外置軸向式分層注水超聲流量計(jì)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

季公明，李 翔，杜曉霞，郭宏峰，趙廣淵，楊樹(shù)坤，李嘯峰，姚漢秋

(1.中海油田服務(wù)股份有限公司，天津 300459；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

當(dāng)前，油田井下注水技術(shù)主要向精細(xì)分層注水和自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)控方向發(fā)展，分層注水量的精確測(cè)量是實(shí)現(xiàn)精細(xì)分層注水和自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)控的必要條件[1]。目前用于井下注水流量測(cè)量的流量計(jì)主要有渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、節(jié)流差壓式流量計(jì)、電磁式流量計(jì)和超聲波流量計(jì)等。對(duì)于渦輪流量計(jì)[2]，其工作時(shí)渦輪高速轉(zhuǎn)動(dòng)，軸承易于磨損，雜質(zhì)容易卡，不能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作；對(duì)于渦街流量計(jì)[3]，當(dāng)流量較小時(shí)，無(wú)法在阻力部件形成穩(wěn)定的旋渦而無(wú)法進(jìn)行測(cè)量；對(duì)于差壓流量計(jì)[4]，其量程比較小(3∶1～4∶1)，流量變化大時(shí)無(wú)法保證小流量時(shí)的測(cè)量精度，甚至無(wú)法測(cè)量；對(duì)于電磁流量計(jì)[5]，長(zhǎng)期在高溫環(huán)境中使用時(shí)，襯里材料和電氣絕緣材料的性能不能保證，探頭直接與流體接觸，極容易受油污污染，測(cè)高壓流體時(shí)密封問(wèn)題難以解決；對(duì)于傳統(tǒng)的內(nèi)置式超聲流量計(jì)[6]，超聲波換能器需與被測(cè)流體直接接觸，在高壓流體測(cè)量中容易發(fā)生換能器疲勞現(xiàn)象且密封問(wèn)題難以解決，特別是傳統(tǒng)的“Z”、“V”或“W”型在小管徑、小流量測(cè)量時(shí)，由于有效聲程短而測(cè)量誤差大。

針對(duì)目前井下流量計(jì)存在的量程比小、壓損大、小管徑小流量無(wú)法測(cè)量或測(cè)量精度低、探頭易受污染、長(zhǎng)期高溫高壓穩(wěn)定性差等特點(diǎn)，筆者提出了一種新型高精度的外置軸向式超聲流量測(cè)量方法及裝置，實(shí)現(xiàn)了分層注水井的單層注入小流量的精確測(cè)量，并通過(guò)導(dǎo)流管內(nèi)阻力件下非理想流場(chǎng)修正模型、聲速溫度補(bǔ)償模型進(jìn)一步提高了其測(cè)量精度。

1 流量測(cè)量原理

配水器機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 配水器結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1中可以看出，流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)柱塞前后移動(dòng)位置控制水嘴開(kāi)度大小并調(diào)節(jié)導(dǎo)流管內(nèi)注水流量[8]。配水器中導(dǎo)流管內(nèi)部直徑為30 mm，油田井下注水壓力通常為30～60 MPa，單層注入流量為0～250 m3/d。

傳統(tǒng)超聲波流量計(jì)常采用“Z”型、“V”型、“W”型內(nèi)置安裝方式進(jìn)行流量測(cè)量[9]。由于內(nèi)置安裝，導(dǎo)流管內(nèi)流體壓力較高(30～60 MPa)， 長(zhǎng)期高壓會(huì)使換能器產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象而影響其工作特性，且換能器與導(dǎo)流管之間高壓密封也是難題；在導(dǎo)流管直徑小、流量小的情況下，采用傳統(tǒng)的換能器安裝方式進(jìn)行流量測(cè)量，超聲波傳播路徑較短、時(shí)差小，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差較大[10]。

為解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型的外置軸向式超聲波流量計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)注水流量的精確測(cè)量，如圖2所示。由于超聲探頭采用外置式，避免了高壓密封、受油污影響問(wèn)題，探頭不受流體壓力，不易疲勞，提高了長(zhǎng)期高溫高壓工作的穩(wěn)定性；由于軸向安裝，大大地增加了有效聲程，提高了測(cè)量準(zhǔn)確度(特別是小管徑、小流量)；由于聲音傳播方向與界面垂直，相對(duì)“V”型、“W”型、“Z”型(這些界面與聲波傳播方向有一定夾角)界面信號(hào)衰減?。焕眉?lì)信號(hào)放大模塊有效提高了發(fā)射、接收信號(hào)能量。

圖2 外置軸向式超聲波流量計(jì)

依據(jù)探頭安裝方式通過(guò)理論推導(dǎo)出導(dǎo)流管內(nèi)注水流量計(jì)算式為：

(1)

其中：Q為體積瞬時(shí)流量，m3/d；Q0為未流速分布修正的體積瞬時(shí)流量，m3/d；C為實(shí)際溫度壓力下水的聲速，m/s；L為有效聲程，m；A為管道截面面積，m2；k為流速分布校正系數(shù)。

由于管道材料/結(jié)構(gòu)、超聲探頭的材料/結(jié)構(gòu)的差異，靜水中初始飛行時(shí)間差Δt0≠0 ，故在流量計(jì)算時(shí)需要減去初始飛行時(shí)間差Δt0：

(2)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

基于時(shí)差法測(cè)量原理，選用具有超低功耗模式的MSP430f2619單片機(jī)與高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP22設(shè)計(jì)了一款新型高精度外置式軸向超聲流量計(jì)，其系統(tǒng)總體框圖如圖3所示，該系統(tǒng)具有功耗低、測(cè)量精度高、耐高溫、耐高壓、占用空間小等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)總體框圖

圖4 流量、溫度測(cè)量程序流程圖

由圖3中可以看出，激勵(lì)信號(hào)激勵(lì)上游超聲波換能器產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并在導(dǎo)流管內(nèi)沿著水流方向順流，下游超聲波換能器接收信號(hào)。然后反過(guò)來(lái)，下游、上游超聲波換能器分別發(fā)送、接收超聲信號(hào)，由高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP22測(cè)量出順、逆流方向上超聲波傳播時(shí)間[7]。單片機(jī)讀取超聲波傳播時(shí)間值并計(jì)算出超聲波在順、逆流傳播中時(shí)間差。傳播時(shí)間差經(jīng)濾波算法、溫度補(bǔ)償、流場(chǎng)修正后精確計(jì)算出流量值，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)保存與傳輸。

由式(2)可知，流量測(cè)量精度與超聲波傳播時(shí)間差測(cè)量精度、超聲波在水中傳播速度及導(dǎo)流管內(nèi)流場(chǎng)分布有關(guān)。流量、溫度測(cè)量程序流程如圖4所示。超聲波在水中傳播速度受溫度影響，不同溫度下超聲波在水中的傳播速度值見(jiàn)文獻(xiàn)[13]，在流量計(jì)算時(shí)需要根據(jù)不同溫度下速度值進(jìn)行溫度修正。在導(dǎo)流管內(nèi)，由于換能器底座的存在致使導(dǎo)流管內(nèi)流場(chǎng)偏離理想均勻分布的情況，無(wú)法通過(guò)理論計(jì)算得到流場(chǎng)修正系數(shù)[14]，因此，借助CFD仿真及理論分析得到管道內(nèi)非理想流場(chǎng)對(duì)測(cè)量精度的影響，從而確立流場(chǎng)修正模型，通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證與修正。

3 軸向流量計(jì)流場(chǎng)仿真與分析

為了提高超聲流量計(jì)對(duì)非理想流場(chǎng)的適應(yīng)性，通過(guò)FLUENT仿真得到流速分布與壓力分布，從而通過(guò)流場(chǎng)分析建立非理想流場(chǎng)修正模型，以此來(lái)提高流量修正系數(shù)的精確度。流量測(cè)量范圍為10～300 m3/d，選取RNGk-ε湍流模型。

入口流速為100 m3/d時(shí)，YZ截面上Y方向的速度云圖如圖5所示。由圖5中可以看出，在換能器底座兩端月牙通道上流速較大，藍(lán)色區(qū)域流速幾乎為零。原因是此處受換能器底座阻礙的作用使流體產(chǎn)生了渦流，隨著換能器底座距離的增大，流場(chǎng)逐漸趨于平穩(wěn)。

圖5 豎直安裝導(dǎo)流管速度云圖分布

為求出流場(chǎng)補(bǔ)償系數(shù)K，在流場(chǎng)區(qū)域管道空間內(nèi)均勻選取360個(gè)流速觀(guān)測(cè)點(diǎn)，在超聲波中軸線(xiàn)傳播路徑上選取40個(gè)流速觀(guān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行軸向速度觀(guān)測(cè)記錄。從理論分析可知，中軸線(xiàn)上流量點(diǎn)軸向速度平均值與整個(gè)管道空間內(nèi)流量點(diǎn)軸向速度的平均值的比值K近似等于所要求的流場(chǎng)補(bǔ)償系數(shù)。

在入口流速為100 m3/d時(shí)，距離入口超聲探頭后端面的不同軸向位置截面的軸向(Y)速度分布云圖如圖6所示。其速度分布為對(duì)稱(chēng)分布，因此對(duì)一半流量點(diǎn)的軸向速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理就可得到流場(chǎng)修正系數(shù)。

圖6 不同軸向位置軸向速度分布云圖

在整個(gè)流量測(cè)量范圍內(nèi)選取10個(gè)不同流量點(diǎn)進(jìn)行CFD仿真分析，不同入口流速下全部流速觀(guān)測(cè)點(diǎn)平均值、中軸線(xiàn)上流速觀(guān)測(cè)點(diǎn)平均值及其比值k如表1所示。在不同流量下，采用不同的流場(chǎng)修正系數(shù)對(duì)流量進(jìn)行修正。

表1 流場(chǎng)補(bǔ)償系數(shù)值表

不同流量下的壓損如表2所示。

表2 不同流量下的壓損

由表2中可以看出，由于探頭在流體中的節(jié)流作用增大了壓力損失，在300 m3/d時(shí)的壓力損失為230 kPa，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用要求。當(dāng)流量>300 m3/d時(shí)，由于探頭的后面易產(chǎn)生旋渦，阻礙超聲波在軸線(xiàn)方向上的傳播，導(dǎo)致無(wú)法測(cè)量。

4 流量計(jì)的溫度補(bǔ)償

由式(2)可知，流量計(jì)算的準(zhǔn)確性受超聲波在水中傳播速度C的影響。超聲波在液體中的傳播速度受液體本身溫度的影響，流量測(cè)量過(guò)程中流體溫度變化范圍為20～125 ℃，超聲波在水中傳播速度變化范圍為1 482～1 555 m/s，溫度與聲速的關(guān)系如圖7所示。需要根據(jù)測(cè)得的溫度對(duì)超聲波在水中傳播速度的影響進(jìn)行溫度補(bǔ)償?？梢酝ㄟ^(guò)數(shù)據(jù)擬合關(guān)系得到的溫度-速度關(guān)系進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)償。為了提高流量測(cè)量精度，采用查表線(xiàn)性插值法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

TDC-GP22芯片的溫度測(cè)量單元提供高精度和低功耗的溫度測(cè)量功能[16]，通過(guò)PT1000熱電阻與1K參考電阻對(duì)同一電容放電時(shí)間測(cè)量間接進(jìn)行溫度測(cè)量。將不同溫度下超聲波在水中傳播速度值以一維數(shù)組的形式固化在程序中，由安裝于管壁的薄膜鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量流體溫度，單片機(jī)讀取TDC-GP22溫度測(cè)量值后，經(jīng)查表法得出不同溫度下超聲波在水中傳播速度C，代入流量計(jì)算式(2)中，以消除流體不同溫度時(shí)對(duì)流量測(cè)量結(jié)果的影響。

圖7 溫度與聲速的關(guān)系

5 流量測(cè)量電路設(shè)計(jì)

5.1 TDC-GP22測(cè)量電路

利用高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP22進(jìn)行超聲傳播時(shí)間差和溫度測(cè)量，其時(shí)間測(cè)量分辨率高達(dá)22ps，工作環(huán)境溫度高達(dá)125℃，能夠滿(mǎn)足油田井下流量測(cè)量技術(shù)指標(biāo)要求。為消除溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，在電路設(shè)計(jì)中，信號(hào)接收端電路及溫度測(cè)量電路中使用COG類(lèi)型電容來(lái)獲得高的溫度穩(wěn)定性[16]。其電路原理圖如圖8所示。

圖8 TDC-GP22測(cè)量電路原理

5.2 激勵(lì)信號(hào)放大電路

TDC-GP22能夠產(chǎn)生幅值為3.3 V、頻率為1 MHz的激勵(lì)信號(hào)。由于2個(gè)超聲波晶片外置安裝，且安裝距離為200 mm，因?yàn)?.3 V激勵(lì)信號(hào)幅值較小不足以被另一個(gè)換能器接收，故需對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大[17]。根據(jù)仿真及實(shí)驗(yàn)確定將激勵(lì)信號(hào)幅值放大到30 V。激勵(lì)信號(hào)放大電路如圖9所示。

圖9 激勵(lì)信號(hào)放大電路

5.3 接收信號(hào)放大濾波電路

在實(shí)際測(cè)量中，TDC-GP22芯片信號(hào)接收端接收到信號(hào)幅值越大、雜波信號(hào)越少越有利于飛行時(shí)間的精確測(cè)量[17]。為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了中心頻率為1 MHz的帶通濾波放大電路，同時(shí)將接收信號(hào)進(jìn)行約5倍的放大，如圖10所示。

圖10 接收信號(hào)放大濾波電路

為防止放大后的激勵(lì)信號(hào)對(duì)TDC-GP22接收端產(chǎn)生損壞，電路中采用MD0100和BV99T芯片構(gòu)成低壓導(dǎo)通高壓截止電路[18]。當(dāng)電壓范圍超過(guò)-2～+2 V時(shí)MD0100關(guān)閉，其反應(yīng)時(shí)間為20 ns，這樣既可以防止高壓信號(hào)對(duì)芯片的損壞，同時(shí)又能保證接收信號(hào)回到信號(hào)接收端。由于ADA4896芯片內(nèi)部2個(gè)運(yùn)算放大器不完全對(duì)稱(chēng)，放大濾波后的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生電壓偏置現(xiàn)象，故在輸出端加入一高通電路消除電壓偏置現(xiàn)象。

6 流量測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序使用C語(yǔ)言在IAR FOR MSP430編譯軟件中進(jìn)行編寫(xiě)，程序流程如圖11所示。首先系統(tǒng)進(jìn)行上電復(fù)位；然后MSP430單片機(jī)完成對(duì)TDC-GP22芯片初始化與寄存器配置；接著TDC-GP22芯片完成溫度測(cè)量和順逆流情況下超聲波飛行時(shí)間測(cè)量；最后，單片機(jī)讀取TDC-GP22芯片測(cè)得的溫度、超聲波傳播時(shí)間并求出飛行時(shí)間差，通過(guò)數(shù)字濾波、溫度補(bǔ)償、流場(chǎng)修正得到精確的流量測(cè)量值。

圖11 測(cè)量過(guò)程軟件流程

7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

在國(guó)家石油天然氣大流量計(jì)量站進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。根據(jù)《JJG643—2003標(biāo)準(zhǔn)表法流量標(biāo)準(zhǔn)裝置計(jì)量檢定規(guī)程》以及JJG1030—2007超聲流量計(jì)檢定規(guī)程的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行檢定[19]。選用7個(gè)流量點(diǎn)進(jìn)行檢定，每個(gè)流量點(diǎn)測(cè)試6次取平均值。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 流量測(cè)試數(shù)據(jù)表

綜合分析超聲波流量計(jì)在線(xiàn)檢定實(shí)驗(yàn)可知，設(shè)計(jì)的油田井下外置式軸向超聲波流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)高溫、高壓環(huán)境中對(duì)油田井下注水流量測(cè)量，其在非理想流場(chǎng)下的測(cè)量引用誤差小于1.23%。故該超聲波流量計(jì)能夠滿(mǎn)足油田井下流量測(cè)量3%的技術(shù)指標(biāo)要求。

8 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)油田井下注水流量傳統(tǒng)測(cè)量方法存在的各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種高精度外置式軸向超聲波流量計(jì)，基于時(shí)差法測(cè)量原理，采用軸向結(jié)構(gòu)增加了聲程；采用高精度時(shí)間測(cè)量芯片TDC-GP22提高了時(shí)間測(cè)量精度；通過(guò)溫度補(bǔ)償模型、流場(chǎng)修正模型進(jìn)一步提高了其測(cè)量精度。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，其各項(xiàng)性能指標(biāo)滿(mǎn)足油田井下流量測(cè)量技術(shù)指標(biāo)要求，為油田井下實(shí)現(xiàn)精細(xì)分層注水和自動(dòng)監(jiān)測(cè)調(diào)控提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。