新型水流量自動校準裝置的研制與應用

朱益飛

中國石化勝利油田分公司 孤東采油廠 （山東 東營 257237）

新型水流量自動校準裝置的研制與應用

朱益飛

中國石化勝利油田分公司 孤東采油廠 （山東 東營 257237）

為確保油田磁電流量計的計量準確可靠，提出了研制一種新型水流量自動校準裝置。介紹了新型水流量自動校準裝置的工作原理、系統設計以及現場應用情況等。實踐證明，該裝置性能優越，應用效果良好。

水流量 校準裝置 磁電流量計 計量

隨著油田開發生產管理水平的不斷提高，油田對計量工作提出了更高的要求，特別是注水計量問題引起了各級領導的高度重視。磁電流量計因內部無機械可動旋轉部件，無需機械維修，整表性能穩定，且具有計量準確度高、測量范圍寬、結構簡單、壓力損失小、安裝維修方便、可輸出脈沖信號或4～20mA模擬信號，易于實現遠傳、自動控制和調節等優點，已逐步取代了干式高壓水表投入現場使用。目前，勝利油田孤東采油廠磁電流量計的使用總量有3 000多塊，口徑從DN15mm到DN200mm，規格型號多樣，量程大小不等。而該廠原有的水流量標準裝置是20世紀90年代初針對DN50mm的干式水表的檢定而設計的，不能滿足自動化程度高、口徑多樣的磁電流量計的檢定需要，造成磁電流量計只能外送或未經檢定就直接投入使用，致使注水量值不能準確計量，對原油生產產生了不利影響。為了解決磁電流量計的檢定問題，確保其計量量值的準確可靠，從而為注好水、注足水提供技術保障，研制、建立新型水流量自動校準裝置已成為采油廠一項重要的研究課題。

1 水流量自動校準裝置的工作原理

新型水流量標準裝置依據JJG164-2000《液體流量標準裝置檢定規程》和JJG643-2003《標準表法流量標準裝置檢定規程》而設計，可以根據靜態容積法和標準表法開展工作。

靜態容積法：在實測時間間隔內，根據液體通過換向器進入工作量器前后分別測定液位 （即容積測定）來推算所收集液體凈體積的方法，即將磁電流量計安裝在試驗臺上，通水排除磁電流量計和管道內的空氣，通過變頻器與電動球閥配合自動調節流量到規定的流量點，待流量穩定后，啟動換向器，切換水流使其注入選定的工作量器，同時記錄磁電流量計起始值。當達到預定的水量時，換向器動作切換水流，采集記錄工作量器內的實際水量V實并記錄磁電流量計的運行水量V示，按公式（1）計算即可確定被檢磁電流量計的誤差。這個檢定過程是通過計算機和程序控制系統來實現自動化的。

式中δ—磁電流量計的示值誤差，%；

V示—檢定時被檢磁電流量計記錄的水量，L；

V實—檢定時經磁電流量計注入工作量器的實際水量，L。

標準表法：水流在相同的時間間隔內，連續通過標準流量計和被檢流量計，用比較的方法確定被檢流量計的準確度的方法。

2 系統設計

系統全部采用自動化控制,除人工將被檢表置于夾表器外,其他操作均由操作人員在計算機上完成。

2.1 穩定水源系統

2.1.1 水池

要求貯存足夠多的試驗水量，使水溫變化小。水池表面積大，使水中所含氣泡容易析出，并使靜態容積法計量過程中水泵吸程變化小，有利于水源壓力穩定。回水有過濾網。泵房位于地面，使水泵處于正行程，有利于系統穩定和方便啟動泵。

2.1.2 水泵

考慮到該裝置適用于多種類型流量計的性能檢測，有的流速高、雷諾數高、壓損大，因此，選用的水泵要兼顧到流量與吸程兩因素。故選用ISG80-200IB和ISG200-400IB型管道離心泵，并配變頻調速控制，提高水泵轉速的穩定度。

2.1.3 穩壓罐（5m3）

使用時氣水容積比約1∶2。泵出的流體進入穩壓罐，經三層阻尼板，流速降低，使動能轉為壓力能，泵源波動經氣容吸收，達到較穩定的壓力源。對應一個流量點,壓力也是穩定的,由變頻器調節試驗流量與壓力。

2.2 試驗直管段組件

試驗直管段采用不銹鋼管DN15mm、DN20mm、DN25mm、DN40mm、DN50mm、DN65mm、DN80mm、DN100mm、DN150mm、DN200mm10種規格，標準表和被檢表的表前直管段均不少于10D、表后直管段均不少于5D（D為磁電流量計公稱通徑）。對多規格臺位，采用換管式并配大小變徑接頭，便于不同規格的選用。氣動夾表器及支承調節臺架，操作輕巧，并能保證被檢表與前后直管段的同軸度。

2.3 標準表

選用DN200mm、DN80mm、DN50mm、DN15mm共4臺性能穩定、準確度為0.2級的電磁流量計，既可作為靜態容積法水流量自動校準裝置的選檢定流量點的瞬時流量指示計，又可作為標準表法檢定時的標準表。這對1.0級及以下準確度的流量計檢定極為方便。

2.4 流量調節閥

流量調節閥選用不銹鋼芯電動V型調節球閥，閥開度無抖動，流量調節性能穩定可靠，并可實現遙控，流量調節閥與變頻器相配合，保證一定的背壓，以實現裝置全量程的穩定流量。

2.5 換向器

采用管式氣動電控換向器，流通能力為DN50mm、50m3/h和DN200mm、500m3/h，換向動作行程時間差不大于10 ms，并從結構上考慮到切換水流的動作噪聲小以及不對被檢磁電流量計示值產生明顯影響。

2.6 量器

工作量器組選用 2～5m3、0.2～1m3、200～500L、30～100L 4組，按0.1%要求設計，液位自動檢測容量數據及修正換算等直接輸入計算機處理。

2.7 控制臺

控制臺主要有電源穩壓器、計時器、計數器、液位傳感控制器、攝像控制器、壓力顯示、溫度顯示、換向電磁轉換開關、光電控制器、量器底閥電控氣動開關、電動閥控制、變頻調速控制等。

2.8 空壓機

采用規格型號為0.3m3/h、壓力為0.8MPa的空壓機。

2.9 自控部分

自控系統以工控計算機為中心進行控制、數據采集和數據處理。

2.9.1 脈沖插值技術

在傳統計數電路中，靠上下沿觸發計數，可能會少計一個脈沖，在磁電流量計輸出脈沖較少時，就會造成很大的計數誤差。為解決這一問題，本項目中采用雙時鐘脈沖插值法，提高計算精度。

2.9.2 計算機接口電路

（1）開關量輸入卡將開關量輸入信號轉換為TTL電平，經光電隔離后輸出給PCL-720輸入通道，同時驅動電路輸出狀態信號供LED指示。開關量輸入卡主要用于閥門開關狀態的輸入。

（2）開關量輸出卡是專為PCL-720輸出通道配套設計的16通道開關輸出繼電器卡，它將PCL-720輸出的TTL電平，經光電隔離后驅動OMREN小型繼電器，由繼電器控制電磁閥的開關。

（3）計時計數控制卡是專為PCL-836計時計數卡配套設計的，它具有：脈沖處理電路，將流量計輸出的不同電壓的脈沖經施密特觸發電路轉換成TTL電平，再經光電隔離后進入PCL-836卡；外控手動開關控制電路；計時計數器于脈沖上升沿同步控制電路等。

（4）I/V轉換板是將變送器輸出的4～20mA電流信號轉換成1～5V電壓信號，送給PCL-813A/D轉換卡，轉換過程中采用250Ω的標準電阻。此板同時設計了8路24V電源供變送器使用。

（5）接線板是連接進入裝置的信號線，并將信號線轉換成扁平電纜接入計算機。本系統設計了兩個接線板，一個供閥門狀態信號輸入，另一個供閥門控制信號輸出。

（6）對無發訊的磁電流量計采用攝像轉換成電信號輸入計算機。

2.9.3 軟件配置

水流量檢測系統的配套軟件是在Windows2000環境下，采用.net和數據庫技術編寫的專用控制軟件。軟件的測試功能中，通過標準端口連接控制器、稱量儀及變頻器等裝置，實時采集并記錄測試過程中各設備、儀表的動態數據，實時監控及調節變頻器工作狀態。對采集的數據均可同步在測試界面上顯示，并通過分析各種動態采集的數據，提供給控制器相關的控制指令，做到測試進程的自動化。該軟件還提供了查詢、打印等功能，利用數據庫技術保存了各種歷史測試數據，并隨時可以打印各種用戶要求提供的結果報表。

2.10 檢定工作流程

如圖1和圖2所示，在檢定過程中，軟件系統經過了多重邏輯判斷，保證了檢定過程各環節的準確控制，實現了檢定流程規范化運行，有效避免了人工干預誤差，確保了檢定結果的準確性。

2.11 水流量自動校準裝置的技術創新點

（1）該裝置流量范圍為 0～440m3/h，口徑從DN15mm到DN200mm，適用于磁電流量計、電磁流量計、渦街流量計、渦流直齒流量計、高壓流量自控儀等多種水流量儀表的檢定，幾乎涵蓋了采油廠所有在用的水表。

（2）該裝置具有靜態容積法與標準表法相結合的優點，共用水源、試驗管道及控制系統，標準量器為0.1級，準確度高，適用于0.5級及以下的水表的檢定；標準電磁流量計為0.2級，當被檢表準確度等級不高時，采用標準表法，能大大提高檢定效率。

（3）該裝置采用變頻調速控制器，使泵轉速穩定至±0.03%，提高了裝置的穩定度，并起到了顯著的節能效果。

（4）該裝置采用手控氣動夾表器、電控氣動放水閥、電控氣動換向器、光電轉換同步計時、計數，變頻器與電動球閥配合自動調節流量、靜態讀數攝像自動采集并轉換成容積值，自動化程度高，檢定軟件采用視窗式的人機對話功能，操作十分簡便、快速。

3 應用情況

該裝置于2008年5月份完成施工后投入試運行，同年8月份通過勝利油田技術監督處組織的計量標準考核，平穩運行2a來，效果良好，具有先進性、實用性、可靠性、優化高效、自動調控等優點，滿足了水流量儀表檢定工作的需要。

（1）通過研制建立新型水流量自動校準裝置，解決了油田磁電流量計的檢定問題，拓寬了采油廠的檢測范圍，提高了油田的計量檢測能力。

（2）該裝置實現了運行管理自動化，檢定記錄及證書生成微機化，測量數據準確，實時性強，功能齊全，顯示畫面豐富、直觀、操作安全方便，人機界面友好，自動化程度高，提高了采油廠在水流量領域的檢定水平。

（3）該裝置流量檢定過程自動完成，避免了人為誤差，大大降低了工人的勞動強度，改善了勞動條件，提高了工作效率，保證了設備安全運行，減少或避免了事故的發生，降低了維修保養費用。

（4）2a來，共檢修各種水表1萬余塊，既節省外送勞務費用10 000塊×300元/塊＝300萬元，又保證了水表量值的準確可靠，為油田注采開發提供了計量保證。

4 結論

（1）該流量檢定系統集成了過程參數自動控制技術、數據自動處理技術、流量在線檢測技術，性能穩定可靠，達到了油田同類設備領先水平。

（2）該流量檢定系統檢測范圍寬、檢定水表種類全，避免了檢定裝置的重復投入，對油田水流量的檢定工作有較強的適用性。

（3）該流量檢定系統檢定過程人工干預環節少、檢定準確度高，保證了檢定過程量值的準確傳遞。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1004-2004流量計量名詞術語及定義[M].北京:中國計量出版社,2005.

[2]國家質量技術監督局.JJG164-2000液體流量標準裝置檢定規程[M].北京：中國計量出版社,2000.

[3]國家質量技術監督局.JJG643-2003標準表法流量標準裝置檢定規程[M].北京:中國計量出版社,2003.

[4]朱益飛.水流量遠傳自動監控裝置的研制與應用[J].計量技術, 2008(1).

[5]朱益飛.計量測控系統設計中PLC的正確選擇[J].計量技術,2009 (10).

In order to make sure that magnet-electric flow-meter is accurate and reliable in measurement,it is suggested to develop a new automatic calibrating apparatus for water flow.This paper introduces the working principle,system design and field application of new automatic calibrating apparatus for water flow.The practice proves that the apparatus is excellent in property,together with the good applicative effect.

water flow;calibrating apparatus;magnet-electric flow-meters;measurement

朱益飛（1967-），男，高級工程師，1989年畢業于華東石油學院生產過程自動化專業，一直從事油田技術質量監督工作。

尉立崗

2011-03-15