管道输送原油密度在线测量方法分析

李冬梅 1 贾云苹 2 贾林 3

1. 哈尔滨海关技术中心大庆漠河石油检测实验室 技术中心 黑龙江省大兴安岭地区漠河市 165399 2. 国家管网北方管道大庆输油气分公司 运销科 黑龙江省大庆市 163000 3. 国家管网北方管道大庆输油气分公司 加林达计量站 黑龙江省大庆市

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摘要：随着世界经济的不断发展，石油化工行业得到了较好的发展机会，在工业化发展历程中发挥了重要的作用。而对于油气生产与运输工作来说，原油产品的密度将直接影响原油的品质以及数量检测的精准度，因此技术人员应当通过不同的方式实现管道输送原油密度的精准测量，这样才能够保障原油开采与运输工作的正常开展，避免出现资源浪费的现象，提高石油企业的经济效益。对此，本文利用超声波构建了原油产品密度在线检测系统，与其他在线测量方法相比，该方式能够消除原油管壁以及声楔对密度测量的影响，进一步提高了测量的精度。另外超声传感器的夹装式结构还能够满足不同管径输送管道的测量，具有较好的适应性特征，值得在实践工作中推广应用。

关键词：管道输送；原油密度；密度测量；在线测量；测量方法

引言部分

石油产品的密度将影响石油半成品以及成品的数量，同时还会对石油产品的品质造成一定影响，因此技术人员应不断优化石油产品密度测量技术，提高计量管理水平，推动石油化工行业的持续性发展。对于管道石油密度测量工作，人们一般可以使用静态测量与动态测量两种方式，其中静态测量指的是通过对石油样品的分析与测量得到相应的密度参数，在实验室就可以进行，测量方式比较简单，操作成本较低，具有较高的测量精度，但其无法反映密度的动态变化情况，且会在测量过程中受到人为因素的影响，难以满足当前油品密度测量的要求。因此技术人员逐渐开始重视动态测量，也就是本文所分析的在线测量方式。超声波具有传播方面的优势，技术人员可以利用其传播性质构建其与液体密度之间的相互关系，进而得到液体的动态密度测量结果，以下对超声波在线密度测量进行细致的分析。

1. 管道输送原油密度在线测量的优势

与传统的静态密度测量方式相比，在线测量技术能够有效提高和保障测量的精度。传统测量方式受到人工以及测量取样的限制，只能够开展8小时每班次测量工作，而在线密度测量技术则能够实现实时密度数据的测算与获取，对以上两种方式获取的密度数据进行对比可知，在线测量方式的数据精度更高。另外，在线密度测量系统还能够及时感应油品中存在的密度超限、含水超限等特殊情况并及时发出警报和提醒。除此之外，技术人员还可以利用远程监测软件实时查询油品密度测量数据信息，实现远程管理。其次，在线测量技术的适用性更高，能够被应用于多种油品密度的测量。在测量高粘度原油密度的时候，技术人员应适当提高液体温度，降低其粘度，获取更加准确的密度数据。而对于中质油和轻质油，在线测量技术能够随时保持较为精准的测量水平^[1]。

2. 管道输送原油密度在线测量的理论依据以及设备需求

1. 传播速度测算

本文提出的在线测量技术原理就是超声波在不同密度介质中体现出的不同传播速度，进而采取一定手段获取超声波的传播速度数据就能够测算出液体介质的密度。本测量系统中使用了3个超声换能器，并以V型模式进行安装，整体结构如图1.

图1 安装结构示意图

经过对结构图的分析可知，系统的换能器A、B被安装在管道同侧，其中的A是超声波发射探头，B则是接收探头，换能器C作为接收探头被安装与另一侧。在具体的测量过程中，首先由A发出超声波，之后被换能器C接收，再反射之后再被换能器B接收，经过测算能够得到以下超声波在液体介质中的传播速度：

2. 液体内部声速与密度的关系

根据液体性质可知，其自身没有剪切弹性只有体积弹性，因此液体内部只能够传播纵波，根据线性声学条件下液体内部声速传播公式，我们很容易就能够根据液体的绝热压缩系数以及超声波在液体介质中的传播速度计算得到液体的密度：

3. 影响因素分析

经过总结分析可知，温度将对声速造成影响，尤其是对于液体介质来说，温度每改变1℃就会引发声速0.2%的变化。对于管道原油密度的测量工作来说，技术人员时常需要在40℃以上的温度范围开展在线测量工作，此时温度的急剧变化也会导致声速的变化，最终影响油品密度的测量精度，出现较大的误差。除了温度之外，原油的绝热压缩系数也会受到环境温度以及运输压力的影响，具体来说，绝热压缩系数将与环境温度成正比变化，与压力正反比变化。因此，技术人员在开展在线密度测量时还应关注影响声速的各种因素，根据实际温度与压力进行补偿，提高测量数据的精度^[2]。

3. 在线测量系统结构设计

1. 硬件系统结构设计

本在线测量系统结构包括单片机模块、FPGA模块以及超声波发射接收模块，整体结构图如图2所示。

图2 系统结构图

本测量系统使用MSP430单片机实施控制管理、数据处理等功能，并驱动超声换能器发出超声波信号，利用FPGA模块实现计数，并进行数据处理与误差补偿等流程。

2. FPGA模块设计

FPGA是在线测量系统中非常核心的功能模块，其内含40k Hz方波发生器、计数器控制电路以及16位标准频率计数器。FPG模块中的方波发生器在获取单片机控制信号之后就会发出超声波信号，同时计数器开始计数，直到超声波信号被接收，计数器将受到控制电路信号的指令停止计数，并向单片机发出结束信号，允许单片机读取相应的计数值。与传统的超声波单片机软件控制方式相比， FPGA系统的构建能够提高控制精度，减少传播时间测量误差。

经过上文分析可知，40kHz方波发生器位于FPGA模块中，利用FPGA高频晶振产生方波。这样的形式能够实现方波的系统直接计数，进而保持计数的同步性，消除计数误差。一旦测量系统单片机发出允许测量控制信号，方波发生器就能够同时发出40k Hz的方波驱动超声波^[3]。

16位标准频率计数器的应用能够有效提升系统的测量精度。在实际的测量工作中，系统需要两次计数才能够完成测量，因此模块中配备了两个计数器设备。当系统单片机发出测量指令之后首先由方波发生器发出方波，此时系统计数器将开始计数，直到系统接收换能器接收到超声波信号之后即停止计数。

3. 超声波发射与接收设计

根据系统测量要求，本测量方式中超声波发射的输出驱动电路使用12V电压进行系统供电，同时利用CD4049提供相差180°的±12V驱动信号，具体结构如图3所示。考虑到FPGA工作于3.3V，因此选用了双极性晶体管MMBT4049作为两者之间的转换器^[4]。

图3 超声波发射电路图

结束语：

综上所示，运输管道的管壁和声楔都会对超声波的传播时间造成一定的影响，导致测量的误差，因此本文中的在线密度测量系统中使用了3个超声换能器，能够消除以上两个因素的影响，进一步提升测量结果的精准度。系统中FPGA模块的使用在超声波测量中的灵敏度能够达到1 X10^-9s，充分满足油品密度实时测量的要求。

参考文献：

[1]樊文娟,曹钜昊,姬忠文. 含水原油对管道内部腐蚀速率影响研究进展[J]. 内蒙古石油化工,2020,46(09):15-17+28.

[2]焦圣博. 原油密度在线测量研究[D].中国石油大学(北京),2020.

[3]徐彬. 提高原油密度测量准确度[J]. 化工设计通讯,2019,45(01):41-42.

[4]韩海外. 原油交接双方密度测定误差的原因分析[J]. 石化技术,2019,26(01):2-4.