（油气储运工程专业论文）双槽式孔板凝析天然气计量技术研究.pdf

英文摘要 s t u d yo nt h em e t e r i n gt e c h n o l o g yo fw e tg a sw i t hs l o t t e do r i f i c e c o u p l e a b s 订a c t t h eg e n e r a l l ya c c e p t e dt e r m i n o l o g yo fw e tg a si sf o raw e l ls t r e a mw h e r et h eg a s v o l u m ef r a c t i o ni sg r e a t e rt h a n9 0 a n dm o s t l ya b o v e9 5 b u tl e s st h a n10 0 a tt h e m e t e r i n gc o n d i t i o n w e tg a sm e t e r i n gi sas u b s e to fm u l t i p h u s ef l o wm e t e r i n g s t a n d a r d m u l t i p h a s em e t e r sc t m n o to p e r a t es a t i s f a c t o r i l yo nw e tg a sa n dad r yg a sm e t e rp r o d u c e s l a r g ee r r o r sd u et ot h el i q u i dp r e s e n c e c u r r e n t l y , w e tg a si sm e a s u r e dm a i n l yt h r o u g ha b u l k ya n dc o s t l yt h r e e - p h a s es e p a r a t o r t h ed e v e l o p m e n to fw e tg a sm e t e ri st h e r e f o r ea k e yr e q u i r e m e n to f t h eo i la n dg a si n d u s t r y i nt h i sd i s s e r t a t i o nt h ew e tg a sm e t e r i n gi ss i m p l i f i e dt ot w o - p h a s ef l o w m e a s u r e m e n tw i t hl o wl i q u i df r a c t i o n a f t e rc o m p a r i n gv a r i e ss e n s o rd a t a ，as l o r e d o r i f i c ei ss e l e c t e da st h ew e tg a sf l o ws e t s o ra n dt h eo r i f i c e c o u p l ei sc h o s e na st h e s t r a t e g yo f t h ew e tg a sm e t e rd e v e l o p m e n t t h ed e s i g na n ds i m u l a t i o n so f t h es e n s o r , t h e e x p e r i m e n t sm a d t h em e t e r i n ga l g o r i t h mo fw e tg a sm e t e ra r ef u l f i l l e d i nl a b o r a t o r y , t h e u n c e r t a i n t y o fg a sm a s sf l o wm e t e ri sn e a rt o5 a n dl i q u i di sw i t h i n1 0 a t9 0 c o n f i d e n c el e v e l s o m ei m p r o v e m e n tm e t h o d sh a v e b e e np u tf o r w a r da f t e rad e e pa n a l y s i so f p r e v i o u ss e n s o r - c o u p l e sa n dt h e i rm e t e r i n ga l g o r i t h m s w i t hr e f e r e n c e st ot h er e g u l a t i o n s f o rs t a n d a r do r i f i c ef l o wm e t e ra n ds o m es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ef i r s tw e tg a sm e t e rb a s e d o ns l o t t e do r i f i c e - c o u p l eh a sb e e nm a d e ，a n dus e r i e se x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u t f o u rn e wc o r r e l a t i o n so ft h es l o t t e d o r i f i c eh a v e b e e np r o p o s e du s i n gt h e s u r f a c e f i t t i n gt e c h n o l o g y i ti st h ef i r s tt i m ef o rt h ec o r r e l a t i o no fe u l e rn u m b e rb e i n g b r o u g h tf o r w a r d t h ef i v en e w c o r r e l a t i o n si n c l u d ep r e s s u r e ，g a sf r u d en u m b e ra n dl - m p a r a m e t e r t h ec a l c u l a t ea c c u r a c yo ft h en e wc o r r e l a t i o n s a r eh i g h e rt h a na l lo ft h e p r e v i o u so n e s d u et ot h er a n d o mv i b r a t i o no ft h em e a s u r e ds i g n a l s ，t h ea m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n d e n e r g yo ft h em e a s u r e ds i g n a l sa r ee x t r a c t e d a l lo ft h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa r eu s e dt o i d e n t i f yt h ef l o wp a t t e r n sa n dt om e a s u r et h ef l o wr a t e s b a s e do ns o f t - m e a s u r e m e n t t e c h n i q u ea n df l u i dd y n a m i c s ，d i f f e r e n tt y p eo fm e t e r i n gm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e d a t p r e s e n t ，t h em e t e r i n gm o d e lw h i c hu s i n gf e a t u r ee x t r a c t i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t s a n a l y s i sa n dn e u r a ln e t w o r kh a st h eh i g h e s ta c c u r a c ya n dm e e tt h ei n d u s t r yd e m a n d s f i n a l l ys o m ea s p e c t sw h i c hd e s e r v ef u r t h e ri n v e s t i g a t i o n sh a v eb e e np r o p o s e d k e yw o r d s ：w e tg a s ，s l o t t e do r i f i c e ，s o f t m e a s u r e m e n t ，m u l t i p h a s em e t e r i n gt e c h n o l o g y a r l i f i c a i ln e u r a ln e t w o r k 独创性声明 我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 声明人( 签名) ：幽堡年舻月夥日 j 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。特此说明。 说明人( 签名) ：丝幽指导教师( 签名) ：理壑望竺 年，。月“日 创新点摘要 双槽式孔板凝析天然气计量技术研究 创新点摘要 针对凝析天然气的在线计量问题，本文完成了从传感器的仿真设计、实验研究、 样机制作到计量算法实现的全部内容。研究工作的主要创新点如下： 1 首次提出利用双槽式孑l 板组合测量技术，开发凝析天然气在线计量仪表，并 予以实现( 见第2 章2 1 2 节) 。 2 首次利用曲面拟合技术，由实验结果提出了四个适用于槽式孔板的的静压降 计算相关式，相关式综合考虑了l - m 参数、压力和气体富劳德准数的作用。其中： 利用叠加原理的数据处理方法2 计算精度最高，当q 2 0 0 m 3 h 以后，9 0 的计算 值与实测值误差小于5 ( 见第3 章3 3 1 节) 。 3 首次利用欧拉准数的变化规律分析槽式孔板两相流压降特性，发现在气液单 相流与两相流条件下，节流元件流量系数与欧拉准数之间都满足稳定的关系。并给 出了欧拉准数与l m 参数、压力、气体富劳德准数之间的相关式，明确指出研究欧 拉准数的变化规律与研究两相压降倍率具有同等重要作用，为传感器的两相流特性 研究找到一条新途径( 见第3 章3 2 2 节和3 3 1 节) 。 4 基于软测量技术与流体力学模型相结合的指导思想提出了9 种凝析天然气计 量模型，并分别予以实现。其中：综合应用信号特征提取、主元分析与神经网络技 术的计量模型7 较好地解决了凝析天然气计量问题。室内实验条件下，气液相计量 精度可以达到生产计量的精度要求( 见第4 章4 2 3 节) 。 第1 章绪论 第1 章绪论 i 1 研究背景及意义 多相流动现象广泛存在于自然界和工业生产过程中。二十世纪以来，在化工、 机械、核能、动力、石油与天然气等工程技术得l 迅速发展的同时不断地提出各 种与多相流动有关的研究课题，这些研究工作又进一步促进了相关工业技术的发展 和进步【1 1 。 在石油、天然气的开采、储运过程中，油、气、水三相混合物的管道流动是非 常普遍的。比如：用一条管路输送一口或多口油气并所生产的油气产物称为油气混 输。在矿场条件下，混输管路在经济上往往优于用两条管路分别输送输量不大的原 油和天然气：而在海洋、沙漠、生态保护区等不便于安装油气分离、初加工设备的 地区，必须采用混输管路【”。但是，多相流动的复杂性和不稳定性给实际系统带来 了系列的问题，比如：油气混输时某些工艺参数可能发生与稳态值相差很大的剧 烈变化，以至影响管线的正常运行与安全。因此多相流流动规律研究是石油与天然 气瓷源经济安全开发的保证。 8 0 年代末9 0 年代初，随着我国油气资源开发的重点向西部、海上转移，结构 简单、操作方便的多相流量计成为取代计量站、优化生产工艺的理想选择，多相流 计量技术研究在国内逐步发展起来。近年来，中石油在塔旱木、长庆、内蒙等地， 中海油在东海、南海等地相继发现了大型油气田。这些新发现的资源大多处于自然 条件恶劣的边远、沙漠地区和海上，油气田建设与开发成本很高。进一步促进了国 内多相流相关技术的研发。 油气井产物的准确计量对油气藏、油气井的科学管理和操作决策的优化具有重 要意义，为地面系统的合理运行提供必不可少的基础数据，是生产成本核算、油气 交接的依据。利用多相计量、混相输送等技术可以简化地面生产系统，减小海洋油 气生产平台面积，使油气资源的开发更加安全、高效。 1 2 多相流计量技术综述 1 2 1 多相流及其基本参数 异质物体或系统中，各存在分界面的独立物质称之为相”。自然界中常见的物 异质物体或系统中，各存在分界面的独立物质称之为相”。自然界中常见的物 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究背景及意义 多相流动现象广泛存在于自然界和工业生产过程中。二十世纪以来，在化工、 机械、核能、动力、石油与天然气等工程技术得到迅速发展的同时，不断地提出各 种与多相流动有关的研究课题，这些研究工作又进一步促进了相关工业技术的发展 和进步【“。 在石油、天然气的开采、储运过程中，油、气、水三相混合物的管道流动是非 常普遍的。比如：用一条管路输送一口或多口油气井所生产的油气产物称为油气混 输。在矿场条件下，混输管路在经济上往往优于用两条管路分别输送输量不大的原 油和天然气；而在海洋、沙漠、生态保护区等不便于安装油气分离、初加工设备的 地区，必须采用混输管路【2 1 。但是，多相流动的复杂性和不稳定性给实际系统带来 了一系列的闳题，比如：油气混输时某些工艺参数可能发生与稳态值相差很大的剧 烈变化，以至影响管线的正常运行与安全。因此多相流流动规律研究是石油与天然 气资源经济安全开发的保证。 8 0 年代末9 0 年代初，随着我国油气资源开发的重点向西部、海上转移，结构 简单、操作方便的多相流量计成为取代计量站、优化生产工艺的理想选择，多相流 计量技术研究在国内逐步发展起来。近年来，中石油在塔里木、长庆、内蒙等地， 中海油在东海、南海等地相继发现了大型油气田。这些新发现的资源大多处于自然 条件恶劣的边远、沙漠地区和海上，油气田建设与开发成本很高。进一步促进了国 内多相流相关技术的研发。 油气井产物的准确计量对油气藏、油气井的科学管理和操作决策的优化具有重 要意义，为地面系统的合理运行提供必不可少的基础数据，是生产成本核算、油气 交接的依据。利用多相计量，混相输送等技术可以简化地面生产系统，减小海洋油 气生产平台面积，使油气资源的开发更加安全、商效。 1 2 多相流计量技术综述 1 2 1 多相流及其基本参数 异质物体或系统中，各存在分界面的独立物质称之为相【3 1 。自然界中常见的物 第1 章绪论 质有三相：即固相、液相和气相。由任意两种或多种存在分界面的独立物质组成的 物体或系统称之为两相，多相物体或系统。两相，多相物体的流动称为两相，多相流。 常见的有：气液、气固、液固两相流，气液固、液液固三相流等。一般将两相以上 混合物体的流动，统称为多相流。 气液两相流是多相流学科领域的一个重要分支，是进一步研究气固两相流、油 气水三相流的基础。由于气液相间存在着复杂的相界面和相对速度，并且相界面在 时间和空间上都是随机变化的，因此其流动特性远比单相流复杂，描述其特性的参 数也比单相流多。以下是论文中用到的气液两相流基本参数和几个流体力学相似准 数【2 】【3 】。 ( 1 ) 质量流量g 与体积流量q 总质量流量g 等于气相质量流量嚷与液相质量流量嚷之和： g = g g + 嚷 总体积流量q 等于气相体积流量g 与液相体积流量q l 之和： q = 绞+ q 通过流体密度p 可以得到质量流量与体积流量的关系： q = 詈；幺墨, o lg = 主g 通过流通面积a 可以得到气液相速度u 与折算速度u 。： q 2 毒；2 鲁；2 鲁；= 导 气相质量含率x 、体积含率口、截面含率口 。：生；口：堡：口：尘 舻言；肛吾：萨j ( 3 ) 气液滑动比s 和液气质量流量比6 ( 1 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 - 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) 生u 瓯一吒 = i i s 万 第l 章绪论 ( 4 ) 两相压降倍率中和l o c k h a r t - - m a r t i n e l l i 参数x 为了便于描述两相流动时管路或节流元件压降，常用两相压降倍率表示两相流 压降与管内只有液体或气体流动时的压降之t t t 4 1 ：用l o c k h a r t - - m a r t i n e l l i 参数x 表 示两相混合物中气相和液相单独流过时压降比值的平方根。 町= 等：町= 爰 m s ， 肛等(1-9) v 哦 式( 1 - 8 ) 、( 1 - 9 ) 中的压降值可以是摩擦压降或节流压降。当式( 1 9 ) 应用于标准节 流元件时，通常假设节流元件对气体和液体的流量系数相等，则式( 1 9 ) 可以转化成 式( 1 1 0 ) ，式( 1 - 1 0 ) q 嘴x 称为修正的l - m 参数： 盖一g 嚷ln p 医成g = a - x xy ；l n t , ( ，o ) x 与气液两相质量流量、气液相密度之比有关。x 的大小反映了某一气相流量 下质量含液率的大小，论文中的l m 参数均指式( 1 l o ) 。 ( 5 ) 雷诺数r e 、富劳德数f r 和欧拉数e u 三个流体力学准数用来表示不同系统中流体流动状态与动力学特性之间的相 似性。其中：雷诺数是惯性力与粘性力的比值，反映了流体的流动状态。富劳德数 是惯性力与重力的比值，表征流体动能与位能之间的关系。重力条件下，也是流体 流量大小的种度量。欧拉数是静压力与惯性力的比值，表征流体流过节流元件时 差压与惯性力之间的大小关系。 r e _ 黑：黑：型( 1 - 1 1 ) 柏肛，i d d“ f r 2 了景 ( 1 - 1 2 ) g d 一 胁( ) m 啪 1 2 2 基本参数问的相互关系 根据定义，式( 1 1 ) ( 1 7 ) 之间的部分参数可以相互转换，已知( g 。、吼) 、( g 、 第1 章绪论 9 ，) 、( g 、x ) 、( q 、卢) 四组参数中的任何一组，通过计算便可求得其它各组参数 的数值。此外，论文中还用到以下转换关系： ( 1 ) 气相截面含率与体积含率、质量含率以及气液滑动比之间的关系； 2 碌1 砸 m 1 4 ) ( 2 ) l m 爹毅与嗍稆j 主阵借半天糸： x ：竺 m ( 3 ) 含率与混合物流动密度乃、真实密度岛之间的关系： 一= 詈= 警= 织+ ( 1 卅见 b = a a & + 1 ( 1 - 一, z ) a p l = 暇+ ( 1 一a ) n ( 1 一i s ) ( 1 1 6 ) ( 1 - 1 7 ) 1 2 3 多相流计量技术研究 1 2 3 1 多相流计量技术发展简述 2 0 世纪8 0 年代初，为了适应欧洲北海地区油气资源的开发，英国、挪威等国 家在一些石油公司的资助下开始对多相流计量问题进行研究 5 1 1 6 1 。对于已有的海洋 油气平台，多相流量计可以提高生产处理的灵活性，满足边远、卫星油气资源的开 发需要；对于新建造的平台，可以节约安装空间，减少平台投资和运行费用；对于 深海，可将多相流量计等设备置于海底；大大减少海洋油气开发成本。 二十多年来，针对多相流动规律、流体机械、计量技术等方面国内外都进行了 大量研究工作【_ ”，并相继建造了许多大型实验环道，进行多相流动的室内模拟实验 【8 i 9 1 ，使多相流体力学逐渐发展成为- - f 独立的学科。其中：针对多相计量测试问 题，所采用的技术路线大体上可以归为三类1 5 l 【1 0 】：、利用传统的单相流体测量技 术与多相流动模型相结合，将成熟的单相流仪表应用于多相流测试中，解决迫切的 生产需要。这些技术包括：差压、涡轮、容积式、匀速管等；、使用各种近现代 测量技术，如：超声、微波、射线、光谱、核磁共振、脉冲中子、激光全息等，解 第1 章绪论 决复杂的多相流测试问题；、以成熟的硬件为基础，以计算机技术为支撑平台， 应用模式识别、统计分析、特征提取、人工神经网络等软测量技术，解决很难用数 学模型精确描述的多相流测试问题。 截止目前，国际上达到商品化程度或者在工业现场进行过试验与应用的多相流 量计主要有：美国的a g a r 1 1 】、m e g r a 、v - c o n e l l 习和p e c o l l3 1 ，中国的m f m 2 0 0 0 1 1 4 】 和t m f 5 0 0 ，挪威的f l u e n t a1 9 0 0 v i 、r f m i 5 l 【1 5 1 和f r a m o t l 5 1 ，英国的d u a l s t r e a m 1 6 1 1 1 7 】 和e s m e r ，意大利的v e g a l l 8 】等。以上多相流量计中除e s m e r 采用第三类技术 以外，其余产品都是前两类技术的综合应用。能够用于工业现场的传感技术除射线、 微波以外，仍以传统的文丘里管、涡轮等为主。 在限定工况下，上述多相流流量计能够以9 0 的鼍信概率达到1 0 以内的气 液相测量精度。但由于使用条件变化与误差传递等原因，某些工况下油水相测量不 确定度可能远远超出1 0 的限度【例。由于性能价格比的缘故，以上产品中还没有 - - 4 中能够占据明显的技术优势和市场优势强。上述多相流量计的适用范围、传感技 术与工作原理见表1 1 。 表1 1 国内外现有主要多相流量计及其工作原理 序号流量计生产商传感技术与工作原理适用范围 i美国d a n i e lv - c o n e 、伽马射线油气水三相流 2美国m c c r o m e t e r双v - c o n e凝析天然气 3 美国a g a r 涡轮x 2 文丘里份离器微波含水率仪油气水凝析天然气 4 挪威r o x e r电容电阻、文丘里管、伽马射线多相流与单相流 5 挪威f r a m o文丘里管、射线、混合器油气水三相流 6 英国s o l a r t r o n混合器、双文丘里管凝析天然气 7 美国p e c o加长的文丘里管凝析天然气 8英国e s m e r 常规节流装置、神经网络油气水三相流 9 意大利t e a混合器、孔板、电容凝析天然气 1 0 中国海默射线、节流装嚣油气水三相流 l l 中国西安交通大学倒u 型管、差压、探针 油气水三相流 1 2 3 2 多相流计量原理 从计量技术的角度，现有多相流量计分成部分分离型和在线多相流量计两大类 第1 章绪论 1 2 h 。两类各有优缺点：部分分离型多相流量计结构复杂、体积大，但计量精度高。 其小型分离器的体积小于计量分离器的2 5 t 5 l 【6 i t 旧】，对分离后的气液相流体分别用 单相流仪表进行计量。在线多相流量计结构简单、体积小于计量分离器的5 不 需要分离器，直接对流动参数进行测量，但计量精度低于部分分离型多相流量计， 与计量分离器相当1 2 l 。 理论上，计算管道中多相流的各相流量需要u 3 1 i lo 】：、各相截面含率，、 各相速度，、流体流经流量计时的温度和压力值。各相截面含率、管道横截面积 和各相速度三者的乘积，就是实际工况下各相的体积流量。温度和压力测量值用来 计算各相在实际工况下的密度，用于不同工况的体积流量换算或计算各相质量流 量。目前还没有一种方法能够对各相截面含率直接测量，需要两个独立的测量值， 结合油、气、水相分率之和等于1 来进行计算。油水混合液中的含水率与多相流混 合物密度或截面含气率通常被作为两个独立的测量值。 目前，开发在线多相流量计的策略有两种3 】 1 。】l 擒：、采用一组用来进行总量 测量的传感器，结合各个传感器的特性方程即可求解出各相含率与速度，测量中假 设各相温度和压力相等。、对流动进行调整使各相混合均匀，然后进行总量测量。 用混合物速度近似各相流速，结合其它测量方法确定相分率。所以，混合物流速或 总量测量技术与相分率测量技术是多相流计量技术的两个主要方面。下面简要介绍 两方面的传感技术与测试原理： ( 1 ) 相分率测量【1 1 1 2 2 1 【2 3 1 ： ( 1 1 ) 伽马射线传感器：由对称安装在管道两侧的放射源和探测器组成。探测器输 出值是各相截面含率和射线能级的函数。单能伽马射线传感器通常用来测量 多相混合物的流动密度。双能伽马传感器可以提供两个独立的测量值用来 确定油气水各相含率。 ( 1 2 )电容电导电感传感器：三种传感器利用油气水不同的电介质特性，并假定 混合物电特性是物理性质已知的各相流体电特性与质量含率的函数，通过传 感器测量值计算各相含率。其中：电容传感器用于油为连续相的多相流，电 感电导传感器用于水为连续相的多相流。 ( 1 3 ) 微波相分率传感器：又称为微波含水率传感器。由微波发射器和接收器组成， 接收器输出值是油水混合物电导率和微波频率的函数。微波频率己知，由混 第1 章绪论 合物电导率即可求得含水率。 ( 2 ) 流速或总流量测量【2 2 】f 2 3 】 ( 2 1 ) 互相关流速测量技术：沿流动方向顺序安装上下游两个传感器，当流体从管道 中流过时，两个传感器测量信号的互相关就是流体速度的度量。伽马射线、 微波以及电容电导电感等能够检测多相流动特性的非侵入式传感器都可以 用来构成互相关流量计。 ( 2 2 ) 文丘里管n - c o n e 孔板等节流式流量计：对于单相流，节流元件压降就是流体 速度和密度的函数。对于多相流，节流元件的压降与分相速度、分相含率等参 数有关，结合不同流动模型可以得到分相流速。 ( 2 3 1 涡轮正排量等容积式流量计：依靠被测流体驱动机械传动装置，传动装置转 速正比于单相或两相流体体积流量。多相流的不平稳性容易造成对此类流量 计的冲击与损坏，所以这类流量计不适合气液流量波动较大的多相流测量。 1 2 3 3 国内外多相流及其计量技术研究现状【2 4 】【2 s 】 国内的多相流量计研制尚处于起步阶段，还没有凝析天然气流量计。除兰州海 默公司和西安交通大学能够提供商品化的多相流量计以外，胜利油田与西安交通大 学合作、辽河油田与清华大学合作研制的蒸汽流量计也有部分应用。此外，针对多 相流动机理、气液相问传热与传质、油气水混相输送、多相流计量技术、层析成像 等不同的研究方向，天津大学、浙江大学、石油大学、东北大学、上海交通大学、 中科院等单位都在进行相应的研究工作。国家自然科学基金委、中石油、化学工业、 核工业等部门多年来一直为多相流的研究提供支持。 国际上，多相流基础理论研究方面：英国曼彻斯特大学在流动成像：帝国理工 在流型识别、多相计量技术：美国t u l s a 大学在混相输送、水力热力计算、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；加拿大a l b e r t a 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。 多相流工程应用方面：英国n e l ( n a t i o n a le n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ) 是目前业界公认的 工业多相流量计权威测试机构，由n e l 牵头的多相流j i p ( j o i n ti n d u s t r yp r o j e c t ) 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：挪威r o x e r 、f r a m o 、 美国d a n i e l 等石油设备、仪器仪表厂商也都进行相关研究工作：s h e l l 、b p 、c h e v r o n 第1 章绪论 等石油公司一直坚持对多相流的研究工作进行资助。 1 2 4 凝析天然气计量技术研列1 1 】【扣1 8 】 凝析天然气是指在工作条件下气相体积含率大于9 0 ，其它组分体积含率小于 1 0 的气井产出物。其中：液相成份主要由烃类重组分、饱和水以及为保证气井正 常生产加注的防冻( 水合物) 、防蚀剂及作业中加注的各种化学溶液等组成：固相 成分有沙粒、铁屑等。所以，凝析天然气计量属特殊的多相流测量范畴，通常将它 简化成气液两相流测量问题。 现有多相流量计大都针对含液率为1 0 9 0 的油气水三相流进行测量，如果 直接用来计量含液率小于1 0 的凝析天然气，由于液相含率超出其适用范围，误差 必然很大。能够直接用于凝析天然气计量的多相流量计目前仅有d u a ls t r e a mi i 、 v - c o n e 、p e c o 与v e g a 四种产品，其中d u a l s t r e a m i i 流量计已经应用于生产现场， 其余产品尚处于实验室研发与现场试验阶段。 基于凝析天然气体积含气率较高的特点，研究人员尝试利用各种单相气体流量 仪表进行计量，但由于液相的存在，测量误差很大。总体上：文丘里管的测量效果 较好；标准孔板由于上游液相累积、液体断续通过节流件等原因精度很低：容积式 流量计只能用在气液流量波动不大场合；其它类型的单相气体流量计目前证明不能 用来计量凝析天然气。如：涡轮和科里奥利式流量计只能在含气率5 的范围内正 常工作：涡街流量计多数情况没有输出：超声波流量计虽然有输出，但误差超过 1 0 0 。石油与天然气工业生产中仍然采用计量分离器，生产流程复杂、造价高，计 量精度低。 不同研究机构采用了不同的技术路线来解决复杂的多相流计量问题。与凝析天 然气计量相关的有：、改进现有传感器结构，利用组合测量原理与多相流动模型 相结合，实现凝析天然气计量。如：d u a ls t r e a ml i 与p e c o 。、对已有多相流量 计进行改进。如：a g a r 公司用一台小型分离器和一台三相流量计组合计量凝析天然 气。、对单相气体流量计测量结果进行多相流模型修正与算法改进。如：清华大 学( 2 6 】f 2 7 j 干口西安交通大学【2 8 1 1 2 9 1 基于标准孔板的高温、高压蒸汽流量计。、将结构 紧凑的小型气液分离器用于凝析天然气计量，如：v e g a 、f r a m o 与t u l s a 大学的 g l c c p w ( g a sl i q u i dc y l i n d r i c a lc y c l o n es e p a r a t o r ) 湿气流量计等。、利用温度、压 第1 章绪论 力等常规测量信号在两相流条件下的波动特性，结合模式识别、神经网络等技术解 决多相流计量问题，如：e s m e r 3 】【3 2 1 多相流量计。以上技术路线中、已经商 品化；曾经被用来解决急需的生产计量问题，计量精度有待进一步提高；、 部分仍然处于实验室研发与现场测试阶段。 1 3 本文研究内容 由于工程技术领域需求的推动，多相流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。本文忽略凝析天然气中的固相成分，将其计量简化为低含液 率气液两相流在线计量问题，主要研究内容如下： ( 1 ) 开发新型节流元件槽式孔板鲫 3 4 】，用于凝析天然气计量技术研究。 ( 2 ) 研究单个槽式孔板的两相流测量特性。分析影响其输出的各种因素，结合实验 数据与理论模型研究传感器输出与气液流量相关式。 ( 3 ) 研究双槽式孔板组合实现凝析天然气流量测量的技术与方法。 ( 4 ) 研究多相流动规律1 3 5 1 t 3 6 与流量计测量信号特征值之间的定性、定量关系。 ( 5 ) 基于流体力学基本原理与软测量技术相结合，开发凝析天然气计量算法。 9 第2 章凝析天然气流量计样机设计与实验设计 第2 章凝析天然气流量计样机设计与实验设计 2 1 凝析天然气流量计样机设计 2 1 1 流量计适用范围与技术指标 ( 1 ) 流量计适用范围 从8 0 年代初至今人们陆续提出了各种多相流计量方法【1j 2 l m 】，经过多年的实 践逐渐认识到：每种类型的多相流量计都有一定的适用范围，不可能在所有的工作 条件下都表现出最佳性能【3 7 1 ，比如：高含水油井和气举井的计量需要采用不同类型 的多相流量计。 凝析天然气流量计适用于生产条件下，气井产物中液相体积含率小于1 0 的气 液两相流计量，适合单井计量或集中处理站( 场) 多井分时切换计量，属于生产计 量范围。该范围是本文实验设计、数据处理和技术指标确定的依据。 ( 2 ) 流量计技术指标 温度范围、耐压等级、气液相测量精度等都是表征流量计性能的技术指标。目 前的技术条件下，多相流量计实际能够达到的测量精度较低【5 r l l 2 0 1 ，国际上还没有 多相流量计测量精度的统一标准。现阶段，工程技术人员和管理人员的共识是：对 油藏管理需要5 。1 0 的精度，对油井配产需要2 5 的精度1 5 】【3 8 l 。 一般认为：多相流量计需要标明具有9 5 置信概率的精度指标，并以此为依据 估算各相测量结果的不确定度。目前常见气液相流量的标称精度为5 1 0 ， 含水率为4 - 2 。如果多相流量计的测量精度能够达到5 ，就可以取代大多数计 量分离器，满足海洋、沙漠等地区油气资源的开发需要1 3 8 】。以上精度指标也是各个 研究机构多相流量计开发的近期目标【5 】。 结合国内凝析天然气的生产计量现状，论文确定的凝析天然气流量计近期技术 指标为：温度0 8 0 。c ，耐压6 4 m p a ，在9 0 的置信概率下，气液相流量测量精度 均达到1 0 以下。 测量误差e 以流量计输出的气液相流量值、与实际值、q 。的相对 误差表示，参见式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 。室内实验时，实际值是气液混合前的单相流量值。 1 0 ， 第2 章凝析天然气流量计样机设计与实验设计 现场实验时，实际值由计量分离器的单相流仪表输出值换算得到。 乓= 警邶蝴 e：丝二丝100l 瓯 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 2 1 2 样机工作原理 2 1 ，2 1 应用两种多种传感器进行组合测量【3 j 单相流中，流量计输出与被测流量之间具有单值对应关系。两相流中，流量计 输出不仅与两相混合物流量有关，而且与分相含率有关。因此，要同时测量两相流 的分相流量，必须采用两种或多种不同特性的传感器进行组合测量才能实现。参见 式( 2 3 ) 、( 2 4 ) ，前后串联的两个传感器输出信号s 、逆都是两相质量流量g 和气相 质量含率x 的函数。 墨= 石( g ，x ) ( 2 - 3 ) & = 五( g ，x ) ( 2 - 4 ) 由式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 两个方程联立求解就有可能解出g 、x 两个未知数，得到气液 分相流量。如果能够获得多个与g 和x 有关的方程，就可以在各个方程之间进行协 调与取舍，获得更为精确的解。 应用两种或多种传感器进行组合测量是在线多相流量计的开发策略。针对气液 两相流测量研究较多的实用“组合对”有：双孔板【3 9 】、节流元件一均速管h 0 1 、孔板 一文丘里管、文丘里与直管段f 1 7 l 、靶式流量计一涡轮流量计1 3 】、文丘里管一涡轮 流量计1 3 】1 1 1 】、垂直上升差压一垂直下降或水平段差压【4 2 l 4 3 】、节流元件正排量流量 计 4 4 1 、文丘里一伽马射线一混合器【4 5 1 、多伽马探头组合【4 6 i 、电容电导伽马射线 组合4 7 1 等方式。以上组合对都取得了一定程度的成功，但是计量精度的进步提高 却遇到了困难。这些困难表现在：、口2 0 以后，由于两相流的强烈波动性使 流量计测量精度大为降低。、a9 0 以后，两个传感器方程之问的相关性明显 增大，导致方程组的求解误差急剧增大【3 】o 、a 9 0 以后，相分率传感器的测 量误差随着体积含气率的增加而迅速增大。如：伽马射线传感器的输出几乎不再随 第2 章凝析天然气流量计样机设计与实验殴计 含液率而变化：电容，微波等传感器的输出值不稳定。 文献 4 8 1 利用误差传递理论分析了高含气率气液两相流计量的困难后得出：如 果采用由密度测量方法测量截面含气率、由截面含气率求体积含气率，然后进一步 得到质量含气率的气液两相流测量方法。在高含气率和低压情况下，即使体积含气 率的相对误差很小，质量含气率的误差也会很大。另一方面，在质量含气率测量误 差已知的情况下，质量含气率越大，液相流量的相对误差也越大，液相测量精度很 难提高。 以上圃难迫使许多研究人员转向分离或部分分离计量技术研究 4 - 9 1 以及多传感 器的数据协调处理技术研究【5 0 1 。深入分析上述组合测量的工作原理与实现方式后， 发现影响测量精度进步提高的原因和相应的改进措施如下： 以往组合测量中，信号的波动部分并未加以利用，以至于错误地认为两相流条 件下流量传感器测量精度大为降低。实际上，两相流测量信号的稳态值与波动 部分含有不同的信息量，应分别加以量化利用以提高气液相测量精度。 组合测量两个方程之间的相关性随截面含气率的增大而增加，可以通过选择不 同特性的传感器组合来避免。传感器组合应使方程组在工作范围内的条件数越 小越好。 早期研究中，应用较多的组合对是不同类型的其它流量计与标准孔板组合，可 能与孔板加工容易、价格低、单相流测量精度高等特性有关。两相流条件下， 孔板差压值波动剧烈，给数据处理带来定困难。因此，需要选择或设计一种 对上游流动状态、气液相分布不敏感的传感器。 气液两相流的流型影响。实验研究表明：流型不同，传感器特性变化较大。需 要正确识别流型，并根据流型选择或修正传感器输入输出关系。 现有传感器特性都是在一定简化条件下得到的稳态值之间的近似关系。两相流 条件下，可能需要多个方程才能全面准确地表征传感器输出与g 、x 之间的非 线性、瞬态关系。如：将标准孔板差压信号的均值和方差分别与g 与z 进行关 联，已经用于高温高压湿蒸汽计量【5 。53 1 。 研究测量信号时频域特征值与气液流量之间的关系。数据分析表明：这些特征 值与g 、x 之间具有明显的相关性，目前还无法获得他们之间的函数关系，具 1 2 第2 章凝析天然气流量计样机设计与实验设计 有非线性映射功能的神经网络技术是解决该问题较为理想的选择。 多相流计量问题涉及流体力学、自动检测技术、工程热物理、两相流等学科 需要进行多学科的融合才能取得较好的结果。 基于以上分析，作者认为解决凝析天然气计量问题的关键是：、对现有传感 器结构进行优化与改进，使之能够更好地适用于凝析天然气测量工况：、研究影 响传感器两相流测量特性的各种因素，探索与总结影响规律；、充分利用计算机、 智能变送器等硬件条件，结合信号处理技术、多相流体力学等相关学科知识，以软 件功能的完善补充硬件功能的不足；、着重研究测量信号波动特征与g 、x 之间 的内在定量关系。在现有技术条件下，解决上述问题之后，开发一种在线不分离凝 析天然气流量计是可行的。 2 1 ，2 t 2 凝析天然气流量计样机结构设计 在分析、比较各种现有流量传感器技术资料的基础上，选择槽式孔板作为开发 流量计的一次传感元件，采用双槽式孔板组合方式实现凝析天然气计量。主要原因 有：、采用节流原理测量流量的方法具有造价低、运行可靠和维修方便等优点。 、智能式差压变送器测量精度高、量程比大且调整方便，进一步扩大了节流式流 量计的适用范围。、利用节流元件测量气液两相流的研究开展得最早，目前仍然 是多相流计量的一个研究热点，有许多现成的资料可供参考、借鉴。、与标准孔 板相比，槽式孔板具有许多优良的特性。 论文设计的凝析天然气流量计总体结构见图2 - 1 。流量计测量仪表为r o s e m o u n t 压力变送器1 、差压变送器2 和3 、温度变送器4 。r o s e m o t m t 交送器具有精度高、 稳定性好、量程调整方便等优点。流量计传感元件为上下游槽式孔板5 和6 。两个 槽式孔板差压a 只、最与流量计入口压力p 、出口温度7 1 共4 个测量值，由计算机 或二次测量仪表采集，通过一定的运算处理后输出气液分相流量、分相累积流量、 流体温度、压力等参数。 为了深入了解、观察凝析天然气的流动状态，用透明的聚四氟乙烯管制作了第 一台流量计样机，根据实验现象与数据处理结果对流量计结构进行改进。随后陆续 一1 3 第2 章凝析天然气流量计样机设计与实验设计 设计制作了低压实验样机一台、高压实验样机两台，分别用于石油大学、大庆设计 院和生产现场实验研究。 实验发现：r o s e m o u n t 变送器 响应速度低，信号截止频率 f 2 2 h z ，无法反映实验过程中 压力、差压信号的快速波动。为 此，分别与2 、3 并联了两台 f25 k h 2 的k e l l e r 差压变送器。 数据处理证明：两种变送器的稳 图2 - 1 凝析天然气流量计总体结构图 态输出值完全等价，但k e l l e r 变1 压力变送器；2 , 3 上下游差压变送器； 送器的瞬态信号中包含了更多的4 温度变送器：5 , 6 上下游槽式孔板 测量信息。为表述方便，论文中两种变送器简称为r 变送器和k 变送器。 2 1 2 3 样机工作原理推导： ( 1 ) 参见图2 - i ，单相气体流过时，差压与流量的关系为：