基于虚拟仪器的多相流量计量系统

　　1　引　　言

　　对于石油开采行业,特别是海上油田及油田开采多年的采油作业,在探井勘探进行预估油田的总储量后,如何替代原有的造价高昂的油气计量站,定量考核油井的产油、产气量和含水量;对于化肥行业,合成氨生产流程的液氨计量需要中压设备和管道组成恒温恒压的气液分离系统,投资较大,而且计量精度易受温度、压力变化等的影响;对于流程工业特定场合下的非满管的流量计量,这些技术问题都成为研究多相流体流量计量技术的发展动力。基于虚拟仪器的多相流量计量系统正是在这种背景下应运而生的。

　　2　测量原理及系统组成

　　多相流量计量系统的测量原理是基于互相关一致性原理,利用同位素发出的射线穿过多相流体,得到射线衰减曲线并进行在线频谱分析,取得的频谱分析数据与样品分析报告比较后,得到大致的相分率的范围和各相的密度。为了能够测量油气水三相分率,需要采用137Cs和241Am两种能级的射线源。通过实验和推导,得出射线穿过多相流体的信号强度I为:

　　利用互相关流速测定原理和双能γ射线衰减曲线,得到两点相似波形流体的通过时间,并得到在规定距离内流过的多相混合流体的流速,通过两点互相关流量计以及工作温度和工作压力的在线补偿,可对相分率和密度的测量作进一步的计算和修正,最终得到较为准确的多相分率和密度。通过计算相分率、密度与多相混合流体流速的乘积,可得到各相流体的质量流量。虚拟仪器技术的应用主要集中在利用采集到流体的射线衰减曲线,并应用软件的方法进行信号滤波调理、频谱分析和完成大量的计算工作,最终获得多相流体各相的瞬时流量、累积流量以及密度等测量值和变化趋势,并快速准确地把计算结果显示到CRT上。

　　按照上述的多相计量原理,多相流量计量系统基本构成如图1所示。由于系统采用了虚拟仪器技术,从而极大减少了系统的硬件设备。测量系统以一台工业控制计算机作为系统主机,其最大特点是主板性能稳定,能够可靠支持信号输入板卡。根据系统要求,外部输入模拟信号有6路。由于来自测量元件信号类型有毫伏和毫安两种类型,所以最终选用可支持8路模拟信号的PCI-6023E输入板卡。

　　3　系统软件编制

　　虚拟仪器的最大特点是用软件代替传统的仪器,所以多相流量计量系统的大量工作集中在软件开发过程中。为了提高工作效率,缩短开发周期,文中采用了美国National Instrument LabVIEW 7.0作为系统开发平台。软件的主流程图如图2所示。多相流体之相分率的测量和计算采用基于BP神经网络的无模型软测量方法[2]。将来自高低能的射线衰减信号作为该计算模块的输入信号,计算模块的输出结果为相分率,通过按前馈方式计算输出权值,将其与样本的标准值比较作为输出校验点。如果偏差满足要求(小于5%),则程序计算结束,否则重新修正权值。这种方法的优点是实现了输入与输出之间的非线性映射,可以提高相分率测量的准确度。由于该模块中的计算为多变量权值计算。利用LabVIEW提供的函数并结合VC++程序对参数的修正,可以完成该模块的复杂计算,且运行效率较高。软件流程图如图3所示。根据以上软件流程图形成的算法,如果采用VC++等高级语言,可以实现底层硬件的控制,但设计工作界面的程序量非常大。采用图形编程可以大大简化程序编制的工作量。在设计系统时,这里考虑采用VC++形成的复杂计算函数和控制驱动程序进行编译,使它成为图形编程软件中可供调用的函数[3]。