智能型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)在油田節(jié)能應(yīng)用分析

楊有為 高尚 李勇 許哲 任慈（大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠）

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)該不隨時間變化或?qū)嶋H上只隨時間有微小的變化”，對于采用法蘭取壓的孔板流量計(jì)又要求“ReD ≥1 260β2D”（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。流量計(jì)采用微功耗高新技術(shù)和先進(jìn)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)檢索此方法首次用于油田計(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 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，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，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，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、溫度接口等組成（圖2）。

圖1 智能型旋進(jìn)旋渦流量計(jì)工作原理

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。

6）實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化，日常的計(jì)量不需要人工值守。

2 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，因其密度受壓力、溫度影響較大，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=101.325kPa，T=293.15K）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)檢定過程中僅限于對流量誤差進(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

其流量數(shù)學(xué)模型為

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（101.325kPa）；

Tn——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對溫度（293.15 K）；

T——被測流體的絕對溫度，K；

Zn——?dú)怏w在標(biāo)況下的壓縮系數(shù)；

Z——?dú)怏w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

YBDQ 型氣體計(jì)量儀表壓力標(biāo)定器設(shè)計(jì)和使用，已填補(bǔ)了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，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4.3×108m3/a 為例進(jìn)行簡易理論計(jì)算，可減少誤差氣量3.87×106m3/a，即每年可減少潛在的天然氣計(jì)量損失387×104m3/a。按目前油田濕氣價格夏季（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)，有時就要對不同歷史時期的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，需要調(diào)用溫度、瞬時（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，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，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，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。