凝析天然氣計量技術2005年8月

1、凝析天然氣計量技術2005年8月摘要 本文闡述了凝析天然氣流量計量基本原理，國外多家公司凝析天然氣計量在研技術的比較，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其技術路線，指出部分值得關注的研究方向，為國內(nèi)同類儀表的研制和選型提供參考。關鍵詞 凝析天然氣流量計 在線多相流量計 計量技術0 引言凝析天然氣流量計的英文是Wet Gas Meter，國內(nèi)有時也翻譯成濕氣流量計。對于凝析天然氣或者濕氣的準確含義國際上還沒有統(tǒng)一的定義，一般指在工作條件下氣相體積含率大于90，液相與其它組分體積含率小于10的氣井產(chǎn)出物。其中液相成份可能由攜帶的和由于地面生產(chǎn)系統(tǒng)溫度壓力降低而凝析生成的烷烴類輕組分、飽和水以及為防止水合物形成人工加

2、入的注劑等組成；有時還有部分沙粒、鐵屑等固相成份，所以凝析天然氣計量屬于特殊的多相流測量范疇，現(xiàn)有的計量技術一般將它簡化為氣液兩相流的測量問題。國內(nèi)外現(xiàn)有的多相流量計大都針對含液率為1090的油氣水三相流進行測量，在90的置信概率下，氣、液相測量精度可以達到10以內(nèi)，因此無法直接用多相流量計計量凝析天然氣產(chǎn)量。如果用傳統(tǒng)的單相氣體流量儀表計量凝析天然氣，由于液相的存在，也會造成很大的測量誤差。石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)中凝析天然氣的計量方式是將若干口氣井產(chǎn)物集中到計量站，控制各井產(chǎn)物分時通過計量分離器，對分離后的油氣水進行單相倒井計量，生產(chǎn)流程復雜、造價高并且是斷續(xù)計量。隨著海洋、沙漠、極地以及其它邊

3、遠地區(qū)油氣田的開發(fā)建設和老氣田的技術改造，對簡化工藝流程、降低生產(chǎn)成本，提高氣藏和氣井的科學管理水平以及操作決策的最優(yōu)化等方面都提出了更高的要求。解決在線實時準確測量天然氣、凝析油、水的流量就顯得尤為重要。正因為如此，國內(nèi)外不少研究機構(gòu)、JIP（joint Indus-try project）項目等近年來已經(jīng)著手開發(fā)凝析天然氣流量計。1 國內(nèi)外多相計量與凝析天然氣計量的研究現(xiàn)狀盡管從80年代初至今，多相流計量技術的開發(fā)和應用已經(jīng)取得了重要進展。截至目前，國際上達到商品化程度并且在工業(yè)現(xiàn)場進行過試驗或應用的多相流量計包括：美國Agar公司的Agar301/401、挪威Roxor公司的RFM與Fl

4、uenta 1900VI、中國Haimo公司的MFM2000、中國西安交通大學的TFM500、美國McCrom-eter公司的VCone、英國Solartron公司的DualStream、英國帝國理工大學的ESMER以及意大利TEA公司的VEGA等多相流量計。但是由于這些產(chǎn)品的性價比難以令客戶滿意，至今還沒有一種產(chǎn)品能夠占據(jù)明顯的技術優(yōu)勢與市場優(yōu)勢。目前，國外能夠提供凝析天然氣流量計的廠商非常有限。上述多相流量計中公開聲稱能夠用于凝析天然氣計量的流量計僅有Solarton、TEA、McCrometer、PECO、Agar五家公司的產(chǎn)品，其中只有Solartron公司的Dual-Stream流量

5、計已有現(xiàn)場成功應用的報道，其余公司的產(chǎn)品或者正在進行現(xiàn)場試驗或者還處在實驗室研發(fā)與改進階段。 目前，國內(nèi)的多相流量計研制還處于起步階段，所推出的產(chǎn)品樣機存在著不少問題，還沒有真正的凝析天然氣流量計。除蘭州海默公司和西安交通大學兩家能夠提供商品化的多相流量計以外，勝利油田稠油所與西安交通大學合作、遼河油田與清華大學合作研制的飽和蒸汽流量計也有部分應用。針對多相流體力學、多相流動機理、氣液相間傳熱與傳質(zhì)、油氣水混相輸送、多相流檢測技術、層析成像、氣力輸送與混拌等不同的研究方向，國內(nèi)天津大學、浙江大學、石油大學、東北大學、上海交通大學、中科院、中國農(nóng)業(yè)大學等單位也都進行過或者正在進行相應的研究工作。

6、 國際上，多相流的基礎理論研究方面，英國曼徹斯特大學在流動成像、流型分析與判別；帝國理工大學在流型特征提取與流型自動識別、多相流動規(guī)律；美國的Tulsa大學在氣液混相輸送、水力熱力計算、管道設計、旋流分離；挪威國家能源技術研究所在計算流體力學、多相流動模型、多相計量；加拿大阿爾伯塔大學在氣液反應、氣固流化特性、流動規(guī)律等方面都進行了長期的、大量的研究工作。多相流的工程應用方面，英國的國家工程實驗室（NEL）是目前業(yè)界公認的工業(yè)多相流量計權威測試機構(gòu)，由NEL牽頭的多相流JIP項目涉及多相流計量、多相流動機理、管道安全與防護等多個方面的研究工作；挪威的Roxer、Framo、美國的Daniel等

7、石油設備、儀器儀表廠商也都投入了大量的人力與財力進行相關的研究工作；由Shell、Chevron等石油公司共同投資的JIP項目多年來一直堅持對多相流的研究工作進行資助。 由于石油天然氣工業(yè)、化學工業(yè)、核工業(yè)等領域的需求推動，多相流的在線計量技術仍然是國內(nèi)外當前以至今后一段時間內(nèi)的研究熱點，凝析天然氣的在線計量技術已經(jīng)引起越來越多的天然氣生產(chǎn)者、研究者和流量計生產(chǎn)廠商的關注。 2 凝析天然氣計量在研技術比較 下面對國內(nèi)凝析天然氣計量在研技術與相關產(chǎn)品的工作原理進行比較，其共同點是一次傳感元件以文丘里管或者文丘里管的改進型為主，充分利用文丘里管壓降低、流量系數(shù)對氣液相的流動結(jié)構(gòu)不敏感等特點；結(jié)合多

8、相流動模型與數(shù)字信號處理技術，對測量值進行運算后得到氣液相流量。它們的不同點是有些公司采用了部分分離技術，首先對凝析天然氣進行氣液分離，然后分別用單相儀表進行計量；有些使用多種常規(guī)傳感器的組合方式直接對凝析天然氣進行計量，如：雙文丘里、文丘里與 射線、文丘里與電容/電感傳感器等組合方式獲得氣液相流量，并且對常規(guī)的傳感器進行了不同程度的改進。 2.1 McCrometer的V-CONE系列流量計 該流量計的最大特點是其傳感器結(jié)構(gòu)的改進，V-CONE也稱作V形內(nèi)錐式節(jié)流件或者內(nèi)文丘里節(jié)流件，它是在一段直管的中心固定一個紡錘形的阻力件，使管道流通面積發(fā)生變化，產(chǎn)生類似文丘里管的節(jié)流作用。單相流體的實

9、驗結(jié)果已經(jīng)證明：V-CONE的測量范圍、測量精度等指標均好于標準的文丘里管。 由于凝析天然氣的流型以光滑分層流、分層波浪流和環(huán)狀流為主，流型的共同特點是液相成分集中在管壁附近，氣相成分分布在管道中心與水平管的上半部分。標準的節(jié)流裝置，如孔板、文丘里管、噴嘴等用于凝析天然氣流量測量時，將會由于縮頸以及流體與節(jié)流件的碰撞分離效應產(chǎn)生液相斷續(xù)通過節(jié)流件的情況，從而產(chǎn)生很大的附加阻力和差壓波動，導致測量精度降低。而V-CONE能夠使凝析氣中的自由液體成分沿管壁無阻攔的通過流量計，大大減少了這種影響，使差壓的測量值更加平穩(wěn)、準確；同時也減少了流量計本身對流體流型的影響，減少了其它測量參數(shù)的波動。 2.2

10、 Solartron 公司的凝析天然氣流量計 該流量計2002年底推出時宣稱是“世界上第一款真正的凝析天然氣流量計”，其測量元件采用“混合器雙文丘利管”的形式，混合器的作用是使氣液相之間的速度差盡可能小，管道截面的氣液相分布盡可能均勻，利用多相流體力學的均相流模型對不同流量系數(shù)的文丘里管上得到的差壓信號進行運算，獲得氣相質(zhì)量含率，然后由所測混合物總質(zhì)量流量計算得到氣液相分相流量，同時對氣液流量進行溫度、壓力補償。置信概率為90時，氣相測量精度為3，液相精度為7，基本滿足生產(chǎn)計量需求。另據(jù)文獻報道：Solartron公司對標準的文丘里管進行了許多改進，如文丘里管的入口角度變化、喉部長度加長等，對

11、雙文丘里的最佳組合、混合器篩選等方面也進行了相應的工作。2.3 PECO公司的凝析氣流量計該流量計采用美國聯(lián)邦能源與環(huán)境實驗室開發(fā)的加長文丘里管測量氣液兩相流技術，兩個差壓信號分別取自文丘里管入口與喉部之間的差壓、加長段的壓降，結(jié)合多相流模型進行運算得到氣相質(zhì)量含率，進一步得到兩相流量。其測量原理與Solarton公司的產(chǎn)品相同，測量參數(shù)也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號，僅僅是傳感器結(jié)構(gòu)不同而已，實際上，文丘里管入口也起到了混合器的作用，加長的喉部進一步保證液相速度與氣相速度接近，因此，二者的測量精度不相上下。2.4 TEA公司的VEGA流量計該流量計實際上采用的是一種部分分離計量技術，通過一

12、種結(jié)構(gòu)緊湊的高效氣液分離裝置將凝析天然氣分離成氣液兩相，然后分別利用文丘里管、渦輪等單相計量儀表測量氣相和液相流量，分離后氣相中夾帶的少量液相成分通過一定的經(jīng)驗關系式或者理論模型進行修正,據(jù)報道該流量計目前已經(jīng)完成工業(yè)現(xiàn)場試驗。另據(jù)SPE(society of petroleum engineer)文獻報道：挪威FRAMO公司也在其北海油田實驗類似工作原理的產(chǎn)品；美國的Tulsa大學也將一種結(jié)構(gòu)緊湊的旋流分離器GLCC(gas liquid cylindrical cyclone separators)用于低含液井流的計量。2.4 Agar公司的在線多相流量計與凝析天然氣流量計Agar-301

13、多相流量計包括一個渦輪流量計和兩個文丘里管，順序安裝在豎直向上流動的管線上，二次儀表根據(jù)3個傳感器的輸出信號計算得到氣體和液體的體積流量；如果還需要測量液相中的含水率，可以通過附加一個Agar公司的微波含水監(jiān)測儀來完成，該流量計不能用于凝析天然氣計量。Agar401是部分分離型多相流量計，結(jié)構(gòu)比較復雜，整個流量計由一個小型分離器、孔板流量計、控制閥和一臺Agar301多相流量計組成，可以測量凝析天然氣。3 值得關注的研究方向 由于多相流動的復雜性，多相流計量問題的徹底解決還需要相當長的時間，不同公司、廠家采用的技術路線各有千秋。僅就凝析天然氣流量計的開發(fā)來說，目前有以下幾個研究方向值得關注：

14、利用現(xiàn)有的傳感器、計算機等硬件條件，以軟件功能的完善補充硬件功能的不足，結(jié)合新型的信號處理技術和流動模型解決凝析天然氣計量問題。如Solartron公司的雙文丘里技術，PECO的加長文丘里技術等； 對已有的多相流量計進行改進，使之能夠適用于凝析天然氣的工況，如Agar公司的產(chǎn)品； 對傳統(tǒng)的單相計量儀表進行多相流模型修正與算法改進，解決急需的生產(chǎn)計量問題，如英國NEL基于文丘里管的凝析天然氣流量計、國內(nèi)西安交通大學、清華大學利用標準孔板進行修正的飽和蒸汽流量計； 將結(jié)構(gòu)緊湊的氣液分離器用于凝析天然氣的計量，如Tulsa大學、TEA公司、FRAMO公司的產(chǎn)品；此外，英國帝國理工大學的ESMER小組研究利用常規(guī)測量信號如溫度、壓力、差壓等在兩相流條件下的波動特性，結(jié)合模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡技術解決兩相流的計量問題；石油大學基于CFD（computational fluid dynamics）對傳感器結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)字信號處理技術和多相流動模