摘 要： 主要針對(duì)國(guó)內(nèi)能夠用于測(cè)量油田中的高溫高壓飽和蒸汽質(zhì)量流量的流量計(jì)，綜述這些流量計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀、優(yōu)缺點(diǎn)、存在的問(wèn)題、需要改進(jìn)的地方以及其發(fā)展前景。一些前人在測(cè)量高溫高壓飽和蒸汽這種兩相流體所做的實(shí)驗(yàn)探討。
關(guān)鍵字： 流量計(jì)；飽和蒸汽；干度；測(cè)量
隨著我國(guó)石油工業(yè)的大規(guī)模發(fā)展，在石油開采中，需要注入高溫高壓高干度飽和水蒸氣以提高原油采收率和油汽比，為了提高稠油熱采經(jīng)濟(jì)效益，需要精確測(cè)量飽和蒸汽的質(zhì)量流量。
蒸汽流量測(cè)量在20世紀(jì)80年代以前普遍采用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，但從流量計(jì)儀表發(fā)展?fàn)顩r來(lái)看，它的應(yīng)用已經(jīng)被很多流量計(jì)所取代，隨著科技的發(fā)展它的不足之處也都顯現(xiàn)了出來(lái)。目前，國(guó)際上測(cè)量飽和蒸汽的質(zhì)量流量計(jì)還是一個(gè)很大的難題。國(guó)外普遍使用的蒸汽質(zhì)量流量計(jì)，只能用來(lái)測(cè)量高溫高壓氣體的質(zhì)量流量。但是對(duì)于飽和蒸汽的流量測(cè)量，其精度不高，能量損失也比較大。工程上對(duì)于測(cè)量飽和蒸汽常用的解決方案是分離法，用汽水分離器分離成單相流體，再用單項(xiàng)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。但此方法中的汽水分離器價(jià)格昂貴，油田上使用這種設(shè)備也不是一臺(tái)兩臺(tái)就能解決的問(wèn)題，所以從造價(jià)上就限制了它的使用。
因此人們一直都在致力于直接用來(lái)測(cè)量飽和蒸汽的質(zhì)量流量計(jì)，現(xiàn)如今市場(chǎng)上制造的很多種類的流量計(jì)一般都是測(cè)量單相流體；也有一些可以測(cè)量?jī)上嗔黧w的流量計(jì)，但技術(shù)還都很不成熟。下面就來(lái)介紹一下目前我國(guó)常用來(lái)測(cè)量飽和蒸汽質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展?fàn)顩r。
1 渦街流量計(jì)
1.1 渦街流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
測(cè)量飽和蒸汽的流量計(jì)。因無(wú)可動(dòng)部件，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢固，安裝維修方便，維護(hù)費(fèi)低，應(yīng)用范圍廣，壓力損失小，量程范圍寬，對(duì)飽和蒸汽測(cè)量量程比可達(dá)到30∶1等優(yōu)點(diǎn)，使它的使用越來(lái)越普遍化。
1.2 渦街流量計(jì)的缺點(diǎn)
它的使用也受一些條件的限制，必須遠(yuǎn)離振動(dòng)源和電磁干擾較強(qiáng)的地方、對(duì)于直管段的配置前后直管段要求滿足渦街流量計(jì)的要求、在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)流量計(jì)出口通向大氣、干度的變化、壓力的經(jīng)常波動(dòng)都會(huì)直接影響流量值的測(cè)量，最主要的一個(gè)問(wèn)題是不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性。
1.3 應(yīng)對(duì)措施
對(duì)于干度問(wèn)題，遇到蒸汽干度低于85%的情況，目前的解決方法是在流量計(jì)出口側(cè)安裝溫度變送器，但在實(shí)際工況確定蒸汽的干度也很困難，如果能夠改進(jìn)蒸汽流量計(jì)入口處的蒸汽品質(zhì)，則能改進(jìn)蒸汽流量計(jì)的測(cè)量精度，油田中對(duì)于飽和蒸汽干度的測(cè)量常用熱力學(xué)方法，而熱力學(xué)中的凝結(jié)法是現(xiàn)如今比較可行的一種測(cè)量干度的方法；對(duì)于干擾問(wèn)題，應(yīng)對(duì)流量計(jì)前后管道作可靠的支撐設(shè)計(jì)。如管道振動(dòng)不可避免，應(yīng)采用抗*力強(qiáng)的差壓式流量計(jì)；對(duì)于流量計(jì)出口側(cè)通向大氣的問(wèn)題，解決方法是限制飽和蒸汽流速使之低于上限或在上游側(cè)前面加整流器，有條件的也可以采用提高背壓的方法；對(duì)于壓力的經(jīng)常波動(dòng)，利用飽和蒸汽的密度與蒸汽的壓力或蒸汽的工作溫度之間一一對(duì)應(yīng)的特點(diǎn)，通過(guò)壓力或溫度參數(shù)間接修正流量計(jì)顯示出的數(shù)值，現(xiàn)在市場(chǎng)上的智能流量積算儀采用高性能AT89C52單片機(jī)來(lái)測(cè)量飽和蒸汽的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量[7]，并能自動(dòng)補(bǔ)償溫度和壓力的變化。
以上各種方法雖然解決了使用渦街流量計(jì)中出現(xiàn)的問(wèn)題，但是同時(shí)也增大了各種儀器間所帶來(lái)的誤差，據(jù)各單位反應(yīng)也增加了用戶的工作量，因此希望設(shè)計(jì)人員能夠開發(fā)出更為*的儀表來(lái)測(cè)量飽和蒸汽的質(zhì)量流量。盡管存在種種問(wèn)題，但是其發(fā)展迅速，在測(cè)量飽和蒸汽質(zhì)量流量的方面目前已成為通用的一類流量計(jì)。對(duì)于蒸汽測(cè)量的在線適時(shí)補(bǔ)償和計(jì)算公式的修正問(wèn)題，中石化公司所采用的三合一式多變量智能變送器將壓阻式絕壓傳感器、電容式差壓傳感器、和四線制式RTD溫度模塊和為一體，傳感器的電子電路將過(guò)程變量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字變量，可在傳感器內(nèi)進(jìn)行修正和補(bǔ)償，并有效地解決了這一問(wèn)題，而且不需要另配壓力變送器和流量積算儀，簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)的可維護(hù)性、可操作性、測(cè)量準(zhǔn)確度。但是在應(yīng)用中也存在一定的問(wèn)題，當(dāng)智能差壓變送選用的差壓量程檔較低時(shí)，對(duì)測(cè)量管路的要求較高，任何細(xì)微的漏洞都會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生明顯的影響。對(duì)流量的校驗(yàn)只能依賴現(xiàn)有軟件中的流量計(jì)算模型進(jìn)行演算，模型本身的準(zhǔn)確度如何，目前國(guó)家還沒有相關(guān)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。軟件版本的升級(jí)較快，因此限制了產(chǎn)品的推廣和使用，對(duì)用戶也造成了一定的困難。
渦街流量計(jì)在測(cè)量飽和蒸汽的方面還是正處于發(fā)展中的流量計(jì)，無(wú)論是理論基礎(chǔ)還是實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)都還存在一定的缺陷。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)需要通過(guò)長(zhǎng)期的積累才能夠使它更加完善，因此，渦街流量計(jì)的基礎(chǔ)研究工作必須跟上，否則在使用中會(huì)出現(xiàn)很多意想不到的問(wèn)題。近些年國(guó)內(nèi)外工作者運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，微電子技術(shù)以及*的制造技術(shù)，在渦街流量計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果。國(guó)內(nèi)外科研工作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真在改善旋渦發(fā)生體形狀和多旋渦發(fā)生體方面進(jìn)行了一些有益的探索。
2 威力巴流量計(jì)
2.1 威力巴流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
是較為理想的插入式差壓流量計(jì)，它是在阿牛巴流量計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。其探頭是*符合空氣動(dòng)力學(xué)的原理設(shè)計(jì)而成的，測(cè)量原理和其他差壓式流量計(jì)相同。它在設(shè)計(jì)上采用一體化的頭型探頭，并且結(jié)構(gòu)上無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，強(qiáng)度大，不易磨損，取壓孔避開了漩渦發(fā)生區(qū)，使信號(hào)穩(wěn)定無(wú)脈動(dòng)。還可以減少壓力損失以及防本質(zhì)的堵塞及泄漏現(xiàn)象，維護(hù)費(fèi)用相對(duì)于孔板較小十倍以上，已經(jīng)取得了較顯著的經(jīng)濟(jì)效益，測(cè)量的壓差也較低。
在測(cè)量飽和蒸汽方面存在的優(yōu)點(diǎn)是：安裝方便，基本免維護(hù)，可在線安裝和檢修，但安裝比較嚴(yán)格、量程比大、泄漏點(diǎn)少、信號(hào)穩(wěn)定、波動(dòng)小、壓損小，熱量消耗少，基本不需檢修維護(hù)等特點(diǎn)，有些公司應(yīng)用它得出的結(jié)論是穩(wěn)定可靠，測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，能夠達(dá)到計(jì)量精度的要求?？梢愿鶕?jù)現(xiàn)有用氣量大小的工藝管道口徑來(lái)選擇探頭，不必如渦街流量計(jì)必須考慮滿足流體流速不得低于5m/s的要求，的優(yōu)點(diǎn)是輸出一個(gè)非常穩(wěn)定的、無(wú)脈動(dòng)的差壓信號(hào)。
2.2 威力巴流量計(jì)的缺點(diǎn)
在測(cè)量飽和蒸汽時(shí)由于壓力和溫度的變化，會(huì)引起測(cè)量介質(zhì)的密度變化，而它是依體積流量來(lái)計(jì)算為質(zhì)量流量的，因此需要考慮進(jìn)行對(duì)測(cè)量介質(zhì)的壓力、溫度進(jìn)行補(bǔ)償以消除對(duì)流量變化的影響，而且它的價(jià)格目前來(lái)說(shuō)還是比較昂貴。但是它的技術(shù)現(xiàn)在在油田方面測(cè)量飽和蒸汽還不是很成熟，在測(cè)量蒸汽方面對(duì)于高壓這一問(wèn)題就很難解決。因此需要威力巴的研究人員能夠克服這一難點(diǎn)，才能廣泛應(yīng)用于油田方面。
3 超聲波流量計(jì)
3.1 超聲波流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
近年來(lái)超聲波流量計(jì)在國(guó)外取得理論和實(shí)踐成功的基礎(chǔ)上，也積極投身國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。在石油領(lǐng)域，成為新型流量計(jì)的主要品種之一。也可以用來(lái)測(cè)量蒸汽的質(zhì)量流量，但前提條件是必須蒸汽干度達(dá)到95%以上，這對(duì)油田來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的難度，因此要想使用氣體超聲波流量計(jì)來(lái)測(cè)量蒸汽的質(zhì)量流量必須首先提高蒸汽的干度。他的檢測(cè)方式分為傳播速度差法，多普勒法，波速偏移法，噪聲法，相關(guān)法等。由于是非接觸式儀表，可以不受流體的壓力，溫度，粘度和密度的影響相比較而言超聲波流量計(jì)存在很多優(yōu)點(diǎn)，量程比很大，沒有壓損，維修維護(hù)率很低，精度很高，工藝管路復(fù)雜程度也很低。
3.2 超聲波流量計(jì)的缺點(diǎn)
它所測(cè)流體溫度范圍受超聲波換能器及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測(cè)流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全等等因素，另外它的測(cè)量線路比一般流量計(jì)復(fù)雜，因此只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前提下才能得到實(shí)際的應(yīng)用?？傮w來(lái)說(shuō)技術(shù)還是不夠完善，因此現(xiàn)在市場(chǎng)上也限制了它的使用。目前我國(guó)只能用于測(cè)量200℃以下的流體。近年來(lái)它也是發(fā)展迅速的流量計(jì)之一。
4 分流旋翼式流量計(jì)
4.1 分流旋翼式流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)
與差壓流量計(jì)一樣，都采用了標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流，不用外接電源和二次儀表，能在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)傳顯示蒸汽質(zhì)量流量的累計(jì)或瞬時(shí)值。需要壓力補(bǔ)償裝置，也可以測(cè)量飽和蒸汽的質(zhì)量流量。
4.2 分流旋翼式流量計(jì)的缺點(diǎn)
但是飽和蒸汽的密度必須一致，在流量計(jì)的前端一般要求安裝過(guò)濾器，并且需要正確選擇流量計(jì)的規(guī)格，還需定期的檢修和維護(hù)，但是最主要的一點(diǎn)是它的被測(cè)飽和蒸汽的干度為1，這在油田方面幾乎不可能達(dá)到的技術(shù)，而且它的工作壓力也很低。種種條件限制了它在油田方面的應(yīng)用。因此只適用于中小企業(yè)的蒸汽計(jì)量。
5 國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)研究
在我國(guó)國(guó)內(nèi)的實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)于氣液兩相流的復(fù)雜性我國(guó)可以直接測(cè)量出它的流量的實(shí)驗(yàn)，中國(guó)石油大學(xué)的萬(wàn)勇等所編著的新型氣液兩相流的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)中，對(duì)水和空氣所進(jìn)行的研究，提出了測(cè)量?jī)上嗔鞯囊环N新的流量計(jì)，取得了不錯(cuò)的實(shí)驗(yàn)效果。西安交通大學(xué)的王棟、林宗虎所研究的氣液兩相流體流量的分流分項(xiàng)測(cè)量方法，將兩相流變成單相流體， 取代昂貴的汽水分離器的方法，試驗(yàn)中也取得了不錯(cuò)的效果。
6 結(jié)束語(yǔ)
從目前來(lái)看，使用質(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)量飽和蒸汽還有很多問(wèn)題需要解決，對(duì)于質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)、維護(hù)、安裝、使用、檢定等需要有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)執(zhí)行，而且無(wú)論是哪種流量計(jì)，在測(cè)量飽和蒸汽方面都要求干度值非常高，因此要想是測(cè)量值更加準(zhǔn)確最可行的方法是提高蒸汽干度，這樣在油田方面可供選擇的流量計(jì)的范圍就廣一些。目前對(duì)于飽和蒸汽流量的測(cè)量還有待于進(jìn)一步研究，各種流量計(jì)還都有待于進(jìn)一步完善。
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