工艺技术_多相混输工艺技术培训课件

多相混输工艺技术MultiphaseFlowInPipelines 中国石油大学储建学院储运工程系李玉星2007年11月19日 内容 基本概念多相流的研究简况和难度多相混输管路的特点及处理方法热物性及温降计算流型判断水力计算模型段塞流计算段塞流捕集器多相流计量技术 1 基本概念 持液率滑脱滑动比表观速度与真实速度相间摩阻流动密度真实密度 2 气液两相流的研究简况 二十世纪三十年代 美若干研究生的论文中开始出现 two phase 这一术语43年俄国人Kosterin在发表的论文 水平管内两相介质流动结构研究中 首次采用 two phase 术语 66年有人统计 共收集到8000余篇有关两相流的论文 48 66年期间 有关气液两相流的文章以成倍的速度增加油气两相混输的研究起步较晚 约在50年代初期 美国的Martineli和俄国的Armand是两位最早对气液两相流进行系统研究的学者 70年代北海石油的开采对油气混输技术起极大的推动作用 3 研究深度划分 早期的研究中 大部分把气液两相的流速认为相等 即采用均相流模型 混合物密度按气液比例求得 并按单相流体求压降梯度 如锅炉分相流模型 Martineli Duckler流型模型 Beggs Brill Eaton Olimens Xiao Brill 难度 气液两相管路中所遇到的变量多 在某些流动型态下流动很不稳定 且难以识别 参数很难测准常遇到的某些变量有 1 气液流量 2 含气率 3 气液密度 4 管路倾角 5 流型 6 气液相粘度 7 表面张力等 若上述变量每相均取5个数据 则需取59 200万次实验 4 混输管路的特点 流型变化多存在相间能量交换和能量损失存在传质现象 流动不稳定 气液两相管路的处理方法 均相流模型 均相流模型是把气液混合物看成为一种介质 因此可以把气液两相管路当成单相管路来处理 分相流模型 分相流模型把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动 Martineli Duckler流型模型 首先分清两相流的流型 然后根据各种流型的特点 分析其流动特性并建立关系式 Beggs Brill Eaton Olimens Xiao Brill 5 热物性计算 黑油模型黑油模型凝析气模型凝析油模型计算简单 编程方便 运算速度快等组分模型 利用组分模型能够准确地模拟管道沿线随着温度和压力的变化气液相间的质量传递 凝析和反凝析 管段内气液相的组成以及管道内是否形成水合物等复杂问题 黑油模型 BlackoilModel 需已知在工程标准状态下的气 液相对密度 气油比 粘温关系和管路压力温度条件 计算以经验公式和图表为主 溶解气油比 SolutionGas oilRatio 油体积系数 oilformationvolumefactor 粘度 油粘度 气粘度 油水混合粘度溶气油的表面张力比热 油水混合粘度 未形成油水乳状液 可以采用体积平均和API14B12方法乳状液 爱因斯坦 Einstein 公式凡德 Vand 公式理查森 Richardson 公式爱因斯坦公式适用于体积含水率值不大于0 2 其他公式用于体积含水率小于0 40 组分模型 根据混合物的组成计算压力温度变化时气液相的密度 粘度 表面张力 压缩因子等参数 前提条件 已知组成混合物的烃类和非烃类组分的摩尔百分数 除此之外不需要其他参数 一旦组成确定 流体性质确定 状态方程 EOS 利用状态方程作为模型利用液相逸度系数作为模型SRK方程PR方程BWRS方程 与热力学关系式结合 计算物性 焓 气液相密度 熵 比热等 温度计算及焓平衡方程 温降计算 焓平衡方程计算 基础 能量守恒定律 流型 流型测定方法简介 目测方法根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种关系 依此确定流型 Hewitt建议 按管路压力波动量和x射线被管路流体吸收的波动来确定流型 此外 还可在管内放入探针 用探针与管壁间导电率的波动量来确定流型 根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度和流型 包括 x射线照相和多束 射线密度计 水平管中的流型 埃尔乌斯流型划分法较好地说明了气液两相流动的流型变化特点 埃尔乌斯把两相管路的流型分为气泡流 气团流 分层流 波浪流 冲击流 不完全环状流 环状流和弥散流等八种 不同学者具有不划分方法和依据 经验流型图 1954年 Baker最早提出一幅水平两相流型图1962年Govier和Omer提出了一幅流型图1974年 Mandhane又提出了一幅流型图布里尔流型图它们大都根据小管径 低压条件下的实验数据绘制 当应用于大口径 较高压力系统时存在着偏差 不便于上机纵横坐标不一致不便于比较 半理论方法得到的流型图 76年Taitel和Dukler模型对低中粘度液体较适用 但对高粘度液体的偏差较大对间歇流和分散气泡流的判别准则中 没有考虑表面张力的影响 把作为间歇流环雾流的分界线 偏高 与实验结果不符 Barnea流型划分法各种流型模型水力计算方法提出的流型准化准则 倾斜管中的流型 分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感管路向下倾斜时很容易产生分层流 上倾时则易产生间歇流 常利用下倾管气液易于分离的特点作两相流管道的终点设备 如 分离器 管式液塞捕集器等 管路倾角对分散气泡流 间歇流和间歇流 环雾流过渡的影响不大 水力计算模型 分相流模型Lockhart Martinelli压降计算法 该法适用于管径较小 气油比不高的油气混输管路DuklerII压降计算法 只适用于水平两相流管路 也没有考虑加速压降损失项 流型模型Beggs Brill压降计算法 对持液率的计算结果偏大 在流型分界处持液率和水力摩阻系数的数值都不连续 只预测水平管线的流型 没有考虑管道倾斜对流型的影响 其使用范围还有一定的限制 Eaton压降计算法Mukherjee Brill压降计算法Oliemans压降计算法Xiao Brill模型 组合模型 段塞流抑制技术 段塞流是多相管流最常遇到的一种流型 在许多操作条件下 正常操作 启动 输量变化 混输管道中常出现段塞流 其特点是气体和液体交替流动 充满整个管道流通面积的液塞被气团分割 气团下方沿管底部流动的是分层液膜 管道内多相流体呈段塞流时 管道压力 管道出口气液瞬时流量有很大波动 并伴随有强烈的振动 对管道及与管道相连的设备有很大的破坏 使管道下游的工艺装置很难正常工作 段塞流形成机理 段塞流分类水动力段塞流 hydrodynamicslugging 管道内气液折算速度正好处于流型图段塞流的范围内所诱发的段塞流 水动力段塞流又可细分为 普通稳态水力段塞流和由于气液流量变化诱发的瞬态段塞流 发生这种段塞流时一般气液流量较大 地形起伏诱发段塞流地形起伏诱发段塞流由于液相在管道低洼处积聚堵塞气体通道而诱发的段塞流 常在低气液流量下发生强烈段塞流 severeslugging 段塞流形成机理 强烈段塞流 severeslugging 通常在两海洋平台间的连接管道上发生 定义为 液塞长度大于立管高度的段塞流 这是一种压力波动最大 管道出口气液瞬时流量变化最大的段塞流 对管道和管道下游相应设备正常工作危害最大的一种段塞流 和地形起伏诱发段塞流相似 常在低气液流量下发生 段塞流形成机理 水动力段塞流 段塞流形成机理 地形起伏诱发段塞流 段塞流形成机理 强烈段塞流 段塞流的抑制方法 水动力和地形诱发段塞流的抑制在多相流管道设计中 可选择合适的管径使管道处于非段塞流工况下工作 若必须在段塞流下工作 由于水动力 地形起伏 以及陆上集油管线进入油气分离器时配有立管 高度较小 引发的段塞流 其段塞长度和冲击强度远小于海洋油气田 常在分离器入口处安装消能器 吸收油气混合物的冲击能量即可 段塞流的抑制方法 强烈段塞流的抑制法减小出油管直径 增加气液流速 立管底部注气 减小立管内气液混合物柱的静压 使气体带液能力增强采用海底气液分离器如海下液塞捕集器在海底或平台利用多相泵增压 立管顶部节流 最经济 实用的抑制方法 立管顶部节流原理 为使系统稳定运行 必须在立管底部出现新液塞并在立管内增长至顶部前 将液塞排出立管 使气液混合物在系统中连续流动 即把混合物速度Umix 定义为气液折算速度之和 作为控制参数 若Umix减小表示发生阻塞 为举升刚形成的液塞 出油管道的压力应高于立管下游分离器或捕集器正常平均操作压力 立管顶部节流可增大管道和捕集器之间的差压 利于在立管内刚形成的小液塞流向捕集器 控制强烈段塞流的实例 带小分离器的控制方法 A 它必须作用于密度不同的两相流体 B 不能直接测量立管顶部两相流混合物的速度Umix 两相流流量测量很困难 需要复杂的传感器 段塞流计算 段塞流特征参数计算模型 液塞区特性参数 包括液塞含液率 平均液塞长度 最大液塞长度 液塞速度以及平移速度 液膜区特性参数 包括液膜含液率 液膜速度 气泡速度和平均气泡长度 段塞流特征参数计算模型 Brill模型 1981年 Dukler模型 1975年 Xiao模型 1990年 液塞含液率 平均液塞长度 最大液塞长度 段塞流捕集器 功能 有效分离和捕集液体 确保下游设备正常工作 在最大液塞到达时 可作为带压液体的临时储存器 能连续向下游供气 降低冲击能量因此在设计时 既要考虑气液分离 又要考虑对段塞的捕集 段塞流捕集器 捕集器结构 容器式 一般用于海洋平台上 结构与陆上油气分离器类同 只是有较大的缓冲容积 以满足气液瞬时流量的较大变化 并设有高高液位 高液位 低液位 低低液位 以警示操作人员 管式 或称指式 用于气液混输管道的陆上终端 管式捕集器由多根平行管子构成 平行的管子愈多 各管负荷分配愈不均匀 管子愈少 则在一定处理量下管子所需直径愈大 管子愈长 应根据场地和建造费用等因数综合考虑确定 管式捕集器分离段和储液段的坡度很小 1 30 管子很长 原油流动性差且有流动温度要求 故不宜用于天然气 原油多相流管道 捕集器设计原则 一般以1 1000概率的最长液塞的液体体积作为捕集器的设计处理量 湿天然气管道大都处于分层流工作 以设计输量下管道内平衡集液量作为捕集器设计处理量 捕集器的尺寸和结构设计不局限于上述两种型式 应以满足捕集器功能和现场条件 少投入获取最大经济效益为目标 考虑清管周期对捕集器容积的影响 多相流计量技术 计量精度等级划分 1 数据用于油田管理 精度要求 5 10 2 数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 精度要求 2 5 3 数据用于销售计量管理或管理权移动 精度要求 0 25 1 0 传统井口计量方法 示功图法软件量油技术该技术依据油井深井泵工作状态与油井液量变化关系 建立抽油杆 油管 泵功图的力学和数学模型 通过获取示功图数据 计量油井产液量 功图法 油井计量技术具有以下特点 通过实时测得多个功图计算的产量叠加获得油井全天产量 避免了双容积以数小时量油折算日产量带来的系统误差 能够实时采集处理数据 监控油井工况 自动化程度高 每个数据处理点可管理40口油井 计量分离器计量过程中首先用两相计量分离器将油井产出物分出液 气两相 然后用玻璃管量液 人工井口取样化验含水率 液面恢复法根据试井理论 油井关井后 液面上升率起初与关井时间成正比 然后越来越慢 根据连通器原理 在关井时间内 油套环形空间储存的流体可在相同时间内被抽油泵抽出 因此 用仪器间隔一定时间测出3个液面深度 由3个液面深度计算出液面恢复速度值 即可算出相应的产液量 一 概况 在过去的十年中 多相流计量系统的发展 评估和运用一直是世界油气工业的主要焦点 迄今为止 已经开发了很多供选择的计量系统 但是没有一个能够称得上是广泛应用或绝对精确 第一个商用多相流量计出现在大约十年前 是80年代初期多相计量研究项目出现的结果 曾经致力于和正在研究多相流计量的开发的研究中心和石油公司有 Tulsa SINTEF Imperial大学 国家工程实验室 CMR 英国石油公司 德士古公司 埃尔夫石油公司 壳牌石油公司 阿吉普石油公司和巴西石油公司 二 基本原理 测量流动参数流动参数是油气水流量的函数 因此可以测定通过流量计的压降 射线束的衰减和混合物的阻抗等参数 建立这些测量值与各相流量之间的关系 要建立三相流动需要三个独立的测量值 多相流量计计量的主要数据是流体中油 水 气三相的质量流量 目前的技术还不能直接测试流体中三相的质量流量 当前采用间接测量的方法即计量每种成分的瞬时速率和各自截面含率 M g g w w 1 o o 也常采用两种简化方式来降压上述测量的难度 两种方法是部分分离和均相化 部分分离是将三相流体分离成气液两相 以便更多的利用常规单相计量技术来计量分离相 均相化是将流体在计量前均相处理 则可以认为名相流速相等 整个横截面密度相等 这两种方法均降低了所需测量数据的个数和难度 多相流的计量主要计量其各组分含率和流速 没有方法能够理论上预测这种关系 因此 一定要通过校准来确定这些关系 但不可能在测量技术应用的所有情况下校准 而且这种方法并不总是有效的 校准方法通常可以通过神经网络技术来得到增强 这种技术可以高精度地确定函数关系 然而 这种技术虽然有用 但不能解决基本问题 也就是说校准只用于实施校准的情况下 测量相位速度和相位横截面分数为了测量管道中三种组分的体积流量 需要建立三个平均速度和三个相位截面 因此 需要测量五个量 三个速度和两个相位分数 当然 这个难以达到的测量要求可以通过分离或均相化来减少 通过相分离 就没有测量截面持率的需要了 而三个体积流量可以通过传统单相计量技术来测定 但是 相分离是很昂贵的 而且在很多情况下很难实现 如果通过使混合物均相化来均衡速度也可以把测量要求减少到三个 这是更经济的选择而且是一些商用流量计的核心 但是 能够达到均相化的范围总是有限的 因此 两种计量方法都有本质的缺陷 正是由于这个原因迄今为止还没有获得完全令人满意的计量方法 三 测量方法 多相流量的测量方法1 紧凑式分离方法 应用最广泛 可靠 体积大2 相分率和速度计量 使用条件受到限制3 通过测量总流量和相分率实现多相计量 各种商业化流量计的做法 价格昂贵 4 利用示踪物 用于校准以及湿气测量5 流型识别 硬件结合软件 价格便宜6 各相分别测量 复杂而且难以校准 主要参数的测量方法一 相分率的测量方法1 用快关阀技术测量空隙率使用快关阀技术的主要问题 一是关闭阀门需要一定时间 此时通道内的流型会发生变化 本方法从理论上说存在误差 二是每次测量都要切断系统 影响系统运行 2 射线衰减法 射线法是以双能级能源 射线衰减 DEGRA 为基本原型的 其原理在于 射线穿过多相流管道时有能量衰减 相分率不同 射线衰减程度也不同 并且对于不同能源e1 e2通过相同相分率的多相流体时其衰减程度也不相同 图7所示 射线穿过气 油 水三相混和流动时衰减情况 对内径是d 含油 气 水三相流动的管道 其测量的衰减计数Im e 可用下式表示 对于两个能级能源e1 e2 由于油 气 水三相线形衰减系数显著不同 得到两个独立等式 由于相分率之和为1得到第三个等式 由此可得出一个线形方程组 Rw Ro Rg是当管线中分别充满水 油 气三相时的计数值 Rm是管线中充满混和流体时的计数值 e1 e2分别为能源能级为e1 e2时的测量值 射线法的优缺点 射线法的优点十分显著 它能够处理任何油水比的情况并且是非介入式测量 缺点主要有两方面 由于放射源的随机性 测量时间和测量精度有一定的冲突 若想提高精确性就需要用较长的测量时间 克服此缺陷的途径是加大能源能级 但这是以降低安全操作为代价的 水中的含盐成分对测量也有很大的影响 由于盐水具有较高的衰减系数 水相中盐成分的变化会引起测量水相分率误差较大 为此Scheer和Letton提出采用三能级 多能级来解决这个问题 双能级能源可以确定三相流的相分率 使用三能级能源 TEGRA 可以多确定一个参数 如含盐量的变化等 单束射线的缺点是 测量值与流型关系较大 不能代表截面上平均密度 现在均采用双射线束或多射线束解决上述问题 镅 241 Am 241 被证明是较好的放射源 一般低能级能源范围是10 30Kev 高能级能源其能级应高于40 50Kev 3 用 侧散射技术测量局部空隙率应用 侧散射技术的主要问题 一是流体中某一确定点在很小的立体角范围内散射的光子的强度非常小 因而要得到较高的精度需要很长的计数时间 但在如此长的计数时间内 难以保持条件的完全稳定 二是要考虑被散射射线的自吸收 而这取决于对系统中空泡分布的了解 因而需要迭代计算局部空隙率的分布 引起计算误差 4 使用中子散射测量空隙率将需要测定空隙率的通道截面布置于快超热中子射束中 然后计数测定被散射和透射的中子流密度 如果入射强度比较均匀 则被散射的热中子流密度取决于横截面上含氢物质的数量 而与其分布无关 所以本方法适合于测量横截面平均空隙率 使用本技术的最大问题在于获得合适的中子 而且其造价极其昂贵 图2快中子测量相分率技术示意图 5 电容 电导 电感传感器电容 电导传感器由至少两个安装在管壁上的金属板电极组成 形成几列电容器 使流体从两块金属板或电极之间的空间流过 电感传感器通常是一个环绕在管道上的线圈 基于油气水不同的导电特性和电介质特性 认为混合物的电特性是物理性质已知的各相流体所占比例的函数 因此根据测量得到的电容 电导 电感值就可以计算出油气水各相的相分率 这种方法的缺点是受含盐率的影响 油 水 气的介电常数图 6 微波相分率传感器该传感器也是通过测量多相混合物的电介质特性来实现相分率的测定 传感器由电磁波发射器和接收器组成 频段位于MHz或者GHz 属于微波频率范围 混合物的介电常数是微波频率和混合物电导率的函数 测量得到的介电常数是各相介电常数的体积加权平均值 结合其它条件可以计算得到多相混合物各相分率 7 用非介入式自耦变压器测量空隙率AbdullahA Kendoush ZarehA Sarkis提出了利用自耦变压器测量两相流空隙率的新技术 这一技术基于两相流混合物变成一个磁场区 在该磁场区里 任何空隙率的变化都会引起两相流混合物磁导率的变化 该技术适合于非金属管线两相流的测量 自耦变压器测量空隙率原理图 二 局部流速的测量方法1 使用皮托管测量局部速度皮托管是测量单相流中流体速度的经典设备 将探头正对物流就可以测得与当地流体静压相应的动压 由此可计算出速度 皮托管广泛地应用于两相流研究 但整理记录得到动压数据比较困难 使用皮托管测量速度的主要问题是它只适用于流动均匀且两相流速几乎相等的情况 2 使用互相关技术测定局部速度如果在流动的上下游各布置一个传感器 就可以获得有一定时间延迟的两条类似曲线 这一时间延迟表示了脉动从一处迁移到另一处所需的时间 如果脉动随流体以流体速度迁移 就可以把脉动当作示踪物 其互相关函数为 对足够长的时间取平均 因而不随T而改变 在处达到最大 为渡越时间 于是流动速度U为 式中 上下游两个传感器间的距离 在多相流量计测速率时引入了许多种传感器技术 如微波式传感器 射线传感器及电容式传感器等 相关法测量的精确性取决于从相关函数顶峰值得出的速率与流体平均流速之间关系的有效性 对于油 气 水三相流体流动 测得的是某相的速率 若各相之间存在滑差就会出现测量误差 采用两种方法来降低由于滑差而引起的速率测量误差 第一种方法是在传感器上游安装混合器使流体均相化 以确保所有的相以相同的速率流动 另一种方法来降低由于滑差而带来的误差 此方法采用电容传感器来测量气相速率 采用两套传感器测量大气泡流速和液相流速 Watt使用双能源 射线传感器来确定气液相流速 使用高能级或低能的 射线确定气相流速 使用混和信号的相关式确定液相流速 四 多相流量计的性能评价 多相流量计的性能参数准确度 不确定度 复现性影响量 准确度的描述实际总的多相流量的相对误差作为不确定度 总流量中实际液体和气体的相对误差作为不确定度 液相中含水率的绝对误差作为不确定度 研究者在进行多相流量计的现场测试时一般使用以下误差定义 这里i是多相流体中某一相 Q是体积流量 一般用传统的测试分离器及其仪表的测量结果作为参考值 多相流计量系统中数据流动和误差传播示意图 五 多相流量计的分类 分离式多相流量计 分离总流和取样分离均相化处理多相流量计非均相化处理多相流量计均相化多相流测量系统和非均相化多相流测量系统在计量前都不需对流体进行分离 直接在线测量 分离式多相流量计 均相化处理多相流量计均相化多相流量计由静态混合器 文丘里流量计 测量总流量 射线分析仪 测量含水率 组成 这种多相流量计的主要困难是难于得到均质混合物 特别是含气率大于30 以上时 气液的分布将是不均匀的 对于混合器的混合效率以及由此可能引起的阻塞作用 非均相化处理多相流量计 六 国外主要多相流量计产品 Daniel公司的MEGRA多相流量计采用由SHELL石油公司开发的可以测量均相流中油气水含率的DualGamaRay技术与内置文丘里头锥体流速测量技术 测量精度为 7 在线测量参数包括 混合物总流量 各相流量 累计流量 含水率 含气率 混合物粘度 工艺压力 温度 Agar在线多相流量计包括一个涡轮流量计和两个文丘里管 二次仪表根据三个传感器的输出计算得到气体和液体的体积流量 含水率微波监测仪来测量 不能用于高含气井流的测量 RoxorRFM与Fluenta1900VI流量计 利用几种不同传感器的组合测量流速 使用Cs 137伽马密度计测量总密度 结合电容和电感传感器确定相分率 还增加了一个文丘利管来测量单相液体或者气体 以此扩大流量计的适用范围 主要在海上油田安装 Framo在线多相流量计该流量计使气液混合均匀 混合器由一个大的增压室和一个笛装管组成 在混合器下游安装了一个文丘里管和一个Ba 133双能伽马传感器 分别测量总流量和相分率 该流量计适合于海上油田的三相计量 ESMER多相流量计ESMER技术的核心是基于使用简单传感器的智能化软件系统 其基本原理为 任意的多相流动存在唯一的流态 唯一的流态可以用一组湍流随机特征进行量化和表征 随机特征可以从对流态敏感的传感器信号中提取 随机特征与多相流存在一一对应的关系 Solartron公司的DualStream凝析天然气流量计该流量计采用混合器和双文丘里管的方法测量凝析天然气总流量 并对气液流量进行温度 压力补偿 置信概率为90 时 测量精度为 5 McCrometer的V CONE流量计 该流量计节流件的结构特殊 目前报道的测量指标中该流量计是最高的 对气液相的测量精度均可达到4 以下 单相计量精度更高 可以达到0 2 适用于单相 两相 三相流计量 未查到有关该产品应用的报道 PECO公司的凝析天然气流量计该流量计采用加长文丘里管测量气液两相流量技术 通过测量文丘里管入口与喉部差压 加长段的压降 进行运算得到气相质量含率 进一步得到两相流量 国外多相流量计普遍存在以下问题 计量范围窄 计量精度受油气比的影响较大 有些采用了微波 伽马射线等测试手段 其价格昂贵 难以大规模推广使用 有些要求特殊安装 现场应用不便或流程复杂 现场应用可靠性能差 常用商业软件分析 OLGA 模型概述最早的瞬态多相流软件是在挪威开发的OLGA 它的最早版本完成于1984年 起初以低压空气 水流动的小管径实验数据为基础 SINTEF两相流实验室的数据表明 模型能较好的模拟气泡流和段塞流 而不能准确模拟分层流和环状流 在垂直环状流中 预测的压降比实际压降高出50 经研究发现 这是由于早期模型忽略了以气速运动的液滴 后几经修改 形成扩展的双流体模型 现在是1991年版 它以双流体模型为基础 能综合计算两相流参数 同时可以判断流型 然后由流型计算出各参数值 求解三个质量守恒方程 分别是关于气相 液滴和液膜的 两个动量方程 一个是关于气体和液滴混合物的 一个是关于液膜的 和一个混合物能量方程 模型基本方程采用欧拉法 但在欧拉格式中又同时采用了拉格朗日的前缘跟踪格式 用相平衡计算确定相变量 由物性模块完成 物性模块是以Peng Robinson状态方程为基础的多组分模型 假定混合物的组成不随时间变化 因为管线长 压降大 所以考虑了Joul Thomson效应的影响