摘要  本文闡述了凝析天然氣流量計量基本原理,，國外多家公司凝析天然氣計量在研技術(shù)的比較,，國內(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,，為國內(nèi)同類儀表的研制和選型提供參考。

0         引言

凝析天然氣流量計的英文是Wet  Gas  Meter,，國內(nèi)有時也翻譯成濕氣流量計,。對于凝析天然氣或者濕氣的準(zhǔn)確含義上還沒有統(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,；有時還有部分沙粒,、鐵屑等固相成份，所以凝析天然氣計量屬于特殊的多相流測量范疇,，現(xiàn)有的計量技術(shù)一般將它簡化為氣液兩相流的測量問題,。

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

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,，對簡化工藝流程,、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*化等方面都提出了更高的要求,。解決在線實(shí)時準(zhǔn)確測量天然氣,、凝析油、水的流量就顯得尤為重要,。正因為如此,，國內(nèi)外不少研究機(jī)構(gòu)、JIP（joint  Indus-try  project）項目等近年來已經(jīng)著手開發(fā)凝析天然氣流量計,。

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，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(shí)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(jī)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(jī)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,。

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(shí)驗室（NEL）是目前業(yè)界*的工業(yè)多相流量計測試機(jī)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(jī)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(diǎn)，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(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)對氣液相的流動結(jié)構(gòu)不敏感等特點(diǎn),；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(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zui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(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“世界上*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(yùn)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(bǔ)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(shí)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(yùn)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(shí)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(shí)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(shí)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,。

3 值得關(guān)注的研究方向

   由于多相流動的復(fù)雜性，多相流計量問題的*解決還需要相當(dāng)長的時間,，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的開發(fā)來說,，目前有以下幾個研究方向值得關(guān)注：

  ①利用現(xiàn)有的傳感器,、計算機(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)合新型的信號處理技術(shù)和流動模型解決凝析天然氣計量問題,。如Solartron公司的雙文丘里技術(shù)，PECO的加長文丘里技術(shù)等,；

  ②對已有的多相流量計進(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對傳統(tǒng)的單相計量儀表進(jìn)行多相流模型修正與算法改進(jìn),，解決急需的生產(chǎn)計量問題，如英國NEL基于文丘里管的凝析天然氣流量計,、國內(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；

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

3         結(jié)束語

本文較為詳細(xì)地介紹了國內(nèi)外多相流計量與凝析天然氣計量的基本技術(shù)現(xiàn)狀，供國內(nèi)開展同類研究工作和儀表選型參考,。多相計量技術(shù)與傳統(tǒng)的基于計量分離器的油氣井計量技術(shù)相比,，在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都具有較大優(yōu)勢，正在成為海洋,、沙漠新油氣田開發(fā)中的計量技術(shù),；也是陸上老油氣田改造，簡化地面設(shè)施的計量技術(shù),；經(jīng)過20多年的發(fā)展,，多相計量技術(shù)正在步入實(shí)用階段，凝析天然氣的計量技術(shù)已經(jīng)引起各方面越來越多的關(guān)注,。