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氣液兩相流量測量淺析
摘要: 近幾十年來,隨著工業(yè)現(xiàn)代化的加速,在不少領域中出現(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;低沸點液體的輸送......,對它的研究已引起了國內(nèi)外廣泛的關注,由于兩相流的復雜性、隨機性,要認識這些現(xiàn)象進行預測,首先要解決檢測問題,流量是最基本的參數(shù),首當其沖,迫切有待解決。
關鍵詞: 氣液兩相 流量測量
Abstract:
Key words :
    近幾十年來,隨著工業(yè)現(xiàn)代化的加速,在不少領域中出現(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;低沸點液體的輸送......,對它的研究已引起了國內(nèi)外廣泛的關注,由于兩相流的復雜性、隨機性,要認識這些現(xiàn)象進行預測,首先要解決檢測問題,流量是最基本的參數(shù),首當其沖,迫切有待解決。
  在我國的能源結構中,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,再分別進行氣、液流量計量。分離器不僅昂貴,而且耗費大量耗能的鋼材、體積也十分龐大,如海上開采平臺,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。

  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,本文主要討論同時存在氣相與液相物質(zhì)的流動,由于多相中存在各相的界面效應及相對速度,相界面在時間及空間上都是隨機可變的,所以,其流動特性較單相流復雜得多,特征參數(shù)也較單相流多一些,簡要介紹如下:
  ■ 流型:亦稱流態(tài),即流動的形式或
結構,各相界面之間存在隨機可變的相界面,使兩相流呈現(xiàn)為多種復雜的形式,流型不僅影響兩相流的壓力損失、傳熱效果,也影響流量測量。對氣、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>

氣液兩相流的各種典型流態(tài)
  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:
 ?、儋|(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)與總容積流量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
 ?、倭鲃用芏?rho;o,單位時間內(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,則氣液相流的流動密度。
  ρo=ρg b+pe (1-b)
 ?、谡鎸嵜芏?rho;m,在管道中取一微元體DV,在某一時間,二相介質(zhì)的總質(zhì)量DM與總體積DV之比,對氣液兩相流,真實密度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速度,氣液兩相流的相對流速為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)極為復雜,建立一些典型的模型是研究各種測量方法的基礎,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,研究的重點是相間的相對運動,適用于彈性流,環(huán)形流
  流型公式,為便于工程應用,對各種流型建立一些半經(jīng)驗公式

 

  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),而實際情況還要復雜得多。經(jīng)常在同一管段中的不同管段,由于下述原因,如流量的大小;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,所以即使某種流量儀表成功地解決了某一流率的兩相流量測量,而因上述原因引起了流態(tài)的變化,仍可能引入較大的測量誤差。

 

  二、常用測量方法
  如圖2: 

圖2  常用的測量方法
  圖2  常用的測量方法

  ■ 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,再分別用單相流量儀表分別進行計量。分離器體積龐大、笨重,價格昂貴(據(jù)稱一般需65萬美元左右一個)耗費大量耗能鋼材,且無法進行在線測量,難以予測氣井的生產(chǎn)規(guī)律,極大制約了科學地進行開采和管理,而海上開采天然氣,因作業(yè)平臺狹窄,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可供選用,采用完全分離方法應屬無奈之舉。

  ■ 部分分離
  又分為簡單分離與分流分離二種:
  簡單分離是采用小型、輕巧的分離器,先將氣液兩相流進行分離,由于小巧,則分離效果較差,不能達到完全分離的效果,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)是影響流量測量準確度的重要因素,這樣多予處理將有助于提高測量的準確度及可靠性。這點有點類似于單相流量測量的流動調(diào)整器,先改善流場,再進行測量??梢蕴峁┖唵畏蛛x器的供應商有Agar、Aker Kvaemer、Accuflow、Haimo等;可提供簡單分離二相流量計的供應商有Agar、西安開爾、寧波威瑞泰等,簡單分離器的成本較低,但也需要約25萬美元一臺,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  

  分流分離法是取出管道中5-20%的兩相流,用一個小型分離器分成氣、液兩相流后,再用單相流量計分別進行測量,將測量結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)是否會發(fā)生變化;按分流比例換算能否得到必需的準確度,都是難以確定的。單相大口徑流量的測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量,再按比例推算,由于難以獲得必要的準確度,并未推廣應用。
  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之前的不得已而為之的權宜之計。徹底解決還是要采取非分離法,直接采用兩相流量計。

  ■ 直接測量
  無需分離,直接用氣液兩相流量計測出氣、液流量,不僅具有體積小、成本低、安裝方便等優(yōu)點,還可以實時在線測量,采用RS232/485通訊,GPRS無線通訊進行遠程測控,對氣田資源的預測,科學地管理提供了可能。主要有以下幾種:

  差壓式
  是兩相流量計研究最為廣泛,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建立了流量與差壓的關系,具體有以下三類:其一是經(jīng)典節(jié)流儀表如孔板、文丘里為測量儀表,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)走出試驗室,進入了實用的階段; 其二是當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; 其三是當兩相流流經(jīng)彎頭,v形管等管件,由于動量矩、離心力所產(chǎn)生的動壓來測量氣、液分相流量、以上這些方法,國內(nèi)外廠家以應用文丘里管較為成熟,如表1。  

  速度式
  通過測量兩相流的流速來測量氣、液兩分相流量、廣泛采用了新技術,如:
  力學法-利用流體的動壓、動力矩、離心力測流速
  相關法-通過兩點的相關函數(shù)測流速
  光學法-采用激光多普勒效應或光纖技術測流速
  熱學法-采用熱線風速儀測流速
  電磁法-利用電磁感應測流速
  核磁共振法-通過核磁共振原理測流速

 

 

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

  質(zhì)量式
  流體在流動中如果溫度、壓力頻繁變化,將導致密度的變化,使其容積流量不能反映質(zhì)量流量的大?。怏w尤為突出),而貿(mào)易的結算、管理的核算主要的依據(jù)應是質(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)量流量計在兩相流量測量中日益引人注目。

  三、氣、液二相流量計簡介
  ■ 2002年由英國Solartron推出了二種氣、液兩相流量計Dualstrem MKⅠ, MKⅡ,MKⅠ型當液相含量較高時,虛高誤差過大,要求定期用示法測量液體的含量,以提高準確度,由于這種方法不能在線實時測量,難以滿足氣田的科學開采及管理,又推出了MKⅡ型,它采用了混合器與兩個文丘里管組成,對經(jīng)典文丘里進行了改進,入口角減小至21 ,加長了喉部長度,擴張角訂為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確度。從二個文丘里管(或一臺文丘里加一臺節(jié)流裝置)得到的差壓信號,按均相流的數(shù)學模型處理,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,由于計算是基于Murdock數(shù)學模型,比較簡單,難以涵蓋復雜的各種現(xiàn)場,流量準確度較低,氣相可達±5%;液相僅±10%。  

U形管二相流量計原理圖
 圖3  U形管二相流量計原理圖。

  ■ 倒U形管(圖3)研究表明,流動密度與體積含氣率測量誤差間存在較好的線性關系,在氣相為連續(xù)相而液相為離散相的流態(tài)下,氣相流速及實驗流態(tài)對這種線性關系影響很小,體積含氣率的測量誤差與流動密度呈單值線性關系。
  當上述這種氣、液兩相流經(jīng)圖3所示的倒U形管時,如管道截面為直管,流動穩(wěn)定,從力學上講,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)定流動狀態(tài)下,加速壓降可忽略不計,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,簡化了計算公式,再通過對流動密度的修正,據(jù)稱可獲得±1%的體積含氣率的測量精確度。
  ■ T型氣液兩相流量計(圖4)主要用于天然氣的開采,不用分離器,直接分別測量天然氣流量及其中所含液體(水、油)流量。  

T型氣液兩相流量計
  圖4  T型氣液兩相流量計

  它的一次表采用了一臺優(yōu)化結構的內(nèi)錐流量計、一臺文丘里管及二臺差壓變送器、一臺壓力變送器、一臺溫度變送器。二次表暫時采用ARM流量計算機,具有功耗低、穩(wěn)定性好、外圍功能齊全、大屏幕液晶顯示屏、良好的人機界面等優(yōu)點,可在線顯示輸出壓力、溫度、氣相、液相流量、掉電時間,實時測量。具有模擬輸出、RS232/485通訊、GPRS無線通訊等功能。
  該產(chǎn)品在國內(nèi)試運行一年之久,現(xiàn)場應用表明,儀表工作穩(wěn)定可靠,主要技術指標接近甚至超出國外產(chǎn)品,打破了國外產(chǎn)品在這一領域的壟斷地位。

  小結
  ■ 本文第一節(jié)簡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)學模型進行描述。流態(tài)是影響多相流量各項技術指標的關鍵因素,在某一分相流率應用較好的流量計未必可成功應用于其他情況。
  ■ 雖然我國研制的氣、液兩相流量在現(xiàn)場應用中取得了初步階段性的成果,但現(xiàn)場應用中將而臨許多在試驗室中不可預料的難題,還需要一段時間逐一解決,全面推廣應用尚待時日。

 

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