摘要：  本文闡述了凝析天然氣流量計(jì)量基本原理，國(guó)外多家公司凝析天然氣計(jì)量在研技術(shù)的比較，國(guó)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(guó)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)

    0    引言

    凝析天然氣流量計(jì)的英文是Wet  Gas  Meter，國(guó)內(nèi)有時(shí)也翻譯成濕氣流量計(jì)。對(duì)于凝析天然氣或者濕氣的準(zhǔn)確含義國(guó)際上還沒(méi)有統(tǒng)一的定義，一般指在工作條件下氣相體積含率大于90％，液相與其它組分體積含率小于10％的氣井產(chǎn)出物。其中液相成份可能由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的烷烴類輕組分、飽和水以及為防止水合物形成人工加入的注劑等組成；有時(shí)還有部分沙粒、鐵屑等固相成份，所以凝析天然氣計(jì)量屬于特殊的多相流測(cè)量范疇，現(xiàn)有的計(jì)量技術(shù)一般將它簡(jiǎn)化為氣液兩相流的測(cè)量問(wèn)題。

    國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的多相流量計(jì)大都針對(duì)含液率為10％~90％的油氣水三相流進(jìn)行測(cè)量，在90％的置信概率下，氣、液相測(cè)量精度可以達(dá)到±10％以內(nèi)，因此無(wú)法直接用多相流量計(jì)計(jì)量凝析天然氣產(chǎn)量。如果用傳統(tǒng)的單相氣體流量?jī)x表計(jì)量凝析天然氣，由于液相的存在，也會(huì)造成很大的測(cè)量誤差。石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)中凝析天然氣的計(jì)量方式是將若干口氣井產(chǎn)物集中到計(jì)量站，控制各井產(chǎn)物分時(shí)通過(guò)計(jì)量分離器，對(duì)分離后的油氣水進(jìn)行單相倒井計(jì)量，生產(chǎn)流程復(fù)雜、造價(jià)高并且是斷續(xù)計(jì)量。

    隨著海洋、沙漠、極地以及其它邊遠(yuǎn)地區(qū)油氣田的開發(fā)建設(shè)和老氣田的技術(shù)改造，對(duì)簡(jiǎn)化工藝流程、降低生產(chǎn)成本，提高氣藏和氣井的科學(xué)管理水平以及操作決策的最優(yōu)化等方面都提出了更高的要求。解決在線實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量天然氣、凝析油、水的流量就顯得尤為重要。正因?yàn)槿绱?，?guó)內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)、JIP（joint  Indus-try  project）項(xiàng)目等近年來(lái)已經(jīng)著手開發(fā)凝析天然氣流量計(jì)。

    1   國(guó)內(nèi)外多相計(jì)量與凝析天然氣計(jì)量的研究現(xiàn)狀

    盡管從80年代初至今，多相流計(jì)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(guó)際上達(dá)到商品化程度并且在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行過(guò)試驗(yàn)或應(yīng)用的多相流量計(jì)包括：美國(guó)Agar公司的Agar301/401、挪威Roxor公司的RFM與Fluenta 1900VI、中國(guó)Haimo公司的MFM2000、中國(guó)西安交通大學(xué)的TFM500、美國(guó)McCrom-eter公司的V－Cone、英國(guó)Solartron公司的DualStream、英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的ESMER以及意大利TEA公司的VEGA等多相流量計(jì)。但是由于這些產(chǎn)品的性價(jià)比難以令客戶滿意，至今還沒(méi)有一種產(chǎn)品能夠占據(jù)明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與市場(chǎng)優(yōu)勢(shì)。

    目前，國(guó)外能夠提供凝析天然氣流量計(jì)的廠商非常有限。上述多相流量計(jì)中公開聲稱能夠用于凝析天然氣計(jì)量的流量計(jì)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(jì)已有現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用的報(bào)道，其余公司的產(chǎn)品或者正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)或者還處在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)與改進(jìn)階段。

    目前，國(guó)內(nèi)的多相流量計(jì)研制還處于起步階段，所推出的產(chǎn)品樣機(jī)存在著不少問(wèn)題，還沒(méi)有真正的凝析天然氣流量計(jì)。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(jì)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(jì)也有部分應(yīng)用。針對(duì)多相流體力學(xué)、多相流動(dòng)機(jī)理、氣液相間傳熱與傳質(zhì)、油氣水混相輸送、多相流檢測(cè)技術(shù)、層析成像、氣力輸送與混拌等不同的研究方向，國(guó)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(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位也都進(jìn)行過(guò)或者正在進(jìn)行相應(yīng)的研究工作。

    國(guó)際上，多相流的基礎(chǔ)理論研究方面，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)在流動(dòng)成像、流型分析與判別；帝國(guó)理工大學(xué)在流型特征提取與流型自動(dòng)識(shí)別、多相流動(dòng)規(guī)律；美國(guó)的Tulsa大學(xué)在氣液混相輸送、水力熱力計(jì)算、管道設(shè)計(jì)、旋流分離；挪威國(guó)家能源技術(shù)研究所在計(jì)算流體力學(xué)、多相流動(dòng)模型、多相計(jì)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(dòng)規(guī)律等方面都進(jìn)行了長(zhǎng)期的、大量的研究工作。多相流的工程應(yīng)用方面，英國(guó)的國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室（NEL）是目前業(yè)界公認(rèn)的工業(yè)多相流量計(jì)權(quán)威測(cè)試機(jī)構(gòu)，由NEL牽頭的多相流JIP項(xiàng)目涉及多相流計(jì)量、多相流動(dòng)機(jī)理、管道安全與防護(hù)等多個(gè)方面的研究工作；挪威的Roxer、Framo、美國(guó)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(cái)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(xiàng)目多年來(lái)一直堅(jiān)持對(duì)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(dòng)，多相流的在線計(jì)量技術(shù)仍然是國(guó)內(nèi)外當(dāng)前以至今后一段時(shí)間內(nèi)的研究熱點(diǎn)，凝析天然氣的在線計(jì)量技術(shù)已經(jīng)引起越來(lái)越多的天然氣生產(chǎn)者、研究者和流量計(jì)生產(chǎn)廠商的關(guān)注。

    2   凝析天然氣計(jì)量在研技術(shù)比較

    下面對(duì)國(guó)內(nèi)凝析天然氣計(jì)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(diǎn)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(duì)氣液相的流動(dòng)結(jié)構(gòu)不敏感等特點(diǎn)；結(jié)合多相流動(dòng)模型與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，對(duì)測(cè)量值進(jìn)行運(yùn)算后得到氣液相流量。它們的不同點(diǎn)是有些公司采用了部分分離技術(shù)，首先對(duì)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(jì)量；有些使用多種常規(guī)傳感器的組合方式直接對(duì)凝析天然氣進(jìn)行計(jì)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(duì)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(jì)

    該流量計(jì)的最大特點(diǎn)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(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果已經(jīng)證明：V-CONE的測(cè)量范圍、測(cè)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(diǎn)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(cè)量時(shí)，將會(huì)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(guò)節(jié)流件的情況，從而產(chǎn)生很大的附加阻力和差壓波動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)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(wú)阻攔的通過(guò)流量計(jì)，大大減少了這種影響，使差壓的測(cè)量值更加平穩(wěn)、準(zhǔn)確；同時(shí)也減少了流量計(jì)本身對(duì)流體流型的影響，減少了其它測(cè)量參數(shù)的波動(dòng)。

    2.2  Solartron 公司的凝析天然氣流量計(jì)

    該流量計(jì)2002年底推出時(shí)宣稱是“世界上第一款真正的凝析天然氣流量計(jì)”，其測(cè)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(duì)不同流量系數(shù)的文丘里管上得到的差壓信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，獲得氣相質(zhì)量含率，然后由所測(cè)混合物總質(zhì)量流量計(jì)算得到氣液相分相流量，同時(shí)對(duì)氣液流量進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)償。置信概率為90％時(shí)，氣相測(cè)量精度為±3％，液相精度為±7％，基本滿足生產(chǎn)計(jì)量需求。

    另?yè)?jù)文獻(xiàn)報(bào)道：Solartron公司對(duì)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(zhǎng)度加長(zhǎng)等，對(duì)雙文丘里的最佳組合、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(jì)

    該流量計(jì)采用美國(guó)聯(lián)邦能源與環(huán)境實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的加長(zhǎng)文丘里管測(cè)量氣液兩相流技術(shù)，兩個(gè)差壓信號(hào)分別取自文丘里管入口與喉部之間的差壓、加長(zhǎng)段的壓降，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)一步得到兩相流量。其測(cè)量原理與Solarton公司的產(chǎn)品相同，測(cè)量參數(shù)也都是流體溫度、壓力和雙差壓信號(hào)，僅僅是傳感器結(jié)構(gòu)不同而已，實(shí)際上，文丘里管入口也起到了混合器的作用，加長(zhǎng)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(cè)量精度不相上下。

    2.4  TEA公司的VEGA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)量技術(shù)，通過(guò)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(jì)量?jī)x表測(cè)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(guò)一定的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式或者理論模型進(jìn)行修正,據(jù)報(bào)道該流量計(jì)目前已經(jīng)完成工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

    另?yè)?jù)SPE(society of petroleum engineer)文獻(xiàn)報(bào)道：挪威FRAMO公司也在其北海油田實(shí)驗(yàn)類似工作原理的產(chǎn)品；美國(guó)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(jì)量。

    2.5  Agar公司的在線多相流量計(jì)與凝析天然氣流量計(jì)

    Agar-301多相流量計(jì)包括一個(gè)渦輪流量計(jì)和兩個(gè)文丘里管，順序安裝在豎直向上流動(dòng)的管線上，二次儀表根據(jù)3個(gè)傳感器的輸出信號(hào)計(jì)算得到氣體和液體的體積流量；如果還需要測(cè)量液相中的含水率，可以通過(guò)附加一個(gè)Agar公司的微波含水監(jiān)測(cè)儀來(lái)完成，該流量計(jì)不能用于凝析天然氣計(jì)量。Agar－401是部分分離型多相流量計(jì)，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整個(gè)流量計(jì)由一個(gè)小型分離器、孔板流量計(jì)、控制閥和一臺(tái)Agar－301多相流量計(jì)組成，可以測(cè)量凝析天然氣。

    3 值得關(guān)注的研究方向

   由于多相流動(dòng)的復(fù)雜性，多相流計(jì)量問(wèn)題的徹底解決還需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，不同公司、廠家采用的技術(shù)路線各有千秋。僅就凝析天然氣流量計(jì)的開發(fā)來(lái)說(shuō)，目前有以下幾個(gè)研究方向值得關(guān)注：

    ①利用現(xiàn)有的傳感器、計(jì)算機(jī)等硬件條件，以軟件功能的完善補(bǔ)充硬件功能的不足，結(jié)合新型的信號(hào)處理技術(shù)和流動(dòng)模型解決凝析天然氣計(jì)量問(wèn)題。如Solartron公司的雙文丘里技術(shù)，PECO的加長(zhǎng)文丘里技術(shù)等；

    ②對(duì)已有的多相流量計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，使之能夠適用于凝析天然氣的工況，如Agar公司的產(chǎn)品；

    ③對(duì)傳統(tǒng)的單相計(jì)量?jī)x表進(jìn)行多相流模型修正與算法改進(jìn)，解決急需的生產(chǎn)計(jì)量問(wèn)題，如英國(guó)NEL基于文丘里管的凝析天然氣流量計(jì)、國(guó)內(nèi)西安交通大學(xué)、清華大學(xué)利用標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行修正的飽和蒸汽流量計(jì)；

  ④將結(jié)構(gòu)緊湊的氣液分離器用于凝析天然氣的計(jì)量，如Tulsa大學(xué)、TEA公司、FRAMO公司的產(chǎn)品；此外，英國(guó)帝國(guó)理工大學(xué)的ESMER小組研究利用常規(guī)測(cè)量信號(hào)如溫度、壓力、差壓等在兩相流條件下的波動(dòng)特性，結(jié)合模式識(shí)別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)解決兩相流的計(jì)量問(wèn)題；石油大學(xué)基于CFD（computational  fluid  dynamics）對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和多相流動(dòng)模型研制的凝析天然氣流量計(jì)也正在進(jìn)行工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

    3  結(jié)束語(yǔ)

    本文較為詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外多相流計(jì)量與凝析天然氣計(jì)量的基本技術(shù)現(xiàn)狀，供國(guó)內(nèi)開展同類研究工作和儀表選型參考。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)上都具有較大優(yōu)勢(shì)，正在成為海洋、沙漠新油氣田開發(fā)中首選的計(jì)量技術(shù)；也是陸上老油氣田改造，簡(jiǎn)化地面設(shè)施的首選計(jì)量技術(shù)；經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，多相計(jì)量技術(shù)正在步入實(shí)用階段，凝析天然氣的計(jì)量技術(shù)已經(jīng)引起各方面越來(lái)越多的關(guān)注。