（检测技术与自动化装置专业论文）热扩散式油水两相流相含率测量方法研究.pdf

天津大学硕士学位论文 热扩散式油水两相流相含率测量方法研究 r e s e a r c ho nt h eh e a td i f f u s i o nm e t h o df o r t h em e a s u r e m e n to fp h a s ev o l u m ef r a c t i o n o fo i t e rt w o p h a s ef l o w 学科专业：检测技术与自动化装置 研究生：邹晨生 指导教师：张涛教授 天津大学电气与自动化工程学院 二零零八年八月 中文摘要 油水两相流相含率测量在很多工业，尤其是石油开采及运输中具有重要的应 用价值。由于开采的原油环境复杂，且各相组分性质不同，目前对于油水两相含 率的测量仍是一个活跃的研究方向。 本文以实现一种低含油的油水两相流相含率测量方法为主要研究目标，在分 析国内外两相流检测技术的发展状况，总结现有一些两相流相含率的测量技术的 基础上，深入研究了基于热扩散原理的油水两相流相含率测量方法，并对求解油 相含率的影响因素进行误差分析，得出提高油相含率的测量精度的关键是加热器 上下游的温差精确测量的结论。 通过查阅相关资料，并进行实验研究，构建了基于热扩散法的油水两相流相 含率测量系统。完成了加热器和温度传感器的选型，设计了基于铂电阻温度传感 器以及d s l 8 8 2 0 温度传感器的软硬件结构，并针对油相比热容的准确测量方法 进行了研究。 对测量系统中加热管道中的热场进行f l u e n t 仿真，并结合实流研究，最终确 定了本测量系统下游温度传感器的测量位置，在距离加热器末端5 0 0 m m 处最佳， 进一步充实了热扩散式油水两相流含油率的测量方案。 最后在实验室进行了大量的实验。通过改进实验条件、完善温差测量技术以 及进行误差修正等方法，最终将含油率测量绝对误差基本控制在5 以内，初 步实现了系统的设计目标。 关键词：油水两相流相含率热扩散温差测量误差修正 a b s t r a c t m e a s u r e m e n to fp h a s ev o l u m ef r a c t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nm a n yi n d u s t r i a l c a s e s ，e s p e c i a l l yt h eo i le x p l o r a t i o na n dt r a n s p o r t a t i o n s i n c et h ee n v i r o n m e n to fo i l e x p l o r a t i o ni sc o m p l e xa n dt h ep r o p e r t yo fe a c hc o m p o n e n ti s d i f f e r e n t ，f e w a p p r o a c h e sh a v eg o o dp r a c t i c a b i l i t ys of a r t h eg o a lo f t h i sp a p e ri st oi m p l e m e n tt h em e a s u r e m e n t o f p h a s ev o l u m ef r a c t i o n f o rak i n do fl o w o i lo i l w a t e rt w op h a s ef l o w t h es t a t eo ft h ea r ti nt w o d h a s e d e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，b o t ha th o m ea n da b r o a d ，a r ed i s c u s s e d ，t h e ns o m eo ft h e e x i s t i n gm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo fp h a s ev o l u m ef r a c t i o nf o rt w op h a s ef l o wa r e i n t r o d u c e d ，i nw h i c ht h eh e a td i f f u s i o nb a s e do n ei sf u r t h e rs t u d i e d f a c t o r sa f f e c tt h e r a t ec a l c u l a t i o ni nt h i sc a s ea r ef o c u so n ，t h e nt h ek e yp o i n t ，t h e t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c em e a s u r e m e n to fh e a t e r , w h i c hc o u l di m p r o v et h em e a s u r e m e n ta c c u r a c vo f o i l - b e a r i n gr a t ei ss u m m a r i z e d t h es e l e c t i o no fh e a t e ra n dt e m p e r a t u r es e n s o ra r e a c c o m p l i s h e db a s e do n l i t e r a t u r es u r v e ya n de x p e r i m e n t a ls t u d y t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e i s c o m p l e t e db a s e do nt h ep l a t i n u mr e s i s t a n c ea n dt h ed s18 8 2 0 ，i nw h i c ht h ep r e c i s e m e t h o df o ro i lh e a tc a p a c i t yi sw e l ls t u d i e d t h eh e a td i f f u s i o nb a s e dm e a s u r e m e n t s y s t e mo fp h a s ev o l u m ef r a c t i o nf o rt w o - p h a s ef l o wi se s t a b l i s h e d b e s tm e a s u r e m e n tp o s i t i o no ft h et e m p e r a t u r es e n s o ri nt h i ss y s t e m ，w h i c hi s 5 0 0 m mf r o mt h ee n do ft h eh e a t e r , i sc o n f i r m e db a s e do nt h ec o m b i n a t i o no ft h e f l u e n ts i m u l a t i o no ft h et h e r m a lf i e l di np i p ea n dt h e p r a c t i c a lf l o wr e s e a r c h a l s o t h e m e a s u r e m e n ts c h e m eo fp h a s ev o l u m ef r a c t i o nf o rh e a td i f f u s i o no i l w a t e rt w o p h a s e f l o wi sf u r t h e re n r i c h e d e x t e n s i v ee x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e db a s e do nt h ea b o v ec o n s t r u c t i o nw o r k t h e 士5 m e a s u r i n ga b s o l u t ee r r o rc o n t r o l l i n go fo i lv o l u m ef r a c t i o n w h i c hi st h eo r i g i n a l d e s i g ng o a lo ft h i sp a p e r , i sb a s i c a l l ya c h i e v e db yi m p r o v i n gt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n ，e n h a n c i n g t h e t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n tt e c h n o l o g ya n d p r o c e s s i n gt h ee r r o rc o r r e c t i o na n ds oo n k e yw o r d s ：o i l w a t e r t w o - p h a s ef l o w ，p h a s ev o l u m ef r a c t i o n ，h e a td i f f u s i o n ， t e m p e r a t u r ed i f f e r e n c em e a s u r e m e n t ，e r r o rc o r r e c t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 一躲印泌吼j 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 文学：名p 签字日期：乡阢葛每印月7 日 导师签名： 签字日期：少毋年彳月彳日 第一章绪论 1 1 两相流测量 1 1 1 多相流 第一章绪论 所谓多相流通常是指同时存在两种或两种以上的物质流动，多相流中的“多 相”可以理解为多种物质同时存在，这些物质的区别包括形态的区别，主要是固 体、液体和气体的区别，例如同时存在一种气体和一种固体，它们称作气固两相 流；还包括同一形态不同物理性质、化学性质的物质，例如水与油均为液体，但 是它们的物理性质以及化学性质并不相同，因此他们称为油水两相流。多相流中 的流体应该有可分的界面并能够分离。 在化工、石油、冶金、动力及原子能等工业中，多相流动现象普遍存在，常 见的多相流主要有气液两相流如石油、天然气等；气固两相流，如煤粉的传递过 程；液固两相流，如泥浆、纸浆等浆液的流动，生活污水等；液液两相流，如石 油运输管道中的两相流。多相流的测量尤以在石油的开采和管道运输过程中应用 显著。大量实例所反映的多相流涉及范围的广泛性及其应用的重要性促使了多相 流领域研究工作的迅速发展刈。 多相流由于是两种或两种以上的流体混合在一起，因而混合后的流体呈现出 许多复杂的特性，这些特性主要包括：各相流体的混合不均匀。如油与水的混合 不均匀，气体与液体处于分离的状态，这导致了在线检测出的多相流参数波动很 大，不易得出稳定的数据。各相之间存在着相互作用。这种相互作用会导致流体 很大程度上不同于单相流的变化，比如油与水的与管道之间的黏度及彼此之间的 黏度会导致各相以不同的速度流动，造成混合的不规则，使界面存在扰动。流动 的状态非常复杂，特征参数多，取决于各相之间的相对速度、流型等1 5 剖，这种 复杂的状态使得利用数学模型描述多相流变得非常困难。 油田井口的原油计量，是一个油、气、水多相流流量测量问题，其中气相为 天然气( 油井伴生) ，液相为石油和矿化水的混合物，同时还有少量的固相( 砂、 蜡、水合物) 。因此原油是典型的多相流，流动过程中不仅存在多种流型，而且 成分复杂多变，流量检测困难【7 j 。 第一章绪论 1 1 2 两相流分类及主要检测参数 多相流体系中又以两相流体系最为普遍。两相流体系广泛存在于自然界和工 业生产中。例如，自然界的大漠扬沙，江河中的泥沙俱下，以及空中烟尘弥散、 雨雹交浸都是与人类生活有关的两相流现象。在化工、石油、冶金、动力及原子 能等工业中，两相流动更是普遍存在。大量实例所反映的两相流涉及范围的广泛 性及其应用的重要性促使了两相流领域研究工作的迅速发展【8 1 。但基于两相流体 系情况极为复杂，要认清现象，获得概念，建立模型，首先要解决的就是两相流 的检测技术问题p 】。 两相流或多相流的流动特性比单向流动复杂的多，而且两相流或多相流相间 存在着界面效应和相对速度，致使其参数检测难度较大。为此世界各工业发达国 家均做了大量研究工作。研究了较多涉及新技术的测量方法：如辐射线技术、激 光多普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光纤技术、脉冲中子活 性示踪技术、相关技术、流动成像技术等等，也有较多研究工作是应用传统的单 相流仪表和两相流模型进行多参数组合辨识而检测的。这些两相流参数的检测技 术和方法大都还处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业仪表为数还很少。可 以说，两相流参数检测在国际上尚属一个亟待发展的探索研究领域【l0 1 。 ( 一) 两相流的定义和分类 与多相流的定义类似，两相流就是同时存在两种不同相的物质的流动。工业 上常见的两相流主要有以下几种j ： 1 ) 气液两相流 在热交换器、锅炉、水轮机等设备单元，石油、天然气、低沸点液体的传输 过程，以及传热传质设备大量的分离和反应过程中，气液两相形式存在的流动相 当普遍。 2 ) 气固两相流 在干燥塔等气流干燥单元，如煤粉，水泥等的生产利用和输送过程，以及煤 的沸腾燃烧、石油的催化裂化，矿物的流态化培烧，发动机排气过程应用中等， 气固两相流的实例比比皆是。 3 ) 液固两相流 在煤炭、化工、污水处理等行业中，矿浆、纸浆、泥浆等浆液流动，残渣的 水力输送，生活污水的分离和循环等，都有液固两相流的存在实例。 4 1 液液两相流 在化工过程的萃取塔等分离设备中和实验室普遍用到的萃取方法，油田采油 及油品输送管道里的流体等，大都属于液液两相流系统。 第一章绪论 两相流体的流动比单相流体的流动特性复杂得多，和单相流动比较有以下特 点：流型复杂多变；两相间存在较强的相互作用；两相物性变化较大；流动能耗 变化；存在界面扰动；数学描述困难。两相流的这些固有物性，使得对两相流体 参数的分析和测量变得十分复杂和困难。 ( 二) 两相流主要检测参数 两相流和单相流比较，多出一个相和相间的界面。对于工程上的两相流动问 题，主要是研究其流动特性和传热特性。流动特性包括流速与流量、流动参数及 其相关性、流道及绕流体的阻力( 压降) 、相分布和相份额、流动的稳定性、极限 流动( 临界流) 等等。而传热特性包括沸腾与气发生的规律、蒸发与凝结、平衡与 不平衡传热、沸腾临界状况与临界后传热、流道及流阻件对传热的影响【1 2 - 1 4 1 等等。 两相流的研究到目前还是以实验为主。由于现象复杂、影响因素较多，许多 问题很难通过解析分析得出结论。近年来计算数学和计算工具的发展，促进了两 相流的解析分析研究。虽然解析分析可以考虑更多的因素；可以取得流场的局部 特性，更加确切地反映实际情况，但是解析分析所取得的往往是离散的数据，还 需要进行相关的机理分析和数据拟合处理，才能得到参数的关联，取得描述过程 机理的关联式来描述现象的规律i 1 引。 两相流动中，由于存在着一个形状和分布在时间和空间里均是随机可变的相 界面，而相间实际又存在着一个不可忽略的相对速度，致使流经管道的分相流量 比和分相所占的管截面比并不相等。因此，描述两相流动的参数除描述单相流动 的参数，如速度、压力降、流量、温度等，还有别的参数【1 6 】。其主要参数如下： 1 ) 流型 又称流态，即流体流动的形式或结构。两相间存在的随机可变的相界面使两 相流动形式多种多样，十分复杂。流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要 因素之一，而且对两相流其它参数的准确测量也往往依赖于对流体流型的了解。 2 ) 相含率 相含率指各相流体在混合体中的比例，这种比例包括所占的质量比和所占的 ，容积比，还包括一种在某一截面某种液体所占的面积比。 3 ) 速度 两相流动中不同相之间存在相对运动速度，除了以混合流体的平均速度描述 夕卜，还必须采用分相流速来表示。两个分相的流速可以用与平均速度的差值表示 相对速度，也可用两个分相流速之比表示速度滑移比。 4 ) 流量 采用不同的单位制，可分别用容积流量或质量流量表示。对于两相流的各相 流量，可用分相容积流量和分相质量流量来描述。对于两相混合物的流量，可用 第一章绪论 平均容积流量和平均质量流量进行描述。 5 ) 压力降 压力降也是两相流动中的基本参数之一。在混合物的两相流压力降与各分相 压力降间己建立了很多可供工程应用的理论的、实验的和半实验的关联式。 6 ) 密度 混合物的平均密度也是两相流中的一个常用参数，它可以由各相密度和分相 含率计算求得。 分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸及分布、环状流中的液膜流率、 液膜厚度以及壁剪切力等也是描述两相流动的一些特征参数。温度、传热传质系 数、临界热通量等也是两相流参数。 1 2 课题研究的背景意义 1 2 1 两相流参数检测技术现状和发展趋势 两相流广泛存在于生产过程中，例如动力工程中锅炉蒸发管中的蒸汽水两 相流动，发电和冶金工业中煤粉和矿粉输送管道中的气固或液固两相流，石油工 程中油田开采油井中的油水两相流和油气水三相流，化工工业中物料输送管道和 反应釜搅拌器中的气液两相流等【l 刀。随着科学技术的发展以及工业发展水平的不 断提高，对两相流的流动特性及流动参数的检测，具有迫切的要求。然而，由于 两多相流流型复杂多变，而现存的两相流测量仪表，其精度在不同程度上受流型 变化的影响，所以两相流参数的准确测量难度很大。目前两相流参数检测技术的 发展水平远远不能满足工业发展的要求，两相流检测技术发展现状和水平与飞速 发展的现代工业应用之间的矛盾日益突出，因此发展两相流检测技术是现代工 业发展的迫切要求。 目前国内外在两相流检测中采用的技术大致分为三类： 一、采用传统的单相流仪表与两相流参数测量模型结合的方法。把成熟的单 相流仪表应用到两相流检测中去，多年来都是受到普遍重视的研究方向之一。传 统的光学、电学、热学等单相流探头和传感器，经过改造已广泛地应用到两相流 测试系统中。采用双传感器组合，进行双( 多) 参数组合测量确定流量或干度等也 获得了较多的成功应用，这类组合测量多数为组分浓度仪表、速度仪表和流体流 动的动量通量仪表的交叉排列组合应用。 二、采用近代新技术。两相流参数检测的测量方法中较多涉及近代新技术： 如射线技术、激光技术、超声波、微波、光谱、新型示踪技术、相关技术、过程 第一章绪论 层析成像技术等。 如基于射线吸收或散射原理的，射线、声射线、x 射线和中子射线仪表是两 相流组分浓度的重要测试手段。国外在此领域的技术较成熟，己有商品化的工业 型仪表，其中又以) ，射线密度计应用最多。但其装置复杂、价格昂贵、使用时技 术要求较高，目前仍限于实验研究中。 微波技术在测试领域得到了广泛的应用，在两相流或广义两相物性测量中的 研究十分活跃。在石油油水混合物中相含率的测量、在氧氧气和有机液有机蒸 汽两相流中相含率的测量、在食油和水组成的脂肪化合物中含水率的测量以及纸 张含水率的测量等中，都采用了微波技术。另外，用于在线测量谷物湿度及传送 带上煤含水量的微波仪表也己出现。 三、在已经成熟的硬件基础水平上，以计算机为控制和计算手段，基于软测 量技术的测量手段。 传统的建立在传感器等硬件基础上的各种现有检测手段，目前在两相流领域 还未能得到十分满意的结果。因此人们开始探索，拟把研究热点的软测量技术( 如 状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、模式识别) 引入到两相流参数检测领 域中来。通过软测量方法，解决具有复杂性、不确定性，且很难用数学模型精确 描述的两相流系统的检测问题。如应用人工神经网络技术测量气固两相流的固相 质量流量及油井多相流分相含率；应用辨识技术对气固两相流中固相质量流量进 行辨识估计掣1 8 】。 鉴于以上分析，国内外都急待研究和探索的两相流参数检测领域，其发展趋 势和今后研究方向可归纳为以下几个方面： 1 ) 单相流仪表技术成熟，可靠性高，根据被测介质的情况配合相应的模型， 能够解决许多两相流参数测量问题。例如，采用多个传感器的组合，进行两相流 的多个参数的测量。所以将成熟的单相流测量的参数仪表可靠地应用在两相流的 参数测量中，发挥其优点，仍是一个重要的研究目标。 2 ) 借助于各种新技术( 激光技术、光谱技术、微波技术、核磁共振技术、全 息技术和新型示踪技术等) ，研制高灵敏度，高准确度和高可靠性的两相流传感 器和参数测试仪表。 3 ) 应用计算机技术和图像处理技术，获取两相流体系二维三维时空分布信 息，应用过程层析成像技术，对两相流局部空间区域进行微观和瞬态测量。 4 ) 改进和完善己有相当基础的相关法和激光多普勒法等测试技术的应用。 5 ) 两相流动过程是一个复杂的多变量随机过程。应用随机过程理论和信息 处理技术，使用传统的单相流检测仪表，采用新的信号检测和处理方法( 如噪声 检测理论、模糊评判理论和谱分析技术等) 进行两相流流动状态的辨识及参数估 第一章绪论 计的软测量方法作为一个很重要的研究方向。 6 ) 加强关注两相流动过程中参数测量系统的建模、特征参数提取、对时变 性的自适应能力和动态跟踪能力等的基础理论研究以及两相流参数校验标定手 段和误差分析等的基础方法研刭19 1 。 1 2 2 油水两相流相含率测量的研究背景意义 在当今世界的能源供应中，石油仍然为主要的能源之一。在石油的开采过程 中，所开采的原油基本都包括油气水三相，我们要得到所开采石油的流量速度等 参数，同时还要知道每种成分特别是石油的成分所占的比例，这样可以优化进行 生产的控制参数，提高开采率1 2 0 1 。因此对于油相含率的测量成为一个很重要的研 究方向。 原油和水混合流动是明显的液液两相流，因此油水两相流的相含率测量一直 是人们关注的热点。随着油田的多年开采，油井的高压注水使原油输油管线中含 水率增高，原油的相含率直接影响原油的开采、脱水、集输、计量、销售、冶炼 等，若相含率检测不准，将直接影响油井及油层动态分析，破坏电脱水器中电场， 降低脱水效果，给原油集输造成很大能源浪费，在原油炼制过程中原油含水率超 标易引起突沸等恶性事故的发生，因此原油相含率在线检测非常重要【2 1 | 。而相含 率的精确测量十分困难，因此迫切需要研制宽范围相含率计量仪表，实现原油相 含率的在线精确测量。这对于确定出水、出油层位，估计产量和预测油井的开发 寿命以及油田的产量质量控制、油井状态检测、减少能耗、降低成本和采油管理 自动化都有重要的意义和实用价值 2 2 - 2 3 j ，对决策部门掌握生产动态、确定产量分 配、提高三次采油质量起着重要的作用【2 4 | 。准确实时地测量出输油管中的原油相 含率己成为当今油田亟待解决的问题。 目前可以通过实验或理论推导的方法得出相含率的计算式，该计算式一般是 两种介质物理参数及其它环境参数等的函数，也可以通过相含率的测量装置测量 出相含率的大小。前者一般得出平均相含率，后者既可以测量平均相含率又可以 测局部相含率。但是，由于两相流的复杂性，现阶段，不论是计算法还是测量法 在很大程度上都与管内的流体的性质以及流体的流动状态有关 2 5 o 特定的相含率 的计算方法或者测量方法一般只适用于某些特定的流型及特定的两相流流体。 相含率的计算方法虽然在一定范围内能给出相含率与其它一些参数之间的 关系，但在实际流体流动过程中这些含率计算公式中的参数往往都不知道，或者 是经过检测才能知道。这就需要有一定的方法直接或间接地测量出含率的值。 第一章绪论 1 3 油水两相流相含率测量方法 检测油水两相流相含率的方法很多。传统的方法有定时取样蒸馏化验的人工 方法，这种检测方法取样时间长，取样随机性大，无法进行在线测量，不能满足 油田生产自动化管理的要求；密度计法经多年的现场应用，有易受结垢、含沙、 含气、频率漂移等干扰因素的影响，检测精度无法保证等缺点。可用于在线测量 的方法主要有密度法、射线法、短波法、微波法、电容法、电导法等【2 6 】。 ( 一) 密度法 因为油水的密度不同，油轻，水重，根据油水的密度差异来测量相含率的方 法就是密度法 2 7 - 3 0 】。密度法测量相含率的所依据的基本关系有【3 l 】： 油水混合物质量等于油和水的质量之和 成吃= 成k + p o v o ( 1 - 1 ) 圪= 匕+ v o ( 1 2 ) 式中：p m 为油水混合物密度；v m 为油水混合物体积；p w 为水的密度；p o 为油 的密度；v w 为水的体积；v o 为油的体积。 质量含水率 牛筹 ( 1 - 3 ) 联立( 1 1 ) ) 、( 1 2 ) ) 、( 1 3 ) ) 式，可得 ( 1 - 4 ) 体积含水率x 的定义是：水的体积与含水原油的体积比，即 矿 x = 子 ( 1 5 ) 矿 、 联立( 1 - 1 ) 、( 1 2 ) 、( 1 - 5 ) 式，可得 x：二21(1-6) p 。一p o 由此可见，只要测出水和油的密度p w 和j d o ，即可求得它的含水率。 利用密度法测含油率比较典型的是伽马密度计3 2 1 和差压式密度计。 伽玛射线利用低能源放射性测量中存在统计涨落，并且对放射性源的选择以 第一章绪论 及源强都有一定的要求，另外还要尽量满足空间流体测量，局部流体取样或流型 不稳定都会给测量带来影响。 密度法测量含水率时，影响含水率的因素有：水的密度，油的密度，混合物 密度，流型，温度等。因为影响因素很多，所以测量效果很不理想。 ( - - ) 射线法 射线法主要利用了) ，射线透射的有关性质及厚度不同的介质其衰减程度不 同的原理。y 射线源产生射线，射线穿过介质时，将与介质原子发生光电效应、 康普顿效应和电子效应。油和水对) ，光子的吸收率不同，利用油水这两种介质对 同一射线的线性吸收系数的差别计算出油水混合物的相含率。 射线法检测电路工作过程为：射线与介质原子间发生碰撞后，偏离原来的入 射方向，一部分射线被介质吸收，一部分射线穿透介质。穿透介质的射线，连接 到射线探测器上。射线探测器由碘化钠闪烁体、光电倍增管及附属电路等组成。 当射线与碘化钠闪烁体作用时，产生物理作用，导致闪烁体发光。这种光都很微 弱并且持续时间很短，所以通常要用光电倍增管把光信号放大并转换成电脉冲。 然后由前置放大器对电脉冲进行放大，配以外围电路，电脉冲测量放大。输入到 微机系统中，转化为计数值。用得到的计数值，并根据介质厚度体积的各方面关 系，计算出原油中的含油率。 当一束初始强度为妫从的射线穿过厚度为x 的介质时，其衰减后强度满足指 数衰减规律，即： n = n o e 一 ( 1 7 ) 称为介质对) ，射线的吸收系数，是反映介质对) ，射线吸收能力的个物理 常数，它与射线的能量和介质的成分有关。值越大，表示介质对射线的吸收越 强，反之，则弱。 核物理试验验证：含水原油的样品，无论是处于混合状态，还是完全分离状 态，对，射线的吸收效果是完全一样。其公式表达如下所示： 水油混和状态，n = n o e l 一( 1 - 8 ) 水油完全分离状态， n = n o e “f + 峋峋 ( 1 。9 ) 比较上述两式可得： u x x = u w 凡+ ( 1 1 0 ) 式o u 。为水和油对y 射线的混合吸收系数；u w 为水对) ，射线的吸收系数；n o 为 油对7 射线的吸收系数；x w 为水油完全分离状态下，y 射线穿过的水的厚度；3 c o 为 水油完全分离状态下，) ，射线穿过的油的厚度。 第一章绪论 如果用瑁表示含水油样的体积含油率，h p r f = x o ( x o - x w ) ，根据理论推导，则它 的吸收系数由式( 1 1 0 ) 得： “。= “。+ 刁( z 乞一材。) 根据式( 1 9 ) 和式( 1 一1 1 ) ，含油率珂可由下式表示： 刁；趋m “口一u w 式中x 为含水原油样品的总厚度。 式( 1 1 2 ) 中，器皿厚度x 、水对射线的吸收系数u w ，和油对射线的吸收系数n o 都是常数，只要得到射线的初始强度0 和衰减后的强度，就可得到含水原油的 含油率珂。而射线的初始强度o 和衰减后的强度，可以转化为电脉冲信号的计 数值来表示。实际应用中，将盛有样品的油样装置，做成固定厚度的器皿，因此 x 的数值为一个常数。空器皿时，得到的电脉冲信号计数值，就相当于射线的初 始强度值o 。而衰减后的强度值，就相当于器皿中放上原油样品时，获得的脉 冲计数值。因此获得脉冲计数值，就可通过( 1 1 2 ) 式计算得到含水原油的含油率 彳【3 3 3 6 1 。 此方法可用于在线测量，提高生产过程和生产管理的自动化程度。但由于对 6 0 m e v 的y 射线来说，油和水的吸收系数差2 0 ，因此测量精度不高，且存在射 线辐射，造价高，使用和维修困难等缺点1 37 | 。 ( 三) 短波吸收法 短波吸收法【3 8 枷】是将电能以电磁波的形式辐射到以乳化状态存在的油水介 质中，根据油、水对短波吸收能力的不同来检测油水乳化液中的相含率。 根据电磁波的物理特性：电磁波在通过液体介质时或多或少地被介质所吸 收。不同频率的电磁波在通过同一介质，或同一频率的电磁波通过不同的介质时， 介质所吸收的能量是不同的，吸收多少服从朗伯一贝尔定律 度。 i = i o e 一c l ( 1 - 1 3 ) 式中，为穿透能量；而为入射能量；“为吸收系数；c 为介质系数；，为介质厚 将公式( 1 13 ) 导成如下形式： 对于混合介质，则有如下形式： l o = e 删 ( 1 1 4 ) 第一章绪论 e 7 d i c l l i i o = i e ( 1 1 5 ) 当混合介质为油和水时，发射器发射一定频率( 如4 m h z ) 的电磁波，油对这 个频率的电磁波能量的吸收系数“2 很小，近似为零，则式( 1 1 5 ) 导成如下形式： i o = i e c 0 7 。 ( 1 1 6 ) 从式( 1 1 6 ) 中可知，探测器发射能量，只随介质浓度( 在这里为水) 变化而变 化，呈非线性曲线特性。发射器发射功率变化将引起发射器内部振荡源电流值， 变化，将变化了的电流反馈输出给控制器，经过调零、放大整形后，再经过线性 化处理，就可实现水中含油的测定。 短波法不受介质黏度、密度、温度、压力等因素影响，测量范围宽，但原油 中通常含有其他杂质，不同杂质对短波的吸收能力不同会影响测量精度。且探头 制作复杂，成本高，使用和维护困难。 ( 四) 微波法 微波非电量的测量技术属于低功率微波能的应用范畴，其基本原理是以微波 作为信息传递的媒介，根据待测物料对微波有辐射、反射、透射、散射、干涉、 衍射、谐振和多普勒效应等物理特性，利用对非电量有敏感响应的微波传感器将 待测物件的非电量转换成微波电参量的变化进行测量 4 q 。 微波法测量含水率属于非接触式测量方法，可以较好地解决含垢、含蜡、温 度和压力变化、流态变化及超大管径输送等不利工况对测量的影响，测量量程宽； 测量系统牢固，小巧；对人体辐射危害也不大。该技术在测量精度、运行稳定性、 安装方式等方面处于领先的地位1 4 2 1 。 ( 五) 电容法 电容法 4 3 - 4 7 1 是利用原油乳化液的介电常数的微小变化与原油中水的含量多 少有关的原理来实现原油含油率测量的。检测介电常数的微小变化多采用电容式 传感器，其敏感探头的结构各式各样，最常见的是采用适合测量液态物系含油率 的同轴筒形电容传感器。 许多电容传感器的测量电路都是基于阻抗测量法，如交流电桥法和l c 振荡 法。交流电桥法尽管很精确，但通常需在多谐激励源下工作。许多工业传感器通 常在低于1 0 0 k h z 的频率下工作，尽管高频工作状态是可以实现的，但设计复杂 程度加大，成本较高。基于l c 振荡法的传感器虽然能在高频下工作，但测量稳 定性差，不适于在无须校准的场合下长期在线测量。 安装在输油管道内的传感器电容变化量很小，一般在几十到几百p f 范围， 第一章绪论 因此，电容测量电路要求具有0 1 p f 的分辨率，且要求有良好的零点和长期工作 稳定性。基于充放电法的电容传感器可工作1 0 0 k 5 m h z 的频率下，电荷转移法 的电容转换电路的特点是漂移小、测量准确度高、稳定性好，并且几乎不受并联 漏电阻的影响，可满足测量要求。 ( 六) 电导法 电导法 4 8 - 5 1 1 的测量原理是原油混合液的电导率与混合物相含率有关。 目前所用的电导法采用4 电极结构。它由安装在绝缘管道壁上的四个圆环电 极组成，四个电极等距排列，外面两个电极为供电电极，中间两个为测量电极。 被测流体从环形电极中间流过，给两供电电极之间施加恒流的交变电流，在两测 量电极间产生的感应电压与流过传感器内流体的电导率成反比，由此可得到相含 率【5 2 】。 上述测量油水两相流相含率的方法在测量范围、精度等方面各有差异。虽然 在现场有应用，但都还有一定的局限性。 密度法测量原理简单，但是因为原油与水的密度相差较小，确定油水混合物 密度的微小误差就会给相含率测量带来较大误差。又因为原油开采中会有气体， 少量的气体就会给测量结果带来很大误差，所以密度法测量原油含水率没有得到 推广应用。 射线法测量原理主要与介质的密度有关，与介质的状态没有太大的关系，其 调试过程相对比较简单，一般需要两个测量点就可以完成测量系统的调试。测量 精度较高，能够满足高低含水在线检测要求，还可以对介质中的含气量进行测量。 缺点是价格过高、内含放射源、管理难度大。 短波吸收法在进行含水测量时，可以对瞬时含水率进行测量，但是这种方法 不适合介质中含气较高的测量条件。而且用此种测量原理的测试仪表在现场调试 时也比较麻烦，需要进行取样化验对比的含水取样点比较多。可以测量高低含水 率情况。 对于微波法，由于两相流系统是一复杂的非线性时变系统，微波和流体介质 特性的关系有待进一步研究，而且微波本身对电子线路和环境干扰等条件要求较 高，因而在实际研究工作中仍存在不少困难。 电容法属于接触式测量，传感器电极易受原油的腐蚀、结垢、结蜡等因素影 响，致使长期工作运行的稳定可靠性差，也无法消除环境变化( 如温度) 对相含率 测量带来的零点漂移，高含水情况下不能测量。 电导法只用于水为连续相时的测量，油为连续相时不可测。地层水都含有一 定的盐离子，且盐离子的浓度有很大差别，盐离子的浓度对电导率有很大影响。 第一章绪论 电导法受地下永矿化度影响很大单独使用电导法测量效果不是很好。 热扩散法属于热力学的应用范畴，其基本原理是根据流体各相的密度和比热 的不同，不同相含率的混合流体经过加热升高的温度不同，从而完成相古率的计 算。近来的研究中，许多学者致力于从热学的角度对两相流相台率进行研究，并 就此作了不少的工作，也取得了一些成果。西安交通大学的何安定、李斌、周芳 德和吉林大学的任长春等人在1 9 9 8 年提出了“一种测量油水比的新方法”，称为 量热法h ”，并进行了相应的理论分析和试验研究。结果表明，量热法不仅可以克 服上述方法的不足。并且具有简单、可靠、无任何运动部件、对人体无辐射等优 点。 西安开尔能源工程有限责任公司正是利用了热扩散法的工作原理研制并生 产出一种原油含水仪，配有整流装置、自动取液装置和测量装置舛】。但是由于两 相流系统是一复杂的非线性时变系统，该技术在测量精度、运行稳定性等方面仍 存在不少问题，因此在实际应用中并投有得到很好的效果。 图i - l 西安开尔能源工程有限责任公司产品w o o l 原油音水仪 基于热扩散原理在相含率测量上的优点以及该方法现阶段存在的问题，本 课题针对热扩散法油水两相含率测量进行深入研究，并进行了大量实验。 第一章绪论 1 4 论文的研究内容和创新点 1 4 1 论文的研究内容 论文的研究内容主要有： 1 ) 分析国内外两相流检测技术的发展状况，并总结现有的典型两相流相含 率的测量技术，针对基于热扩散原理的油水两相流相含率测量方法开展研究； 2 ) 深入研究基于热扩散法的油水两相流相含率测量原理，并根据实际工况， 对影响含油率误差的各个因素进行详细的误差分析； 3 1 查阅相关资料，并进行实验研究，构建热扩散式油水两相含率测量系统， 针对加热器和温度传感器的设计、选型，温差测量系统的设计，铂电阻温度传感 器和d s l 8 8 2 0 温度传感器的软硬件设计，液相比热测量方法研究以及测量管段 的设计、加工等进行深入研究； 4 ) 对测量系统中加热管道中的热场进行f l u e n t 仿真，并结合实流研究，确 定本测量系统下游温度传感器的测量位置，迸一步完善热扩散式油水两相流含油 率的测量方案。 5 ) 应用本文设计的热扩散式油水两相流含油率测量系统在天津大学低压油 气水三相流装置上进行大量实验，通过不断改进实验条件，完善实验方法，并对 基于动态温差修正以及二次多项式拟合的数据处理方法进行研究，以初步实现油 水两相含率的测量要求。 1 4 2 论文创新点 1 ) 基于油水两相流体的热学特性，研究了采用热扩散法测量油水两相含率 的新方法，并从测量原理上详细分析了热扩散法求解油水两相流含油率的主要误 差影响因素，为该系统实现准确测量提供理论依据： 2 ) 构建了基于热扩散法测量油水两相含率的测量系统，并结合热场仿真和 实验研究两方面，确定了该测量系统中加热器下游温度测量点的位置，以提高温 差测量的精度及稳定性； 3 ) 采用动态温差修正以及含油率数据拟合、系数修正的方法，有效降低了 由于温度传感器一致性误差带来的影响，提高了含油率测量精度，初步实现了油 水两相含率的测量。 1 4 3 章节结构 第一章绪论。分析国内外两相流检测技术的发展状况，和本文研究的背景 第一章绪论 意义，介绍了现有的一些两相流相含率的测量方法，最后论述了本课题的研究内 容及主要创新点。 第二章热扩散式油水两相流含率测量原理及方法。深入研究基于热扩散法 的油水两相流相含率测量原理，并根据实际工况，对影响含油率误差的各个因素 进行详细的误差分析。 第三章基于热扩散法油水两相流测量系统总体设计。查阅相关资料，并进 行实验研究，对加热器和温度传感器进行选型，设计基于铂电阻温度传感器以及 d s 18 8 2 0 温度传感器的软硬件结构，并针对油相比热容的准确测量方法进行研 究，在此基础上，构建基于热扩散法的油水两相流相含率测量系统。 第四章温度传感器测量位置的仿真与实验研究。对测量系统中加热管道中 的热场进行f l u e n t 仿真，并结合实流研究，确定本测量系统下游温度传感器的测 量位置，进一步完善热扩散式油水两相流含油率的测量方案。 第五章应用本文设计的热扩散式油水两相流含油率测量系统进行大量实 验，不断改进实验条件，完善实验方法，对基于动态温差修正以及二次多项式拟 合的数据处理方法进行研究。 第六章总结与建议。 第二章热扩散式油水两相流含率测量原理及方法 第二章热扩散式油水两相流含率测量原理及方法 2 1 热扩散式油水两相流含率测量原理 由流体力学知，流体的流动与热量的传递之间有着密切的关系【5 5 】： w = c 。彪丁 ( 2 1 ) 其中形为单位时间内给予流体的能量，即加热器的功率，单位为w ； c d 为流体的定压比热容，单位为j ( k g k ) ； p 为流体的密度，单位为k m 3 ； a t 为流体的温升，单位为。c ； g 为流体的体积流量，单位为m 3 s 。 由式( 2 1 ) 可知，当加热器的功率鸭体积流量q s 恒定时，流体的c 驴与温升么丁 成反比，而流体的c 和是由混合物的成分决定的，对于油水两相流来说，主要是 由油相和水相的相含率来决定的【2 3 】。本文的实验中使用到的白油和水的主要参数 都经过实验测量获取，其中水的定压比热容州1 8 6 8 x 1 0 3 j ( k g k ) ，白油的定压 比热容c p o - 2 1 3 x 1 0 3j ( k g k ) ，水的密度p w - - o 9 9 5 x 1 0 3k g m 3 ，白油的密度 m - - 0 8 5 5 x 1 0 3k g m 3 ，可见水的c 勿相当于白油的2 3 倍左右，当相含率发生变化 时，油水混合物的印也将会随之而发生比较大的变化。这样就可以通过测量油 水两相流的温升而得到相含率。 当流体为油水两相流体时，设其中油相体积含油率为声，则水相占总体积的 1 - # ，此时公式变为 w = c 严p o f l + c p 。0 一) 1 q 。丁 ( 2 - 2 ) 其中下标0 为油相表示符，w 为水相表示符。此时通过恒定的肜与q s ，测量温 度升高么兀当油与水的c p 和p 已知时，即可计算油相含率声。 由式( 2 2 ) 可得： ：荨cp,w 7 vp ( 2 - 3 )= 万等 ( 2 - 3 ) l ”p w 一乙p o 油和水的定压比热容以及密度在温度变化不大的情况下可以认为是常数，当 第二章热扩散式油水两相流含率测量原理及方法 电热器的功率彤f 油水混合物的体积流量q s 已知时，通过测量温差信号彳乃即可 计算油相含率 q s 经过如下的换算 q = 丽o ( 2 - 4 ) 其中q 。和q 均为流体的体积流量，单