CN114060727A - 一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，涉及油田管道腐蚀与防护技术领域，包括差分热阻探头和差分信号采集电路，差分热阻探头插入到油田集输管道的管壁上，差分热阻探头中镶嵌有两个温度传感器；第一温度传感器突出于差分热阻探头底平面，而第二温度传感器则低于探头底面，形成一个用于沉积结垢的凹陷腔；第一温度传感器和第二温度传感器形成的电压降VA和VB经两级放大器放大，再经转换器转为数字化，最后由单片机读取、存储和温度转换；本装置能够测量油田集输管道表面的污垢沉积状态，采用差分热阻探头对污垢覆盖引起的温差变化具有较好的敏感度。

Description

一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置

技术领域

本发明涉及油田管道腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置。

背景技术

随着我国油田开采逐步进入后期，各大油田的原油开采已进入高含水期，采出液的综合含水率逐年升高，甚至超过90％。由于回注污水的高矿化度(>10000mg/L)、高Cl-含量以及高水温(>60℃)等特性，再加H2S、CO2、SRB等协同作用，往往造成地面管线及井下管柱的结垢和腐蚀。管线结垢不仅增加了注水压力和能耗，还为垢下微生物腐蚀或浓差腐蚀提供了有利条件。与腐蚀监测不同，结垢监测尤其是在线监测十分困难，相关文献报道较少。

目前关于如何防止结垢的专利较多但关于现场结垢监测的报道很少。而且油田地面管网由于没有冷热水换热回路，管内流体只能通过管壁向大气散热，所以通过冷热回路的温差测量并不合适。中国专利CN105659075提出了一种用于监测沉积物的方法，利用电极测量流体的复数阻抗来确定流体中可能包含的成分，并且根据一系列的实验得到溶液中各成分分别对阻抗的影响关系，确定流体具体成分，从而监测沉积物的形成和化学抑制剂的含量。但该技术并不能直接监测流体在管道表面的结垢趋势，只能测量流体的电导率。中国专利CN201740749U提供了一种循环冷却水结垢状况检测装置，通过监测探头污垢监测装置分别在结垢与非结垢状态下蒸馏水储存器内温度的温升值和时间之间的关系得到在不同时间的腐蚀结垢情况。该装置能够实现循环水系统在不停产的情况下在线监测结构状态。但根据传热效率作为依据存在一些不确定因素，当垢层比较疏松的时候，局部传热面积增大，温升值与实际值之间出现误差，导致判断失效，而且装置过于复杂，难以现场应用。中国专利CN2017111926939提供了一种油田注水管道在线结垢监测装置，包括结垢监测控制器和在线结垢监测传感器，结垢监测控制器包括电流放大器、功率放大器、主极化电路、二个正弦波发生器，二个电位电流信号数据采集器，通信接口、电源模块、和MCU控制器，在线结垢传感器通过两根电缆线与功率放大器和电流放大器相连；在线结垢监测传感器主要由二个金属丝电极、不锈钢支撑柱、素烧陶瓷管、电热丝、聚四氟乙烯防油罩、聚四氟乙烯防油壳体和6芯航插装配成，该装置结构复杂，故障率高。可见现有技术中没有一种能够有效实现油田注水管路结垢监测的方法。

因此，有必要研制一种高效、易实施的垢层在线监测传感器和数据采集与分析装置，用于对阻垢除垢措施效能的快速评价。

发明内容

本发明提供了一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，能够在线测量油田集输管道表面的污垢沉积状态，采用差分热阻探头对污垢覆盖引起的温差变化具有较好的敏感度，适合于具有向环境散热特点的油田集输管道的结垢监测。

本发明的技术方案是：一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，包括差分热阻探头和差分信号采集电路，所述差分热阻探头插入到油田集输管道的管壁上固定，且差分热阻探头的底平面与管道内壁平齐；所述差分热阻探头中镶嵌有两个温度传感器，分别为第一温度传感器和第二温度传感器；所述第一温度传感器突出于差分热阻探头底平面伸入管道中，而所述第二温度传感器则低于探头底面，与差分热阻探头底平面形成一个用于沉积结垢的凹陷腔；

所述差分信号采集电路包括恒流源、第一放大器、第二放大器、第三放大器、转换器和单片机，所述第一温度传感器和第二温度传感器均采用四线制测量方式，所述第二温度传感器的输入端与恒流源的Vcc电源端电连接，所述第一温度传感器和第二温度传感器串联，所述第一温度传感器的输出端与恒流源的接地端电连接；所述第一放大器的正极输入端和负极输入端分别与第一温度传感器的两个信号输出端相连，所述第二放大器的正极输入端和负极输入端分别与第二温度传感器的两个信号输出端相连，所述第三放大器的正极输入端和负极输入端分别与分别与第一放大器和第二放大器的信号输出端相连；所述转化器与第三放大器的两个信号输出端电连接，所述单片机与转换器电连接。

优选的，所述第一温度传感器突出于差分热阻探头底平面1mm～5mm，所述第二温度传感器则低于探头底面1mm～5mm。

优选的，所述恒流源的输出电流I＝0.1～10mA。

优选的，所述第一放大器和第二放大器为仪表放大器。

优选的，所述第三放大器为PGA可编程仪表放大器。

优选的，所述转换器为16～24bitΣ-ΔADC转换器。

优选的，所述单片机为STM32。

优选的，为了有效滤除工频干扰，所述转换器中嵌入有50Hz/60Hz工频陷波器。

优选的，所述第一温度传感器和第二温度传感器采用热电阻或者热电偶来制作。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

(1)本装置能够测量油田集输管道表面的污垢沉积状态，采用差分热阻探头对污垢覆盖引起的温差变化具有较好的敏感度。

(2)本装置采用四线制差分热电阻，可以补偿温度传感器导线电阻和异种金属导线之间的热电势。

(3)本装置中的温差测量探头中温度传感器采用不对称设计，第二温度传感器底部具有一个空腔，可以诱导垢层沉积，用于感知垢层温度，而第一温度传感器突出于流体中，表面不易结垢，用于感知流体温度。

(4)由于垢层与探头金属本体导热能力不同，导致管内流体沿管道径向向环境传热时，两个传感器热阻出现微小差异，第一、第二温度传感器之间出现微小温差。采用四线制和两级差分放大器电路，热电阻分辨率可达300μΩ，温差分辨率可达0.001℃。

(5)本装置中的垢层热阻监测探头和数据采集装置结构简单紧凑，可重复性和可操作性强，适合于具有向环境散热特点的油田集输管道的结垢监测。

附图说明

图1为差分热阻探头用于管道结垢监测的安装示意图；

图2为差分热阻探头的结构示意图；

图3为差分信号采集电路示意图；

图4为本发明整体示意图；

图5为实施例一示意图；

图6为实施例三的垢层温差标准曲线。

图中：1、第一温度传感器，2、第二温度传感器，3、差分热阻探头，4、凹陷腔，5、管道，6、垢层，10、单片机，11、转换器，12、第三放大器，13、恒流源，14、第一放大器，15、第二放大器。

具体实施方式

下面是结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例一

参照图1-5所示，采用污垢热阻监测方法需要测量一段管道5的流体入口和出口温差，当管道5内壁由于结垢使传热效率下降时，管道5流体出口与入口的温差将减小。根据垢层6热阻的定义，垢层6热阻R_f

式(1)中，T_ws为管壁与垢层6之间的界面温度，可以准确测定，本实施例中采用差分热阻探头3中的第二温度传感器2测量。T_s为垢层6与流体之间的界面温度，也可称为垢层6表面温度,可以通过测量管内流体温度获得，本实施例中采用第一温度传感器1测量。q为垢层6热流密度，m为单位时间内流体质量，c_p为流体密度，T_fo,T_fi为流体的出口和入口温度，d为管径，l为管长。

随着管道5内壁垢层6厚度增加，q随之减小，R_f增大，使垢层6上、下表面的温差增大。因此通过精密测量差分热阻探头3内置的两个温度传感器之间的差值，就可以表明垢层6的致密度或厚度。

实施例二

针对油田输油管线的环境参数，其中流体温度可在40℃～95℃变化，流体热流通过管道5壁和保温层向环境散热，除去管道5外壁的部分保温层，在管道5底部或其他任意钟点方向开孔，安装本差分热阻探头3，使管道5流体的热量能通过金属基探头向外散热，由于探头内的两个温度传感器的安装位置有高层差，且第二温度传感器2底部有一个凹陷空间，容易发生垢的沉积。而第一温度传感器1则突出于探头底面，可以避免结垢。

第一温度传感器1、第二温度传感器2采用Pt100热电阻制作，将恒流源13的输出电流调节到1mA，考虑到Pt100在-20℃～100℃之间的灵敏度为0.004Ω/0.01℃,则

R₀是Pt100在0℃的阻值，标称值为100Ω，RT为Pt100在T℃下的阻值，α＝0.003916Ω/(Ω·℃)。以Pt100温度传感器为例，其中第一温度传感器1的电压差V_A+-V_A-＝4μV/0.01℃，第一放大器14、第二放大器15的放大倍率设为100倍，第三放大器12倍率设为10倍，则最后的增益可以达到4mV/0.01℃。转换器11为Σ-ΔADC转换器11用于进行数模转换，该转换器11在本实施例中采用ADS1210，可以达到24bit分辨率，在±5V的模拟电压测量范围内可以分辨出0.1mV的电压变化，因此采用本专利中的电路，可以分辨出0.1mV/4mV×0.01＝0.00025℃的温差变化，可见该转换器11对温度传感器之间的温差具有很好地敏感性。

实施例三

针对油田输油管线的环境参数，使用DN200的20#碳钢管道5，管内充满具有结垢趋势的油田污水，其中Ca²⁺浓度为200mg/L，HCO₃ ^-离子浓度为1000mg/L，pH＝6.5，温度维持在60℃，管外壁温度为50℃，将差分热阻探头3按照附图1的方式插入到管道5，随着污水逐步浓缩，10天后在差分热阻探头3的第二温度传感器2表面可沉积0.5mm厚的CaCO₃垢层6，在此时间段两个温度传感器之间的温差ΔT由0.2℃逐步上升到0.6℃。整个温差变化曲线如附图6所示。此时基于本探头计算的垢层6热阻＝(0.6-0.2)/0.5＝0.8℃/mm。如果测量的温差增加，则表面垢层6进一步增厚。基于不同化学成分和厚度的垢层6温差标准曲线，可以根据实测温差值计算出管道5内壁的垢层6热阻、厚度或者致密度。

实施例四

参照图4所示，一种基于差分热阻法实现油田集输管道5结垢监测的装置，包括差分热阻探头3和差分信号采集电路，差分热阻探头3插入到油田集输管道5的管壁上，且差分热阻探头3的底平面与管道5内壁平齐，确保差分热阻探头3的底面受到的流体剪切力与管道5内壁一致，从而更真实反映管道5内结垢状态；差分热阻探头3中镶嵌有两个温度传感器，分别为第一温度传感器1和第二温度传感器2；第一温度传感器1突出于差分热阻探头3底平面伸入管道中3mm，而第二温度传感器2则低于探头底面3mm，与差分热阻探头3底平面形成一个用于沉积结垢的凹陷腔4；

参照图3所示，差分信号采集电路包括恒流源13、第一放大器14、第二放大器15、第三放大器12、转换器11和单片机10，第一放大器14和第二放大器15为仪表放大器，第三放大器12为PGA可编程仪表放大器。第一温度传感器1和第二温度传感器2均采用四线制测量方式，第二温度传感器2的输入端与恒流源13的Vcc电源端电连接，第一温度传感器1和第二温度传感器2串联，第一温度传感器1的输出端与恒流源13的接地端电连接；第一放大器14的正极输入端和负极输入端分别与第一温度传感器1的两个信号输出端相连，第二放大器15的正极输入端和负极输入端分别与第二温度传感器2的两个信号输出端相连，第三放大器12的正极输入端和负极输入端分别与第一放大器14和第二放大器15的输出端相连；转化器与第三放大器12的两个输出端电连接，单片机10与转换器11电连接。

本装置中的温差测量探头中温度传感器采用不对称设计，第二温度传感器2底部具有一个凹陷腔4，可以诱导垢层6沉积，用于感知垢层6温度，而第一温度传感器1突出于流体中，表面不易结垢，用于感知流体温度。

由于垢层6与探头金属本体导热能力不同，导致管内流体沿管道5径向向环境传热时，两个传感器热阻出现微小差异，第一温度传感器1、第二温度传感器2之间出现微小温差。采用四线制和两级差分放大器电路，热电阻分辨率可达300μΩ，温差分辨率可达0.001℃。

在使用时，经过一段时间的输送沉积，第二温度传感器2表面沉积了一层3mm厚的垢层6；第一温度传感器1、第二温度传感器2与恒流源13构成电流回路，恒电流输出电流，在第一温度传感器1、第二温度传感器2的电位线形成电压降VA和VB，VA和VB在经过第一放大器14和第二放大器15进行×G1倍放大，而第一放大器14、第二放大器15输出的电压信号再经过第三放大器12进行差分信号取样放大，其放大倍率设为×G2，则第三放大器12输出电压为(VA-VB)×G1×G2的模拟信号，该模拟信号经过转换器11转换为数字化，最后由单片机10读取、存储和温度转换。单片机10采集的电压信号与第一温度传感器1、第二温度传感器2底部的温差线性相关，而二者的温差则与第二传感器底部空腔内的垢层6沉积量成正比，基于第一温度传感器1和第二温度传感器2之间的温差随时间的变化，可用于估算探头表面的垢层6沉积量。

实施例五

参照图4所示，一种基于差分热阻法实现油田集输管道5结垢监测的装置，包括差分热阻探头3和差分信号采集电路，差分热阻探头3插入到油田集输管道5的管壁上，且差分热阻探头3的底平面与管道5内壁平齐，确保差分热阻探头3的底面受到的流体剪切力与管道5内壁一致，从而更真实反映管道5内结垢状态；差分热阻探头3中镶嵌有两个温度传感器，分别为第一温度传感器1和第二温度传感器2，并采用导热树脂进行封装和固化；第一温度传感器1突出于差分热阻探头3底平面伸入管道中5mm，而第二温度传感器2则低于探头底面5mm，与差分热阻探头3底平面形成一个用于沉积结垢的凹陷腔4；

参照图3所示，差分信号采集电路包括恒流源13、第一放大器14、第二放大器15、第三放大器12、转换器11和单片机10，第一放大器14和第二放大器15为仪表放大器，第三放大器12为PGA可编程仪表放大器，转换器11为16～24bitΣ-ΔADC转换器11。第一温度传感器1和第二温度传感器2均采用四线制测量方式，第二温度传感器2的输入端与恒流源13的Vcc电源端电连接，第一温度传感器1和第二温度传感器2串联，第一温度传感器1的输出端与恒流源13的接地端电连接；第一放大器14的正极输入端和负极输入端分别与第一温度传感器1的两个信号输出端相连，第二放大器15的正极输入端和负极输入端分别与第二温度传感器2的两个信号输出端相连，第三放大器12的正极输入端和负极输入端分别与第一放大器14和第二放大器15的输出端相连；转化器与第三放大器12的两个输出端电连接，单片机10与转换器11电连接。

在使用时，经过一段时间的输送沉积，第二温度传感器2表面沉积了一层5mm厚的垢层6；第一温度传感器1、第二温度传感器2与恒流源13构成电流回路，恒电流输出电流I＝0.1～10mA，在第一温度传感器1、第二温度传感器2的电位线形成电压降VA和VB，VA和VB在经过第一放大器14和第二放大器15进行×G1倍放大，而第一放大器14、第二放大器15输出的电压信号再经过第三放大器12进行差分信号取样放大，其放大倍率设为×G2，则第三放大器12输出电压为(VA-VB)×G1×G2的模拟信号，该模拟信号经过16～24bitΣ-ΔADC转换器11转换为数字化，最后由单片机10读取、存储和温度转换。本实施例的差分电压采集电路可分辨0.1μV～1μV的电压信号，ADC转换器11中嵌入有50Hz/60Hz工频陷波器，可有效滤除工频干扰。单片机10采集的电压信号与第一温度传感器1、第二温度传感器2底部的温差线性相关，而二者的温差则与第二传感器底部空腔内的垢层6沉积量成正比，基于第一温度传感器1和第二温度传感器2之间的温差随时间的变化，可用于估算探头表面的垢层6沉积量。

实施例6

参照图4所示，一种基于差分热阻法实现油田集输管道5结垢监测的装置，包括差分热阻探头3和差分信号采集电路，差分热阻探头3插入到油田集输管道5的管壁上，且差分热阻探头3的底平面与管道5内壁平齐，确保差分热阻探头3的底面受到的流体剪切力与管道5内壁一致，从而更真实反映管道5内结垢状态；差分热阻探头3中镶嵌有两个温度传感器，分别为第一温度传感器1和第二温度传感器2，并采用导热树脂进行封装和固化；第一温度传感器1和第二温度传感器2采用热电阻或热电偶来制作，第一温度传感器1突出于差分热阻探头3底平面伸入管道中1mm，而第二温度传感器2则低于探头底面1mm，与差分热阻探头3底平面形成一个用于沉积结垢的凹陷腔4；

参照图3所示，差分信号采集电路包括恒流源13、第一放大器14、第二放大器15、第三放大器12、转换器11和单片机10，第一放大器14和第二放大器15为仪表放大器，第三放大器12为PGA可编程仪表放大器，转换器11为16～24bitΣ-ΔADC转换器11，单片机10为STM32。第一温度传感器1和第二温度传感器2均采用四线制测量方式，第二温度传感器2的输入端与恒流源13的Vcc电源端电连接，第一温度传感器1和第二温度传感器2串联，第一温度传感器1的输出端与恒流源13的接地端电连接；第一放大器14的正极输入端和负极输入端分别与第一温度传感器1的两个信号输出端相连，第二放大器15的正极输入端和负极输入端分别与第二温度传感器2的两个信号输出端相连，第三放大器12的正极输入端和负极输入端分别与第一放大器14和第二放大器15的输出端相连；转化器与第三放大器12的两个输出端电连接，单片机10与转换器11电连接。

本实施例采用四线制差分热电阻，可以补偿温度传感器导线电阻和异种金属导线之间的热电势。本装置能够测量油田集输管道5表面的污垢沉积状态，采用差分热阻探头3对污垢覆盖引起的温差变化具有较好的敏感度。

由于垢层6与探头金属本体导热能力不同，导致管内流体沿管道5径向向环境传热时，两个传感器热阻出现微小差异，第一温度传感器1、第二温度传感器2之间出现微小温差。采用四线制和两级差分放大器电路，热电阻分辨率可达300μΩ，温差分辨率可达0.001℃。

在使用时，经过一段时间的输送沉积，第二温度传感器2表面沉积了一层1mm厚的垢层6；第一温度传感器1、第二温度传感器2与恒流源13构成电流回路，恒电流输出电流I＝0.1～10mA，在第一温度传感器1、第二温度传感器2的电位线形成电压降VA和VB，VA和VB在经过第一放大器14和第二放大器15进行×G1倍放大，而第一放大器14、第二放大器15输出的电压信号再经过第三放大器12进行差分信号取样放大，其放大倍率设为×G2，则第三放大器12输出电压为(VA-VB)×G1×G2的模拟信号，该模拟信号经过16～24bitΣ-ΔADC转换器11转换为数字化，最后由STM32单片机10读取、存储和温度转换。本实施例的差分电压采集电路可分辨0.1μV～1μV的电压信号，ADC转换器11中嵌入有50Hz/60Hz工频陷波器，可有效滤除工频干扰。STM32单片机10采集的电压信号与第一温度传感器1、第二温度传感器2底部的温差线性相关，而二者的温差则与第二传感器底部空腔内的垢层6沉积量成正比，基于第一温度传感器1和第二温度传感器2之间的温差随时间的变化，可用于估算探头表面的垢层6沉积量。

本发明并不限于上述的实施方式，在本领域技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，变化后的内容仍属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：包括差分热阻探头和差分信号采集电路，所述差分热阻探头插入到油田集输管道的管壁上固定，且差分热阻探头的底平面与管道内壁平齐；所述差分热阻探头中镶嵌有两个温度传感器，分别为第一温度传感器和第二温度传感器；所述第一温度传感器突出于差分热阻探头底平面伸入管道中，而所述第二温度传感器则低于探头底面，与差分热阻探头底平面形成一个用于沉积结垢的凹陷腔；

所述差分信号采集电路包括恒流源、第一放大器、第二放大器、第三放大器、转换器和单片机，所述第一温度传感器和第二温度传感器均采用四线制测量方式，所述第二温度传感器的输入端与恒流源的Vcc电源端电连接，所述第一温度传感器和第二温度传感器串联，所述第一温度传感器的输出端与恒流源的接地端电连接；所述第一放大器的正极输入端和负极输入端分别与第一温度传感器的两个信号输出端相连，所述第二放大器的正极输入端和负极输入端分别与第二温度传感器的两个信号输出端相连，所述第三放大器的正极输入端和负极输入端分别与分别与第一放大器和第二放大器的信号输出端相连；所述转化器与第三放大器的两个信号输出端电连接，所述单片机与转换器电连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述第一温度传感器突出于差分热阻探头底平面1mm～5mm，所述第二温度传感器则低于探头底面1mm～5mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述恒流源的输出电流I＝0.1～10mA。

4.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述第一放大器和第二放大器为仪表放大器。

5.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述第三放大器为PGA可编程仪表放大器。

6.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述转换器为16～24bitΣ-ΔADC转换器。

7.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述单片机为STM32。

8.根据权利要求1或6所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述转换器中嵌入有50Hz/60Hz工频陷波器。

9.根据权利要求1所述的一种基于差分热阻法实现油田集输管道结垢监测的装置，其特征在于：所述第一温度传感器和第二温度传感器采用热电阻或者热电偶来制作。

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