張成軍

(大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠,黑龍江大慶 163513)

螺旋流量計(jì)高含水測(cè)量應(yīng)用分析與探討

張成軍

(大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠,黑龍江大慶 163513)

目前中轉(zhuǎn)站用來計(jì)量液體的大都是容積式(腰輪、刮板等)流量計(jì)。容積式流量計(jì)應(yīng)用雖然比較成熟,但在油田開采的中后期,隨著中轉(zhuǎn)站外輸液介質(zhì)成分及流量變化以及變頻技術(shù)的應(yīng)用,容積式流量計(jì)應(yīng)用已出現(xiàn)量程小、磨損快、維修難度大、維護(hù)費(fèi)用高等不適應(yīng)性;如何從根本上解決這些問題,需要從計(jì)量原理上改變——采用螺旋式流量計(jì)。螺旋式流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、量程比寬、易維護(hù),經(jīng)濟(jì)性、節(jié)能性都很好。通過現(xiàn)場(chǎng)精度實(shí)測(cè),計(jì)量穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)核算,得出螺旋式流量計(jì)可以滿足中轉(zhuǎn)站液量計(jì)量要求的結(jié)論。

流量計(jì);容積式;螺旋式;評(píng)價(jià)

0 引 言

某油田自20世紀(jì)60年代至今,中轉(zhuǎn)站原油主要采用容積式流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,運(yùn)行可靠、準(zhǔn)確的計(jì)量效果一直被認(rèn)可,但在油田開采的中后期,隨著中轉(zhuǎn)站外輸液介質(zhì)成分及流量變化(高含水、含聚、含砂、大流量)以及變頻技術(shù)的應(yīng)用,容積式流量計(jì)應(yīng)用上的許多缺點(diǎn)越來越明顯,如外輸液高含水、含砂使介質(zhì)潤(rùn)滑度變差,加快容積式流量計(jì)的磨損;外輸液含聚使黏度增大,經(jīng)常造成過濾網(wǎng)的堵塞;外輸液流量的增大和變頻器的應(yīng)用加大了流量計(jì)量程比的要求(容積式流量計(jì)的量程比窄);另外容積式流量計(jì)體積大、質(zhì)量大、機(jī)械部件多也造成了維護(hù)難度大、維修費(fèi)用高。如何更好地解決容積式流量計(jì)的不足,需要從計(jì)量方式上改變。

1 容積式流量計(jì)計(jì)量原理及結(jié)構(gòu)

容積式流量計(jì)的測(cè)量方法為當(dāng)被測(cè)液體流經(jīng)流量計(jì)時(shí),流體的流動(dòng)壓力使進(jìn)出口間形成一個(gè)壓差,在此壓力的作用下推動(dòng)腰輪旋轉(zhuǎn),隨著腰輪的轉(zhuǎn)動(dòng),液體經(jīng)由計(jì)量室被不斷排出流量計(jì),由于每轉(zhuǎn)一圈排出的液體體積是恒定的,即排出量正比于轉(zhuǎn)數(shù),通過腰輪密封軸、調(diào)整機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)的次數(shù)減速后傳遞到總量顯示器,計(jì)算出體積流量。其結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1所示。

圖1 容積式流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理

2 容積式流量計(jì)應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 現(xiàn) 狀

目前,該礦12座中轉(zhuǎn)站中使用了14臺(tái)容積式流量計(jì),口徑主要為φ250 mm和φ200 mm。其計(jì)量精度不受流體狀態(tài)的影響,流量計(jì)前后不需要直管段,無論測(cè)量高黏度或低黏度液體,均可在較大范圍內(nèi)保證高精度、高耐用性及高精確度,因而應(yīng)用多年,已形成一套較為成熟的管理維護(hù)機(jī)制,如“在線修復(fù)”、“QC方法降維修費(fèi)用”等,為生產(chǎn)控制、生產(chǎn)決策提供了有效的支持。

2.2 突出問題

2.2.1 故障率高且維修難度大

2009年初至今,該礦小修42臺(tái)次,大修10臺(tái)次,平均每年每臺(tái)維修近4次。因其體積龐大,每次大修,起碼要上一個(gè)維修班,倒鏈?zhǔn)潜貍涔ぞ?難度稍大,就得用吊車。工期最短也需兩天。若有配件需到外單位加工,則需延長(zhǎng)工期,增加維修費(fèi)用。

2.2.2 維護(hù)費(fèi)用高且量程相對(duì)變小

該礦每年約需23萬元才能維持中轉(zhuǎn)站的正常計(jì)量。而且各中轉(zhuǎn)站用的都是大口徑的容積式流量計(jì),其中,15號(hào)、3號(hào)、20號(hào)中轉(zhuǎn)站容積式流量計(jì)已經(jīng)出現(xiàn)量程小的問題,具體表現(xiàn)為齒輪箱易損壞,噪聲大。

2.2.3 計(jì)量精度降低

2009年檢定的容積式流量計(jì)中,131號(hào)、136號(hào)檢前誤差已達(dá)4%,磨損嚴(yán)重。如何從根本上解決這些問題?決定采用螺旋式流量計(jì),但螺旋式流量計(jì)的精度與穩(wěn)定性是否可靠,決定了能否替代容積式流量計(jì)進(jìn)行中轉(zhuǎn)站液量計(jì)量。

3 螺旋式流量計(jì)工作原理及應(yīng)用

2007年在某140轉(zhuǎn)油放水站安裝了L HS-200螺旋流量計(jì)。安裝前,對(duì)其進(jìn)行了檢定,檢定完全達(dá)標(biāo)。

3.1 工作原理

當(dāng)流體通過管道時(shí),沖擊螺旋式轉(zhuǎn)子的葉片,對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力矩,使轉(zhuǎn)子克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。在一定的流量范圍內(nèi),對(duì)一定的流體介質(zhì)黏度,轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與流體流速成正比。由此,流體流速可通過轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度得到,從而可以計(jì)算出通過管道的流體流量。磁電感應(yīng)式檢出裝置安裝在殼體上,當(dāng)螺旋轉(zhuǎn)子的葉片掃過檢出裝置時(shí),改變了檢出裝置中的磁通量,使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢(shì),通過顯示器的放大整形,產(chǎn)生脈沖信號(hào)。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度與流體流速成正比,因此脈沖信號(hào)的頻率與流體流速成正比,即:

式中 f——螺旋流量計(jì)輸出脈沖頻率;qV——通過流量計(jì)的流量;K——比例系數(shù),也就是螺旋流量計(jì)的儀表系數(shù)。

3.2 結(jié)構(gòu)與特性

3.2.1 基本結(jié)構(gòu)

螺旋式的轉(zhuǎn)子兩端鑲有硬質(zhì)合金軸承,并由前、后兩個(gè)導(dǎo)向架固定在殼體中。為了保證流體的流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定,兩端各有一個(gè)整流件。整流件和導(dǎo)向架由壓緊圈固定在殼體中。與通常的渦輪流量計(jì)不同,螺旋流量計(jì)的轉(zhuǎn)子葉片是兩片螺旋式的葉片,且長(zhǎng)度大大超過通常的渦輪流量計(jì)。該流量計(jì)測(cè)量范圍:250～700 m3/h,口徑: φ200 mm,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)動(dòng)部件少,對(duì)流量計(jì)前后直管段要求不高;體積小,安裝、拆卸方便。結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2.2 特 性

因螺旋轉(zhuǎn)子采用不銹鋼材料,軸和軸承采用硬質(zhì)合金,具有較高的耐腐蝕性和耐磨性,螺旋轉(zhuǎn)子表面還可涂覆“特富龍”,以降低流體的黏性阻力的影響,適應(yīng)高含水液體流量計(jì)量。

3.2.3 其他特點(diǎn)

a)與流量計(jì)一體安裝的 TBS顯示器可同時(shí)顯示累積流量和瞬時(shí)流量,方便讀數(shù),同時(shí)輸出的脈沖信號(hào),可以傳輸給遠(yuǎn)端的顯示儀表或計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理。

b)采用低溫度漂移的D/A轉(zhuǎn)換器,保證在寬溫度范圍下的電流環(huán)精度(典型20 ppm/℃,最大50 ppm/℃)。

c)使用新的脈沖檢測(cè)算法,保證流量測(cè)量的穩(wěn)定性和高精度(頻率測(cè)量精度優(yōu)于十萬分之一)。

d)電路低溫特性,-25℃以下可正常使用。

e)更友好的用戶操作界面。

f)直接輸入流量系數(shù) K,不需換算。

圖2 螺旋流量計(jì)結(jié)構(gòu)

3.3 應(yīng)用效果分析

3.3.1 計(jì)量穩(wěn)定性

2009年8月10日至10月9日,進(jìn)行了連續(xù)兩個(gè)月的流量計(jì)數(shù)據(jù)與井口液量數(shù)據(jù)對(duì)比跟蹤,如圖3所示。

圖3 井口液量與流量計(jì)讀數(shù)對(duì)比

圖3中外輸量是從流量計(jì)上讀取的;井口液量是進(jìn)站總井口液量減去放水量得到的。此圖中兩曲線的變化趨勢(shì)一致,說明流量計(jì)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

3.3.2 計(jì)量精度對(duì)比

2009年10月9～10日,用流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定車進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比,通過控制直通閥門開度的大小,在100～350 m3/h的流量范圍內(nèi)進(jìn)行了3個(gè)點(diǎn)的對(duì)比測(cè)試(如圖4所示),觀察是否符合高含水原油計(jì)量精度在2%以內(nèi)的要求。

a)左段是在直通開度 12扣,平均流量約100 m3/h時(shí)得到的精度隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出,在2009-10-09 T 22:07及以前,對(duì)比于標(biāo)定車的精度皆在 2%以內(nèi),2009-10-09 T 22:07至 2009-10-10 T 03:07誤差最大達(dá)到 3. 8%,超出2%,該時(shí)刻之后復(fù)歸入2%以內(nèi)。該流量下全程精度為1.94%,符合要求。

圖4 三點(diǎn)流量下的精度曲線

b)中段是在直通開度 8扣,平均流量約265 m3/h時(shí)得到的精度隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出,從2009-10-10 T 04:57-T 07:40,對(duì)比于標(biāo)定車的精度在2%以內(nèi),符合要求。

c)右段是在直通全關(guān)時(shí),平均每小時(shí)流量約345 m3/h時(shí)得到的精度隨時(shí)間變化的曲線圖。從圖中可以看出,從2009-10-10 T 09:07-T 10: 07 4個(gè)時(shí)間點(diǎn),對(duì)比于標(biāo)定車的誤差近1%,符合要求。

從圖 4的分析中看到,在 265 m3/h和345 m3/h兩點(diǎn),精度小于2%;在100m3/h流量下,大部分時(shí)間點(diǎn)精度都在2%以內(nèi),因其在流量計(jì)量程下限以下,有些時(shí)間點(diǎn)大于2%,亦屬正常。因此,可以確定L HS-200螺旋流量計(jì)的精度在規(guī)定量程內(nèi),測(cè)量精度可以滿足高含水原油計(jì)量的要求。

4 對(duì)比評(píng)價(jià)

4.1 流量計(jì)量

由于各站應(yīng)用的都是大口徑的腰輪流量計(jì),其中,111號(hào),201號(hào),130號(hào),150號(hào)是一站用2臺(tái)。假若要在111號(hào)中轉(zhuǎn)站換用螺旋流量計(jì),以其250～700 m3/h的量程來算,它可以適應(yīng)外輸1.68×104m3/d液量計(jì)量,只要安裝1臺(tái)螺旋流量計(jì),就完全可取代現(xiàn)有的2臺(tái)腰輪流量計(jì)來計(jì)量11 000 m3/d液量。

4.2 維護(hù)管理

目前,水、氣的計(jì)量中,以磁電感應(yīng)來獲取流量信息的流量計(jì)都有所應(yīng)用,如渦街流量計(jì)、電磁流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦氣體流量計(jì)等。這種流量計(jì)內(nèi)外信號(hào)傳遞沒有運(yùn)動(dòng)部件,不必?fù)?dān)心滲漏;體積小,質(zhì)量輕,便于拆卸檢定;提供可被計(jì)算機(jī)處理的信號(hào),利于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。無或很少運(yùn)動(dòng)部件,不易損壞;有故障時(shí),處理程序,操作步驟都很簡(jiǎn)單。

4.3 節(jié)能效果

螺旋流量計(jì)前后無壓差,減小了泵的耗電量。應(yīng)用前后,外輸液?jiǎn)魏墓?jié)電0.018kW·h,如某1號(hào)轉(zhuǎn)油放水站每天的液量超過7 000 m3,則年可節(jié)電約45 990元。

5 幾點(diǎn)思考和認(rèn)識(shí)

a) 螺旋式流量計(jì)用于原油集輸?shù)臅r(shí)間很短,磁傳感器測(cè)量精度是否會(huì)受應(yīng)用時(shí)間的延長(zhǎng)和溫度影響?葉輪上是否會(huì)結(jié)垢?另外在脫氣效果不理想的場(chǎng)所,計(jì)量精度將會(huì)降低(相對(duì)于容積式流量計(jì))等問題,還需在應(yīng)用中做長(zhǎng)期觀察。

b) 從目前在某1號(hào)轉(zhuǎn)油放水站的應(yīng)用看,速度式流量計(jì)對(duì)目前中轉(zhuǎn)站液量計(jì)量的適應(yīng)性很好,可作為未來中轉(zhuǎn)站液量計(jì)量器具更新的選擇。

[1] 潘光坦.原油成套計(jì)量?jī)x表[M].上海:科學(xué)技術(shù)出版社,1982.

[2] 顧 偉,周建明.A5191HRT型HART調(diào)制調(diào)解器的原理與應(yīng)用[J].國(guó)外電子元器件,2006,(4):28-31.

[3] 應(yīng)啟戛,趙學(xué)端.流量計(jì)檢測(cè)及儀表[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,1987.

[4] 程 達(dá).流量計(jì)結(jié)構(gòu)使用維修和檢定[M].北京:中國(guó)石油天然氣管局,1992:21-132.

[5] 沈建華.MSP430系列16位超低功率單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

[6] [日]川田裕郎.流量測(cè)量手冊(cè)[M].北京:計(jì)量出版社,1928.

[7] 裴 杰.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)力精講[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

TH815.2

B

1007-7324(2010)06-0069-03

2010-09-13(修改稿)。

張成軍(1968—),男,黑龍江大慶人,1988年畢業(yè)于東北石油大學(xué)自動(dòng)化儀表專業(yè),一直從事儀表及自控設(shè)計(jì)工作,任助理工程師。