油田中测量饱和蒸汽质量流量计的发展现状

作者：郭士欢 申龙涉 田野 宫宁宁 邓宗竹

欢迎访问e展厅 展厅 12 流量计展厅 涡轮流量计, 涡街流量计, 旋涡流量计, 电磁流量计, 罗茨流量计, ... 摘 要： 主要针对国内能够用于测量油田中的高温高压饱和蒸汽质量流量的流量计，综述这些流量计的发展现状、优缺点、存在的问题、需要改进的地方以及其发展前景。一些前人在测量高温高压饱和蒸汽这种两相流体所做的实验探讨。 关键字： 流量计；饱和蒸汽；干度；测量 随着我国石油工业的大规模发展，在石油开采中，需要注入高温高压高干度饱和水蒸气以提高原油采收率和油汽比，为了提高稠油热采经济效益，需要精确测量饱和蒸汽的质量流量。 蒸汽流量测量在20世纪80年代以前普遍采用标准孔板流量计，但从流量计仪表发展状况来看，它的应用已经被很多流量计所取代，随着科技的发展它的不足之处也都显现了出来。目前，国际上测量饱和蒸汽的质量流量计还是一个很大的难题。国外普遍使用的蒸汽质量流量计，只能用来测量高温高压气体的质量流量。但是对于饱和蒸汽的流量测量，其精度不高，能量损失也比较大。工程上对于测量饱和蒸汽常用的解决方案是分离法，用汽水分离器分离成单相流体，再用单项流量计进行测量。但此方法中的汽水分离器价格昂贵，油田上使用这种设备也不是一台两台就能解决的问题，所以从造价上就限制了它的使用。 因此人们一直都在致力于直接用来测量饱和蒸汽的质量流量计，现如今市场上制造的很多种类的流量计一般都是测量单相流体；也有一些可以测量两相流体的流量计，但技术还都很不成熟。下面就来介绍一下目前我国常用来测量饱和蒸汽质量流量计的发展状况。 1 涡街流量计 1.1 涡街流量计的优点 测量饱和蒸汽最常用的流量计。因无可动部件，可靠性高，结构简单牢固，安装维修方便，维护费低，应用范围广，压力损失小，量程范围宽，对饱和蒸汽测量量程比可达到30∶1等优点，使它的使用越来越普遍化。 1.2 涡街流量计的缺点 它的使用也受一些条件的限制，必须远离振动源和电磁干扰较强的地方、对于直管段的配置前后直管段要求满足涡街流量计的要求、在工业现场流量计出口通向大气、干度的变化、压力的经常波动都会直接影响流量值的测量，最主要的一个问题是不能长期保持校准特性。 1.3 应对措施 对于干度问题，遇到蒸汽干度低于85%的情况，目前的解决方法是在流量计出口侧安装温度变送器，但在实际工况确定蒸汽的干度也很困难，如果能够改进蒸汽流量计入口处的蒸汽品质，则能改进蒸汽流量计的测量精度，油田中对于饱和蒸汽干度的测量常用热力学方法，而热力学中的凝结法是现如今比较可行的一种测量干度的方法；对于干扰问题，应对流量计前后管道作可靠的支撑设计。如管道振动不可避免，应采用抗干扰能力强的差压式流量计；对于流量计出口侧通向大气的问题，解决方法是限制饱和蒸汽流速使之低于上限或在上游侧前面加整流器，有条件的也可以采用提高背压的方法；对于压力的经常波动，利用饱和蒸汽的密度与蒸汽的绝对压力或蒸汽的工作温度之间一一对应的特点，通过压力或温度参数间接修正流量计显示出的数值，现在市场上的智能流量积算仪采用高性能AT89C52单片机来测量饱和蒸汽的瞬时流量和累计流量[7]，并能自动补偿温度和压力的变化。 以上各种方法虽然解决了使用涡街流量计中出现的问题，但是同时也增大了各种仪器间所带来的误差，据各单位反应也增加了用户的工作量，因此希望设计人员能够开发出更为先进的仪表来测量饱和蒸汽的质量流量。尽管存在种种问题，但是其发展迅速，在测量饱和蒸汽质量流量的方面目前已成为通用的一类流量计。对于蒸汽测量的在线适时补偿和计算公式的修正问题，中石化公司所采用的三合一式多变量智能变送器将压阻式绝压传感器、电容式差压传感器、和四线制式RTD温度模块和为一体，传感器的电子电路将过程变量直接转化为数字变量，可在传感器内进行修正和补偿，并有效地解决了这一问题，而且不需要另配压力变送器和流量积算仪，简化了测量系统，提高了系统的可维护性、可操作性、测量准确度。但是在应用中也存在一定的问题，当智能差压变送选用的差压量程档较低时，对测量管路的要求较高，任何细微的漏洞都会对测量产生明显的影响。对流量的校验只能依赖现有软件中的流量计算模型进行演算，模型本身的准确度如何，目前国家还没有相关的检验标准。软件版本的升级较快，因此限制了产品的推广和使用，对用户也造成了一定的困难。 涡街流量计在测量饱和蒸汽的方面还是正处于发展中的流量计，无论是理论基础还是实践经验都还存在一定的缺陷。实践经验需要通过长期的积累才能够使它更加完善，因此，涡街流量计的基础研究工作必须跟上，否则在使用中会出现很多意想不到的问题。近些年国内外工作者运用计算机仿真技术，微电子技术以及先进的制造技术，在涡街流量计应用领域进行了大量的实验研究，并取得了一定的成果。国内外科研工作者通过实验和数值仿真在改善旋涡发生体形状和多旋涡发生体方面进行了一些有益的探索。 2 威力巴流量计 2.1 威力巴流量计的优点 是较为理想的插入式差压流量计，它是在阿牛巴流量计的基础上发展起来的。其探头是完全符合空气动力学的原理设计而成的，测量原理和其他差压式流量计相同。它在设计上采用一体化的子弹头型探头，并且结构上无运动部件，强度大，不易磨损，取压孔避开了漩涡发生区，使信号稳定无脉动。还可以减少压力损失以及防本质的堵塞及泄漏现象，维护费用相对于孔板较小十倍以上，已经取得了较显著的经济效益，测量的压差也较低。 在测量饱和蒸汽方面存在的优点是：安装方便，基本免维护，可在线安装和检修，但安装比较严格、量程比大、泄漏点少、信号稳定、波动小、永久压损小，热量消耗少，基本不需检修维护等特点，有些公司应用它得出的结论是稳定可靠，测量数据准确，能够达到计量精度的要求。可以根据现有用气量大小的工艺管道口径来选择探头，不必如涡街流量计必须考虑满足流体流速不得低于5m/s的要求，最突出的优点是输出一个非常稳定的、无脉动的差压信号。 2.2 威力巴流量计的缺点 在测量饱和蒸汽时由于压力和温度的变化，会引起测量介质的密度变化，而它是依体积流量来计算为质量流量的，因此需要考虑进行对测量介质的压力、温度进行补偿以消除对流量变化的影响，而且它的价格目前来说还是比较昂贵。但是它的技术现在在油田方面测量饱和蒸汽还不是很成熟，在测量蒸汽方面对于高压这一问题就很难解决。因此需要威力巴的研究人员能够克服这一难点，才能广泛应用于油田方面。 3 超声波流量计 3.1 超声波流量计的优点 近年来超声波流量计在国外取得理论和实践成功的基础上，也积极投身国内市场。在石油领域，成为新型流量计的主要品种之一。也可以用来测量蒸汽的质量流量，但前提条件是必须蒸汽干度达到95%以上，这对油田来说是一个很大的难度，因此要想使用气体超声波流量计来测量蒸汽的质量流量必须首先提高蒸汽的干度。他的检测方式分为传播速度差法，多普勒法，波速偏移法，噪声法，相关法等。由于是非接触式仪表，可以不受流体的压力，温度，粘度和密度的影响相比较而言超声波流量计存在很多优点，量程比很大，没有压损，维修维护率很低，精度很高，工艺管路复杂程度也很低。 3.2 超声波流量计的缺点 它所测流体温度范围受超声波换能器及换能器与管道之间的耦合材料耐温程度的限制，以及高温下被测流体传声速度的原始数据不全等等因素，另外它的测量线路比一般流量计复杂，因此只有在集成电路技术迅速发展的前提下才能得到实际的应用。总体来说技术还是不够完善，因此现在市场上也限制了它的使用。目前我国只能用于测量200℃以下的流体。近年来它也是发展迅速的流量计之一。 4 分流旋翼式流量计 4.1 分流旋翼式流量计的优点 与差压流量计一样，都采用了标准孔板节流，不用外接电源和二次仪表，能在现场或远传显示蒸汽质量流量的累计或瞬时值。需要压力补偿装置，也可以测量饱和蒸汽的质量流量。 4.2 分流旋翼式流量计的缺点 但是饱和蒸汽的密度必须一致，在流量计的前端一般要求安装过滤器，并且需要正确选择流量计的规格，还需定期的检修和维护，但是最主要的一点是它的被测饱和蒸汽的干度为1，这在油田方面几乎不可能达到的技术，而且它的工作压力也很低。种种条件限制了它在油田方面的应用。因此只适用于中小企业的蒸汽计量。 5 国内的实验研究 在我国国内的实验方面，对于气液两相流的复杂性我国可以直接测量出它的流量的实验，中国石油大学的万勇等所编著的新型气液两相流的设计与实验中，对水和空气所进行的研究，提出了测量两相流的一种新的流量计，取得了不错的实验效果。西安交通大学的王栋、林宗虎所研究的气液两相流体流量的分流分项测量方法，将两相流变成单相流体， 取代昂贵的汽水分离器的方法，试验中也取得了不错的效果。 6 结束语 从目前来看，使用质量流量计来测量饱和蒸汽还有很多问题需要解决，对于质量流量计的设计、维护、安装、使用、检定等需要有技术标准来执行，而且无论是哪种流量计，在测量饱和蒸汽方面都要求干度值非常高，因此要想是测量值更加准确最可行的方法是提高蒸汽干度，这样在油田方面可供选择的流量计的范围就广一些。目前对于饱和蒸汽流量的测量还有待于进一步研究，各种流量计还都有待于进一步完善。(end)

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