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油井原油计量装置的静态标定及计量精度分析研究

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第40卷第5期 化工机械 589 油井原油计量装置的静态标定及 计量精度分析研究 路 宽 石成江 柏宜群 (辽宁石油化工大学机械工程学院) 摘要针对常规计量方法不能满足油田原油开发精细管理要求的现状,研制了基于力矩平衡原理的 采油井原油产量计量装置,介绍了计量装置的原理、结构、主要计算公式和系统组成。以计量装置的核 心部件计量料斗单元为研究对象,在实验室采用清水来模拟原油产量,对计量料斗进行静态标定实验, 验证了计量装置的精度,并提出了减小计量误差的合理化建议。 关键词 原油 计量装置 力矩平衡原理静态标定精度 中图分类号TE974 .7 文献标识码A 文章编号0254—6094(2013)05-0589-05 常规的采油井原油产量计量装置存在着许多 问题:难以有效地解决采油井原油(尤其是稠油) 的精度计量问题;设备占地面积大,同时造成地面 集输工程投资高;计量站的劳动强度大和油田管 理点的不断增多,需要较多工作人员;现有计量间 O 通风效果差,容易产生油气聚积,存在安全隐 患¨q 。因此,采用一些新型的计量装置对实际 生产、现代化管理及经济效益等方面都具有现实 意义。 1 油井原油产量计量装置及工作原理 1.1 装置组成 基于力矩平衡原理的采油井原油产量计量装 置主要由多通阀、计量罐、计量料斗(且对称 的两个料斗)、伞形分离器、集液盘、降液管、称重 力传感器以及PLC等组成(图1)。其核心技术 图l 原油计量装置示意图 是计量料斗单元的设计和布置,关键设备是称重 1——多路进线;2——多通阀; 3——左称重传感器; 力传感器和PLC工控机控制系统。 4——左料斗单元; 5——降液管; 6——计量罐; 1.2工作原理 7——原油进口; 8——支撑角钢;9——伞形分离器; l0——集液盘; 11——右料斗单元; 计量料斗如图2所示。基于力矩平衡原理的 12——右称重传感器;13~一供热器; 采油井原油产量计量装置的工作原理是:通过多 l4——原油出口 通阀选井后将采油井原油输送至计量罐,原油途 在布置计量料斗的位置时,要满足两个条件:一是 经油气分离设备、缓冲装置和集液盘后,以稳定的 保证料斗的上、下表面都在水平面上,但由于加工 液态流进一个计量料斗(假设为右料斗进油)。 制造方面上的误差,料斗上、下表面可能并不平 路宽,男,1987年3月生,硕士研究生。辽宁省抚顺市,l13001。 590 化工机械 2013焦 行,此时要保证料斗下表面处于水平位置上,这样 才使来油的重心铅垂线始终与料斗中心线重合; 前及翻转瞬间分别读取数值,其差值为料斗翻转 一次的称油质量,计算一定时间内的称油质量,即 二是保证三角形回转支撑板的侧面回转中心O0 在铅垂方向上,这样能保证右料斗重心线到O0: 可得到累计质量,再利用补偿和特殊修正的方法, 经过换算即为采油井原油产量的日产量。 2 实验 连线的距离L 是一个定值,减小重心偏移误 差 。当传感器与料斗连接后,左、右料斗只能 围绕0,0:有转动趋势,但不能真正回转。 油井原油产量计量装置的计量精度包括静态 精度和动态精度,笔者主要研究的是计量料斗单 元的静态精度问题。根据预先规定的计量范围, 确定计量料斗的结构尺寸,进行设计与加工制造, 完成计量料斗单元的安装与调试工作,具备了进 行静态精度标定实验的条件。 2.1 实验设备 计量料斗单元主要由支撑框架、计量料斗 (两个)、三角形回转支撑板、编码器和称重传感 左 器组成。两个称重传感器的量程为0~200kg,输 出信号为4~20mA。PLC和工控机组成的数据采 集系统,完成数据采集与计算。 2.2静态标定 静态标定步骤为: 图2计量料斗示意图 ,2——右侧称重传感器的读数,kg; h——右侧称重传感器中心线到0l O2的距离,mm; l、a.首先将计量右料斗的上、下表面调整到 水平位置上,若两端面不能同时满足条件,优先考 虑下端面在水平位置上。然后检查传感器和编码 器线路连线,接通电源并运行数据采集程序。 b.采用标准容器(500mL计量瓶)将清水 (密度1 000kg/m )按照5、10、…、80kg的次序依 £2——左、右侧计量料斗的力臂,mm; O——计量料斗的整体回转中心; Ol、02——左、右料斗回转轴心; 。、 ——左、右侧计量料斗的质量,kg 次加进右料斗,同时读取相应称重传感器的数值。 读取称重传感器数值时,要求料斗内的水面是稳 定的。 假设右计量料斗单元先工作。在开始计量 时,读出右料斗称重传感器的读数F:,并换算出 此时的重量 作为右料斗进油前的总质量。工 不断增加, 作时原油不断流入右料斗,其重量 C.重复步骤b,对左料斗进行实验。为保证 标定结果的准确性,对每一个料斗进行静态标定 实验时,都要求进行3次实验。 当增加到料斗称重上限时,打破左、右料斗的平 衡。料斗翻转的条件是 gL > gL。。左、右料 斗绕回转轴D翻转,右料斗翻转卸油,翻转瞬间 d.实验结果分析与处理,将这3次数据平均 后进行静态标定曲线的拟合与处理。 表1是左、右计量料斗完成3次静态标定时 的数据。 位置由编码器确定,同时左料斗开始工作,反之亦 然 。在整个计量过程中,称重力传感器在进油 表1 左、右计量料斗3次静态标定时的数据 kg 第40卷第5期 化工机械 591 3计量精度与误差分析 差,△ :2ram;F 为右侧称重传感器的读数, 为了进一步确定基于力矩平衡原理的采油井 F:=84.353kg,其误差来源于传感器精度,根据称 重传感器的精度为0.5%,AF2=0.422kg。 对式(2)进行全微分,即: 原油产量计量装置的可行性、稳定性和精确性,以 满足油田原油产量管理计量精度控制在10%要 求,笔者进行理论计算与误差分析。 3.1 理论计算 实验误差主要包括称重传感器读数、料斗尺 寸误差和安装偏差。以右料斗(图3)为例进行分 析。 dW2=芳×d +芒 + △ = ×△ + +差×△^ 在进行误差计算时,应使总测量系统误差满 足计量精度要求。设实验室采用清水来模拟原油 产量的静态标定实验有3个误差环节,其中各个 环节的误差分别设为△。、△:、△,,则整个测量系统 的总误差为三者之和…。为了方便计算,设:△。 = ×△F2△ =--0 ̄2ALe,△,= af×△ 。 算法一: AW2=I△1 I+I△2 I+l△3 l=l ×△ I+ 图3 右料斗尺寸示意图 根据力矩平衡原理,有: F2 X h=W2 X L2 L =I- ̄2 x F2 x AL2 l+J F2×△ j= 74 AW2= 1.7丽4×lo0%=2.1%<5% (1) ÷F2=,(F2,L2,h) /'J2 (2) 算法二: △ =、, 2 .535=2.353 ×1O0%=3.O%<5% 在图3中, 为设计尺寸,h=160ram,安装时 会产生误差Ah=±1.5ram; :为右侧计量料斗的 力臂,设计时L:=160mm,其误差来源于测量误 AW2= 同理.用匕述两种算法也可以证明左料斗的 592 化工机械 2013年 计量精度小于5%,满足油田原油产量管理计量 摆动,发生小量偏移,影响称重传感器的读数;在 给计量设备安装称重传感器时,除了料斗单元自 身加工尺寸的误差外,技术人员还可能会造成一 定的安装误差;称重传感器精度易受环境因素的 影响,比如实验室环境的温度,直接影响其零点和 灵敏度;在计量清水质量时,根据清水具有持续流 动的特点,料斗单元在翻转卸水时会不可避免地 产生计量误差,属于动态精度问题,设计时不予考 精度不高于10%要求。 3.2 曲线拟合 在设计计量器具时,清水质量值与称重传感 器读数之间的关系一般要求是直线关系。为得到 实际的清水质量值与传感器测量值之间的关系, 要对表1得到的测量数据进行处理,得到这二者 之间的关系曲线。采用最小二乘法进行直线拟 合 ,通过画草图可知,清水质量( )和传感器测 虑。 量平均值(Y)近似一个线性函数,为此选线性函 4 结束语 数关系式进行曲线拟合,即拟合Y=a。+aI 。利 通过实验室模拟原油产量计量装置的静态标 用MATLAB软件计算和拟合右料斗的函数关系 定,从理论计算和实验结果来看,验证了计量料斗 式与曲线,如图4所示。 单元的计量精度,明确了计量料斗在使用过程中, 工况对计量精度的影响程度和解决办法,很大程 ∞ 趔 度上减小了原油常规计量设备的误差,实现了采 霹 油井原油产量的连续和准确计量,完全符合实际 删 幕 生产情况中的需求。 稚 馋 参 考 文 献 【1] 代尊有.称重式单井计量技术在海油陆采中的应用 实验清水质量/kg [J].内蒙古石油化工,2011,(1O):167—169. [2]马强.称重式油井自控计量器研制与应用[J].石油 图4右料斗静态标定拟合曲线 矿场机械,2010,39(2):52—54. 通过软件解之得:a0=14.4732,a。=0.8699, [3]王亚实.稠油单井在线计量装置的研制及推广[J]. Y=14.47+0.8699x。 石油矿场机械,2007,36(6):62—65. 由于拟合曲线和实际曲线不可能完全一致, [4] 赵志宏.翻斗式称重计量装置[J].特种油气藏, 根据线性度公式,计算静态标定右料斗拟合曲线 2003,12(3):83~85. 的线性度6右=— ̄.A^.tj— [5]孙浩,吴兆林.称重式计量装置的应用[C].2010中 max×100%=5.1%<6%,该值 国油气计量技术论坛论文集.北京:北京计量学会, Y 2010:201—206. 很小,表明右料斗拟合曲线的线性度好。 同理可得,左料斗的函数关系式为: [6] 王家帮,王晓华,李广富,等.称重式单井产量自动 计量装置的研制与应用[C].第七届中国石油和化 Y=14.8022+0.7757x,同时具有很好的线性度。 工自动化技术年会论文集.西安:中国化工装备协 3.3误差分析 会,2008:550~553. 在加工制造料斗单元时,由于料斗的上、下表 [7] 肖明耀.误差理论与应用[M].北京:计量出版社, 面不在水平面上,导致料斗单元的重心并不在其 2000. 几何中心上,给传感器测量值带来一定的误差;在 [8] 何红艳,童新华.最小二乘加权法在多项流计量中 焊接料斗单元过程中,两个下表面与侧面夹角的 的应用[J].石油矿场机械,2009,38(6):64~68. 角度并不完全相等,以至于清水人斗后重心左右 (收稿日期:2013-03-02,修回日期:2013-03—28) Static Calibration and Measuring Accuracy Research of Crude Oil Measurement Equipment LU Kuan,SHI Cheng—jiang,BAI Yi—qun (Continued on Page 624) 624 用性。 化工机械 2013焦 tern and Separation Efficiency in Cyclone with Conven。 tional Single and Spiral Double Inlet Configuration[J] 参 考 文 献 [1] 金向红,金有海,王振波,等.气液旋流分离器排气 [6] .Chemical Engineering Research and Design,2006,84 (A12):1158~1165. Bernardo S,Mori M,Peres A,et,a1.3-D Computa- tional Fluid Dynamics for Gas and Gas—Particle Flows 管结构试验[J].中国石油大学学报(自然科学版), 2008,32(2):108~l13. [2] Kaya F,Karagoz I.Performance Analysis of Numerical Schemes in Highly Swirling Turbulent Flows in Cy— in a Cyclone With Different Inlet Section Angles[J]. Powder Technology,2006,162(3):190—200. c ̄nes[J].Current Science,2008,94(10):1273一 l278. [7] 汪林.旋风分离器气固两相流数值模拟及性能分析 [D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007. 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Key words gas・liquid separation,numerical simulation,gas exhaust pipe (Continued from Page 592) (College fMecohanical Engineering,Liaoning Shihua University,F ̄hun 113001,China) Abstract Considering the fact that crude oil,especially the heavy oil,has high viscosity and density and strong adhesion,and the conventional measurement method results in large measurement error or incapability, a crude oil metering device based on torque balance principle was developed and its working principle,struc— ture,main formula and composition were introduced.Taking the metering hopper as the object of study and in the laboratory,the fresh water was used to simulate the output of crude oil so as to conduct static calibration and to verify the accuracy of metering device,including putting forward reasonable suggestions of reducing the measurement error. Key words crude oil,metering device,torque balance principle,static calibration,accuracy 

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