油气流量测量仪表校准与在线实流检定

学术论文 2018-06-29 15:40:06
  流量测量仪表的检定是保证流量准确质量值的重要的步骤,因为通过流量测量仪表测定的流质是多相流动,如油田开采油井中的油水两相流或者油、气、水三相流,在这些流动的流质中,对多相流体的温度、压力、流量和密度等流动参数的值都会很大程度的影响流量测量仪表测量的值[3]。但由于目前技术上的欠缺,这些多相流参数如流量、浓度和流型识别等问题还没有得到解决。相是指某一系统中具有相同物理、化学性质相同成分的均匀物质,相之间存在界面。宏观上自然界的物质分为气相、液相和固相。单相物质的流动称为单相流,大庆油井的原油是多相流,多相流在大庆油井生产过程中是复杂的。多相流动的一个重要的特点就是流动的相与相之间有一个界面,各相分界面随着流量、流体的特性、管道的尺寸等各种因素而变化[2]。这些特点造成了两相流问题的复杂性要远远高于单相流问题。对于油气水三相流测量,目前虽然已经研制出了可以在工业现场应用的流量计,但是还没有研制出适合于任意流型、不确定性满足+5%、任意相范围的流量计[002]。因此通常用实流检定和干式检定(干检)两种方式进行检定。实流检定是在检定过程中让试验流体流过被检流量仪表,并以流量标准装置来评定流量仪表的准确度等计量性能,或对流量仪表进行校准或定度,并确定其是否合格。在干检过程中,并没有试验流体流过被检流量仪表,干检属于间接的组合测量方法,省去了实流测试过程,但是它只能给出流量测量的不确定度范围,不能对流量仪表进行校准或定度。 
  1、流量测量仪表在线实流检定的技术难度 
  由于多相流在管道中流动的复杂性,到目前为止,国内、外对油、气、水三相流的研究还在探索中,对于任何一种流量测量仪表对流质的测量方法都需要利用在线实流检定,特别是对于三相流流量的实时在线测量问题,至今仍在学术界探讨中。而三相流实验装置是研究油、气、水多相流问题的重要手段,无论是对理论问题的研究,还是对实际操作数据的验证,都占有着重要的地位。可在技术上与单相流相比三相流技术难度很大,它的主要难度表现在[29]: 
  第一,多相流中不同介质间的滑动产生的分子间力,增加了测量的难度;第二,多相流中各相的颗粒大小不是均匀的,各相的体积百分数也不是同一的,都在很宽的范围内变化,它们会引起流质及流动结构的很大变化,势必引起测量的结果;第三,在原油的多相流中,各相间的相对速度在同一条件下也必然存在差异,这种差异必然会引起流质流动的变化;第四,各相的物理性质如密度、粘度和两相界面的表面张力都会影响多相流动的测定;第五,在原油中各相的性质、含量及流动参数制约着流动型态,不同的流动型态有不同的参数;第六;两相之间存在着水力学和热力学的不平衡状态,同时,相与相之间还存在传热和传质化学反应给测定带来的影响。 
  显然,在大庆原油多相流测定中的不确定参数多,相间存在变动界面以及非平衡效应,由于这些因素使得多相流在测量中的难度加大,给生产实际数据的获得带来很大难度。而纯理论分析方法只能用于有限的情况,而大多数情况需要用实验的手段来加以研究。因此,试验方法和检测技术非常重要。 
  2、在线实流检定和参数影响的修正 
  2.1多相流的研究和处理方法 
  随着高科技的发展,对原油多相流的实验和理论研究在世界科技界已得到进步,可以解决工程技术中设计和运行问题,奠定开展了研究和探索的基础。但是,由于多相流质固有复杂性、多样性、随机性以及到目前为止尤其量测量仪表的局限性,实验研究需要将简单几何构形的元器件或设备提高到计算机控制的领域。尤其是至今对多相流流动特性、密度、质量、动量和能量传递以及其他重要现象的分析在计量学领域还存在着许多分歧。至今还难于将多相流动的实验结果和理论分析归纳起来并概括到理论高度,至今还只好采用基于实验数据的经验式或半经验式,来处理分析测量计测得的数据或者直接进行模拟实验研究。 
  目前研究和应用中涉及的多相流是管内流动。多相流发展至今仍然以实验为主,研究方法分为两类:一类是实验关系式法,将实验数据以一定方式关联成经验关系式,然后由内插或外推应用于实践,由于许多两相流动现象、机理和过程目前还不清楚,许多工程设计都只能依靠大量观察和测量建立起来的经验关系式,因此,实验研究与测量在多相流领域目前仍占据着无可替代的首要地位,按经验或半经验处理方法所得到的关系式或曲线,一般都便于工程的实际应用;另一种方法是机理建模方法,根据两相流动本质特征划分流型,针对特定流型解决实际问题,根据各种流型的特点分析其流动特性并建立关系式。但是,由于对大庆原油测量操作条件的复杂性和多变性,利用离线检定得到的数据不能与实际操作条件相同,只有利用在线实流检定才能得到高准确度的测量问题,否则就要考虑人为的附加误差加以修正。 
  2.3安装条件对流量测量仪表检定的影响 
  当实际使用现场的安装条件、操作环境不同于检定条件时,对油井原油的计量会有所变化,给测量结果带来误差。因此,流量测量仪表的安装条件必须注意防止可以带来影响流量仪表的计量性能的因素:例如流量测量仪表的孔板、喷嘴等都要达到充分的速度均匀分布,不能出现流速的畸变、旋涡流和脉动流,当这种影响因素是由来自管路的布控、前后直管段长度以及整流器的安装位置、离脉动源的距离及阻尼方式等。都会影响科氏力质量流量计的测量结果,因此要注意安装不当可能带来的应力,科氏力质量流量计的测定精度受机械震动影响比较敏感,不当的安装方式造成的多余应力会影响到流量计振动管的自由振动,导致流量计的频率输出,机械震动也会干扰输出信号的检测,从而影响流量计的示值。若采用离线检定方式,则很难做到复现生产现场的来流、应力等生产过程中的安装情况,因此,这种测试结果必然会来来偏离实际的结果,它的偏离程度也难以进行量化。只有在线实流检定能将安装条件的影响计入检定结果,对流量测量的实际结果予以修正,实现准确地测量。 
  3、结语 
  (1)尽管有几种不同的流量仪表检定方式可供选择,但干式检定所适用的仪表十分有限,且它只能确定流量测量的不确定度范围,不能直接对流量仪表进行校准或赋值,其最大的优点就是省去了实流检定的过程。(2)流量仪表的离线检定适合与对流量测量准确度要求不十分高的测量场合,它体现了流量溯源的动态特点,但很难做到溯源或传递链的封闭,因为流量仪表的检定条件难于同实际使用条件相一致,选择这种检定方法的代价是所引入的附加误差。(3)从计量学的角度来看,在线实流检定最符合流量量值的动态溯源特征,它充分考虑了物性参数、操作条件、安装条件、环境条件等诸多影响,保证检定条件与实际使用条件的充分一致,在原油、成品油、天然气贸易计量中应尽可能采用这种检定方法。
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