專利名稱:一種天然氣管道積液測量方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于液位測量領(lǐng)域,主要涉及對密閉容器內(nèi)液位進(jìn)行測量的一種方法和裝 置,尤其涉及對天然氣管道內(nèi)部積液高度進(jìn)行測量的一種方法和裝置。
背景技術(shù):
天然氣管道在一定條件下會產(chǎn)生積液,積液占據(jù)一部分管道截面,減小了氣體的 有效輸送截面積,導(dǎo)致管輸效率降低,在一定溫度條件下還有可能會形成水合物,造成冰堵 事故。對于高含硫和二氧化碳的氣體集輸管道,積液的存在還會加速管線腐蝕,造成管線穿 孔,引發(fā)泄漏,甚至導(dǎo)致中毒事故。定期清管是減少管內(nèi)積液的有效和通常采用的方法,而 確定清管周期和制定清管方案,需要知道管內(nèi)積液的多少,即需要對管內(nèi)積液量進(jìn)行測量。
快關(guān)閥法是測量管道積液的最常用的方法,其原理是在測量管段前后兩端各安裝 一個快關(guān)閥門,流動穩(wěn)定時,迅速關(guān)閉閥門,通過排出封閉在管道中的液體并測量其體積來 確定積液的多少。采用快關(guān)閥法時需要對現(xiàn)有管道進(jìn)行改造,在被測管道上布置快關(guān)閥門, 測量時需要切斷系統(tǒng),影響管道正常生產(chǎn)。中國發(fā)明專利CN100434906C公開了一種電導(dǎo)探 針測量系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)液相含量的實(shí)時測量。但探針需要布置在管道內(nèi)部,為介入式 測量方法,會阻礙正常清管作業(yè)時清管球的通過,此外,電導(dǎo)探針測量方法還要求被測管段 的管壁為不導(dǎo)電的絕緣材料。因此電導(dǎo)探針方法也無法滿足正在運(yùn)行的天然氣集輸管線內(nèi) 部積液測量要求。中國發(fā)明專利CN1155809C公開了一種采用伽馬射線測量管道積液量技 術(shù)。射線方法不足之處在于射線在鋼制管壁中衰減劇烈,需要對管線開孔以布置射線源 倉,不能對已建好的集輸管線積液量進(jìn)行非介入式檢測,此外,該類方法還存在輻射風(fēng)險。超聲波廣泛應(yīng)用于儲罐等密閉容器液位的檢測,傳統(tǒng)超聲液位液位測量方法工作 原理是采用時差法,由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲波,在介質(zhì)中傳播,遇到氣液界面后被反 射,由接收探頭接收反射回波。利用超聲波在介質(zhì)中的傳播時間和超聲波聲速計(jì)算其傳播 距離,從而得到液位高度。當(dāng)容器內(nèi)溫度、壓力發(fā)生變化,或容器內(nèi)氣液相介質(zhì)組分改變時, 聲速也將發(fā)生變化,很難保證液位測量精度。中國發(fā)明專利100434906C公開了一種自校正 式超聲波液位測量裝置,為進(jìn)行聲速校正需要在被測容器內(nèi)部安裝一固定反射環(huán),并非真 正意義上的非介入式測量方法。天然氣管道壓力高、輸送介質(zhì)易燃易爆,高含硫天然氣還有劇毒,為保證安全,杜 絕介質(zhì)泄漏隱患,要求采用的積液測量方法不能改變現(xiàn)有管線結(jié)構(gòu),只能在管外壁進(jìn)行非 介入式測量。綜上所述,現(xiàn)有管道積液測量技術(shù),通常為介入式測量方法,需要對現(xiàn)有管道 進(jìn)行改造,無法滿足正在運(yùn)行的天然氣管線積液檢測的需要。
發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足,本發(fā)明的目的在于提出一種基于超聲波的 非介入式管道積液監(jiān)測裝置和方法,無需聲速校正,不受管道內(nèi)氣液相組分以及溫度、壓力 等參數(shù)影響,且不改變現(xiàn)有管路結(jié)構(gòu),在管外壁采用單個超聲探頭即可實(shí)現(xiàn)對管內(nèi)積液高度的快速測量。為達(dá)到上述目的,本發(fā)明提供一種天然氣管道積液監(jiān)測方法,包括如下步驟(1)在待測管道外壁布置同時具有發(fā)送和接受超聲信號功能的超聲探頭,將超聲 波探頭置于被測管線管外壁最底部或最頂部;(2)采集由超聲探頭發(fā)射的超聲波在管內(nèi)介質(zhì)和管壁界面處反射的回波信號;(3)采用積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)對采集的回波信號進(jìn)行特征識別,根據(jù)其波形特征判斷 當(dāng)前超聲探頭所在位置處與管道內(nèi)壁接觸的是氣體還是液體;(4)在管外壁沿周向方向以順時針或逆時針移動超聲探頭的測量位置,直至觀察 到反射回波特征發(fā)生突變,此時將超聲探頭位置向與前期相反的方向微調(diào),直至準(zhǔn)確找到 回波發(fā)生突變點(diǎn);(5)記錄超聲探頭當(dāng)前位置的周向角; (6)根據(jù)周向角度和被測管道內(nèi)徑,由幾何關(guān)系計(jì)算積液高度。超聲探頭發(fā)射一束超聲波由管外壁垂直入射后,在介質(zhì)與管內(nèi)壁的接觸處將會發(fā) 生透射與反射。氣液界面以上是管壁和氣相接觸,氣液界面以下管壁和液相接觸。氣相和 液相兩種介質(zhì)的特性不同,發(fā)生反射和透射的能量差異很大。當(dāng)管內(nèi)積液位置高于測量點(diǎn) 時,由于管壁/液體界面透射作用強(qiáng),聲能在分界面處有一部分被透射入液體中,而當(dāng)管內(nèi) 氣液界面低于測量點(diǎn)時,由于管壁/氣體界面透射作用弱,透射入氣體中的超聲波能量很 小,幾乎全部被反射。根據(jù)超聲探頭接收到的反射回波的幅值特征,可判斷探頭所在位置是 在氣液界面以上還是在氣液界面以下。通過在管外壁沿周向方向逐步調(diào)整超聲探頭的測量 位置,捕捉根據(jù)氣液界面上反射回波的特性發(fā)生突變的位置,此即氣液界面位置。記錄當(dāng)前 超聲探頭所在位置的周向角α,由于被測金屬管道內(nèi)徑d已知,根據(jù)幾何關(guān)系很容易確定 出積液高度h的大小。為實(shí)施本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的積液測量裝置,包括超聲探頭,周向角度尺,積液監(jiān)測計(jì) 算機(jī),周向角度尺呈圓筒狀緊貼被測管道外壁布置,超聲探頭在移動測量過程中緊貼角度 尺外緣,且保持與管壁垂直,內(nèi)壁處反射的回波信號由信號線傳遞到積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)上顯
7J\ ο超聲探頭同時具有發(fā)射超聲波和接受超聲波的功能,探頭超聲耦合在管道外壁, 測量過程可在管道外壁沿周向方向順時針或逆時針移動。周向角度尺布置在被測管道外壁上,其上刻度均勻分布,被測管線最底部對應(yīng)的 周向角度為0°,最頂部對應(yīng)的周向角度為180°。積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)主要功能是對超聲回波信號進(jìn)行顯示、識別和報(bào)警,當(dāng)回波特征 發(fā)生突變時,進(jìn)行報(bào)警提示。本發(fā)明與國內(nèi)外現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下特點(diǎn)(1)為非介入式積液測量方法,無需在管壁上開孔,不會對管線強(qiáng)度造成破壞,無 泄漏風(fēng)險,尤其適合輸送腐蝕性、有毒性介質(zhì)管線內(nèi)部積液監(jiān)測;(2)不受管道內(nèi)氣液相介質(zhì)的組成,以及溫度、壓力等參數(shù)影響,無需進(jìn)行聲速校 正;(3)只需測量金屬管壁與內(nèi)部介質(zhì)形成的界面上的回波信號,所需能量微小,不會 引發(fā)安全問題,防爆性能好;
(4)測量探頭不與流體接觸,無運(yùn)動部件,無壓力損失,測量探頭不會發(fā)生磨損,基 本無需更換、維護(hù);(5)不影響管線清管等正常作業(yè)。
圖1是本發(fā)明的積液測量裝置示意圖;圖2是本發(fā)明的反射回波特征對比圖;圖3是本發(fā)明的周向角度尺展開示意圖;圖4是本發(fā)明的積液測量過程示意圖;圖5是本發(fā)明的積液高度計(jì)算原理圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的提出的方法原理和裝置結(jié)構(gòu)作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1,本發(fā)明提出的積液監(jiān)測裝置主要包括超聲探頭2,周向角度尺3,信號線 4、積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5。本發(fā)明提出的超聲探頭2耦合在被測管道1的管外壁上,超聲探頭同 時具有發(fā)射和接受超聲信號的功能。超聲探頭2在管外向管內(nèi)垂直發(fā)射高頻超聲波。超聲 波在管內(nèi)壁與內(nèi)部介質(zhì)界面處發(fā)生反射,反射回來的回波信號重新被超聲探頭接收。超聲 探頭2末端通過信號線4與積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5相連,將管內(nèi)壁處反射的回波信號傳遞到積 液監(jiān)測計(jì)算機(jī)上5進(jìn)行顯示。根據(jù)聲學(xué)原理,當(dāng)超聲波到達(dá)兩種不同物質(zhì)的分界面時,部分能量反射回原來介 質(zhì)中,其余能量進(jìn)入第二種介質(zhì),兩介質(zhì)聲阻抗相差越小,則從第一種介質(zhì)穿透到第二種介 質(zhì)那部分能量就越大,反之,聲阻抗差別很大時,幾乎全部入射能都在界面上發(fā)生反射。與 管內(nèi)壁接觸的介質(zhì)不同,則此處反射回波的特征也有很大差別。金屬管壁材料為鋼時,鋼制 管壁到水的聲透射率為9. 7 X 10_2,而管壁到空氣中的透射率僅為1. 997X10_5。參見圖2,6為管內(nèi)壁和氣相接觸時界面反射回波曲線,7為管內(nèi)壁和液相接觸時 界面反射回波曲線。管道內(nèi)氣體和液體在重力作用下分層,上部為氣體空間,下部為液體空 間。探頭所在某一位置處,若是氣體與管內(nèi)壁接觸,則由于絕大部分超聲信號被反射,從新 被超聲探頭2接收的超聲波衰減程度較低,回波信號波幅較大,而當(dāng)探頭所在位置處若是 液體與管內(nèi)壁接觸,由于一部分超聲能量在發(fā)生了透射,進(jìn)入液相,因此超聲探頭1接收到 的能量相對較小,回波信號波幅也相對較小。反射回波信號由積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5采集并實(shí) 時顯示。通過積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5上顯示反射回波的特征,可以判斷超聲探頭所在位置處管 內(nèi)壁接觸的介質(zhì)是氣體還是液體。超聲探頭2在測量中的實(shí)時位置由周向角度尺3測量。圖3為周向角度尺3展開示意圖。周向角度尺展開后為矩形,其四個頂點(diǎn)分別為 A、B、C、D。矩形寬為W= 2cm,長度L = π D,D為待測管道1的外徑。周向角度尺上布置有 均勻分布的刻度,周向角度范圍是0-360°。周向角度尺3最頂部和最底部所指示的角度均 為0°,中間所指示的角度為180°。在測量過程中,周向角度尺呈圓筒狀緊貼在被測管道 1的外壁上,見圖1。周向角度尺的四個頂點(diǎn)中,A點(diǎn)和C點(diǎn)重合,B點(diǎn)和D點(diǎn)重合,且AB線 位于管線最底部。根據(jù)以上布置方式,管線最底部對應(yīng)的周向角度為0°,最頂部周向角度 為 180° 。
積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5具有超聲回波信號顯示、回波信號識別以及報(bào)警三大功能?;?波信號顯示當(dāng)前位置超聲回波信號和前一測量位置超聲回波信號,并通過內(nèi)置程序?qū)苫?波信號特征進(jìn)行識別,若當(dāng)前回波信號與前一位置所產(chǎn)生的回波特征發(fā)生了突變,則進(jìn)行 報(bào)警提示。圖4為積液測量過程示意圖。測量時,超聲探頭2布置在被測管道1的外壁8上。 首先將超聲探頭置于管線最底部,以逆時針方向從管外壁底部沿著管周向管頂部移動;或 首先將超聲探頭2置于被測管道1外壁最頂部,以順針方向從管外壁底部沿著管周向管底 部測量。超聲探頭2在沿管外壁8緩慢移動過程中,在管內(nèi)壁9所產(chǎn)生的反射回波信號,由 信號線4傳遞到積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5,通過積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)5時時顯示界面回波信號特征。若 在移動過程中觀察到反射回波特征發(fā)生了突變,此時將超聲探頭位置向與前期相反的方向 微調(diào),直至準(zhǔn)確找到回波發(fā)生突變點(diǎn)。此時探頭2所在位置處即對應(yīng)管內(nèi)氣液界面10。通 過周向角度尺3記錄超聲探頭2此時的周向角度α。確定氣液界面位置后,積液高度的計(jì)算方法參見圖5。被測金屬管內(nèi)徑為d,氣液 界面10處對應(yīng)的周向角為α,根據(jù)幾何關(guān)系可以確定出管內(nèi)積液高度(氣液界面距離管內(nèi) 壁底部距離)h:
權(quán)利要求
一種天然氣管道積液測量方法,其特征在于,包括如下步驟(1)在待測管道外壁布置一個同時具有發(fā)送和接受超聲信號功能的超聲探頭,將超聲波探頭置于被測管線外壁最底部或最頂部;(2)采集由超聲探頭發(fā)射的超聲波在管內(nèi)介質(zhì)和管內(nèi)壁接觸處所反射的回波信號;(3)采用積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)對采集的回波信號進(jìn)行特征識別,根據(jù)其波形特征判斷當(dāng)前超聲探頭所在位置處與管道內(nèi)壁接觸的是氣體還是液體;(4)在管外壁沿周向方向移動超聲探頭4的測量位置,直至觀察到反射回波特征發(fā)生突變,此時將超聲探頭位置向與前期相反的方向微調(diào),直至準(zhǔn)確找到回波發(fā)生突變點(diǎn);(5)記錄當(dāng)前超聲探頭周向角度;(6)根據(jù)周向角度和被測管道內(nèi)徑,計(jì)算積液高度。
2.一種天然氣管道積液測量裝置,其特征在于包括超聲探頭,周向角度尺,積液監(jiān)測 計(jì)算機(jī),周向角度尺布置在被測管道外壁上,超聲探頭在移動測量過程中緊貼角度尺外緣, 且保持與管壁垂直,管內(nèi)壁處反射的回波信號由信號線傳遞到積液監(jiān)測計(jì)算機(jī)上顯示。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的超聲探頭,其特征在于探頭超聲耦合在管道外壁,測量 過程可在管道外壁沿周向方向順時針或逆時針移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的周向角度尺,其特征在于周向角度尺呈圓筒狀布置在被測 管道外壁,其刻度均勻分布,被測管線最底部對應(yīng)的周向角度為0°,最頂部對應(yīng)的周向角 度為180°。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的積液監(jiān)測計(jì)算機(jī),其特征在于回波特征發(fā)生突變時,進(jìn)行報(bào)警提示。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣管道積液測量方法和裝置。由耦合在被測管道外壁的超聲探頭向管道內(nèi)垂直發(fā)射高頻超聲波,氣、液介質(zhì)特性不同,反射回波能量差異很大,根據(jù)超聲探頭接收到的管內(nèi)壁反射回波的特征,判斷探頭所在位置處與管內(nèi)壁接觸的是氣體還是液體,在管外壁沿周向方向逐步調(diào)整超聲探頭的測量位置,由周向角度尺記錄回波發(fā)生突變時超聲探頭的周向角度,進(jìn)而計(jì)算出積液高度。本發(fā)明為非介入式積液測量方法,無需改變現(xiàn)有管路結(jié)構(gòu),無介質(zhì)泄漏風(fēng)險,不影響管線清管等作業(yè),同時,不受管道內(nèi)氣液相介質(zhì)的組成,以及溫度、壓力等參數(shù)影響,克服了現(xiàn)有超聲技術(shù)需要復(fù)雜的聲速校正的缺點(diǎn),尤其適合輸送腐蝕性、有毒性介質(zhì)管線內(nèi)部積液的測量。
文檔編號G01F23/296GK101839746SQ20091022954
公開日2010年9月22日 申請日期2009年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月25日
發(fā)明者曹學(xué)文, 梁法春 申請人:梁法春