開封市中儀流量儀表有限公司
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閱讀：113發(fā)布時間：2021-12-28
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。
1 國內(nèi)外多相計量與凝析天然氣計量的研究現(xiàn)狀
盡管從80年代初至今，多相流計量技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)取得了重要進(jìn)展。截至目前，國際上達(dá)到商品化程度并且在工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行過試驗或應(yīng)用的多相流量計包括：美國Agar公司的Agar301/401、挪威Roxor公司的RFM與Fluenta 1900VI、中國Haimo公司的MFM2000、中國西安交通大學(xué)的TFM500、美國McCrom-eter公司的V－Cone、英國Solartron公司的DualStream、英國帝國理工大學(xué)的ESMER以及意大利TEA公司的VEGA等多相流量計。但是由于這些產(chǎn)品的性價比難以令客戶滿意，至今還沒有一種產(chǎn)品能夠占據(jù)明顯的技術(shù)優(yōu)勢與市場優(yōu)勢。
目前，國外能夠提供凝析天然氣流量計的廠商非常有限。上述多相流量計中公開聲稱能夠用于凝析天然氣計量的流量計僅有Solarton、TEA、McCrometer、PECO、Agar五家公司的產(chǎn)品，其中只有Solartron公司的Dual-StreamⅡ流量計已有現(xiàn)場成功應(yīng)用的報道，其余公司的產(chǎn)品或者正在進(jìn)行現(xiàn)場試驗或者還處在實驗室研發(fā)與改進(jìn)階段。
目前，國內(nèi)的多相流量計研制還處于起步階段，所推出的產(chǎn)品樣機存在著不少問題，還沒有真正的凝析天然氣流量計。除蘭州海默公司和西安交通大學(xué)兩家能夠提供商品化的多相流量計以外，勝利油田稠油所與西安交通大學(xué)合作、遼河油田與清華大學(xué)合作研制的飽和蒸汽流量計也有部分應(yīng)用。針對多相流體力學(xué)、多相流動機理、氣液相間傳熱與傳質(zhì)、油氣水混相輸送、多相流檢測技術(shù)、層析成像、氣力輸送與混拌等不同的研究方向，國內(nèi)天津大學(xué)、浙江大學(xué)、石油大學(xué)、東北大學(xué)、上海交通大學(xué)、中科院、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位也都進(jìn)行過或者正在進(jìn)行相應(yīng)的研究工作。
國際上，多相流的基礎(chǔ)理論研究方面，英國曼徹斯特大學(xué)在流動成像、流型分析與判別；帝國理工大學(xué)在流型特征提取與流型自動識別、多相流動規(guī)律；美國的Tulsa大學(xué)在氣液混相輸送、水力熱力計算、管道設(shè)計、旋流分離；挪威國家能源技術(shù)研究所在計算流體力學(xué)、多相流動模型、多相計量；加拿大阿爾伯塔大學(xué)在氣液反應(yīng)、氣固流化特性、流動規(guī)律等方面都進(jìn)行了長期的、大量的研究工作。多相流的工程應(yīng)用方面，英國的國家工程實驗室（NEL）是目前業(yè)界*的工業(yè)多相流量計測試機構(gòu)，由NEL牽頭的多相流JIP項目涉及多相流計量、多相流動機理、管道安全與防護(hù)等多個方面的研究工作；挪威的Roxer、Framo、美國的Daniel等石油設(shè)備、儀器儀表廠商也都投入了大量的人力與財力進(jìn)行相關(guān)的研究工作；由Shell、Chevron等石油公司共同投資的JIP項目多年來一直堅持對多相流的研究工作進(jìn)行資助。
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)前以至今后一段時間內(nèi)的研究熱點，凝析天然氣的在線計量技術(shù)已經(jīng)引起越來越多的天然氣生產(chǎn)者、研究者和流量計生產(chǎn)廠商的關(guān)注。
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“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。
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