jì)在線校準(zhǔn)儀表。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)情況不能完全滿足儀表計(jì)量技術(shù)要求時(shí)，如前直管段長(zhǎng)度不夠或水中懸浮物超標(biāo)及管線有沉沙或液體不滿管情況下，達(dá)不到所要求的計(jì)量精度。
綜上所述，我們建議在大口徑清水管線計(jì)量系統(tǒng)安裝時(shí)，同時(shí)串接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)超聲波測(cè)量管段，測(cè)量管段安裝的技術(shù)要求應(yīng)同超聲波流量計(jì)一樣，滿足直管段要求和液體應(yīng)充滿測(cè)量管的要求。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)時(shí)，把超聲波探頭安裝在標(biāo)準(zhǔn)超聲波測(cè)量管段換能器護(hù)套內(nèi) ，把管段的參數(shù)輸入二次表，對(duì)大口徑水管線計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)。對(duì)于已經(jīng)安裝完的大口徑清水管線計(jì)量系統(tǒng)，可以使用外夾式超聲波流量計(jì)進(jìn)行在線校準(zhǔn)。