關于質量流量計測量誤差的分析與改進對策

仝家林，姜春起，張鳴翔，鄭天為，劉自江

(中海油能源發展股份有限公司采油服務分公司 天津 300452)

1 測試分離器在運行中遇到的實際問題

某平臺為油井試采平臺，“測試分離器”是測量單井產量的主要設備，其原油流量測量的準確性對于評價油井產量極其重要。質量流量計安裝在測試分離器液相出口處，是測量油井產量的重要儀表[1]。

平臺投產前，由于無法真實模擬現場原油生產的復雜介質工況，所以建造期間僅對測試分離器質量流量計進行了“水聯運”試運行，未發現測試分離器質量流量計偏差過大的問題(在“水聯運”中由于運行的介質是水，密度及黏度與實際生產中的原油介質區別很大)。在實際生產期間，發現測試分離器液相質量流量計及線油水分析儀在實際運行中均會產生較大的測量偏差，與實驗數據嚴重不符。測試分離器計量的流量值與量艙產生的實際值偏差＞30%以上，嚴重影響試采數據的采集。

在對埕海1-1油田1#井的實際測量中，通過與2019年10月6日—10月20日的生產數據結果對比發現，流量計測量值與儲存原油的量艙產量偏差相差30%以上，具體數值見圖1。

圖1 單井產量測量對比圖 Fig.1 Comparison of single well production measurement

為保障某平臺完成試采、生產作業的數據記錄準確，針對測試分離器質量流量計FIT-1301A存在的問題，儀表專業小組決定對質量流量計存在的測量偏差展開研究。

2 測試分離器及質量流量計工作原理

2.1 測試分離器原理介紹

某平臺生產流程中，通過“測試分離器”來完成測量單井產量的功能，其工作原理是通過測量“測試分離器”氣相出口和液相出口的兩相流量后進行累加計算，取得油井產量的總體數據。

柱狀旋流式氣-液分離器(GLCC)是一種小型高效分離器，依靠旋流、聚結和多相流體動力進行氣液分離[2]。由于其體積小(相同處理量體積僅為傳統分離器的1/10)、重量輕、適用范圍廣，因此，在一些惡劣和極端的環境下，如沙漠、海洋等，GLCC就成為了氣液分離首選的技術裝備。

分離器原理如圖2，進口由傾角向下的管道沿切線方向與鉛垂管道相接，多相流經預分離后進入主分離器。由于旋流作用在主分離器中離心力、重力和浮力形成一個倒圓錐型渦流面，密度大的液相沿鉛垂管道的管壁流到分離器底部，密度小的氣相沿渦旋的中央上升至分離器頂部，最終氣相和液相分別從分離器的頂部和底部排出。同時，在分離器的氣相與液相出口均設置質量流量計，分別測量氣相與液相的介質 流量。

圖2 測試分離器原理圖 Fig.2 Schematic diagram of test separator

2.2 科里奧利質量流量計原理介紹

流體在旋轉的管內流動時會對管壁產生一個力，這一現象是科里奧利在1832年研究輪機時發現的，簡稱科氏力。1977年，美國高準(Micro Motion)公司的創始人根據此原理發明了世界上第一臺可以實際使用的質量流量計，工作原理如圖3。質量流量計以科氏力為基礎，在傳感器內部有2根平行的流量管，中部裝有驅動線圈，兩端裝有檢測線圈，變送器提供的激勵電壓加到驅動線圈上時，振動管做往復周期振動，工業過程的流體介質流經傳感器的振動管，就會在振管上產生科氏力效應，使2根振管扭轉振動，安裝在振管兩端的檢測線圈將產生相位不同的2組信號，這2組信號的相位差與流經傳感器的流體質量流量成比例關系[3]，由計算機解算出流經振管的質量流量。不同介質流經傳感器時，振管的主振頻率不同，據此解算出介質密度。安裝在傳感器器振管上的鉑電阻可間接測量介質的溫度，理論上可以測量油水等復雜混合介質的總體流量。

圖3 質量流量計原理圖 Fig.3 Schematic diagram of mass flow meter

3 質量流量計出現誤差的原因分析

針對測量精度無法保證，且測量值波動較大，嚴重影響生產數據準確記錄的問題，初步懷疑質量流量計內有臟堵或傳感器管內有異物，但現場實際對質量 流量計拆解后，流量管內未發現臟堵現象，如圖4 所示。

圖4 質量流量計拆解，檢查流量管內臟堵 Fig.4 Disassembly of mass flow meter and inspection of internal blockage of flow pipe

為驗證質量流量計的準確性，在停產期間又將流量計返回陸地專業計量機構進行較驗，檢驗結果表明流量計本身的測量誤差為0.5%以下，滿足現場使用要求。同時，根據手操器與質量流量計連接發現驅動超限故障報警，經過實際原油取樣化驗進行密度比對，取樣值0.820g/cm3，質量流量計內密度參數設定值為0.935g/cm3，相差0.115g/cm3，如圖5所示。

圖5 流量計內部參數設定，密度參數存在偏差 Fig.5 Deviation of internal parameter setting and density parameter of flow meter

為了進一步確定有無直管段是否影響測試分離器質量流量計測量偏差[4]。對測試分離器質量流量彎管段進行了受力分析，根據離心力公式(其中，F為離心力，M為管線內流動液體質量)如下：

取管線截面積×管線直徑的體積質量計算約得265.41g，彎管圓弧半徑r約200mm，如圖6所示，ω為角速度，根據10m3/h流量計算得出線速度V約為0.61m/s，ω＝V/r＝0.61/0.2＝3.05rad/s，根據以上數據可得：

圖6 現場實際彎管及其尺寸 Fig.6 Actual bends on site and their dimensions

通過計算得知，流經彎管后的流體會產生一個約0.4938N的力作用在管壁上。當沒有直管段消除離心力作用時將對油水混合流體產生分離作用，使進入2根振動管內的介質密度不均衡；同時，由于彎管段與流量計傳感器部分連接過短，此力也會作用到質量流量計內部，導致對流量測量造成嚴重影響。根據科氏力原理可知，流體只要在旋轉管內流動，就會對管壁產生一個作用力，90°的彎頭也相當于一段旋轉管，故必定會產生作用力，導致流量計驅動超限報警[5]，如圖7所示。

圖7 現場質量流量計驅動超限報警 Fig.7 Field mass flow meter drive overrun alarm

4 使用質量管理工具進行誤差修正

根據現場調查分析出的結果和生產狀況實際需求，儀表維修人員針對此問題對質量流量計“驅動增益過大”這個癥結分別就“人機料法環”5個方面進行了原因分析，討論結果歸納整理如圖8所示。

圖8 質量流量計測量偏差過大的原因分析 Fig.8 Cause analysis of excessive measurement deviation of mass flow meter

根據關聯圖分析出以下5項末端因素：

①設備操作方面，員工對設備工作原理理解不透徹，測試分離器液位控制過低，導致氣泡進入液相管線，巡檢不及時，未及時發現設備問題；②流量計密度參數設定未根據現場實際測量介質密度進行修正；③壓力、溫度等超限影響流量計計量情況；④介質黏度、密度等超出流量計使用范圍；⑤油水混輸液體介質不均衡，彎管段對介質密度產生分離效果。

經過以上調查，列出偏差影響因素排列如圖9 所示。

圖9 誤差因素影響占比排列圖 Fig.9 Arrangement chart of influence proportion of error factors

經過排列圖可知質量流量計驅動增益過大是影響其計量偏差的主要因素，密度參數設定值存在偏差為次要因素，2項占比為87%。針對以上要因，小組成員召開討論會，制定出問題解決對策表，如表1所 示。改造前后對比如圖10所示。

表1 問題解決對策表 Tab.1 Problem solving countermeasure table

圖10 改造前后對比圖 Fig.10 Comparison before and after transformation

通過對分離器液位控制的調整、流量計內部密度參數的修正、流量計進口彎頭管線的改造后，經過實際對比發現，質量流量計測量的準確性得到明顯改善，與課題目標進行對比，實際效果如圖11所示。

圖11 對策實施前后對比 Fig.11 Comparison before and after implementation of countermeasures

經過以上3項改進后，計量偏差由原來的30%以上降低到小于1%，如圖12所示，已基本滿足現場實際流量測量的需要。

圖12 解決問題前后對比 Fig.12 Comparison before and after problem solving

5 經驗分享與思考

經過實際現場使用及對本次質量流量計問題進 行解決中發現，測量單一介質流體時，由于密度均勻一致，且在進口處無需直管段要求，均能測量準確。但在測量密度不同、混合輸送的流體中，由于密度、黏度差導致流量計進口彎管對混輸液體產生分離作用；若沒有直管段進行緩沖，會使流經2根傳感器振動管中的流體密度不均，由此會導致比較嚴重的測量誤差；同時，在測試分離器對于井下來液中伴生氣分離不徹底導致的油相流體中含有氣體現象時，也會導致測量精度下降，當2個誤差相疊加后，會導致流量計輸出較大的測量誤差[6]。

在今后的設計建造中，若采用質量流量計作為混合液體測量工具，建議保留5倍以上管道直徑的直管段距離來消除彎管對于混合液體的分離作用，同時，油相質量流量計盡可能采用垂直安裝的方式，以此來減小氣體誤差的干擾。■