气液两相流量测量浅析

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，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：
　　①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c＝qmg / qm＝qmg / qmg+qme
　　②容积流量含率b，说明分相容积流量（气体为qvg，液体为qve）与总容积流量qv之比，如气液两相b＝qvg / qv＝qvg / 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ac＝Vg / V＝Vg / 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a＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
　　■ 混合流密度
　　①流动密度ρo，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ρg，液相密度为ρe，则气液相流的流动密度。
　　ρo＝ρg b+pe (1-b)
　　②真实密度ρm，在管道中取一微元体DV，在某一时间，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ρm＝ρq a + ρe (1-a)
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　　■ 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：
　　Vg＝qvg / 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Vge
　　Vge＝ 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，S≠1，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;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 MKⅠ， MKⅡ，MKⅠ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MKⅡ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， MKⅡ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。