智能型旋進旋渦流量計在油田節能應用分析

楊有為 高尚 李勇 許哲 任慈（大慶油田有限責任公司第二采油廠）

在油田伴生天然氣或干氣流量計量中，如果計量工藝在計量天然氣瞬時流量較小或流量波動幅度較大的情況下，即選擇傳統的孔板流量計測量就會違背或不符合石油天然氣SY/T6143—2004 標準。例如：標準中要求“管道內的流量應該不隨時間變化或實際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又要求“ReD ≥1 260β2D”（Re為雷諾數；β 為管道上孔板流量計的直徑比；D為管道內徑）。

一旦不符合這些條件，孔板流量計測量準確性就會受到很大影響[1]。

智能型旋進旋渦流量計（以下簡稱流量計）是被廣泛運用在油田計量天然氣工藝過程中的速度式流量檢測儀表，尤其是當工藝管徑小于或等于DN150 mm 時。流量計采用微功耗高新技術和先進的微機技術，憑借結構緊湊、功能強以及和成套孔板裝置比成本更加低廉等優點，可廣泛適用于天然氣、水、石油等多類介質的流量檢測，并實現了溫度、壓力和壓縮系數等動態參數的在線自動補償。據此補償獲得了在離線檢定過程中壓力、溫度擬合動態參數變化的檢定方法，經檢索此方法首次用于油田計量天然氣離線檢定中。本文著重對流量計在現場應用、離線檢定和校驗等要素進行簡要分析，并提出改進建議和建立相關企業標準。

1 流量計工作原理、結構及特點

1.1 工作原理

流量計中流量傳感器的流通剖面類似文丘利管的型線，在入口側安放一組螺旋型導流葉片。當流體進入流量傳感器時，導流葉片迫使流體產生劇烈的旋渦流；當流體進入擴散段時，旋渦流受到回流的作用，開始作二次旋轉，形成陀螺式的渦流進動現象。該進動頻率與流量大小成正比，不受流體物理性質和密度的影響，檢測元件測得流體二次旋轉進動頻率就能在較寬的流量范圍內獲得良好的線性度。信號經前置放大器放大、濾波、整形轉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行積算處理，在液晶顯示屏上顯示出測量結果(瞬時流量、累積流量及溫度、壓力數據)。流量計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]。

當被計量介質沿著流動的流體進入流量傳感器入口時，螺旋形葉片強迫流體進入旋轉運動，于是在旋渦發生體中心產生旋渦流，旋渦流在文丘利管中旋進，到達收縮段突然節流使旋渦流加速。當旋渦流進入擴散段后，因回流作用強迫進行旋進式二次旋轉，此時旋渦流的旋轉頻率與介質流速成正比，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行比較與判別，剔除干擾信號，而對正常的流量信號進行計數處理。其工作原理如圖1所示。

1.2 組成結構

流量計由殼體、旋渦發生體、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 智能型旋進旋渦流量計工作原理

圖2 智能型旋進旋渦流量計原理結構

1.3 特點

1）測量流量范圍較寬，可有效工作在孔板流量計無法準確計量的小流量區域。

2）在工藝安裝中，較孔板流量計可大大縮短儀表上、下游直管段。

3）流量信號既可就地顯示，也可按需遠傳。

4）體積小、重量輕，便于離線標定。

5）無可動部件，對于一般的測量不存在儀表的機械磨損。

6）實現機電一體化，日常的計量不需要人工值守。

2 現場應用與檢驗

2.1 現場應用

油田的各類站、庫天然氣計量大面積應用智能型流量計，以大慶油田部分使用的流量計為例，并抽樣對幾年來檢定誤差進行對比（表1）。

通過對流量計的現場使用、跟蹤抽樣以及標校表明，流量計投用3 年，誤差均在規定誤差范圍內；流量計的重復性較好，使用性能穩定。

2.2 離線檢定校驗

當被測量介質為氣體時，因其密度受壓力、溫度影響較大，為了能準確計量氣體介質的體積流量，對于油田生產中氣體的計量，必須同時跟蹤被測量介質的壓力和溫度，并將不同工況下的氣體流量轉換成標準狀態（P=101.325kPa，T=293.15K）下的體積流量。流量計雖然實現了溫度、壓力和壓縮系數等動態參數的在線自動補償，但在流量計檢定過程中僅限于對流量誤差進行標定，而沒有對其壓力和溫度檢測及其補償模塊進行動態變化擬和檢定與校驗。

表1 流量計檢定誤差對比

其流量數學模型為

式中：Qn——標況下的體積流量，m3/h；

Pa——當地大氣壓力，kPa；

Pn——標準狀態下的大氣壓力（101.325kPa）；

Tn——標準狀態下的絕對溫度（293.15 K）；

T——被測流體的絕對溫度，K；

Zn——氣體在標況下的壓縮系數；

Z——氣體在工況下的壓縮系數；

P——流量計取壓孔測量的表壓，kPa；

Qv——工況下的體積流量，m3/h。

通過對流量計統計應用分析證實，由于受現場工況條件影響，流量計在使用過程中表內的溫度、壓力檢測模塊會出現檢測數據漂移。而通常情況下對于流量誤差的檢定，無法對溫度、壓力檢測模塊的數據漂移進行校準，因此應對流量計的壓力、溫度模塊進行校準，從而減小由于壓力、溫度準確度影響所導致的氣體流量計量誤差，降低計量氣量的損失[3]。

3 技術經濟效果評價

YBDQ 型氣體計量儀表壓力標定器設計和使用，已填補了大慶油田氣體流量計離線檢定、校驗量值傳遞中壓力補償檢定的空白；同時，配套應用高精度GDW-800 型高低溫試驗裝置對溫度補償檢測與檢定[4]，從而減小系統測量過程中由于壓力和溫度波動帶來的壓力、溫度參數誤差和系統誤差，以及由此而產生的計量效益損失[5]。

1）根據氣體流量計數學模型對比初步評估計算，假設其他參數不變的情況下，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 為例進行簡易理論計算，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計算，年創經濟效益可達212.9萬元

2）根據氣體流量計數學模型對比初步評估計算，假設其它參數不變的情況下，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。溫度誤差影響產生的經濟效益如上所述[6]。

4 存在問題、注意事項及數字化改進建議

4.1 存在問題

1）根據計量現場的生產變化情況，通過設置截止頻率自行調整流量計的始動流量。但是，如果截止頻率設定太低，流量計的敏感程度相應提高，外界的一些微弱振動或雜散信號就有可能導致流量計在沒有被測介質通過的情況下開始動作，造成流量的多計現象；如果截止頻率設置太高，流量計的始動流量相應增大，可能造成流量的漏記現象。

2）對噪聲或震動等干擾信號較為敏感。如果在流量計測量上游有明顯的噪聲、擾動（由流向改變或節流引起的嘯叫或機械震動）或在靠近流量計的附近有較強的磁場，那么流量計的運行將受到一定程度的影響。

3）沒有測量參數的歷史記錄。由于流量測量是工藝控制、成本考核等的重要依據，有時就要對不同歷史時期的測量數據進行對比分析，需要調用溫度、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

1）室內外安裝時，流量計應有以防積液、日曬、雨水浸透和寒區保溫及區域差別等措施，安裝流量計前應清理管道內各種雜物，從而保證流量計使用壽命。

2）流量計安裝周圍不能有強烈的機械振動或強的外磁場干擾，應遠離流態干擾元件（彎頭、匯管、調壓閥、壓縮機、大小頭等），保持流量計內壁光滑平直及前后直管段同心，保證被測介質為潔凈的單相流體等。

3）應定期對流量計進行標校，以保證流量計長期工作的準確性、可靠性（避免意外停運和數據丟失）。

4）對于同規格的流量計，其旋渦導流體、發生體等核心組件不能互換，因清理表內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償傳感器進行系統校正并重新標定儀表計量系數。

5）流量計應可靠接地，但不能與強電系統共地以及傳輸信號屏蔽，投運時應緩慢開/關儀表閥防止瞬間氣流沖擊而損壞流量計。

4.3 改進建議

1）建議流量計在出廠時完善對壓力、溫度補償模塊的功能，增設壓力、溫度補償模塊動態檢測、測量輸出端口。

2）建議智能表頭增設外接數據檢測口、RS-485通訊口等，可直接對流量計進行現場數據調校，并具有自診斷功能和遠端地址查詢，以及適應數字化油田對流量計的特殊功能要求。

5 結束語

在對流量計進行定期離線標定與校驗時，對流體壓力和溫度參數變化所引起的測量誤差進行判定；在貿易或交接計量時，可減少上述原因引起的誤差所導致的效益損失和量差糾紛，使其更具有實用性、合規性并符合企業間利益。