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国内外低含液率气液两相流量计计量的主要技术

国内外低含液率气液两相流量计计量的主要技术,阐述在线多相流量计的开发原理和国内外低含液率气液两相流计量技术研究的主要技术路线。结合海上含液天然气流量计开发工作,全勉系统地总结了流量计开发的技术路线和研究成果。详细介绍槽式孔板的单相流与两相流测量特性、基于双槽式孔板组合测量原理与软测量技术的流量计计量算法等内容,指出了需要进一步深入研究的方向。

          涡轮流量计,气体涡轮流量计,罗茨流量计

尽管海上含液天然气、凝析天然气、湿气等概念的外延不同,但其内涵基本相同。一般都是指在生产条件下,液相体积含率小于10%的气井产出物。为叙述方便,以下统称为湿气。湿气的流动规律属于多相流范畴,计量技术研究中将它简化成低含液率气液两相流的测量问题[1,2]。

上世纪80年代初,随着欧洲北海、美洲墨西哥湾等地区油气资源的开发,多相计量技术研究在国内外逐步发展起来。进入90年代后,中国石油天然气开发的重点向西部、海上转移,进一步推动了国内多相流相关技术的研发。近年来,我国陆续在渤海、黄海、南海等地发现了大型油气藏,又提出了海上含液天然气计量问题,因为海上含液天然气的准确计量不仅为生产监控、油藏管理提供可靠的原始资料,而且在简化海洋油气平台结构、提高平台安荃性等方面具有重要意义。

由于现有多相流量计和单相气体流量计均无法准确计量低含液率气液两相流,国内外相继开展了一系列的研究工作[3,4],采用的技术路线有:①利用实验数据修正理论模型,基于多相流的多参数组合测量原理研究湿气计量问题。如:英国Solartron公司的双文丘里技术,美国PECO公司的加长文丘里技术等;②对已有的多相流量计进行工艺、技术改进,使之能够测量湿气流量,如:美国Agar公司的湿气流量计就是常规多相流量计和小型分离器的组合;③对传统的单相计量仪表进行多相流模型修正与算法改进,如:英国NEL及西安交通大学、清华大学等均利用标准节流元件测量低含液率气液两相流流量;④将结构紧凑的气液分离器用于湿气计量,如:美国Tulsa大学、意大利TEA公司、挪威FRAMO等公司均采用此类技术;⑤利用诸如压力、差等常规测量信号在两相流条件下的波动特性,通过模式识别、神经网络等技术解决湿气计量问题,如:英国帝国理工学院的ESMER流量计;⑥中国石油大学基于计算流体力学对传感器结构进行优化设计,结合数字信号处理技术和组合测量原理研制的湿气流量计也正在进行工业现场实验。

多相计量技术与传统的基于计量分离器的油气井计量技术相比,在技术上和经济上都具有较大优势,正在成为海洋、沙漠新油气田开发中首选的计量技术。海上含液天然气的计量技术需求已经引起国内外石油公司、研究机构与仪器仪表厂商等方面越来越多的关注。

2 多相流量计开发原理与湿气流量传感器

国内外现有多相流量计可以分成部分分离型多相流量计和在线多相流量计两大类[2,4,5]。部分分离型多相流量计利用一个小型分离器对分离后的气液相流体分别进行计量。在线多相流量计不需要分离器,直接对流动参数进行测量。两者相比,前者体积大、结构复杂、气液相测量精度比计量分离器高;后者体积小、结构简单、测量精度与计量分离器相当[6]。本文研究海上含液天然气的在线计量技术。

单相流中,流量传感器的输出与被测流量之间具有单值对应关系。两相流中,流量传感器的输出不仅与两相混合物总流量有关,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。

假设湿气流量计至少由两个不同的流量传感器组成,任一传感器的输出都是气液两相流共同作用的结果,即:传感器输出S是管道中流动的气相流量Qg和液相流量QL的二元函数。

由式(1)、(2)组成的方程组中含有两个未知数,求解该方程组即可得到气液相流量Qg与QL,从而通过至少两个不同传感器的组合实现两相流流量测量。进一步地,如果能够获得两个以上的传感器特性方程,就可以进行多方程的协调处理,获得更为的解。这就是在线多相流量计的开发原理[6]。由此可见,解决湿气计量可以归结为三个问题:

①选择一种性能优良的气液两相流测量传感器,使湿气流量计具有优良的性价比和稳定的函数关系;

②研究单个传感器的两相流测量特性,即研究式(1)、(2)中函数的具体形式;③研究方程组的求解方法,保证求解结果的稳定性和准确性。

比较国外湿气计量在研技术后得知其共同点是一次传感元件大多选用文丘里管,利用文丘里管压降低、流量系数对气液相的流动结构不敏感的特点,并且许多研究机构对常规的文丘里管进行了多项改进。已经进行过实验的传感器组合方式有:双文丘里、文丘里与伽码射线、文丘里与电容/电感传感器等。

基于在线多相流量计的开发原理,本文设计的湿气流量计结构参见图1。两个槽式孔板差压与流量计入口压力、出口温度共四个测量值,由计算机或二次测量仪表采集,通过一定的软件处理后获得气液相分相流量。

3 传感器特性研究

美国德州大学的Morrison最早提出槽式孔板作为流量传感器的思想,并将其应用于蒸汽流量计的开发[7]。环室取压、孔径比为0. 5的槽式孔板结构参见图2,根据不同孔径比,流通面积由若干圈径向分布的槽式小孔组成,槽孔最外缘与测量管内壁相切。槽式孔板的工作原理与标准孔板相同,但由于其流通面积均匀地分布在整个管道截面上,单相流测量条件下,流量系数受上游流速分布影响很小。

两相流测量条件下,能够使液相成分自由通过,大大减少了标准孔板由于上游液相累积等因素引起的差压波动现象[7,8]。

本文选择槽式孔板作为湿气流量计的一次传感元件,介绍单个槽式孔板的单相流、两相流测量特性以及基于双槽式孔板组合测量的海上含液天然气计量技术研究进展。

3.1 槽式孔板的单相流测量特性

图3是槽式孔板单相液体测量特性,标定实验采用了质量流量计与槽式孔板串联比对的方式。

由图3可见:在标定范围内,槽式孔板的流量特性近似为一条直线。图中用蕞小二乘法拟合了传感器的特性方程。R2是衡量拟合公式预报值与实际值之间差异的决定系数,R2越接近于1,表示拟合公式的可靠性越高。理论上,节流件流量特性应该是一条直线,可用直线方程拟合。后续数据处理过程中,为提高数据拟合精度,分段线性回归了槽式孔板的特性方程。

3.2 槽式孔板的两相流测量特性

两相流实验研究中,称以气相流量为横坐标、气相体积含率为纵坐标的实验数据点分布为实验矩阵。本文室内实验的气体流量范围是100 000Nm3/h,液体流量下限为0. 1~0. 15m3/h,上限折算到体积含液率10%以内,根据不同的气相流量取不同的值。

图4是室内实验的数据点分布图。实验工作在中国石油天然气集团公司多相流量计标定站进行,试验装置能够保证气液两相介质以稳定的流量进行混合,流经足够长的流型发展段后进入流量计样机。

实验方法:在某一稳定的气相流量下,从小到大改变液相流量,在每一气液流量下,稳定10min,保证整个测量管线的气液相速度、压力、密度场达到稳定,测试8min,然后进入下一个循环:改变液量→稳定→测试,液相流量达到该气相流量下的蕞大值后,改变气量,从大到小改变液量,重复上述过程。数据采集采用NI公司的虚拟仪器系统,采样频率为1 000Hz。

结合标准孔板流量计的技术要求和多相计量技术研究中的常用技术措施,从不同方面研究了槽式孔板的测量特性,如:不同长度的槽式孔板上下游直管段组合、不同孔径比的槽式孔板组合、检验流量计入口增加流动调整器的作用、不同的节流件取压方式等。实验目的:一方面是摸索不同的测量条件对槽式孔板输出特性的影响;另一方面验证某些仿真结果的可靠性,为基于流体力学仿真软件开发新型节流元件奠定基础。最后根据实验结果优选了湿气流量计的结构形式。

图5是两种不同孔径比0. 75/0. 5的槽式孔板在压力P =400 kPa时,两相混合物质量流量G与槽式孔板ΔPρ的变化关系,图中的直线是气相流量一定时,由已知的G和计算得到的ΔPρ进行线性蕞小二乘拟合得到的,其中两相混合物密度值按均相流模型计算。由图可见:不同气相流量下,G与ΔPρ近似呈线性关系。随着气相流量增加,直线斜率逐渐减小,直线斜率大小与不同孔板的孔径比有关,也与气相流量有关。后续研究发现影响直线的斜率因素还有压力、温度、液相流体物性参数等。详细的槽式孔板的两相流测量特性参见文献[7,9]。

4 海上含液天然气流量计

鉴于两相流条件下,影响节流元件特性的因素很多,许多研究者对利用标准节流元件测量气液两相流进行过研究,提出了不少气液相流量修正公式[10],用来表示两相流条件下的差压测量值与两相混合物中气相或者液相单独流过节流件时所产生的差压值之间的关系。如:Murdock、James、Chisholm、林宗虎、克列姆利夫斯基、Steven等,但至今还没有一个修正公式可以用来准确表达式(1)、(2)的关系式。

本文利用数字信号处理技术,提取四个测量信号特征参数,利用具有非线性映射功能的神经网络学习特征参数与气液质量流量之间的关系,探索一种新的方程组求解方法与流量计计量算法。数据处理过程中用到的特征参数有:四个测量信号的平均值、标准差、斜度、峰度等统计特征量,共计16个。差压、压力信号经小波变换后得到的不同频段内的信号能量值共计18个。由于这些特征值之间相互耦合,为了减少神经网络的输入量、简化网络结构,对这些特征值进行了主元分析,主元分析结果作为神经网络的输入,34个特征参数经主元分析后,用9个主元即可表示测量信号中99. 5%的信息。网络输出是气液相流体的质量流量。

本文神经网络选用BP网络,采用L2M学习算法,对图4的测试数据随机分组, 60%用来学习,20%用来验证,以保证不会出现过学习情况, 20%用来测试网络输出。图6是气相流量的神经网络预报输出与实际气相流量之间的关系。为了反映网络预报输出精度,图中增加了两条±10%的误差线。图中:气相流量的测量误差90%以上的测量点可以达到±6%以内,此外,液相流量的测量误差90%以上可以达到±9%以内,实验结果可以满足生产计量的精度要求,为海上含液天然气流量计的计量算法研究提供了一条可行的途径

5 结论与进一步工作

本文针对含液率小于10%的海上含液天然气计量技术进行研究,选用一种流量系数对上游流速分布不敏感的槽式孔板作为流量传感器,分别对传感器的单相流、两相流测量特性进行了研究,最后基于组合测量原理和神经网络技术开发了流量计的计量算法。室内实验结果基本能够满足工业生产计量的精度要求。

目前流量计存在的主要问题:①测量范围有限,在经过标定的实验范围内可以达到相应的精度要求,超出实验参数范围精度尚不能保证;②需要通过大量的现场实验和理论分析,进一步扩大流量计的测量范围,完善计量算法,提高计量精度;③最后,针对海上气井高压、大流量、液相含率波动较大以及环境潮湿等特点也需要进行相应的技术研究与工艺改进。

点击次数:  更新时间:2018-09-01 11:33:33  【打印此页】  【关闭