孔板流量計(jì)在長北氣田的應(yīng)用

綦寶朋

中油遼河工程有限公司

長北氣田的井叢控制系統(tǒng)分為井口部分、匯管部分、注甲醇和注緩蝕劑部分、預(yù)留部分以及分散控制系統(tǒng)DCS 組成。井口部分使用大小孔板流量計(jì)，井叢運(yùn)行前期流量較小，采用小孔板用于檢測(cè)流量，待生產(chǎn)穩(wěn)定之后，天然氣流量增大，運(yùn)用大孔板用于檢測(cè)流量。

進(jìn)入了21 世紀(jì)，測(cè)控技術(shù)隨著自動(dòng)化技術(shù)以及機(jī)電一體化的潮流而日益發(fā)展。一般的機(jī)電一體化系統(tǒng)是由傳感系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等部件組成的。測(cè)量技術(shù)是機(jī)電一體化重要的的組成部分。

工程概況

長北氣田開發(fā)項(xiàng)目叢式井和匯管工程井叢是中國石油與英國殼牌石油公司合作開發(fā)的，位于陜西省榆林市。從油田的現(xiàn)狀來看，機(jī)電一體化技術(shù)還沒有達(dá)到廣泛應(yīng)用的地步。油田的自動(dòng)化程度越來越高，測(cè)控技術(shù)已經(jīng)在油田建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

長北氣田井叢工藝原理如圖1 所示。

長北氣田一個(gè)井叢一般包括3 口單井。每單井采出的天然氣經(jīng)過注甲醇和緩蝕劑的處理后，再將處理過的天然氣進(jìn)行節(jié)流調(diào)壓匯入井叢匯管外輸至中央處理廠（CPF）。一般而言，一個(gè)大的中央處理廠（CPF）能接收30～40個(gè)井叢的外輸天然氣，能接收大概100 多口井的外輸天然氣。每口單井采氣樹設(shè)置壓力參數(shù)檢測(cè)設(shè)備，一旦井下的壓力過高或者壓力變化過于迅速，井下的壓力變送器將壓力信號(hào)及時(shí)的將井底和井口的壓力參數(shù)上傳至井叢控制室內(nèi)的分散控制系統(tǒng)DCS 上。分散控制系統(tǒng)DCS 將會(huì)發(fā)出命令根據(jù)壓力的升高情況和變化速率，決定關(guān)閉井底安全閥，還是井口安全閥，或者同時(shí)關(guān)閉井底和井口安全閥確保采氣樹的安全，保證安全生產(chǎn)。井下的壓力變送器就像觀察井下情況的眼睛和耳朵，時(shí)時(shí)檢測(cè)井下壓力參數(shù)的變化情況，輸送出4～20mA 的電流信號(hào)，一旦達(dá)到危險(xiǎn)地極限，及時(shí)通知井叢的大腦-分散控制系統(tǒng)DCS，由分散控制系統(tǒng)DCS，做出判斷，并且依據(jù)所做出的判斷，來下達(dá)相應(yīng)的指令。

圖1 長北氣田井叢工藝原理圖

流量計(jì)比選

每單井井口流量檢測(cè)并遠(yuǎn)傳，高、低流量報(bào)警信號(hào)傳入分散控制系統(tǒng)DCS 中，如果流量過低聯(lián)鎖控制節(jié)流閥，適當(dāng)?shù)目刂乒?jié)流閥的開度，保持流量的穩(wěn)定性。

各類流量儀表都有自己的特點(diǎn)。選型的目的就是為了在眾多的產(chǎn)品中選出最適合工況條件的儀表。要想選擇最佳的儀表，必須從儀表本身和被測(cè)對(duì)象兩方面考慮。首先當(dāng)然要確認(rèn)儀表安裝的必要性，工程實(shí)際中是否真的需要安裝流量儀表。確定了必要性之后，如果只希望知道流體在管道中是否流動(dòng)和大體流量值，采用價(jià)格低廉的流量指示器即可。其次，了解流體的特性和參數(shù)，初選流量測(cè)量的方法和儀表。除了一些非常明顯不合適的儀表類型之外，余下幾種方案進(jìn)行下一步深入的比較。分析主要從五個(gè)方面進(jìn)行的，即儀表的性能，流體特性方面，安裝條件方面，環(huán)境條件方面和經(jīng)濟(jì)因素等。

氣體流量計(jì)的種類非常多，但是常用的有以孔板為代表的節(jié)流裝置，渦街，金屬管浮子，旋進(jìn)旋渦和氣體渦輪流量計(jì)。由于以上幾種流量計(jì)的原理不同，所以它們所測(cè)量的流量下限要求不同，精度不同，價(jià)格也不相同。

孔板流量計(jì)測(cè)量氣體時(shí)壓力損失大，對(duì)流量下限有一定要求，它適用于測(cè)量精度要求不高，介質(zhì)流量正常的場(chǎng)所。

渦街流量計(jì)對(duì)氣體介質(zhì)流量下限有一定要求，如果流量正常它的測(cè)量精度完全可以滿足。

金屬管浮子流量計(jì)對(duì)壓力有一定要求，壓力過小，浮子將無法工作，它可以用于測(cè)量流量較小的介質(zhì)，但由于的它的管徑最大只能做DN150，所以它不能測(cè)量大口徑管道氣體流量。

旋進(jìn)旋渦流量計(jì)主要用于天然氣的測(cè)量，主要優(yōu)點(diǎn)是沒有機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不易腐蝕、可靠度高、穩(wěn)定性好，長期工作無須維護(hù)。但是旋進(jìn)漩渦流量計(jì)測(cè)量含水、含油、含沙的天然氣較為困難，并且測(cè)量的高流量的天然氣顯得力不從心。

氣體渦輪流量計(jì)也是主要用于天然氣介質(zhì)測(cè)量是一種速度式儀表，對(duì)安裝有直管段要求。測(cè)量精度比較準(zhǔn)確，但是氣體渦輪流量計(jì)里面有可疑快速轉(zhuǎn)動(dòng)的氣體渦輪，所以使用時(shí)間長之后，氣體渦輪容易磨損，造成計(jì)量不準(zhǔn)確。如果天然氣介質(zhì)內(nèi)含有較多的雜質(zhì)，容易損壞氣體渦輪。

孔板，渦街可以用于各種口徑管道氣體介質(zhì)測(cè)量，只是對(duì)流量下限有一定要求，金屬管浮子流量計(jì)可用于DN150 以下管道介質(zhì)測(cè)量。

綜合以上的考慮以及長北的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況。從長北氣田井口出來的天然氣，比較容易含水、含油、含氣。雜質(zhì)成分比較復(fù)雜。并且投產(chǎn)初期天然氣產(chǎn)量比較小，隨著逐步的開發(fā)和生產(chǎn)穩(wěn)定，天然氣的產(chǎn)量逐漸達(dá)到峰值，之后隨著生產(chǎn)的進(jìn)一步深入，井口天然氣產(chǎn)量逐漸進(jìn)入衰竭期。也就是說天然氣產(chǎn)量要經(jīng)歷低-高-低的過程。對(duì)于流量計(jì)的算則就非常困難。因?yàn)槊糠N流量計(jì)都有自己的固定量程。如果用測(cè)量低流量的流量計(jì)，那么天然氣產(chǎn)量達(dá)到峰值的時(shí)候，低流量流量計(jì)將無法測(cè)量天然氣產(chǎn)量。如果用測(cè)量高流量的流量計(jì)，那么天然氣產(chǎn)量比較小的時(shí)候，高流量流量計(jì)將計(jì)量不準(zhǔn)確或者根本無法計(jì)量天然氣產(chǎn)量。

孔板流量計(jì)

針對(duì)工程實(shí)際情況，長北氣田井叢天然氣流量測(cè)量使用了帶兩塊孔板，可以在線更換的的孔板流量計(jì)。小孔板主要針對(duì)生產(chǎn)前期和后期，天然氣流量比較小的情況。而大孔板主要針對(duì)天然氣生產(chǎn)達(dá)到峰值，天然氣流量非常大的情況。根據(jù)孔板口徑計(jì)算公式：

Q v=CεA/sqr（2ΔP/（1-β4）/ρ1）

其中：C——流出系數(shù)；

E——可膨脹系數(shù)；

A——節(jié)流件開孔截面積，m2；

ΔP——節(jié)流裝置輸出的差壓，Pa；

β——直徑比；

ρ1——被測(cè)流體在I-I 處的密度，kg/m3；

Qv——體積流量，m3/h。

標(biāo)準(zhǔn)孔板的流出系數(shù)C 由里德-哈利斯、加拉赫（Reader-Harris/ Gallagher）公式確定。在保持管徑不變的情況下，只需要改變孔板的開孔尺寸，就可以改變測(cè)量范圍。這樣就極大的提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。并且巧妙的躲開了孔板流量計(jì)量程比只有3：1，測(cè)量范圍窄的問題。雖然孔板流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求比較高，需要比較長的的直管段，但是長北氣田井叢的廠區(qū)非常大，能夠提供比較長的直接管段。這個(gè)問題可以解決?？装宓臋z測(cè)件與差壓顯示儀表之間的引壓管線是比較薄弱的環(huán)節(jié)，比較容易產(chǎn)生泄露、凍堵、凍結(jié)及信號(hào)失真等故障。選擇質(zhì)量可靠的引壓管和電纜，并且要求現(xiàn)場(chǎng)施工的工人按照國家的標(biāo)準(zhǔn)安裝方式安裝，避免今后運(yùn)行中的隱患。

結(jié)語

孔板流量計(jì)的許多優(yōu)點(diǎn)在長北氣田的井叢可以得以充分的展示。易于復(fù)制，簡(jiǎn)單，牢固，性能穩(wěn)定可靠，價(jià)格低廉，使用期限長，標(biāo)準(zhǔn)型的檢測(cè)件為全世界通用，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織和國際計(jì)量組織均認(rèn)可的產(chǎn)品。而且孔板無須個(gè)別校準(zhǔn)，維護(hù)成本很低，對(duì)于介質(zhì)的潔凈程度要求不是很高。這都非常符合現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需要。大小兩塊孔板可以實(shí)現(xiàn)在線更換，降低了操作難度，降低了維護(hù)成本?？蓳Q孔板的流量計(jì)的使用，提高了計(jì)量精度，降低了投資成本。始終可以使孔板流量計(jì)保持高效、穩(wěn)定、低成本的運(yùn)行狀態(tài)。