管道內(nèi)流動(dòng)液體的流量測試方法及其發(fā)展趨勢探討

楊康新，魏 韋，李佰濤，張 磊，費(fèi)亮瑜，李炬森，王永飛，趙升噸

（1.中國石化銷售股份有限公司 華南銷售分公司，廣東 廣州510620；2.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安710018；3.低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710018；4.西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安710049）

管道運(yùn)輸已經(jīng)成為五大運(yùn)輸體系之一，管道內(nèi)不止可以運(yùn)輸水、氣、油等液體物質(zhì)，也可以運(yùn)輸固體物質(zhì)。中國的油氣長輸管道里程數(shù)僅次于美國及俄羅斯，但是占比僅為美國的五分之一，為解決我國油氣管網(wǎng)基建規(guī)模落后、管道間互聯(lián)互通程度較低的問題，我國將成立國家油氣管網(wǎng)公司對國內(nèi)油氣管網(wǎng)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃[1-3]。

在油氣生產(chǎn)過程中，流量計(jì)作為原油輸送計(jì)量系統(tǒng)的核心裝置，其測量的精度將直接影響我國成品油的經(jīng)濟(jì)效益[4-6]。本文在分析各種流量計(jì)基礎(chǔ)原理的基礎(chǔ)上，對不同流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比分析，并展望了原油流量計(jì)未來的發(fā)展趨勢。

1 原油流量計(jì)的工作原理及特點(diǎn)

在原油集輸系統(tǒng)中，采油井場、分井計(jì)量站與轉(zhuǎn)接站主要起到完成對油田生產(chǎn)的原油、天然氣等混合物進(jìn)行收集、計(jì)量、以及輸往集中處理站進(jìn)行處理的作用，所以原油流量計(jì)的選擇是否合理將嚴(yán)重影響原油生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

1.1 孔板流量計(jì)

如圖1 所示為孔板流量計(jì)原理圖，該流量計(jì)屬于差壓式流量計(jì)，工作時(shí)，充滿管道的原油流經(jīng)管道內(nèi)的節(jié)流件后會(huì)在節(jié)流件附近造成局部收縮，流速增加，從而在其上、下游兩側(cè)產(chǎn)生靜壓力差[7]。節(jié)流件兩側(cè)產(chǎn)生的靜壓力差即就是孔板前后流體的壓力變化可通過U 型管壓差計(jì)內(nèi)指示液的高度變化R 來反應(yīng)，再根據(jù)高度差R 即可推算出流量，如式（1）所示。此外，也可通過安裝差壓變送器測量得到節(jié)流件兩側(cè)的壓差，進(jìn)而推算出流量[3]。

圖1 孔板流量計(jì)原理圖

式中：qv——待測流體流量，m3/s；c0——孔流系數(shù)，一般選用0.6～0.7；A0——孔口截面積，m2；ρi——U 型管內(nèi)指示液的密度，kg/m3；ρ——待測流體的密度，kg/m3；R——U 型管高度差讀數(shù)，m。

孔板流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、價(jià)格低廉、應(yīng)用范圍廣泛，在我國早期的成品油長輸管道中應(yīng)用較多。但該流量計(jì)存在以下缺點(diǎn)：①測量精度普遍偏低；②因需經(jīng)過節(jié)流裝置導(dǎo)致流體能量損失較大，故不適宜在流量變化較大的成品油長輸管道中使用；③自動(dòng)化程度低，對安裝現(xiàn)場施工條件要求較高，且易受人為主觀因素的影響，所以該流量計(jì)無法滿足當(dāng)前原油計(jì)量高精度、高效率的要求[8]。

1.2 浮子流量計(jì)

如圖2 所示為浮子流量計(jì)，主要包括錐形管、浮子以及刻度（顯示）等零部件[9]。工作時(shí)，當(dāng)流體自下而上經(jīng)錐形管時(shí)，在轉(zhuǎn)子上下之間產(chǎn)生壓差，轉(zhuǎn)子在此差壓作用下上升。當(dāng)此上升的力、浮子所受的浮力及粘性升力與浮子的重力相等時(shí)，浮子處于平衡位置。因此，流經(jīng)浮子流量計(jì)的流體流量與浮子上升高度，即與浮子流量計(jì)的流通面積之間存在著一定的比例關(guān)系，浮子的位置高度可作為流量量度。

圖2 浮子流量計(jì)原理圖

浮子流量計(jì)主要被用來測量單相非脈動(dòng)液體或氣體的流量，也可用于腐蝕性流體的測量，具有壓力損失小、性能可靠、價(jià)格便宜、結(jié)構(gòu)簡單，且便于安裝等優(yōu)勢。但是存在測量精度普遍偏低的缺點(diǎn)，此外，測量結(jié)果容易受到被測介質(zhì)密度、粘度、溫度和壓力等因素的影響[10]。

1.3 渦輪流量計(jì)

如圖3 所示為渦流流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖，該流量計(jì)屬于速度式流量計(jì)，主要包括感應(yīng)線圈、渦輪葉片、倒流架導(dǎo)流葉片、管道殼體等部件。

圖3 渦流流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

工作時(shí)，當(dāng)原油流經(jīng)渦輪流量計(jì)管道殼體內(nèi)部時(shí)，油液會(huì)沖擊渦輪葉片，從而促使渦輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，且在一定的條件下，渦輪葉片轉(zhuǎn)速與原油流速成正比[11]。此外，渦輪葉片具有導(dǎo)磁性，處于信號檢測器磁場中時(shí)，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，促使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號，對電脈沖信號進(jìn)行處理即可獲得流經(jīng)渦輪計(jì)量器的原油的瞬時(shí)流量或總量[12]。在一定的流量范圍內(nèi)，脈沖頻率f 與流經(jīng)渦輪計(jì)量器的原油的瞬時(shí)流量Q 成正比，其流量方程如下：

式中：f——脈沖頻率，Hz；K——渦輪計(jì)量計(jì)的儀表系數(shù)，由產(chǎn)品性能決定；Q——原油的瞬時(shí)流量，m3/h。

渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[21]：①測量精度高；②無零點(diǎn)漂移，抗干擾能力強(qiáng)；③適用于潔凈氣體與粘度較低的潔凈流體。但是該流量計(jì)必須遠(yuǎn)離外界電場、磁場，必要時(shí)還需要采取有效的屏蔽措施，以避免外界干擾。當(dāng)然，也存在以下缺點(diǎn)：①測量準(zhǔn)確性不能長期保持，需要定期校準(zhǔn)；②對于流體物性具有依賴性。

1.4 容積式流量計(jì)

圖4 橢圓齒輪式流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖

容積式流量計(jì)屬排量式流量計(jì)，其主要采用機(jī)械檢測元件將原油連續(xù)不斷分割成單個(gè)已知體積部分，再根據(jù)計(jì)量室逐次、重復(fù)充滿和排放該體積部分流體的次數(shù)來測量流體體積總量[5]。作為典型的容積式流量計(jì)，橢圓齒輪式流量計(jì)（如圖4 所示）的測量部分主要由兩個(gè)相互嚙合的橢圓形齒輪、軸以及殼體等組成。其測量原理為：當(dāng)被測原油經(jīng)管道進(jìn)入流量計(jì)時(shí)，由于進(jìn)口處產(chǎn)生的壓力差推動(dòng)橢圓齒輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，橢圓齒輪每旋轉(zhuǎn)一周，就有一定數(shù)量的原油流過該流量計(jì)，所以只需獲得橢圓齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就能推算出被測原油流量的總量，其流量計(jì)算公式如下：

式中：V——原油體積，m3；N——確定時(shí)間內(nèi)橢圓齒輪轉(zhuǎn)數(shù)，r；U——橢圓齒輪旋轉(zhuǎn)一周排出原油體積，m3/r。

容積式流量計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)[13]：①測量精度高；②對安裝管道條件要求低；③測量范圍寬、且可用于高粘度原油。但存在以下缺點(diǎn)：①轉(zhuǎn)子存在被原油中雜質(zhì)卡住的風(fēng)險(xiǎn)，所以需要加裝過濾器；②結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大；③不適用于高、低溫場合；④易產(chǎn)生噪聲及振動(dòng)等。所以，如果在油、水混輸，且含有泥沙雜質(zhì)的原油長輸管道上采用容積式流量計(jì)，將會(huì)給現(xiàn)場帶來較大的工作量，且會(huì)提高運(yùn)維成本[14]。

1.5 超聲波流量計(jì)

圖5 超聲波流量計(jì)工作原理示意圖

超聲波流量計(jì)是通過檢測流體流動(dòng)對超聲脈沖的作用來測量流量的一種非接觸式流量計(jì)[15]。圖5 所示為采用時(shí)差法測量原理的超聲波流量計(jì)，當(dāng)超聲波在成品油長輸管道中傳輸時(shí)，探頭A 與探頭B 分別檢測接收對方發(fā)射的超聲波脈沖，由于順流方向聲波傳播速度大于逆流方向聲波傳播速度，則相同傳播距離下就會(huì)得到不同的傳播時(shí)間，利用傳播時(shí)間之差即可計(jì)算原油的流速與流量，計(jì)算公式[16]如下：

式中：Q——原油的流量，m3/s；ts——超聲波順流傳播時(shí)間，s；tn——超聲波逆流傳播時(shí)間，s；L——超聲波在傳感器之間的聲道長度，m；D——管道內(nèi)徑，m；θ——管軸線與傳感器聲道之前的夾角，°；K——速度分布剖面的修正系數(shù)。

超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)[25]：①可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，對原有管道不需要進(jìn)行任何加工就可以進(jìn)行測量；②應(yīng)用范圍廣，可以測量水、氣或油等多種液體的流量；③測量精度不會(huì)受到被測原油流體粘度及電導(dǎo)率的影響；④高性價(jià)比，尤其是對大管徑流量的測量成本較低；⑤其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對簡單，可維護(hù)性好。⑥流量監(jiān)測過程中不存在壓損和能量損失，在節(jié)能方面優(yōu)勢明顯。但是常規(guī)超聲波計(jì)量計(jì)用于測量粘稠介質(zhì)時(shí)存在信號衰減、漂移以及精確度下降的問題，且測量精確度會(huì)受到被檢測原油清潔度的影響。

2 原油集輸用流量計(jì)發(fā)展趨勢分析

孔板流量計(jì)與浮子流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉、便于安裝等優(yōu)勢，所以在我國早期的成品油長輸管道中被廣泛應(yīng)用，但是這兩種流量傳感器存在測量精度普遍偏低的缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被淘汰。

渦輪流量計(jì)與容積式流量計(jì)都具有測量精度高的優(yōu)勢，但前者存在測量準(zhǔn)確性不能長期保持、需要定期校準(zhǔn)的缺點(diǎn)。盡管后者對安裝管道條件要求低、且可用于高粘度原油計(jì)量，但其轉(zhuǎn)子存在被原油中雜質(zhì)卡住的風(fēng)險(xiǎn)，不適用于油、水混輸，且含有泥沙雜質(zhì)的原油長輸管道工況。目前這兩種流量傳感器在原油集輸管道領(lǐng)域的應(yīng)用已處于普及階段，但其價(jià)格競爭日益激烈、導(dǎo)致利潤空間日益減小，所以這兩種傳感器都面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

超聲波流量計(jì)最大的優(yōu)勢是可實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，可維護(hù)性好，此外，由于該流量計(jì)是利用電氣原理工作，所以避免了孔板流量計(jì)、浮子流量計(jì)、渦輪流量計(jì)以及容積式流量計(jì)等傳統(tǒng)機(jī)械流量計(jì)工作中需要更換運(yùn)動(dòng)部件的問題。盡管常規(guī)超聲波流量計(jì)也存在其不足之處，例如，其測量精確度會(huì)受到被檢測原油清潔度的影響。但是，超聲波流量計(jì)的“非接觸式測量”、“體積小”及“成本低”等顯著優(yōu)勢使其具有廣泛的應(yīng)用前景。

今后原油集輸用流量計(jì)將朝著以下幾個(gè)方面快速發(fā)展：①全面?zhèn)鞲袡z測智能化。一方面，可以在流量計(jì)系統(tǒng)中安裝微處理芯片實(shí)現(xiàn)通訊功能，從而能夠更好地與油田生產(chǎn)基地的控制中心實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。另一方面，通過添加相關(guān)的傳感器以實(shí)現(xiàn)對原油流體密度、組分及熱能等的測量，最終實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的傻瓜化和智能化。②決策優(yōu)化傳遞快速化。可以將自診斷、自修正等相關(guān)智能控制算法引入流量計(jì)系統(tǒng)，使得流量計(jì)不再僅是傳統(tǒng)的計(jì)量工具，還能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)維護(hù)的目的，具有更準(zhǔn)確的計(jì)量精度，對于不同粘度原油介質(zhì)的適應(yīng)性和成品油輸送復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性得到改善和提高。③安裝執(zhí)行可靠簡單化。隨著科技發(fā)展，流量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)越來越簡單，逐漸減少或取消運(yùn)動(dòng)部件，并采用高精度、高性能的傳感器和電子元器件，使得流量計(jì)的執(zhí)行可靠性越來越好，且自動(dòng)化程度越來越高。

3 結(jié)論

（1）孔板流量計(jì)與浮子流量計(jì)雖然結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格低廉，但是存在測量精度普遍偏低的缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被淘汰；渦輪流量計(jì)與容積式流量計(jì)都具有測量精度高的優(yōu)勢，在原油集輸管道領(lǐng)域的應(yīng)用已處于普及階段，但其價(jià)格競爭日益激烈、導(dǎo)致利潤空間日益減小，所以面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

（2）超聲波流量計(jì)的“非接觸式測量”、“體積小”及“成本低”等顯著優(yōu)勢使其具有廣泛的應(yīng)用前景。此外，未來原油集輸用流量計(jì)將朝著全面?zhèn)鞲袡z測智能化、決策優(yōu)化傳遞快速化以及安裝執(zhí)行可靠簡單化三個(gè)方面快速發(fā)展。