GLCC多相流量计系统在海洋工程中的应用

0 引言

在海上平台多井油气生产处理设施中，均设置一个测试分离器，以定期测定每个油气井的油、气、水的含量，以便合理进行配产。我们一般称完成油、气、水三相流量测量的系统为多相流量计系统。

本文介绍的GLCC（Gas-LiquidCylindricalCyclone柱状旋流式气—液分离器）多相流量计系统是基于GLCC原理设计的。其在海洋平台的应用中有着体积小、重量轻、计量效果好及安全性高等优势，特别是对于气液比波动大的特殊工况有着其他多相流量计无可比拟的优势，是适合在海洋工程中推广使用的计量设备。

1 多相流量计的发展

海洋平台上应用的多相流量计，最早是利用卧式三相分离器进行油、气、水的三相分离，再分别对每相流量进行测量。后来将三相分离器改进为立式气液两相分离器，分别测量气液两相流量，再通过含水分析仪计算出油、水的产量。由于都使用了传统分离器，这些多相流量计设备往往体积大，重量大，投资高，系统控制复杂。

还有一种多相流量计是在井液不分离的情况下，通过对一些流体参数的测量给出三相流的油、水、气流量。其基本原理是通过确定每一种组分的瞬时速度和截面占有率来确定每一组分的量。此种流量计虽然有体积小，重量轻，投资少的优点，但测量相分率需要用到放射源，增加了危险性，其组合测量方法也影响了系统计量的不确定度，最主要的是由于测量中没有实现气液分离，高含气率会对计量的结果产生很大影响。

GLCC多相流量计系统基于GLCC柱状旋流式气—液分离器原理，完全克服了传统分离器体积、重量大的缺点，同时又具有较大的气液比跨度、测量精度高、无放射源等优点，非常适合海洋平台的应用环境。其在NP1-29项目应用中取得很好的效果。

2 NP1-29项目GLCC多相流量计系统介绍

2.1 系统测量原理

GLCC多相流量计系统通过分离器对上游的两相流进行气液分离，然后采用单相流仪表对气、液分别进行计量，并通过含水分析仪计算出油、水的产量及累积量，从而达到单井监测的功能。其测量原理如图1所示。

图1 GLCC多相流量计系统测量原理示意

2.2 GLCC分离器工作原理

GLCC分离器工作原理如图2所示，分离器由倾角向下的管道沿特定角度的切线方向与铅垂管道相连，多相流经入口段预分离后进入主分离器。在主分离器中，由于离心力、重力和浮力的作用形成一个倒圆锥型的涡流面。密度大的液相沿铅垂管道的管壁流到分离器底部，密度小的气相沿涡旋的中央上升至涡面并流至分离器顶部，最终气相和液相分别从分离器的顶部和底部排出。并通过控制阀调整液位和压力，实现两相充分分离。

图2 GLCC分离器工作原理示意

2.3 多相流量计系统的组成

该系统装置由三大部分组成：GLCC气液两相分离器系统、控制系统和计量系统。具体设备如表1所示。

表1 NPL29A项目多相流量计系统组成

2.4 工艺流程说明

多相流量计系统工艺流程如图3所示。油气水多相流经多路选择阀切换，由多相流量计入口进入GLCC高效分离器，通过旋流将气、液两相完全分离；GCV（GasControlValve气相控制阀）和LCV（LiquidControlValve液相控制阀）通过“优化控制”方法控制GLCC内液位，使其保持恒定。分离后的气液两相通过气相和液相流量计分别计量，根据质量流量计的密度输出数据，通过计算可以得到液相中的含水率，从而计算出油气水三相流量。

图3 NP1-29项目多相流理计系统流程

2.5 GLCC控制描述

在一般情况下，系统的控制由“优化控制”实现。默赛公司（MSI）针对GLCC专门开发了一种优化控制方法，在实现高效控制的基础上，能够尽量减少控制阀压力的波动频率，从而提高调节阀的使用寿命。但为了防止压力可能偶尔超出设定范围，我们增加了压力控制模块，如图4所示。

图4 GLCC压力控制框

当压力处于正常范围时，为优化控制模式；当压力超出正常范围时，气路上的控制阀将切换到整体控制模式，即当压力超出正常范围时，气路控制阀将不再以液位控制为优先，而是以压力控制为优先。这样压力将迅速稳定至正常水平。

2.6 系统技术规格

（1）NP1-29项目GLCC多相流量计系统处理能力如表2所示。

表2 NP1-29项目GLCC多相流量计处理能力

（2）NP1-29项目GLCC多相流量计系统操作工况如表3所示。

表3 NP1-29项目GLCC多相流量计操作工况

（3）系统计量不确定度：总气体流量（标况）<5%；总液体流量<5%；含水率<0.2%。

2.7 系统特点

（1）体积小，计量实时在线。
（2）无放射源元件。
（3）应用范围宽，对于气液比跨度较大的工况，具有其他多相流量计不可比拟的优势。
（4）计量准确度高。
（5）全自动无人值守。
（6）不需参照下游产量调整参数。

3 应用分析

在NP1-29项目中，GLCC多相流量计系统使用GLCC高效两相分离器代替传统三相分离器。GLCC分离器相比传统分离器大大缩小了分离器的体积和重量，进而缩小了多相流量计的体积和重量，节省了平台的空间，同时也简化了仪表控制回路。而且因气液在GLCC中分离时间短，减少了井液的停留时间，从而缩短了测试时间，提高了测试的效率。这对简化平台中控系统、提高平台运行效率和稳定性有很大帮助。

近年来，海洋平台事故较多，其主要原因是海洋环境恶劣和多变，这就要求平台上的设备安全系数尽可能高，稳定性好。由于GLCC多相流量计使用容器分离测量技术，没有放射源的使用，这不仅降低了施工难度，也大大提高了施工和生产安全性。

在海洋工程中，油田开发设计相对于陆地上有一定难度，很有可能出现设计参数与实际值相差很大的情况。GLCC多相流量计系统通过优化控制较好地控制了GLCC分离器中的液位，减少了气液波动对计量的干扰，不仅提高了测量精度，同时增强了对气液比跨度较大工况的适应能力。这有效地缩小了NP1-29项目设计值与实际值的差距，避免了计量设备二次改造，创造了很高的经济效益。

GLCC多相流量计系统自动化程度很高，能很好地并入平台控制系统中。其在NP1-29平台的成功应用为今后的平台设计提供了参考。

4 结束语

GLCC多相流量计系统是一种体积小、计量准、安全性高、适应性强的新型计量设备。通过GLCC多相流量计系统在NP1-29项目中的成功应用，证明了其在海洋平台领域的适用性，随着海洋石油工程的发展，GLCC多相流量计系统必将得到更多的应用和发展。(end)