CN101839746A - 一种天然气管道积液测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天然气管道积液测量方法和装置。由耦合在被测管道外壁的超声探头向管道内垂直发射高频超声波，气、液介质特性不同，反射回波能量差异很大，根据超声探头接收到的管内壁反射回波的特征，判断探头所在位置处与管内壁接触的是气体还是液体，在管外壁沿周向方向逐步调整超声探头的测量位置，由周向角度尺记录回波发生突变时超声探头的周向角度，进而计算出积液高度。本发明为非介入式积液测量方法，无需改变现有管路结构，无介质泄漏风险，不影响管线清管等作业，同时，不受管道内气液相介质的组成，以及温度、压力等参数影响，克服了现有超声技术需要复杂的声速校正的缺点，尤其适合输送腐蚀性、有毒性介质管线内部积液的测量。

Description

一种天然气管道积液测量方法和装置

所属技术领域

本发明属于液位测量领域，主要涉及对密闭容器内液位进行测量的一种方法和装置，尤其涉及对天然气管道内部积液高度进行测量的一种方法和装置。

背景技术

天然气管道在一定条件下会产生积液，积液占据一部分管道截面，减小了气体的有效输送截面积，导致管输效率降低，在一定温度条件下还有可能会形成水合物，造成冰堵事故。对于高含硫和二氧化碳的气体集输管道，积液的存在还会加速管线腐蚀，造成管线穿孔，引发泄漏，甚至导致中毒事故。定期清管是减少管内积液的有效和通常采用的方法，而确定清管周期和制定清管方案，需要知道管内积液的多少，即需要对管内积液量进行测量。

快关阀法是测量管道积液的最常用的方法，其原理是在测量管段前后两端各安装一个快关阀门，流动稳定时，迅速关闭阀门，通过排出封闭在管道中的液体并测量其体积来确定积液的多少。采用快关阀法时需要对现有管道进行改造，在被测管道上布置快关阀门，测量时需要切断系统，影响管道正常生产。中国发明专利CN100434906C公开了一种电导探针测量系统，可实现对管道内液相含量的实时测量。但探针需要布置在管道内部，为介入式测量方法，会阻碍正常清管作业时清管球的通过，此外，电导探针测量方法还要求被测管段的管壁为不导电的绝缘材料。因此电导探针方法也无法满足正在运行的天然气集输管线内部积液测量要求。中国发明专利CN1155809C公开了一种采用伽马射线测量管道积液量技术。射线方法不足之处在于：射线在钢制管壁中衰减剧烈，需要对管线开孔以布置射线源仓，不能对已建好的集输管线积液量进行非介入式检测，此外，该类方法还存在辐射风险。

超声波广泛应用于储罐等密闭容器液位的检测，传统超声液位液位测量方法工作原理是采用时差法，由超声波发射探头发出超声波，在介质中传播，遇到气液界面后被反射，由接收探头接收反射回波。利用超声波在介质中的传播时间和超声波声速计算其传播距离，从而得到液位高度。当容器内温度、压力发生变化，或容器内气液相介质组分改变时，声速也将发生变化，很难保证液位测量精度。中国发明专利100434906C公开了一种自校正式超声波液位测量装置，为进行声速校正需要在被测容器内部安装一固定反射环，并非真正意义上的非介入式测量方法。

天然气管道压力高、输送介质易燃易爆，高含硫天然气还有剧毒，为保证安全，杜绝介质泄漏隐患，要求采用的积液测量方法不能改变现有管线结构，只能在管外壁进行非介入式测量。综上所述，现有管道积液测量技术，通常为介入式测量方法，需要对现有管道进行改造，无法满足正在运行的天然气管线积液检测的需要。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提出一种基于超声波的非介入式管道积液监测装置和方法，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测量。

为达到上述目的，本发明提供一种天然气管道积液监测方法，包括如下步骤：

(1)在待测管道外壁布置同时具有发送和接受超声信号功能的超声探头，将超声波探头置于被测管线管外壁最底部或最顶部；

(2)采集由超声探头发射的超声波在管内介质和管壁界面处反射的回波信号；

(3)采用积液监测计算机对采集的回波信号进行特征识别，根据其波形特征判断当前超声探头所在位置处与管道内壁接触的是气体还是液体；

(4)在管外壁沿周向方向以顺时针或逆时针移动超声探头的测量位置，直至观察到反射回波特征发生突变，此时将超声探头位置向与前期相反的方向微调，直至准确找到回波发生突变点；

(5)记录超声探头当前位置的周向角；

(6)根据周向角度和被测管道内径，由几何关系计算积液高度。

超声探头发射一束超声波由管外壁垂直入射后，在介质与管内壁的接触处将会发生透射与反射。气液界面以上是管壁和气相接触，气液界面以下管壁和液相接触。气相和液相两种介质的特性不同，发生反射和透射的能量差异很大。当管内积液位置高于测量点时，由于管壁/液体界面透射作用强，声能在分界面处有一部分被透射入液体中，而当管内气液界面低于测量点时，由于管壁/气体界面透射作用弱，透射入气体中的超声波能量很小，几乎全部被反射。根据超声探头接收到的反射回波的幅值特征，可判断探头所在位置是在气液界面以上还是在气液界面以下。通过在管外壁沿周向方向逐步调整超声探头的测量位置，捕捉根据气液界面上反射回波的特性发生突变的位置，此即气液界面位置。记录当前超声探头所在位置的周向角α，由于被测金属管道内径d已知，根据几何关系很容易确定出积液高度h的大小。

为实施本发明方法设计的积液测量装置，包括超声探头，周向角度尺，积液监测计算机，周向角度尺呈圆筒状紧贴被测管道外壁布置，超声探头在移动测量过程中紧贴角度尺外缘，且保持与管壁垂直，内壁处反射的回波信号由信号线传递到积液监测计算机上显示。

超声探头同时具有发射超声波和接受超声波的功能，探头超声耦合在管道外壁，测量过程可在管道外壁沿周向方向顺时针或逆时针移动。

周向角度尺布置在被测管道外壁上，其上刻度均匀分布，被测管线最底部对应的周向角度为0°，最顶部对应的周向角度为180°。

积液监测计算机主要功能是对超声回波信号进行显示、识别和报警，当回波特征发生突变时，进行报警提示。

本发明与国内外现有技术相比，具有如下特点：

(1)为非介入式积液测量方法，无需在管壁上开孔，不会对管线强度造成破坏，无泄漏风险，尤其适合输送腐蚀性、有毒性介质管线内部积液监测；

(2)不受管道内气液相介质的组成，以及温度、压力等参数影响，无需进行声速校正；

(3)只需测量金属管壁与内部介质形成的界面上的回波信号，所需能量微小，不会引发安全问题，防爆性能好；

(4)测量探头不与流体接触，无运动部件，无压力损失，测量探头不会发生磨损，基本无需更换、维护；

(5)不影响管线清管等正常作业。

附图说明

图1是本发明的积液测量装置示意图；

图2是本发明的反射回波特征对比图；

图3是本发明的周向角度尺展开示意图；

图4是本发明的积液测量过程示意图；

图5是本发明的积液高度计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的提出的方法原理和装置结构作进一步详细说明。

参见图1，本发明提出的积液监测装置主要包括超声探头2，周向角度尺3，信号线4、积液监测计算机5。本发明提出的超声探头2耦合在被测管道1的管外壁上，超声探头同时具有发射和接受超声信号的功能。超声探头2在管外向管内垂直发射高频超声波。超声波在管内壁与内部介质界面处发生反射，反射回来的回波信号重新被超声探头接收。超声探头2末端通过信号线4与积液监测计算机5相连，将管内壁处反射的回波信号传递到积液监测计算机上5进行显示。

根据声学原理，当超声波到达两种不同物质的分界面时，部分能量反射回原来介质中，其余能量进入第二种介质，两介质声阻抗相差越小，则从第一种介质穿透到第二种介质那部分能量就越大，反之，声阻抗差别很大时，几乎全部入射能都在界面上发生反射。与管内壁接触的介质不同，则此处反射回波的特征也有很大差别。金属管壁材料为钢时，钢制管壁到水的声透射率为9.7×10^-2，而管壁到空气中的透射率仅为1.997×10^-5。

参见图2，6为管内壁和气相接触时界面反射回波曲线，7为管内壁和液相接触时界面反射回波曲线。管道内气体和液体在重力作用下分层，上部为气体空间，下部为液体空间。探头所在某一位置处，若是气体与管内壁接触，则由于绝大部分超声信号被反射，从新被超声探头2接收的超声波衰减程度较低，回波信号波幅较大，而当探头所在位置处若是液体与管内壁接触，由于一部分超声能量在发生了透射，进入液相，因此超声探头1接收到的能量相对较小，回波信号波幅也相对较小。反射回波信号由积液监测计算机5采集并实时显示。通过积液监测计算机5上显示反射回波的特征，可以判断超声探头所在位置处管内壁接触的介质是气体还是液体。超声探头2在测量中的实时位置由周向角度尺3测量。

图3为周向角度尺3展开示意图。周向角度尺展开后为矩形，其四个顶点分别为A、B、C、D。矩形宽为W＝2cm，长度L＝πD，D为待测管道1的外径。周向角度尺上布置有均匀分布的刻度，周向角度范围是0-360°。周向角度尺3最顶部和最底部所指示的角度均为0°，中间所指示的角度为180°。在测量过程中，周向角度尺呈圆筒状紧贴在被测管道1的外壁上，见图1。周向角度尺的四个顶点中，A点和C点重合，B点和D点重合，且AB线位于管线最底部。根据以上布置方式，管线最底部对应的周向角度为0°，最顶部周向角度为180°。

积液监测计算机5具有超声回波信号显示、回波信号识别以及报警三大功能。回波信号显示当前位置超声回波信号和前一测量位置超声回波信号，并通过内置程序对两回波信号特征进行识别，若当前回波信号与前一位置所产生的回波特征发生了突变，则进行报警提示。

图4为积液测量过程示意图。测量时，超声探头2布置在被测管道1的外壁8上。首先将超声探头置于管线最底部，以逆时针方向从管外壁底部沿着管周向管顶部移动；或首先将超声探头2置于被测管道1外壁最顶部，以顺针方向从管外壁底部沿着管周向管底部测量。超声探头2在沿管外壁8缓慢移动过程中，在管内壁9所产生的反射回波信号，由信号线4传递到积液监测计算机5，通过积液监测计算机5时时显示界面回波信号特征。若在移动过程中观察到反射回波特征发生了突变，此时将超声探头位置向与前期相反的方向微调，直至准确找到回波发生突变点。此时探头2所在位置处即对应管内气液界面10。通过周向角度尺3记录超声探头2此时的周向角度α。

确定气液界面位置后，积液高度的计算方法参见图5。被测金属管内径为d，气液界面10处对应的周向角为α，根据几何关系可以确定出管内积液高度(气液界面距离管内壁底部距离)h：

$h=\frac{d}{2}(1-\cos \mathrm{\α}).$

Claims (5)

1.一种天然气管道积液测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在待测管道外壁布置一个同时具有发送和接受超声信号功能的超声探头，将超声波探头置于被测管线外壁最底部或最顶部；

(2)采集由超声探头发射的超声波在管内介质和管内壁接触处所反射的回波信号；

(3)采用积液监测计算机对采集的回波信号进行特征识别，根据其波形特征判断当前超声探头所在位置处与管道内壁接触的是气体还是液体；

(4)在管外壁沿周向方向移动超声探头4的测量位置，直至观察到反射回波特征发生突变，此时将超声探头位置向与前期相反的方向微调，直至准确找到回波发生突变点；

(5)记录当前超声探头周向角度；

(6)根据周向角度和被测管道内径，计算积液高度。

2.一种天然气管道积液测量装置，其特征在于：包括超声探头，周向角度尺，积液监测计算机，周向角度尺布置在被测管道外壁上，超声探头在移动测量过程中紧贴角度尺外缘，且保持与管壁垂直，管内壁处反射的回波信号由信号线传递到积液监测计算机上显示。

3.根据权利要求1或2所述的超声探头，其特征在于：探头超声耦合在管道外壁，测量过程可在管道外壁沿周向方向顺时针或逆时针移动。

4.根据权利要求2所述的周向角度尺，其特征在于：周向角度尺呈圆筒状布置在被测管道外壁，其刻度均匀分布，被测管线最底部对应的周向角度为0°，最顶部对应的周向角度为180°。

5.根据权利要求2所述的积液监测计算机，其特征在于：回波特征发生突变时，进行报警提示。

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