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智能旋進(jìn)旋渦流量計(jì)測量天然氣分析

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產(chǎn)品簡介

在油田伴生天然氣或干氣流量計(jì)量中，如果計(jì) 量工藝在計(jì)量天然氣瞬時(shí)流量較小或流量波動幅度較大的情況下，即選擇傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)測量就會違背或不符合石油天然氣SY/ T61432004 標(biāo)準(zhǔn)。例如：標(biāo)準(zhǔn)中要求管道內(nèi)的流量應(yīng)該不隨時(shí)間變化或?qū)嶋H上只隨時(shí)間有微小的變化，對于采用法蘭取壓的孔板流量計(jì)又要求ReD 1 2602 D（Re 為雷諾數(shù)；為管道上孔板流量計(jì)的直徑比；D 為管道內(nèi)徑）。一旦不符......

詳細(xì)介紹

在油田伴生天然氣或干氣流量計(jì)量中，如果計(jì) 量工藝在計(jì)量天然氣瞬時(shí)流量較小或流量波動幅度較大的情況下，即選擇傳統(tǒng)的孔板流量計(jì)測量就會違背或不符合石油天然氣SY/ T6143—2004 標(biāo)準(zhǔn)。例如：標(biāo)準(zhǔn)中要求“管道內(nèi)的流量應(yīng)該不隨時(shí)間變化或?qū)嶋H上只隨時(shí)間有微小的變化”，對于采用法蘭取壓的孔板流量計(jì)又要求“ReD ≥ 1 260β2 D”（Re 為雷諾數(shù)； β 為管道上孔板流量計(jì)的直徑比；D 為管道內(nèi)徑）。
一旦不符合這些條件，孔板流量計(jì)測量準(zhǔn)確性就會受到很大影響[1]。
智能型旋進(jìn)旋渦流量計(jì) （以下簡稱流量計(jì)）是被廣泛運(yùn)用在油田計(jì)量天然氣工藝過程中的速度式流量檢測儀表，尤其是當(dāng)工藝管徑小于或等于DN150 mm 時(shí)。流量計(jì)采用微功耗和*的微機(jī)技術(shù)，憑借結(jié)構(gòu)緊湊、功能強(qiáng)以及和成套孔板裝置比成本更加低廉等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛適用于天然氣、水、石油等多類介質(zhì)的流量檢測，并實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力和壓縮系數(shù)等動態(tài)參數(shù)的在線自動補(bǔ)償。據(jù)此補(bǔ)償獲得了在離線檢定過程中壓力、溫度擬合動態(tài)參數(shù)變化的檢定方法，經(jīng)檢索此方法用于油田計(jì)量天然氣離線檢定中。本文著重對流量計(jì)在現(xiàn)場應(yīng)用、離線檢定和校驗(yàn)等要素進(jìn)行簡要分析，并提出改進(jìn)建議和建立相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 工作原理
流量計(jì)中流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線，在入口側(cè)安放一組螺旋型導(dǎo)流葉片。當(dāng)流體進(jìn)入流量傳感器時(shí)，導(dǎo)流葉片迫使流體產(chǎn)生劇烈的旋渦流；當(dāng)流體進(jìn)入擴(kuò)散段時(shí)，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉(zhuǎn)，形成陀螺式的渦流進(jìn)動現(xiàn)象。該進(jìn)動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質(zhì)和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉(zhuǎn)進(jìn)動頻率就能在較寬的流量范圍內(nèi)獲得良好的線性度。信號經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形轉(zhuǎn)換為與流速成正比的脈沖信號，然后再與溫度、壓力等檢測信號一起被送往微處理器進(jìn)行積算處理，在液晶顯示屏上顯示出測量結(jié)果(瞬時(shí)流量、累積流量及溫度、壓力數(shù)據(jù))。流量計(jì)由溫度和壓力檢測模擬通道、流量傳感器通道以及微處理器單元組成，并配有外輸出信號接口，輸出各種信號[2]。
當(dāng)被計(jì)量介質(zhì)沿著流動的流體進(jìn)入流量傳感器
入口時(shí)，螺旋形葉片強(qiáng)迫流體進(jìn)入旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，于是在旋渦發(fā)生體中心產(chǎn)生旋渦流，旋渦流在文丘利管中旋進(jìn)，到達(dá)收縮段突然節(jié)流使旋渦流加速。當(dāng)旋渦流進(jìn)入擴(kuò)散段后，因回流作用強(qiáng)迫進(jìn)行旋進(jìn)式二次旋轉(zhuǎn)，此時(shí)旋渦流的旋轉(zhuǎn)頻率與介質(zhì)流速成正比，并為線性。兩個壓電傳感器檢測的微弱電荷信號，同時(shí)經(jīng)前置放大器放大、濾波、整形后變成兩路頻率與流速成正比的脈沖信號，積算儀中的處理電路對兩路的脈沖信號進(jìn)行比較與判別，剔除干擾信號，而對正常的流量信號進(jìn)行計(jì)數(shù)處理。其工作原理如圖1 所示。
1.2 組成結(jié)構(gòu)
流量計(jì)由殼體、旋渦發(fā)生體、除旋整流器、旋渦檢測組件、壓力接口、信號輸出接口、溫度接口

圖1 智能型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理

等組成（圖2）。
圖2 智能型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)原理結(jié)構(gòu)
1.3 特點(diǎn)
1）測量流量范圍較寬，可有效工作在孔板流量計(jì)無法準(zhǔn)確計(jì)量的小流量區(qū)域。
2）在工藝安裝中，較孔板流量計(jì)可大大縮短儀表上、下游直管段。
3）流量信號既可就地顯示，也可按需遠(yuǎn)傳。
4）體積小、重量輕，便于離線標(biāo)定。
5）無可動部件，對于一般的測量不存在儀表的機(jī)械磨損。

度影響較大，為了能準(zhǔn)確計(jì)量氣體介質(zhì)的體積流量，對于油田生產(chǎn)中氣體的計(jì)量，必須同時(shí)跟蹤被測量介質(zhì)的壓力和溫度，并將不同工況下的氣體流量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（P=101.325 kPa，T=293.15 K）下的體積流量。流量計(jì)雖然實(shí)現(xiàn)了溫度、壓力和壓縮系數(shù)等動態(tài)參數(shù)的在線自動補(bǔ)償，但在流量計(jì)檢定過程中于對流量誤差進(jìn)行標(biāo)定，而沒有對其壓力和溫度檢測及其補(bǔ)償模塊進(jìn)行動態(tài)變化擬和檢定與校驗(yàn)。
表1 流量計(jì)檢定誤差對比
誤差/%

型號	編號	2015 年	2016 年	2017 年
LUY-BIIS-150	0242	0.97	0.86	1.02
LUX-100	0197	0.83	0.98	0.84
LUY-BIIS-150	0723	0.54	0.86	0.82
LUY-BIIS-200	1121	0.61	0.70	0.69
TDS-100	7136	0.61	0.65	0.72

其流量數(shù)學(xué)模型為
(Pa + P )Tn Zn

2 旋進(jìn)旋渦流量計(jì)現(xiàn)場應(yīng)用與檢驗(yàn)

2.1 現(xiàn)場應(yīng)用
油田的各類站、庫天然氣計(jì)量大面積應(yīng)用智能型流量計(jì)，以大慶油田部分使用的流量計(jì)為例，并抽樣對幾年來檢定誤差進(jìn)行對比（表1）。
通過對流量計(jì)的現(xiàn)場使用、跟蹤抽樣以及標(biāo)校表明，流量計(jì)投用 3 年，誤差均在規(guī)定誤差范圍內(nèi)；流量計(jì)的重復(fù)性較好，使用性能穩(wěn)定。
2.2 離線檢定校驗(yàn)
當(dāng)被測量介質(zhì)為氣體時(shí)，因其密度受壓力、溫
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式中：Qn——標(biāo)況下的體積流量，m3/h；
Pa——當(dāng)?shù)卮髿鈮毫?，kPa；
Pn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力（101.325 kPa）； Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度（293.15 K）； T——被測流體的溫度，K；
Zn——氣體在標(biāo)況下的壓縮系數(shù)； Z——氣體在工況下的壓縮系數(shù)； P——流量計(jì)取壓孔測量的表壓，kPa； Qv——工況下的體積流量，m3/h。
通過對流量計(jì)統(tǒng)計(jì)應(yīng)用分析證實(shí)，由于受現(xiàn)場工況條件影響，流量計(jì)在使用過程中表內(nèi)的溫度、壓力檢測模塊會出現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)漂移。而通常情況下
對于流量誤差的檢定，無法對溫度、壓力檢測模塊的數(shù)據(jù)漂移進(jìn)行校準(zhǔn)，因此應(yīng)對流量計(jì)的壓力、溫度模塊進(jìn)行校準(zhǔn)，從而減小由于壓力、溫度準(zhǔn)確度影響所導(dǎo)致的氣體流量計(jì)量誤差，降低計(jì)量氣量的損失[3]。

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果評價(jià)

氣體計(jì)量儀表壓力標(biāo)定器設(shè)計(jì)和使用，已大慶油田氣體流量計(jì)離線檢定、校驗(yàn) 量值傳遞中壓力補(bǔ)償檢定的空白；同時(shí)，配套應(yīng)用高精度GDW-800 型高低溫試驗(yàn)裝置對溫度補(bǔ)償檢測與檢定[4]，從而減小系統(tǒng)測量過程中由于壓力和溫度波動帶來的壓力、溫度參數(shù)誤差和系統(tǒng)誤差，以及由此而產(chǎn)生的計(jì)量效益損失[5]。
1）根據(jù)氣體流量計(jì)數(shù)學(xué)模型對比初步評估計(jì) 算，假設(shè)其他參數(shù)不變的情況下，理論壓力誤差漂移千分之三（即0.3%），那么流量誤差將在0.9% 左右。以某廠年度外輸天然氣總量4.3×108 m3/a 為例進(jìn)行簡易理論計(jì)算，可減少誤差氣量3.87×106 m3 /a，
即每年可減少潛在的天然氣計(jì)量損失387×104 m3 /a。按目前油田濕氣價(jià)格夏季（210 天）為 0.3 元/m3，冬季（150 天）為 0.9 元/m3 計(jì)算，年創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益可達(dá)212.9 萬元
2）根據(jù)氣體流量計(jì)數(shù)學(xué)模型對比初步評估計(jì)算，假設(shè)其它參數(shù)不變的情況下，理論溫度誤差漂移千分之一（即 0.1%），那么流量誤差將在 0.05% 左右。溫度誤差影響產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益如上所述[6]。

4 存在問題、注意事項(xiàng)及數(shù)字化改進(jìn)建議

4.1 存在問題
1）根據(jù)計(jì)量現(xiàn)場的生產(chǎn)變化情況，通過設(shè)置截止頻率自行調(diào)整流量計(jì)的始動流量。但是，如果截止頻率設(shè)定太低，流量計(jì)的敏感程度相應(yīng)提高，外界的一些微弱振動或雜散信號就有可能導(dǎo)致流量計(jì)在沒有被測介質(zhì)通過的情況下開始動作，造成流量的多計(jì)現(xiàn)象；如果截止頻率設(shè)置太高，流量計(jì)的始動流量相應(yīng)增大，可能造成流量的漏記現(xiàn)象。
2）對噪聲或震動等干擾信號較為敏感。如果在流量計(jì)測量上游有明顯的噪聲、擾動（由流向改變或節(jié)流引起的嘯叫或機(jī)械震動）或在靠近流量計(jì)的附近有較強(qiáng)的磁場，那么流量計(jì)的運(yùn)行將受到一定程度的影響。
3）沒有測量參數(shù)的歷史記錄。由于流量測量是工藝控制、成本考核等的重要依據(jù)，有時(shí)就要對不同歷史時(shí)期的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，需要調(diào)用溫度、瞬時(shí)（累積）流量、壓力的歷史記錄；所以，如果不采取人工定期錄取，就無法獲得所需資料。
4.2 注意事項(xiàng)
1）室內(nèi)外安裝時(shí)，流量計(jì)應(yīng)有以防積液、日曬、雨水浸透和寒區(qū)保溫及區(qū)域差別等措施，安裝流量計(jì)前應(yīng)清理管道內(nèi)各種雜物，從而保證流量計(jì)使用壽命。
2）流量計(jì)安裝周圍不能有強(qiáng)烈的機(jī)械振動或強(qiáng)的外磁場干擾，應(yīng)遠(yuǎn)離流態(tài)干擾元件（彎頭、匯管、調(diào)壓閥、壓縮機(jī)、大小頭等），保持流量計(jì)內(nèi)壁光滑平直及前后直管段同心，保證被測介質(zhì)為潔凈的單相流體等。
3）應(yīng)定期對流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)校，以保證流量計(jì)長期工作的準(zhǔn)確性、可靠性（避免意外停運(yùn)和數(shù)據(jù)丟失）。
4）對于同規(guī)格的流量計(jì)，其旋渦導(dǎo)流體、發(fā)生體等核心組件不能互換，因清理表內(nèi)各種雜物后檢定不合格，或更換傳感器等器件后都必須對其溫度及壓力補(bǔ)償傳感器進(jìn)行系統(tǒng)校正并重新標(biāo)定儀表計(jì)量系數(shù)。
5）流量計(jì)應(yīng)可靠接地，但不能與強(qiáng)電系統(tǒng)共地以及傳輸信號屏蔽，投運(yùn)時(shí)應(yīng)緩慢開/關(guān)儀表閥防止瞬間氣流沖擊而損壞流量計(jì)。
4.3 改進(jìn)建議
1）建議流量計(jì)在出廠時(shí)完善對壓力、溫度補(bǔ)償模塊的功能，增設(shè)壓力、溫度補(bǔ)償模塊動態(tài)檢測、測量輸出端口。
2）建議智能表頭增設(shè)外接數(shù)據(jù)檢測口、RS-
485 通訊口等，可直接對流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)調(diào)校，并具有自診斷功能和遠(yuǎn)端地址查詢，以及適應(yīng)數(shù)字化油田對流量計(jì)的特殊功能要求。

5 結(jié)束語

在對流量計(jì)進(jìn)行定期離線標(biāo)定與校驗(yàn)時(shí)，對流體壓力和溫度參數(shù)變化所引起的測量誤差進(jìn)行判定；在貿(mào)易或交接計(jì)量時(shí)，可減少上述原因引起的誤差所導(dǎo)致的效益損失和量差糾紛，使其更具有實(shí)用性、合規(guī)性并符合企業(yè)間利益。

律，井液對儀器產(chǎn)生大小相等的向下推力，從而幫助儀器下行，達(dá)到加速投撈的目的，提高投撈效率和成功率。

根據(jù)物體浮沉條件，革新前采用增加密度加重的方式（300 mm 加重桿增重15 kg），依靠一定的投撈距離幫助投撈器下行[3]，不僅增大了操作難度和安全隱患，而且投撈效率比較低[4]；革新后采用反沖原理，幫助儀器通過配水器工作筒時(shí)加速下行，屬于新結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)，操作更加方便可靠（圖2）。

圖2 革新前（左）與革新后投撈器結(jié)構(gòu)對比
2 現(xiàn)場應(yīng)用
目前該投撈助推器已在測試隊(duì)?wèi)?yīng)用 25 井次，現(xiàn)場操作強(qiáng)度明顯減小，投撈動作靈活可靠，觀測助推增量可達(dá)到0.3~0.4 m/s，應(yīng)用效果良好。
經(jīng)濟(jì)效益：提高投撈成功率，避免異?？ㄗ鳂I(yè)，年減少作業(yè)8 井次，降低作業(yè)費(fèi)用25 萬元；提
高測試效率，一次測試單井減少起下2 次，可節(jié)約
時(shí)間1 h，年可縮減人工油料等費(fèi)用6 萬元；避免人
員操作受傷，按工傷 20 000 元/人計(jì)算，可省卻費(fèi)
用4 萬元。總計(jì)年可創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益30 萬元。
社會效益：采用新結(jié)構(gòu)新設(shè)計(jì)，利用反沖原理，縮短投撈加速距離，實(shí)現(xiàn)投撈器加速下行，減小操作強(qiáng)度；提高測試成功率和測試效率，有效克服原有依靠配重帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

3 結(jié)論

偏心注水井投撈堵塞器通常采用連接加重桿方式克服下行阻力，方式單一，操作笨重，而且在搬運(yùn)及拆裝過程中存在一定的安全隱患[5]。投撈助推器利用井液反沖產(chǎn)生下推力，可以在配水器工作筒的合理位置主動釋放，提供初始動力，將助推過程從被動變?yōu)橹鲃樱哂休^好的加速效果；不僅可以大幅提高工作效率，而且該裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，維修方便，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：流量計(jì) 孔板流量計(jì) 處理器電感器整流器

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