濕天然氣槽式孔板流量計(jì)在線計(jì)量技術(shù)
摘 要 針對(duì)當(dāng)前濕天然氣井口計(jì)量存在的技術(shù)難題, 基于雙槽形孔板的計(jì)量元件, 研制了低成本雙節(jié)流式孔板組合的流量計(jì)樣機(jī), 研究了流體通過(guò)雙槽型孔板時(shí)的流動(dòng)特性以及各種氣液比下雙槽型孔板之間差壓、壓力、溫度信號(hào)與氣液分相流量之間的關(guān)系, 建立了適用于雙槽形孔板流量計(jì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)計(jì)量模型, 并用此模型進(jìn)行了室內(nèi)計(jì)量實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和計(jì)量中心的標(biāo)定。 測(cè)試結(jié)果表明, 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi), 氣相流量的***大測(cè)量誤差小于 10 %, 液相流量的***大測(cè)量誤差小于 15 %。 該工業(yè)樣機(jī)計(jì)量精度可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。
目前 , 我國(guó)陸上油氣開(kāi)發(fā)重點(diǎn)逐漸向?yàn)┖＜拔鞑康貐^(qū)轉(zhuǎn)移, 而這些地區(qū)自然條件惡劣, 不適宜建計(jì)量站計(jì)量。這些地區(qū)主要選用國(guó)外多相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量。這些多相流量計(jì)多采用渦輪、文丘里、伽馬射線、電容、電阻傳感器等[ 1 , 2] 作為一次測(cè)量元件或組合 ,經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算得到各相流量。但國(guó)內(nèi)外多相流量計(jì)普遍存在以下問(wèn)題:
①計(jì)量范圍窄 ,計(jì)量精度受油氣比的影響較大;
②有些采用了微波、伽馬射線等測(cè)試手段, 其價(jià)格昂貴, 難以大規(guī)模推廣使用 ;
③ 有些要求特殊安裝 ,現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用不便或流程復(fù)雜;④有些產(chǎn)品的性價(jià)比無(wú)法滿足用戶需要 ,尤其是采用放射性等測(cè)量方式的產(chǎn)品價(jià)格更加昂貴。因此 , 如何開(kāi)發(fā)出滿足當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)量需要的多相流量計(jì), 降低開(kāi)發(fā)成本, 提高管理效益十分迫切。本研究采用常規(guī)的傳感檢測(cè)技術(shù) ,基于多相流的多參數(shù)檢測(cè)原理,利用多相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算并得出初步結(jié)果 ,然后通過(guò)軟測(cè)量技術(shù)[ 3] 進(jìn)一步補(bǔ)償和修正, 提高測(cè)量精度。
一、雙槽形孔板多相流量計(jì)的計(jì)量原理：
本計(jì)量系統(tǒng)(見(jiàn)圖 1)是通過(guò)兩個(gè)差壓傳感器和一個(gè)壓力傳感器信號(hào)的連續(xù)采集和處理, 來(lái)提取相模型,并利用此模型進(jìn)行計(jì)算獲得氣液兩相的流量。
圖 1 雙槽形孔板流量計(jì)示意圖
二、計(jì)測(cè)模型建立：
在計(jì)算氣液兩相流流量時(shí) ,首先把氣、液兩相流體流過(guò)上、下游節(jié)流元件時(shí)產(chǎn)生的差壓認(rèn)為全部是由氣相產(chǎn)生的 ,根據(jù)流量的基本方程[ 4] 可以得到上、下游節(jié)流元件測(cè)量的氣相質(zhì)量流量:
| C1 | 2 | |||||
| Qm1 | = | 1 -β1 | ε1πd1 | 2 p1 ρg1 | (1) | |
| 4 | ||||||
| 4 | ||||||
| C2 | 2 | |||||
| Qm2 | = | 1 -β2 | ε2πd2 | 2 p2 ρg2 | (2) | |
| 4 | ||||||
| 4 | ||||||
式中 :C 為流出系數(shù) ;ε為膨脹性系數(shù);β 為孔徑比 ;ρ 為氣相密度;d 為當(dāng)量直徑 ;Δp 為孔板差壓;Qm 為體積流量。
計(jì)算氣相在此差壓下兩個(gè)孔板測(cè)量的流量為 Qm1 、Qm2 ,由于液相的存在使得測(cè)量出的流量比實(shí)際氣相流量要大 , 大于部分與 Martinelli 參數(shù)(X )有
| X = | 2 | –n | n | 1 | |||
| μg | ρl | ||||||
| x | |||||||
| 其中:x、ρg、ρl分別為質(zhì)量含氣率與氣、液相密度, μg、 | |
| μ分別為氣、液相的動(dòng)力黏度 。 | |
| l | |
| Qm 、Qgc 與 X 之間存在線性關(guān)系,可得以下關(guān)系式: | |
| Qm -1 =MX +c | (4) |
| Qgc | |
式中:Qm 為氣相的讀數(shù)流量 ;Qgc 為氣相的實(shí)際流量 ;M 為 M urdock 系數(shù) ;c為一常數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)標(biāo)定 M 、c 的值。
假設(shè)兩個(gè)孔板的差壓之間的差別相對(duì)于常數(shù)(M)足夠大, 則下列等式成立:
| Q | Q | ||||||||||||||||
| Qgc = | m1 | = | m2 | ||||||||||||||
| 1 +c1 +M1 | 1 -x | ρg1 | 1 +c2 +M2 | 1 -x | ρg2 | ||||||||||||
| x | ρl | x | ρl | ||||||||||||||
| (5) | |||||||||||
| 由此解得實(shí)際的氣相質(zhì)量含率(x),并可得到實(shí) | |||||||||||
| 際的氣相質(zhì)量流量 : | |||||||||||
| Q | gc | = | Qm1 | (6) | |||||||
| 1 -x | ρg1 | ||||||||||
| 1 +c1 +M1 | |||||||||||
| x | ρ | ||||||||||
| l | |||||||||||
| 液相質(zhì)量流量 : | |||||||||||
| Ql = | Qgc(1 -x) | (7) | |||||||||
| x | |||||||||||
即可得氣、液相流量。
三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論：
1 .室內(nèi)實(shí)驗(yàn)：
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)(華東)多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)為空氣和水, 水由泵增壓, 經(jīng)液體質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后流入氣液混合器;空氣由空氣壓縮機(jī)增壓、氣體流量計(jì)計(jì)量后流入氣液混合器, 在混合器內(nèi)充分混合后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)道。氣體流量計(jì)量采用金屬管浮子流量計(jì) , 液體流量計(jì)量采用 ROSE-MO UNT 質(zhì)量流量計(jì)。
在此次試驗(yàn)中 ,采取差壓分段擬合的方法, 即將兩相實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按流量計(jì)中個(gè)孔板的差壓排序,并按其大小將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分成若干組 ,每一組分別擬合出一組系數(shù) ,然后代入預(yù)留數(shù)據(jù)進(jìn)行氣液量計(jì)算。
(1)氣相流量氣相流量計(jì)量誤差見(jiàn)圖 2 。0 .5～ 0 .4孔板組合氣相流量***小值為 110 .4 m3 /h , ***大值為 501 .8 m3 /h ,***大計(jì)量誤差為 2 .55 %。
(2)液相流量液相流量計(jì)量誤差見(jiàn)圖 2 。0 .5～ 0 .4孔板組合液相流量***小值為 0 .140 m3 /h , ***大值為 0 .348 m3 /h ,計(jì)量誤差在 10 %范圍內(nèi)。
圖 2 0 .5～ 0.4 組合氣相、液相流量真實(shí)值與測(cè)量值關(guān)系圖
2、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)：
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)是在大港油田第四采油廠采油二隊(duì)板 22 站進(jìn)行的。油氣混合流的壓力在 400 kPa 以上 , 溫度在 35 ℃左右, 氣相流量為 50 ～ 350 m3 /h , 液相流量在 2 m3 /h 以下。油井采出液經(jīng)過(guò)單獨(dú)計(jì)量的氣液相混和后進(jìn)入多相流計(jì)量計(jì)樣機(jī)。
(1)氣液瞬時(shí)流量測(cè)試結(jié)果檢驗(yàn)樣本的流量計(jì)量誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表 1 。
表 1 氣相液相流量計(jì)量相對(duì)誤差(值)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表
| 氣 | 相 | 液 | 相 |
| 誤差范圍 | 檢驗(yàn)點(diǎn)分布 | 誤差范圍 | 檢驗(yàn)點(diǎn)分布 |
| <8 % | 90 % | <10 % | 74 % |
| <10 % | 93 % | <15 % | 91 % |
| <15 % | 97 % | <18 % | 94 % |
| <25 % | 99 % | <25 % | 98 % |
| <30 % | 100% | <40 % | 100 % |
| 均值 | 5 % | 均值 | 87 % |
從實(shí)測(cè)結(jié)果看出:在氣相流量為 50 ～ 300 m3/h 、液相流量為 0 .2 ～ 2 m3 /h 的流量范圍內(nèi) , 氣相流量計(jì)量的平均誤差為 5 %, 且以 90 %的置信概率下誤差小于 10 %;液相流量計(jì)量的平均誤差為 8 .7%, 且在 90 %的置信概率下誤差小于 15 %。
軟件實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果曲線見(jiàn)圖 3 ?？梢钥闯?,兩者在整個(gè)流量調(diào)節(jié)的變化趨勢(shì)一致 ,且測(cè)試結(jié)果接近。
圖 3 軟件實(shí)時(shí)測(cè)試結(jié)果曲線圖
(2)連續(xù)生產(chǎn)運(yùn)行計(jì)量結(jié)果為了進(jìn)一步驗(yàn)證多相流量計(jì)的性能 ,在 22 站對(duì)新板21 、板21-2 井進(jìn)行了一個(gè)月(每天連續(xù) 6 h 每口井 3 h)的連續(xù)計(jì)量, 平均每天的跟蹤試驗(yàn)計(jì)量分離器與多相流量計(jì)累計(jì)流量(換算到標(biāo)準(zhǔn)狀況下)數(shù)據(jù)結(jié)果如表 2 所示。
| 表 2 | 計(jì)量分離器與多相流量計(jì)累計(jì)流量表 | ||||
| 板 21-2 井 | 新板 21 井 | ||||
| 氣相累計(jì) | 液相累計(jì) | 氣相累計(jì) | 液相累計(jì) | ||
| 流量 | 流量 | 流量 | 流量 | ||
| (m3) | (m3) | (m3) | (m3) | ||
| 計(jì)量分離器 | 27264 .74 | 103.66 | 25794 .13 | 23 .43 | |
| 多相流量計(jì) | 28007 | 110.20 | 25965 .85 | 25 .39 | |
| 累計(jì)誤差(%) | 2.72 % | 6.31 % | 0.67% | 8 .35% | |
可以看出在連續(xù)計(jì)量狀況下 ,多相流量計(jì)測(cè)得的氣、液相累計(jì)流量誤差較小, 達(dá)到了現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求的精度。
3 .標(biāo)定結(jié)果：
2006 年 9 月,石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所使用設(shè)在大慶油田建設(shè)設(shè)計(jì)研究院油田地面工程試驗(yàn)基地的油氣水多相流量計(jì)實(shí)液測(cè)試裝置 , 對(duì)研制的UPCWGM-I-50AIBI凝析天然氣流量計(jì)進(jìn)行了性能測(cè)試,測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表 3 。
表 3 U PCWGM-I-50AIBI 計(jì)量裝置標(biāo)定結(jié)果表
| 氣相測(cè)量 | 液相測(cè)量 | |||||
| 總體誤差分布 | ***大:10 .9% | ***大 :25 % | ||||
| ***小:-0.4% | ***小:-0 .7% | |||||
| 平均誤差 | 2 .925 % | 4% | ||||
| 氣相置信度 | ≤5 % | 5 %～ 10 % | 10 %～ 15 % | |||
| 86% | 7 % | 7 % | ||||
| 液相置信度 | ≤10 % | 10%～ 17% | ≥17 % | |||
| 62 .6% | 29.1% | 8.3% | ||||
注 :連續(xù) 1 h 波動(dòng)工況測(cè)試:氣相相對(duì)誤差為 5 .1%, 液相相對(duì)誤差為 7 .8%。
四、結(jié) 論：
(1)雙槽形孔板流量計(jì)測(cè)量系統(tǒng)將常規(guī)傳感檢測(cè)技術(shù)與基于多相流的多參數(shù)檢測(cè)原理結(jié)合 , 利用多相流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算得出初步結(jié)果 , 然后通過(guò)軟測(cè)量技術(shù)進(jìn)一步補(bǔ)償和修正, 提高了測(cè)量精度, 創(chuàng)造了一種簡(jiǎn)單、實(shí)用的多相流計(jì)量方法。
(2)對(duì)于高含氣的氣液兩相流動(dòng), 通過(guò)實(shí)驗(yàn)初步獲得了適用于濕天然氣計(jì)量的計(jì)量模型和算法。結(jié)果表明, 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi) ,氣相流量的***大測(cè)量誤差小于 2 .5%, 液相流量***大測(cè)量誤差小于 10 %。該工業(yè)樣機(jī)計(jì)量精度可以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。
(3)經(jīng)過(guò)對(duì)流量計(jì)樣機(jī)的室內(nèi)測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)測(cè)試和石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所的標(biāo)定, 得出在氣液比大于 200 m3/m 3 時(shí), 氣相流量計(jì)量準(zhǔn)確度小于
±10 %, 液相的小于 ±15 %,其置信度為 90 %, 計(jì)量準(zhǔn)確度與國(guó)內(nèi)外相當(dāng), 而流量計(jì)成本大幅度下降。