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一種關于原油超聲波相關流量計的設計 流量計技術指標

時間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
目前,在油田原油開采中面臨的一個困難問題就是對開采的原油進行在線計量。主要原因是原油的成分非常復雜,原油中含油、水、氣和其他雜質,屬于多相復雜的流體,而且單井原油又是間歇流動,因此一般的流量計是無法滿足的。本文設計了基于超聲波相關流量計算的計量系統(tǒng),較好地解決了原油非接觸在線計量問題。

1、超聲波相關流量計原理

相關法利用相關技術測量流體流量。測量精度與流體中的聲速無關,測量精度高,適用于多相流,干擾大的流體的測量。當流體在管道內流動時,如果含有其他雜質,其內部就存在著各種各樣的隨機擾動,從而產(chǎn)生了與流動狀況有關的流動信號,并具有一定的統(tǒng)計特性。相關法流量計的結構如圖1所示。

A,A’和B,B’是兩組超聲波發(fā)射和接收換能器,L為上游換能器和下游換能器之間的距離。當超聲波信號穿過管道時,超聲波信號會受到流體中噪聲的調制,調制后的超聲波信號中就包含了流體速度場的信息,對此超聲波信號進行分析,提取與流動狀況有關的流動信號A(t)和B(t),且將A(t)和B(t)作相關運算,得到相關函數(shù)RAB(τ):

該函數(shù)峰值所對應的時間位移為τ,就是流體從上游換能器傳遞到下游換能器的時間,即該系統(tǒng)中的傳遞時間(也稱渡越時間)。流速的計算公式為:

根據(jù)流速,進而求得流量:

式中:D為管道的直徑。

2、單井原油超聲波相關流量測量系統(tǒng)結構

如圖1所示,單井流量測量系統(tǒng)主要由氣液分離預處理,超聲波檢測,信號處理三部分構成。下面分別對這三部分進行分析。

2.1氣液分離預處理部分

預處理部分其結構如圖2所示。預處理部分的功能一是進行液氣分離(抽油機抽出的原油中除了油液混合外,還含有氣體和其他雜質,氣體對油液測量會帶來較大的誤差,所以在對油液測量時必須進行氣液分離);二是解決間歇流動時的滿管測量(抽油機工作時每次抽出的原油不等,而且是間歇流動,這樣造成管道中油液可能不是滿管,也會帶來很大的測量誤差)?;谶@些原因在對油液測量前要進行預處理,經(jīng)過預處理后實現(xiàn)氣液分離和油液滿管通過計量油管,減小計量誤差。工作原理是:原油從進油口經(jīng)沉沙罐后進入儲油罐,在儲油罐里進行油氣分離,分離的氣體從儲油罐上閥門(出氣閥)經(jīng)氣管道輸出,當儲油罐中的油液達到一定高度時,浮球上浮打開下閥門(出油閥),同時上閥門封堵氣口,建立壓力,儲油罐中的油在壓力的作用下,通過測量管道流向出油口,當儲油罐中的油液下降到一定的液位時,浮球下沉封堵下閥門,打開上閥門,這樣重復工作完成氣液分離。

2.2超聲波檢測部分

檢測部分主要是由兩對超聲波傳感器構成。超聲波傳感器的檢測是通過超聲波的發(fā)射和接收能量來完成的,核心是換能器(將超聲波能轉換為電能或者將電能轉換為超聲波能,可逆換能器是指以相等的效率對兩種形式的能量做相互轉換的換能器)。常見的換能器有壓電晶體振子、磁致伸縮振子等。用于相關流量測量的超聲波一般有正弦波與脈沖波兩種形式。脈沖超聲波和正弦波的相關流量計都是對流場橫截面的速度信息進行積分而得到流速的。本設計采用壓電晶體超聲波傳感器,中心頻率為200kHz。為了克服駐波影響,超聲波采用鎖相環(huán)脈沖信號發(fā)生器。

2.3信號處理部分

信號處理部分主要由超聲波接收換能器和DSP構成。

信號調理電路由接收換能器、三級放大電路、濾波電路和包絡檢波電路組成。前置放大器由MAX410儀表用放大器模塊構成,二級放大器和末級放大器由INA128精密低功耗儀表用放大器構成;濾波電路是由MAX275模擬集成濾波器構成的一個帶通濾波器,中心頻率為200kHz,由TL14構成低通濾波器,主要取出檢波后的信號,包絡檢波電路由二極管和電容構成峰值檢波器。

另一部分是由DSP模塊組成的數(shù)據(jù)采集處理電路。該電路選用TI公司的TMS320F2812DSP芯片。在目前過程控制領域中,它是先進的DSP微處理器,與傳統(tǒng)的單片機相比,它具有功能強、資源豐富、功耗低等突出的性能。具有完美的性能并綜合較佳的外設接口,它集成了閃存、高速A/D轉換器、高性能的CAN模塊等。

測量時,上、下游發(fā)射換能器發(fā)射出高頻超聲波,超聲波在流體中傳播時,流動信號對超聲波會產(chǎn)生幅值、相位和頻率調制,接收換能器接收的高頻調制信號,經(jīng)濾波和放大后進行解調,獲得流動信號,送至A/D轉換器進行數(shù)據(jù)采集,采集的信息送至DSP進行相關處理,獲得流體的流量。

3、系統(tǒng)程序設計

軟件系統(tǒng)包括DSP初始化、計算模塊、流量顯示、中斷處理模塊等部分。

主程序流程圖如圖3所示,主程序完成初始化后,進入一個循環(huán)程序,對采樣數(shù)據(jù)進行處理,隨時響應外部A/D中斷請求、串口通信中斷請求和定時器中斷請求,同時還要隨時判斷流量顯示定時是否到達。主程序響應以上各中斷請求并調用各個相應的處理程序,完成數(shù)據(jù)的采集和處理。

初始化一方面是設置DSP的工作環(huán)境,另一方面是為后面的信號處理做準備。系統(tǒng)初始化程序包括影響DSP芯片CPU運行的內部初始化和影響各個外設工作的外設初始化,以及外圍可編程器件(如A/D,D/A等)的初始化等幾個方面,具體地說包括以下功能:設置時鐘發(fā)生器,設置定時器,初始化各狀態(tài)寄存器,開中斷等。

中斷處理模塊包括三個中斷:定時器中斷處理模塊用于啟動A/D轉換器和控制采樣頻率,串行通信中斷處理模塊用于與上位機進行通信,A/D中斷處理模塊用于讀取A/D轉換器采樣數(shù)據(jù),其流程圖如圖4所示。


圖4 A/D中斷處理程序流程

顯示模塊定時刷新儀表,顯示瞬時流量值和累積流量值。

系統(tǒng)處理過程為:設定定時周期,定時器產(chǎn)生中斷,此中斷啟動A/D轉換器,轉換結束后,A/D轉換器向DSP請求讀取數(shù)據(jù)中斷,DSP響應A/D轉換器中斷請求,調用A/D中斷處理模塊,讀取采樣數(shù)據(jù),送入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。由于流體是間歇流動,所以DSP接收到上、下游信號的N點數(shù)據(jù)后,對數(shù)據(jù)進行傅里葉分析,判斷流體是否流動,如流動則調用計算程序,對采樣數(shù)據(jù)進行相關運算,尋找相關函數(shù)的峰值,確定渡越時間T,并根據(jù)儀表參數(shù)、溫度補償,獲得瞬時流量值和累積流量值,并將結果存于數(shù)據(jù)存儲單元,供顯示儀表顯示。

在相關流量測量中,關鍵問題之一是相關函數(shù)的計算方法,要求能高速、準確地完成對大量的隨機調制信號的采集、相關積分運算和相關函數(shù)的峰值搜索。相關函數(shù)的算法主要有極性重合法和零點穿越法兩種。為了提高運算速度,本系統(tǒng)采用頻域中的相關運算。輸入的數(shù)據(jù)通過FFT變換后,即可求出頻域中的相關運算。然后通過IFFT可得到時域中的相關結果,可以用來進行峰值搜索。

4、結語

在分析油田單井工況和相關流量測量原理的基礎上,設計出一種適合單井原油計量的裝置,經(jīng)現(xiàn)場測試取得了較好的效果,其誤差小于2%。但還存在以下幾個問題:一是信號的起伏較大,主要是原油中含氣,含雜質不定,所以造成了信號差別大,需要檢測電路增加AGC電路。二是修正系數(shù)的整定困難,不同的井含水量不同,油液的粘度差別很大,同時在不同的溫度下,油液的流動性差別也很大,所以要在不同的環(huán)境下多次調整修正系數(shù),給使用帶來不便。三是在流速較低時誤差比較大。這些都是今后研究中要加以改進的方面。



    合理選用與正確安裝電磁流量計,對保證測量準確度、延長儀表的使用壽命都是很重要的。


    下面就電磁流量計的選用原則,安裝條件與使用注意事項做簡單介紹:


    電磁流量計的選用,主要是變送器的正確選用,而轉換器只需要與之配套就可以。


    變送器的量程可以根據(jù)兩條原則來選擇:


    儀表滿量程大于預計的最大流量值;正常流量大于儀表滿量程的60%,以保證一定的測量精度。


    口徑與量程的選擇


    變送器口徑通常選用與管道系統(tǒng)相同的口徑.如果管道系統(tǒng)有待設計;


    則可根據(jù)流量范圍和流速來選擇口徑.對于電磁流量計來說,在特殊情況下,如液體中帶有固體顆粒,考慮到磨損的情況。





電磁流量計的相關問題處理

    電磁流量計,大家應該都不陌生,但是看起來挺簡單的東西,一個頭一個圈,其實里面有很多的奧秘所在,也經(jīng)常會出現(xiàn)問題關!

    今天我們就結合現(xiàn)場實例來分析分析遇到問題時該如何處理。

    待測液體中含有氣泡

    這算是一種常見現(xiàn)象,有外界吸入的也有內部液體溶解所致,但電磁流量計是區(qū)分不出液體還是氣泡的,所以將其一并計算測量就會產(chǎn)生誤差。

    解決方法:

    1.不易安裝在管道的高點,更換安裝位置。

    2.如安裝位置不易更換,可在流量計上游安裝集氣器,定期排氣。

    待測液體非滿管

    可以說,非滿管是含有氣泡的一種極端情況,既是管內液體未滿,頂部又含有大量氣泡,如果液體還沒沒過電極,那測量結果就會大打折扣。這當屬工程設計之誤。

    解決方法:

    主要為正確安裝電磁流量計的安裝圖,牢記它準沒錯。

    導電沉積層短路效應

    由于導電物質是逐漸沉積,流量信號出現(xiàn)短路現(xiàn)象。本類故障通常不會出現(xiàn)在調試期,而要運行一段時期后才顯露出來。

    解決方法:

    將流量計拆卸下來,清洗絕緣層,大部分都是出現(xiàn)黃銹,而這是電解液中大量氧化鐵沉積所致。凡是開始運行正常,隨著時間推移,流量顯示越來越小,就應分析有此類故障的可能性。

    遇到結晶液體

    在選型時,大家經(jīng)常會遇到介質是容易結晶的物料。雖然大部分物料在正常溫度下能夠正常測量,并且導管具有伴熱保溫效果。

    但是流量計內部的傳感器測量管不含此功能,所以經(jīng)常性的流體流過測量管時因降溫而引起內壁結上一層固體。

    解決方法:

    1.盡量選擇測量管小的流量計。

    2.拆卸比較復雜,不建議選擇此種流量計。

    液體電導率超過允許范圍

    由于電極的輸出阻抗是由被測液體電導率和電極大小決定的,所以當電導率低于下限值時,儀器不能正常工作,示值出現(xiàn)晃動現(xiàn)象。

    解決方法:根據(jù)上述問題,工廠更換鉭電極電磁流量計后工作正常

    1.選用其它滿足要求的低電導率電磁流量計,如電容式電磁流量計

    2.選用其它原理流量計,如孔板等

    空間電磁波干擾

    一般來說,如果傳感器與轉換器間的電纜較長且周圍有強電磁干擾,則電纜可能引入干擾信號,形成共模干擾,造成顯示失真、非線性或大幅晃動。

    解決方法:

    1.盡量遠離強磁場(如大電機、大變壓器和電力電纜附近)。

    2.盡量縮短電纜長度,采用屏蔽措施。

    待測流體非對稱流動

    正常情況下,要求流體在管道內流速為軸對稱分布,磁場均勻。而實際上常會出現(xiàn)非軸對稱流速分布,當出現(xiàn)旋渦流時,對輸出會產(chǎn)生影響從而產(chǎn)生誤差。

    解決方法

    1.上游有足夠的直管段,以保證流速按同心圓分布。

    2.流量計內徑應與上下游一定范圍內的管道內徑相同,否則會使流速分布不均勻。

    3.如果上游直管段不足,可安裝流量調節(jié)器,這樣只能作部分補償。

    安裝點震動問題

    電磁流量計對于安裝點的振動有嚴格的要求,必須安裝在振動小的地方,否則一定會產(chǎn)生誤差。

標簽: 電磁流量計
電磁流量計 電磁流量計的相關問題處理_電磁流量計

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