致密砂巖氣計(jì)量的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

董廣河，范 旭，曹海彬

（1.中海油能源發(fā)展股份有限公司采油服務(wù)分公司，天津 300452；2.浙江理工大學(xué)，浙江 杭州 310018）

致密砂巖氣是非常規(guī)天然氣的一種，隨著經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，能源需求越來(lái)越重要，非常規(guī)天然氣必將成為新一代環(huán)保、高效的優(yōu)質(zhì)替代能源。當(dāng)前致密氣計(jì)量系統(tǒng)現(xiàn)狀為大部分地區(qū)采氣過(guò)程中無(wú)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，部分地區(qū)有溫度和壓力的監(jiān)測(cè)，流量計(jì)量還不普遍，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀為人工現(xiàn)場(chǎng)巡邏，定時(shí)現(xiàn)場(chǎng)抄表。主要原因有以下幾個(gè)方面：企業(yè)還沒(méi)意識(shí)到要對(duì)致密氣產(chǎn)量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)量；沒(méi)有合適的計(jì)量裝置；致密砂巖氣礦區(qū)分布偏遠(yuǎn)，地勢(shì)復(fù)雜，交通不便，生產(chǎn)管理困難。

因致密砂巖氣含氣、水和泥沙，實(shí)為以氣體為主的氣液固三相流[1]，產(chǎn)氣量變化大，含液比和含固比均高于煤層氣[2]，且壓力高，現(xiàn)有流量計(jì)種類中還沒(méi)有哪一種產(chǎn)品能完全適用于該工況。根據(jù)當(dāng)前對(duì)能源開(kāi)采和產(chǎn)產(chǎn)量評(píng)估的要求，需要研發(fā)一種能適合以上工況，且具有無(wú)線遠(yuǎn)傳功能的新型流量計(jì)。當(dāng)前，現(xiàn)有氣體流量計(jì)以渦輪流量計(jì)、旋進(jìn)漩渦流量計(jì)、渦街流量計(jì)、羅茨流量計(jì)、超聲波流量計(jì)為主流，渦輪流量計(jì)和羅茨流量計(jì)核心部件為轉(zhuǎn)子，且對(duì)介質(zhì)潔凈度要求非常高[3]，不適用于本工況，超聲波流量計(jì)內(nèi)部無(wú)部件，但對(duì)流體流態(tài)非常敏感，且超聲波遇不同密度的介質(zhì)發(fā)生反射和折射，無(wú)法測(cè)量，渦街流量計(jì)和旋進(jìn)漩渦流量計(jì)均為振動(dòng)式速度流量計(jì)，無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，渦街流量計(jì)通過(guò)測(cè)量旋渦分離產(chǎn)生的振動(dòng)頻率來(lái)測(cè)量流速，高壓多相流工況旋渦分離不規(guī)律，且信號(hào)不穩(wěn)定，無(wú)法持續(xù)測(cè)量；旋進(jìn)漩渦流量計(jì)通過(guò)測(cè)量螺旋進(jìn)動(dòng)的流體產(chǎn)生的振動(dòng)頻率來(lái)測(cè)量流體流量，一定程度上較為適合。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

致密砂巖氣開(kāi)采過(guò)程為正壓開(kāi)采，井下壓力范圍為0MPa～20MPa，井上流量計(jì)處壓力范圍為0MPa～6MPa，且壓力波動(dòng)較大；致密砂巖氣井采出的流體含氣、水和少量泥沙，為以氣體為主的氣液固三相流，氣液固體積比難以準(zhǔn)確估計(jì)，液固兩相的存在會(huì)磨損流量計(jì)流道，導(dǎo)致計(jì)量精度降低，介質(zhì)流量范圍寬，且斷斷續(xù)續(xù)，有時(shí)沒(méi)有氣體排出，有氣體排出時(shí)，最大流量約為300Nm3/h，持續(xù)時(shí)間短。

鑒于以上復(fù)雜工況，采用旋進(jìn)漩渦流量計(jì)原理即流體螺旋進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)的原理來(lái)設(shè)計(jì)新型旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體結(jié)構(gòu)包括一次儀表和二次儀表，一次儀表安裝在管道上與流體發(fā)生作用，主要零部件組成為殼體、起旋器、消旋器、溫度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器，一次儀表內(nèi)部無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng)部件，尤其適用于介質(zhì)工況復(fù)雜，含少量液體和固體混合物的場(chǎng)合。

圖1 耐高壓耐磨流量計(jì)一次儀表的結(jié)構(gòu)

二次儀表安裝在一次儀表上方，主要結(jié)構(gòu)為防護(hù)外殼內(nèi)部固定含嵌入式軟件程序的電路板組，內(nèi)設(shè)LCD顯示屏。

計(jì)量原理為：當(dāng)流體進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，在起旋器的作用下，被強(qiáng)制圍繞中心線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生漩渦流，漩渦流在殼體內(nèi)部螺旋進(jìn)動(dòng)，到達(dá)殼體收縮段突然節(jié)流后，使漩渦流加速，當(dāng)通過(guò)擴(kuò)散段時(shí)，漩渦中心沿一錐形螺旋線進(jìn)動(dòng)。此時(shí)，由兩個(gè)壓電傳感器檢測(cè)到的漩渦流進(jìn)動(dòng)頻率信號(hào)經(jīng)前置電路放大、濾波、整形后轉(zhuǎn)換為兩路與流速成正比的脈沖信號(hào)，即為流量信號(hào)，其與溫度、壓力傳感器檢測(cè)到的信號(hào)一起送入二次儀表進(jìn)行溫壓補(bǔ)償運(yùn)算，并把關(guān)鍵流體監(jiān)控參數(shù)如流量、總量、溫度、壓力等直接顯示于LCD屏上，就地顯示，并可根據(jù)傳輸需求進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行摹?/p>

1.2 耐高壓耐磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)一次儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高了致密砂巖氣計(jì)量的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的耐高壓、耐磨損性能。首先，從材料上保證，承壓部件和過(guò)流部件均選用不銹鋼材料06Cr19Ni10或00Cr12Ni12Mo2，其次，在一次儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上保證殼體的承壓能力，殼體壁厚設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)公稱壓力6.3MPa設(shè)計(jì)，考慮腐蝕、磨損余量選取足夠的安全系數(shù)，以保證殼體的耐高壓、耐腐蝕和耐磨性。

通過(guò)對(duì)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)主要過(guò)流部件之一起旋器，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，減輕介質(zhì)對(duì)流道的磨損程度，從而避免計(jì)量精度的降低，其結(jié)構(gòu)采用直葉片（1）與芯軸（2）成一定角度α設(shè)計(jì)，葉片數(shù)量設(shè)計(jì)為6片繞芯軸中軸線均布，使得入口流體產(chǎn)生穩(wěn)定旋渦流，角度α小于30°時(shí)，流體旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度不足以產(chǎn)生規(guī)則振動(dòng)信號(hào)，角度α大于60°時(shí)，流量計(jì)進(jìn)出口之間產(chǎn)生的壓損較大，也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)頻率測(cè)不準(zhǔn)，根據(jù)不同流量范圍，角度α設(shè)置為30°～60°之間為最佳，既能保證計(jì)量精度又能減輕固相對(duì)起旋器的沖擊磨損。葉片與芯軸的安裝方式為焊接。該結(jié)構(gòu)既能滿足計(jì)量精度要求，更適用于多相流高壓工況。

2 傳輸方式設(shè)計(jì)

二次儀表在流量積算，體積修正功能的基礎(chǔ)上增加物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊，將流量計(jì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳輸?shù)娇刂浦袠姓荆芍袠姓緦?shù)據(jù)傳送到總控制中心也可以直接傳輸?shù)娇偪刂浦行摹６蝺x表內(nèi)部傳輸通訊芯片采用高性能工業(yè)級(jí)GPRS嵌入式芯片，傳輸功率低，功耗低，支持多級(jí)休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗。通過(guò)嵌入式軟件程序控制數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔，不發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)采用休眠模式，因此通訊模塊非常省電。

二次儀表的CPU選用TI公司的MSP430單片機(jī)，該單片機(jī)是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)低功耗的單片機(jī)品種，很適合用于采用電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合，大大提高電池的使用壽命，啟動(dòng)時(shí)間快，設(shè)置ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)，低電壓供電，低功耗單片機(jī)的使用直接保證二次儀表整體功耗低。為充分降低功耗，對(duì)二次儀表的硬件電路及軟件方案均做低功耗處理，最終流量計(jì)靜態(tài)電流約190uA，峰值發(fā)射電流約500mA；峰值接收電流約45mA，喚醒無(wú)線通訊的時(shí)間間隔為10min。

據(jù)估算，采用物聯(lián)網(wǎng)傳輸模塊并進(jìn)行低功耗設(shè)計(jì)的二次儀表僅靠?jī)晒?jié)5號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的使用時(shí)間,其它設(shè)備難以保證。整體功耗降低有利于供電系統(tǒng)的改善，可使用電池供電或太陽(yáng)能供電，無(wú)需布電纜，既節(jié)約能源又減少了施工成本，減少故障發(fā)生率，延長(zhǎng)整體工作時(shí)間有利于開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的科學(xué)管理。

3 結(jié)論

致密砂巖氣計(jì)量的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的耐高壓耐磨損結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解決了致密氣計(jì)量問(wèn)題，保證計(jì)量精度的同時(shí)，更適用于致密氣開(kāi)采的高壓、多相流、斷續(xù)流的工況。物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸通訊方式的采用及二次儀表的低功耗設(shè)計(jì)，解決了原有的485通訊傳輸距離短，需挖溝、埋電纜的問(wèn)題，節(jié)省施工成本，更減少了因挖溝、埋線導(dǎo)致工程車通行壓壞線路造成的二次檢修問(wèn)題。致密砂巖氣開(kāi)采過(guò)程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例表明，經(jīng)耐高壓耐磨損及低功耗物聯(lián)網(wǎng)傳輸設(shè)計(jì)的旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的應(yīng)用，有利于致密氣的開(kāi)采量的評(píng)估及開(kāi)采過(guò)程的數(shù)字化、信息化管理，具有重要推廣意義。