CN201241692Y - 湿天然气多相流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于计量技术类。为克服已有的湿天然气流量计结构复杂、价格昂贵的问题特提出本方案。它是由垂直管段、文丘里管和计算各相流量的计算机构成。在垂直管段和文丘里管上装有压差传感器、温度和压力传感器，其计算机包括输入组分数据的存储器、气液相平衡计算软件、多相流动力学模型的计算软件、及输出各相流量数据的显示部分。在垂直管段测出湿天然气多相混合物平均密度，文丘里管测得湿天然气多相流总流量，再将各传感器取得的数据送入计算机并与多相流量的流动力学模型比较和计算得出各相的流量，可输出天然气流量、凝析液流量和含水率。本方案具有结构简单、制造和运行成本低、无放射性元器件、工作范围宽广、能稳定地在线计量等特点。

Description

湿天然气多相流量计

技术领域：本实用新型属于计量技术类。它具体涉及一种用于天然气-凝析液两相或天然气-凝析液-水三相混合物各相流量计的结构。

背景技术：天然气正在成为继石油之后的重要能源。中国和世界各国正在加紧对陆地和海洋天然气资源的勘探与开发，天然气的产量正在逐年提高，以满足中国和世界经济发展对能源不断增长的需求。在天然气的生产过程中，从天然气井中流出来的湿天然气常常含有凝析液、冷凝水及地层水，在天然气生产***和输运管道中形成天然气-凝析液两相流动或天然气-凝析液-水三相流动。湿天然气多相流各相流量的计量是对各天然气井及生产区块进行产量核算和天然气藏优化管理的重要手段，特别是湿天然气含水率的检测对海洋天然气生产和输运***的流动保障有着极其的重要意义。然而，截止目前，国际上只有一种由挪威Roxar公司生产的湿天然气流量计(美国专利US6915707 B2，2005年)，它由锥型流量计和微波含水率仪构成。这种湿天然气流量计的结构复杂、价格十分昂贵，不适于大规模推广使用。

发明内容：本实用新型的目的是为克服前述的技术问题，特提供一种能实现对陆地、海洋平台、及水下天然气井或区块生产出的湿天然气多相混合物各相流量进行自动在线计量的湿天然气多相流量计的新方案———湿天然气多相流量计，它具有结构简单、制造和运行成本低、无放射性元器件、工作范围宽广、性能稳定等特点。

按如上构思，本方案所提出的湿天然气多相流量计的特征是：它由测量湿天然气多相流总流量的文丘里管、测量湿天然气多相混合物平均密度的垂直管段及用来计算、记录和显示湿天然气多相流各相流量的计算机构成，在垂直管段的上下两端装有ΔP₂压差传感器，在垂直管段和文丘里管之间装有ΔP₁压差传感器，在垂直管段上游或文丘里管上延伸部分上装有T温度传感器和P压力传感器，前述的四个传感器取出的数据信号分别传给流量计算机。

在本方案中，它的计算机部分是由输入组分数据的储存器、气液相平衡计算软件、多相流动力学模型的计算软件及输出各相流量数据的显示部分构成，各部之间为顺序连接，压力传感器和温度传感器取得的数据信号送入气液相平衡计算软件，两压差传感器取得的数据信号送入多相流动力学模型的计算软件。

本方案的优越性在于，它具有结构简单且制造和运行成本低，无放射性元器件对环境及人员无任何伤害，工作范围宽广且性能稳定能实现对陆地、海下天然气井和集输管道中湿天然气多相混合流的在线即时计量。

附图说明：图1是本方案湿天然气多相流量计的结构示意图。

具体实施方式：本实用新型为克服已有技术中湿天然气流量计结构复杂成本高的问题特提出本方案。它是由文丘里管1、垂直管段2和数据计算、显示结果的流量计算机9所构成，垂直管段和文丘里管是同心且严密连接的管道，流量计的上下两端有安装法兰7和8，在垂直管段上装有ΔP₂压差传感器4，在垂直管段与文丘里管间装有ΔP₁压差传感器3，在文丘里管上的延伸段上状有P压力传感器5和T温度传感器6，它的计算机部分包括有输入组分数据的储存器10、气液相平衡计算软件11、多相流动力学模型的计算软件12及输出各相流量数据的显示部分13。压力传感器5和温度传感器6取得的数据信号送入气液相平衡计算软件，压差传感器3、压差传感器4取得的数据送入多相流动力学模型的计算软件12，经处理后输出各相流量的数据。

被测湿天然气多相流体垂直向上流经与进口法兰7相连接的垂直管段，由压差传感器4测得湿天然气多相流体流经垂直管段时的压降ΔP₂；被测湿天然气多相流体然后通过文丘里管，由压差传感器3测得湿天然气多相流体通过文丘里管时的压降ΔP₁；在流经出口连接法兰8之前，湿天然气多相流体的压力P和温度T分别用压力传感器5和温度传感器6测量。压差传感器3、压差传感器4、压力传感器5和温度传感器6电信号全部输入流量计算机9，由其计算、记录和显示湿天然气多相流各相流量。

下面以多相流均相流摸型为例，进一步说明本实用新型的工作原理。根据文丘里管的流量公式，湿天然气多相流体的总流量Q_M和在管道内平均流速u_M可分别表示为，

$Q_M={\mathrm{\α\β}}^{2}A\sqrt{{2\mathrm{\ΔP}}_1/{\mathrm{\ρ}}_M}---\left(1\right)$

$u_M={\mathrm{\α\β}}^2\sqrt{{2\mathrm{\ΔP}}_1/{\mathrm{\ρ}}_M}---\left(2\right)$

其中A是管道的截面积，β是文丘里管的喉部内经与管道内经之比，α是文丘里管的流量系数，ρ_M是湿天然气多相混合物的平均密度，ΔP₁是文丘里管的动压差。由于文丘里管两个取压点之间的距离很短，其摩擦压差比文丘里管的动压差小得多，可忽略不计。

湿天然气多相混合物流经垂直向上管段2的总压差ΔP₂是重位压差与摩擦压差之和，可表示为，

${\mathrm{\ΔP}}_2={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}\frac{{\mathrm{\ρ}}_M{u}_M^2}{2}---\left(3\right)$

其中g是重力加速度，h是垂直管段上两个取压点之间的距离，λ是垂直管段内壁的摩阻系数，D是垂直管段的内经。将式(2)代入式(3)得，

${\mathrm{\ΔP}}_2={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\β}}^4{\mathrm{\ΔP}}_1---\left(4\right)$

在测得湿天然气多相混合物流经文丘里管1的动压差ΔP₁和垂直管段2的总压差ΔP₂后，可由式(4)计算出湿天然气多相混合物的平均密度ρ_M，进而可由式(1)计算出湿天然气多相流体的总流量Q_M。

在由压力传感器5和温度传感器6分别测出湿天然气多相流体的压力P和温度T后，根据输入流量计算机9的湿天然气的碳氢化合物的组份比例，流量计算机可用存储其内的组份模型进行气液相平衡计算，便可得出湿天然气多相混合物中的凝析液与天然气的体积流量比例，即

$\mathrm{\η}=\frac{Q_C}{Q_G}---\left(5\right)$

其中Q_C和Q_G湿天然气多相混合物中的凝析液与天然气的体积流量。

上式可进一步写成：

Q_C＝ηQ_G                       (6)

根据湿天然气多相混合物总体积流量和总质量流量的定义，以下两个方程成立：

Q_G+Q_C+Q_W＝Q_M                  (7)

ρ_GQ_G+ρ_CQ_C+ρ_WQ_W＝ρ_MQ_M          (8)

其中ρ_G、ρ_C、和ρ_W分别是湿天然气多相混合物中的天然气、凝析液、和水的密度，Q_W是湿天然气多相混合物中水相的体积流量。

由于ρ_M和Q_M可由式(4)和(1)算出，ρ_G、ρ_C、ρ_W及η可由组份模型算出，将方程(6)、(7)和(8)进行联立求解，便可得出湿天然气多相混合物中的天然气、凝析液及水相的体积流量Q_G、Q_C及Q_W。

本实用新型中的文丘管还可以用其它节流元件或压差式流量计代替，例如节流孔板、节流喷嘴、锥型流量计(即V-Cone)、及阿纽巴流量计(Annubar)。

本方案的湿天然气多相流量计具有结构简单、制造和运行成本低、无放射性元器件、工作范围宽广、性能稳定、能满足绝大多数现场测量精度要求等特点。可对陆地、海洋平台、及水下天然气井或区块生产出的湿天然气多相混合物各相流量进行自动在线计量。

Claims (2)

1.一种湿天然气多相流量计，其特征是它由测量湿天然气多相流总流量的文丘里管(1)、测量湿天然气多相混合物平均密度的垂直管段(2)及用来计算、记录和显示湿天然气多相流各相流量的计算机(9)构成，在垂直管段的上下两端装有ΔP₂压差传感器(4)，在垂直管段和文丘里管之间装有ΔP₁压差传感器(3)，在垂直管段的上游或文丘里管上延伸部分上装有T温度传感器(6)和P压力传感器(5)，前述的四个传感器取出的数据信号分别传给流量计算机(9)。

2.按照权利要求1所述的湿天然气多相流量计，其特征是它的计算机部分是由输入组分数据的储存器(10)、气液相平衡的计算软件(11)、多相流动力学模型的计算软件(12)及输出各相流量数据的显示部分(13)构成，各部之间为顺序连接，压力传感器(5)和温度传感器(6)取得的数据信号送入气液相平衡计算软件，压差传感器(3)、(4)取得的数据信号送入多相流动力学模型的计算软件(12)。

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