氣液兩相流量測(cè)量淺析

摘要：本文簡(jiǎn)介了多相流與單相流的差異，它將隨著工況與環(huán)境的變化，呈現(xiàn)多種的流態(tài)，而不同的流態(tài)將采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。流態(tài)是影響多相流量各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，在某一分相流率應(yīng)用較好的流量計(jì)未必可成功應(yīng)用于其他情況。

　　近幾十年來，隨著工業(yè)現(xiàn)代化的加速，在不少領(lǐng)域中出現(xiàn)了氣液兩相流，如熱電、核電的氣化單元；天然氣、石油的開采、輸送；低沸點(diǎn)液體的輸送......，對(duì)它的研究已引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，由于兩相流的復(fù)雜性、隨機(jī)性，要認(rèn)識(shí)這些現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)，首先要解決檢測(cè)問題，流量是最基本的參數(shù)，首當(dāng)其沖，迫切有待解決。
　　在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中，富氣少油，天然氣資源較為豐富（如新疆、內(nèi)蒙、四川、近海），開采中多采用陳舊的工藝，即先用笨重的分離器，將氣、液分離后，再分別進(jìn)行氣、液流量計(jì)量。分離器不僅昂貴，而且耗費(fèi)大量耗能的鋼材、體積也十分龐大，如海上開采平臺(tái)，作業(yè)區(qū)狹窄，難以選用，迫切需要開發(fā)、推出氣液二相流量計(jì)。

　　一、兩相流的特征及主要參數(shù)
　　相的定義為在某一系統(tǒng)中，具有相同成分；物理、化學(xué)性的均勻物質(zhì)成分；不同的相具有明顯的界面。在自然界的物質(zhì)一般分為固相、氣相與液相三種，本文主要討論同時(shí)存在氣相與液相物質(zhì)的流動(dòng)，由于多相中存在各相的界面效應(yīng)及相對(duì)速度，相界面在時(shí)間及空間上都是隨機(jī)可變的，所以，其流動(dòng)特性較單相流復(fù)雜得多，特征參數(shù)也較單相流多一些，簡(jiǎn)要介紹如下：
　　■ 流型：亦稱流態(tài)，即流動(dòng)的形式或
結(jié)構(gòu)，各相界面之間存在隨機(jī)可變的相界面，使兩相流呈現(xiàn)為多種復(fù)雜的形式，流型不僅影響兩相流的壓力損失、傳熱效果，也影響流量測(cè)量。對(duì)氣、液兩相流來說，管道處于不同的位置（水平、垂直）也影響其流態(tài)形式，較為典型的如圖1所示?！　?/p>

　　圖1  氣液兩相流的各種典型流態(tài)

　　■ 分相含率：表述兩相流中的分相濃度，說明分相流體占總量中的比例通常表述為：
　　①質(zhì)量流量含率c，為分相質(zhì)量流量（氣體為qmg、液體為qme）與總質(zhì)流量qm之比，如氣液兩相c＝qmg / qm＝qmg / qmg+qme
　?、谌莘e流量含率b，說明分相容積流量（氣體為qvg，液體為qve）與總?cè)莘e流量qv之比，如氣液兩相b＝qvg / qv＝qvg / qvg+qve
　　■ 截面含率ac，說明分相流量在某一截面A上所占的比例，氣相為Ag、液相為Ae，如氣油兩相ac＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
　　■ 容積含率a，說明分相流體在某一管道長(zhǎng)度段容積V所占的容積，氣相為Vg、液相為Ve，如氣液兩相a＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
　　■ 混合流密度
　?、倭鲃?dòng)密度ρo，單位時(shí)間內(nèi)，流過某一截面的兩相混合物總質(zhì)量qm與總積qv之比，如氣相密度為ρg，液相密度為ρe，則氣液相流的流動(dòng)密度。
　　ρo＝ρg b+pe (1-b)
　?、谡鎸?shí)密度ρm，在管道中取一微元體DV，在某一時(shí)間，二相介質(zhì)的總質(zhì)量DM與總體積DV之比，對(duì)氣液兩相流，真實(shí)密度ρm＝ρq a + ρe (1-a)
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　　■ 流速：二相流中各單相在管道中的流速并不一定相等，常有差異，所以除了描述混合體的平均流速Vm外，還應(yīng)說明分相流速在氣、液兩相流中，氣相流速為Vg，液相流速為Ve，它們之間的關(guān)系為VmA=VgAg+VeAe
　　在工程中常以分相流量除以管道截面A來表示分相流速，即：
　　Vg＝qvg / A，Ve＝ qve / A
　　分相流體的速度差為相對(duì)速度，氣液兩相流的相對(duì)流速為Vge
　　Vge＝ Vg - Ve
　　分相流體速度之比為速度滑移比S，氣液兩相流速滑移比為：S＝Vg / Ve
　　■ 兩相流模型：兩相流的流態(tài)極為復(fù)雜，建立一些典型的模型是研究各種測(cè)量方法的基礎(chǔ)，常用的有以下幾種：
　　均相流：氣、液兩相為均勻的混合物，相間不存在相對(duì)速度，S=1，如霧狀流
　　分相流：兩相為完全分離的兩種流體，相間存在不同流速，S≠1，如分層流
　　漂移通量：基本上是分相流，研究的重點(diǎn)是相間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，適用于彈性流，環(huán)形流
　　流型公式，為便于工程應(yīng)用，對(duì)各種流型建立一些半經(jīng)驗(yàn)公式
　　為了便于研究，以上雖列出了一些氣、液二相流的基本流型，并描述了主要參數(shù)，而實(shí)際情況還要復(fù)雜得多。經(jīng)常在同一管段中的不同管段，由于下述原因，如流量的大??；流體物理性質(zhì)（溫度、壓力、密度、粘度、表面張力)；管道的位置（水平、垂直、傾斜），管道截面或幾何形狀的變化都可能改變流型，所以即使某種流量?jī)x表成功地解決了某一流率的兩相流量測(cè)量，而因上述原因引起了流態(tài)的變化，仍可能引入較大的測(cè)量誤差。

　　二、常用測(cè)量方法
　　如圖2：　

　　圖2  常用的測(cè)量方法

　　■ 完全分離
　　這種方法已用了幾十年，即將氣液二相流通過分離器，完全分離為氣、液兩相后，再分別用單相流量?jī)x表分別進(jìn)行計(jì)量。分離器體積龐大、笨重，價(jià)格昂貴（據(jù)稱一般需65萬美元左右一個(gè)）耗費(fèi)大量耗能鋼材，且無法進(jìn)行在線測(cè)量，難以予測(cè)氣井的生產(chǎn)規(guī)律，極大制約了科學(xué)地進(jìn)行開采和管理，而海上開采天然氣，因作業(yè)平臺(tái)狹窄，也很難采用這種方法。由于幾十年以來沒有成功的氣液兩相流量計(jì)可供選用，采用完全分離方法應(yīng)屬無奈之舉。

　　■ 部分分離
　　又分為簡(jiǎn)單分離與分流分離二種：
　　簡(jiǎn)單分離是采用小型、輕巧的分離器，先將氣液兩相流進(jìn)行分離，由于小巧，則分離效果較差，不能達(dá)到完全分離的效果，分離出來的氣相還含少量的液相，多呈環(huán)霧狀，分離出來的液相還含有少量的氣相，多為泡狀流。由于兩相流的流態(tài)是影響流量測(cè)量準(zhǔn)確度的重要因素，這樣多予處理將有助于提高測(cè)量的準(zhǔn)確度及可靠性。這點(diǎn)有點(diǎn)類似于單相流量測(cè)量的流動(dòng)調(diào)整器，先改善流場(chǎng)，再進(jìn)行測(cè)量?？梢蕴峁┖?jiǎn)單分離器的供應(yīng)商有Agar、Aker Kvaemer、Accuflow、Haimo等；可提供簡(jiǎn)單分離二相流量計(jì)的供應(yīng)商有Agar、西安開爾、寧波威瑞泰等，簡(jiǎn)單分離器的成本較低，但也需要約25萬美元一臺(tái)，體積約為傳統(tǒng)完全分離器的1/4,仍較為龐大。

　　分流分離法是取出管道中5-20%的兩相流，用一個(gè)小型分離器分成氣、液兩相流后，再用單相流量計(jì)分別進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量結(jié)果按分流的比例換算為主管道中的氣、液二相流量。這種方法貌似較完全分離法節(jié)約，減少了分離器的體積重量、降低了成本，較易實(shí)施。但弊往之隱藏在利之中，取出的這部分流體、氣液比率是否與主管道一致；流態(tài)是否會(huì)發(fā)生變化；按分流比例換算能否得到必需的準(zhǔn)確度，都是難以確定的。單相大口徑流量的測(cè)量也采用過類似的方法，從大口徑管道中取出部分流量用小口徑流量測(cè)量，再按比例推算，由于難以獲得必要的準(zhǔn)確度，并未推廣應(yīng)用。
　　看來，采取部分分離方法也并不太理想，僅僅是在未得到理想兩相流量計(jì)之前的不得已而為之的權(quán)宜之計(jì)。徹底解決還是要采取非分離法，直接采用兩相流量計(jì)。

　　■ 直接測(cè)量
　　無需分離，直接用氣液兩相流量計(jì)測(cè)出氣、液流量，不僅具有體積小、成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)時(shí)在線測(cè)量，采用RS232/485通訊，GPRS無線通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)控，對(duì)氣田資源的預(yù)測(cè)，科學(xué)地管理提供了可能。主要有以下幾種：

　　差壓式
　　是兩相流量計(jì)研究最為廣泛，工作較為可靠、穩(wěn)定的一種方法，它以分相或均相模型為基礎(chǔ)建立了流量與差壓的關(guān)系，具體有以下三類：其一是經(jīng)典節(jié)流儀表如孔板、文丘里為測(cè)量?jī)x表，是迄今為止參予研究最多、最成熟的一種方法，產(chǎn)品已經(jīng)走出試驗(yàn)室，進(jìn)入了實(shí)用的階段; 其二是當(dāng)兩相流體流過等截面直管段，根據(jù)摩擦、加速度、重力的變化所產(chǎn)生的差壓來建立模型; 其三是當(dāng)兩相流流經(jīng)彎頭，v形管等管件，由于動(dòng)量矩、離心力所產(chǎn)生的動(dòng)壓來測(cè)量氣、液分相流量、以上這些方法，國(guó)內(nèi)外廠家以應(yīng)用文丘里管較為成熟，如表1。　　

　　速度式
　　通過測(cè)量?jī)上嗔鞯牧魉賮頊y(cè)量氣、液兩分相流量、廣泛采用了新技術(shù)，如：
　　力學(xué)法－利用流體的動(dòng)壓、動(dòng)力矩、離心力測(cè)流速
　　相關(guān)法－通過兩點(diǎn)的相關(guān)函數(shù)測(cè)流速
　　光學(xué)法－采用激光多普勒效應(yīng)或光纖技術(shù)測(cè)流速
　　熱學(xué)法－采用熱線風(fēng)速儀測(cè)流速
　　電磁法－利用電磁感應(yīng)測(cè)流速
　　核磁共振法－通過核磁共振原理測(cè)流速

　　容積式
　　通過氣、液相的流體基本特性的差異達(dá)到測(cè)量分相的流量。如氣相體積流量與流動(dòng)狀態(tài)下的壓力密切有關(guān);而液相的體積流量與流動(dòng)狀態(tài)下的壓力基本無關(guān)。根據(jù)總體積流量、壓力、溫度三個(gè)參數(shù)與被測(cè)介質(zhì)的熱力性質(zhì)可推算各分相的體積流量。

　　質(zhì)量式
　　流體在流動(dòng)中如果溫度、壓力頻繁變化，將導(dǎo)致密度的變化，使其容積流量不能反映質(zhì)量流量的大小（氣體尤為突出），而貿(mào)易的結(jié)算、管理的核算主要的依據(jù)應(yīng)是質(zhì)量流量，所以兩相流量更希望得到的是分相的質(zhì)量流量。目前科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在兩相流量測(cè)量中日益引人注目。

　　三、氣、液二相流量計(jì)簡(jiǎn)介
　　■ 2002年由英國(guó)Solartron推出了二種氣、液兩相流量計(jì)Dualstrem MKⅠ， MKⅡ，MKⅠ型當(dāng)液相含量較高時(shí)，虛高誤差過大，要求定期用示法測(cè)量液體的含量，以提高準(zhǔn)確度，由于這種方法不能在線實(shí)時(shí)測(cè)量，難以滿足氣田的科學(xué)開采及管理，又推出了MKⅡ型，它采用了混合器與兩個(gè)文丘里管組成，對(duì)經(jīng)典文丘里進(jìn)行了改進(jìn)，入口角減小至21 ,加長(zhǎng)了喉部長(zhǎng)度，擴(kuò)張角訂為15， MKⅡ型附加了混合器，其作用是令氣、液二相的速度滑移比s接近于1,在截面上分布盡量均勻，流態(tài)近于均相流以提高準(zhǔn)確度。從二個(gè)文丘里管（或一臺(tái)文丘里加一臺(tái)節(jié)流裝置）得到的差壓信號(hào)，按均相流的數(shù)學(xué)模型處理，得到氣相含率qmg，再按總質(zhì)量流量qm，分別求出氣、液兩相流量，由于計(jì)算是基于Murdock數(shù)學(xué)模型，比較簡(jiǎn)單，難以涵蓋復(fù)雜的各種現(xiàn)場(chǎng)，流量準(zhǔn)確度較低，氣相可達(dá)±5%;液相僅±10%。　　

　圖3  U形管二相流量計(jì)原理圖。

　　■ 倒U形管（圖3）研究表明，流動(dòng)密度與體積含氣率測(cè)量誤差間存在較好的線性關(guān)系，在氣相為連續(xù)相而液相為離散相的流態(tài)下，氣相流速及實(shí)驗(yàn)流態(tài)對(duì)這種線性關(guān)系影響很小，體積含氣率的測(cè)量誤差與流動(dòng)密度呈單值線性關(guān)系。
　　當(dāng)上述這種氣、液兩相流經(jīng)圖3所示的倒U形管時(shí)，如管道截面為直管，流動(dòng)穩(wěn)定，從力學(xué)上講，流體的壓降可由加速壓降、摩阻壓降、重力位壓降三部分組成。
　　在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，加速壓降可忽略不計(jì)，摩阻壓降在U形管上升與下降大小相等，方向相反，可以抵消，剩下的僅有重力位壓降，簡(jiǎn)化了計(jì)算公式，再通過對(duì)流動(dòng)密度的修正，據(jù)稱可獲得±1%的體積含氣率的測(cè)量精確度。
　　■ T型氣液兩相流量計(jì)（圖4）主要用于天然氣的開采，不用分離器，直接分別測(cè)量天然氣流量及其中所含液體（水、油）流量?！　?/p>

　　圖4  T型氣液兩相流量計(jì)

　　它的一次表采用了一臺(tái)優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)錐流量計(jì)、一臺(tái)文丘里管及二臺(tái)差壓變送器、一臺(tái)壓力變送器、一臺(tái)溫度變送器。二次表暫時(shí)采用ARM流量計(jì)算機(jī)，具有功耗低、穩(wěn)定性好、外圍功能齊全、大屏幕液晶顯示屏、良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)，可在線顯示輸出壓力、溫度、氣相、液相流量、掉電時(shí)間，實(shí)時(shí)測(cè)量。具有模擬輸出、RS232/485通訊、GPRS無線通訊等功能。
　　該產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)試運(yùn)行一年之久，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，儀表工作穩(wěn)定可靠，主要技術(shù)指標(biāo)接近甚至超出國(guó)外產(chǎn)品，打破了國(guó)外產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的壟斷地位。

　　小結(jié)
　　■ 本文第一節(jié)簡(jiǎn)介了多相流與單相流的差異，它將隨著工況與環(huán)境的變化，呈現(xiàn)多種的流態(tài)，而不同的流態(tài)將采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述。流態(tài)是影響多相流量各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，在某一分相流率應(yīng)用較好的流量計(jì)未必可成功應(yīng)用于其他情況。
　　■ 雖然我國(guó)研制的氣、液兩相流量在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了初步階段性的成果，但現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中將而臨許多在試驗(yàn)室中不可預(yù)料的難題，還需要一段時(shí)間逐一解決，全面推廣應(yīng)用尚待時(shí)日。