探针测量多相流持液率.docx

探针法测量多相流相分率摘要: 在多相流工艺计算中，相分率是多相流中一个非常重要的参数。准确预测和测量相分率，对于多相混输管道的流量测量、工艺计算和优化运行具有重要意义。本文综述了近年来国内外多相流相分率测量技术的研究进展，介绍了几种主要的相分率测量方法的原理和发展情况。介绍了有关学者提出的计算多相流中持液率和空隙率的多种预测模型及其相关的检测方法和设备，并详细分析了各种方法的特点及其应用情况。关键词：探针，多相流，相分率，检测方法1. 引言相分率是研究多相管流的重要课题，也是实现多相流计量的重要参量，它对生产过程工艺优化、流量测量及控制具有重要意义.相分率是多相流系统的一个重要参数，是确定多相流分相流量、求取多相流混合物平均密度、计算压力梯度、分析管内流动状况等的关键依据。然而，由于多相流系统的特殊性和复杂性，目前行之有效的检测技术还很缺乏，现有的气液多相流相分率测量技术还难以满足机理研究、工程设计、状态监控和可靠运行等日益增长的需求因此，研究气液多相流相分率测量技术具有重要的学术意义和工业实际应用价值。多相流的电导信号蕴含了丰富的两相流体流动信息，基于电导检测技术进行多相流相分率测量的研究已有相当的历史。同时，由于相应的测量系统还具有结构简单、成本低和实时性能佳等优点，因此，基于电导检测技术进行气液两相流参数测量一直是两相/多相流检测领域研究发展的重要方向之一。经国内外众多研究人员长期努力，该方面的研究工作目前已取得了不少有益的进展，相应的测量系统已从早期的单组或多组电导电极探针式测量发展为以电阻层析成像技术为代表的多电极阵列式测量1。2. 多相流相分率的测量方法由于多相流的特殊性和复杂性，相分率的计算方法在很大程度上都与管内的流动状态以及两相流的介质有关，而且各种计算方法都是基于各自的假设条件提出来的，所以计算结果之间相差较大，因此在具体应用时要根据实际的对象和要求选用合适的相分率计算式。但在实际流动过程中这些相分率计算公式中的各参数一般是未知的或者是需要实际测量的，因而限制了计算法的实际应用。常用的相分率测量方法主要有模型预测法、快关阀法、射线法、光学法、热学法、微波法、核磁共振法、电学法以及过程层析成像法等。（1） 模型预测法相分率模型预测法的研究已有相当的历史。相分率的模型预测法主要分为以下两种:一种是基于实验数据，釆用回归分析方法建立相分率与两相流的压力、流速、密度等参数之间的关系式，即实验整理法；另一种是基于一定的假设，直接利用两相流基本方程进行理论推导来获得相分率的计算式，即理论计算法。Martinelli和Nelson等人釆用实验整理的方法对饱和蒸汽饱和水两相流的实验数据进行了分析，获得了平均空隙率与质量含气率之间的关系式2。Bankoff针对均相流动体系，假设局部处的气相速度与液相速度相等，且流通截面上的速度分布与空隙率分布服从指数规律，获得了气液两相流的平均空隙率计算模型3。在Bankoff的基础上，Zuber等人提出了把速度分布、空隙率分布以及气液相对速度全部考虑进去的计算模型4。Zivi、Smith针对流型为环状喷雾流的气液两相流进行了研究并建立了空隙率计算模型。5相分率的模型预测方法在理论研究上具有重要的价值，但在实际应用过程中通常受到很大限制。由于模型预测法通常基于一定的假设条件，而且各个方法假设条件均有所不同，因此所提出的相分率模型或计算式各不相同，其适用范围也存在很大差别。同时，在使用时还需预知预测模型或计算式中的各个参数，这些参数在实际应用中通常与相分率一样难以获取。因此，相分率的模型预测方法还未能在实际测量过程中广泛应用。6（2） 快关阀法快关阀是直接测量分相分率的一个最常用的方法。在气液两相流实验测试管段的两端安装两个能同时动作的快关阀，当两相混合流体的流动到达稳定状态时，同时关闭这两个阀门，并通过气液分离求出两阀门间的体积平均相分率。快关阀法简单准确有效，是目前实验室两相流相分率测量研究的主要标定方法，主要缺点在于测量时要切断流体的正常流动，因此不能进行在线实时测量，同时也不适合在实际工业生产过程中应用。7（3） 射线法8射线法为目前研究和使用较多的两相流相分率测量方法之一。基于射线法测量相分率的基本原理为：当射线通过气液两相混合介质时，因介质的吸收会导致射线强度发生衰减，且衰减的程度与气液两相混合介质的相分率有一定关系，通过检测射线穿过两相介质前后的福射强度变化，即可获得气液两相介质分布的信息。利用射线法测量相分率时，相分率与穿过两相介质的射线福射强度之间满足如下关系式: （1）式中，I为当管道内为气液两相流时，射线穿过两相混合介质后的福射强度，Ig、Il为当管道内分别充满气相和液相时射线穿过后的福射强度。射线法比较适合于稳态流动下的相分率测量,且测量时可以不干扰流体流动,因此是目前应用较好较成熟的一种相分率测量方法。但由于射线对人体有害,在实际应用中存在射线防护、放射性物质保存、设备维护等安全方面的问题,因此射线法测量两相流相分率主要在核工业等领域中应用,在一般的工业应用领域还较为少见。（4） 光学法随着光学技术的发展，光学法已经应用于两相流的参数（如液滴、气泡直径，局部相浓度等）测量中，主要包括光衰减法和光导探针法。光衰减法9-10是气液两相流测量中最常用的一种方法。当光通过一个含有气泡或液滴的两相流体时，在入射光方向上光强要产生衰减，由 Beer 定律，其衰减后的光强I 为： （2）式中，I0为透射前的光强， L 为光穿过的介质厚度， 为衰减系数。衰减系数与相分率成正比关系，只要测得光经过两相介质后衰减大小即可求得分相分率。同射线衰减法相同，单束光的光衰减法得到的是光线所穿过的弦的平均相分率值，为提高测量性能，一般采用多束光线测量截面平均含率。光导探针可以对局部相分率进行测量，其基本原理是：当气相与探针接触时，光在探头产生全反射，当液相与探针接触时，光在探头上产生折射而无反射，通过测量反射光的变化，即可获得光导探针某点处的相分率大小。光导探针具有原理简单和响应速度快的优点，但一般不适于高温系统的测量。利用光学法测量气液两相流相分率虽然在近年来得到了较多的研究与关注，然而大部分应用场合仅为实验室，在实际应用中通常因测量介质的限制和环境清洁度的要求而难以得到广泛应用。5（5） 热学法热学法是利用热线风速仪进行气液两相流相分率的测量11。气液两相流中两相的传热系数在多数情况下存在较大差异：当气相接触热线电阻时，由于其传热系数小，要维持热线恒温所需的电流较小；当液相接触热线电阻时，由于其传热系数大，加热电阻丝所需的电流较大。气液两相流流过热线电阻时，热线风速仪输出的是一个时高时低的随机信号，根据高低电平各自所占的时间分量就可得到热线电阻所在处的时间平均空隙率。热学法测量相分率时需将热线电阻丝插入流场，属于侵入式测量，会阻碍气泡流动或者使气泡变形，影响测量结果，造成较大的测量误差。（6） 微波法微波法的基本原理是不同物质吸收微波能量级别不同而且能量不受密度变化影响，在微波频率下通过透过两相流后的微波信号的相移和幅度衰减大小就可以得到流体的分相分率。微波传感器的优点是非侵入、不破坏环境、无辐射以及稳定性高，而且测量准确度不受温度、粘度、密度和电磁场干扰的影响，但造价相对昂贵且标定复杂，此外微波传感器的适用性较弱，需要额外传感器提供测量补偿12。David John Cracknell发明了一种利用微波确定多相混合物中含气量和含水量的新方法，并在此基础上，进一步研制出了微波海底原油分析仪。该方法基于微波和无线电射频的传播特性，可以进行在线实时测量，并且克服了油气水混合不均匀所带来的测量困难13。John D.Marelli14也提出了一种利用微波测量油气水三相混合物中含气率和含水率的方法。该方法属于在线统计分析方法，先利用微波确定含气率后，再利用含气率进一步计算出准确的含水率。基于此方法开发的微波含水率检测仪应用十分广泛。该系统可以准确测量出油水混合物中的任意含水率值，即使在流体特性发生改变或含水率高达25%时，也能够正常工作。该系统已被用于海洋管道的测量，其输出值可以用现存的通信网络，如SCADA系统，支持传输。但是该系统不适用于含气率太大的情况。（7）核磁共振法15核磁共振法是指处在某个静磁场中的物质的原子核系统受到相应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之间发生的共振跃迁现象。通过测量气液两相混合物中液相部分的核磁共振吸收可测量系统的相分率。实验表明：在静态下核磁共振信号的强度与液相分率成线性关系，并且其灵敏度与管道中的质量分布无关，在流动状态下仍可精确测量相分率。核磁共振法测量相分率时要求管道为非金属材料，这样高频磁场才能穿过管道进入流体。除了能测量相分率外，核磁共振法还可以测量平均速度、瞬时速度以及速度分布等参数。（7） 电学法电学法是气液两相测量中测量相分率的重要方法之一，根据气相流体和液相流体介电常数或者电导率的不同，电学法又可分为电导法和电容法两种。电导法适用于连续相为导电流体的流动现象，测量中将两相流看做导体，由于两相各组分电导率的不同，通过传感器向管内流体施加电流或者电压激励，进而测量电极之间的电阻抗即可求得分相分率。电容法主要用于连续相为非导电相的两相流相分率测量，将两相流体看做电解质，由于两相各组分介电常数的不同，根据传感器测量的电容大小可以计算相分率。电学法结构简单，容易加工，造价低，响应速度快，但是测量中受两相流流型的影响，局限于一定的含水率。16（8） 过程层析成像法15过程层析成像技术PT（Process Tomography）起源于 20 世纪 80 年代后期，是在医学 CT（Computerized Tomography）技术上形成和发展起来的两相流过程参数在线监测技术，可以提供丰富的物质截面信息，具有很好的应用前景76。PT 技术通过安装在被测管道上的传感器敏感阵列以非侵入的方式获取被测管道内的投影数据，利用图像重建算法重建出被测流场介质分布情况的图像，对图像进一步处理，可以确定两相流体中各组分的局部相浓度。过程层析成像技术是近年来飞速发展起来的一门新技术，具有巨大的发展潜力和广阔的工业应用前景。非插入式的电阻层析成像技术ERT (Electrical Resistance Tomography)是过程层析成像的一种，以其相对价格低廉、操作简单、时间分辨率高、并可实现对某一特定空间进行多方位在线测量等优点，成为过程层析成像技术发展的主流和研究热点。由以上可知，探针法具有设备简单，成本低，操作方便等优点，在测量多相流管道相分率方面有着显著的优势，因而应用最广泛。下面着重介绍一下探针法测量相分率的原理和特点等。3. 探针法测相分率（一）、电导探针17（1） 电导探针测持液率的原理在气-水和油-水两相混合物中，气相和油相为不良导体，水相的电导率则较大。因而可以利用气相和油相与水相电导率的显著差别来实现对气-水两相、油-水两相以及油-气-水三相流截面持水率的测量。当电导探针与水相接触时，回路电流较大，输出高电平；当电导探针与气相和油相接触时，回路电流较小，则输出低电平。随着气-水两相、油-水两相或者油-气-水三相流体交替流过电导探针，仪表将输出随时间连续变化的电压信号。将信号经A/D转换器输入微机进行采集和数字信号处理，即可得到电导探针所在位置的局部平均截面持水率。电导探针的结构图1所示。20图1电导探针的结构 (2) 电导探针的种类 目前，在多相流相分率测量方面应用最多的电导探针主要包含线性平行电导探针和环形平行电导探针两类。a、线性平行电导探针线形平行电导探针一般选用直径为0.4mm的不锈钢丝制作电极，探针两电极嵌入有机玻璃管的同一管截面上。两电极之间严格平行，距离为5mm。如图2所示。图2 线性平行电导探针b、 环形平行电导探针环形平行电导探针一般选用直径为0.6mm的不锈钢丝制作电极，环形电极嵌入有机玻璃管的内壁凹槽中，并与管内壁平齐。两电极之间严格平行，距离为5mm。如图3所示。图3 环形平行电导探针（3） 探针输出信号处理电路电导探针的激励信号频率越高，则电导探针的测量精度越高。该信号由信号发生器产生。电导探针输出的信号进入处理电路，探针输出信号处理电路如图4所示。A I/V转换； B.有源全波整流；C.量程调整 D.二阶低通有源滤波图4 探针输出信号测量电路该信号处理电路包括4部分：A.电流电压转换电路；B.全波整流电路；C.量程调整；D.二阶低通有源滤波。经滤波放大后的信号进入NI PCI-6071E采集系统。（4） 探针系统的标定为了确定电导探针的输出电压与截面持水率的定量关系，在探针使用前必须对其进行标定。目前电导探针的标定方法有两种：a、实验前对探针进行标定一种方式是利用实际使用的探针结构连同实验段直接进行标定，标定后直接将带有探针的实验段安装到实验系统中；另一种方式是将带有实际使用的探针结构的实验段安装在实际实验系统中，把实验段的两端封死，然后进行实地标定；还有一种方式是标定工况与实验工况有所不同，即在实验前先对相同结构和几何条件的探针进行标定，然后在实验段中装加探针进行实验，这种情况主要用于实际中不容易实现探针及实验段直接标定的场合。在实际运行中，这种方法会由于环境条件与标定条件的不同而带来很大的误差，因此，必须考虑标定条件和运行条件的差别，通过采用参考探针来消除标定条件和运行条件不同所带来的影响。b、 利用液膜在某一高度存在的概率在一定的流量条件及时间范围内是唯一确定的这一特征，采用针型电导探针来测量此概率，将此概率与从实际探针得到的输出电压的概率分布进行比较，即可得到探针输出信号与液膜厚度的标定曲线，这是Kang & Kim18采用的方法。但是这种方法计算工作量很大。（5）电导探针法测量含液率的特点电导探针法响应频率较快、测量精度较高，设备简单，成本低，操作方便，而且能用于两相流管道持液率的连续测量，是最简单、最方便、最常用的方法，但它只适用于导电液体的测量，而且测量结果会受到流动状态和组分的影响。（二）、光纤探针法测截面含气率19（1）基于光纤传感器的持气率测量系统随着我国各大油田纷纷进入中晚期开发阶段，多数油井由自喷转向机械采油。根据抽油机井工艺要求，测井仪器只能通过油管和套管之间的环形空间进入需要测试的目的产层，此时要求仪器的最大外径不能超过28mm。根据该要求，设计了集流型光纤探针持气率测量仪，主要由伞式集流器、光纤探针传感器及装有传感器驱动电路的电路筒组成，结构如图5所示。油井套管内径为125ram，而传感器内径仅为20mm，如果不使用集流器，仅有少量的油气水三相流体从电导传感器内部流过，传感器内的流体会趋于静止，此时持气率测量的结果不具有代表性。为了增大传感器内部流过流体的流量，通常采用集流的测量方式，即在光纤探针传感器底部安装伞式集流器。当测井仪器位于指定测点后，使集流器张开，以封堵套管和测井仪器之间流体的流动通道，迫使流体全部或绝大部分流经光纤传感器，并经上出液口重新流回井筒。图5 集流型光纤探针持气率测量仪（2）测量原理光纤探针法的测量原理基于气相和液相对光的折射率不同，气体的光学指数接近1，水的光学指数是 1.33，原油的光学指数是标准的 1.5。如图 6所示，当光纤传感探头与油水接触时，由于油水介质的折射率相对较小，不满足全反射条件，因此探针头的光线不会发生全反射，沿着出射光纤输出的光强极其微弱，经反相输出，显示界面会显示高电平；当光纤传感探头接触到混合流体中的气泡时，光线在探针头表面发生全反射，即会有较大一部分光经出射光纤输出到光电检测器件上，经过反相输出，显示界面会输出低电平。随着混合流体不断流过光纤传感探头，显示界面会出现连续变化的高低电平，经过一定的数据处理，会得到混合流体的局部持气率。图6 光纤探针测量原理探针头端面上的任意一点(r ，z)处的入射光用 i 表示，当油气水三相流交替接触光纤探针时，点(r ，z)处的瞬时局部含气率为49： (3)油气水三相混合流体的流动过程是不规则流动，因此 （t，r，z）会随着时间不断变化。由实验可得，油气水三相流的流动具有平稳随机特性，有： (4)式中，T 为积分的时间长度，（r，z）为局部含气率的平均值。我们定义截面含气率的瞬时值和平均值分别为： (5) (6)式中，R 为管道半径。可得： (7)对于油气水三相流的管道流动，容积含气率的瞬时值和平均值 可分别定义为： (8)式中，L 为管道长度。可得： (9)在管长区间（0，L）内，可忽略沿流动方向气体的体积膨胀，因此，工程上通常将平均容积含气率与平均截面含气率视为等价，可得： (10)由上式可知，利用光纤探针的方法进行管道内油气水三相流的截面含气率的测量是可行的。（3）光纤探针的特点光纤传感器是伴随着光通信技术的发展而产生的一种新型传感技术。在光通信的研究过程中，人们发现光纤易受外界环境因素如压力、温度、磁场和电场等条件的影响，当外界环境发生变化时，引起光纤传输的光波参量如相位、光强、频率、偏振态等参数的变化。基于这种考虑，人们推想若能测出光波量的变化，就可感知导致光波参量变化的压力、温度、磁场和电场等物理量，因此逐步发展起来了光纤传感技术。与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：a、抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全性高。因此光纤传感器被广泛应用于恶劣环境下（电磁干扰较强、腐蚀性较强）的大型机电、石油化工、生物医药制造等工业领域中，安全可靠。b、光纤传感器的体积小，重量轻，外形可变。这项优点使得光纤传感器广泛用于航空航天领域。在测井中，光纤传感器可实现阵列式测量，这是光纤传感器在测井应用中不容忽视的优点。c、光纤传感器的灵敏度很高。由于光信号是传播载体，当外界条件如温度、压力、电磁场等变化时，光信号会有较为明显的变化，通过检测反馈回来的光信号的光强以及光功率等参数即可判断某些物理量的变化。此外，光纤传感器还具有成本低，对被测介质的影响小，可测量的物理量较为广泛等很多优点。这些优点使得光纤传感器被广泛应用于各领域之中。（三）、电容探针测含气率21（1）电容探针测量原理电容探针测量液膜厚度原理图如图7所示。探针材料为表层绝缘的热电偶丝。绝缘层内的金属芯是电容的一极，电容的另一极为导电液相，当探针浸入水中时，两电极之间形成一圆筒形电容器，绝缘层充当了电容器的电解质，其电容大小可用下式计算： （11）式中，L为与探针接触的液膜长度，d1为金属芯的直径，d2为绝缘线外径。E为绝缘层材料的介电常数。从式（11）中可以看到，当探针材料确定以后，d1、d2、E均为定值，因此探针电容值只与探针所接触到的液膜长度成简单的线性关系，可以写成： C = KL （12）式中，K为电容探针的线性系数，。K值大小与探针材料有关，需要通过实验标定确定。从式（11）中还可以看出由于绝缘层非常薄，d2d1，所以式（11）中分母的值很小，即公式（12）中的K值较大，这说明该电容探针测量方法具有极高的灵敏度。图7 电容探针测量液膜厚度原理（2）截面含气率的测量原理单丝电容探针在管截面上的沿直径方向垂直布置，如图8所示。与电容探针材料不同，导电电极表层无绝缘层的金属丝。实验表明，导电电极的位置几乎对测量电容没有影响。截面相分率发生变化时，电容探针和导电电极间的电容值就发生变化，电容值由电容检测电路测量。图8单丝电容探针在管截面上的沿直径方向垂直布置由于电容探针分别和顶部液膜和底部液膜同时接触，相当于两电容器的并联，测量电容值C为上下两电容之和，根据C=KL得到: C = K1+K2 （3）若膜厚度沿周向分布均匀，则: 1=2=。从而公式(3)变为： C=2K （4）以上各式中1为顶部液膜厚度；2为底部液膜厚度; 为平均液膜厚度。根据截面含气率定义式: = AG/A （5）式(5)中，AG为管截面上气相所占面积，A为管截面积。即: （6）由式（4）和（6）可得，由于K是一个定值，可由实验标定确定，当测量出直径方向上的电容大小就可根据上式计算出截面含气率的大小。（3）电容探针测含气率的特点采用单根电容探针结构简单，容易实现，可以实现向相分率的实时快速在线测量；但目前该方法的测量精度不是很高，测量精度有待提高，而且局限于有限含水率的测量，故应用不多。4. 结论综述前人的研究成果来看，科研工作者在多相流相分率的测量方面做了大量工作，就目前国内外工业应用来看，国内外应用比较广泛的多相流相分率的测量方法主要有电学法、射线法、光纤探针法以及微波法等。（1）、电容法具有结构简单、非侵入式、低成本、实时性好等优点，因而在多相流相分率测量方面得到了广泛的应用，但其测量容易受到多相流体流态的影响，还会受到外界电场杂散电流的干扰。（2）、电导法具有结构简单、成本低廉、相应速度快等优点，但其不能应用于导电性接近的介质的测量。（3）、射线法不会干扰流体流动，研究和应用技术较为成熟，但是射线对人体有害，而且该方法存在安全问题，维护成本较高。微波传感器的优点是非侵入、不破坏环境、无辐射以及稳定性高，而且测量准确度不受温度、粘度、密度和电磁场干扰的影响，但造价相对昂贵且标定复杂，此外微波传感器的适用性较弱。 （4）、光纤法具有抗电磁干扰、耐腐蚀、本质安全性高、体积小、重量轻、灵敏度高等优点，但该方法局限于测量含气率。（5）、综上可知，在油气水多相流相分率的测量中，电导探针法效果较好，应用最广，光纤探针法可靠性高，具有明显的优势，应用前景较好。5. 参考文献1 谭 超，董 峰. 多相流过程参数检测技术综述J. 自 动 化 学 报，2013.11.4 P. 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