LTLZK流量計(jì)的精度影響因素探討以及改進(jìn)

何 娟，李成紅，吳文瑞，許聲瑞，王成龍，陳興波

（1.中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006；2.西南石油大學(xué)，四川成都 610500；3.中國(guó)石油大學(xué)（北京），北京 102200）

LTLZK流量計(jì)廣泛運(yùn)用于油田的計(jì)量環(huán)節(jié)，是采油外輸和注水計(jì)量的重要工具。目前，在采油三廠的注水計(jì)量環(huán)節(jié)中，大量使用該型流量計(jì)，因此該型流量計(jì)的精度對(duì)油田的管理非常重要。LTLZK型流量計(jì)的信號(hào)主要由體現(xiàn)渦街頻率的有用信號(hào)、電磁干擾信號(hào)、流場(chǎng)干擾信號(hào)、管道震動(dòng)干擾信號(hào)組成，而目前國(guó)內(nèi)的許多學(xué)者的研究[1，2]均是集中在后三種因素的研究，而該型流量計(jì)是利用卡門渦街和電磁感應(yīng)原理而實(shí)現(xiàn)計(jì)量，管道中的流動(dòng)形態(tài)是影響該型流量計(jì)精度的重要因素。利用CFD仿真技術(shù)，從流體力學(xué)的角度研究該型流量計(jì)的精度問題是本文的主要方向。

1 LTLZK流量計(jì)在紅井子作業(yè)區(qū)的運(yùn)用情況

該型流量計(jì)在長(zhǎng)慶油田采油三廠大量運(yùn)用，以紅井子作業(yè)區(qū)為例，其主要用于注水流程，擔(dān)負(fù)對(duì)注水量的計(jì)量。以下將從該型流量計(jì)的使用數(shù)量、存在的問題等方面進(jìn)行研究。

1.1 該型流量計(jì)的使用情況

紅井子作業(yè)區(qū)目前共有水井189口，實(shí)開152口，日配注量3 609 m3，實(shí)際注水量3 184 m3，其中注水站4座（王一計(jì)量站、姬四聯(lián)、姬九聯(lián)和姬二十注水站）和注水撬8臺(tái)，擔(dān)負(fù)全作業(yè)區(qū)的注水任務(wù)（見表1）。

從表1可以看出，LTLZK型流量計(jì)在紅井子作業(yè)區(qū)的運(yùn)用率達(dá)到89%，在作業(yè)區(qū)的注水計(jì)量方面發(fā)揮了重要的作用。

1.2 該型流量計(jì)在維護(hù)中面臨的問題

在日常的維護(hù)中，該型流量計(jì)主要的問題是水表瞬時(shí)流量為0、液晶面板不顯示、執(zhí)行器故障導(dǎo)致流量不能實(shí)現(xiàn)自控、電路故障等，通過更換表芯、放大板等配件，加強(qiáng)與廠家的溝通交流，形成一套完整的維護(hù)方法，使流量計(jì)始終保持在一個(gè)相對(duì)較好運(yùn)行狀態(tài)。

計(jì)量的精準(zhǔn)度始終是任何計(jì)量設(shè)備均面臨的重要問題。如何降低計(jì)量中存在的誤差率，使注水的計(jì)量保持在一個(gè)較小的誤差范圍內(nèi)，對(duì)于油田注水和油藏管理至關(guān)重要，為此作業(yè)區(qū)建立了注水標(biāo)定流程。

標(biāo)定表在標(biāo)定之前必須保證標(biāo)定表的型號(hào)、結(jié)構(gòu)和精度與被標(biāo)定的流量計(jì)完全一致。選用上述流程，對(duì)坊98-106配水間的三口注水井進(jìn)行標(biāo)定，具體結(jié)果（見表2）。

從標(biāo)定結(jié)果來看，該型流量計(jì)存在不同程度的誤差，因此有必要對(duì)產(chǎn)生誤差的主要因素進(jìn)行分析。

2 LTLZK流量計(jì)的計(jì)量原理

2.1 LTLZK測(cè)量原理

LTLZK流量計(jì)是根據(jù)卡門渦街原理和法拉第電磁感應(yīng)原理工作的，當(dāng)導(dǎo)電流體通過信號(hào)發(fā)生體，含有強(qiáng)磁力線管道時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)電磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)的頻率和流量成函數(shù)關(guān)系，將脈動(dòng)電動(dòng)勢(shì)檢出進(jìn)行處理，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)量。微弱的電磁信號(hào)經(jīng)檢出放大器前置放大器放大后送至顯示單元。顯示單元中的單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)測(cè)量出的脈沖數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，并顯示出瞬時(shí)流量和累計(jì)總量。

2.2 LTLZK儀表系數(shù)

大量的實(shí)驗(yàn)表明，在二維流動(dòng)狀態(tài)下（來流單相、定常，信號(hào)發(fā)生體具有規(guī)定的截面，且可視為無限長(zhǎng)）當(dāng)滿足渦街穩(wěn)定的條件時(shí)，渦街的單側(cè)旋渦脫落頻率（簡(jiǎn)稱渦街頻率）f與阻流體兩側(cè)的平均流速ν1之間有如下關(guān)系

表1 紅井子作業(yè)區(qū)注水流量計(jì)的基本情況

表2 坊98-106配水間的標(biāo)定誤差情況

式中：St－斯特羅哈數(shù)；d－信號(hào)發(fā)生體流面的最大寬度，m。

從上式中可以看出，儀表系數(shù)可以直接確定，因此只要準(zhǔn)確測(cè)定漩渦發(fā)生體的頻率，便可測(cè)定管道內(nèi)的流量。

3 數(shù)學(xué)模型和數(shù)值分析

通過對(duì)該型流量計(jì)的誤差分析，對(duì)影響其計(jì)量精度的因素的研究是有必要的。借助流體力學(xué)的分析及仿真模擬軟件FLUENT，建立結(jié)合實(shí)際的模型，利用GAMBIT對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界層的定義，導(dǎo)入FLUNET進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，以說明相關(guān)因素的影響[3，4]。

3.1 控制方程

對(duì)于不可壓縮粘性流體，在直角坐標(biāo)系下，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律受N-S方程控制，連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

3.2 k～ε模型

本文采用k～ε模型數(shù)值模擬三棱柱在管道中水動(dòng)力特性問題，其中的k為湍動(dòng)能方程，ε為湍動(dòng)耗散率，標(biāo)準(zhǔn)的k～ε模型的運(yùn)輸方程為：

式中：GK是由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Gb是由于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；YM為可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響；β為熱膨脹系數(shù)；Mt為湍動(dòng)馬赫數(shù)；a為聲速。

3.3 計(jì)算模型的建立、處理和分析

模型的建立忽略次要因素，依據(jù)穩(wěn)流配水裝置的結(jié)構(gòu)和尺寸，建立二維平面模型，模型三棱柱為正三角形，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界層劃分，將劃分好的模型導(dǎo)入fluent軟件中，假設(shè)流動(dòng)介質(zhì)為清水，且不含其他的氣體或雜質(zhì)。清水流動(dòng)的初始速度為0.01 m/s，根據(jù)Q=υ·A計(jì)算得到瞬時(shí)排量為0.018 m3/h，符合LTLZK流量計(jì)的排量要求。根據(jù)雷諾數(shù)計(jì)算雷諾數(shù)為250＜2 000，屬于層流運(yùn)動(dòng)，該模型采用Laminar模型計(jì)算。經(jīng)過相關(guān)步驟的定義，得到如下結(jié)果（見圖1）。

從模型的速度矢量、渦流圖形和速度等值線圖可以看出，經(jīng)過三棱柱后的形成卡門渦街。通過棱柱后方的感應(yīng)電極探測(cè)渦流脫落的頻率，由放大板和表芯將該信號(hào)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)化為流量信號(hào)，通過與設(shè)定排量進(jìn)行比較，自動(dòng)調(diào)整控制閥的開度，從而達(dá)到穩(wěn)流配水的目的。因此，從研究卡門渦街的角度可以間接探討影響LTLZK流量計(jì)精度的因素。

4 LTLZK流量計(jì)的影響因素探討

結(jié)合注水流量計(jì)維護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)問題和相關(guān)資料[1]，在已建立的模型的基礎(chǔ)之上，分析該型流量計(jì)的精度的影響因素。

4.1 注水的排量

根據(jù)伯努利方程，不同的速度下的穩(wěn)流配水裝置中流動(dòng)狀態(tài)分布情況，來反映排量的大小對(duì)該型流量計(jì)的影響情況。

假設(shè)流體為單相流—清水，在不同的進(jìn)口速度下雷諾數(shù)的大小而采取的解算模型（見表3）。

按照不同解算方法代入基礎(chǔ)模型進(jìn)行解算，得到如下結(jié)果：

在速度較低，流態(tài)為層流時(shí)，三棱柱截面附近出現(xiàn)多個(gè)渦流，造成渦流的脫落頻率增加，使電動(dòng)勢(shì)增加，從而使計(jì)量排量增加。

當(dāng)速度逐漸增大，流態(tài)為紊流，三棱柱截面附近出現(xiàn)兩個(gè)渦流。根據(jù)卡門渦街在雷諾數(shù)Re在3×105～3×106之間時(shí)有規(guī)則的渦街不會(huì)出現(xiàn)，隨著速度增大，渦街出現(xiàn)的程度逐漸減弱，從速度1 m/s到100 m/s，渦街的程度減弱，則頻率降低，電動(dòng)勢(shì)降低，造成排量偏低。

因此，LTLZK流量計(jì)的排量必須控制在渦街穩(wěn)定的范圍，該型流量計(jì)在0.5 m3/h～5 m3/h之間是合理的。

4.2 閥體的開度

閥體是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流配水的關(guān)鍵部分，其實(shí)質(zhì)是通過兩個(gè)節(jié)流的作用從而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)的。下面在基礎(chǔ)模型之下研究閥體的開度對(duì)流量計(jì)精度的影響。

假設(shè)流體為清水，速度為0.1 m/s，流態(tài)為紊流，管徑節(jié)流直徑分別為14 mm和8 mm，其余的條件均不變，建立幾何模型，并對(duì)其進(jìn)行處理分析得到。

隨著管徑的減小，渦街變得不穩(wěn)定，且在節(jié)流的前端出現(xiàn)渦流，這兩者均使感應(yīng)電極出現(xiàn)誤差，且測(cè)得的實(shí)際排量會(huì)變小。因此保持閥體的閉合度在一定的范圍，不宜大幅度的變化。

利用流量計(jì)標(biāo)定裝置，以坊98-106為研究對(duì)象，在相同條件下，改變執(zhí)行器的閉合開度，標(biāo)定一定的時(shí)間，以探討閉合開度與該型流量計(jì)的計(jì)量誤差的關(guān)系。

從標(biāo)定的實(shí)際情況可以看出隨著開度的增大，誤差率降低，符合模擬的情況，因此閉合開度不宜過小，以免使流量計(jì)的誤差增加。

4.3 三棱柱的幾何尺寸磨損

隨著注水開發(fā)時(shí)間不斷增長(zhǎng)，在持續(xù)的升力和阻力作用下，對(duì)該型流量計(jì)的三棱柱會(huì)出現(xiàn)不同程度的磨損，造成計(jì)量精度降低。

假定流體介質(zhì)仍為清水，進(jìn)口速度為0.1 m/s，流態(tài)仍為紊流，改變基礎(chǔ)模型，對(duì)其進(jìn)行處理（見圖2）。

從圖2可以看出，卡門渦街由原來的兩個(gè)變成一個(gè)，且穩(wěn)定性降低，磨損后的三棱柱的電動(dòng)勢(shì)必定要降低，轉(zhuǎn)化成電信號(hào)后的排量則偏低，因此磨損后的三棱柱應(yīng)該盡快處理，否則造成計(jì)量誤差增大。

4.4 注水水質(zhì)

注水水質(zhì)不僅對(duì)管道、儀器等造成腐蝕和結(jié)垢，而且對(duì)該型流量計(jì)的計(jì)量精度造成影響。紅井子作業(yè)區(qū)姬四聯(lián)所轄注水井均為污水，污水中未處理的原油經(jīng)常堵塞在管壁、三棱柱、過濾器等處，造成該型流量計(jì)不走數(shù)等情況，影響注水的計(jì)量和管理。

表3 不同速度下的解算模型

表4 坊98-106的LTLZK流量計(jì)在不同的閉合開度下的誤差表

污水的相關(guān)設(shè)定物性參數(shù)（見表5）。

表5 污水兩相流的組成成分設(shè)定物性參數(shù)

假定污水的速度在0.01～100 m/s變化，流態(tài)同表3；流動(dòng)介質(zhì)分為兩相流動(dòng)（污水和殘余油），設(shè)定殘余油的含量為0.1%，在基礎(chǔ)模型之上，采用兩相流模型，對(duì)模型進(jìn)行解算，得到如下結(jié)果。

當(dāng)速度分別為0.01 m/s和0.1 m/s時(shí)，不能形成卡門渦街，相比于清水，出現(xiàn)穩(wěn)定的卡門渦街較晚。隨著速度逐漸增大，卡門渦街的穩(wěn)定性先增強(qiáng)，再減弱，該型流量計(jì)的計(jì)量精度受水質(zhì)的影響。按照一般注水排量25 m3/d計(jì)算得到速度為0.59 m/s，此時(shí)該型流量計(jì)的計(jì)量值偏小。

同時(shí)選取三棱柱為研究對(duì)象，對(duì)其三個(gè)面的壓力系數(shù)在不同的進(jìn)口速度下進(jìn)行驗(yàn)算，得出隨著進(jìn)口速度的增大，三棱柱的表明受到的壓力均是先增加后減小，與清水相比，加之污水中的礦物質(zhì)、污油等的腐蝕作用，加速了三棱柱的磨損，使計(jì)量的精度降低。

從三棱柱在清水和污水的兩種不同的介質(zhì)中的壓力系數(shù)的比較中可以發(fā)現(xiàn)，三棱柱的表面受到的是阻力，該速度受流體的排量的影響，且污水的壓力系數(shù)的值變化大于清水，同時(shí)也說明LTLZK在污水的適應(yīng)性較差。

選取清水和污水模型的進(jìn)口速度為0.01 m/s，比較整個(gè)模型的速度截面變化情況，可以看出，對(duì)于清水，除去三棱柱段，其余速度變化均勻；而污水模型則存在明顯的分層，兩相之間存在滑移速度，導(dǎo)致污油沉積在管壁，甚至堵塞過濾器，導(dǎo)致注水效果變差，同時(shí)導(dǎo)致卡門渦街的脫落頻率不穩(wěn)，降低計(jì)量精度。

綜上所述，注水水質(zhì)對(duì)該型流量計(jì)的計(jì)量精度的影響較大，因此在注水的上游聯(lián)合站要提高污水的處理水平，降低機(jī)雜和污油的含量，降低注水的難度，提高該型流量計(jì)的適應(yīng)性。

4.5 其他方面

除了流體本身引起的計(jì)量誤差外，電磁干擾、放大板等均有可能導(dǎo)致計(jì)量誤差：（1）LTLZK型流量計(jì)的勵(lì)磁方式是采用永久磁鐵，提供一個(gè)恒定的均勻磁場(chǎng)，當(dāng)卡門渦街穩(wěn)定時(shí)，在感應(yīng)電極產(chǎn)生穩(wěn)定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（直流），使被測(cè)電解質(zhì)電解，而在電極上發(fā)生極化現(xiàn)象，使被測(cè)的電解質(zhì)的電動(dòng)勢(shì)削弱，降低計(jì)量精度；（2）放大板失靈或故障，引起信號(hào)不能被成功轉(zhuǎn)化成流量，或者是導(dǎo)致注水井瞬時(shí)排量跳動(dòng)。

5 LTLZK型流量計(jì)的改進(jìn)探討

在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況中，LTLZK型流量計(jì)的三棱柱和感應(yīng)電極易出現(xiàn)磨損、腐蝕，而且不易更換，不僅給注水的計(jì)量精度造成影響，而且?guī)砭S護(hù)上的麻煩，因此有必要對(duì)該型流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

5.1 采用圓柱體作為信號(hào)發(fā)生體

作為圓柱體作為信號(hào)發(fā)生體同樣適合油田的注水排量（一般不會(huì)超過5 m3/h），且不會(huì)占據(jù)太大的空間，同時(shí)抗磨損的能力比三棱柱較好。

5.2 對(duì)信號(hào)發(fā)生體和感應(yīng)電極的改進(jìn)

由于注水環(huán)境的不同，容易導(dǎo)致三棱柱和感應(yīng)電極磨損、腐蝕和結(jié)垢，加之水處理效果不佳，雜物堵塞在三棱柱處，嚴(yán)重影響計(jì)量精度。同時(shí)在實(shí)際維護(hù)中發(fā)現(xiàn)，有一定數(shù)量的LTLZK型流量計(jì)的三棱柱的磨損程度嚴(yán)重，甚至感應(yīng)電極無法承受注水壓力，被折斷，導(dǎo)致信號(hào)無法被正常傳輸，無法實(shí)現(xiàn)計(jì)量，遇此情況只有更換整套設(shè)備，維護(hù)工作量較大。

考慮上述情況和經(jīng)濟(jì)因素，對(duì)該型流量計(jì)的信號(hào)發(fā)生體和感應(yīng)電極做出更換為插入式，經(jīng)過改裝后的信號(hào)發(fā)生體和感應(yīng)電極便于定期清理和更換，降低該型流量計(jì)的誤差，節(jié)約成本，降低維護(hù)難度。

6 結(jié)論及建議

（1）LTLZK流量計(jì)是根據(jù)卡門渦街的脫落頻率而實(shí)現(xiàn)計(jì)量的，該型流量計(jì)承擔(dān)紅井子作業(yè)區(qū)大部分注水計(jì)量任務(wù)。

（2）注水介質(zhì)為清水時(shí)，隨著注水排量的逐漸增大，卡門渦街的形成先增強(qiáng)，后逐漸減弱，當(dāng)雷諾數(shù)大于3×105時(shí)，卡門渦街不穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)計(jì)量，此過程存在計(jì)量誤差。

（3）結(jié)合坊98-106的單井標(biāo)定情況，隨著控制閥門開度逐漸增加，計(jì)量誤差逐漸降低，當(dāng)開度較低時(shí)，注水閥的前端會(huì)出現(xiàn)渦流，增強(qiáng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使誤差偏大。

（4）由于通過三棱柱存在持續(xù)的升力和阻力作用，使三棱柱發(fā)生嚴(yán)重磨損，發(fā)生幾何形狀變形，使卡門渦街的數(shù)目降低，從而削弱感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，增加計(jì)量誤差。

（5）水質(zhì)對(duì)該型流量計(jì)存在重要影響，模擬發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口速度為0.1m/s以下時(shí)，將不會(huì)形成卡門渦街，使實(shí)際的計(jì)量偏低，同時(shí)不合格的污水會(huì)造成管線腐蝕、堵塞，加劇三棱柱和感應(yīng)電極的磨損，嚴(yán)重影響計(jì)量，因此要加強(qiáng)污水的處理。

（6）定期清理感應(yīng)電極和過濾器，及時(shí)更換相關(guān)配件，保證計(jì)量精度，加強(qiáng)注水流量計(jì)的標(biāo)定工作。

（7）通過對(duì)信號(hào)發(fā)生體和感應(yīng)電極進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效降低維護(hù)難度，提高計(jì)量精度。

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