能源流量計(jì)量過(guò)程控制技術(shù)的研究

　　流體計(jì)量技術(shù)主要應(yīng)用于我國(guó)石油等能源尤其是流體能源的開采過(guò)程中，由于其應(yīng)用的廣泛性，有必要對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究。本文先是就流量計(jì)量技術(shù)的原理和相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行闡述，接著重點(diǎn)就流量計(jì)量過(guò)程控制技術(shù)中如何實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的短期評(píng)價(jià)進(jìn)行分析，建立了流量計(jì)量過(guò)程圖并對(duì)其作用和意義進(jìn)行探討。

　　《能源研究與信息》(季刊)1985年創(chuàng)刊，以及時(shí)報(bào)導(dǎo)政府在能源領(lǐng)域的新政策、新規(guī)劃以及當(dāng)前國(guó)內(nèi)外常規(guī)能源、新能源、節(jié)能技術(shù)與環(huán)境保護(hù)等有關(guān)方面的研究、開發(fā)、應(yīng)用的最新動(dòng)態(tài)和研究成果為宗旨，迅速反映國(guó)內(nèi)外能源研究的技術(shù)動(dòng)態(tài)和最新信息。

　　在石油、天然氣等能源開采過(guò)程中，對(duì)這些流體進(jìn)行流量計(jì)量來(lái)了解開采量等相關(guān)指標(biāo)是很關(guān)鍵的步驟。由于流體特別是多相流體具有隨機(jī)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)，對(duì)流量計(jì)量的精確度要求越來(lái)越高，為使流量計(jì)量更準(zhǔn)確、重復(fù)性更高，目前對(duì)于流量計(jì)量技術(shù)的相關(guān)研究是一個(gè)熱點(diǎn)。

　　一、流量計(jì)量技術(shù)的原理和相關(guān)系統(tǒng)的構(gòu)成

　　1流量計(jì)量技術(shù)的原理

　　流量計(jì)量的原理是假設(shè)流體內(nèi)部隨機(jī)干擾，當(dāng)流體流過(guò)兩個(gè)傳感器時(shí)，第一個(gè)傳感器所接收的信號(hào)是延滯時(shí)間τ，計(jì)算器調(diào)整模型延滯時(shí)間，使得兩個(gè)傳感器之間的時(shí)間T和τ相等，此時(shí)延滯信號(hào)u1(t-τ)和第二個(gè)傳感器接收的信號(hào)u2(t)=(t-τ)相等。由于剛才將到的假設(shè)情況存在，這時(shí)流體會(huì)由于壓力、帶電荷量、流體速度、流體溫度、流體的導(dǎo)電情況、流體的粘度和波動(dòng)性等等對(duì)傳感器提供一定的具有統(tǒng)計(jì)性質(zhì)的信號(hào)，這時(shí)系統(tǒng)的監(jiān)視器和計(jì)算器就會(huì)通過(guò)測(cè)定這個(gè)信號(hào)在兩個(gè)截面間運(yùn)行的時(shí)間實(shí)現(xiàn)確定流體的流量的目的。

　　2流量計(jì)量系統(tǒng)的構(gòu)成

　　2.1流動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞系統(tǒng)

　　流動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞系統(tǒng)負(fù)責(zé)為流體提供一個(gè)流動(dòng)的場(chǎng)所，在經(jīng)過(guò)這個(gè)場(chǎng)所時(shí)能夠?qū)⒘鲃?dòng)時(shí)產(chǎn)生的信號(hào)釋放出來(lái)，供流動(dòng)噪聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)。流動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件是流動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞管道，流體從中流過(guò)，然后其他系統(tǒng)才能發(fā)揮各自的功能作用。

　　2.2流動(dòng)噪聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)

　　該系統(tǒng)是由剛才提到的傳感器以及測(cè)量管段、信號(hào)的放大濾波等環(huán)節(jié)構(gòu)成。主要作用是當(dāng)流動(dòng)噪聲信號(hào)傳遞管道中通過(guò)時(shí)，接收流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的信號(hào)，并將信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)節(jié)以及濾波等處理，然后傳遞給檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)。其中關(guān)鍵部件是流動(dòng)噪聲敏感器，它能夠靈敏的捕捉到流體的波動(dòng)信號(hào)，通過(guò)其他組件的配合將信號(hào)放大提取出來(lái)，以供下一個(gè)系統(tǒng)的處理。

　　2.3測(cè)量系統(tǒng)

　　測(cè)量系統(tǒng)的主要作用是將放大過(guò)濾的信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，主要是比較流體經(jīng)過(guò)第一個(gè)傳感器和第二個(gè)傳感器時(shí)，信號(hào)的相似性，從而計(jì)算出經(jīng)過(guò)此管路的平均的傳遞時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的測(cè)定。測(cè)量系統(tǒng)其實(shí)是將被測(cè)流體的體積平均流速和流量之間建立了參數(shù)模型，然后對(duì)該模型進(jìn)行一些定性和定量的分析，進(jìn)而獲得所需的結(jié)果。

　　盡管流量計(jì)量技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但由于流量計(jì)量過(guò)程容易受到許多因素如溫度、操作人員的不同等的影響，導(dǎo)致流量測(cè)量中誤差很大，為使測(cè)量流量的過(guò)程中最大程度的將誤差值降低到最低值，研究人員制定了流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，并定期對(duì)流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行檢定。以下本文先就流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定期評(píng)價(jià)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，接著制定了一種流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的短期評(píng)價(jià)方法。

　　二、流量計(jì)量過(guò)程控制技術(shù)

　　1流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定期評(píng)價(jià)

　　在流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的定期評(píng)價(jià)中，流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度的評(píng)價(jià)是其中最為關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo)。以下就流量計(jì)量的不確定度的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。

　　1.1計(jì)量不確定度的涵義

　　計(jì)量不確定度是指在計(jì)量的檢定規(guī)程或是計(jì)量技術(shù)規(guī)范規(guī)定的條件下進(jìn)行檢定時(shí)所得結(jié)果的測(cè)量不確定程度。一般可用U來(lái)表示。

　　1.2計(jì)量不確定度的評(píng)定步驟

　　1.2.1給出被測(cè)量，必要時(shí)也需給出被測(cè)量的定義以及整個(gè)測(cè)量過(guò)程的簡(jiǎn)單描述。

　　1.2.2給出用以評(píng)定計(jì)量不確定度的數(shù)學(xué)模型，數(shù)學(xué)模型是指：被測(cè)量Y與各輸入量Xi之間的函數(shù)關(guān)系，若被測(cè)量Y的測(cè)量結(jié)果為y，輸入量Xi的估計(jì)值為xi，

　　則有：

　　y=f(x1，x2，…，xN)

　　數(shù)學(xué)模型中應(yīng)包括對(duì)測(cè)量結(jié)果及其不確定度有影響的所有輸入量。例如，在量塊比較測(cè)量中，被測(cè)量塊長(zhǎng)度L的測(cè)量結(jié)果計(jì)算公式為：

　　L=Ls+d

　　式中：Ls——標(biāo)準(zhǔn)量塊在參考溫度20℃時(shí)的長(zhǎng)度;

　　d——由比較儀測(cè)量得到的被檢量塊和標(biāo)準(zhǔn)量塊的長(zhǎng)度差。

　　但在測(cè)量不確定度評(píng)比中需要顧及溫度差異和線膨脹系數(shù)差異，此時(shí)數(shù)學(xué)模型為

　　L=Ls+d―Ls•θ•δα―Ls•αs•δθ

　　此數(shù)學(xué)模型是考慮了溫度和線膨脹系數(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)變換而得到的近似式，這樣的數(shù)學(xué)模型是確定靈敏系數(shù)和計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的基礎(chǔ)。

　　1.2.3根據(jù)數(shù)學(xué)模型列出各不確定度分量的來(lái)源(即輸入量xi)，并要做到不遺漏和不重復(fù)。如果所給出的測(cè)量結(jié)果是經(jīng)過(guò)修正后的結(jié)果，注意應(yīng)考慮由修正值所引入的不確定度分量。

　　1.2.4評(píng)定各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(xi)，并進(jìn)而給出與各輸入量對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui(y)。根據(jù)各輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(xi)，并通過(guò)由數(shù)學(xué)模型得到的靈敏系數(shù)ci，可得到各標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui(y)。對(duì)量xi作ni次獨(dú)立重復(fù)測(cè)量，得到測(cè)量結(jié)果為xik(k=1，2，…，ni)，則：

　　單次測(cè)量xik的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　估計(jì)值xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

　　1.2.5計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)。合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)的計(jì)算：

　　式中：xi，xj——輸入量，i≠j;

　　ci，cj——偏導(dǎo)數(shù)，又稱為靈敏系數(shù);

　　u(xi)，u(xj)——分別為輸入量(xi)和(xj)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;

　　r(xi，xj)——輸入量xi和xj之間的相關(guān)系數(shù)估計(jì)值。

　　1.2.6確定擴(kuò)展不確定度U。根據(jù)公式：U=kuc，一般k取2或3給出擴(kuò)展不確定度。

　　1.2.7給出測(cè)量不確定度報(bào)告。

　　2流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的短期評(píng)價(jià)方法

　　2.1制定計(jì)量的過(guò)程控制圖

　　2.1.1針對(duì)實(shí)際情況，選擇需要檢查的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器。在裝置、測(cè)量環(huán)境、測(cè)量方法及測(cè)量人員相同的情況下，進(jìn)行三個(gè)月的重復(fù)試驗(yàn)，而后經(jīng)過(guò)計(jì)算(根據(jù)下面的公式進(jìn)行計(jì)算)可得到6個(gè)樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差，分別是s1—s6。[!--empirenews.page--]

　　公式是:s=

　　2.1.2由于得到的s1—s6六個(gè)值必須符合公式：s≤U/5，其中U是這個(gè)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度。將六個(gè)值帶入進(jìn)行驗(yàn)證，看其是否符合公式，若符合證明這六個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差符合最基本的實(shí)驗(yàn)結(jié)果要求，即可進(jìn)行下一步的計(jì)算。

　　2.1.3然后進(jìn)行合并樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sp的計(jì)算，公式是：

　　Sp=

　　式中，k——檢查次數(shù)。

　　標(biāo)準(zhǔn)偏差的值是必須經(jīng)過(guò)上一步的公式驗(yàn)證的，否則沒(méi)有意義。求Sp主要是為了確定下一步的控制圖的上下限3Sp。

　　2.1.4制定流量計(jì)量的過(guò)程控制圖

　　控制圖應(yīng)以3Sp為上下控制限，這是因?yàn)橹挥锌刂平缦拊趦蓚€(gè)極限差范圍內(nèi)，出差錯(cuò)的可能性才小，而極限差=3Sp。制定得到的圖如下，其中X軸代表了取樣時(shí)間，Y軸代表質(zhì)量特性。

　　流量計(jì)量過(guò)程控制圖

　　在測(cè)試時(shí)，將測(cè)量得到的值的絕對(duì)誤差Δx描在控制圖中。這是應(yīng)該設(shè)法找到改變的因素，使計(jì)量的過(guò)程恢復(fù)正常。這種方法可以實(shí)現(xiàn)計(jì)量過(guò)程的控制。

　　2.2流量計(jì)量控制圖在實(shí)際中的應(yīng)用

　　為了驗(yàn)證流量計(jì)量控制圖在計(jì)量的控制過(guò)程中的作用，將舉一實(shí)例對(duì)其過(guò)程和作用進(jìn)行說(shuō)明。

　　對(duì)某一石油勘探隊(duì)的石油量進(jìn)行流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的試驗(yàn)，半月進(jìn)行一次試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)三個(gè)月后測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)公式s=的計(jì)算得到了六個(gè)值，分別為：s1=0.0014L，s2=0.0016L，s3=0.0017L，s4=0.0015L，s5=0.0014L，s6=0.0015L。根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器的不確定度0.025L。將這六個(gè)值分別代入公式s≤U/5中，驗(yàn)證以上數(shù)據(jù)均符合要求。此時(shí)根據(jù)公式Sp=，計(jì)算出Sp=0.00152L。所以該計(jì)量過(guò)程圖的上下限3Sp=0.005L。然后繪制計(jì)量控制圖為：

　　石油計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器計(jì)量過(guò)程控制圖

　　2.3結(jié)果討論

　　2.3.1流量計(jì)量的過(guò)程可以通過(guò)合并樣品的標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)達(dá)到控制的目的。

　　2.3.2計(jì)量過(guò)程的重復(fù)性驗(yàn)證時(shí)可以直接引用合并的樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差即Sp。

　　2.3.3采用合并樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行流量計(jì)量過(guò)程的控制是一種簡(jiǎn)便而且可行的方法，經(jīng)驗(yàn)證效果良好。

　　2.3.4這種方法的重復(fù)性和穩(wěn)定性良好，因此在考核計(jì)量過(guò)程是否受控時(shí)也可使用，只是前提是使用時(shí)流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器應(yīng)該處于檢驗(yàn)周期之內(nèi)。

　　2.3.5合并樣品標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)控制流量的計(jì)量過(guò)程可以成為流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的短期評(píng)價(jià)指標(biāo)，用于完善現(xiàn)有的流量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，希望能夠引起有關(guān)部門的注意。

　　2.3.6這種方法的原理適用范圍廣，可以成為對(duì)其他的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器流量測(cè)量時(shí)的過(guò)程控制方法。