凝析天然氣計(jì)量技術(shù)耿艷峰等凝析天然氣計(jì)量技術(shù)Metering Technology for Condensate Natural Gas耿艷峰馮叔初鄭金吾!關(guān)丹慶2呂勇杰2石油大學(xué)(華東)信控學(xué)院自動化系1,東營257061;長慶油田油氣規(guī)劃設(shè)計(jì)院2,西安710021)摘要本文闡述了凝析天然氣流量計(jì)量的基本原理,國外多家公司凝析天然氣計(jì)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(jì)在線多相流量計(jì)計(jì)量技術(shù)AbstractThe 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 technology0引言要。正因?yàn)槿绱?國內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)、JP( joint industry project項(xiàng)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(jì)的英文是 Wet Gas meter,國內(nèi)量計(jì)。有時也翻譯成濕氣流量計(jì)。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(jì)量與凝析天然氣計(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)包括美國Agar公司的Aga30l/401挪威 Roxor公份,所以凝析天然氣計(jì)量屬于特殊的多相流測量范疇,司的RFM與 Fluent190vI、中國 Haimo公司的現(xiàn)有的計(jì)量技術(shù)一般將它簡化成氣液兩相流的測量問MFM20中國西安交通大學(xué)的TFM00美國MCom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(jì)大都針對含液率為英國帝國理工大學(xué)的FSMR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VFGA等多相流量計(jì)。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±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(jì)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)中公開聲稱能夠用于凝析天生產(chǎn)中凝析天然氣的計(jì)量方式是將若千口氣井產(chǎn)物集然氣計(jì)量的流量計(jì)僅有 Solartron、TEA、 Macrometer中到計(jì)量站,控制各井產(chǎn)物分時通過計(jì)量分離器,對分 PECO, Agar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(jì)量,生產(chǎn)流程復(fù)雜造價Dul-SeamⅡ流量計(jì)已有現(xiàn)場成功應(yīng)用的報道,其余高并且是斷續(xù)計(jì)量。公司的產(chǎn)品或者正在進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)或者還處在實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)。除蘭州海默公司和西安交通大學(xué)兩家實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(diǎn)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Tdla大學(xué)在氣液混相輸送、水力熱力計(jì)算、管道設(shè)計(jì)、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(jì)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(jì)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(jì),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(jì)國家工程實(shí)驗(yàn)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(jì)權(quán)威測試機(jī)構(gòu),由NEL牽頭的多相流J項(xiàng)目涉2.2 Solartron公司的凝析天然氣流量計(jì)及多相流計(jì)量、多相流動機(jī)理管道安全與防護(hù)等多個該流量計(jì)2002年底推出時宜稱是“世界上第一款方面的研究工作;挪威的 Roger、Fram美國的 Daniel等,真正的凝析天然氣流量計(jì)”,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(cái)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皿項(xiàng)目多年來一直堅(jiān)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(jì)算得到氣需求推動,多相流的在線計(jì)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(diǎn),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(jì)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(jì)量需求。和流量計(jì)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),如文丘里管的人口角度變化、喉部長度2凝析天然氣計(jì)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(jì)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(diǎn)是一次傳感元件以文2.3PEC公司的凝析氣流量計(jì)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(jì)采用美國聯(lián)邦能源與環(huán)境實(shí)驗(yàn)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(diǎn);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人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(diǎn)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)一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(jì)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(jì)量,如:僅僅是傳感器結(jié)構(gòu)不同而已,實(shí)際上,文丘里管入口也雙文丘里、文丘里與γ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(jì)21McC~ meter的V-CON系列流量計(jì)該流量計(jì)實(shí)際上采用的是一種部分分離計(jì)量技該流量計(jì)的最大特點(diǎn)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 INSTRUMENTATION Vol 26 No 8 August 2005凝析天然氣計(jì)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CD( computational fluid dynamics)單相計(jì)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(yàn)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(jì)也正在進(jìn)行工業(yè)型進(jìn)行修正,據(jù)報道該流量計(jì)目前已經(jīng)完成工業(yè)現(xiàn)場現(xiàn)場試驗(yàn)。試驗(yàn)。另據(jù)SPE( society of petroleum engineer文獻(xiàn)報道;挪4結(jié)束語威FAMO公司也在其北海油田試驗(yàn)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(jì)量與凝析產(chǎn)品;美國的Tu大學(xué)也將一種結(jié)構(gòu)緊湊的旋流分離天然氣計(jì)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(jì)量技術(shù)與傳統(tǒng)的基于計(jì)量含液井流的計(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25Agr公司的在線多相流量計(jì)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(jì)選的計(jì)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(jì)包括一個渦輪流量計(jì)和兩的首選計(jì)量技術(shù);經(jīng)過20多年的發(fā)展,多相計(jì)量技術(shù)個文丘里管,順序安裝在豎直向上流動的管線上,二次正在步入實(shí)用階段,凝析天然氣的計(jì)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(jì)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Agr公司的徽波含水監(jiān)測儀來完成,該流1MA.W. Jamieson, Multiphase Flow Metering-The Challenge of量計(jì)不能用于凝析天然氣計(jì)量。Agar-401是部分分Implementation. Exploration and Production, 16 Norty Ses Flow Mea離型多相流量計(jì),結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,整個流量計(jì)由一個小surement Workshop, 1998Mr W. Jamieson, High PeerformanceMultiphase Metering -A Peeron型分離器孔板流量計(jì)、控制閥和一臺Agar-301多相al Perspective. Exploration and Production, Norflow Seminar, 1999流量計(jì)組成,可以測量凝析天然氣。3 A.W. Jamieson, Multiphase Metering over the Last 20 Years. Explo-3值得關(guān)注的研究方向ation 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(jì)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(jì)的開發(fā)來說,5 Geng Y. F, Feng S C, Study on a new type of sensor for wet gas me-ter,2004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(jì)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(jì)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(jì)量問題。如中國海上油氣,2002Solartron公司的雙文丘里技術(shù),PCO的加長文丘里技8G. Falcone,G.F.Hit. Multiphase Flow Metering: Current Trends術(shù)等;and Future Developments, SPE. Enterprise Oi1, 2001②對已有的多相流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn),使之能夠適用arviz Mehdizadeh, Jack Marmelli and Ven C Ting. Wet Gas Metering于凝析天然氣的工況,如Agar公司的產(chǎn)品;Trends in Applications and Technical Developments, SPE 77351Chevron Texaco, 2002③對傳統(tǒng)的單相計(jì)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(jì)量問題,如英國NEL基于文丘里管的凝析天然氣流量計(jì)、國內(nèi)西安交通大11hem,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計(jì);中國石油天然氣集團(tuán)公司創(chuàng)新基金賁助項(xiàng)目(編號:W030501)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(jì)量,如T大學(xué)、TEA公司、FRAM公司的產(chǎn)品;此第一作者耿艷峰,男,196年生,1994年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)控制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)在讀博外,英國帝國理工大學(xué)的FSMR小組研究利用常規(guī)測士研究生,副教授;主要從事多相計(jì)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、自動化儀表、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(jì)量僅表等雜志發(fā)表論文十多篇。