凝析天然氣計量技術(2)字數限制

2          凝析天然氣計量在研技術比較
下面對國內凝析天然氣計量在研技術與相關產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、流量系數對氣液相的流動結構不敏感等特點；結合多相流動模型與數字信號處理技術，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構的改進，V-CONE也稱作V形內錐式節流件或者內文丘里節流件，它是在一段直管的中心固定一個紡錘形的阻力件，使管道流通面積發生變化，產生類似文丘里管的節流作用。單相流體的實驗結果已經證明：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流件的碰撞分離效應產生液相斷續通過節流件的情況，從而產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、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的波動。
2.2   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的文丘里管上得到的差壓信號進行運算，獲得氣相質量含率，然后由所測混合物總質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％，基本滿足生產計量需求。
另據文獻報道：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邦能源與環境實驗室開發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，結合多相流模型進行運算得到氣相質量含率，進一步得到兩相流量。其測量原理與Solarton公司的產品相同，測量參數也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號，僅僅是傳感器結構不同而已，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，通過一種結構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驗關系式或者理論模型進行修正,據報道該流量計目前已經完成工業現場試驗。
另據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品；美國的Tulsa大學也將一種結構緊湊的旋流分離器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公司的微波含水監測儀來完成，該流量計不能用于凝析天然氣計量。Agar－401是部分分離型多相流量計，結構比較復雜，整個流量計由一個小型分離器、孔板流量計、控制閥和一臺Agar－301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來說，目前有以下幾個研究方向值得關注：
   ①利用現有的傳感器、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；
   ②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公司的產品；
   ③對傳統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；
   ④將結構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公司的產品；此外，英國帝國理工大學的ESMER小組研究利用常規測量信號如溫度、壓力、差壓等在兩相流條件下的波動特性，結合模式識別、神經網絡技術解決兩相流的計量問題；石油大學基于CFD（computational   fluid   dynamics）對傳感器結構進行優化，結合數字信號處理技術和多相流動模型研制的凝析天然氣流量計也正在進行工業現場試驗。
3          結束語
本文較為詳細地介紹了國內外多相流計量與凝析天然氣計量的基本技術現狀，供國內開展同類研究工作和儀表選型參考。多相計量技術與傳統的基于計量分離器的油氣井計量技術相比，在技術上和經濟上都具有較大優勢，正在成為海洋、沙漠新油氣田開發中首選的計量技術；也是陸上老油氣田改造，簡化地面設施的首選計量技術；經過20多年的發展，多相計量技術正在步入實用階段，凝析天然氣的計量技術已經引起各方面越來越多的關注。