CN110608775A - 一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于流量测量技术领域,具体涉及一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置及方法。本发明通过依次连接在测量管本体湿气输入端至输出端的气液混合装置、孔板流量计和热式流量计及分别与孔板流量计和热式流量计连接的气液流量计算仪的有机设置,本发明通过孔板流量计和热式流量计测量混合流体质量流量数学模型,计算出混合流体工况体积含液率,进而方便、快捷的实现了气井气液两相不分离在线计量,代替传统的分离计量工艺,且简化了工艺流程,降低了投资。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域,具体涉及一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置及方法。
背景技术
传统的气田单井计量主要采用气液分离计量工艺,流程复杂,投资高。近年来,国内气田应用了各类气液两相不分离计量装置,直接用于气井井口气液两相计量,如国内专利一种锥形孔板气液两相流量计(ZL201420671672.0),该流量计通过测量孔板差压波动幅度值(即计算差压方根的相对方差)来计算含液率,进而得出气液流量,但由于流体气流波动、差压传感器精度等因素影响,差压波动幅度值不能完全反应含液率,导致计量误差增大,适用范围有限。
发明内容
本发明提供了一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置及方法,目的在于提供一种实现气井气液两相不分离在线计量,代替传统的分离计量工艺,且能够简化工艺流程,降低投资的测量湿气流量的装置及方法。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,至少包括测量管本体,还包括气液混合装置、孔板流量计、热式流量计、气液流量计算仪和法兰;所述气液混合装置、孔板流量计和热式流量计依次通过法兰连接在测量管本体的湿气输入端至输出端;所述气液流量计算仪设置在测量管本体外部且分别与孔板流量计和热式流量计连接;所述的孔板流量计包括孔板节流装置、压力传感器、差压传感器和第一温度变送器;所述孔板节流装置连接在测量管本体上;所述差压传感器连接在孔板节流装置与气液流量计算仪之间;所述第一温度变送器的一端连接在孔板节流装置与热式流量计之间的测量管本体上,第一温度变送器的另一端通过信号线与气液流量计算仪连接;所述压力传感器的一端连接在气液混合装置与孔板节流装置之间的测量管本体上,压力传感器的另一端通过信号线与气液流量计算仪连接;所述孔板节流装置通过法兰与测量管本体连接。
所述的第一温度变送器采用的是Pt100热电阻温度变送器,型号为ABGSBW。
所述的热式流量计包括加热系统、两个第二温度变送器、热式流量变送器和连接管;所述加热系统缠绕在连接管上;所述热式流量变送器的一端与加热系统连接,热式流量变送器的另一端通过信号线与气液流量计算仪连接;两个第二温度变送器的一端分别与加热系统两侧的连接管连接,两个第二温度变送器一端的端头延伸至连接管内,两个第二温度变送器的一另端分别与热式流量变送器连接;所述连接管通过法兰与测量管本体连接。
所述的加热系统采用的是绕组电加热方式。
所述的两个第二温度变送器对称的连接在加热系统的两侧。
所述的气液混合装置采用的是旋流气液混合器。
所述的旋流气液混合器包括壳体、旋流导流叶片和整流板;所述的壳体两端分别设置有出口和入口;所述旋流导流叶片连接在壳体内;所述整流板连接在壳体内靠近出口端。
一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的测量方法,包括如下步骤
步骤一:获取流体压力、温度参数
分别通过孔板流量计和热式流量计获取流体压力和温度参数;
步骤二:计算混合流体湿气流量
根据步骤一获取的流体压力和温度参数,通过热式流量计测量混合流体质量流量、孔板流量计测量混合流体质量流量、混合流体工况密度ρ和混合流体介质的定压比热容Cp的计算,进而得到工况体积含液率x,最终得到气、液标况体积流量。
所述的步骤二计算混合流体湿气流量的具体过程如下
流经孔板流量计的质量流量计算公式为:
式(1)中:C为流出系数;
β为节流装置直径比;
ε膨胀系数;
d为孔板孔径;
ρ为气液混合流体工况平均密度;
△P为差压;
流经热式流量计测量混合流体质量流量公式如下:
式(2):Cp为流体介质的定压比热容;
A—热传导系数;
K—仪表系数;
由公式(1)、(2)可得出公式(3):
设混合流体工况体积含液率为x,则工况体积含气率为1-x;混合流体工况密度ρ可按公式(4)计算:
ρ=ρlx+ρg(1-x)=(ρl-ρg)x+ρg (4)
式(4)中:液ρl、ρg分别为液相工况密度、气相工况密度,混合流体介质的定压比热容Cp可以按照公式(5)计算:
Cp=Cplx+Cpg(1-x)=(Cpl-Cpg)x+Cpg (5)
式(5)中Cpg、Cpl分别为气相定压比热容、液相定压比热容;将公式(4)、(5)带入公式(3),得公式(6):
x3+kx2+mx+n=0 (6)
式(6)中:
求解式(6)即可得出含液率x,将计算出的x带入公式(4)、(5)即可得出混合流体密度ρ及混合流体介质的定压比热容Cp,进而得出混合流体质量流量Qm;
混合流体气、液相工况体积流量分别见公式(8)、(9):
有益效果:
本发明通过依次连接在测量管本体湿气输入端至输出端的气液混合装置、孔板流量计和热式流量计及分别与孔板流量计和热式流量计连接的气液流量计算仪的有机设置,通过孔板流量计和热式流量计测量混合流体质量流量数学模型,计算出混合流体工况体积含液率,进而方便、快捷的实现了气井气液两相不分离在线计量,代替传统的分离计量工艺,且简化了工艺流程,降低了投资。
上述说明仅是本发明技术方案的概述,为了能够更清楚的了解本发明的技术手段,并可依照说明书的内容予以实施,以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明结构示意图;
图2是旋流气液混合器结构示意图;
图3是本发明安装示意图。
图中:1-旋流气液混合器;2-孔板节流装置;3-压力传感器;4-差压传感器;5-温度变送器;6-加热器;7-温度变送器;8-热式流量变送器;9-气液流量计算仪;10-信号线;11-测量管本体;12-旋流导流叶片;13-整流板;14-壳体;15-孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置;16-气井井口;17-截断阀;18-闸阀;19-去采气管线;20-连接管;21-法兰。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一:
根据图1所示的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,至少包括测量管本体11,还包括气液混合装置1、孔板流量计、热式流量计、气液流量计算仪9和法兰21;所述气液混合装置1、孔板流量计和热式流量计依次通过法兰21连接在测量管本体11的湿气输入端至输出端;所述气液流量计算仪9设置在测量管本体11外部且分别与孔板流量计和热式流量计连接;所述的孔板流量计包括孔板节流装置2、压力传感器3、差压传感器4和第一温度变送器5;所述孔板节流装置2连接在测量管本体11上;所述差压传感器4连接在孔板节流装置2与气液流量计算仪9之间;所述第一温度变送器5的一端连接在孔板节流装置2与热式流量计之间的测量管本体11上,第一温度变送器5的另一端通过信号线10与气液流量计算仪9连接;所述压力传感器3的一端连接在气液混合装置1与孔板节流装置2之间的测量管本体11上,压力传感器3的另一端通过信号线10与气液流量计算仪9连接;所述孔板节流装置2通过法兰21与测量管本体11连接。
在实际使用时,将截断阀17、孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置15和闸阀18依次连接在气井井口16和去采气管线之间19,如图3所示。本发明中的旋流气液混合器装置1将测量管本体11内的气液两相流均匀混合,混合流体通过孔板流量计获取流经孔板流量计前后差压和温度,并将数据信号传输给气液流量计算仪9;热式流量计将流经的混合流体加热并获取加热前后的温度信息传输给气液流量计算仪9,利用上下游温度差与流量关系测量流体总流量。
在具体应用时,也可将孔板流量计和热式流量计的位置进行交换。本实施例中的孔板流量计采用的是标准孔板流量。
在实际使用时,测量管本体11内的混合流体通过孔板节流装置2产生差压,通过压力传感器3、差压传感器4、温度变送器5测量流体静压、孔板前后差压、温度信号,并由信号线10将检测信号传输至气液流量计算仪9。获取相关数据并进行计算,为精确的测量湿气流量提供了有力的保障。
本实施例中的孔板节流装置2采用的是“GB/T 2624.2-2006”中的孔板。孔板节流装置产生差压信号,孔板流量计通过差压信号即可测量流体流量。
本发明通过依次连接在测量管本体湿气输入端至输出端的气液混合装置、孔板流量计和热式流量计及分别与孔板流量计和热式流量计连接的气液流量计算仪的有机设置,实现了气井气液两相不分离在线计量,代替传统的分离计量工艺,且简化了工艺流程,降低了投资。
实施例二:
根据图1所示的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,与实施例一不同之处在于:所述的第一温度变送器5采用的是型号为ABGSBW的Pt100热电阻温度变送器。
在实际使用时,第一温度变送器5采用型号为ABGSBW的Pt100热电阻温度变送器的技术方案,不仅能够满足温度变送器的基本功能,获取精确测试的结果,还能够节约成本。
实施例三:
根据图1所示的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,与实施例一不同之处在于:所述的热式流量计包括加热系统6、两个第二温度变送器7、热式流量变送器8和连接管20;所述加热系统6缠绕在连接管20上;所述热式流量变送器8的一端与加热系统6连接,热式流量变送器8的另一端通过信号线10与气液流量计算仪9连接;两个第二温度变送器7的一端分别与加热系统6两侧的连接管20连接,两个第二温度变送器7一端的端头延伸至连接管20内,两个第二温度变送器7的一另端分别与热式流量变送器8连接;所述连接管20通过法兰21与测量管本体11连接。
在实际使用时,热式流量变送器8给加热系统6以恒定功率供电加热,热式流量变送器8采集加热系统6功率信号,加热系统6前后的温度变送器7将采集信号传输至热式流量变送器8,热式流量变送器8与气液流量计算仪9相互通信,气液流量计算仪9自动计算输出气、液各相体积流量、流体压力、温度等参数。
本技术方案的采用,方便、快捷的获取相关的数据,为后续打下良好基础。
实施例四:
根据图1所示的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,与实施例三不同之处在于:所述的加热系统6采用的是绕组电加热方式。
在实际使用时,加热系统6采用绕组电加热方式,使得对测量管本体的加热均匀,加热的效果好,且使用寿命长,节约成本。
实施例五:
根据图1所示的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,与实施例四不同之处在于:所述的两个第二温度变送器7对称的连接在加热系统6的两侧。
在实际使用时,两个第二温度变送器7与第一温度变送器5采用的类型和型号一致,使得测试的结果更加精确,避免了因设备差异所引起的数据偏差。
实施例七:
根据图1和图2所示的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,与实施例一不同之处在于:所述的气液混合装置采用的是旋流气液混合器。
优选的是所述的旋流气液混合器包括壳体14、旋流导流叶片12和整流板13;所述的壳体14两端分别设置有出口和入口;所述旋流导流叶片12连接在壳体14内;所述整流板13连接在壳体14内靠近出口端。
在实际使用时,流体流动时因气液密度差导致存在分层现象,旋流气液混合器的设置,使气液两相均匀混合近似单一流体,使计算出的混合流体工况平均密度更加接近真实值,提高流量测量精度。设置的整流板使旋流后流体趋于平稳流动,使孔板流量计测量的差压更稳定,提高测量精度。旋流气液混合器内部设置的旋流导流叶片12,使流体发生旋流,保证气液混合均匀;出口处设置的整流板13是标准Zanker,使流体流动趋于平稳,便于计量。
实施例八:
一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量测量方法,包括如下步骤
步骤一:获取流体压力、温度参数
分别通过孔板流量计和热式流量计获取流体压力和温度参数;
步骤二:计算混合流体湿气流量
根据步骤一获取的流体压力和温度参数,通过热式流量计测量混合流体质量流量、孔板流量计测量混合流体质量流量、混合流体工况密度ρ和混合流体介质的定压比热容Cp的计算,进而得到工况体积含液率x,最终得到气、液标况体积流量。
优选的是所述的步骤二计算混合流体湿气流量的具体过程如下
流经孔板流量计的质量流量计算公式为:
式(1)中:C为流出系数;
β为节流装置直径比;
ε膨胀系数;
d为孔板孔径;
ρ为气液混合流体工况平均密度;
△P为差压;
流经热式流量计测量混合流体质量流量公式如下:
式(2):Cp为流体介质的定压比热容;
A—热传导系数;
K—仪表系数;
由公式(1)、(2)可得出公式(3):
设混合流体工况体积含液率为x,则工况体积含气率为1-x;
混合流体工况密度ρ可按公式(4)计算:
ρ=ρlx+ρg(1-x)=(ρl-ρg)x+ρg (4)
式(4)中:ρl、ρg分别为液相工况密度、气相工况密度,
混合流体介质的定压比热容Cp可以按照公式(5)计算:
Cp=Cplx+Cpg(1-x)=(Cpl-Cpg)x+Cpg (5)
式(5)中Cpg、Cpl分别为气相定压比热容、液相定压比热容;
将公式(4)、(5)带入公式(3),得公式(6):
x3+kx2+mx+n=0 (6)
式(6)中:
求解式(6)即可计算出含液率x,将x带入公式(4)、(5)即可得出混合流体密度ρ及混合流体介质的定压比热容Cp,进而得出混合流体质量流量Qm;
混合流体气、液相工况体积流量分别见公式(8)、(9):
在实际使用时,式(1)中C为流出系数,β为节流装置直径比,ε膨胀系数,d为孔板孔径,当节流装置一定,流体压力、温度已知时,以上参数可直接计算或查表得出;ρ为气液混合流体工况平均密度,是未知量;△P为差压,通过差压传感器测得;式(4)中液ρl、ρg分别为液相工况密度、气相工况密度,已知气、液标况密度,根据测得的流体压力、温度参数即可得出气、液工况密度。式(5)中Cpg、Cpl分别为气相定压比热容、液相定压比热容,气井湿天然气主要成分为甲烷和水,因此气、液相可视为甲烷和水两相,定压比热容可通过查表得出。
本发明通过孔板流量计和热式流量计测量混合流体质量流量数学模型,计算出混合流体工况体积含液率,进而方便、快捷的实现气液分相流量测量,简化了工艺流程,降低了投资。
实例九
湿天然气可视为甲烷和水气液两相流,压力传感器3测量湿天然气流体压力为P=1.0MPa,差压传感器4测得差压△P=50KPa,温度变送器5测得流体温度为t=10℃,温度变送器7测得流体升温△T=3℃,标准孔板流量计管道内径D=50mm,孔板孔径d=25mm,则直径比β=d/D=0.5。热式流量计热传导系数A=0.6,仪表系数K=1980。
流出系数C主要与节流装置直径比β有关,与流体参数关系不大,查表标准“GB/T21446-2008用标准孔板流量计测量天然气流量表A.1”,得出流出系数C=0.61。
膨胀系数ε按标准“GB/T 21446-2008用标准孔板流量计测量天然气流量式(27)”计算:
上式中:P1为孔板上游压力,P1=P=1.0MPa;
P2为孔板下游压力,P2=P-△P=1.0-0.05=0.95MPa;
k为等熵指数,可取定值1.3。
计算的ε=0.98。
湿天然气流体在一段时间内压力温度基本稳定,且甲烷和水的定压比热容随温度压力变化较小,查表得出:
甲烷定压比热容Cpg=2.26kj/(kg.℃);
水的定压比热容Cpl=4.19kj/(kg.℃);
水的工况密度与标况密度基本一致,ρl=1000kg/m3;
甲烷的标况密度为0.72kg/m3,
工况密度通过理想气体状态方程计算为:
ρg=0.72×(10P+1)×273/(273+t)=7.64kg/m3。
将甲烷和水的定压比热容、工况密度数值,可计算式(6)中参数k、m、n。
k=2×2.26/(4.19-2.26)+7.64/(1000-7.64)=2.35
m=2.26^2/(4.19-2.26)^2+2×2.26×7.64/[(1000-7.64)×(4.19-2.26)]=3.59
n={7.64×2.26^2-8×(0.6×1980×3)^2/[0.61×0.98×3.14×25^2)^2×50]}/[(4.19-2.26)^2(1000-7.64)]=-0.384
将k、m、n数值代入式(6)得:
x3+2.35x2+3.59x-0.384=0
求解上式得出含液率x=0.1。
将含液率x代入式(4)得出湿天然气工况密度为:
ρ=(ρl-ρg)x+ρg=(1000-7.64)×0.1+7.64=106.88kg/m3
将含液率x代入式(5)得出湿天然气定压比热容:
Cp=(Cpl-Cpg)x+Cpg=(4.19-2.26)×0.1+2.26=2.453kj/(kg.℃)
将Cp、K、A、△T湿天然气总质量流量为:
将Qm、ρ、x代入式(8)、(9),得气、液两相质量流量分别为:
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下,本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合,以达到相应的技术效果,具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
需要说明,本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等,如果该特定姿态发生改变时,则该方向性指示也相应地随之改变。
另外,在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
以上所述,只是本发明的较佳实施例而已,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,至少包括测量管本体(11),其特征在于:还包括气液混合装置(1)、孔板流量计、热式流量计、气液流量计算仪(9)和法兰(21);所述气液混合装置(1)、孔板流量计和热式流量计依次通过法兰(21)连接在测量管本体(11)的湿气输入端至输出端;所述气液流量计算仪(9)设置在测量管本体(11)外部且分别与孔板流量计和热式流量计连接;所述的孔板流量计包括孔板节流装置(2)、压力传感器(3)、差压传感器(4)和第一温度变送器(5);所述孔板节流装置(2)连接在测量管本体(11)上;所述差压传感器(4)连接在孔板节流装置(2)与气液流量计算仪(9)之间;所述第一温度变送器(5)的一端连接在孔板节流装置(2)与热式流量计之间的测量管本体(11)上,第一温度变送器(5)的另一端通过信号线(10)与气液流量计算仪(9)连接;所述压力传感器(3)的一端连接在气液混合装置(1)与孔板节流装置(2)之间的测量管本体(11)上,压力传感器(3)的另一端通过信号线(10)与气液流量计算仪(9)连接;所述孔板节流装置(2)通过法兰(21)与测量管本体(11)连接。
2.如权利要求1所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,其特征在于:所述的第一温度变送器(5)采用的是Pt100热电阻温度变送器,型号为ABGSBW。
3.如权利要求1所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,其特征在于:所述的热式流量计包括加热系统(6)、两个第二温度变送器(7)、热式流量变送器(8)和连接管(20);所述加热系统(6)缠绕在连接管(20)上;所述热式流量变送器(8)的一端与加热系统(6)连接,热式流量变送器(8)的另一端通过信号线(10)与气液流量计算仪(9)连接;两个第二温度变送器(7)的一端分别与加热系统(6)两侧的连接管(20)连接,两个第二温度变送器(7)一端的端头延伸至连接管(20)内,两个第二温度变送器(7)的一另端分别与热式流量变送器(8)连接;所述连接管(20)通过法兰(21)与测量管本体(11)连接。
4.如权利要求3所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,其特征在于:所述的加热系统(6)采用的是绕组电加热方式。
5.如权利要求3所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,其特征在于:所述的两个第二温度变送器(7)对称的连接在加热系统(6)的两侧。
6.如权利要求1所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,其特征在于:所述的气液混合装置采用的是旋流气液混合器。
7.如权利要求6所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的装置,其特征在于:所述的旋流气液混合器包括壳体(14)、旋流导流叶片(12)和整流板(13);所述的壳体(14)两端分别设置有出口和入口;所述旋流导流叶片(12)连接在壳体(14)内;所述整流板(13)连接在壳体(14)内靠近出口端。
8.一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的测量方法,其特征在于:包括如下步骤
步骤一:获取流体压力、温度参数
分别通过孔板流量计和热式流量计获取流体压力和温度参数;
步骤二:计算混合流体湿气流量
根据步骤一获取的流体压力和温度参数,通过热式流量计测量混合流体质量流量、孔板流量计测量混合流体质量流量、混合流体工况密度ρ和混合流体介质的定压比热容Cp的计算,进而得到工况体积含液率x,最终得到气、液标况体积流量。
9.如权利要求8所述的一种孔板与热式流量计组合测量湿气流量的测量方法,其特征在于,所述的步骤二计算混合流体湿气流量的具体过程如下
流经孔板流量计的质量流量计算公式为:
式(1)中:C为流出系数;
β为节流装置直径比;
ε膨胀系数;
d为孔板孔径;
ρ为气液混合流体工况平均密度;
△P为差压;
流经热式流量计测量混合流体质量流量公式如下:
式(2):Cp为流体介质的定压比热容;
A—热传导系数;
K—仪表系数;
由公式(1)、(2)可得出公式(3):
设混合流体工况体积含液率为x,则工况体积含气率为1-x;
混合流体工况密度ρ可按公式(4)计算:
ρ=ρlx+ρg(1-x)=(ρl-ρg)x+ρg (4)
式(4)中:液ρl、ρg分别为液相工况密度、气相工况密度,
混合流体介质的定压比热容Cp可以按照公式(5)计算:
Cp=Cplx+Cpg(1-x)=(Cpl-Cpg)x+Cpg (5)
式(5)中Cpg、Cpl分别为气相定压比热容、液相定压比热容;
将公式(4)、(5)带入公式(3),得公式(6):
x3+kx2+mx+n=0 (6)
式(6)中:
求解式(6)即可得出含液率x,将计算出的x带入公式(4)、(5)即可得出混合流体密度ρ及混合流体介质的定压比热容Cp,进而得出混合流体质量流量Qm;
混合流体气、液相工况体积流量分别见公式(8)、(9):
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