凝析天然氣計量技術(shù)(2)字?jǐn)?shù)限制

2          凝析天然氣計量在研技術(shù)比較
下面對國內(nèi)凝析天然氣計量在研技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品的工作原理進(jìn)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(jìn)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)合多相流動模型與數(shù)字信號處理技術(shù)，對測量值進(jìn)行運(yùn)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(shù)，首先對凝析天然氣進(jìn)行氣液分離，然后分別用單相儀表進(jìn)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(jìn)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(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。
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(jìn)，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。單相流體的實驗結(jié)果已經(jīng)證明：V-CONE的測量范圍、測量精度等指標(biāo)均好于標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(dǎo)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(zhǔn)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   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(xué)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(jìn)行運(yùn)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(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)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(xiàn)報道：Solartron公司對標(biāo)準(zhǔn)的文丘里管進(jìn)行了許多改進(jìn)，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(jìn)行了相應(yīng)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(shù)，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(jìn)行運(yùn)算得到氣相質(zhì)量含率，進(jìn)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(jìn)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(shù)，通過一種結(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(guān)系式或者理論模型進(jìn)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(xiàn)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(xué)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。Agar－401是部分分離型多相流量計，結(jié)構(gòu)比較復(fù)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(guān)注的研究方向

由于多相流動的復(fù)雜性，多相流計量問題的徹底解決還需要相當(dāng)長的時間，不同公司、廠家采用的技術(shù)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(guān)注：
   ①利用現(xiàn)有的傳感器、計算機(jī)等硬件條件，以軟件功能的完善補(bǔ)充硬件功能的不足，結(jié)合新型的信號處理技術(shù)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(shù)，PECO的加長文丘里技術(shù)等；
   ②對已有的多相流量計進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠適用于凝析天然氣的工況，如Agar公司的產(chǎn)品；
   ③對傳統(tǒng)的單相計量儀表進(jìn)行多相流模型修正與算法改進(jìn)，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(xué)、清華大學(xué)利用標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行修正的飽和蒸汽流量計；
   ④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(xué)、TEA公司、FRAMO公司的產(chǎn)品；此外，英國帝國理工大學(xué)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(luò)技術(shù)解決兩相流的計量問題；石油大學(xué)基于CFD（computational   fluid   dynamics）對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)和多相流動模型研制的凝析天然氣流量計也正在進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場試驗。
3          結(jié)束語
本文較為詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外多相流計量與凝析天然氣計量的基本技術(shù)現(xiàn)狀，供國內(nèi)開展同類研究工作和儀表選型參考。多相計量技術(shù)與傳統(tǒng)的基于計量分離器的油氣井計量技術(shù)相比，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢，正在成為海洋、沙漠新油氣田開發(fā)中首選的計量技術(shù)；也是陸上老油氣田改造，簡化地面設(shè)施的首選計量技術(shù)；經(jīng)過20多年的發(fā)展，多相計量技術(shù)正在步入實用階段，凝析天然氣的計量技術(shù)已經(jīng)引起各方面越來越多的關(guān)注。