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气液两相流量测量浅析
摘要: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。
关键词: 气液两相 流量测量
Abstract:
Key words :
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。  

气液两相流的各种典型流态
  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
  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

  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%。  

U形管二相流量计原理图
 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。  

T型气液两相流量计
  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。

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