凝析天然氣計量技術(shù)耿艷峰等凝析天然氣計量技術(shù)Metering Technology for Condensate Natural Gas耿艷峰馮叔初1鄭金吾!關(guān)丹庚2呂勇杰2石油大學(xué)(華東)信控學(xué)院自動化系,東營257061;長慶油田油氣規(guī)劃設(shè)計院2,西安T10021)摘要本文闡述了凝析天然氣流量計量的基本原理,國外多家公司凝析天然氣計量在研技術(shù)的比較,國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及其技術(shù)路線,指出部分值得關(guān)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(guān)鍵詞凝析天然氣流量計在線多相流量計計量技術(shù)Abstract The basic principle of condensate natural gas flowmeter is described and the researching technologies for such flowmeters in many foreigncountries are compared. The current status and technical approaches of the research are described as well as some valuable orientations are proposedThese are worth for reference of study and model selection in our countryKeywords Condensate natural gas flowmeter On line multiple phase flowmeter Metering techmology要。正因為如此,國內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)、JP( joint indus0引言try project項目等近年來已經(jīng)著手開發(fā)凝析天然氣流凝析天然氣流量計的英文是 Wet Gas Meter,國內(nèi)量計。有時也翻譯成濕氣流量計。對于凝析天然氣或者濕氣的準(zhǔn)確含義國際上還沒有統(tǒng)一的定義,一般指在工作1國內(nèi)外多相計量與凝析天然氣計量的研究條件下氣相體積含率大于90%,液相與其它組分體積現(xiàn)狀含率小于10%的氣井產(chǎn)出物。其中液相成份可能由盡管從80年代初至今,多相流計量技術(shù)的開發(fā)和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應(yīng)用已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。截止目前,國際上達(dá)到商的烷烴類輕組分飽和水以及為防止水合物形成人工品化程度并且在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行過試驗或應(yīng)用的多相流加入的注劑等組成;有時還有部分沙粒鐵屑等固相成量計包括:美國Aga公司的Agar301/401、挪威 Roxor公份,所以凝析天然氣計量屬于特殊的多相流測量范疇,司的RFM與 Fluent1900Ⅵ、中國 haimo公司的現(xiàn)有的計量技術(shù)一般將它簡化成氣液兩相流的測量問MM000中國西安交通大學(xué)的TM500美國 McCrum-題eter公司的V-Cone、英國 Solartron公司的 DualStream、國內(nèi)外現(xiàn)有的多相流量計大都針對含液率為英國帝國理工大學(xué)的 ESMER以及意大利TEA公司的10%~90%的油氣水三相流進(jìn)行測量,在90%的置信VEGA等多相流量計。但是由于這些產(chǎn)品的性價比難概率下,氣、液相測量精度可以達(dá)到士10%以內(nèi),因此以令客戶滿意,至今還沒有一種產(chǎn)品能夠占據(jù)明顯的無法直接用多相流量計計量凝析天然氣產(chǎn)量。如果用技術(shù)優(yōu)勢與市場優(yōu)勢。傳統(tǒng)的單相氣體流量儀表計量凝析天然氣,由于液相目前,國外能夠提供凝析天然氣流量計的廠商非的存在,也會造成很大的測量誤差。石油天然氣工業(yè)常有限。上述多相流量計中公開聲稱能夠用于凝析天生產(chǎn)中凝析天然氣的計量方式是將若千口氣井產(chǎn)物集然氣計量的流量計僅有 solartrop、TEA、 MaCrometer中到計量站控制各井產(chǎn)物分時通過計量分離器,對分PC0、Ag五家公司的產(chǎn)品,其中只有 Solartron公司的離后的油氣水進(jìn)行單相倒井計量,生產(chǎn)流程復(fù)雜造價Dl- StreamⅡ流量計已有現(xiàn)場成功應(yīng)用的報道,其余高并且是斷續(xù)計量。公司的產(chǎn)品或者正在進(jìn)行現(xiàn)場試驗或者還處在實驗室隨著海洋、沙漠極地以及其它邊遠(yuǎn)地區(qū)油氣田的研發(fā)與改進(jìn)階段。開發(fā)建設(shè)和老氣田的技術(shù)改造,對簡化工藝流程、降低目前,國內(nèi)的多相流量計研制還處于起步階段,所生產(chǎn)成本,提高氣藏和氣井的科學(xué)管理水平以及操作推出的產(chǎn)品樣機(jī)存在著不少問題,還沒有真正的凝析決策的最優(yōu)化等方面都提出了更高的要求。解決在線天然氣流量計。除蘭州海默公司和西安交通大學(xué)兩家實時準(zhǔn)確測量天然氣、凝析油、水的流量就顯得尤為重能夠提供商品化的多相流量計以外,勝利油田稠油所《自動化儀表》第26卷第8期2005年8月與西安交通大學(xué)合作、遼河油田與清華大學(xué)合作研制V-CONE也稱作V形內(nèi)錐式節(jié)流件或者內(nèi)文丘里節(jié)的飽和蒸汽流量計也有部分應(yīng)用。針對多相流體力流件,它是在一段直管的中心固定一個紡錘形的阻力學(xué)、多相流動機(jī)理、氣液相間傳熱與傳質(zhì)油氣水混相件,使管道流通面積發(fā)生變化,產(chǎn)生類似文丘里管的節(jié)輸送、多相流檢測技術(shù)、層析成像、氣力輸送與混拌等流作用。單相流體的實驗結(jié)果已經(jīng)證明:V-CONE的不同的研究方向,國內(nèi)天津大學(xué)、浙江大學(xué)、石油大學(xué)、測量范圍測量精度等指標(biāo)均好于標(biāo)準(zhǔn)的文丘里管。東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單由于凝析天然氣的流型以光滑分層流、分層波浪位也都進(jìn)行過或者正在進(jìn)行相應(yīng)的研究工作。流和環(huán)狀流為主,流型的共同特點是液相成分集中在國際上,多相流的基礎(chǔ)理論研究方面,英國曼徹斯管壁附近,氣相成分分布在管道中心與水平管的上半特大學(xué)在流動成像流型分析與判別;帝國理工大學(xué)在部分。標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)流裝置,如孔板、文丘里管噴嘴等用流型特征提取與流型自動識別、多相流動規(guī)律;美國的于凝析天然氣流量測量時,將會由于縮頸以及流體與Tula大學(xué)在氣液混相輸送、水力熱力計算、管道設(shè)計、節(jié)流件的碰撞分離效應(yīng)產(chǎn)生液相斷續(xù)通過節(jié)流件的情旋流分離;挪威國家能源技術(shù)研究所在計算流體力學(xué)、況,從而產(chǎn)生很大的附加阻力和差壓波動導(dǎo)致測量精多相流動模型、多相計量;加拿大阿爾伯塔大學(xué)在氣液度降低。而V-CONE能夠使凝析氣中的自由液體成反應(yīng)、氣固流化特性、流動規(guī)律等方面都進(jìn)行了長期分沿管壁無阻攔的通過流量計,大大減少了這種影響的大量的研究工作。多相流的工程應(yīng)用方面,英國的使差壓的測量值更加平穩(wěn)準(zhǔn)確;同時也減少了流量計國家工程實驗室(NEL是目前業(yè)界公認(rèn)的工業(yè)多相流本身對流體流型的影響減少了其它測量參數(shù)的波動量計權(quán)威測試機(jī)構(gòu),由NEL牽頭的多相流J項目涉2.2 Solartron公司的凝析天然氣流量計及多相流計量、多相流動機(jī)理、管道安全與防護(hù)等多個該流量計200年底推出時宜稱是“世界上第一款方面的研究工作;挪威的Rxer、Famo、美國的Dael等真正的凝析天然氣流量計”,其測量元件采用“混合石油設(shè)備儀器儀表廠商也都投入了大量的人力與財器+雙文丘里管的形式,混合器的作用是使氣液相之力進(jìn)行相關(guān)的研究工作;由 Shell, chevron等石油公司間的速度差盡可能小,管道截面的氣液相分布盡可能共同投資的m項目多年來一直堅持對多相流的研究均勻,利用多相流體力學(xué)的均相流模型對不同流量系工作進(jìn)行資助。數(shù)的文丘里管上得到的差壓信號進(jìn)行運(yùn)算,獲得氣相由于石油天然氣工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域的質(zhì)量含率,然后由所測混合物總質(zhì)量流量計算得到氣需求推動,多相流的在線計量技術(shù)仍然是國內(nèi)外當(dāng)前液相分相流量,同時對氣液流量進(jìn)行溫度壓力補(bǔ)償。以至今后一段時間內(nèi)的研究熱點,凝析天然氣的在線置信概率為90%時,氣相測量精度為±3%,液相精度計量技術(shù)已經(jīng)引起越來越多的天然氣生產(chǎn)者研究者為±7%,基本滿足生產(chǎn)計量需求。和流量計生產(chǎn)廠商的關(guān)注。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2凝析天然氣計量在研技術(shù)比較加長等,對雙文丘里的最佳組合、混合器篩選等方面也下面對國內(nèi)凝析天然氣計量在研技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行了相應(yīng)的工作。的工作原理進(jìn)行比較,其共同點是一次傳感元件以文23PECO公司的凝析氣流量計丘里管或者文丘里管的改進(jìn)型為主,充分利用文丘里該流量計采用美國聯(lián)邦能源與環(huán)境實驗室開發(fā)的管壓降低、流量系數(shù)對氣液相的流動結(jié)構(gòu)不敏感等特加長文丘里管測量氣液兩相流技術(shù),兩個差壓信號分點;結(jié)合多相流動模型與數(shù)字信號處理技術(shù),對測量值別取自文丘里管入口與喉部之間的差壓、加長段的壓進(jìn)行運(yùn)算后得到氣液相流量。它們的不同點是有些公降,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)司采用了部分分離技術(shù),首先對凝析天然氣進(jìn)行氣液步得到兩相流量。其測量原理與 Solartron公司的產(chǎn)品分離,然后分別用單相儀表進(jìn)行計量;有些使用多種常相同,測量參數(shù)也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號規(guī)傳感器的組合方式直接對凝析天然氣進(jìn)行計量,如:僅僅是傳感器結(jié)構(gòu)不同而已,實際上,文丘里管入口也雙文丘里、文丘里與y射線、文丘里與電容/電感傳感起到了混合器的作用,加長的喉部進(jìn)一步保證液相速器等組合方式獲得氣液相流量,并且對常規(guī)的傳感器度與氣相速度接近,因此,二者的測量精度不相上下。進(jìn)行了不同程度的改進(jìn)。24TEA公司的ⅴEGA流量計2.1 MaCrometer的v-CONE系列流量計該流量計實際上采用的是一種部分分離計量技該流量計的最大特點是其傳感器結(jié)構(gòu)的改進(jìn),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PROCESS AUTOMATION ISTRUMENTATION Vo 26 No 8 HIvE30s凝析天然氣計量技術(shù)耿艷峰,等然氣分離成氣液兩相,然后分別利用文丘里管渦輪等問題;石油大學(xué)基于CFD( computational fluid dynamics)單相計量儀表測量氣相和液相流量,分離后氣相中夾對傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)合數(shù)字信號處理技術(shù)和多帶的少量液相成份通過一定的經(jīng)驗關(guān)系式或者理論模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)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)場現(xiàn)場試驗。試驗。另據(jù)SPE( society of petroleum engineer,)文獻(xiàn)報道挪4結(jié)束語威 FRAMO公司也在其北海油田試驗類似工作原理的本文較為詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外多相流計量與凝析產(chǎn)品;美國的ula大學(xué)也將一種結(jié)構(gòu)緊湊的旋流分離天然氣計量的基本技術(shù)現(xiàn)狀,供國內(nèi)開展同類研究工器GICC( gas liquid cylindrical cyclone separators)用于低作和儀表選型參考。多相計量技術(shù)與傳統(tǒng)的基于計量含液井流的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2.5Agr公司的在線多相流量計與凝析天然氣流量具有較大優(yōu)勢,正在成為海洋、沙漠新油氣田開發(fā)中首計選的計量技術(shù);也是陸上老油氣田改造,簡化地面設(shè)施Agar-301多相流量計包括一個渦輪流量計和兩的首選計量技術(shù);經(jīng)過20多年的發(fā)展,多相計量技術(shù)個文丘里管,順序安裝在豎直向上流動的管線上,二次正在步人實用階段,凝析天然氣的計量技術(shù)已經(jīng)引起儀表根據(jù)3個傳感器的輸出信號計算得到氣體和液體各方面越來越多的關(guān)注。的體積流量;如果還需要測量液相中的含水率,可以通參考文獻(xiàn)過附加一個Agar公司的微波含水監(jiān)測儀來完成,該流MtA.W. Jamieson, Multiphase Flow Metering-The Challenge of量計不能用于凝析天然氣計量。Agar-401是部分分Implementation. Exploration and Production, 16 Norty Ses Flow Mea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Workshop, 1998型分離器、孔板流量計、控制閥和一臺Agar-301多相2 Mr W. Jamieson, High Performance Multiphase Metering-A Persoral Perspective. Exploration and Production, Norlow Seminar, 1999流量計組成,可以測量凝析天然氣。3 A.w. JamietipasExpl3值得關(guān)注的研究方向ration and Production, 1998 North Sea Flow Measurement Workshop4 A.W. Jamieson, Implementation of new technology metering. Explo-由于多相流動的復(fù)雜性,多相流計量問題的徹底ration and Production, Instrument Society of America Oil and Gas Conf解決還需要相當(dāng)長的時間,不同公司、廠家采用的技術(shù)1998路線各有千秋。僅就凝析天然氣流量計的開發(fā)來說,5egY,F,egs,C,m時 on a new type of sensor for wet gas m目前有以下幾個研究方向值得關(guān)注:6 R. N. Steven, Wet gas metering with a horizontally mounted Venturi①利用現(xiàn)有的傳感器、計算機(jī)等硬件條件,以軟meter. Flow measurement and instrumentation 2002件功能的完善補(bǔ)充硬件功能的不足,結(jié)合新型的信號7曹學(xué)文,耿艷峰,寇杰林宗虎在線多相流量計測量技術(shù)研究處理技術(shù)和流動模型解決凝析天然氣計量問題。如中國海上油氣,200platron公司的雙文丘里技術(shù),PECO的加長文丘里技8G. Falcone,c.F. Hewitt. Multiphase Flow Metering: Current Trends術(shù)等;and Future Developments, SPE. Enterprise O1, 2001②對已有的多相流量計進(jìn)行改進(jìn),使之能夠適用Parviz Mehdizadeh, Jack Marrelli and Ven C Ting. Wet Gas MeteringTrends in applications and Technical Developments, SPE 77351于凝析天然氣的工況,如Agar公司的產(chǎn)品;Chevron Texaco, 2002③對傳統(tǒng)的單相計量儀表進(jìn)行多相流模型修正10 Ahmed B. Al-Taweel, Wellsite Wet Gas measurement System in Saudi與算法改進(jìn),解決急需的生產(chǎn)計量問題,如英國NELAra基于文丘里管的凝析天然氣流量計、國內(nèi)西安交通大1shr,A.M. Multiphase and Wet Gas Flow Measurement學(xué)、清華大學(xué)利用標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行修正的飽和蒸氣流量中國石油天然氣集團(tuán)公司創(chuàng)新基金資助項目(編號:W03O501)④將結(jié)構(gòu)緊湊的氣液分離器用于凝析天然氣的收稿日期:2005-01-20計量,如Tuls大學(xué)、TEA公司、 FRAMO公司的產(chǎn)品;此第一作者耿艷峰,男,1906年生,1994年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制外,英國帝國理工大學(xué)的 ESMER小組研究利用常規(guī)測理論與控制工程專業(yè),獲碩士學(xué)位,現(xiàn)為石油大學(xué)石油工程專業(yè)在讀博士研究生,副教授;主要從事多相計量技術(shù)、數(shù)字信號處理、儀表技術(shù)與量信號如溫度、壓力、差壓等在兩相流條件下的波動特傳感器等方面的研究工作,在儀器儀表學(xué)報、自動化僅表、化工自動化及性,結(jié)合模式識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)解決兩相流的計量儀表等雜志發(fā)表論文十多篇。