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1、气液两相流量测量浅析时间：2009-07-22 13:29:20 来源：控制工程网 作者：摘要：本文简介了多相流与单相流的差异，它将随着工况与环境的变化，呈现多种的流态，而不同的流态将采用不同的数学模型进行描述。流态是影响多相流量各项技术指标的关键因素，在某一分相流率应用较好的流量计未必可成功应用于其他情况。近几十年来，随着工业现代化的加速，在不少领域中出现了气液两相流，如热电、核电的气化单元；天然气、石油的开采、输送；低沸点液体的输送.，对它的研究已引起了国内外广泛的关注，由于两相流的复杂性、随机性，要认识这些现象进行预测，首先要解决检测问题，流量是最基本的参数，首当其冲，迫切有待解决。在我
2、国的能源结构中，富气少油，天然气资源较为丰富（如新疆、内蒙、四川、近海），开采中多采用陈旧的工艺，即先用笨重的分离器，将气、液分离后，再分别进行气、液流量计量。分离器不仅昂贵，而且耗费大量耗能的钢材、体积也十分庞大，如海上开采平台，作业区狭窄，难以选用，迫切需要开发、推出气液二相流量计。一、两相流的特征及主要参数相的定义为在某一系统中，具有相同成分；物理、化学性的均匀物质成分；不同的相具有明显的界面。在自然界的物质一般分为固相、气相与液相三种，本文主要讨论同时存在气相与液相物质的流动，由于多相中存在各相的界面效应及相对速度，相界面在时间及空间上都是随机可变的，所以，其流动特性较单相流复杂得多，
3、特征参数也较单相流多一些，简要介绍如下： 流型：亦称流态，即流动的形式或 结构，各相界面之间存在随机可变的相界面，使两相流呈现为多种复杂的形式，流型不仅影响两相流的压力损失、传热效果，也影响流量测量。对气、液两相流来说，管道处于不同的位置（水平、垂直）也影响其流态形式，较为典型的如图 1 所示。图 1 气液两相流的各种典型流态 分相含率：表述两相流中的分相浓度，说明分相流体占总量中的比例通常表述为：质量流量含率 c，为分相质量流量（气体为 qmg、液体为 qme）与总质流量 qm 之比，如气液两相 cqmg / qmqmg / qmg+qme容积流量含率 b，说明分相容积流量（气体为 qvg，
4、液体为 qve）与总容积流量 qv之比，如气液两相 bqvg / qvqvg / qvg+qve 截面含率 ac，说明分相流量在某一截面 A 上所占的比例，气相为 Ag、液相为 Ae，如气油两相 acVg / VVg / Vg+Ve 容积含率 a，说明分相流体在某一管道长度段容积 V 所占的容积，气相为 Vg、液相为 Ve，如气液两相 aVg / VVg / Vg+Ve 混合流密度流动密度 o，单位时间内，流过某一截面的两相混合物总质量 qm 与总积 qv 之比，如气相密度为 g，液相密度为 e，则气液相流的流动密度。o g b+pe (1-b)真实密度 m，在管道中取一微元体 DV，在某一时
5、间，二相介质的总质量 DM 与总体积 DV 之比，对气液两相流，真实密度 mq a + e (1-a)$BK-198.jpg 流速：二相流中各单相在管道中的流速并不一定相等，常有差异，所以除了描述混合体的平均流速 Vm 外，还应说明分相流速在气、液两相流中，气相流速为 Vg，液相流速为 Ve，它们之间的关系为 VmA=VgAg+VeAe在工程中常以分相流量除以管道截面 A 来表示分相流速，即：Vgqvg / A，Ve qve / A分相流体的速度差为相对速度，气液两相流的相对流速为 VgeVge Vg - Ve 分相流体速度之比为速度滑移比 S，气液两相流速滑移比为：S Vg / Ve 两相流
6、模型：两相流的流态极为复杂，建立一些典型的模型是研究各种测量方法的基础，常用的有以下几种：均相流：气、液两相为均匀的混合物，相间不存在相对速度，S=1，如雾状流分相流：两相为完全分离的两种流体，相间存在不同流速，S1，如分层流漂移通量：基本上是分相流，研究的重点是相间的相对运动，适用于弹性流，环形流流型公式，为便于工程应用，对各种流型建立一些半经验公式为了便于研究，以上虽列出了一些气、液二相流的基本流型，并描述了主要参数，而实际情况还要复杂得多。经常在同一管段中的不同管段，由于下述原因，如流量的大小；流体物理性质（温度、压力、密度、粘度、表面张力)；管道的位置（水平、垂直、倾斜），管道截面或几
7、何形状的变化都可能改变流型，所以即使某种流量仪表成功地解决了某一流率的两相流量测量，而因上述原因引起了流态的变化，仍可能引入较大的测量误差。 二、常用测量方法如图 2：图 2 常用的测量方法 完全分离这种方法已用了几十年，即将气液二相流通过分离器，完全分离为气、液两相后，再分别用单相流量仪表分别进行计量。分离器体积庞大、笨重，价格昂贵（据称一般需 65万美元左右一个）耗费大量耗能钢材，且无法进行在线测量，难以予测气井的生产规律，极大制约了科学地进行开采和管理，而海上开采天然气，因作业平台狭窄，也很难采用这种方法。由于几十年以来没有成功的气液两相流量计可供选用，采用完全分离方法应属无奈之举。 部
8、分分离又分为简单分离与分流分离二种：简单分离是采用小型、轻巧的分离器，先将气液两相流进行分离，由于小巧，则分离效果较差，不能达到完全分离的效果，分离出来的气相还含少量的液相，多呈环雾状，分离出来的液相还含有少量的气相，多为泡状流。由于两相流的流态是影响流量测量准确度的重要因素，这样多予处理将有助于提高测量的准确度及可靠性。这点有点类似于单相流量测量的流动调整器，先改善流场，再进行测量。可以提供简单分离器的供应商有Agar、 Aker Kvaemer、Accuflow、Haimo 等；可提供简单分离二相流量计的供应商有Agar、西安开尔、宁波威瑞泰等，简单分离器的成本较低，但也需要约 25 万美
9、元一台，体积约为传统完全分离器的 1/4,仍较为庞大。分流分离法是取出管道中 5-20%的两相流，用一个小型分离器分成气、液两相流后，再用单相流量计分别进行测量，将测量结果按分流的比例换算为主管道中的气、液二相流量。这种方法貌似较完全分离法节约，减少了分离器的体积重量、降低了成本，较易实施。但弊往之隐藏在利之中，取出的这部分流体、气液比率是否与主管道一致；流态是否会发生变化；按分流比例换算能否得到必需的准确度，都是难以确定的。单相大口径流量的测量也采用过类似的方法，从大口径管道中取出部分流量用小口径流量测量，再按比例推算，由于难以获得必要的准确度，并未推广应用。看来，采取部分分离方法也并不太理
10、想，仅仅是在未得到理想两相流量计之前的不得已而为之的权宜之计。彻底解决还是要采取非分离法，直接采用两相流量计。 直接测量无需分离，直接用气液两相流量计测出气、液流量，不仅具有体积小、成本低、安装方便等优点，还可以实时在线测量，采用 RS232/485 通讯，GPRS 无线通讯进行远程测控，对气田资源的预测，科学地管理提供了可能。主要有以下几种：差压式是两相流量计研究最为广泛，工作较为可靠、稳定的一种方法，它以分相或均相模型为基础建立了流量与差压的关系，具体有以下三类：其一是经典节流仪表如孔板、文丘里为测量仪表，是迄今为止参予研究最多、最成熟的一种方法，产品已经走出试验室，进入了实用的阶段; 其
11、二是当两相流体流过等截面直管段，根据摩擦、加速度、重力的变化所产生的差压来建立模型; 其三是当两相流流经弯头，v 形管等管件，由于动量矩、离心力所产生的动压来测量气、液分相流量、以上这些方法，国内外厂家以应用文丘里管较为成熟，如表 1。速度式通过测量两相流的流速来测量气、液两分相流量、广泛采用了新技术，如：力学法利用流体的动压、动力矩、离心力测流速相关法通过两点的相关函数测流速光学法采用激光多普勒效应或光纤技术测流速热学法采用热线风速仪测流速电磁法利用电磁感应测流速核磁共振法通过核磁共振原理测流速容积式通过气、液相的流体基本特性的差异达到测量分相的流量。如气相体积流量与流动状态下的压力密切有关
12、;而液相的体积流量与流动状态下的压力基本无关。根据总体积流量、压力、温度三个参数与被测介质的热力性质可推算各分相的体积流量。质量式流体在流动中如果温度、压力频繁变化，将导致密度的变化，使其容积流量不能反映质量流量的大小（气体尤为突出），而贸易的结算、管理的核算主要的依据应是质量流量，所以两相流量更希望得到的是分相的质量流量。目前科里奥利质量流量计在两相流量测量中日益引人注目。三、气、液二相流量计简介 2002 年由英国 Solartron 推出了二种气、液两相流量计 Dualstrem MK， MK，MK型当液相含量较高时，虚高误差过大，要求定期用示法测量液体的含量，以提高准确度，由于这种方法
13、不能在线实时测量，难以满足气田的科学开采及管理，又推出了 MK型，它采用了混合器与两个文丘里管组成，对经典文丘里进行了改进，入口角减小至 21 ,加长了喉部长度，扩张角订为 15， MK型附加了混合器，其作用是令气、液二相的速度滑移比 s 接近于 1,在截面上分布尽量均匀，流态近于均相流以提高准确度。从二个文丘里管（或一台文丘里加一台节流装置）得到的差压信号，按均相流的数学模型处理，得到气相含率 qmg，再按总质量流量 qm，分别求出气、液两相流量，由于计算是基于Murdock 数学模型，比较简单，难以涵盖复杂的各种现场，流量准确度较低，气相可达5%;液相仅10%。图 3 U 形管二相流量计原
14、理图。 倒 U 形管（图 3）研究表明，流动密度与体积含气率测量误差间存在较好的线性关系，在气相为连续相而液相为离散相的流态下，气相流速及实验流态对这种线性关系影响很小，体积含气率的测量误差与流动密度呈单值线性关系。当上述这种气、液两相流经图 3 所示的倒 U 形管时，如管道截面为直管，流动稳定，从力学上讲，流体的压降可由加速压降、摩阻压降、重力位压降三部分组成。在稳定流动状态下，加速压降可忽略不计，摩阻压降在 U 形管上升与下降大小相等，方向相反，可以抵消，剩下的仅有重力位压降，简化了计算公式，再通过对流动密度的修正，据称可获得1%的体积含气率的测量精确度。 T 型气液两相流量计（图 4）主
15、要用于天然气的开采，不用分离器，直接分别测量天然气流量及其中所含液体（水、油）流量。图 4 T 型气液两相流量计它的一次表采用了一台优化结构的内锥流量计、一台文丘里管及二台差压变送器、一台压力变送器、一台温度变送器。二次表暂时采用 ARM 流量计算机，具有功耗低、稳定性好、外围功能齐全、大屏幕液晶显示屏、良好的人机界面等优点，可在线显示输出压力、温度、气相、液相流量、掉电时间，实时测量。具有模拟输出、RS232/485 通讯、GPRS 无线通讯等功能。该产品在国内试运行一年之久，现场应用表明，仪表工作稳定可靠，主要技术指标接近甚至超出国外产品，打破了国外产品在这一领域的垄断地位。小结 本文第一节简介了多相流与单相流的差异，它将随着工况与环境的变化，呈现多种的流态，而不同的流态将采用不同的数学模型进行描述。流态是影响多相流量各项技术指标的关键因素，在某一分相流率应用较好的流量计未必可成功应用于其他情况。 虽然我国研制的气、液两相流量在现场应用中取得了初步阶段性的成果，但现场应用中将而临许多在试验室中不可预料的难题，还需要一段时间逐一解决，全面推广应用尚待时日。
