孔板流量计在长北气田的应用

綦宝朋

中油辽河工程有限公司

长北气田的井丛控制系统分为井口部分、汇管部分、注甲醇和注缓蚀剂部分、预留部分以及分散控制系统DCS 组成。井口部分使用大小孔板流量计，井丛运行前期流量较小，采用小孔板用于检测流量，待生产稳定之后，天然气流量增大，运用大孔板用于检测流量。

进入了21 世纪，测控技术随着自动化技术以及机电一体化的潮流而日益发展。一般的机电一体化系统是由传感系统、能源系统、信息处理系统、机械结构等部件组成的。测量技术是机电一体化重要的的组成部分。

工程概况

长北气田开发项目丛式井和汇管工程井丛是中国石油与英国壳牌石油公司合作开发的，位于陕西省榆林市。从油田的现状来看，机电一体化技术还没有达到广泛应用的地步。油田的自动化程度越来越高，测控技术已经在油田建设中发挥着举足轻重的作用。

长北气田井丛工艺原理如图1 所示。

长北气田一个井丛一般包括3 口单井。每单井采出的天然气经过注甲醇和缓蚀剂的处理后，再将处理过的天然气进行节流调压汇入井丛汇管外输至中央处理厂（CPF）。一般而言，一个大的中央处理厂（CPF）能接收30～40个井丛的外输天然气，能接收大概100 多口井的外输天然气。每口单井采气树设置压力参数检测设备，一旦井下的压力过高或者压力变化过于迅速，井下的压力变送器将压力信号及时的将井底和井口的压力参数上传至井丛控制室内的分散控制系统DCS 上。分散控制系统DCS 将会发出命令根据压力的升高情况和变化速率，决定关闭井底安全阀，还是井口安全阀，或者同时关闭井底和井口安全阀确保采气树的安全，保证安全生产。井下的压力变送器就像观察井下情况的眼睛和耳朵，时时检测井下压力参数的变化情况，输送出4～20mA 的电流信号，一旦达到危险地极限，及时通知井丛的大脑-分散控制系统DCS，由分散控制系统DCS，做出判断，并且依据所做出的判断，来下达相应的指令。

图1 长北气田井丛工艺原理图

流量计比选

每单井井口流量检测并远传，高、低流量报警信号传入分散控制系统DCS 中，如果流量过低联锁控制节流阀，适当的控制节流阀的开度，保持流量的稳定性。

各类流量仪表都有自己的特点。选型的目的就是为了在众多的产品中选出最适合工况条件的仪表。要想选择最佳的仪表，必须从仪表本身和被测对象两方面考虑。首先当然要确认仪表安装的必要性，工程实际中是否真的需要安装流量仪表。确定了必要性之后，如果只希望知道流体在管道中是否流动和大体流量值，采用价格低廉的流量指示器即可。其次，了解流体的特性和参数，初选流量测量的方法和仪表。除了一些非常明显不合适的仪表类型之外，余下几种方案进行下一步深入的比较。分析主要从五个方面进行的，即仪表的性能，流体特性方面，安装条件方面，环境条件方面和经济因素等。

气体流量计的种类非常多，但是常用的有以孔板为代表的节流装置，涡街，金属管浮子，旋进旋涡和气体涡轮流量计。由于以上几种流量计的原理不同，所以它们所测量的流量下限要求不同，精度不同，价格也不相同。

孔板流量计测量气体时压力损失大，对流量下限有一定要求，它适用于测量精度要求不高，介质流量正常的场所。

涡街流量计对气体介质流量下限有一定要求，如果流量正常它的测量精度完全可以满足。

金属管浮子流量计对压力有一定要求，压力过小，浮子将无法工作，它可以用于测量流量较小的介质，但由于的它的管径最大只能做DN150，所以它不能测量大口径管道气体流量。

旋进旋涡流量计主要用于天然气的测量，主要优点是没有机械转动部件，不易腐蚀、可靠度高、稳定性好，长期工作无须维护。但是旋进漩涡流量计测量含水、含油、含沙的天然气较为困难，并且测量的高流量的天然气显得力不从心。

气体涡轮流量计也是主要用于天然气介质测量是一种速度式仪表，对安装有直管段要求。测量精度比较准确，但是气体涡轮流量计里面有可疑快速转动的气体涡轮，所以使用时间长之后，气体涡轮容易磨损，造成计量不准确。如果天然气介质内含有较多的杂质，容易损坏气体涡轮。

孔板，涡街可以用于各种口径管道气体介质测量，只是对流量下限有一定要求，金属管浮子流量计可用于DN150 以下管道介质测量。

综合以上的考虑以及长北的现场实际情况。从长北气田井口出来的天然气，比较容易含水、含油、含气。杂质成分比较复杂。并且投产初期天然气产量比较小，随着逐步的开发和生产稳定，天然气的产量逐渐达到峰值，之后随着生产的进一步深入，井口天然气产量逐渐进入衰竭期。也就是说天然气产量要经历低-高-低的过程。对于流量计的算则就非常困难。因为每种流量计都有自己的固定量程。如果用测量低流量的流量计，那么天然气产量达到峰值的时候，低流量流量计将无法测量天然气产量。如果用测量高流量的流量计，那么天然气产量比较小的时候，高流量流量计将计量不准确或者根本无法计量天然气产量。

孔板流量计

针对工程实际情况，长北气田井丛天然气流量测量使用了带两块孔板，可以在线更换的的孔板流量计。小孔板主要针对生产前期和后期，天然气流量比较小的情况。而大孔板主要针对天然气生产达到峰值，天然气流量非常大的情况。根据孔板口径计算公式：

Q v=CεA/sqr（2ΔP/（1-β4）/ρ1）

其中：C——流出系数；

E——可膨胀系数；

A——节流件开孔截面积，m2；

ΔP——节流装置输出的差压，Pa；

β——直径比；

ρ1——被测流体在I-I 处的密度，kg/m3；

Qv——体积流量，m3/h。

标准孔板的流出系数C 由里德-哈利斯、加拉赫（Reader-Harris/ Gallagher）公式确定。在保持管径不变的情况下，只需要改变孔板的开孔尺寸，就可以改变测量范围。这样就极大的提高了测量的准确度。并且巧妙的躲开了孔板流量计量程比只有3：1，测量范围窄的问题。虽然孔板流量计现场安装条件要求比较高，需要比较长的的直管段，但是长北气田井丛的厂区非常大，能够提供比较长的直接管段。这个问题可以解决。孔板的检测件与差压显示仪表之间的引压管线是比较薄弱的环节，比较容易产生泄露、冻堵、冻结及信号失真等故障。选择质量可靠的引压管和电缆，并且要求现场施工的工人按照国家的标准安装方式安装，避免今后运行中的隐患。

结语

孔板流量计的许多优点在长北气田的井丛可以得以充分的展示。易于复制，简单，牢固，性能稳定可靠，价格低廉，使用期限长，标准型的检测件为全世界通用，国际标准化组织和国际计量组织均认可的产品。而且孔板无须个别校准，维护成本很低，对于介质的洁净程度要求不是很高。这都非常符合现场的实际需要。大小两块孔板可以实现在线更换，降低了操作难度，降低了维护成本。可换孔板的流量计的使用，提高了计量精度，降低了投资成本。始终可以使孔板流量计保持高效、稳定、低成本的运行状态。