螺旋流量计高含水测量应用分析与探讨

张成军

(大庆油田有限责任公司第五采油厂,黑龙江大庆 163513)

螺旋流量计高含水测量应用分析与探讨

张成军

(大庆油田有限责任公司第五采油厂,黑龙江大庆 163513)

目前中转站用来计量液体的大都是容积式(腰轮、刮板等)流量计。容积式流量计应用虽然比较成熟,但在油田开采的中后期,随着中转站外输液介质成分及流量变化以及变频技术的应用,容积式流量计应用已出现量程小、磨损快、维修难度大、维护费用高等不适应性;如何从根本上解决这些问题,需要从计量原理上改变——采用螺旋式流量计。螺旋式流量计结构简单、量程比宽、易维护,经济性、节能性都很好。通过现场精度实测,计量稳定、经济核算,得出螺旋式流量计可以满足中转站液量计量要求的结论。

流量计;容积式;螺旋式;评价

0 引 言

某油田自20世纪60年代至今,中转站原油主要采用容积式流量计进行计量,运行可靠、准确的计量效果一直被认可,但在油田开采的中后期,随着中转站外输液介质成分及流量变化(高含水、含聚、含砂、大流量)以及变频技术的应用,容积式流量计应用上的许多缺点越来越明显,如外输液高含水、含砂使介质润滑度变差,加快容积式流量计的磨损;外输液含聚使黏度增大,经常造成过滤网的堵塞;外输液流量的增大和变频器的应用加大了流量计量程比的要求(容积式流量计的量程比窄);另外容积式流量计体积大、质量大、机械部件多也造成了维护难度大、维修费用高。如何更好地解决容积式流量计的不足,需要从计量方式上改变。

1 容积式流量计计量原理及结构

容积式流量计的测量方法为当被测液体流经流量计时,流体的流动压力使进出口间形成一个压差,在此压力的作用下推动腰轮旋转,随着腰轮的转动,液体经由计量室被不断排出流量计,由于每转一圈排出的液体体积是恒定的,即排出量正比于转数,通过腰轮密封轴、调整机构将旋转的次数减速后传递到总量显示器,计算出体积流量。其结构与工作原理如图1所示。

图1 容积式流量计结构原理

2 容积式流量计应用现状

2.1 现 状

目前,该矿12座中转站中使用了14台容积式流量计,口径主要为φ250 mm和φ200 mm。其计量精度不受流体状态的影响,流量计前后不需要直管段,无论测量高黏度或低黏度液体,均可在较大范围内保证高精度、高耐用性及高精确度,因而应用多年,已形成一套较为成熟的管理维护机制,如“在线修复”、“QC方法降维修费用”等,为生产控制、生产决策提供了有效的支持。

2.2 突出问题

2.2.1 故障率高且维修难度大

2009年初至今,该矿小修42台次,大修10台次,平均每年每台维修近4次。因其体积庞大,每次大修,起码要上一个维修班,倒链是必备工具,难度稍大,就得用吊车。工期最短也需两天。若有配件需到外单位加工,则需延长工期,增加维修费用。

2.2.2 维护费用高且量程相对变小

该矿每年约需23万元才能维持中转站的正常计量。而且各中转站用的都是大口径的容积式流量计,其中,15号、3号、20号中转站容积式流量计已经出现量程小的问题,具体表现为齿轮箱易损坏,噪声大。

2.2.3 计量精度降低

2009年检定的容积式流量计中,131号、136号检前误差已达4%,磨损严重。如何从根本上解决这些问题?决定采用螺旋式流量计,但螺旋式流量计的精度与稳定性是否可靠,决定了能否替代容积式流量计进行中转站液量计量。

3 螺旋式流量计工作原理及应用

2007年在某140转油放水站安装了L HS-200螺旋流量计。安装前,对其进行了检定,检定完全达标。

3.1 工作原理

当流体通过管道时,冲击螺旋式转子的叶片,对转子产生驱动力矩,使转子克服摩擦力矩和流体阻力矩而产生旋转。在一定的流量范围内,对一定的流体介质黏度,转子的旋转速度与流体流速成正比。由此,流体流速可通过转子的旋转角速度得到,从而可以计算出通过管道的流体流量。磁电感应式检出装置安装在壳体上,当螺旋转子的叶片扫过检出装置时,改变了检出装置中的磁通量,使线圈中产生变化的感应电势,通过显示器的放大整形,产生脉冲信号。由于转子的旋转速度与流体流速成正比,因此脉冲信号的频率与流体流速成正比,即:

式中 f——螺旋流量计输出脉冲频率;qV——通过流量计的流量;K——比例系数,也就是螺旋流量计的仪表系数。

3.2 结构与特性

3.2.1 基本结构

螺旋式的转子两端镶有硬质合金轴承,并由前、后两个导向架固定在壳体中。为了保证流体的流动状态稳定,两端各有一个整流件。整流件和导向架由压紧圈固定在壳体中。与通常的涡轮流量计不同,螺旋流量计的转子叶片是两片螺旋式的叶片,且长度大大超过通常的涡轮流量计。该流量计测量范围:250～700 m3/h,口径: φ200 mm,结构简单,运动部件少,对流量计前后直管段要求不高;体积小,安装、拆卸方便。结构如图2所示。

3.2.2 特 性

因螺旋转子采用不锈钢材料,轴和轴承采用硬质合金,具有较高的耐腐蚀性和耐磨性,螺旋转子表面还可涂覆“特富龙”,以降低流体的黏性阻力的影响,适应高含水液体流量计量。

3.2.3 其他特点

a)与流量计一体安装的 TBS显示器可同时显示累积流量和瞬时流量,方便读数,同时输出的脉冲信号,可以传输给远端的显示仪表或计算机进行信号处理。

b)采用低温度漂移的D/A转换器,保证在宽温度范围下的电流环精度(典型20 ppm/℃,最大50 ppm/℃)。

c)使用新的脉冲检测算法,保证流量测量的稳定性和高精度(频率测量精度优于十万分之一)。

d)电路低温特性,-25℃以下可正常使用。

e)更友好的用户操作界面。

f)直接输入流量系数 K,不需换算。

图2 螺旋流量计结构

3.3 应用效果分析

3.3.1 计量稳定性

2009年8月10日至10月9日,进行了连续两个月的流量计数据与井口液量数据对比跟踪,如图3所示。

图3 井口液量与流量计读数对比

图3中外输量是从流量计上读取的;井口液量是进站总井口液量减去放水量得到的。此图中两曲线的变化趋势一致,说明流量计运行稳定可靠。

3.3.2 计量精度对比

2009年10月9～10日,用流量计现场标定车进行了现场对比,通过控制直通阀门开度的大小,在100～350 m3/h的流量范围内进行了3个点的对比测试(如图4所示),观察是否符合高含水原油计量精度在2%以内的要求。

a)左段是在直通开度 12扣,平均流量约100 m3/h时得到的精度随时间变化的曲线图。从图中可以看出,在2009-10-09 T 22:07及以前,对比于标定车的精度皆在 2%以内,2009-10-09 T 22:07至 2009-10-10 T 03:07误差最大达到 3. 8%,超出2%,该时刻之后复归入2%以内。该流量下全程精度为1.94%,符合要求。

图4 三点流量下的精度曲线

b)中段是在直通开度 8扣,平均流量约265 m3/h时得到的精度随时间变化的曲线图。从图中可以看出,从2009-10-10 T 04:57-T 07:40,对比于标定车的精度在2%以内,符合要求。

c)右段是在直通全关时,平均每小时流量约345 m3/h时得到的精度随时间变化的曲线图。从图中可以看出,从2009-10-10 T 09:07-T 10: 07 4个时间点,对比于标定车的误差近1%,符合要求。

从图 4的分析中看到,在 265 m3/h和345 m3/h两点,精度小于2%;在100m3/h流量下,大部分时间点精度都在2%以内,因其在流量计量程下限以下,有些时间点大于2%,亦属正常。因此,可以确定L HS-200螺旋流量计的精度在规定量程内,测量精度可以满足高含水原油计量的要求。

4 对比评价

4.1 流量计量

由于各站应用的都是大口径的腰轮流量计,其中,111号,201号,130号,150号是一站用2台。假若要在111号中转站换用螺旋流量计,以其250～700 m3/h的量程来算,它可以适应外输1.68×104m3/d液量计量,只要安装1台螺旋流量计,就完全可取代现有的2台腰轮流量计来计量11 000 m3/d液量。

4.2 维护管理

目前,水、气的计量中,以磁电感应来获取流量信息的流量计都有所应用,如涡街流量计、电磁流量计、旋进旋涡气体流量计等。这种流量计内外信号传递没有运动部件,不必担心渗漏;体积小,质量轻,便于拆卸检定;提供可被计算机处理的信号,利于实现自动控制。无或很少运动部件,不易损坏;有故障时,处理程序,操作步骤都很简单。

4.3 节能效果

螺旋流量计前后无压差,减小了泵的耗电量。应用前后,外输液单耗节电0.018kW·h,如某1号转油放水站每天的液量超过7 000 m3,则年可节电约45 990元。

5 几点思考和认识

a) 螺旋式流量计用于原油集输的时间很短,磁传感器测量精度是否会受应用时间的延长和温度影响?叶轮上是否会结垢?另外在脱气效果不理想的场所,计量精度将会降低(相对于容积式流量计)等问题,还需在应用中做长期观察。

b) 从目前在某1号转油放水站的应用看,速度式流量计对目前中转站液量计量的适应性很好,可作为未来中转站液量计量器具更新的选择。

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TH815.2

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1007-7324(2010)06-0069-03

2010-09-13(修改稿)。

张成军(1968—),男,黑龙江大庆人,1988年毕业于东北石油大学自动化仪表专业,一直从事仪表及自控设计工作,任助理工程师。