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凝析天然气计量技术
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摘要 本文阐述了凝析天然气流量计量基本原理,国外多家公司凝析天然气计量在研技术的比较,国内外研究现状及其技术路线,指出部分值得关注的研究方向,为国内同类仪表的研制和选型提供参考。

关键词 凝析天然气流量计 在线多相流量计 计量技术

0 引言

凝析天然气流量计的英文是Wet Gas Meter,国内有时也翻译成湿气流量计。对于凝析天然气或者湿气的准确含义国际上还没有统一的定义,一般指在工作条件下气相体积含率大于90%,液相与其它组分体积含率小于10%的气井产出物。其中液相成份可能由携带的和由于地面生产系统温度压力降低而凝析生成的烷烴类轻组分、饱和水以及为防止水合物形成人工加入的注剂等组成;有时还有部分沙粒、铁屑等固相成份,所以凝析天然气计量属于特殊的多相流测量范畴,现有的计量技术一般将它简化为气液两相流的测量问题。

国内外现有的多相流量计大都针对含液率为10%~90%的油气水三相流进行测量,在90%的置信概率下,气、液相测量精度可以达到±10%以内,因此无法直接用多相流量计计量凝析天然气产量。如果用传统的单相气体流量仪表计量凝析天然气,由于液相的存在,也会造成很大的测量误差。石油天然气工业生产中凝析天然气的计量方式是将若干口气井产物集中到计量站,控制各井产物分时通过计量分离器,对分离后的油气水进行单相倒井计量,生产流程复杂、造价高并且是断续计量。

随着海洋、沙漠、极地以及其它边远地区油气田的开发建设和老气田的技术改造,对简化工艺流程、降低生产成本,提高气藏和气井的科学管理水平以及操作决策的最优化等方面都提出了更高的要求。解决在线实时准确测量天然气、凝析油、水的流量就显得尤为重要。正因为如此,国内外不少研究机构、JIP(joint Indus-try project)项目等近年来已经着手开发凝析天然气流量计。

1 国内外多相计量与凝析天然气计量的研究现状

尽管从80年代初至今,多相流计量技术的开发和应用已经取得了重要进展。截至目前,国际上达到商品化程度并且在工业现场进行过试验或应用的多相流量计包括:美国Agar公司的Agar301/401、挪威Roxor公司的RFM与Fluenta 1900VI、中国Haimo公司的MFM2000、中国西安交通大学的TFM500、美国McCrom-eter公司的V-Cone、英国Solartron公司的DualStream、英国帝国理工大学的ESMER以及意大利TEA公司的VEGA等多相流量计。但是由于这些产品的性价比难以令客户满意,至今还没有一种产品能够占据明显的技术优势与市场优势。

目前,国外能够提供凝析天然气流量计的厂商非常有限。上述多相流量计中公开声称能够用于凝析天然气计量的流量计仅有Solarton、TEA、McCrometer、PECO、Agar五家公司的产品,其中只有Solartron公司的Dual-StreamⅡ流量计已有现场成功应用的报道,其余公司的产品或者正在进行现场试验或者还处在实验室研发与改进阶段。

目前,国内的多相流量计研制还处于起步阶段,所推出的产品样机存在着不少问题,还没有真正的凝析天然气流量计。除兰州海默公司和西安交通大学两家能够提供商品化的多相流量计以外,胜利油田稠油所与西安交通大学合作、辽河油田与清华大学合作研制的饱和蒸汽流量计也有部分应用。针对多相流体力学、多相流动机理、气液相间传热与传质、油气水混相输送、多相流检测技术、层析成像、气力输送与混拌等不同的研究方向,国内天津大学、浙江大学、石油大学、东北大学、上海交通大学、中科院、中国农业大学等单位也都进行过或者正在进行相应的研究工作。

国际上,多相流的基础理论研究方面,英国曼彻斯特大学在流动成像、流型分析与判别;帝国理工大学在流型特征提取与流型自动识别、多相流动规律;美国的Tulsa大学在气液混相输送、水力热力计算、管道设计、旋流分离;挪威国家能源技术研究所在计算流体力学、多相流动模型、多相计量;加拿大阿尔伯塔大学在气液反应、气固流化特性、流动规律等方面都进行了长期的、大量的研究工作。多相流的工程应用方面,英国的国家工程实验室(NEL)是目前业界公认的工业多相流量计权威测试机构,由NEL牵头的多相流JIP项目涉及多相流计量、多相流动机理、管道安全与防护等多个方面的研究工作;挪威的Roxer、Framo、美国的Daniel等石油设备、仪器仪表厂商也都投入了大量的人力与财力进行相关的研究工作;由Shell、Chevron等石油公司共同投资的JIP项目多年来一直坚持对多相流的研究工作进行资助。

由于石油天然气工业、化学工业、核工业等领域的需求推动,多相流的在线计量技术仍然是国内外当前以至今后一段时间内的研究热点,凝析天然气的在线计量技术已经引起越来越多的天然气生产者、研究者和流量计生产厂商的关注。

2 凝析天然气计量在研技术比较

下面对国内凝析天然气计量在研技术与相关产品的工作原理进行比较,其共同点是一次传感元件以文丘里管或者文丘里管的改进型为主,充分利用文丘里管压降低、流量系数对气液相的流动结构不敏感等特点;结合多相流动模型与数字信号处理技术,对测量值进行运算后得到气液相流量。它们的不同点是有些公司采用了部分分离技术,首先对凝析天然气进行气液分离,然后分别用单相仪表进行计量;有些使用多种常规传感器的组合方式直接对凝析天然气进行计量,如:双文丘里、文丘里与 射线、文丘里与电容/电感传感器等组合方式获得气液相流量,并且对常规的传感器进行了不同程度的改进。

2.1 McCrometer的V-CONE系列流量计

该流量计的最大特点是其传感器结构的改进,V-CONE也称作V形内锥式节流件或者内文丘里节流件,它是在一段直管的中心固定一个纺锤形的阻力件,使管道流通面积发生变化,产生类似文丘里管的节流作用。单相流体的实验结果已经证明:V-CONE的测量范围、测量精度等指标均好于标准的文丘里管。

由于凝析天然气的流型以光滑分层流、分层波浪流和环状流为主,流型的共同特点是液相成分集中在管壁附近,气相成分分布在管道中心与水平管的上半部分。标准的节流装置,如孔板、文丘里管、喷嘴等用于凝析天然气流量测量时,将会由于缩颈以及流体与节流件的碰撞分离效应产生液相断续通过节流件的情况,从而产生很大的附加阻力和差压波动,导致测量精度降低。而V-CONE能够使凝析气中的自由液体成分沿管壁无阻拦的通过流量计,大大减少了这种影响,使差压的测量值更加平稳、准确;同时也减少了流量计本身对流体流型的影响,减少了其它测量参数的波动。

2.2 Solartron 公司的凝析天然气流量计

该流量计2002年底推出时宣称是“世界上第一款真正的凝析天然气流量计”,其测量元件采用“混合器+双文丘利管”的形式,混合器的作用是使气液相之间的速度差尽可能小,管道截面的气液相分布尽可能均匀,利用多相流体力学的均相流模型对不同流量系数的文丘里管上得到的差压信号进行运算,获得气相质量含率,然后由所测混合物总质量流量计算得到气液相分相流量,同时对气液流量进行温度、压力补偿。置信概率为90%时,气相测量精度为±3%,液相精度为±7%,基本满足生产计量需求。

另据文献报道:Solartron公司对标准的文丘里管进行了许多改进,如文丘里管的入口角度变化、喉部长度加长等,对双文丘里的最佳组合、混合器筛选等方面也进行了相应的工作。

2.3 PECO公司的凝析气流量计

该流量计采用美国联邦能源与环境实验室开发的加长文丘里管测量气液两相流技术,两个差压信号分别取自文丘里管入口与喉部之间的差压、加长段的压降,结合多相流模型进行运算得到气相质量含率,进一步得到两相流量。其测量原理与Solarton公司的产品相同,测量参数也都是流体温度、压力和双差压信号,仅仅是传感器结构不同而已,实际上,文丘里管入口也起到了混合器的作用,加长的喉部进一步保证液相速度与气相速度接近,因此,二者的测量精度不相上下。

2.4 TEA公司的VEGA流量计

该流量计实际上采用的是一种部分分离计量技术,通过一种结构紧凑的高效气液分离装置将凝析天然气分离成气液两相,然后分别利用文丘里管、涡轮等单相计量仪表测量气相和液相流量,分离后气相中夹带的少量液相成分通过一定的经验关系式或者理论模型进行修正,据报道该流量计目前已经完成工业现场试验。

另据SPE(society of petroleum engineer)文献报道:挪威FRAMO公司也在其北海油田实验类似工作原理的产品;美国的Tulsa大学也将一种结构紧凑的旋流分离器GLCC(gas liquid cylindrical cyclone separators)用于低含液井流的计量。

2.4 Agar公司的在线多相流量计与凝析天然气流量计

Agar-301多相流量计包括一个涡轮流量计和两个文丘里管,顺序安装在竖直向上流动的管线上,二次仪表根据3个传感器的输出信号计算得到气体和液体的体积流量;如果还需要测量液相中的含水率,可以通过附加一个Agar公司的微波含水监测仪来完成,该流量计不能用于凝析天然气计量。Agar-401是部分分离型多相流量计,结构比较复杂,整个流量计由一个小型分离器、孔板流量计、控制阀和一台Agar-301多相流量计组成,可以测量凝析天然气。

3 值得关注的研究方向

由于多相流动的复杂性,多相流计量问题的彻底解决还需要相当长的时间,不同公司、厂家采用的技术路线各有千秋。仅就凝析天然气流量计的开发来说,目前有以下几个研究方向值得关注:

①利用现有的传感器、计算机等硬件条件,以软件功能的完善补充硬件功能的不足,结合新型的信号处理技术和流动模型解决凝析天然气计量问题。如Solartron公司的双文丘里技术,PECO的加长文丘里技术等;

②对已有的多相流量计进行改进,使之能够适用于凝析天然气的工况,如Agar公司的产品;

③对传统的单相计量仪表进行多相流模型修正与算法改进,解决急需的生产计量问题,如英国NEL基于文丘里管的凝析天然气流量计、国内西安交通大学、清华大学利用标准孔板进行修正的饱和蒸汽流量计;

④将结构紧凑的气液分离器用于凝析天然气的计量,如Tulsa大学、TEA公司、FRAMO公司的产品;此外,英国帝国理工大学的ESMER小组研究利用常规测量信号如温度、压力、差压等在两相流条件下的波动特性,结合模式识别、神经网络技术解决两相流的计量问题;石油大学基于CFD(computational fluid dynamics)对传感器结构进行优化,结合数字信号处理技术和多相流动模型研制的凝析天然气流量计也正在进行工业现场试验。

3 结束语

本文较为详细地介绍了国内外多相流计量与凝析天然气计量的基本技术现状,供国内开展同类研究工作和仪表选型参考。多相计量技术与传统的基于计量分离器的油气井计量技术相比,在技术上和经济上都具有较大优势,正在成为海洋、沙漠新油气田开发中首选的计量技术;也是陆上老油气田改造,简化地面设施的首选计量技术;经过20多年的发展,多相计量技术正在步入实用阶段,凝析天然气的计量技术已经引起各方面越来越多的关注。


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