电磁流量计在盐穴储气库造腔过程中的应用
盐穴储气库在造腔过程中, 电磁流量计用于计量注入和排出液体体积, 其可靠性直接影响到造腔工程师对造腔进度的监控, 及相应施工计划的安排。除定期检测外, 文章根据岩盐中泥质不溶物膨松系数在一定范围这一特征, 统计分析生产数据, 评价其可靠性。结果表明, 电磁流量计可靠性能满足盐穴储气库造腔生产需要。
电磁流量计由流量传感器和转换器两部分组成, 与其他类型的流量计相比, 电磁流量计具有无压损、口径大、量程比宽、耐腐蚀、适用于高黏度介质、性价比高等特点[14], 可充分减小管道内的阻力, 符合节能降耗的要求。目前, 电磁流量计已广泛应用于造腔生产中, 虽然经过定期检测, 但由于被测介质性质及流速等的影响, 电磁流量计在造腔中的应用效果并未评价。调研结果表明[46], 岩盐中不溶物膨松系数在特定地区是常数, 且往往在一定范围内, 可用生产中溶盐体积、腔体实际体积、不溶物含量等参数表达。
本文通过介绍电磁流量计的测量原理, 造腔地面工艺, 确定电磁流量计在造腔站的适用性, 造腔站内电磁流量计的选型与安装, 明确该类流量计的使用符合减小测量误差及稳定性的要求, 再根据曰常生产中的注人液体、排出液体体积以及相应的浓度, 对溶盐体积进行计算, 结合阶段造腔实际体积及不溶物含量, 计算不溶物膨松系数, 评价流量计的可靠性。
1、电磁流量计测量原理：
电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律测量, 如图1所示, 用于测量电极与运动的流体构成的回路中产生的电参数, 并根据公式换算成流体速度, 再测量流通截面液位高度得到流通面积, 两者相乘得到所测流量。Ue=kBLv (l) Q=fTT^V (2) 式中:为被测介质体积流量, m3/s;%为直流式电磁流量计用来测量流体横越磁场时所感生的电动势, V; 6为磁感应强度, T; L为电极间距, 即测量管内径, m; v为液体平均流速, m/s; A为修正系数。
图1电磁流量计工作原理图
2、造腔站电磁流量计选型：
电磁流量选型与安装应根据工艺条件来确定, 主要包括被测介质电导率、温度、压力、介质流量范围、工艺管道的管径、介质状态, 介质的腐蚀性, 工艺管道材质等因素, 保证测量的准确度, 并根据环境条件选择防爆及防护等级。
2.1、造腔地面工艺：
造腔地面工艺分为注水工艺和排卤工艺。注7jC过程中, 淡水或淡卤水通过离心泵增压至汇管, 然后通过各井管线流量计计量, 进人盐层。排卤过程为, 溶盐产生的卤水依靠自身压力通过管道计量后, ***终进人汇管外输。
2.2、选型及安装：
造腔站电磁流量计测量介质主要为卤水或者淡卤水, 电导性较强, 但具有较强的腐蚀性。采用的衬里材料为聚四氟乙烯 (PTFE) , 电极材料选用哈氏合金 (HC) , 耐腐蚀性能好, 能有效预防注人和排出液体含有颗粒杂质、饱和卤水结晶等问题。防护等级选用IP65用以完全防止外物侵入并防喷射水进人。在安装位置方面, 各单井注水排商流量计在高低压阀室, 与注水泵机组隔离, 接地良好。单井注水排卤管道为DN150, 流量计的前直管段长度为87 cm, 后直管段55 cm, 同时, 在回卤的低压阀室, 电磁流量计安装在介质的上流处, 符合电磁流量计安装要求[78]。
3、造腔站电磁流量计可靠性分析：
根据岩盐中泥质不溶物膨松系数在一定范围这一特征, 通过对金坛储气库的造腔井生产数据进行分析, 计算腔体溶盐量, 结合声响测腔体积, 计算不溶物膨松系数, 检验电磁流量计计量的可靠性。
3.1、盐层物理化学性质：
金坛盐岩层段岩性主要为盐岩、含泥盐岩夹含盐泥岩、钙芒硝泥岩、云质泥岩、泥岩、粉砂岩等。对于占盐岩段80%以上的盐岩层, 主要矿石以石盐为主, 其次为钙芒硝、石膏, 局部出现无水芒硝, 杂质主要为粘土矿物, 其次为白云岩、碳酸盐岩等。石盐的化学组成主要是NaCl, 占74.9%90.8%, 其次是Na2S04、CaS04, 其他盐类甚微。
3.2、造腔运行中溶盐量计算：
由于日常造腔中, 主要注人淡水或者淡卤水, 离子浓度非常低, 且日常化验中测量了注人液体的氯离子浓度, 其他离子未详细测量, 所以在进行溶解盐体积计算时, 注人液体只考虑氯离子。心=心+7剩余⑷P采= (1排·C排-P注·C注) /p氣化钠 (5) ^剩余=^'剩余液.C排’P* (化钠 (6) ^剩余液=m剩余水/ (0排G排) (7) 771剩余水= (y注.芦注P注.C注) 8由于每次测腔都有等待和准备时间, 所以腔内卤水浓度会继续升高, 腔体体积扩大。故该阶段溶盐体积应按照式 (9) 计算:阶段溶盐体积Fs=X〜+5>剩余水+ (P声-C声) x C声+p氣化销 (9) 式中:心为日溶盐体积, m3;心为日采盐体积, m3;为腔体扩大后未排出液体的溶盐体积, m3;为腔体扩大后未排出液体体积, m3;为腔体扩大后未排出的液体中等效淡水溶剂质量, kg;化为日排出液体体积, m3; F注为日注人液体体积, m3;为日排出液体氯化钠质量体积浓度, g/l; (^为日注入液体氯化钠质量体积浓度, g/1; P排为曰排出液体密度, kg/m3; p注为日注入液体密度, kg/m3;氯化钠密度, kg/m3;以为水的密度, kg/m3;为阶段溶盐体积, m3;为声呐测量时腔体内氯化钠质量体积浓度, g/1;为声呐测量时腔体内液体密度, kg/m30由于2016年前并未进行注水浓度化验, 所以本文选择了2016年至2017年进行造腔并在该时间段内完成设定造腔阶段的井进行统计分析, 结果如表1所示。表1金坛储气库20162017年完成设定造腔阶段的井溶盐量及不溶物膨松系数计算结果序号井名阶段声呐体积An3阶段不溶物含量阶段溶盐体积/m3不溶物膨松系数1T151 4910.17663 0371.92'T242 439.70. 20884 1222.93T338 477. 30. 22749 772.341.84T428 774.40. 20843 190.342.35T514 954.40.14719 537.282.46T639 4650.18144 591. 821.5续表序号井名阶段声呐体积/m3阶段不溶物含量阶段溶盐体积/m3不溶物膨松系数7T724 276.
30.269'28 561. 641.48T833 216.50. 20341 432.31.89T928 783.70. 28136 815. 591.610T1024 649.40. 28244 977.062.211T1123 079. 30.2544 361. 372.43.3
膨松系数盐岩矿床不论品位多髙, 都普遍存在着水不溶物, 主要分布在盐岩层内及夹层中。由于金坛盐矿不溶物中的一大部分属于泥岩, 主要以粘土矿物中以伊利石为主, 其次为伊/蒙混层, 无高岭石, 这些粘土矿物的强吸水性及吸水后极易膨松性, 会减少腔体有效体积, 所以实际溶解盐的体积并不是腔体体积, 它们之间存在以下关系式中:K为阶段腔体有效体积, m3; 1为阶段溶解的固体盐体积, m3;«为阶段盐岩中不溶物比例, 小数;卢为阶段盐岩中不溶物崩落以后的膨松系数, 常数。根据实验, 金坛储气库不溶物膨松系数在1.53范围。由于盐穴造腔高度近150 m, 含多个夹层, 夹层含粘土矿物含量不同, 所以膨松系数不同, 同时夹层的厚度不同, 所以利用该方法模拟的腔体体积的评价应根据不同造腔阶段来进行。.表1列举了2017年测腔井的阶段造腔体积及该阶段不溶物含量, 并计算该阶段的不溶物膨松系数。从表1可以看出, 除T7井外, 其他井不溶物膨松系数均在1.53范围, 说明造腔站内的电磁流量计的准确性和稳定性能够满足生产的需要。
3.4、误差分析：
根据该方法对盐穴储气库电磁流量计效果进行评价时, 不溶物膨松系数计算误差主要受下列因素影响。
(1) 注人液体溶液质量浓度化验误差。受盐厂清罐等因素影响, 当日供应的淡卤水浓度可能会出现上午高, 下午低的情况, 而每天淡水供应化验的浓度只有上午一个参数, 所以对计算结果有一定影响。该误差可通过增加浓度化验次数得到有效解决。
(2) 由注人液体中硫酸钠、硫酸钙等含量的不确定引起的误差, 但这些矿物在溶液中含量非常少, 在一个造腔阶段内其影响可忽略。
(3) 流量计计量误差。现场选用的是准确度等级为0.5级的流量计。检测报告显示, 流量计实际相对示值误差较大, 这可能导致计算的不溶物膨松系数偏离正常范围。以T7井为例, 如表2所示, 注入端流量计FT1在30m3/h时, 相对示值误差达6%, 在90 m3/h时, 相对示值误差为3%, 明显大于排出端流量计FT2在对应检测点的相对示值误差。同时, 生产数据显示, T7井在该造腔阶段, FT1示值在3080 m3/h范围, 这直接导致了计算的注入盐量偏大, 而溶盐量偏小, ***终使不落物膨松系数偏低。考虑到注人液体溶液质量浓度化验误差对于所有同期造腔井的不溶物膨松系数影响结果相近, 而除T7井外, 其他井不溶物膨松系数都在正常范围内, 所以流量计FT1实际测量误差大是导致T7井不溶物膨松系数偏小的主要原因。表2 T7井电磁流量计检测结果流量计压力/MPa温度/丈介质投产年份标准流量/ (m3/h) 实测流量/ (m3/h) 相对示值误差/%30. 3432.306FT16.225淡卤水200690.0492. 923180. 84182. 410.830.1231.083FI20.329卤水201490.3290.850.6从表2中可以看出, 随流速的增大, 相对示值误差逐渐减小。这可能是由于测量的流体内部杂质在管道内易形成沉淀, 虽然采用了聚四氟乙烯作为衬里材料保护电极, 但是在低速流状态下, 这些沉淀附着于内衬的表面使测量结果发生偏差, 所以电磁流量计实际测量误差必将随着时间的推移而逐渐增大。为提高电磁流量计在盐穴储气库造腔过程中的测量精度, 可采用以下方法。
(1) 调整工艺, 在可控范围内提髙流速, 减少杂质沉淀, 提高测量精度。
(2) 定期清理流量计。
(3) 对于检测过程中发现的误差值超过***大允许误差的流量计, 仪表系数偏离原出厂标定的仪表系数时, 可根据检测机构的检测结果进行仪表系数校准。
4、结束语：
综上所述, 电磁流量计的准确性和稳定性能够满足盐穴储气库造腔的需要。但是, 电磁流量计在盐穴储气库使用中, 受待测液体不纯的影响, 实际的测量误差随时间的推移而逐渐增大, 特别是在低流速的情况下, 相对示值误差明显较大。造腔设计者可根据特定地区岩盐中不溶物膨松系数在一定范围内这一特征, 进行生产分析, 评价流量计计量在使用中的可靠性。对于不溶物膨松系数不在特定范围内的井, 排除浓度检验影响后, 可通过提高流速, 定期清理流量计, 仪表系数校准等方式提高测量的数据的准确性, 以便于合理安排造腔计划, 指导造腔施工。
本文通过介绍电磁流量计的测量原理, 造腔地面工艺, 确定电磁流量计在造腔站的适用性, 造腔站内电磁流量计的选型与安装, 明确该类流量计的使用符合减小测量误差及稳定性的要求, 再根据曰常生产中的注人液体、排出液体体积以及相应的浓度, 对溶盐体积进行计算, 结合阶段造腔实际体积及不溶物含量, 计算不溶物膨松系数, 评价流量计的可靠性。
1、电磁流量计测量原理：
电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律测量, 如图1所示, 用于测量电极与运动的流体构成的回路中产生的电参数, 并根据公式换算成流体速度, 再测量流通截面液位高度得到流通面积, 两者相乘得到所测流量。Ue=kBLv (l) Q=fTT^V (2) 式中:为被测介质体积流量, m3/s;%为直流式电磁流量计用来测量流体横越磁场时所感生的电动势, V; 6为磁感应强度, T; L为电极间距, 即测量管内径, m; v为液体平均流速, m/s; A为修正系数。
图1电磁流量计工作原理图
2、造腔站电磁流量计选型：
电磁流量选型与安装应根据工艺条件来确定, 主要包括被测介质电导率、温度、压力、介质流量范围、工艺管道的管径、介质状态, 介质的腐蚀性, 工艺管道材质等因素, 保证测量的准确度, 并根据环境条件选择防爆及防护等级。
2.1、造腔地面工艺：
造腔地面工艺分为注水工艺和排卤工艺。注7jC过程中, 淡水或淡卤水通过离心泵增压至汇管, 然后通过各井管线流量计计量, 进人盐层。排卤过程为, 溶盐产生的卤水依靠自身压力通过管道计量后, ***终进人汇管外输。
2.2、选型及安装：
造腔站电磁流量计测量介质主要为卤水或者淡卤水, 电导性较强, 但具有较强的腐蚀性。采用的衬里材料为聚四氟乙烯 (PTFE) , 电极材料选用哈氏合金 (HC) , 耐腐蚀性能好, 能有效预防注人和排出液体含有颗粒杂质、饱和卤水结晶等问题。防护等级选用IP65用以完全防止外物侵入并防喷射水进人。在安装位置方面, 各单井注水排商流量计在高低压阀室, 与注水泵机组隔离, 接地良好。单井注水排卤管道为DN150, 流量计的前直管段长度为87 cm, 后直管段55 cm, 同时, 在回卤的低压阀室, 电磁流量计安装在介质的上流处, 符合电磁流量计安装要求[78]。
3、造腔站电磁流量计可靠性分析：
根据岩盐中泥质不溶物膨松系数在一定范围这一特征, 通过对金坛储气库的造腔井生产数据进行分析, 计算腔体溶盐量, 结合声响测腔体积, 计算不溶物膨松系数, 检验电磁流量计计量的可靠性。
3.1、盐层物理化学性质：
金坛盐岩层段岩性主要为盐岩、含泥盐岩夹含盐泥岩、钙芒硝泥岩、云质泥岩、泥岩、粉砂岩等。对于占盐岩段80%以上的盐岩层, 主要矿石以石盐为主, 其次为钙芒硝、石膏, 局部出现无水芒硝, 杂质主要为粘土矿物, 其次为白云岩、碳酸盐岩等。石盐的化学组成主要是NaCl, 占74.9%90.8%, 其次是Na2S04、CaS04, 其他盐类甚微。
3.2、造腔运行中溶盐量计算：
由于日常造腔中, 主要注人淡水或者淡卤水, 离子浓度非常低, 且日常化验中测量了注人液体的氯离子浓度, 其他离子未详细测量, 所以在进行溶解盐体积计算时, 注人液体只考虑氯离子。心=心+7剩余⑷P采= (1排·C排-P注·C注) /p氣化钠 (5) ^剩余=^'剩余液.C排’P* (化钠 (6) ^剩余液=m剩余水/ (0排G排) (7) 771剩余水= (y注.芦注P注.C注) 8由于每次测腔都有等待和准备时间, 所以腔内卤水浓度会继续升高, 腔体体积扩大。故该阶段溶盐体积应按照式 (9) 计算:阶段溶盐体积Fs=X〜+5>剩余水+ (P声-C声) x C声+p氣化销 (9) 式中:心为日溶盐体积, m3;心为日采盐体积, m3;为腔体扩大后未排出液体的溶盐体积, m3;为腔体扩大后未排出液体体积, m3;为腔体扩大后未排出的液体中等效淡水溶剂质量, kg;化为日排出液体体积, m3; F注为日注人液体体积, m3;为日排出液体氯化钠质量体积浓度, g/l; (^为日注入液体氯化钠质量体积浓度, g/1; P排为曰排出液体密度, kg/m3; p注为日注入液体密度, kg/m3;氯化钠密度, kg/m3;以为水的密度, kg/m3;为阶段溶盐体积, m3;为声呐测量时腔体内氯化钠质量体积浓度, g/1;为声呐测量时腔体内液体密度, kg/m30由于2016年前并未进行注水浓度化验, 所以本文选择了2016年至2017年进行造腔并在该时间段内完成设定造腔阶段的井进行统计分析, 结果如表1所示。表1金坛储气库20162017年完成设定造腔阶段的井溶盐量及不溶物膨松系数计算结果序号井名阶段声呐体积An3阶段不溶物含量阶段溶盐体积/m3不溶物膨松系数1T151 4910.17663 0371.92'T242 439.70. 20884 1222.93T338 477. 30. 22749 772.341.84T428 774.40. 20843 190.342.35T514 954.40.14719 537.282.46T639 4650.18144 591. 821.5续表序号井名阶段声呐体积/m3阶段不溶物含量阶段溶盐体积/m3不溶物膨松系数7T724 276.
30.269'28 561. 641.48T833 216.50. 20341 432.31.89T928 783.70. 28136 815. 591.610T1024 649.40. 28244 977.062.211T1123 079. 30.2544 361. 372.43.3
膨松系数盐岩矿床不论品位多髙, 都普遍存在着水不溶物, 主要分布在盐岩层内及夹层中。由于金坛盐矿不溶物中的一大部分属于泥岩, 主要以粘土矿物中以伊利石为主, 其次为伊/蒙混层, 无高岭石, 这些粘土矿物的强吸水性及吸水后极易膨松性, 会减少腔体有效体积, 所以实际溶解盐的体积并不是腔体体积, 它们之间存在以下关系式中:K为阶段腔体有效体积, m3; 1为阶段溶解的固体盐体积, m3;«为阶段盐岩中不溶物比例, 小数;卢为阶段盐岩中不溶物崩落以后的膨松系数, 常数。根据实验, 金坛储气库不溶物膨松系数在1.53范围。由于盐穴造腔高度近150 m, 含多个夹层, 夹层含粘土矿物含量不同, 所以膨松系数不同, 同时夹层的厚度不同, 所以利用该方法模拟的腔体体积的评价应根据不同造腔阶段来进行。.表1列举了2017年测腔井的阶段造腔体积及该阶段不溶物含量, 并计算该阶段的不溶物膨松系数。从表1可以看出, 除T7井外, 其他井不溶物膨松系数均在1.53范围, 说明造腔站内的电磁流量计的准确性和稳定性能够满足生产的需要。
3.4、误差分析：
根据该方法对盐穴储气库电磁流量计效果进行评价时, 不溶物膨松系数计算误差主要受下列因素影响。
(1) 注人液体溶液质量浓度化验误差。受盐厂清罐等因素影响, 当日供应的淡卤水浓度可能会出现上午高, 下午低的情况, 而每天淡水供应化验的浓度只有上午一个参数, 所以对计算结果有一定影响。该误差可通过增加浓度化验次数得到有效解决。
(2) 由注人液体中硫酸钠、硫酸钙等含量的不确定引起的误差, 但这些矿物在溶液中含量非常少, 在一个造腔阶段内其影响可忽略。
(3) 流量计计量误差。现场选用的是准确度等级为0.5级的流量计。检测报告显示, 流量计实际相对示值误差较大, 这可能导致计算的不溶物膨松系数偏离正常范围。以T7井为例, 如表2所示, 注入端流量计FT1在30m3/h时, 相对示值误差达6%, 在90 m3/h时, 相对示值误差为3%, 明显大于排出端流量计FT2在对应检测点的相对示值误差。同时, 生产数据显示, T7井在该造腔阶段, FT1示值在3080 m3/h范围, 这直接导致了计算的注入盐量偏大, 而溶盐量偏小, ***终使不落物膨松系数偏低。考虑到注人液体溶液质量浓度化验误差对于所有同期造腔井的不溶物膨松系数影响结果相近, 而除T7井外, 其他井不溶物膨松系数都在正常范围内, 所以流量计FT1实际测量误差大是导致T7井不溶物膨松系数偏小的主要原因。表2 T7井电磁流量计检测结果流量计压力/MPa温度/丈介质投产年份标准流量/ (m3/h) 实测流量/ (m3/h) 相对示值误差/%30. 3432.306FT16.225淡卤水200690.0492. 923180. 84182. 410.830.1231.083FI20.329卤水201490.3290.850.6从表2中可以看出, 随流速的增大, 相对示值误差逐渐减小。这可能是由于测量的流体内部杂质在管道内易形成沉淀, 虽然采用了聚四氟乙烯作为衬里材料保护电极, 但是在低速流状态下, 这些沉淀附着于内衬的表面使测量结果发生偏差, 所以电磁流量计实际测量误差必将随着时间的推移而逐渐增大。为提高电磁流量计在盐穴储气库造腔过程中的测量精度, 可采用以下方法。
(1) 调整工艺, 在可控范围内提髙流速, 减少杂质沉淀, 提高测量精度。
(2) 定期清理流量计。
(3) 对于检测过程中发现的误差值超过***大允许误差的流量计, 仪表系数偏离原出厂标定的仪表系数时, 可根据检测机构的检测结果进行仪表系数校准。
4、结束语：
综上所述, 电磁流量计的准确性和稳定性能够满足盐穴储气库造腔的需要。但是, 电磁流量计在盐穴储气库使用中, 受待测液体不纯的影响, 实际的测量误差随时间的推移而逐渐增大, 特别是在低流速的情况下, 相对示值误差明显较大。造腔设计者可根据特定地区岩盐中不溶物膨松系数在一定范围内这一特征, 进行生产分析, 评价流量计计量在使用中的可靠性。对于不溶物膨松系数不在特定范围内的井, 排除浓度检验影响后, 可通过提高流速, 定期清理流量计, 仪表系数校准等方式提高测量的数据的准确性, 以便于合理安排造腔计划, 指导造腔施工。