CN200979428Y - 油、水、气三相流自动计量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种油、水、气三相流流量计量装置，通过法兰与管线将气液分离罐、气液控制罐、液体流量计、油气水组分仪、气体计量仪、气液缓冲罐连接组成油水气分相计量管网。气液分离罐上部与气液进口管相连，气液分离罐上部和下部分别通过排气管和排液管与气液控制罐的上部和下部相连；气液控制罐内置有浮球调节阀，罐体上部设有气体出口管，下部设有液体出口管，其中排气管与排液管在气液汇流管处与气液出口管相连。本实用新型体积小、重量轻、结构简单：整个装置内外部无辅助电控系统，长期运行稳定可靠，且压力损失小；它适用于任何流型的气液自动分相在线计量、尤其是间歇来液、气液变化比较大的多相流量测量，且测量精度可达到±0.5～2％，分相液量测量平稳，计量精度不受气液流型和流体状态影响，适用介质粘度范围宽(稀油、重油等)。

Description

油、水、气三相流自动计量装置

技术领域

本实用新型涉及一种油田气液多相流计量装置，尤其是油、水、气三相流流量计量装置。

背景技术

油田多相流计量研究始于二十世纪70年代的海上油田开发，国内外大型石油公司和机构都致力于多相计量技术和装置的研究，研究方法涉及物理原理和最新的测量技术。并已开发出商业化产品。归纳其产品技术可分油井采出液不分离混合多相计量和分离分相计量。应用无气液分离技术的计量产品，采用了文丘利、伽马射线、电容/电感相关法等混合计量技术，进行多相计量，这种计量产品经现场应用，存在计量精度较低(液相偏差在±10～20％，气相偏差在±10～30％，含水率偏差在±10～20％)，测量受流型和流态影响等问题；应用分离技术的计量产品测量原理是气液分离，分相计量，测量不受流型和流态影响，计量精度较高。2005年产品计量精度好于5％。因此，目前油田气液多相流计量技术领域中难点之一就是如何地提高气液分离效率和平稳控制气液分相计量问题。

在现有油田气液多相流计量技术中，中国专利公开了一种“油气自动计量装置”(专利号为：ZL 200420041937.5)给出了一种油气自动计量装置，并且已经在陆上油田的生产中得到成功应用，但是，上述装置对于间歇来液，尤其是对于液气变化比较大的情况，测量精度会明显降低，因此，其技术有一定的局限性。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术中的缺点和局限性而提供一种油、水、气三相流自动计量装置；该计量装置适用于单井、气液混输等任何流型的气液自动分相在线计量、尤其是间歇来液、气液变化比较大的多相流量测量，且分相液量测量精确度可达到±0.5～2％。

本实用新型的目的可通过如下措施来实现：

一种油、水、气三相流自动计量装置是通过法兰与管线将气液分离罐、气液控制罐、液体流量计、油气水组分仪、气体计量仪、气液缓冲罐连接组成油水气分相计量管网。气液分离罐中上部与气液进口管相连，在与气液进口管相连处设有气液旋流离心分离器，旋流离心分离器为圆柱形结构，竖直置于气液分离罐内的中上部，且中心对称；气液分离罐内置有浮球调节阀，浮球调节阀与气体出口管相连通；罐体上部和下部分别通过排气管和排液管切向连接设置于气液控制罐中上部和中下部内的气体导向环和液体导向环，气体导向环与气液控制罐主体同心，开口向下，呈中空筒状；液体导向环与气液控制罐同心，开口向上；气液分离罐上部和下部分别通过排气管和排液管与气液控制罐的中上部和中下部(切向)连接；气液控制罐上部设有气体出口管，中下部设有液体出口管，气体出口管与液体出口管在气液汇管处与气液出口管相连；在气体出口管线上设有气体出口阀、气体计量仪，气液汇管与气体计量仪管线间装有气液缓冲罐，气液缓冲罐下端竖直与气液汇管连接，上端与气体计量仪出口连接，液体出口管线上设有液体流量计和油水气组分仪，油水气组分仪竖直连接于液体出口管管线上。

上述的气液旋流离心分离器中的旋流离心管为方形或矩形，自上而下螺旋置于导向分离套管内；导向分离套管下端部(旋流离心管以下部分)布满网孔，导向分离套管下部设有气液分离筛；气液分离筛气液分离筛为喇叭锥体形结构，凸面向上，凸面与分离罐水平面所成夹角θ小于90°，凸面上布满网孔，凸面口与导向分离套管的内管下端光滑连接；气液分离筛的外径小于气液分离罐的内径，大于导向分离套管的外径；气液分离筛中心孔直径与导向分离套管内管的直径相同。

上述的浮球调节阀中的阀座连接管固定在控制罐顶部端盖中心的下部，并与阀座、气体出口管光滑过渡连接；阀座中心有一阀孔，阀体为光滑球面形或圆台形；阀芯的底面最大端面与阀体光滑过渡连接；浮球为空心球体或空心圆柱体；浮球联杆的一端与阀体中心对称光滑过渡连接，另一端中心对称穿透浮球光滑过渡连接；浮球置于气液控制罐内的浮球导向器上；浮球导向器置于气液控制罐内中下部并同心，导向杆一端垂直固定在底盘的中心，另一端向竖直上，底盘水平固定于气液控制罐内中下部并同心，底盘开有成网形的液流孔。阀孔直径小于气体出口管管径。

阀芯锥度大小和锥体长度取决于测量气量程范围大小，其最大底面直径小于阀孔的孔径。

阀体最小外径大于阀孔的孔径。

浮球联杆为直径为小于阀体的直径的圆管。

导向杆的直径小于浮球联杆的内径，长度大于阀芯的长度。

液流孔开孔的总流通面积大于气液进口管的流通面积。

气液汇管的水平出口高度需高于置于气液控制罐内的浮球起浮时的液位高度，低于阀体顶到阀座时控制罐内的液位高度。

气液缓冲罐的容积大于气体出口管到气液缓冲罐上端之间管道内的容积。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

1、本实用新型的适用于任何流型的气液自动分相在线计量、尤其是间歇来液、气液变化比较大的多相流量测量，且测量精确度高，分相液量测量精确度可达到±0.5～2％。。

2、本实用新型的测量量程宽，量程比可达到1∶25以上，且测量线性、重复性好。

3、本实用新型结构简单：整个装置内外部无辅助电控系统，长期运行稳定可靠，且压力损失小；

4、本实用新型的体积小、重量轻、拆装便捷省时、维修简便。

5、本实用新型的分相测量平稳，计量精度不受气液流型和流体状态影响；适用介质粘度范围宽(稀油、重油等)。

附图说明

图1是油、水、气三相流自动计量装置结构示意图。

图2A是图1气液旋流离心分离器结构示意图。

图2B是图1气液旋流离心分离器A-A示意图。

图2C是图1气液旋流离心分离器结构府视图。

图3A是图1气体导向环结构示意图。

图3A′是图1气体导向环仰视图。

图3B是图1液体导向环结构示意图。

图3B′是图1液体导向环仰视图。

图4A是图1阀座连接管结构示意图。

图4B是图1浮球调节阀结构示意图。

图5A是图1浮球导向器结构示意图。

图5B是图1浮球导向器结构俯视图。

附图标记说明如下：

1-气液进口管    2-气液分离罐

3-旋流离心分离器    31-旋流分离器入口    32-旋流离心管

33-导向分离套管     34-网孔    35-气液分离筛    36-中心孔

4-排气管    5-排液管    6-气体导向环    61-气导向入口    62-内环

7-气液控制罐

8-浮球调节阀    81-阀座连接管    82-阀座    821-阀孔

                83-阀芯    84-阀体    85-浮球联杆    86-浮球

9-浮球导向器    91-导向杆    92-底盘    93-液流孔

10-液体导向环    101-液导向入口    102-内环

11-控制罐顶部端盖    12-气体出口管

13-液体出口管    14-液体出口阀    15-液体流量计

16-油水气组分仪    17-气液汇管    18-气液缓冲罐    19-气体计量仪

20-气体出口阀    21-气液分离罐底座    22-气液控制罐底座

23-温度变送器    24-压力变送器    25-气液出口管    26-排污阀

27-计量装置底座

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型再作进一步的描述：

如图1所示，气液混合液由气液进口管1通过旋流分离器入口31进入置于气液分离罐2内的旋流离心分离器3，通过旋流离心分离器3分离初步实现气液分离；经过旋流离心管32分离的含气液体在惯性——重力和离心力的作用下沿导向分离套管33内继续离心分离，向下洒落到置于导向分离套管33下端的气液分离筛35上，经气液分离筛35分筛的液体顺着气液分离罐2的内壁流下，气体上流到气液分离罐2顶部的气体排出管4，由此经旋流离心分离器3的离心分离，管线来的气液混合液中的游离气可达到完全分离以及大部分孵化气离心分离。

在图2中，气液旋流离心分离器3为圆筒形结构，竖直置于气液控制罐7内的中上部，中心对称；旋流分离器入口31的入口方向与旋流离心分离器3呈切线向，其目的是为了减少流阻；旋流离心管32为方形，自上而下螺旋置于导向分离套管33内，螺旋二圈，旋流离心管31的流通面积小于进口管1的流通面积；导向分离套管33下端部(旋流离心管32以下部分)布满网孔34，以便增加液气分离表面，确保被分离析出的气体上流；导向分离套管下部设有气液分离筛35；气液分离筛35为喇叭圆锥形结构，凸面向上，凸面与气液分离罐2断面(水平面)所成夹角θ小于90°，凸面上布满网孔34，以便增加液气分离表面，凸面口与导向分离套管33的内管下端光滑连接，其目的是为了从导向分离套管33旋流落下来的液体能顺气液控制罐7内壁流下，使液体内少量余留气体进一步析出，确保在气液分离筛35下方已分离析出的气体上流：气液分离筛35的外径小于气液分离罐2的内径，大于导向分离套管33的外径，气液分离筛35中心孔36直径与导向分离套管33内管的管径相同。

气体导向环6导向入口61与内环62呈切向，被分离的气体经气体排出管5(切向)顺着气导向入口61进入气液控制罐7内中上部的气体导向环6，气体导向环6与气液控制罐7主体同心，开口向下，呈中空筒状(参见图3A)；其目的是为了气中含液的分离和调节脉动进气而影响浮球控制；液体导向环10导向入口101与内环102呈切向，被分离的含孵化气的液体经排液管5(切向)顺着导向入口101进入气液控制罐7内中下部的液体导向环10，液体导向环10与气液控制罐7同心，开口向上(参见图3B)，其目的是为了避免脉动进液和进液时对浮子的扰动，同时也能进一步离心分离部分孵化气。

气液控制罐7由罐主体、顶部端盖11、浮球调节阀8、气体出口管12、液体出口管13、排污阀26和浮球导向器9等组成。控制罐顶部端盖11用螺栓固定在罐主体顶部，浮球调节阀8的气体出口管12和气体出口阀20相连，后经气体流量计19，气液缓冲罐18、气液汇管17与气液出口管25相连；液体出口管13、液体出口阀14和液体流量计15在同一管线上相连，油水气组分仪16竖直连接于液体流量计15的出口端；气液控制罐7底部有一排污阀26；液体出口管13设在气液控制罐7中下部，经液体出口阀14与相连的液体流量计15、油水气组分仪16后接气液汇管17及气液出口管25。

参照图4，浮球调节阀8由阀座连接管81、阀座82、阀芯83、阀体84、浮球连杆85、浮球86组成。浮球调节阀8的阀座连接管81与阀座82、气体出口管12光滑过渡连接，阀座连接管81与气体出口管12连通，并固定在分离控制罐顶部端盖11中心的下部。阀座82中心有一阀孔821，阀孔821直径小于气体出口管12管径；阀芯83为圆锥体，锥度大小和锥体长度取决于测量气量程范围大小，其最大底面直径小于阀孔821的孔径，阀体84为光滑球面形，其最小外径大于阀孔821的孔径；阀芯83的底面(最大端面)与阀体84光滑过渡连接；浮球联杆85为直径小于阀体54的直径的圆管，浮球86为空心圆柱体；浮球联杆85的一端与阀体84中心对称光滑过渡连接，另一端中心对称穿透浮球86并光滑过渡连接；浮球86置于气液控制罐7内的浮球导向器9上，且在浮力的作用下随罐内液面波动而在浮球导向器9上下浮动：气液控制罐7的液位波动由浮球86通过浮球联杆85作用阀芯83在阀座82的阀孔821内上下动作，以调节气体出口的有效流通截面，达到自动调节控制罐内与出口管之间的压差及液体出口流量的大小。

参照图5，浮球导向器9置于气液控制罐7内中下部并同心，浮球导向器9由导向杆91、底盘92和液流孔93组成，导向杆91一端垂直固定在底盘92的中心，另一端竖直向上，导向杆91的直径小于浮球联杆85的内径、长度大于阀芯53的长度；底盘92水平固定于气液控制罐7内中下部并同心，底盘92开有呈网形的液流孔93，所开孔的总流通面积大于气液进口管1的流通面积，以确保浮球导向器9上下液体无压损流动，浮球导向器9的设置的目的是限制浮球86在液面上升或下降时左右摆动而影响液面的稳定控制，达到控制液面的稳定。

液体出口管13、液体出口阀14和液体流量计15在同一管线上相连，油水气组分仪16竖直连接于液体流量计15的出口端和气液汇管17，气液汇管17的水平出口高度高于置于气液控制罐7内的浮球86起浮时的液位高度、低于阀体84顶到阀座82时气液控制罐7内的液位高度；气液缓冲罐18下端竖直与气液汇管17连接，上端与气体计量仪19出口连接，气液缓冲罐18的容积大于气体出口管12到气液缓冲罐18上端之间管道内的容积，其目的是为了阻止气液汇管17处液体的返流而影响气体计量仪19的测量精度。

本实用新型采用了双罐气液分离控制技术，用旋流离心分离技术实现对气液混合液中游离气的完全分离和部分孵化气的自动分离，采用浮球液位控制技术通过液位高低直接控制了气体出口的流量、借助出口汇管的高度和液路流阻形成的差压间接控制液体出口的流量，起到了对气液流量的自动平稳控制作用，从而实现气液分相精确计量。其工作原理是：油水气混合液通过气液旋流离心管32实现游离气旋流离心的初步分离，经过旋流离心管32分离的含气液体在惯性(重力和离心力)的作用下沿导向分离套管33内继续离心分离，并下洒落到置于导向分离套管33下端的气液分离筛35上，经气液分离筛35分筛的液体顺着气液分离罐2的内壁流下，已分离的含少量孵化气的液体经液体出口管5和液体导向环10切向进入气液控制罐7，再次离心分离部分孵化气；被分离的含有少量液体的气体(湿气)则上流到气液分离罐2顶部的气体排出管4，通过气体导向环6切向旋流进入气液控制罐7，二次离心分离气中含液，由此经旋流离心分离器3的离心分离，管线来的气液混合液中的游离气可达到完全分离以及大部分孵化气离心分离。

在气液控制罐7正常液位没有建立起来之前，浮球调节阀8在重力的作用小处于最底位，即完全打开状态，经分离的气体通过打开的阀孔821和阀芯83之间无阻排出，此时由于罐内液位低于出口气液汇管17的出口高度，无液量排出；当气液控制罐7的液位逐渐上升到控制范围下限并继续上升，浮球86在浮力的作用下顺浮球导向器9向上浮升，阀芯83随浮球86而上升，阀孔821和阀芯83之间的流通面积减小，气体排出量减少，罐内液位进一步上升，此时控制罐内与汇管处的差压逐渐上升，当罐内液位上升到高于气液出口汇管17的高度、罐内压力与出口汇管17的差压达到排液所需的压差(流阻差压)后，液体开始排出气液控制罐7，此时如来液大，罐内液位继续上升，则气体排出流量减少、差压增大，排液流量随之增大，随后罐内液位开始下降、浮球阀流通面积变大、出口气量增大，差压随之减小，出口液量也随之减小，重复上述过程，最后达到一种气液进出平稳状态；如来气流量大，差压增大，罐内液位开始下降，浮球阀流通面积变大、出口气量增大，当下降到低于气液出口汇管17的高度和排液所需差压时，排液流量随之变小，同时气液控制罐7的液位又开始逐渐上升，重复上述液位上升过程，达到气液控制罐7内液位在一定高度范围内变化。此后，若管线来的气液混合液的气液比和外排管线压力变化，造成分离控制罐7内液位的上升或下降，浮球调节阀8都会自动把压差控制在排液所需的数值上，把液位控制在设定的范围内。对于小流量，借助出口汇管17的高度和液路流阻所需的差压，形成间隙排液计量(气压排液)；对于小气量也同样是间隙排气计量。

气液控制罐7下部安装温度变送器25、压力变送器24，气液出口管后分别安装气体计量仪19、气液缓冲罐18、液体出口阀14、液体流量计15和油水气组分仪16，并与计算机系统配套使用，组成一套完整的气液混输流体的在线计量装置。

其中安装气液缓冲罐18目的是为了回避气液出口管26的压力波动引起液体反灌到气体流量计影响气量计量精度，油水气组分仪16用于在线监测液路流体的含水率、含气率。

气液分离罐2与气液控制罐7分别搁置在气液分离罐底座21和气液控制罐底座22上，整个装置座落在计量装置底座27上。

Claims (10)

1、一种油、水、气三相流自动计量装置是通过法兰与管线将气液分离罐(2)、气液控制罐(7)、液体流量计(15)、油气水组分仪(16)、气体计量仪(19)、气液缓冲罐(18)连接组成油水气分相计量管网，其特征是气液分离罐(2)上部与气液进口管(1)相连，在与气液进口管(1)相连处设有气液旋流离心分离器(3)，竖直置于气液分离罐(2)内的中上部，且中心对称；气液分离罐(2)内置有浮球调节阀(8)，浮球调节阀(8)与气体出口管(12)相连通；罐体上部和下部分别通过排气管(4)和排液管(5)切向连接设置于气液控制罐(7)中上部和中下部内的气体导向环(6)和液体导向环(10)，气体导向环(6)与气液控制罐(7)主体同心，开口向下，呈中空筒状；气液控制罐(7)内中下部的液体导向环(10)与气液控制罐(7)同心，开口向上；气液控制罐(7)上部设有气体出口管(12)，下部设有液体出口管(13)，气体出口管(12)与液体出口管(13)在气液汇管(17)处与气液出口管(25)相连；在气体出口管(12)管线上设有气体出口阀(20)、气体计量仪(19)，气液汇管(17)与气体计量仪(19)管线间装有气液缓冲罐(18)，气液缓冲罐(18)下端与气液汇管(17)连接，上端与气体计量仪(19)出口连接；液体出口管(13)管线上设有液体出口阀(14)、液体流量计(15)和油水气组分仪(16)，油水气组分仪(16)竖直连接于液体出口管(13)管线上。

2、如权利要求1所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征是旋流离心分离器(3)为圆筒形结构，旋流离心管(32)为方形或矩形，自上而下螺旋置于导向分离套管(33)内；导向分离套管(33)下端部布满网孔(34)，下部设有气液分离筛(35)；气液分离筛(35)为喇叭锥体形结构，凸面向上，凸面与气液分离罐(2)水平面所成夹角θ小于90°，凸面上布满网孔(34)，凸面口与导向分离套管(33)的内管下端光滑连接；气液分离筛(35)的外径小于气液分离罐(2)的内径，大于导向分离套管(33)的外径；气液分离筛(35)中心孔(36)直径与导向分离套管(33)内管的直径相同。

3、如权利要求1所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于浮球调节阀(8)中的阀座连接管(81)固定在控制罐顶部端盖(11)中心的下部，并与阀座(82)、气体出口管(12)光滑过渡连接；阀座(82)中心有一阀孔(821)，阀体(84)为光滑球面形或圆台形；阀芯(83)的底面最大端面与阀体(84)光滑过渡连接；浮球(86)为空心球体或空心圆柱体；浮球联杆(85)的一端与阀体(84)中心对称光滑过渡连接，另一端中心对称穿透浮球(86)光滑过渡连接，并置于气液控制罐(7)内的浮球导向器(9)上；浮球导向器(9)中的导向杆(91)一端垂直固定在底盘(92)的中心，另一端竖直向上，底盘(92)水平固定于气液控制罐(7)内中下部并同心，底盘(92)开有成网形的液流孔(93)；阀孔(821)直径小于气体出口管(12)管径。

4、如权利要求3所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于阀芯(83)锥度大小和锥体长度取决于测量气量程范围大小，其最大底面直径小于阀孔(821)的孔径。

5、如权利要求3所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于阀体(84)最小外径大于阀孔(821)的孔径。

6、如权利要求3所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于浮球联杆(85)为直径小于阀体(84)直径的圆管。

7、如权利要求3所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于导向杆(91)的直径小于浮球联杆(85)的内径、长度大于阀芯(83)的长度。

8、如权利要求1或3所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于液流孔(93)开孔的总流通面积大于气液进口管(1)的流通面积。

9、如权利要求1所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于气液汇管(17)的水平出口高度需高于置于气液控制罐(7)内的浮球(86)起浮时的液位高度，低于阀体(84)顶到阀座(82)时气液控制罐(7)内的液位高度。

10、如权利要求1所述的油、水、气三相流自动计量装置，其特征在于气液缓冲罐(18)的容积大于气体出口管(12)到气液缓冲罐(18)上端之间管道内的容积。

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