（控制科学与工程专业论文）油水两相流量测量研究及在三相流量测量中的应用.pdf

摘要 摘要 多相流广泛存在于石油、化工、冶金等生产过程的各个领域，其参数检 测对于资源的合理开发、生产安全及工业过程控制都具有非常重要的意义， 目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。由于多相流动是一个非常复杂 的过程，致使其参数检测难度较大。流量是多相流中一个非常重要的参数， 而且钡4 量相当困难。本文对文丘里管测量油水两相流流量进行了研究，建立 了基于差压法的两相流流量测量模型，如果与含水率计相结合，可以较好的 实现油水两相流的流量测量：同时研究了c o r i o l i s 流量计在油水两相流流量 测量中的应用，提出了基于s v m 韵油水两褶流分相流量预测方法，实现了 油水分相质量流量的预测；针对文丘里管和c o r i o l i s 测量油水两相流存在的 问题，提出了文丘里管和c o r i o l i s 流量计相结合的双参数测量方法，并实现 了油水两相流的流量测量；最后，在对油水两相流研究的基础上，设计完成 了一种气液分离装置，实现了油气水三相流的流量测量。本文的主要工作及 创新点如下： 1 在考虑油水两相流密度分布不均对流量测量影响并对混合物密度进 行修正的基础上，提出并建立了基于文丘里管两端差压和含水率的油水两柑 流质量流量测量模型。对建立的流量测量模型，分别采用两种不同管径的文 丘里管对油水两相流进行了实验研究。实验结果表明，该模型可以较好的测 得混合物的总流量，在整个油水比范围内模型的流量测量误差受含水率变化 影响较小。 2 采用双u 型c o r i o l i s 流量计对油水混合物韵总质量流量、分相质量 流量和真实密度进行了测量研究。以双u 型c o r i o l i s 流量计得到的油水混合 物的质量流量和密度为基础，提出了基于s v m 油水分相质量流量的直接预 测方法，避开了直接对滑脱速度、持水率与含水率等之间复杂关系的研究， 利用该方法对油水两相流进行了实验研究。实验结果表明，在含水率 5 9 5 范围内，油水总质量流量测量误差在1 5 以内；油水分相质量流 量的测量相对误差在8 以内。 3 通过对文丘里管和c o r i o l i s 流量计测量油水两相流各自的优点和存 在的问题分析，提出了文丘里管和c o r i o l i s 流量计相结合的双参数测量方法。 同时，根据文丘里管流量测量需要，提出了基于s v m 的油水两相流流型识 别方法，给出了特征向量提取方法，并将其用于流型识别，较好的取得了分 层流和分散流型识别结果。提出的双参数测量方法与利用s v m 识别出的分 散流型相结合，较好的实现了油水分散流分相质量流量的测量。 4 按照部分分离测量的基本思想，设计了一种基于部分分离原理的气 浙江大学博士学位论文 液分离装置。在计算方法上，采用本文提出的基于文丘里管的质量流量模型 对部分分离后的油水两相流进行了测量。经过对油气水三相流的实验证明， 分离装置分离效果良好，气体总体积流量测量的均方根误差小于3 ；油水 两相总质量流量和分相质量流量的测量均方根误差均小于7 5 。 关键词：多相流，流量，文丘里管，差压信号，c o r i o l i s 流量计 i i 摘要 a b s t r a c t m u l t i p h a s e f l o we x i s t si nv a r i o u sk i n d so ff i e l d s ，s u c ha sp e t r o l e u m , c h e m i s t r ya n dm e t a l l u r g y a n di t sp a r m n e t e rt a e a s u r e m e n tp l a y sa l li m p o r t a n t r o l ei nr c s o u r c ee x p l o r a t i o n , p r o d u c t i o ns a f e t ya n di n d u s t r i a l p r o c e s sc o n t r 0 1 赴 g r e a td e a lo fa t t e n t i o nh a sb e e np a i d 咄ot h i sf i e l d , w h i c h 蛔sb e c o m eal e a d i n g s u b j e c tb o t hh o m ea n da b r o a d s i n c em u l t i p h a s ef l o wi sac o m p l e xp r o c e s s , i ti s q u i t e d i f f i c u l t t o m e a s u r e i t s p m a m e t e r s ，o f w h i c h ：f l o wr a t e i s t h e - m o s t i m p o r t a n t a n dp r o v e sr a t h e rd i f f i c u l t t om e a s u r e n l i st h e s i sd e a l sw i t ho i l w a t e rf l o w , r a t e m e a s u r e m e n tu s i n g 儡，v e t l t 晡a n dd e v e l o p sad i f f e r e n t i a l p r e s s u r e - b a s e d t w o - p h a s ef l o wm t em e 刮m 北蜘唰畦m o d e l ，w h i c hd o e sat e r l 证cj o b 厕t ht h eu s e o f aw a t e rf r a c t i o nd e v i c e m e a n w h i l e , c o r i o l i sf l o wr a t em e t e r i sa l s os t u d i e di n ； t b eo i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o wm e a s u r e m e n ta n das v m - b a s e d - s i n g l e - p h a s ef l o w r a t ep r e d i c t i o nm e t h o di sp r o p o s e d ，r e a l i z i n gt h ep r e d i c t i o no fs i n g l e - p t m s e f l o w r a t e s t oo v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e so fb o t hv e n t u r ia n dc o r i o f i sf l o w 扛屺t e 培a d o u b l ep a r a m e t e rm e a s u r c m e n tm e t h o di sp u tf o r w a r d ，w h i c hc o m b i n e st h et w o m e t e r sa n ds o l v e st h ep r o b l e mo fo i l - w a t e rf l o wr a t em e a s u r e m e n t l a s tb u tn o t l e a s t ，o nt h eb a s i so ft h es t u d yo ft w o - p h a s ef l o w , ad e v i c ef o rt h es e p a r a t i o no f g a sa n dl i q u i di sd e s i g n e da n dr e a l i z e st h ef l o wm t e m e a s u r e m e n to ft h r e e - p h a s e f l o wa so i l ，g a sa n dw a t e r m u c ho ft h ew o r kd o n ea n dt h ei n i t i a t i v ep o i n t sa r e l i s t e da sf o l l o w s ： 1 c o n s i d e r i n gt h ea s y m m e t r i cd i s t r i b u t i o no f o i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o v l d e n s i t y w i t la f f e c tt h ef l o wr a t em e a s u r e m e n ta n dt h ed e n s i t yw i l lh a v e t ob er e v i s e d , a m a s sf l o wr a t em e a s u r e m e n tm o d e li sd e v e l o p e d , , b a s e d0 1 1t h ed i f f e r e n t i a i p r e s s u r eo ft h et w oe n d so fv e n t u r ia n dw a t e rf r a c t i o n v e n t u r i sw i t l k d i f f e r e n t d i a m e t e r sa r ea p p l i e dt ot h eo i l - w a t e rf l o wu s i n gt h e f l o wm e a s u r e m e n tm o d e l e x p e r i m e n t ss h o wt h i sm o d e l 啪m e a s u r et h et o t a lf l o wr a t eo f t h em i x w eq u i t e w e l la n dt h em e a s u r e m e n te r r o ro f t h em o d e l i si n f l u e n c e db yw a t e r ，f r a c t i o nt o o n l ya l i t t l ee x t e n tw i t h i nt h er a n g eo f o i l - w a t e rr a t i o 2 m 圮m a s sf l o wr a t e so fb o t ht h eo i l - w a t e rm i x t l a ea n dt h es i n g l ep h a s ea s w e l la st h er e a ld e n s i t ya s t u d i e dw i t ht h eu s eo fad o u b l euc o r i o l i sf l o w n g - t e r o nt h eb a s i so ft h el l 毗q s sf l o wr a t e sa n dd e n s i t yo b t a i n e d , ad i r e c t s v m - b a s e dp r e d i c t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r df o rs i n g l e - p h a s em a s sf l o wr o t e m e a s u r e m e n t ，a v o i d i n gt h es t u d yo f t h ec o m p l e xr e l a t i o n s h i pa m o n gs l i pv e l o c i t y , w a t e rh o l d - u pa n dw a t e rf r a c t i o n , e t c e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h em a s sf l o w m 浙江大学博士学位论文 r a t em e a s u r e m e n te r r o rf o rt h et w o 。p h a s em i x t u r ec a nb ek e p tw i t h i n 1 5 a n df o rs i n g l ep h a s e sw i t h i n 8 w i t hw a t e rf r a c t i o nv a r y i n gf r o m5 - 9 5 3 t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ea d v a n t a g e sa n dd i s m v a n m g e so fb o t hv e n t u r i s a n dc o r i o l i sf l o wm e t e r s ，ad o u b l ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n tm e t h o di s p u t f o r w a r dw i t ht h ec o m b i n a t i o no f t h e mb o t h m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt ot h en e e do f v e n t u r i s ，as v m b a s e dw a t e r - o i lf l o wp a t t e r ni d e n t i f i c a t i o nm e t h o di sg i v e n , w i t hw h i c hc h a r a c t e r i s t i cv e c t o r sc a nb eo b t a i n e da n du s e dt oi d e n t i f yf l o w p a t t e r n s ，t h u sg i v i n gg o o dr e s u l t so fb o t hs e p a r a t e da n dd i s t r i b u t e df l o wp a t t e r n i d e n t i f i c a t i o n w i t ht h ec o m b i n a t i o no ft h ed o u b l ep a r a m e t e rm e a s u r e m e n t m e t h o da n dt h es e p a r a t e df l o wp a t t e r no b t a i n e dt h r o u g hs v m ，s i n g l e - p h a s em a s s f l o wr a t em e a s u r e m e n to f t h eo i l w a t e rf l o wc a nb ed o n ee v e nb e t t e r 4 b a s e do nt h eb a s i ct h o u g h to fp a r t i a ls e p a r a t em e a s u r e m e n t , ag a s - l i q u i d s e p a r a t i o nd e v i c ei sd e s i g n e d i nc a l c u l a t i o n a lm e t h o d s ，t h ea f o r e m e n t i o n e dm a s s f l o wr a t em e a s u r e m e n tm o d e li sa d o p t e dt om e a s u r et h et w o p h a s ef l o w , w h i c hi s b a s e do nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e i ti sp r o v e dw i t l le x p e r i m e n t so f t h eo i l - g a s - w a t e r t h r e e - p h a s ef l o w , t h ea v e r a g es q u a r er o o te r r o ro ft h et o t a lv o l u m ef l o wr a t e m e a s u r e l n e n to fg a si sl e s st h a n3 a n dt h a tv a l u e so ft h em a s sf l o wr a t e so f b o t ho i l - w a t e rt w o - p h a s ef l o wa n ds i n g ep h a s e sa r el e s st h a n 7 5 k e y w o r d s ：m u l t i p h a s ef l o w , f l o wr a t e , v e n t u r it u b e ，d i f f e r e n t i a ls i g n a l ， c o r i o i l sf l o wm e t e r i v 第l 章序论 第1 章序论 1 1 多相流的概念和分类 相的概念通常是指某一系统中具有相同成份和相同物理、化学性质的均 匀物质部分，各相之间有明显可分的界面 l 2 】。从宏观观点出发，可以把自 然界的物质分成三种相，即气相、液相和固相。多相流( m u l t i p h a s ef l o w ) 是 指同时存在两种或多种不同相的物质的流动【1 1 一个多相流动体系，通常是两种连续介质或一种连续介质和若干种不连 续介质组成的。连续介质通常称为连续相，不连续介质如固体颗粒、液滴、 水泡等称为分散相。根据流动介质的连续与否，可把多相流动分为两类问题， 第一类是连续相中含有分散相的均匀或不均匀的混合物的流动，普通多相流 就是指这类流动；第二类是相间交界面相互作用起着重要作用的流动，此时 两相介质是均匀的，但必须考虑相界面的力学关系。 自然界和工业过程中广泛存在的多相流主要有以下几种1 3 , 4 ： 1 液液两相流：两种互不相溶的液体混合在一起的流动称为液液两相流。 油田开采与地面集输过程的油水两相流，化工物质提纯与萃取过程中大 量的液液混合物流动均是液液两相流的工程实例。 2 气液两相流：气体和液体物质混合在一起共同流动称为气液两相流。在 自然界、日常生活和工业设备中，气液两相流的实例比比皆是。在锅炉 系统、石油、天然气和低沸点液体的传输过程中，以及传热传质设备大 量的分离和反应过程中，都广泛存在着气液两相流。 3 气固两相流：气体和固体颗粒混合在一起共同流动称为气固两相流。在 自然界和工业过程中，也存在着大量的气固两相流的具体实例。例如， 烟道气夹带灰粒，粮食加工和化工工业中广泛应用的气力输送，石油的 催化裂化，矿物的流态化焙烧等过程中，气固两相流的工业实例大量存 在。 4 液固两相流：液体和固体颗粒混合在一起共同流动称为液固两相流。矿 浆、纸浆、泥浆和胶浆等浆液流动，动力、化工和建筑等工业过程中广 泛使用的水力输送，污水处理与排放中的污水管道流动等都属于液固两 相流范畴。 5 两相以上的多相流：石油和能源动力工程中的油一气一水、油一水一砂 浙江大学博士学位论文 和油一气一砂等三相流以及油一气一水一砂四相流等均是多相流的典 型例子。 多相流系统遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等各个工业领 域，煤粉输送、原油开采、污水排放、浆料输送、粉尘测量、气力输送等生 产过程测试均属于多相流体的测量问题1 5 j 。而由于多相流体动力学特性极其 复杂，因此多相流的测量迄今为止在国际上都未得到满意的解决，被称为 “难测流体”( d i f f i c u l t f l o w ) ，多相流的测量也因此成为国内外科技工作者 争相探索的热点课题。目前，多相流的测量主要围绕流体的流速、离散相浓 度、体积流量、质量流量等生产过程参数进行，这些参数的在线测量对生产 过程的计量管理、控制和运行可靠性具有重大意义。 1 2 多相流中主要参数 在多相流动过程中，由于相界面的形状和分布都是随时间和空间变化 的，并且各相之间存在速度差，使得多相流动过程要比单相流动复杂得多， 同时在多相流中也增加了一些在单相流中不存在的参数。因此，本文以油水 两相流为例，详细介绍多相流中的主要参数。 1 流型 油水两相介质在两相流中各自的分布方式或流动结构称为两相流流型， 简称为流型。流型是两相流最基本的特征之一，不仅影响两相流的流动特性、 传热和传质性能，而且还影响两相流其他参数的正确测量。 2 质量流量和体积流量 单位时间内流过管道总流通截面积的流体质量称为总质量流量，油水两 相流的总质量流量与各相质量流量的关系为： g = g + g 。 式中，g 为两相流总质量流量，q 为油相质量流量，瓯为水相质量流量。 单位时间内流过管道总流通截面积的流体体积称为总体积流量，油水两 相流的总体积流量与各相体积流量的关系为： q = q o + 绒 ( 1 - 2 ) 式中，q 为两相流总体积流量，q 为油相体积流量，玑为水相体积流量。 2 第1 章序论 q 口和瓯可分别表示为： q：鱼(1-3) 纯：鱼(1-4) 式中，p o 为油相密度，n 为水相密度。 3 分相含率 单位时间内通过管道某一截面水流相的体积与全都流体体积的比称为 含水率，表示为： 耻鲁(1-5) 式中，k 。为含水率。 将式( 1 2 ) 代入式( 1 - 5 ) 可得： 耻壶 ( 1 6 ) 纨 在一定长度的管道内水流相的体积和该管段体积的比称为持水率，表示 为： 匕=軎(1-7) 式中，匕为持水率，圪为一定长度管道内水流相所占体积，v 该管段体积。 油水两相流体中水相质量流量所占两相质量流量的份额称为质量流量 含水率，表示为： 氖= 矗 ( 1 8 ) 式中，以为质量流量含水率。 同样的，质量流量含油率为： 磊= 矗 c t 哪 浙江大学博士学位论文 式中，厄为质量流量含油率。 4 速度 ( 1 ) 相速度 在油水两相流管道中，单位面积所通过的相体积流量称为该相的相速 度，则油相和水相的相速度分别为： 。：鱼 以 。：盟 1 以 ( 1 - 1 0 ) 式中，v o 、v 。分别为油相和水相速度，该速度常称为各相的实际速度，它 们是各相所占截面积的平均速度，而不是各点的局部速度，q 、g 分别为 管道内油相和水相流动面积。 ( 2 ) 折算速度和混合物速度 在两相流中，由于相间界面在时间和空间上存在复杂的变化，因此分相 的速度难以获取，为了表征分相的速度，引入了折算速度的概念。折算速度 是指分相的体积流量与管道流通截面积的比值，即 ：粤(1-12) v 。：望 ( 1 - 1 3 ) 以 式中，y , j 油相折算速度；q o 为油相体积流量；彳为管道流通截面积；v 。 为水相折算速度；q 0 为水相体积流量。 单位时间单位管道流通截面所流过的混合物的体积流量称为两相混合 物的速度，简称混合物速度，又称为流量速度，其表达式为： ，：鱼盟 n 1 4 ) 4 式中，v 为混合物速度。由折算速度的定义知： v = v o + v 。 ( 1 - 1 5 ) 折算速度和混合物速度实际上都是不存在的假想速度，它们的引入将为 两相流的计算和数据处理带来方便。 ( 3 ) 滑动比和滑动速度 4 第1 章序论 滑动比指两相流动中油相流速与水相流速的比值，即： s ：兰 1 ， 0 - 1 们 式中，s 为滑动比，为油相速度，1 ，。为水相速度。 油相流速和水相流速之差称为滑动速度，表示为： v j 。一 ( 1 1 7 ) 式中，q 为油水两相滑动速度。 5 两相混合物的密度 在两相流动中，两相介质的平均密度有流动密度和真实密度两种表示 法。 流动密度表示单位时间内流过管道内截面的两相混合物的总质量与总 体积之比，即： ， g 以2 西 0 - 1 舢 ，式中，靠为两相混合物的流动密度。 式( 1 一1 8 ) 又可表示为： n = p 0 0 一以) + 风e ( 1 - 1 9 ) 如果在某时刻在管道某处取一微元体a v = 4 ，则在该微元体内两相 介质的总质量a m 与微元体体积a v 之比称为两相介质的真实密度，即： a m 岛2 万 ( 1 柳 式中，以为两相介质的真实密度。 用持水率表示两相介质的真实密度为： a = p 0 0 一匕 + d ，匕 ( 1 2 1 ) 6 压力和压力降 压力和压力降是两相流中的基本参数。两相流的压力降与分相流体的压 力降之间已经建立了一些理论的、经验的或者半经验的公式。大量的研究表 明，对压力降信息进行分析也是检测两相流流动参数的重要手段。 7 油气水三相流中的主要参数 浙江大学博士学位论文 与油水两相流中的参数相类似，油气水三相流中的参数主要包括：流型、 质量流量、体积流量、质量含水率、质量含油率、质量含气率、压力和压力 降等，这些参数的关系可以采用与油水两相类似的方法推广得到，但其表示 方法更加复杂。 1 3 两相流的处理方法 流体力学的基本方程也适用于两相流动，但在两相流动中，一般应对各 相列出各自的守恒方程，还要考虑各相间的相互作用，因而描述两相流的方 程组比单相流复杂的多。基于以上原因，一般采用的两相流处理方法主要由 以下三种 6 1 ： 一是与处理单相流动一样，从物理概念出发，或者用因次分解法，或者 从微分方程中得到描述某一特定两相流动过程的一些无因次参数，然后根据 实验数据得出经验关系式。 二是半经验法，根据所研究的过程的特点采用适当简化假设，再从两相 流的基本方程求得描述该两相流过程的函数形式，然后利用实验方法定出方 程中的经验系数。本文第3 章和第4 章中，就是采用这种方法，首先对利用 文丘里管测量油水两相流进行建模，然后对差压时均信号、含水率和流量等 参数的关系作了研究。 三是流体力学分析法，该方法首先分清两相流流型，然后根据各种流型 特点分析其流动特性并建立相应关系式。采用这一方法，能更深入的探究两 相流实质，且更具有普遍意义。 尽管上述方法是针对两相流动所采用的处理方法，但大量的研究文献表 明，在处理油气水三相流时，仍然采用上述类似的处理方法及方法的组合。 1 4 两相流参数检测技术进展及发展趋势 两相流问题的明确提出是在二十世纪初的自然循环锅炉水力计算和石 油工业中稠油的减阻输送研究中。随着工程领域的不断发展，两相流所涉及 的范围和应用的重要性也迅速扩大。但由于两相流体系情况比较复杂，为了 对其进行建模、设计、预测和控制，必须要解决好两相流参数的测量问题。 目前国内外对两相流参数的检测所采用的技术路线大体可分为以下几个方 面：一是采用传统的单相流仪表和两相流测试模型组合的测量方法；二是新 型传感技术用于两相流参数检测：三是以计算机技术为支撑平台，采用基于 软测量技术的软测量方法。对于三相流测量技术的研究，目前主要集中在开 6 第1 章序论 发适合于工业环境使用三相流量计。三相流测量技术的研究与应用，将在第 2 章作详细的评述。 1 4 传统单相流仪表和两相流测试模型组合测量方法 由于传统的单相流仪表不仅工作可靠，而且被许多应用者所熟悉，再根- 据被测对象的工况配以合适的测量模型，能在一定的精度范围内解决许多两 相流参数的测量问题。例如对涡轮流量计建立了关联函数式和a y a 模型【7 8 1 ； 对孔板或文丘里管等差压式流量计建立了基于分相流模型或均相流模型的 两种两相流量模型和基于差压脉动噪声的两相流量模型1 9 - 1 3 】；对电磁流量计 建立了导电液相流速分布为非轴对称影响的修正模型1 1 4 j ；对c o r i o l i s 流量计 建立了流量指示随气相含率变化的误差模型等l l5 j ；对涡街流量计提出了频一 率自适应的信号处理方法1 1 6 】。这些模型和方法的建立，虽然在一定程度上 解决了利用传统的流量仪表测量两相流流量问题，但在应用时都有一定的使 用条件和测量精度，因此如何把成熟的单相流参数测量仪表更可靠广泛地应 用于两相流参数检测中，仍然是一个重要的研究方向。 1 4 2 新型传感技术用于两相流参数检测的方法 近几十年来，为了更准确的测量两相流的相含率、波动频率、相速度及 分散相浓度，许多新型传感技术逐渐应用到了两相流参数测量当中。这些新 型的传感技术主要包括：辐射线技术、激光技术、光纤技术、超声技术、相 关技术、过程层析成像技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、核磁共 振技术及电导纵向两极阵列测量技术等。 这些新型传感技术的主要特点：一是采用非接触或非侵入式传感技术， 对流体的流动无干扰，即不破坏流场信息；二是具有良好的动态性能，便于 实现实时在线测量；三是较好的将微观测量与宏观检测结合在了一起；四是 便于实现多传感器信息融合。 基于射线吸收和散射原理的仪表是测量两相流组分的重要手段，国外在 此领域的技术已趋成熟，并形成了商品化的工业仪表【1 1 ；激光多普勒技术 由于具有非接触方式、空间分辨率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽 等特点，缛到了很大的发展，特别是相位多普勒技术不仅能检测颗粒相( 包 括气泡、液滴、颗粒) 的速度，还能得到尺寸分布和流量信息，应用更为广 泛【1 3 j 9 1 。过程层析成像技术具有能得到两相流动态图像的诱人特点，在过去 的十多年得到了迅速发展 2 0 - 2 2 1 。微波技术可以直接测量两相流中含水率， 目前许多领域含水率的测量都采用了微波技术 2 3 - 2 5 1 。光导纤维具有灵敏度 7 浙江大学博士学位论文 高、光子传递信息不受电磁场干扰、“传”“感”合一、工作可靠、重量轻、 尺寸小且柔软，安装方便等特点，因而在两相流参数检测中得到了迅速发展 。核磁共振技术具有非接触测量、与被测流体的导电率、温度、黏度、 密度和透明度等物性参数变化无关等特点，在两相流的含气率、平均速度、 瞬时流速、流速分布测量等实验研究中获得了应用 2 7 1 。相关技术在理论上 可用于测量任何流体系统的流量，而且测量流速的范围很宽，因而为解决多 相流系统测量问题提供了一种强有力的技术手段，鉴于相关技术的独特优 点，基于该技术的方法受到了很多研究者的关注 2 8 - 3 ”。随着各种新型传感 技术的发展与成熟，逐步实现对两相流各参数在线、实时的测量，将成为今 后两相流研究中的一个重要趋势。 1 4 3 以计算机技术为平台的软测量方法 软测量( s o f ts e n s o r ) 是利用较易在线测量的辅助过程变量和离线分析信 息提供主要过程参数的在线估计方法。它通常在成熟硬件的基础上，以计算 机技术为支撑平台，通过各种运算来完成各参数的处理。软测量方法主要用 来解决具有复杂性、不确定性且很难用数学模型精确描述的两相流系统的测 量问题。 目前在两相流领域用到的软测量技术主要有：状态估计、人工神经网络、 希尔波特黄变换、模式识别、支持向量机等。 状态估计法可以用来测量两相流流速，它是利用流动噪声渡越时间估计 法测量两相流流速，相当于在时域完成白化预滤波再进行广义互相关，可以 克服或改善现有相关法存在的随机误差较大、分辨率低及动态响应慢的不足 【3 2 】；许多研究者应用人工神经网络、希尔波特黄变换等技术对两相流分相 含率测量、质量流量测量及流型识别方面做了大量的应用研究工作【3 3 3 7 1 ； 模糊信息融合技术应用于两相流流型识别、含气率测量及颗粒平均直径确定 的研究也进行了一些研究报导p “”。 1 4 4 两相流参数检测技术的发展趋势 综上所述，对两相流测试这样一个难度较大，在国内外都属于急待研究 和探索的领域，两相流测试技术的发展趋势和今后研究方向可归纳为以下几 个主要方面m 。 ( 1 ) 成熟的单相流参数测试技术与测量仪表应用于两相流检测仍然是 受到普遍重视的一个重要研究方向。 ( 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、 第1 章序论 全息技术、新型示踪技术等) 的发展，研制高灵敏度，高准确度和高可靠的 两相流传感器和参数测试仪表。 ( 3 ) 随着计算机技术和图像处理技术的发展，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 和瞬态的测量。 ( 4 ) 完善与推广目前已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。随着随机过程理论和 信息处理技术的不断完善和发展，应用数理统计、过程辨识、参数估计和模 式识别等理论和技术，进行两相流参数估计的软测量方法将成为一个很有前 途的研究方向。 ( 6 ) 对两相流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究正逐步受到关注。 1 5 本文的主要工作及意义 本文在进行了大量中外文文献查阅的基础上，对所研究的对象进行了深 入的探究。针对多相流流量测量中存在的问题，提出了以下多相流流量的测 量方法：基于差压法的油水两相流流量测量方法；基于c o r i o l i s 流量计和 s v m 的流量预测方法；文丘里管和c o r i o l i s 流量计相结合的双参数测量方 法；基于部分分离的油气水三相流流量测量方法。、以上这些测量方法较好的 解决了油水两相流及油气水三相流的流量测量问题。 本文的内容安排如下： 第l 章介绍了多相流的基本概念、分类以及主要参数：分析了两相流 参数检测的难点、处理方法、研究进展和发展趋势；最后给出了本文的研究 意义和主要工作。 第2 章综述了两相流中两个重要参数的测量方法，即流量测量方法和 分相含率测量方法，分析了各种测量方法的优缺点；介绍了组合式多相流量 测量方法的原理，并结合上述测量原理给出了几种国外典型的组合式多相流 计，评述了目前多相流量计中采用的技术及存在问题，提出将来多相流量测 量技术研究的任务。 第3 章介绍了几种典型的两相流模型或关系式；在借鉴前人经验韵基 础上，提出了基于文丘里管两端差压和含水率的油水两相流流量测量模型， 并对模型中的参数进行了讨论。 9 浙江大学博士学位论文 第4 章介绍了实验装置和实验方案：采用本文推导的模型测量了油水 两相流总流量和分相质量流量，通过不同管径的对比实验，分析了雷诺数、 含水率和管道内径对两相流流量测量的影响。 第5 章介绍了c o f i o l i s 流量计的基本工作原理：提出了基于s v m 油 水分相质量流量的预测方法：避开了直接对滑脱速度、持水率与含水率等之 间复杂关系的研究，实现了油水分相质量流量实时预测。 第6 章提出了文丘里管和c o r i o l i s 流量计相结合的油水两相流测量方 法，给出了该方法测量油水两相流流量的原理。基于文丘里管流量测量的需 要，提出了基于s v m 的油水两相流流型识别方法。在此基础上，测量了油 水两相流流量。 第7 章总结了油水两相流流量测量的研究目的，提出了基于部分分离 法的油气水三相流流量测量方法；根据测量需要，设计了气液分离装置，给 出了该装置的工作原理；结合本文推导的文丘里差压流量测量模型，实现了 文丘里管在部分分离法测量油气水三相流流量中的应用。 第8 章对全文的研究工作进行总结，并提出了将来进一步研究的设 想。 1 0 第2 章文献综述 2 1 引言 第2 章文献综述 两相流在石油、化工、冶金、动力等生产过程的各个领域广受关注，而 目前对于两相流的计量可以分解为两个技术要点：一是两相流的总流量钡i 量；二是分相含率的测量。因此，两相流的总流量测量和分相含率测量是两 相流中基本的和重要的参数。本章将针对这两个重要的参数，详细阐述两相 流流量、分相含率的发展历史与现状，以及它们的测量方法与测量技术，并 给出各种测量方法的优缺点分析。 2 2 两相流流量测量方法 流量是两相流中最重要的参数之一，对于存在两相流的工业应用系统， 其计量核算、自动控制、能量和物料的平衡等往往要依赖于对该参数的准确 测量。同时，流量的准确测量对工程设备运行的经济性和可靠性也十分重要。 随着工业生产和科学技术的进展，对两相流流量测量的精度和范围要求越来 越高，流量测量技术也日新月异。国内外学者对两相流流量测量方法进行了 大量的研究，其中主要方法有分离计量法、组合式测量方法、相关测量法和 质量流量计法等。 2 2 1 分离计量法 分离计量法在油田现场应用比较广泛。在石油的开采过程中，油田井口 韵原油计量是一个气液液三相流流量测量问题，其中气相为天然气( 还包括 其他一些油井伴生气) ，液相为石油和水的混合物。传统的测量方法是采用 三相分离器将油、气、水分开，或采用两相分离器将气、液两相分开，然后 分相进行计量。分离计量方法一般分为全分离法、粗分离法和取样分离法三 种。 全分离法是应用分离设备将气液液混合物分离成单相气体和液体后，再 通过普通单相流量计进行计量。传统的全分离法采用庞大的分离设备，把两 1 1 浙江大学博士学位论文 相流体流量测量转化成了单相流体流量测量，具有工作可靠、测量精度高、 测量范围宽且不受流型变化的影响等优点，是目前陆地油田油气产量计量的 主要方法。这种方法的最大缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建 立专门的计量站和测试管线，这在很大程度上增加了成本。 粗分离法是近年来出现的多相计量方法，通过把两相流体粗略分离为以 气相为主和以液相为主的两股流体来进行测量。目前，已出现了一些商业化 的产品。 取样分离法一般是在计量两相流总流量和平均密度的基础上，提取少量 样液加以分离，测定各相的百分含量，然后通过计算获得各相的流量。目前 已有多种取样分离的多相流量计，其中具有代表性的是e u r o m a t i c 多相流量 计【4 3 】。相对于全分离法和粗分离法，取样分离法的分离设备大大缩小。但 气液液三相流流动过程中的波动性和流型的不断变化使得取样器或分配器 的设计比较困难。 2 2 2 组合测量法 ( 1 ) 单相流量计与密度计组合法 该方法应用单相流量计与密度计组合测量两相流流量，其特点主要体现 在单相流量计与密度计的组合使用上，常用的密度测量方法有阻抗法，光纤 探针法，电导探针法等常规方法以及，射线澍1 , 4 4 1 。由于该方法简单易于实 现，因而成为目前研究较多的两相流流量测量方法，具有广阔的应用前景。 但常规的相含率测量方法易受流型、流体物性等影响，这使得该方法尚待进 一步研究，而，射线法由于许多应用场合的安全要求而限制了其推广使用。 ( 2 ) 单相流量计与单相流量计组合法 与单相流中流量计的输出信号与被测流体流量一一对应不同，在两相流 中流量计的输出信号不仅与被测流体流量有关，而且与被测流体的相含率有 关，因此，采用单相流量计测量两相流流量时，一般需要两个不同特性的传 感器组合起来进行测量，其测量原理可描述为： 墨= f l ( m ，) 是= 五( 所，所 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 式中，s 和岛分别表示两个传感器的输出信号，m 为被测流体的流量，为 被测流体中轻质相的含率，石和五分别表示两个传感器的输出与被测流体 第2 章文献综述 流量和轻质相含率间的函数关系，该函数关系可通过理论或实验确定。 由于单相流量计廉价、易用、可靠并被广泛接受，因而研究人员对这种 单相流量计组合法在两相流流量测量中的应用进行了大量的研究。f r a n k 等 提出用涡轮流量计与文丘里管组合测量气液两相流流量的方法1 4 5 j ；a m a d 也 采用涡轮流量计与文丘里管组合测量冷凝剂r - 1 3 4 a 的质量流量【协船j 。陈之 航等应用椭圆齿轮流量计与孔板组合测量气液两相流气体流量和液体流量 【4 9 l ，沈红梅等采用柱体压差传感器与涡轮流量计相结合测量气液两相流流 量1 5 田。李海青等应用串联双孔板组合测量两相流流量，并在内径5 0 m m 的 管路上以空气一水为介质进行了实验，结果表明，双孔板组合法测量两相流 流量在理论和实验上都是可行的，但如何选择孔板形状、尺寸、间距以及降 压比以提高测量精度尚需深入研究【l l 。 单相流量计组合法的优点是能够直接利用常规流量计进行两相流流量 测量，测量装置简单，缺点是有效测量范围有限，而且测量结果受流型的影 响较大。 2 2 3 相关测量法 相关测量法是2 0 世纪6 0 年代中期发展起来的、以相关技术为基础构成 的两相流流量测量方法。理论上该方法可用于测量任何流体系统的流量，而 且测量流速的范围很宽，可从层流到超音速流，因此相关流量计法为解决两 相流量测量提供了一种强有力的技术手段 5 1 - 5 4 1 。 相关法的特点是：理论上可用于测量任何流体系统流量( 单相流、两相 流及多相流) ，而且测量流速的范围很宽，可从层流到超音速。 相关测量法测量流体的流量本质上是测量流体的流速，如果要测定两相 流体的质量流量，则还需和密度计配合使用。 相关法测量两相流体流流量的原理为：设在被测管道上取两个控制截面 彳及曰，二者相隔一小段距离，如图2 1 所示，在管内两相流中，各相不 可能混合得十分均匀，各相含量的分布在流动过程中是在变化的。由于所取 两控制截面之间的距离很短，可以认为在该距离内流动时，两相流中各相含 量的分布是不变的。如在管子截面爿处布置一台装置1 ，测定两相中某一相 的含量随时间的变化曲线础) ；再在截面丑处布置另一台装置2 ，测定同一 相的含量随时阃的变化曲线y ，并将x ( f ) 和y 何示于图2 2 ( a ) 。则由图可见 曲线x 何的最高值和曲线y 值之间距离吒应代表流体由a 截面流到曰截 浙江大学博士学位论文 面所需的时间( 在图2 2 ( a ) 中，横坐标为时间，纵坐标为被测相的含量值) 。 图2 1 相关法测量流量装置示意图 在图2 1 中，由月和口测得的某相含量信号曲线被输入相关器进行处理 以确定l 值。相关器由图2 1