Газ-сұйық қоспалары: құрамы, қасиеттері және өлшеу ерекшеліктері

Кіріспе

Ылғал газ – құрамында аздаған сұйық бар кез келген газ. "Ылғал газ" термині сұйық бумен қаныққан газdan бастап, 90% көлемі газ болатын көп фазалы ағысқа дейінгі жағдайларды сипаттау үшін қолданылады. Оның нақты анықтамасы туралы пікірталас болды және қазіргі уақытта әмбебап түрде қабылданған, толыққанды сандық анықтамасы жоқ. Ылғал газ ағысты өлшеу саласындағы маңызды түсінік, себебі құрамындағы заттардың әртүрлі тығыздығы елеулі қиындықтар тудырады. Мұнай және газ өнеркәсібінде табиғи газ өндірісі ылғал газ ағысының типикалық мысалы болып табылады. Табиғи газ – көмірсутек қосылыстарының, түрлі бейкөмірсутектермен қоспасы. Ол газ немесе сұйық күйде, немесе кеуекті тау жыныстарындағы шикі мұнаймен ерітінді түрінде кездеседі. Қазылып алынған ылғал газдың сұйық фазасындағы көмірсутектердің саны, резервуардың температурасы мен қысымына байланысты, ал газ бен сұйық алынған сайын олар өзгеріп отырады. Сұйық пен газдың құрамындағы өзгерістер, сондай-ақ ылғал газ жоғары температура мен қысымдағы резервуардан төмен температура мен қысымға ие жер бетіне тасымалдалған кезде де орын алады. Бұл ылғал газдың болуы мен өзгеруі газ фазасының ағынын дәл өлшеуде проблемалар мен қателіктерге әкелуі мүмкін. Жеке ұңғымалардан өндірісті сандық анықтау және шығындарды азайтуға көмектесетін жабдықтар мен ресурстарды тиімді пайдалану үшін осы ылғал газ ағынын дәл өлшеу маңызды.

Ылғалды газ ағыны үлгілері

Ағызатын құбырдағы газдар мен сұйықтықтардың мінез-құлқы газ қысымына, газ жылдамдығына және сұйықтық мөлшеріне, сондай-ақ құбырдың бағытына (көлденең, көлбеу немесе тік) байланысты әртүрлі ағыс сипаттамаларын көрсетеді. Сұйықтық ұсақ тамшылар түрінде болуы мүмкін немесе құбыр толығымен сұйықтықпен толтырылуы мүмкін. Газ бен сұйықтық өзара әрекеттесуінің күрделілігіне қарамастан, осы мінез-құлықты жіктеуге әрекеттер жасалған. Газ бен сұйықтық өзара әрекеттесулері әдетте ағыс режимдері немесе ағыс үлгілері деп аталады. Дөңгелек тұман ағыны жоғары газ жылдамдықтарында пайда болады. Құбырдың шеңбері бойында сұйықтықтың жұқа қабаты қалыптасады. Әдетте, сұйықтың көп бөлігі газ ядросында тамшылар түрінде таралады. Ауырлық күші салдарынан құбырдың төменгі жағында жоғарғы жағына қарағанда қалың сұйық қабаты болады. Қабатталған (тегіс) ағын гравитациялық бөліну толыққанда пайда болады. Сұйықтық құбырдың төменгі жағымен, ал газ жоғарғы жағымен ағып өтеді. Бұл режимде сұйықтық жиналуы жоғары болуы мүмкін, бірақ газ жылдамдықтары төмен болады. Қабатталған толқын ағыны қабатталған тегіс ағынына ұқсас, бірақ газ жылдамдығы жоғары. Газдың жоғары жылдамдығы сұйықтық бетінде толқындар тудырады. Бұл толқындар толқындардың шыңдарында сұйық тамшыларын жұлып алып, газға араластыруға жеткілікті үлкен болуы мүмкін. Бұл тамшылар құбыр бойымен төмен қарай таралады. Шлюз ағынында сұйықтың ірі көбікті толқындары құбырды толығымен толтыра алатын шлюз құрайды. Бұл шлюздер құбырдың төменгі жағындағы қалың сұйық қабат үстінде пайда болатын толқын түрінде де болуы мүмкін. Созылған көпіршік ағыны көбінесе сұйық ағысынан тұрады, созылған көпіршіктер құбырдың жоғарғы жағына жақын орналасқан. Шашыраңқы ағын құбырдың толығымен сұйықтықпен және аз мөлшерде газбен толтырылғанын білдіреді. Газ кішкентай көпіршіктер түрінде болады. Бұл газ көпіршіктері ауырлық күші сұйықтықты құбырдың төменгі жағында ұстап тұрғандықтан, құбырдың жоғарғы бөлігінде жиналынады.

The behavior of the gases and liquid in a flowing pipe will exhibit various flow characteristics depending on the gas pressure, gas velocity and liquid content, as well as orientation of the piping (horizontal, sloping or vertical). The liquid may be in the form of tiny droplets or the pipe may be filled completely with liquid. Despite the complexity of gas and liquid interaction, attempts have been made to categorize this behavior. These gas and liquid interactions are commonly referred to as flow regimes or flow patterns. Annular mist flow occurs at high gas velocities. A thin film of liquid is present around the annulus of the pipe. Typically most of the liquid is entrained in the form of droplets in the gas core. As a result of gravity, there is usually a thicker film of liquid on the bottom of the pipe as opposed to the top of the pipe. Stratified (smooth) flow exists when the gravitational separation is complete. The liquid flows along the bottom of the pipe as gas flows over the top. Liquid holdup in this regime can be large but the gas velocities are low. Stratified wave flow is similar to stratified smooth flow, but with a higher gas velocity. The higher gas velocity produces waves on the liquid surface. These waves may become large enough to break off liquid droplet at the peaks of the waves and become entrained in the gas. These droplets are distributed further down the pipe. Slug flow is where large frothy waves of liquid form a slug that can fill the pipe completely. These slugs may also be in the form of a surge wave that exists upon a thick film of liquid on the bottom of the pipe. Elongated bubble flow consists of a mostly liquid flow with elongated bubbles present closer to the top of the pipe. Dispersed flow assume a pipe is completely filled with liquid with a small amount of entrained gas. The gas is in the form of smaller bubbles. These bubbles of gas have a tendency to reside in the top region of the pipe as gravity holds the liquid in the bottom of the pipe.

Ылғалды газды өлшеу

Кейбір жағдайларда тек газдың негізгі компонентінің ағыны қажет болуы мүмкін, мұндай жағдайда бір фазалы өлшеу қолданылуы мүмкін. Осыдан кейін өлшеуді сұйықтың өлшегішке тигізетін әсерін толықсыздау үшін реттеуге болады. Сұйық фазаны өлшеуге қолданылатын әдістердің кейбіреулері: Сұйықтықты газдан физикалық бөлу арқылы фазалық ағындарды анықтайтын сынақ сепараторы, содан кейін әрбір фаза жеке өлшенеді. Бұл әдіс барлық фазалар туралы ақпаратты ұсынады, одан кейін оны өлшегішке қажетті түзетуді есептеу және өлшегіш арқылы газ ағынын тексеру үшін пайдалануға болады. Сынақ сепараторындағы қысым мен температура ылғал газ ағыны өлшегішіндегідей болуы керек, немесе газ және сұйық ағындары өлшегіштегі жағдайларға сәйкес түзетілуі керек, себебі фазалар өлшенгеннен өзгеше болуы мүмкін. Үлгі алу – құрамындағы компоненттерді анықтау үшін құбырдан ылғал газдың үлгісі алынып, талданады. Газ және сұйық фазалардың өкілдік ететін үлгісі алынуы және үлгі алу кезінде фазалар арасында масса алмасуы болмауы маңызды. Трассерлік әдіс ылғал газ ағынына трассерлік бояуды енгізуді және бояутың сұйылуын өлшеу үшін белгілі бір қашықтықтағы ағыннан үлгі алуды қамтиды. Сұйық фазадағы бояудың сұйылуы сұйық ағынын есептеу үшін қолданылады. Бұл әдісті қолдану қиын болуы мүмкін, себебі бұл сынақты жүргізу үшін қажетті дұрыс нүктелерге қол жеткізу қиын. Микротолқынды технология сұйық және газ фазаларындағы судың жалпы мөлшерін анықтау үшін көмірсутектерге қарағанда судың жоғары диэлектрлік тұрақтылығын пайдаланады. Ол тек су компонентін анықтап өлшейтіндіктен, сұйық көмірсутек компонентін басқа әдіспен өлшеу қажет. Ағынды өлшеу үшін Вентури түтігін пайдаланатын түрлі қысым өлшегіштердегі жалпы қысымның төмендеуі ағындағы қысымның төмендеуіне әкеледі, ол өлшегіштен кейін жартылай қалпына келтіріледі. Құрғақ газ ағынында қалпына келтіру, сұйық компоненттің әсерінен ылғал газ ағынына қарағанда жоғары болады. Бұл айырмашылықты сұйық фракцияны өлшеу үшін пайдалануға болады. Бұл Вентуриден кейінгі ағыстағы екінші қысымды қосуды қамтиды, бұл қысымның жартылай қалпына келтірілген төмендеуін өлшеу үшін. Бұл әдіске жүйелік қысым мен газ жылдамдығының өзгеруі әсер етуі мүмкін. Сұйық фазаның өлшеу сигналына әсер ететін жағдайларда, мысалы DP ағын өлшегіштің қысым тербелістері немесе ультрадыбыстық ағын өлшегіштің дыбыс жылдамдығының өзгеруі, күрделі сигнал өңдеу қолданылады. Бұл сигналдарды күрделі талдау және модельдеу сұйық пен газ ағынын анықтауға мүмкіндік береді. Коммерциялық түрде қолжетімді бірнеше ылғал газ ағыны өлшегіштері бар. Көптеген өлшегіштер газ фазасы үшін дифференциалдық қысымды және сұйық фазасы үшін сұйықты анықтау немесе ылғал газ тығыздығын өлшеу әдісін қолданады, әдетте жоғарыда аталған әдістердің біреуін пайдаланады.

There may be situations in which only the flow rate of the single key gas component is required, in this case single phase metering may be employed. The measurement can then be adjusted to compensate for the effect of the liquid on the meter. Some of the techniques available for measuring the liquid phase include:

A Test separator which determines the phase flow rates by physical separation of the liquid from the gas, with each phase then metered separately. This method provides information on all phases which can then be used to calculate the correction required for a meter and to check the gas flow through the meter. The pressure and temperature at the test separator should be the same as at the wet gas flow meter or the gas and liquid flow rates must be corrected for the conditions at the meter as phases could be different from those measured. Sampling is where a sample of the wet gas is removed from the pipe line for analysis to determine the constituent components. It is important that a sample is collected that is representative of both the gas and liquid phase fractions and that there is no mass transfer between the phases during sampling. Tracer method involves injecting a tracer dye into the wet gas flow and then sampling at a specific distance down stream to measure the dilution of the dye. The dilution of the dye in the liquid phase is used to calculate the liquid flow rate. This technique can be rather difficult to apply as it can be difficult gaining access to the correct points needed to conduct this test. Microwave technology utilises the higher permittivity of water than hydrocarbons to detect the overall water fraction in the liquid and gas phases. As it only detects and measures the water component, the liquid hydrocarbon component must be measured by another method. Overall pressure loss across different pressure meters using a Venturi tube to measure flow causes a pressure drop in the flow which is partly recovered downstream of the meter. In dry gas flows the recovery is greater than in wet gas flows due to the liquid component. This difference can be exploited to provide a measurement for the liquid fraction. This involves adding a second pressure tapping downstream of the Venturi to provide a measure of the partly recovered pressure drop. This method can be affected by changes in the system pressure and gas velocity. Advanced signal processing is used where a liquid phase has an effect on the measurement signal such as pressure fluctuations in a DP flow meter or shift in the speed of sound in ultrasonic flow meter. Complex analysis and modelling of these signals can determine the liquid and gas flows. There are a number of commercially available wet gas flow meters. Most of the meters use differential pressure for the gas phase and a form of liquid detection or wet gas density measurement for the liquid phase normally utilising one of the techniques listed above.