多相流体的流量测量

多相流体的流量测量

 

1 多相流的定义

 

所谓"相"，就是通常所说的物质的态。每种物质在不同的温度下可以有三种不同的物理状态，即固态、液态和气态，这也就是说任何物质都有三相，即固相、液相和气相。多相流就是在流体流动中不是单相物质，而是有两种或两种以上不同相的物质同时存在的一种运动。因此，两相流动可能是液相和气相的流动，液相和固相的流动或固相和气相的流动。也有气相、液相和固相三相混合物的流动，如气井中喷出的流体以天然气为主，但也包含一定数量的液体和泥沙，这是比两相流更复杂的一种流动。

各种液体混合在一起，有时可成为一种混合均匀的流体，如水和酒精的混合物，有的则不能，例如水与水银的混合物，后一种混合物的流动具有与两相流相似的特性。各种气体混合时都能混合均匀，成为一种单相气体，因此，各种气体的混合流动均属单相流。

 

2 多相流体流量测量的任务

 

两相流流量可分为两种，一种为两相混合物流量，也即两相流的总流量，另一种为各相的流量，各相流量之和就等于两相混合物流量。

要确定各相流量，不仅需测定两相混合物流量，还需测定两相中任一相在混合物中的含量。以气液两相流为例，要确定气相和液相的质量流量就需测定气液混合物的质量流量qm和气相的流量质量含量βGm。气相的流量质量含量，根据定义，等于气相质量流量qG与气液混合物质量流量qm之比。因此qG就等于qm和βGm的乘积，而液相质量流量qL就等于qm和qG之差。所以要对气液两相流流量进行完整的测量，一般需要测定两个参数，即气液混合物流量qm和气相的质量流量含量βGm。

有些流量计如电磁流量计、超声流量计，其输出信号仅仅是体积流量，在用来测量两相流时，由于种种原因又未装设密度测量仪表，若知道轻相和重相的密度和流量体积比，可利用公式计算出混合物平均密度，进而计算混合物和各相质量流量。

在实际的工程中，由于测量需要的多样性，有时只需测量两相混合物的质量流量或体积流量，有时只需测量轻相或重相的质量流量或体积流量，例如，湿蒸汽中的气相，油水混合物中的油。当然有时是因为测量装置的局限性或经济上的原因，只测量两相流中的部分参数。

 

3 气液两相流及其流量测量

 

（1)气液两相流及其流动结构

 

液体及其蒸气或组分不同的气体及液体一起流动的现象称为气液两相流。前者称为单组分气液两相流，后者称为多组分气液两相流。气液两相流在动力、化工、石油、冶金等工业设备中是常见的，在流动时气相和液相间存在流速差，在测量流量时应考虑此相对速度。

气液两相流按流动方向不同，存在多种流动结构。图3.89所示为垂直上升管中的气液两相流的流动结构；图3.90所示为垂直下降管中的气液两相流的流动结构；图3.91所示为水平管中的气液两相流的流动结构。

①垂直上升管中的气液两相流的流动结构。实验研究证明，其基本结构有下列五种：细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构、带纤维的环状流动结构和环状流动结构。

这五种流动结构分别具有下列特点。

a.细泡状流动结构。细泡状流动是最常见的流动结构之一，其特征为在液相中带有散布的细小气泡。直径小于1mm的气泡是球形的，直径大于此值的气泡，其外形是多种多样的。

b.弹状流动结构。弹状流动结构由一系列气弹组成，气弹端部呈半球状，而尾部是平的，在两气弹之间夹有小气泡，气弹与管壁之间的液膜是往下流动的。

c.块状流动结构。块状流动结构是由于气弹破裂而形成的，此时，气体块在液流中以混乱状态进行流动。

d.带纤维的环状流动结构。在带纤维的环状流动结构中，管壁上液膜较厚且含有小气泡，被中心部分气核从液膜带走的液滴在气核内形成不规则的长纤维形状，这种流型常在高质量流速时出现。

e.环状流动结构。在环状流动结构中，管壁上有一层液膜，管道中心部分为气核，在气核中带有因气流撕裂管壁液膜表面而形成的细小液滴。

②垂直下降管中的气液两相流的流动结构。从图3.90所示可以看出，气液两相作垂直下降流动时的细泡状流动结构和作垂直上升流动时的细泡状流动结构不同，前者细泡集中在管子核心部分，而后者则散布于整个管子截面上。当液相流量不变而使气相流量增大，则细泡将聚集成气弹，形成具有下降弹状流动结构的气液两相流。垂直下降气液两相流也可形成下降流动的环状流动结构。当气相及液相流量小时，管壁上有一层向下流动的液膜，管子中心部分为向下流动的气核，这种流动结构称为带下降液膜的环状流动结构。如液相流量增大，气泡将进入液膜，形成带含泡下降液膜的环状流动结构。当气液两相流量都增大时，会出现向下流动的块状流动结构。当气相流量继续增大，气液两相流可具有管壁上有下降液膜，管子中心部分为带液滴的下降气核的环状流动结构。这种环状流动结构和垂直上升气被两相流的环状结构相近，但流动方向相反。

③水平管中的气液两相流的流动结构。气液两相流体在水平管中的流动结构比在垂直管中的更为复杂，其主要特点为所有流动结构都不是轴对称的，这主要是由于重力的影响使较重的液相偏向于沿管道下部流动造成的。

试验研究表明，气液两相流在水平管中流动时，其基本流动结构有下列六种：细泡状流动结构、柱塞状流动结构、分层流动结构、波状流动结构、弹状流动结构和环状流动结构。图3.91是这些流动结构的示意。由图可见，这些流动结构分别具有下列特点。

a.细泡状流动结构。水平管中的细泡状流动结构和垂直管中的不同，由于重力的影响， 细泡大都位于管子上部。

b.柱塞状流动结构。当气相流量增加时，小气泡合并成气塞，形成柱塞状流动结构。柱塞倾向于沿管子上部流动。

c.分层流动结构。当气液两相流量均小时会发生分层流动结构。此时气液两相之间存在一平滑分界面，气液两相分开流动。

d.波状流动结构。当气相流量较大时，气液两相分界面上会出现流动波，形成波状流动结构。

e.弹状流动结构。当气相流量再增大时，气液两相流的流动结构可以从波状转变为弹状流动结构。此时，气液分界面由于剧烈波动而在某些部位直接和管子上部接触，将位于管子上部的气相分隔为气弹，形成弹状流动结构。在水平流动时，气液两相流的气弹都沿管子上部流动。

f.环状流动结构。在水平流动时，气液两相流的环状流动结构出现于气相流量较高的工况。水平流动时的环状流动结构和垂直上升时的环状流动结构相近，管壁上有液膜，管子中心部分为带液滴的气核，但由于水平流动时重力的影响作用，下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

在油田常经分离设备将液气分离，然后分别测液相和气相流量。

 

(2)气液两相流体的流量测量方法

 

从制造商提供的资料可看出，有几种仪表可用来测量离散相浓度不高的两相流体的流量，来自用户的报道也有一些成功应用的实例，但目前使用的流量计都是在单相流动状态下评定其测量性能，现在还没有以单相流标定的流量计用来测量两相流时系统变化的评定标准，因此这样的应用究竟带来多大的误差还不很清楚，仅有一些零星的数据和一些定性的分析。

①电磁流量计。

当液体中含有少量气体时，气体在液体中的分布呈微小气泡状，这时，电磁流量计仍能正常工作，只是所测得的为气液混合物的体积流量。当液体中所含气体数量增加后，气泡几何尺寸逐渐增大，进而向弹状结构过渡。当气泡的尺寸等于和大于流量计电极端面尺寸并从电极处掠过时，电极就有可能被气体盖住，使电路瞬时断开，出现输出晃动，甚至不能正常工作。

②科氏力质量流量计。

制造商通常声称含有百分之几体积比的游离气体的液体对科氏力质量流量计正常测量影响不大，当被测液体中所含气泡小而均匀的情况下，例如冰棋淋和相似乳化液，可能是对的。然而，实验结果却并不乐观。据有关文献介绍意大利计量院对7种型号科氏力质量流量计含气量影响试验表明：含气泡1%(体积比)时有些型号无明显影响，有些型号误差为1%~2%，而其中某一双管式型号则高达10%~15%；含气泡10%时，误差普遍增加到15%~20%，个别型号高达80%。由此可见，不同测量管结构、不同型号的科氏力流量计受含气量影响差异很大，不能将一种型号的试验数据推广到其他型号。

③超声流量计。

多普勒法超声流量计工作原理如3.3.2节所述，主要用于测量含有适量能给出强反射信号的颗粒或气泡的液体。此类仪表测量的仅仅是体积流量或测量管内的平均流速，如果要测量质量流量，还得增设流体密度计。

由于此类仪表检测的是不连续点(即气泡)的流速，由于流通截面中各点流速的不一致性，使得测量结果相对于管道内的平均流速之间存在不确定性，从而导致其测量性能较差。其不确定度一般只能达到±(l%~lO%)FS，重复性为(0.2%~1%)FS。

多普勒法超声流量计适用的气泡含量上限虽比传播时间法大得多，但也是有限的，尤其是管径较大时，气泡含量过高，超声信号衰减严重，以致不能测量。因此选用应谨慎，事先应向制造商咨询。

④相关流量计。

应用相关法可以测量管道内流体的流速或体积流量，若要测量两相流体的质量流量，则还需增设密度计。

相关流量计工作原理如图3.92所示。设在测量管段取两个控制截面A及B，两者相隔一小段距离L，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变化的。由于所取的两控制截面之间距离很短，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，如在管道截面A处布置一台探测器测定两相中一相的含量随时间的变化曲线X（t），再在截面B处布置另一台探测器测定同一相的含量随时间的变化曲线Y（t），并将X（t）和Y（t）示于图3.93中，则由图可见，曲线X（t）的最高值和曲线Y(t)最高 值之间距离Δt应代表流体由A截面流到B截面所需的时间在图3.93中，横坐标为时间，纵坐标X（t）和y（t）为被测一相的含量值。测得流体流过距离为L这一管段长的时间Δt后，即可按下式计算两相流体的体积流量qv 。

式中 A——管道横截面积；

K——考虑速度偏差的系数。

这一测量方法是利用两截面上测得的某相含量信号之间的相互关系而测定两相流速的，故称相关法。

应用相关法测量两相流量的优点是适应面广，既适用于气液两相流体，也适用于各种脏污流体、浆液、液固两相流，但价格昂贵，影响其推广应用。因此，现在仍处于实验阶段。

⑤应用变液位法测量气液两相流流量。

前面所述的四种方法用来测量气液两相流流量都不够完善，因为它们能够实现的测量同3.7.2节所提出的测量要求还有很大差距。当然，有的测量对象如果只需知道气液混合物体积流量或质量流量，这些方法就可能投入实际应用。但若需进一步知道各相质量流量或气相流量质量含量，那就需另想办法。其中将气液两相先进行分离，然后，用测量单相流量的方法分别测量气液两相的质量流量(如果必要)。

图3.94所示为储液器固定的变液位流量计结构示意。常用来测量含气石油中的石油流量。由图可见，石油和气体的混合物由管1切向进入分离室2，使气液分离。气体经分离室后流入储液器4，再经槽缝7流入容器下部6后，和气体一起经管5流出。储液器中装有稳定液位用的隔板3，储液器4中的液位可采用差压计测出储液器中液柱静压的方法来确定。根据读出的差压可确定液位高度h，再根据各相应计算式(一种形状的槽缝对应一种计算式)算出液体体积流量qv。详情请参阅文献。

其实，将仅适用单相流的流量计与气液分离器配合用来测量气液两相流中的部分参数应用最多的是饱和蒸汽流量测量。饱和水蒸气经长距离输送，因热量损失而部分蒸汽变成冷凝水，管道中流体变成气液两相流，影响某些原理的流量计的正常工作。常用的做法是在流量计前装设一气液分离器，然后将液体经疏水器排放掉。经气液分离后的蒸汽可近似看作为单相流，从而用一般流量计进行测量。

⑥基于螺旋管分离器的多相流计量装置。

该装置是为计量油气水多相流体而设计的。其主体是螺旋管复合气液分离器，如图3.95所示。中部为螺旋分离腔，上部为集气腔，下部为集液腔。

气液混合物进入螺旋管流道内产生强烈旋流运动。通过离心力使气体和液体进行分离。为了适应含气率和总体流量较小的工况，采用重力分离部分进行气液分离，从而缩小分离器体积，增强其适应能力，提高气液分离效果。

集气腔是空腔，近气体出口处设捕雾网。集液腔也是空腔，近液体出口处设防旋涡挡板。螺旋分离腔由腔体和内置多圈螺旋管组成，在螺旋管道内上侧开孔，分离出的气体从开孔处排出进入集气腔。在螺旋管道外下侧开孔，分离出的液体从开孔处排出，沿腔体壁进入集液腔。当流体含气量很少或总体流量较小时，流体在螺旋管内流速较低，离心加速度较小，主要依靠分离器集气腔和集液腔进行分离。

在图3.95中，上部的气体出口管上装有气体质量流量计1(1.0级)，下部的液体出口管口装有涡轮流量计2，经计量的气体和液体从装置出口流出。为了将集液腔内的液位控制

在理想高度，配置了液位调节系统，调节手段是气体排出量。

测试表明，该装置对油气水三相流不同气液比、不同负荷，具有较强的适应能力。其中液体流量在20~130m³/d范围内变化，含水量在20%~85%范围内变化，气体流量在100~500m³/d范围内变化，液流量计量最大相对误差1.5%，气流量计量最大相对误差-2.1%。

 

4 混合不均匀的双组分液体及其流量测量

 

(1)提合不均匀的双组分液体的流动结构

 

混合不均匀的双组分液体的流动结构和气液两相流相近，但是，由于此时两相的黏性、密度以及两相分界面上的张力和气液两相流不同，因而在流动结构上也存在一定的差别。

图3.96所示为由密度为851kg/m³的油和水在垂直上升管中混合流动时的各种流动结构。随着油流量的增大，油水两相流逐渐由图示的细泡状流动结构、弹状流动结构、块状流动结构转变为雾状流动结构。在图中呈细泡及弹状结构的工质为油，在雾状流动结构中，雾滴的工质为水。

图3.97所示是油水混合液在水平管中的各种流动结构示意。当水流量较大而油流量较小时，油和水的流动结构为细泡位于管子上部的细泡状流动结构。当水流量和油流量均小时，油和水的流动结构为油在上面水在下面的分层流动结构。当水流量及油流量增大时，油水分界面发生波动，形成波状流动结构。当水流量再增大时，形成弹状流动结构。当水及油的流量均较大时，油和水形成混合状流动结构。

图3.97所示的流动结构是油水密度相差较多时的流动结构，当两种液体的密度相近时，混合物流动结构中的油和水分布情况要比图3.97所示的均匀。

 

(2)混合不均匀的双组分液体的流量测量方法

 

从上面的流动结构分析可以看出，混合不均匀的双组分液体分层流动时，对流量测量影响较大，由于上层液体和下层液体之间黏度和密度存在差异，因此，流速也存在差异。于是对以流速测量为基础的流量计的测量带来误差。

从图3.96可看出，垂直上升管道中的此类提合物流动不存在分层流动的情况，而且在流速较高时，流体呈雾状结构，可将其近似看作均相流体，从而可用通用单相流量计进行测量。

 

5 液固两相流及其流量测量

 

（1）液固两相流的流动结构

 

液固两相流的流动结构非常复杂，不仅受到液固两相密度、固相含量、流速变化以及管道形状和布置方式的影响，而且还受到固体颗粒尺寸的影响。它和气固两相流很相似，在表明垂直上升气固两相流流动结构的图3.98中，如将气体换成液体，即可变为液体流化床和液力输送固体颗粒的流动结构示意图。当然，在液固两相流中出现这些流动结构的具体工作参数上是和气固两相流不同的。

水平管道中的液固两相流的流动结构如图3.99所示。当流速低于临界流速时，固相会发生沉淀，当超过临界流速时，混合物可成为浮游流动。

 

(2)液固两相流的流量测量方法

 

①差压式流量计。差压式流量计用于测量各种浆状流体的流量，例如水煤浆、泥浆等已有几十年的历史。为了保证节流装置不沉积固相颗粒，一般都采用文丘里管。另外还需注意丈丘里管喉部的磨蚀问题以及导压管被浆状物质堵塞问题。

图3.100所示为一个用于铝土矿浆流量测量的文丘里管，图中所示的文丘里管作水平布置，在喉部装有用耐磨材料制成的可更换的圆套筒4。试验证明，当喉部不装设圆套筒，则由一般碳钢制成的喉部每月磨蚀1mm，装上防磨蚀圆套筒后，可使文丘里管的运行期延长好几倍。

另外，楔形流量计也适用于测量液固两相流量，国内有一些应用经验。采用带法兰膜片隔离的差压变送器和带吹洗液的取压管，能使取压管有效防堵。

楔形流量计实际使用中的困难是楔形节流件顶部的快速磨蚀，而且一经磨蚀就无法用文丘里管中更换套筒的方法恢复其准确度，只能整体更新，因此运行成本高。

对于应用差压法测量液固两相流量的研究工作进行得还不够，由于两相流中轻相的流速要比重相流速快，此两相之间的滑动现象引入一定的误差，所以这样的应用比测量单相流量时误差大，不确定度一般可达±5%。

②科氏力质量流量计。科氏力质量流量计测量含有少量固体颗粒的液体流量，具有较高的信赖度，测量渣油、重油可长时间可靠运行，有的甚至用来测量熔融状态的沥青石墨糊流量。但当固体含量增加和固体粒度较大时，就要考虑防堵问题，尤其是仪表口径较小时。最好选用单根直管型，并将其安装在垂直管道上。

液固两相流中的固体颗粒形状多种多样，硬度差异也很大，因此对流量计同流体接触的部分产生磨蚀作用，磨蚀速度不仅与固体颗粒外形及硬度有关，还与流速有关，流速越高，磨蚀速度越快。将流量传感器安装在垂直管道上，可以防止管壁因磨损不均而缩短使用寿命。然而管壁厚度变薄会降低测量管刚度而导致误差增大。当然，最严重的情况是测量管被磨穿，因此，遇到这种情况时应加强监测。

③超声流量计。3.3.2节中的多普勒超声流量计同样适用于液固两相流量测量。如果采用夹装式流量传感器，则管道磨蚀问题和防堵问题全由工艺管道承担。若将传感器安装在水平管道上，由于重相靠管底流动可能会引入较大的测量误差，因此，应尽量安装在垂直管道上。

④电磁流量计。测量矿浆、煤浆、泥浆、纸浆等一类电导率较高的液体，电磁流量计具有独特的优越性。首先，测量准确度高，可比差压式流量计高若干倍；其次，完全用不着考虑堵塞问题，因为选用与工艺管道等直径的流量传感器，不增加阻力；至于耐磨蚀问题，也强调将测量管安装在垂直管道上，不仅磨蚀一致，而且不易在流速低时发生重相沉积现象。

为了对测量管内衬的磨损进行监视，文献出了内衬磨穿报警方法，在图3.101所示的测量管中，件号5、6为报警电极，当内衬被磨穿后，两电极之间经流体导通，从而发出警报。从现场运行实践看，靠近测量管近法兰处内衬磨损最为严重，所以图3.101所示的测量管增设了耐磨性较强的保护环7。

如何选择液固两相流仪表，可进一步查文献