孔板流量计误差分析与改进措施

郑 武

(中海石油(中国)有限公司天津分公司辽东作业公司 天津300457)

1 孔板流量计工作原理

孔板流量计具有结构简单、安装简便、使用可靠性高等特点，是海上油田油气井计量时最常用的流量计。它是由节流装置(孔板)、取压装置、紧固装置和附件组成。孔板流量计的工作原理是利用流体节流的原理，也就是当充满管道的流体流经管道内的节流装置时，流体将在节流件处形成局部收缩，从而使流体的流速增加，静压力降低，于是在节流件前后产生了静压力差。由于其与流量存在着一定的函数关系，流体的流速越大，产生的压差也越大，可通过孔板前后两端的取压装置将差压信号传送给差压变送器，再转换成模拟信号输出，通过远程的流量计算仪，实现流体流量的计量(图1)。

这种测量流量的方法以水力学的能量守恒定律和流动连续性方程为基础。

图1 孔板工作原理Fig.1 Working principle of orifice

天然气质量流量计算基本公式：

式中：mq为天然气质量流量；1ρ为天然气在操作条件下上游取压孔处的密度，可通过计算或实测得出；C 为流出系数；β 为直径比，/dDβ=；d为操作条件孔板开孔直径；D为操作条件上游测量管内径；ε为可膨胀性系数；pΔ为上下游取压孔位置上所取得的静压力差。

按天然气在操作条件下和在标准参比条件下密度与其温度、压力的关系，并引入与干空气的相对性推导计算实用公式。

天然气在标准参比条件下的体积流量计算实用公式：

式中：qvn为天然气在标准参比条件下的体积流量；Avn为体积流量计量系数(其值视计量单位而定，秒体积流量(m3/s)计量系数为 3.179×10-6)；E 为渐近速度系数；FG为相对密度系数；FZ为超压缩系数；FT为流动温度系数；P1为孔板上游侧取压孔气流绝对静压。

由上述公式可以看出，气体的体积流量 qvn与孔板开孔直径d、上下游取压孔位置上所取得的静压力差Δp有着密切的关系。

2 计量误差的原因分析

2.1 流量计安装不合理

孔板流量计的安装应符合相应的安装规范。根据 GB/T 21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》，节流装置应安装在2段具有等直径的圆形横截面的直管段之间，毗邻孔板的上、下游直管段应符合一定的技术要求。一般情况下，海上油田孔板安装要求为：毗邻孔板的上游直管段长度应为 10D(D为测量管内径)，下游直管段长度应为 5D。在实际安装的过程中基本可以满足要求，但往往一些细节问题会被忽视，也会造成安装误差，如：直管段内壁粗糙度不符合要求，引起误差；施工人员领料、用料不符合规范，实际安装管道与设计要求不符等。

2.2 取压与气流异常

从地层中开采出的原油进入油井计量分离器进行油气水三相分离，这一过程中，当出现天然气气液分离效果不好或分离器内部结构件(波纹板、捕雾器)故障破损时，也会产生不利的影响因素。如：①会使导压管路、测量腔室在长时间使用中产生积水、积油现象，严重的情况下原油中的油泥及颗粒也会进入导压管，发生堵塞，从而影响计取压的准确性，造成计量误差(图2)；②在冬季，环境气温较低时，有可能会使积液产生冻堵，此时流量计也不能真实地反映出孔板的前后压差，造成计量数据不准确；③仪表变送器经过长期使用，会发生相应的零点漂移，造成测量数据偏差。

图2 孔板油泥污垢Fig.2 Orifice fouling

依据 GB/T 21446—2008《用标准孔板流量计测量天然气流量》，气流通过孔板的流动应保持亚音速，是稳定或仅随时间缓慢变化的，应避免脉动气流。当不能满足孔板安装直管段的长度要求时，应安装阻流件及流动调整器，以确保气流的稳定。

2.3 测量范围选择不合理

在正常生产中，由于油藏属性、地层能量、开采方式等的不同，每口油井的生产状态与产量也会不同。单一开口尺寸的孔板流量计的计量范围是固定的，一般情况下常用孔板的量程比为1∶3。实际操作中，应根据油井的开发生产方案中的预测产气量或已知产气量选择与之相适应的孔板进行油井的计量。

2.4 人员操作及维护不当

对高产井与低产井的计量，由于其产气量的范围会超出测量范围，不可避免的工作就是更换不同孔径的孔板，以确保计量的准确性。人员的一些操作失误会直接导致计量数据不准确。对于该项操作有着相应的严格要求：①孔板喇叭口的朝向应为管线下游方向；②安装拆卸孔板不能使用蛮力或尖锐工具，避免孔板变形和工作面划伤；③安装密封圈应检查有无破损情况；④更换下来的孔板应妥善保存，防生锈、防挤压，运送途中避免磕碰。

如果单一孔板能够满足计量范围的要求，则更应该注意定期的检查与维保。孔板长时间未更换，受工艺介质冲刷、腐蚀、杂质堆积等因素的干扰，其工作面易产生冲刷磨损、孔板变形、工作面结垢等。对此人员未能及时检查发现，也会造成计量数据的偏差。

3 提高计量精度的措施

3.1 优化流程减少操作失误

以某海上油田为例，该油田共有油井数 23口，其单井产气量分布由低到高的范围约为(3×102)～(9×104)m3/d。由于该油田油井产气量范围波动较大，单一开口尺寸孔板的满刻度量程无法满足单井计量要求(表 1)，需要频繁更换孔板。人员技能水平的差异，将不可避免地带来操作失误的情况，影响计量精度。为此通过对计量分离器生产流程进行优化设计，扩大孔板流量计的测量范围以减少人员直接接触所引起的操作失误。

表1 孔板尺寸及满刻度流量表Tab.1 Orifice size and full scale flow

通过在原油井计量分离器气相出口增加 1路气相计量管线和高级一体化孔板流量计，实现不同气量的油井在不拆卸更换孔板的情况下，利用切换流程使用相对应的测量范围的孔板进行计量。

此次改造后，将2台高级一体化孔板流量计分别装入 1.0658in(27.071mm)及 2.531in(64.287mm)尺寸的孔板，以实现大孔板和小孔板对该油田全部油井产气量测量范围的全覆盖，操作人员只需开关阀门，即可完成大小孔板的流程切换，避免了频繁更换孔板造成损坏。在减少人员工作量与工作强度同时，有效提升了孔板流量计的计量精度(图3、图4)。

图3 改造流程示意图Fig.3 Schematic diagram of transformation process

3.2 定期检查与维保

针对上述产生计量误差的原因分析中可以看出，通过对孔板流量计的维护，可以消除大部分的影响因素。例如：①定期对取压管线以及流量计腔室的积液排放；②通过拆检可以及时发现孔板及测量腔室淤泥污垢并及时进行清理；③入冬季前相关管线、仪表附件等的保温检查；④仪表变送器定期检查、排放、标定，消除零点漂移等因素造成的误差。在管理制度上，应建立相关的程序(周检、月检、年检)，并及时更新，加强相关技能培训，增强员工责任心。

图4 孔板参数设置图Fig.4 Orifice parameter setting diagram

4 结 论

对于新投产施工投用的流量计，其测量误差产生的原因多是安装不规范或错误安装所致。对于已长时间投用的流量计，测量误差产生的原因多是维护不及时、操作失误或工艺方面的原因所致。综上所述，通过相关的分析找出流量计测量误差产生的原因并采取改善措施，才能保障生产正常运行。■