凝析天然氣計(jì)量技術(shù)(2)字?jǐn)?shù)限制

2          凝析天然氣計(jì)量在研技術(shù)比較
下面對(duì)國(guó)內(nèi)凝析天然氣計(jì)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(diǎn)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(duì)氣液相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)不敏感等特點(diǎn)；結(jié)合多相流動(dòng)模型與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算后得到氣液相流量。它們的不同點(diǎn)是有些公司采用了部分分離技術(shù)，首先對(duì)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(jì)量；有些使用多種常規(guī)傳感器的組合方式直接對(duì)凝析天然氣進(jìn)行計(jì)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(duì)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(jì)
該流量計(jì)的最大特點(diǎn)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(gè)紡錘形的阻力件，使管道流通面積發(fā)生變化，產(chǎn)生類(lèi)似文丘里管的節(jié)流作用。單相流體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證明：V-CONE的測(cè)量范圍、測(cè)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(diǎn)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(cè)量時(shí)，將會(huì)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(guò)節(jié)流件的情況，從而產(chǎn)生很大的附加阻力和差壓波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)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(wú)阻攔的通過(guò)流量計(jì)，大大減少了這種影響，使差壓的測(cè)量值更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確；同時(shí)也減少了流量計(jì)本身對(duì)流體流型的影響，減少了其它測(cè)量參數(shù)的波動(dòng)。
2.2   Solartron 公司的凝析天然氣流量計(jì)
該流量計(jì)2002年底推出時(shí)宣稱是“世界上第一款真正的凝析天然氣流量計(jì)”，其測(cè)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(duì)不同流量系數(shù)的文丘里管上得到的差壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，獲得氣相質(zhì)量含率，然后由所測(cè)混合物總質(zhì)量流量計(jì)算得到氣液相分相流量，同時(shí)對(duì)氣液流量進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。置信概率為90％時(shí)，氣相測(cè)量精度為±3％，液相精度為±7％，基本滿足生產(chǎn)計(jì)量需求。
另?yè)?jù)文獻(xiàn)報(bào)道：Solartron公司對(duì)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(zhǎng)度加長(zhǎng)等，對(duì)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(jì)
該流量計(jì)采用美國(guó)聯(lián)邦能源與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的加長(zhǎng)文丘里管測(cè)量氣液兩相流技術(shù)，兩個(gè)差壓信號(hào)分別取自文丘里管入口與喉部之間的差壓、加長(zhǎng)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(cè)量原理與Solarton公司的產(chǎn)品相同，測(cè)量參數(shù)也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號(hào)，僅僅是傳感器結(jié)構(gòu)不同而已，實(shí)際上，文丘里管入口也起到了混合器的作用，加長(zhǎng)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(cè)量精度不相上下。
2.4   TEA公司的VEGA流量計(jì)
該流量計(jì)實(shí)際上采用的是一種部分分離計(jì)量技術(shù)，通過(guò)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(jì)量?jī)x表測(cè)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(guò)一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或者理論模型進(jìn)行修正,據(jù)報(bào)道該流量計(jì)目前已經(jīng)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
另?yè)?jù)SPE(society of petroleum engineer)文獻(xiàn)報(bào)道：挪威FRAMO公司也在其北海油田實(shí)驗(yàn)類(lèi)似工作原理的產(chǎn)品；美國(guó)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(jì)量。
2.4    Agar公司的在線多相流量計(jì)與凝析天然氣流量計(jì)
Agar-301多相流量計(jì)包括一個(gè)渦輪流量計(jì)和兩個(gè)文丘里管，順序安裝在豎直向上流動(dòng)的管線上，二次儀表根據(jù)3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算得到氣體和液體的體積流量；如果還需要測(cè)量液相中的含水率，可以通過(guò)附加一個(gè)Agar公司的微波含水監(jiān)測(cè)儀來(lái)完成，該流量計(jì)不能用于凝析天然氣計(jì)量。Agar－401是部分分離型多相流量計(jì)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整個(gè)流量計(jì)由一個(gè)小型分離器、孔板流量計(jì)、控制閥和一臺(tái)Agar－301多相流量計(jì)組成，可以測(cè)量凝析天然氣。
3 值得關(guān)注的研究方向

由于多相流動(dòng)的復(fù)雜性，多相流計(jì)量問(wèn)題的徹底解決還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)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(jì)的開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，目前有以下幾個(gè)研究方向值得關(guān)注：
   ①利用現(xiàn)有的傳感器、計(jì)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(hào)處理技術(shù)和流動(dòng)模型解決凝析天然氣計(jì)量問(wèn)題。如Solartron公司的雙文丘里技術(shù)，PECO的加長(zhǎng)文丘里技術(shù)等；
   ②對(duì)已有的多相流量計(jì)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(duì)傳統(tǒng)的單相計(jì)量?jī)x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(jì)量問(wèn)題，如英國(guó)NEL基于文丘里管的凝析天然氣流量計(jì)、國(guó)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(jì)；
   ④將結(jié)構(gòu)緊湊的氣液分離器用于凝析天然氣的計(jì)量，如Tulsa大學(xué)、TEA公司、FRAMO公司的產(chǎn)品；此外，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的ESMER小組研究利用常規(guī)測(cè)量信號(hào)如溫度、壓力、差壓等在兩相流條件下的波動(dòng)特性，結(jié)合模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決兩相流的計(jì)量問(wèn)題；石油大學(xué)基于CFD（computational   fluid   dynamics）對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和多相流動(dòng)模型研制的凝析天然氣流量計(jì)也正在進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。
3          結(jié)束語(yǔ)
本文較為詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外多相流計(jì)量與凝析天然氣計(jì)量的基本技術(shù)現(xiàn)狀，供國(guó)內(nèi)開(kāi)展同類(lèi)研究工作和儀表選型參考。多相計(jì)量技術(shù)與傳統(tǒng)的基于計(jì)量分離器的油氣井計(jì)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(shì)，正在成為海洋、沙漠新油氣田開(kāi)發(fā)中首選的計(jì)量技術(shù)；也是陸上老油氣田改造，簡(jiǎn)化地面設(shè)施的首選計(jì)量技術(shù)；經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，多相計(jì)量技術(shù)正在步入實(shí)用階段，凝析天然氣的計(jì)量技術(shù)已經(jīng)引起各方面越來(lái)越多的關(guān)注。