吳生杰 解安偉

青海北捷新材料科技有限公司，青海西寧 810021

在石油開采行業(yè)，對(duì)輸油管道中的油、水、氣多相流的檢測，是能監(jiān)控油田開采量和計(jì)算出油量的方法。傳統(tǒng)的監(jiān)測計(jì)量方式為將油、水、氣多相流進(jìn)行分離再逐一計(jì)量，其缺點(diǎn)是儀器設(shè)備多、監(jiān)測計(jì)量復(fù)雜、精確度低、造價(jià)昂貴。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，多相流量計(jì)因無須將油、水、氣預(yù)分離，在線實(shí)時(shí)檢測計(jì)量、計(jì)量精確度高、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，多相流量計(jì)得到廣泛應(yīng)用與推廣。本文以輸油管道中的油、水、氣多相流為設(shè)計(jì)對(duì)象，采用壓差傳感器、溫度傳感器、超聲波傳感器等傳感檢測元件，監(jiān)測與測量多相流的參數(shù)數(shù)據(jù)來反映被測多相流的流動(dòng)特征，并運(yùn)用數(shù)字模擬信號(hào)處理、信號(hào)通信技術(shù)對(duì)測量的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)多相流的自動(dòng)檢測功能。

1 多相流量計(jì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

多相流量計(jì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，既滿足系統(tǒng)可擴(kuò)展性，又保證系統(tǒng)模塊可更新?lián)Q代。其硬件有上位機(jī)、模塊化的傳感器部分、通訊總線。其中模塊化的傳感器部分可有溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、超聲波檢測模塊等，模塊間、模塊與上位機(jī)間的通訊采用CAN總線連接，CAN模塊完成CAN總線上的數(shù)據(jù)和RS-232串行數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳與下達(dá)；各傳感器檢測模塊以單片機(jī)為主，分別配有各類傳感器如：電導(dǎo)含水傳感器、超聲波傳感器、流體溫度傳感器、環(huán)境溫度傳感器、流體壓力傳感器等，以及與CAN總線通訊的CAN接口電路，來實(shí)現(xiàn)測量油、氣、水多相流溫度和壓力、流體的平均流速等功能。其系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

其自動(dòng)檢測流程為：但系統(tǒng)的電自檢后，上位機(jī)發(fā)出參數(shù)檢測指令，各傳感器檢測模塊接受指令再自檢狀態(tài)，并在上位機(jī)顯示傳感器檢測模塊的狀態(tài)情況。上位機(jī)通過通信中學(xué)定時(shí)從各傳感器檢測模塊讀取各檢測參數(shù)數(shù)據(jù)，計(jì)算處理、存儲(chǔ)顯示，可得溫度、壓力、流速、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等多相流參數(shù)，用戶可在上位機(jī)操作界面讀取各類參數(shù)，也可修改控制。但在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或異常數(shù)據(jù)時(shí)，可及時(shí)報(bào)警并將故障事件存檔。

2 多相流量計(jì)的傳感器檢測模塊設(shè)計(jì)

多相流量計(jì)的傳感器檢測模塊部分可有溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、超聲波檢測模塊等，其各檢測模塊設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)核心重點(diǎn)。

2.1 超聲波檢測模塊硬件設(shè)計(jì)

多相流體的含水率、含氣率和含油率可通過超聲波檢測模塊測量出來。其原理是激勵(lì)超聲波發(fā)射器，發(fā)射固定頻率的超聲波，穿過被測多相流體或裝有多相流體的管道介質(zhì)，超聲波有能量損耗，超聲波接收器接收和輸出對(duì)應(yīng)的信號(hào)到計(jì)算控制單位，計(jì)算超聲波前后的能量損失，并結(jié)合多相流體的測截面含水率，求解方程組從而求得含油率和含氣率，同時(shí)利用溫度傳感器檢測模塊和壓力傳感器模塊測量的多相流體的溫度和壓力修正含水率、含氣率和含油率的數(shù)值。硬件包括C8051F041單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器、接收器及接收電路等元件組成，其中超聲波發(fā)射換能器需要發(fā)射電路驅(qū)動(dòng)、產(chǎn)生固定脈沖寬度和固定頻率的超聲波脈沖穿透被測多相流體。而超聲波接收器需配合接收電路，將超聲波信號(hào)進(jìn)行濾波、放大、半波整流電路處理，得到滿足要求的脈沖信號(hào)，最后送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取出所要測量的參數(shù)。如圖2所示。

圖2 超聲波檢測模塊原理圖

2.2 溫度和壓力檢測模塊硬件設(shè)計(jì)

多相流體的溫度和壓力數(shù)據(jù)采樣和測量計(jì)算是通過溫度和壓力傳感器檢測模塊進(jìn)行的。其傳感器選擇Pt100溫度傳感器和CERAMET壓阻式壓力傳感器，數(shù)據(jù)處理以C8051F041單片機(jī)為核心，再通過通信總線向溫度和壓力傳感器檢測模塊發(fā)送檢測指令，接收請(qǐng)求數(shù)據(jù)命令或修改儀表參數(shù)命令并做出相應(yīng)信號(hào)測量和數(shù)據(jù)傳輸。其中Pt100溫度傳感器是利用鉑電阻的阻值隨溫度變化而變化、并呈一定函數(shù)關(guān)系的特性來進(jìn)行測溫，當(dāng)溫度范圍在-40～80℃時(shí)，溫度/阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系可簡化為，t為溫度，R0為(0℃時(shí)的電阻值。CERAMET壓阻式壓力傳感器的優(yōu)勢是堅(jiān)固的陶瓷結(jié)構(gòu)、卓越的抗腐蝕和抗磨損能力、抗沖擊和振動(dòng)、寬的工作溫度范圍；高精度以及高穩(wěn)定性。

2.3 電導(dǎo)檢測模塊硬件設(shè)計(jì)

多相流體的含水率和流速采樣與測量是通過電導(dǎo)檢測模塊進(jìn)行的。其采樣測量原理為：多電極電導(dǎo)傳感器的測量電極2、5是測量多相流體的截面含水率，再與測量電極2、3測量預(yù)處理信號(hào)和測量電極4、5測量預(yù)處理信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，得出表征流體流速的互相關(guān)信號(hào)x(t)和y(t)關(guān)系，進(jìn)行相關(guān)處理后得到多相流的流速，再利用溫度和壓力檢測模塊傳送的多相流體溫度和壓力建立修正模型進(jìn)行數(shù)據(jù)初步修正，最后，通過網(wǎng)絡(luò)總線與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，結(jié)合其他被測量參數(shù)和參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性，計(jì)算并修正被測多相流體的流速、瞬時(shí)體積流量和累計(jì)流量等參數(shù)。其硬件組成為電源模塊、恒流源激勵(lì)電路、C8051F041單片機(jī)、含水率信號(hào)預(yù)處理電路、相關(guān)測速信號(hào)預(yù)處理電路等，如圖3所示。

圖3 電導(dǎo)檢測模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括：上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、傳感器檢測模塊部分可有溫度檢測模塊、壓力檢測模塊、超聲波檢測模塊等單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)及CAN總線通訊軟件設(shè)計(jì)。本文簡述上位機(jī)通過CAN總線獲取超聲波檢測模塊、電導(dǎo)檢測模塊以及溫度和壓力檢測模塊等傳感器檢測模塊的測量值，通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算與修正得到流體流速、各相含率、瞬時(shí)流量和累計(jì)流量等，并通過采集的溫度和壓力以及油、氣、水多相流的其他相關(guān)參數(shù)，建立PVT模型，對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正和轉(zhuǎn)換，減少測量誤差，從而獲取多相流體的油、氣、水各相的體積流量。

4 結(jié)語

該設(shè)計(jì)以高含水率油、氣、水多相流的流量測量為研究內(nèi)容，針對(duì)多相流體的流動(dòng)特性和測量參數(shù)多樣，提出了一種基于溫度和壓力、超聲波、電導(dǎo)等多傳感器的檢測方案。該多相流量計(jì)自動(dòng)檢測系統(tǒng)具有非侵入式、無放射性、無可動(dòng)部件和低成本等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，其應(yīng)用價(jià)值高，實(shí)用性好，可值得借鑒并推廣。