LTLZK流量計的精度影響因素探討以及改進

何 娟，李成紅，吳文瑞，許聲瑞，王成龍，陳興波

（1.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750006；2.西南石油大學，四川成都 610500；3.中國石油大學（北京），北京 102200）

LTLZK流量計廣泛運用于油田的計量環節，是采油外輸和注水計量的重要工具。目前，在采油三廠的注水計量環節中，大量使用該型流量計，因此該型流量計的精度對油田的管理非常重要。LTLZK型流量計的信號主要由體現渦街頻率的有用信號、電磁干擾信號、流場干擾信號、管道震動干擾信號組成，而目前國內的許多學者的研究[1，2]均是集中在后三種因素的研究，而該型流量計是利用卡門渦街和電磁感應原理而實現計量，管道中的流動形態是影響該型流量計精度的重要因素。利用CFD仿真技術，從流體力學的角度研究該型流量計的精度問題是本文的主要方向。

1 LTLZK流量計在紅井子作業區的運用情況

該型流量計在長慶油田采油三廠大量運用，以紅井子作業區為例，其主要用于注水流程，擔負對注水量的計量。以下將從該型流量計的使用數量、存在的問題等方面進行研究。

1.1 該型流量計的使用情況

紅井子作業區目前共有水井189口，實開152口，日配注量3 609 m3，實際注水量3 184 m3，其中注水站4座（王一計量站、姬四聯、姬九聯和姬二十注水站）和注水撬8臺，擔負全作業區的注水任務（見表1）。

從表1可以看出，LTLZK型流量計在紅井子作業區的運用率達到89%，在作業區的注水計量方面發揮了重要的作用。

1.2 該型流量計在維護中面臨的問題

在日常的維護中，該型流量計主要的問題是水表瞬時流量為0、液晶面板不顯示、執行器故障導致流量不能實現自控、電路故障等，通過更換表芯、放大板等配件，加強與廠家的溝通交流，形成一套完整的維護方法，使流量計始終保持在一個相對較好運行狀態。

計量的精準度始終是任何計量設備均面臨的重要問題。如何降低計量中存在的誤差率，使注水的計量保持在一個較小的誤差范圍內，對于油田注水和油藏管理至關重要，為此作業區建立了注水標定流程。

標定表在標定之前必須保證標定表的型號、結構和精度與被標定的流量計完全一致。選用上述流程，對坊98-106配水間的三口注水井進行標定，具體結果（見表2）。

從標定結果來看，該型流量計存在不同程度的誤差，因此有必要對產生誤差的主要因素進行分析。

2 LTLZK流量計的計量原理

2.1 LTLZK測量原理

LTLZK流量計是根據卡門渦街原理和法拉第電磁感應原理工作的，當導電流體通過信號發生體，含有強磁力線管道時，就會產生脈動電磁感應電動勢，脈動電動勢的頻率和流量成函數關系，將脈動電動勢檢出進行處理，即可實現對流量的測量。微弱的電磁信號經檢出放大器前置放大器放大后送至顯示單元。顯示單元中的單片機系統根據測量出的脈沖數進行運算，并顯示出瞬時流量和累計總量。

2.2 LTLZK儀表系數

大量的實驗表明，在二維流動狀態下（來流單相、定常，信號發生體具有規定的截面，且可視為無限長）當滿足渦街穩定的條件時，渦街的單側旋渦脫落頻率（簡稱渦街頻率）f與阻流體兩側的平均流速ν1之間有如下關系

表1 紅井子作業區注水流量計的基本情況

表2 坊98-106配水間的標定誤差情況

式中：St－斯特羅哈數；d－信號發生體流面的最大寬度，m。

從上式中可以看出，儀表系數可以直接確定，因此只要準確測定漩渦發生體的頻率，便可測定管道內的流量。

3 數學模型和數值分析

通過對該型流量計的誤差分析，對影響其計量精度的因素的研究是有必要的。借助流體力學的分析及仿真模擬軟件FLUENT，建立結合實際的模型，利用GAMBIT對模型進行網格劃分和邊界層的定義，導入FLUNET進行相關參數的設置，以說明相關因素的影響[3，4]。

3.1 控制方程

對于不可壓縮粘性流體，在直角坐標系下，其運動規律受N-S方程控制，連續性方程和動量方程分別為：

3.2 k～ε模型

本文采用k～ε模型數值模擬三棱柱在管道中水動力特性問題，其中的k為湍動能方程，ε為湍動耗散率，標準的k～ε模型的運輸方程為：

式中：GK是由于平均速度梯度引起的湍動能產生；Gb是由于浮力影響引起的湍動能產生；YM為可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；β為熱膨脹系數；Mt為湍動馬赫數；a為聲速。

3.3 計算模型的建立、處理和分析

模型的建立忽略次要因素，依據穩流配水裝置的結構和尺寸，建立二維平面模型，模型三棱柱為正三角形，并進行網格劃分和邊界層劃分，將劃分好的模型導入fluent軟件中，假設流動介質為清水，且不含其他的氣體或雜質。清水流動的初始速度為0.01 m/s，根據Q=υ·A計算得到瞬時排量為0.018 m3/h，符合LTLZK流量計的排量要求。根據雷諾數計算雷諾數為250＜2 000，屬于層流運動，該模型采用Laminar模型計算。經過相關步驟的定義，得到如下結果（見圖1）。

從模型的速度矢量、渦流圖形和速度等值線圖可以看出，經過三棱柱后的形成卡門渦街。通過棱柱后方的感應電極探測渦流脫落的頻率，由放大板和表芯將該信號進行處理，轉化為流量信號，通過與設定排量進行比較，自動調整控制閥的開度，從而達到穩流配水的目的。因此，從研究卡門渦街的角度可以間接探討影響LTLZK流量計精度的因素。

4 LTLZK流量計的影響因素探討

結合注水流量計維護的現場問題和相關資料[1]，在已建立的模型的基礎之上，分析該型流量計的精度的影響因素。

4.1 注水的排量

根據伯努利方程，不同的速度下的穩流配水裝置中流動狀態分布情況，來反映排量的大小對該型流量計的影響情況。

假設流體為單相流—清水，在不同的進口速度下雷諾數的大小而采取的解算模型（見表3）。

按照不同解算方法代入基礎模型進行解算，得到如下結果：

在速度較低，流態為層流時，三棱柱截面附近出現多個渦流，造成渦流的脫落頻率增加，使電動勢增加，從而使計量排量增加。

當速度逐漸增大，流態為紊流，三棱柱截面附近出現兩個渦流。根據卡門渦街在雷諾數Re在3×105～3×106之間時有規則的渦街不會出現，隨著速度增大，渦街出現的程度逐漸減弱，從速度1 m/s到100 m/s，渦街的程度減弱，則頻率降低，電動勢降低，造成排量偏低。

因此，LTLZK流量計的排量必須控制在渦街穩定的范圍，該型流量計在0.5 m3/h～5 m3/h之間是合理的。

4.2 閥體的開度

閥體是實現穩流配水的關鍵部分，其實質是通過兩個節流的作用從而實現流量的調節的。下面在基礎模型之下研究閥體的開度對流量計精度的影響。

假設流體為清水，速度為0.1 m/s，流態為紊流，管徑節流直徑分別為14 mm和8 mm，其余的條件均不變，建立幾何模型，并對其進行處理分析得到。

隨著管徑的減小，渦街變得不穩定，且在節流的前端出現渦流，這兩者均使感應電極出現誤差，且測得的實際排量會變小。因此保持閥體的閉合度在一定的范圍，不宜大幅度的變化。

利用流量計標定裝置，以坊98-106為研究對象，在相同條件下，改變執行器的閉合開度，標定一定的時間，以探討閉合開度與該型流量計的計量誤差的關系。

從標定的實際情況可以看出隨著開度的增大，誤差率降低，符合模擬的情況，因此閉合開度不宜過小，以免使流量計的誤差增加。

4.3 三棱柱的幾何尺寸磨損

隨著注水開發時間不斷增長，在持續的升力和阻力作用下，對該型流量計的三棱柱會出現不同程度的磨損，造成計量精度降低。

假定流體介質仍為清水，進口速度為0.1 m/s，流態仍為紊流，改變基礎模型，對其進行處理（見圖2）。

從圖2可以看出，卡門渦街由原來的兩個變成一個，且穩定性降低，磨損后的三棱柱的電動勢必定要降低，轉化成電信號后的排量則偏低，因此磨損后的三棱柱應該盡快處理，否則造成計量誤差增大。

4.4 注水水質

注水水質不僅對管道、儀器等造成腐蝕和結垢，而且對該型流量計的計量精度造成影響。紅井子作業區姬四聯所轄注水井均為污水，污水中未處理的原油經常堵塞在管壁、三棱柱、過濾器等處，造成該型流量計不走數等情況，影響注水的計量和管理。

表3 不同速度下的解算模型

表4 坊98-106的LTLZK流量計在不同的閉合開度下的誤差表

污水的相關設定物性參數（見表5）。

表5 污水兩相流的組成成分設定物性參數

假定污水的速度在0.01～100 m/s變化，流態同表3；流動介質分為兩相流動（污水和殘余油），設定殘余油的含量為0.1%，在基礎模型之上，采用兩相流模型，對模型進行解算，得到如下結果。

當速度分別為0.01 m/s和0.1 m/s時，不能形成卡門渦街，相比于清水，出現穩定的卡門渦街較晚。隨著速度逐漸增大，卡門渦街的穩定性先增強，再減弱，該型流量計的計量精度受水質的影響。按照一般注水排量25 m3/d計算得到速度為0.59 m/s，此時該型流量計的計量值偏小。

同時選取三棱柱為研究對象，對其三個面的壓力系數在不同的進口速度下進行驗算，得出隨著進口速度的增大，三棱柱的表明受到的壓力均是先增加后減小，與清水相比，加之污水中的礦物質、污油等的腐蝕作用，加速了三棱柱的磨損，使計量的精度降低。

從三棱柱在清水和污水的兩種不同的介質中的壓力系數的比較中可以發現，三棱柱的表面受到的是阻力，該速度受流體的排量的影響，且污水的壓力系數的值變化大于清水，同時也說明LTLZK在污水的適應性較差。

選取清水和污水模型的進口速度為0.01 m/s，比較整個模型的速度截面變化情況，可以看出，對于清水，除去三棱柱段，其余速度變化均勻；而污水模型則存在明顯的分層，兩相之間存在滑移速度，導致污油沉積在管壁，甚至堵塞過濾器，導致注水效果變差，同時導致卡門渦街的脫落頻率不穩，降低計量精度。

綜上所述，注水水質對該型流量計的計量精度的影響較大，因此在注水的上游聯合站要提高污水的處理水平，降低機雜和污油的含量，降低注水的難度，提高該型流量計的適應性。

4.5 其他方面

除了流體本身引起的計量誤差外，電磁干擾、放大板等均有可能導致計量誤差：（1）LTLZK型流量計的勵磁方式是采用永久磁鐵，提供一個恒定的均勻磁場，當卡門渦街穩定時，在感應電極產生穩定的感應電動勢（直流），使被測電解質電解，而在電極上發生極化現象，使被測的電解質的電動勢削弱，降低計量精度；（2）放大板失靈或故障，引起信號不能被成功轉化成流量，或者是導致注水井瞬時排量跳動。

5 LTLZK型流量計的改進探討

在現場的實際情況中，LTLZK型流量計的三棱柱和感應電極易出現磨損、腐蝕，而且不易更換，不僅給注水的計量精度造成影響，而且帶來維護上的麻煩，因此有必要對該型流量計進行改進。

5.1 采用圓柱體作為信號發生體

作為圓柱體作為信號發生體同樣適合油田的注水排量（一般不會超過5 m3/h），且不會占據太大的空間，同時抗磨損的能力比三棱柱較好。

5.2 對信號發生體和感應電極的改進

由于注水環境的不同，容易導致三棱柱和感應電極磨損、腐蝕和結垢，加之水處理效果不佳，雜物堵塞在三棱柱處，嚴重影響計量精度。同時在實際維護中發現，有一定數量的LTLZK型流量計的三棱柱的磨損程度嚴重，甚至感應電極無法承受注水壓力，被折斷，導致信號無法被正常傳輸，無法實現計量，遇此情況只有更換整套設備，維護工作量較大。

考慮上述情況和經濟因素，對該型流量計的信號發生體和感應電極做出更換為插入式，經過改裝后的信號發生體和感應電極便于定期清理和更換，降低該型流量計的誤差，節約成本，降低維護難度。

6 結論及建議

（1）LTLZK流量計是根據卡門渦街的脫落頻率而實現計量的，該型流量計承擔紅井子作業區大部分注水計量任務。

（2）注水介質為清水時，隨著注水排量的逐漸增大，卡門渦街的形成先增強，后逐漸減弱，當雷諾數大于3×105時，卡門渦街不穩定，不能實現計量，此過程存在計量誤差。

（3）結合坊98-106的單井標定情況，隨著控制閥門開度逐漸增加，計量誤差逐漸降低，當開度較低時，注水閥的前端會出現渦流，增強感應電動勢，從而使誤差偏大。

（4）由于通過三棱柱存在持續的升力和阻力作用，使三棱柱發生嚴重磨損，發生幾何形狀變形，使卡門渦街的數目降低，從而削弱感應電動勢，增加計量誤差。

（5）水質對該型流量計存在重要影響，模擬發現，在進口速度為0.1m/s以下時，將不會形成卡門渦街，使實際的計量偏低，同時不合格的污水會造成管線腐蝕、堵塞，加劇三棱柱和感應電極的磨損，嚴重影響計量，因此要加強污水的處理。

（6）定期清理感應電極和過濾器，及時更換相關配件，保證計量精度，加強注水流量計的標定工作。

（7）通過對信號發生體和感應電極進行改進，能夠有效降低維護難度，提高計量精度。

［1］高小朋，杜鴻雁，鄭貴堂.電磁流量計的干擾產生及其抑制和消除［J］.計量技術，2007，（3）：72-74.

［2］張太明.提高電磁流量計測量準確度的方法［J］.石油工業技術監督，2008，（8）：53-56.

［3］劉宇，蘇中地.不同雷諾數下方柱繞流的數值模擬［J］.計量，2006，17（1）：40-43.

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