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| 油田中測量飽和蒸汽質量流量計的發(fā)展現(xiàn)狀 |
| 油田中測量飽和蒸汽質量流量計的發(fā)展現(xiàn)狀 | | 發(fā)布時間：2017/6/21 14:26:19 |
隨著我國石油工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，在石油開采中，需要注入高溫高壓高干度飽和水蒸氣以提高原油采收率和油汽比，為了提高稠油熱采經(jīng)濟效益，需要精確測量飽和蒸汽的質量流量。
蒸汽流量測量在20世紀80年代以前普遍采用標準孔板流量計，但從流量計儀表發(fā)展狀況來看，它的應用已經(jīng)被很多流量計所取代，隨著科技的發(fā)展它的不足之處也都顯現(xiàn)了出來。目前，國際上測量飽和蒸汽的質量流量計還是一個很大的難題。國外普遍使用的蒸汽質量流量計，只能用來測量高溫高壓氣體的質量流量。但是對于飽和蒸汽的流量測量，其精度不高，能量損失也比較大。工程上對于測量飽和蒸汽常用的解決方案是分離法，用汽水分離器分離成單相流體，再用單項流量計進行測量。但此方法中的汽水分離器價格昂貴，油田上使用這種設備也不是一臺兩臺就能解決的問題，所以從造價上就限制了它的使用。
因此人們一直都在致力于直接用來測量飽和蒸汽的質量流量計，現(xiàn)如今市場上制造的很多種類的流量計一般都是測量單相流體；也有一些可以測量兩相流體的流量計，但技術還都很不成熟。下面就來介紹一下目前我國常用來測量飽和蒸汽質量流量計的發(fā)展狀況。
1 渦街流量計
1.1 渦街流量計的優(yōu)點
測量飽和蒸汽最常用的流量計。因無可動部件，可靠性高，結構簡單牢固，安裝維修方便，維護費低，應用范圍廣，壓力損失小，量程范圍寬，對飽和蒸汽測量量程比可達到30∶1等優(yōu)點，使它的使用越來越普遍化。
1.2 渦街流量計的缺點
它的使用也受一些條件的限制，必須遠離振動源和電磁干擾較強的地方、對于直管段的配置前后直管段要求滿足渦街流量計的要求、在工業(yè)現(xiàn)場流量計出口通向大氣、干度的變化、壓力的經(jīng)常波動都會直接影響流量值的測量，最主要的一個問題是不能長期保持校準特性。
1.3 應對措施
對于干度問題，遇到蒸汽干度低于85%的情況，目前的解決方法是在流量計出口側安裝溫度變送器，但在實際工況確定蒸汽的干度也很困難，如果能夠改進蒸汽流量計入口處的蒸汽品質，則能改進蒸汽流量計的測量精度，油田中對于飽和蒸汽干度的測量常用熱力學方法，而熱力學中的凝結法是現(xiàn)如今比較可行的一種測量干度的方法；對于干擾問題，應對流量計前后管道作可靠的支撐設計。如管道振動不可避免，應采用抗干擾能力強的差壓式流量計；對于流量計出口側通向大氣的問題，解決方法是限制飽和蒸汽流速使之低于上限或在上游側前面加整流器，有條件的也可以采用提高背壓的方法；對于壓力的經(jīng)常波動，利用飽和蒸汽的密度與蒸汽的絕對壓力或蒸汽的工作溫度之間一一對應的特點，通過壓力或溫度參數(shù)間接修正流量計顯示出的數(shù)值，現(xiàn)在市場上的智能流量積算儀采用高性能AT89C52單片機來測量飽和蒸汽的瞬時流量和累計流量[7]，并能自動補償溫度和壓力的變化。
以上各種方法雖然解決了使用渦街流量計中出現(xiàn)的問題，但是同時也增大了各種儀器間所帶來的誤差，據(jù)各單位反應也增加了用戶的工作量，因此希望設計人員能夠開發(fā)出更為先進的儀表來測量飽和蒸汽的質量流量。盡管存在種種問題，但是其發(fā)展迅速，在測量飽和蒸汽質量流量的方面目前已成為通用的一類流量計。對于蒸汽測量的在線適時補償和計算公式的修正問題，中石化公司所采用的三合一式多變量智能變送器將壓阻式絕壓傳感器、電容式差壓傳感器、和四線制式RTD溫度模塊和為一體，傳感器的電子電路將過程變量直接轉化為數(shù)字變量，可在傳感器內(nèi)進行修正和補償，并有效地解決了這一問題，而且不需要另配壓力變送器和流量積算儀，簡化了測量系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可維護性、可操作性、測量準確度。但是在應用中也存在一定的問題，當智能差壓變送選用的差壓量程檔較低時，對測量管路的要求較高，任何細微的漏洞都會對測量產(chǎn)生明顯的影響。對流量的校驗只能依賴現(xiàn)有軟件中的流量計算模型進行演算，模型本身的準確度如何，目前國家還沒有相關的檢驗標準。軟件版本的升級較快，因此限制了產(chǎn)品的推廣和使用，對用戶也造成了一定的困難。
渦街流量計在測量飽和蒸汽的方面還是正處于發(fā)展中的流量計，無論是理論基礎還是實踐經(jīng)驗都還存在一定的缺陷。實踐經(jīng)驗需要通過長期的積累才能夠使它更加完善，因此，渦街流量計的基礎研究工作必須跟上，否則在使用中會出現(xiàn)很多意想不到的問題。近些年國內(nèi)外工作者運用計算機仿真技術，微電子技術以及先進的制造技術，在渦街流量計應用領域進行了大量的實驗研究，并取得了一定的成果。國內(nèi)外科研工作者通過實驗和數(shù)值仿真在改善旋渦發(fā)生體形狀和多旋渦發(fā)生體方面進行了一些有益的探索。
2 威力巴流量計
2.1 威力巴流量計的優(yōu)點
是較為理想的插入式差壓流量計，它是在阿牛巴流量計的基礎上發(fā)展起來的。其探頭是完全符合空氣動力學的原理設計而成的，測量原理和其他差壓式流量計相同。它在設計上采用一體化的子彈頭型探頭，并且結構上無運動部件，強度大，不易磨損，取壓孔避開了漩渦發(fā)生區(qū)，使信號穩(wěn)定無脈動。還可以減少壓力損失以及防本質的堵塞及泄漏現(xiàn)象，維護費用相對于孔板較小十倍以上，已經(jīng)取得了較顯著的經(jīng)濟效益，測量的壓差也較低。
在測量飽和蒸汽方面存在的優(yōu)點是：安裝方便，基本免維護，可在線安裝和檢修，但安裝比較嚴格、量程比大、泄漏點少、信號穩(wěn)定、波動小、永久壓損小，熱量消耗少，基本不需檢修維護等特點，有些公司應用它得出的結論是穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)準確，能夠達到計量精度的要求。可以根據(jù)現(xiàn)有用氣量大小的工藝管道口徑來選擇探頭，不必如渦街流量計必須考慮滿足流體流速不得低于5m/s的要求，最突出的優(yōu)點是輸出一個非常穩(wěn)定的、無脈動的差壓信號。
2.2 威力巴流量計的缺點
在測量飽和蒸汽時由于壓力和溫度的變化，會引起測量介質的密度變化，而它是依體積流量來計算為質量流量的，因此需要考慮進行對測量介質的壓力、溫度進行補償以消除對流量變化的影響，而且它的價格目前來說還是比較昂貴。但是它的技術現(xiàn)在在油田方面測量飽和蒸汽還不是很成熟，在測量蒸汽方面對于高壓這一問題就很難解決。因此需要威力巴的研究人員能夠克服這一難點，才能廣泛應用于油田方面。
3 超聲波流量計
3.1 超聲波流量計的優(yōu)點
近年來超聲波流量計在國外取得理論和實踐成功的基礎上，也積極投身國內(nèi)市場。在石油領域，成為新型流量計的主要品種之一。也可以用來測量蒸汽的質量流量，但前提條件是必須蒸汽干度達到95%以上，這對油田來說是一個很大的難度，因此要想使用氣體超聲波流量計來測量蒸汽的質量流量必須首先提高蒸汽的干度。他的檢測方式分為傳播速度差法，多普勒法，波速偏移法，噪聲法，相關法等。由于是非接觸式儀表，可以不受流體的壓力，溫度，粘度和密度的影響相比較而言超聲波流量計存在很多優(yōu)點，量程比很大，沒有壓損，維修維護率很低，精度很高，工藝管路復雜程度也很低。
3.2 超聲波流量計的缺點
它所測流體溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全等等因素，另外它的測量線路比一般流量計復雜，因此只有在集成電路技術迅速發(fā)展的前提下才能得到實際的應用�？傮w來說技術還是不夠完善，因此現(xiàn)在市場上也限制了它的使用。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。近年來它也是發(fā)展迅速的流量計之一。
4 分流旋翼式流量計
4.1 分流旋翼式流量計的優(yōu)點
與差壓流量計一樣，都采用了標準孔板節(jié)流，不用外接電源和二次儀表，能在現(xiàn)場或遠傳顯示蒸汽質量流量的累計或瞬時值。需要壓力補償裝置，也可以測量飽和蒸汽的質量流量。
4.2 分流旋翼式流量計的缺點
但是飽和蒸汽的密度必須一致，在流量計的前端一般要求安裝過濾器，并且需要正確選擇流量計的規(guī)格，還需定期的檢修和維護，但是最主要的一點是它的被測飽和蒸汽的干度為1，這在油田方面幾乎不可能達到的技術，而且它的工作壓力也很低。種種條件限制了它在油田方面的應用。因此只適用于中小企業(yè)的蒸汽計量。
5 國內(nèi)的實驗研究
在我國國內(nèi)的實驗方面，對于氣液兩相流的復雜性我國可以直接測量出它的流量的實驗，中國石油大學的萬勇等所編著的新型氣液兩相流的設計與實驗中，對水和空氣所進行的研究，提出了測量兩相流的一種新的流量計，取得了不錯的實驗效果。西安交通大學的王棟、林宗虎所研究的氣液兩相流體流量的分流分項測量方法，將兩相流變成單相流體， 取代昂貴的汽水分離器的方法，試驗中也取得了不錯的效果。
6 結束語
從目前來看，使用質量流量計來測量飽和蒸汽還有很多問題需要解決，對于質量流量計的設計、維護、安裝、使用、檢定等需要有技術標準來執(zhí)行，而且無論是哪種流量計，在測量飽和蒸汽方面都要求干度值非常高，因此要想是測量值更加準確最可行的方法是提高蒸汽干度，這樣在油田方面可供選擇的流量計的范圍就廣一些。目前對于飽和蒸汽流量的測量還有待于進一步研究，各種流量計還都有待于進一步完善。 |
隨著我國石油工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，在石油開采中，需要注入高溫高壓高干度飽和水蒸氣以提高原油采收率和油汽比，為了提高稠油熱采經(jīng)濟效益，需要精確測量飽和蒸汽的質量流量。
蒸汽流量測量在20世紀80年代以前普遍采用標準孔板流量計，但從流量計儀表發(fā)展狀況來看，它的應用已經(jīng)被很多流量計所取代，隨著科技的發(fā)展它的不足之處也都顯現(xiàn)了出來。目前，國際上測量飽和蒸汽的質量流量計還是一個很大的難題。國外普遍使用的蒸汽質量流量計，只能用來測量高溫高壓氣體的質量流量。但是對于飽和蒸汽的流量測量，其精度不高，能量損失也比較大。工程上對于測量飽和蒸汽常用的解決方案是分離法，用汽水分離器分離成單相流體，再用單項流量計進行測量。但此方法中的汽水分離器價格昂貴，油田上使用這種設備也不是一臺兩臺就能解決的問題，所以從造價上就限制了它的使用。
因此人們一直都在致力于直接用來測量飽和蒸汽的質量流量計，現(xiàn)如今市場上制造的很多種類的流量計一般都是測量單相流體；也有一些可以測量兩相流體的流量計，但技術還都很不成熟。下面就來介紹一下目前我國常用來測量飽和蒸汽質量流量計的發(fā)展狀況。
1 渦街流量計
1.1 渦街流量計的優(yōu)點
測量飽和蒸汽最常用的流量計。因無可動部件，可靠性高，結構簡單牢固，安裝維修方便，維護費低，應用范圍廣，壓力損失小，量程范圍寬，對飽和蒸汽測量量程比可達到30∶1等優(yōu)點，使它的使用越來越普遍化。
1.2 渦街流量計的缺點
它的使用也受一些條件的限制，必須遠離振動源和電磁干擾較強的地方、對于直管段的配置前后直管段要求滿足渦街流量計的要求、在工業(yè)現(xiàn)場流量計出口通向大氣、干度的變化、壓力的經(jīng)常波動都會直接影響流量值的測量，最主要的一個問題是不能長期保持校準特性。
1.3 應對措施
對于干度問題，遇到蒸汽干度低于85%的情況，目前的解決方法是在流量計出口側安裝溫度變送器，但在實際工況確定蒸汽的干度也很困難，如果能夠改進蒸汽流量計入口處的蒸汽品質，則能改進蒸汽流量計的測量精度，油田中對于飽和蒸汽干度的測量常用熱力學方法，而熱力學中的凝結法是現(xiàn)如今比較可行的一種測量干度的方法；對于干擾問題，應對流量計前后管道作可靠的支撐設計。如管道振動不可避免，應采用抗干擾能力強的差壓式流量計；對于流量計出口側通向大氣的問題，解決方法是限制飽和蒸汽流速使之低于上限或在上游側前面加整流器，有條件的也可以采用提高背壓的方法；對于壓力的經(jīng)常波動，利用飽和蒸汽的密度與蒸汽的絕對壓力或蒸汽的工作溫度之間一一對應的特點，通過壓力或溫度參數(shù)間接修正流量計顯示出的數(shù)值，現(xiàn)在市場上的智能流量積算儀采用高性能AT89C52單片機來測量飽和蒸汽的瞬時流量和累計流量[7]，并能自動補償溫度和壓力的變化。
以上各種方法雖然解決了使用渦街流量計中出現(xiàn)的問題，但是同時也增大了各種儀器間所帶來的誤差，據(jù)各單位反應也增加了用戶的工作量，因此希望設計人員能夠開發(fā)出更為先進的儀表來測量飽和蒸汽的質量流量。盡管存在種種問題，但是其發(fā)展迅速，在測量飽和蒸汽質量流量的方面目前已成為通用的一類流量計。對于蒸汽測量的在線適時補償和計算公式的修正問題，中石化公司所采用的三合一式多變量智能變送器將壓阻式絕壓傳感器、電容式差壓傳感器、和四線制式RTD溫度模塊和為一體，傳感器的電子電路將過程變量直接轉化為數(shù)字變量，可在傳感器內(nèi)進行修正和補償，并有效地解決了這一問題，而且不需要另配壓力變送器和流量積算儀，簡化了測量系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可維護性、可操作性、測量準確度。但是在應用中也存在一定的問題，當智能差壓變送選用的差壓量程檔較低時，對測量管路的要求較高，任何細微的漏洞都會對測量產(chǎn)生明顯的影響。對流量的校驗只能依賴現(xiàn)有軟件中的流量計算模型進行演算，模型本身的準確度如何，目前國家還沒有相關的檢驗標準。軟件版本的升級較快，因此限制了產(chǎn)品的推廣和使用，對用戶也造成了一定的困難。
渦街流量計在測量飽和蒸汽的方面還是正處于發(fā)展中的流量計，無論是理論基礎還是實踐經(jīng)驗都還存在一定的缺陷。實踐經(jīng)驗需要通過長期的積累才能夠使它更加完善，因此，渦街流量計的基礎研究工作必須跟上，否則在使用中會出現(xiàn)很多意想不到的問題。近些年國內(nèi)外工作者運用計算機仿真技術，微電子技術以及先進的制造技術，在渦街流量計應用領域進行了大量的實驗研究，并取得了一定的成果。國內(nèi)外科研工作者通過實驗和數(shù)值仿真在改善旋渦發(fā)生體形狀和多旋渦發(fā)生體方面進行了一些有益的探索。
2 威力巴流量計
2.1 威力巴流量計的優(yōu)點
是較為理想的插入式差壓流量計，它是在阿牛巴流量計的基礎上發(fā)展起來的。其探頭是完全符合空氣動力學的原理設計而成的，測量原理和其他差壓式流量計相同。它在設計上采用一體化的子彈頭型探頭，并且結構上無運動部件，強度大，不易磨損，取壓孔避開了漩渦發(fā)生區(qū)，使信號穩(wěn)定無脈動。還可以減少壓力損失以及防本質的堵塞及泄漏現(xiàn)象，維護費用相對于孔板較小十倍以上，已經(jīng)取得了較顯著的經(jīng)濟效益，測量的壓差也較低。
在測量飽和蒸汽方面存在的優(yōu)點是：安裝方便，基本免維護，可在線安裝和檢修，但安裝比較嚴格、量程比大、泄漏點少、信號穩(wěn)定、波動小、永久壓損小，熱量消耗少，基本不需檢修維護等特點，有些公司應用它得出的結論是穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)準確，能夠達到計量精度的要求。可以根據(jù)現(xiàn)有用氣量大小的工藝管道口徑來選擇探頭，不必如渦街流量計必須考慮滿足流體流速不得低于5m/s的要求，最突出的優(yōu)點是輸出一個非常穩(wěn)定的、無脈動的差壓信號。
2.2 威力巴流量計的缺點
在測量飽和蒸汽時由于壓力和溫度的變化，會引起測量介質的密度變化，而它是依體積流量來計算為質量流量的，因此需要考慮進行對測量介質的壓力、溫度進行補償以消除對流量變化的影響，而且它的價格目前來說還是比較昂貴。但是它的技術現(xiàn)在在油田方面測量飽和蒸汽還不是很成熟，在測量蒸汽方面對于高壓這一問題就很難解決。因此需要威力巴的研究人員能夠克服這一難點，才能廣泛應用于油田方面。
3 超聲波流量計
3.1 超聲波流量計的優(yōu)點
近年來超聲波流量計在國外取得理論和實踐成功的基礎上，也積極投身國內(nèi)市場。在石油領域，成為新型流量計的主要品種之一。也可以用來測量蒸汽的質量流量，但前提條件是必須蒸汽干度達到95%以上，這對油田來說是一個很大的難度，因此要想使用氣體超聲波流量計來測量蒸汽的質量流量必須首先提高蒸汽的干度。他的檢測方式分為傳播速度差法，多普勒法，波速偏移法，噪聲法，相關法等。由于是非接觸式儀表，可以不受流體的壓力，溫度，粘度和密度的影響相比較而言超聲波流量計存在很多優(yōu)點，量程比很大，沒有壓損，維修維護率很低，精度很高，工藝管路復雜程度也很低。
3.2 超聲波流量計的缺點
它所測流體溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全等等因素，另外它的測量線路比一般流量計復雜，因此只有在集成電路技術迅速發(fā)展的前提下才能得到實際的應用�？傮w來說技術還是不夠完善，因此現(xiàn)在市場上也限制了它的使用。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。近年來它也是發(fā)展迅速的流量計之一。
4 分流旋翼式流量計
4.1 分流旋翼式流量計的優(yōu)點
與差壓流量計一樣，都采用了標準孔板節(jié)流，不用外接電源和二次儀表，能在現(xiàn)場或遠傳顯示蒸汽質量流量的累計或瞬時值。需要壓力補償裝置，也可以測量飽和蒸汽的質量流量。
4.2 分流旋翼式流量計的缺點
但是飽和蒸汽的密度必須一致，在流量計的前端一般要求安裝過濾器，并且需要正確選擇流量計的規(guī)格，還需定期的檢修和維護，但是最主要的一點是它的被測飽和蒸汽的干度為1，這在油田方面幾乎不可能達到的技術，而且它的工作壓力也很低。種種條件限制了它在油田方面的應用。因此只適用于中小企業(yè)的蒸汽計量。
5 國內(nèi)的實驗研究
在我國國內(nèi)的實驗方面，對于氣液兩相流的復雜性我國可以直接測量出它的流量的實驗，中國石油大學的萬勇等所編著的新型氣液兩相流的設計與實驗中，對水和空氣所進行的研究，提出了測量兩相流的一種新的流量計，取得了不錯的實驗效果。西安交通大學的王棟、林宗虎所研究的氣液兩相流體流量的分流分項測量方法，將兩相流變成單相流體， 取代昂貴的汽水分離器的方法，試驗中也取得了不錯的效果。
6 結束語
從目前來看，使用質量流量計來測量飽和蒸汽還有很多問題需要解決，對于質量流量計的設計、維護、安裝、使用、檢定等需要有技術標準來執(zhí)行，而且無論是哪種流量計，在測量飽和蒸汽方面都要求干度值非常高，因此要想是測量值更加準確最可行的方法是提高蒸汽干度，這樣在油田方面可供選擇的流量計的范圍就廣一些。目前對于飽和蒸汽流量的測量還有待于進一步研究，各種流量計還都有待于進一步完善。 |
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