多相流量计知识讲座

多相流量计知识讲座

 

第一节 概述

 

由于多相流动体系在自然界和工业过程中涉及范围的广泛性和应用的重要性，特别是20世纪后半叶，原子能核电站及航天工业的迅速发展、动力工业及石化工业高参数的引入， 以及对环境保护的日益重视，促使多相流领域研究工作迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科[7.1]。但基于多相流的复杂性和随机性，要认清现象、获得概念、建立模型并进行过程的预测、设计和控制，首先要解决的就是多相流参数的检测问题。很多情况下，多相流测试技术已成为目前多相流研究中的一个制约性的控制因素。而多相流量是多相、流参数中的基本参数，是工业应用中最迫切需要解决的难题和热点。

 

一、多相流定义及分类

 

相——通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。

多相流——宏观上自然界的物质一般可分成三种相，即气相、液相和固相。单相物质的流动称为单相流。所谓两相流或多相流，是指同时存在两种或多种不同相的物质的流动。

工业中常见的多相流有以下几种，其中以两相流最为普遍。

(1)气-液两相流在锅炉等汽化单元，石油、天然气、低沸点液体的输送过程，以及传热传质设备大量的分离和反应过程中，气-液两相流的工业实例比比皆是。

(2)气-固两相流在干燥塔等气流干燥单元，煤粉、水泥、谷物、食盐等的气力输送 过程，以及煤的沸腾燃烧、石油的催化裂化、矿物的流态化熔烧等流态化技术中，气-固两相流的工业实例大量存在。

(3)液-固两相流在矿浆、纸浆、泥浆、胶浆等浆液流动，矿石、残渣的水力输送和污水处理排放系统中，液—固两相流的工业实例普遍存在。

(4)液—液两相流在物质提取的萃取过程中，大多是相互不溶的液—液两相(组分)流系统。 (5)气-液-液和气—液-固多相流在陆上或海洋油田井口的原油系统中，在油品加氢和精制中的滴流床、淤浆反应器以及化学合成和生化反应中的悬浮床，多相(组分)流工业实例也普遍存在。

 

二、多相流量参数的特征与描述

 

多相流动中各相间存在着界面效应和相对速度。相界面在时间和空间上都是随机可变的，致使其流动特性远比单相流系统复杂，其特征参数也比单相流系统要多。例如，相间速度的存在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，描述多相流量参数还需引入一些新的参数。为讨论问题方便，现将两相流动中两相流量涉及到的有关参数及计算简介如下。

1.流型

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致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。对两相流各种参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。

流型研究虽已有数十年的历史，但流型分类尚未统一，甚至同一名称的流型在定义上也不一致。下面根据气—液、气-固、液-固两相流在非加热情况下的水平管和垂直管中常见的流型列出表7. 1。

2.分相含率

分相含率是两相流中分相浓度的表示方法。描述分相流体占整个两相流体的含量，反映了两相流动过程中两种分相流体在流动管道内的比例关系。各类两相流中的分相含率都有一些不同的习惯术语。通常有三种表示形式。

(1)质量流量含率X为分相质量流量(气相质量流量q_mg、固相质量流量q_ms、液相质量流量q_ml)与两相混合物总质量流量q_mn之比，常用计算式见表7.2。

(2)容积流量含率 β为分相容积流量(气相容积流量q_Vg、固相容积流量q_vs、液相容积流量q_V1)与两相混合物总容积流量q_v之比，常用计算式见表7.3。

(3)截面含率或容积含率α为分相流体在管道某一截面上所占截面积(气相截面A_g 固相截面A_s、液相截面A₁)与两相混合物所占总截面积A之比，或分相流体在某一长度L的管段中所占容积(气相容积V_g，固相容积V_s、液相容积V₁)与两相混合物总容积V=LA之比，常用计算式见表7.4。

(4)局部含率 如果把两相流体所占总体积V取得足够小，则在该微小体积上的空隙率称局部空隙率。这时空隙率在某一时刻的取值只能是1或0，即该微元体全部被气相或液相所充满。显然局部空隙率是时间的函数。在实际应用时，局部空隙率往往是指统计的局部空隙率，即对局部空隙率进行时间平均。可表示为

式中 T——时间周期。

3.两相混合流的密度

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方法。

①流动密度ρ。表示单位时间内流过截面的两相混合物的总质量与总体积之比，即

如果气相密度为P_g、固相密度为ρ_s、液相密度为ρ₁，结合表7.3中的公式，对几种两相流的流动密度见表7.5。

②真实密度p_m表示在某一时刻管段某处所取的某一微元体ΔV内的两相介质的总质量Δm与微元体体积ΔV之比，即

结合表7.4，几种两相流的真实密度公式见表7.6。

由表7.5和表7.6可知，流动密度p₀和真空密度P_m是不一样的，但当两相间无相对速度或相对速度可忽略时，即滑移比S=1时，则α= β ，流动密度等于真实密度ρ₀=ρ_m^O

4.速度

由于两相流动中相间存在相对速度，所以除了以混合流体的平均速度V_m描述外，还必须采用分相流速(气相分相流速V_g、固相分相流速V_s、液相分相流速V₁)来表示。几种流速之间存在如表7.7的关系。

为了便于工程应用，分相流速也常采用表观流速概念进行折算，即以分相流量除以管道总截面的比值来表示该相的分相流速。其物理意义是当管道中流体全是该分相流体时所具有的流速。见表7.8。

各个分相流体的速度之差称为相对速度，见表7.9。

各分相流速之比称为速度滑移比S，见表7.10。

5.压力降

压力降也是两相流动中的基本参数之一。混合物的两相流压力降Δ_pT与气相、液相、固相分相压力降Δp_g、Δp_l、Δp_s之间已建立了很多理论的、实验的和半经验的关联式，为

两相流量和分相流量的计算提供了依据。典型关联式列举见表7.11。

6.两相流模型

描述两相流动过程的两相流模型是建立各种测量方法的两相流量模型的基础。现常用的两相流模型有以下四种。

(1)均相流模型(homogoneous flow model)考虑两相是作为一个整体的均匀混合物，相间没有相对速度。适用于两相间存在强耦合的场合。例如，微小气泡均匀混合在液体中的气泡流和两相流速高的雾状流o

(2)分相流模型(separated flow model)考虑两相是完全分离的两种流体，两相间存在不同的速度和特性，适用于两相间存在微弱耦合的场合。例如，气—液两相流中的分层流和环状流。

(3)漂移通量模型(drift-flux model)基本上是分相流模型，重点是研究相间的相对运动。漂移通量与相间相对速度有关。适用于弹状流等。

(4)基于流型的模型(model based on flow paffern)对于各类两相流中的各种流型， 都建立了一些半经验公式，可供工程应用。列举见表7.12。

 

三、多相流量测量方法

 

和单相流量一样，多相流量目前也已经有多种多样的测量方法。大体上可归为三大类，即采用传统的单相流仪表和多相流量测试模型组合的测量方法、应用近代新技术以及应用基于软测量技术的软测量方法。

1.单相流量仪表和多相流量测试模型组合的测量方法

把成熟的单相流量仪表应用到多相流量测试中去，一直是人们多年来的愿望和受到普遍重视的方向之一。在这类组合测量中，一类是应用一台单相流量计与两相流量模型组合；另一类是应用两台(一种或两种原理)单相流量计与两相流量模型组合。

(1)单相流量计测量两相流量应用一台单相流量计与两相流量模型组合测量两相流量成功的实例见表7.13。

(2)双正（多)参数组合测量 应用两种或多种仪表进行双(多)参数组合测量得到两相 (多相)流量的测量方法，在实际应用中已经出现了多种组合的成功应用如图7.1所示。

双(多)参数组合测量原理:设有两个传感器S_l和S₂，已知它们与质量流量的关系为^[7.4]

式中

q_m ——两相质量流量；

X—— 分相质量流量含率。

两传感器与q_m、X的具体函数关系通过理论推导或实验测试来确定。解式(7.4)即可求得两相质量流量。

如图7.1所示，应用组分浓度仪表、速度仪表和动量通量仪表两两组合可测得两相质量流量；应用容积流量仪表和温度、压力仪表亦能组合测得气-液分相流量；应用容积流量仪表和密度计、导电率仪表组合也可测出含气煤浆的固相质量流量。

在两相流量测量中，通常分相质量流量含率X的测量是相当困难的。采用两种仪表组合应用，即两点关联的双参数组合测量方法，联解两个方程式，可在X未知的条件下得到质量流量，因而回避了这一测量难题。

现举三例:例1为y射线密度计、阻力元件与涡轮流量计的组合应用；例2为孔板与均速管的组合应用；例3为容积式流量计与压力、温度仪表的组合应用。见例表介绍如下。

2.应用近代新技术

在多相流参数测试中研究较多的测量方法大多涉及近代新技术，如辐射线技术、激光技术、光纤技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光谱技术、新型示踪技术、相关技术、过程层析成像技术等。

各种新技术已应用于多相流参数测量的情况见表7.14。

现仅以过程层析成像技术为例作一简介。过程层析成像技术(process tomography，PT)是20世纪80年代中后期正式形成和发展起来的一种获取两相流或多相流过程参数二维/三维时空分布信息的在线实时检测技术。应用PT技术可得多相流体各相组分的局部浓度分布及各分相总浓度。将PT技术与相关测速技术相结合，可实现多相流体总质量流量、分相质量流量以及流体在某一截面上流速分布的实时测量。因此，基于过程层析成像技术有可能形成新一代智能型多相流参数在线测量和实时监测仪表，是目前多相流参数检测技术研究发展的一大前沿技术和主要发展趋势之一。

目前已开发的PT技术系统有电容层析成像系统(ECT)、电阻抗层析成像系统(ERT)、电磁感应层析成像系统(EMT)以及γ射线、X射线、中子射线、超声波等层析成像系统。现以电容层析成像系统为例简介如下。

8 电极电容流动层析成像系统结构，如图7.2所示。

系统主要由均匀地安装在管道外壁上的8个电容传感器阵列、数据采集与通信卡(包括多通道数据采集控制、电容/电压转换、AID转换及通信接口等)和PC机系统三大部分组成。

电容测量值可作为多相流相浓度的度量。采用多电极阵列式传感器，各电极间相互组合可提供反映相分布的多个电容测量值。对于8电极测量系统，相互组合可提供独立电容测量值个数为C²₈ =28，电容测量值C可由下式表示

式中E(x， y)——电介质分布;

S_i——灵敏度分布函数；

D——管径。

每对电极间有一狭窄区域，一般称正灵敏区。电容测量值大小主要由这一正灵敏区内的电介质分布(相应于相分布)所决定，而其他区域(负灵敏区)内的电介质分布对其测量值影响甚少。因此，每对电极电容测量实质上是对管截面内多相流体的扫描，其正灵敏区可视为扫描带，一个电容测量值就可看成管内多相流体在某一方向或角度的投影数据。

电容层析成像系统目前用得较多的图像重建算法，是在一定假设条件下以基本的反投影算法为基础，经门限滤波等处理改进的简便反投影算法。算法的基本思路是很简捷的。先在管截面内画出所有28个测量电容正灵敏区的边界线，这些边界线相呈交截，在管截面内形成362个大小不一的网格，如图7.3所示。这些网格称为图像像素。每个像素i与28个正灵敏区的关系可用一个28维的关联向量V_i来表示。将此关联相量乘以由28个测量值构成的向量[C_l C_2…C₂₈ ]^T，则相当于将有关测量值叠加(反投影)而得到该像素的灰度值(对应于相浓度)。用矩阵形式可表示如下式

式中 f_i——像素点灰度值，对应于离散相浓度， i=l， 2，…， 362;

V_ij ——关联系数。

重建立的图像，尚需经门限滤波处理，滤波门限的选择与离散相浓度、灰度等级划分有关。

3.软测量方法

软测量(soft sensor)是一种利用较易在线测量的辅助变量和离线分析信息去估计不可测或难测变量的方法。软测量通常是在成熟的硬件传感器基础上，以计算机技术为支撑平台，通过软测量模型运算处理而完成的。因此也可把实现软测量功能的实体看成是一种软仪表，它可利用多种易测变量传感器信息和先验分析信息，通过软测量模型计算处理得到所需检测的难测或不可测参数的信息。

软测量模型是基于软测量技术建立的。常用的软测量技术有状态估计、过程参数辨识、人工神经网络、模式识别等。目前已应用于多相流参数检测的实例见表7.15。

下面仅以人工神经网络测量气力输送粉粒物料的气—固两相流量为例简介^[7.6]。测量系统原理框图如图7.4所示。

易测变量选取气相质量流量q_mg和气-固两相流管程压降Δ_ρT。神经网络结构采用目前研究和使用最普遍的三层BP网络，神经网络的信息处理功能用计算机的软件程序实现。

测量过程分两个阶段:学习阶段和测量阶段。学习阶段是一个建立固相质量流量黑箱模型的过程。在两相流系统中采样气相质量流量q_mg和两相流管程压降ΔρT，同时离线标定固相质量流量q_ms。采样所得若干组数据即为神经网络的学习样本。通过神经网络的学习算法调整神经网络的权系数，使其输出与离线标定值q_ms的误差满足测量精确度要求。所得权系数

固定的神经网络即为固相质量流量的黑箱模型，此模型则可应用于测量阶段。在测量阶段，输入任意时刻的气相质量流量和两相流管程压降，即可由黑箱模型输出此时的固相质量流量，实现固相质量流量的在线测量。

 

四、多相流量计的分类

 

多相流量计和单相流量计一样，按照传统的原理分类如下。

(1)节流式 基于两相流通过节流装置时产生的两相压差与两相流量或两相压差与单相压差间关系的测量模型而得到两相流量。

(2)速度式 基于测量两相流混合物的流速和平均密度或分相含率来得到两相流量。

①力学法。利用流体的动压、动量矩和离心力等测流速。

②相关法。通过两点的相关函数测流速。

③光学法。利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测流速。

④声学法。利用超声波原理测流速。

⑤热学法。利用热线风速仪或量热计测流速；

⑥电磁法。利用电磁感应原理测流速。

⑦核磁共振法。利用核磁共振原理测流速。

⑧示踪法。利用脉冲中子触发新型示踪技术测流速。

(3)容积式(PVT法)利用一定容积的两相混合物，其压力、容积和温度间的热力学关系测量两相流量。

(4)质量流量式 直接测知两相质量流量。

世界各工业发达国家对上述原理分类的多相流量计做了大量的研究和开发工作，但至今大部分仍处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业型仪表为数不多。根据世界石油市场形势的发展，世界知名度高的各大公司开发出了多种型号适用于陆上或水下的油、气、水多相流量计。例如，美国Multi-Fluid公司研制的LP型多相流量计于1992年12月在挪威的Gulfars B号平台进行了试验；英国欧洲设备与石油有限公司(Euromatic Machine &. Oil Co. LTD) 1990年研制成的三相流量计样机，可由潜水员较方便地直接安装在海底；德士古公司的海底多相流量计于1989年在Tartan平台进行了试验，然后在Highlander海底也进行了试验。各大公司推出的产品经分析可看出其原理均为几种传统的流量测量方法的组合，没有实质性的突破进展。另外，这些流量计虽已为工业型仪表，但由于国际上激烈的竞争形势，有待进一步研究才能形成商品系列，并占领一定的市场。

下面介绍几种己进入工业实用阶段的多相流量计。

 

第二节 差压式气—固两相流量计

 

应用长喉颈文丘里管进行直管段和扩大管段两处差压的双参数组合测量，可以求出气相质量流量和固气比，如图7.5所示。

根据Farbar的理论和分析结果得知，气-固两相流通过文丘里管某一段时，产生的差压值Δρ_m与同一空气流速下纯空气流动时产生的差压值ΔP_g的比值与固气比γ成线性关系。

设文丘里管直管段的两端差压为Δp_m1,扩大管段的两端差压为Δp_m2 ,则有

另经实验得到纯空气流动时直管段与扩大段差压比也为一常数K，即

联解式(7. 7)和式(7.8)，便可求得固气比为

进一步运算，可得到空气质量流量q_mg和固相粉粒质量流量q_ms为

式中 α——长喉颈文丘里管的流量系数；

Ao——喉颈截面积。

整个差压式气-固两相流量计系统由一个长喉颈文丘里管和分别安装在文丘里管直管段处和扩大段处的两台差压变送器以及运算器组成。另安装有温度、压力变送器各一台，用以进行温度、压力补偿。运算器根据上述质量流量模型进行运算，输出固相质量流量q_ms。

差压式气-固两相流量计适用于固气比范围为1~15，精确度为1%~3%的情况。

 

第三节 超声波气-固两相流量计

 

超声波质量流量计是基于相位差法的超声波流速计与β射线密度计组合而成的，如图7.6所示。本类仪表一般仅适用于固相浓度较低的稀相粉粒气-固两相流。

图7.6中，两个超声波发射器是由同一个振荡器激励，故发射波列是同相位的， 顺流和逆流接收器接收波之间的相位差由相位计12测出，并由平均流速指示仪11显示。被测流体的密度是通过检测器2检测β射线源1发射的β粒子射束穿过管道时的衰减度而测得的。衰减度与被测气—固两相流中固体粉粒密度之间的关系是

式中 I和I₀——通过粉粒衰减和未通过粉粒衰减的β射线强度；

μ——β粒子的质量吸收系数；

ρ——粉粒密度，在维持μ为定值情况下，β计数器输出β射线强度I就可表示粉粒密度；

D——管道直径。

采用热电偶13与温度补偿器6以克服温度变化引起的密度测量误差；采用线性化装置7使密度与β粒子计数值间成为线性关系，由颗粒密度指示仪8显示出来。

超声波流速计测得的流速与β射线密度计测得的密度经乘法器9运算后，就可得到固相粉粒的质量流量，并在质量流量指示仪10上显示出来。

应用上述流量计测量气-固两相流中的固相粉粒的质量流量往往存在误差。这是由于气流输送的固相粉粒与管壁碰撞而引起的减速效应，最终将达到其极限速度，此极限速度小于气流速度。例如，直径小于200μm的颗粒在5m输送行程后就会到达极限速度。实验表明，颗粒流速V_d与气体流速v之比值大小和颗粒直径d、管径D及气体流速v有关。以气力输送煤粉气-固两相流为例，实验数据见表7.16

要提高测量精确度，必须使颗粒平均速度尽量接近气体流速。

颗粒尺寸越小，测量精确度越高。当d<50μm时，颗粒速度比气体流速只小1%。颗粒尺寸分布中，粗颗粒比例越小，则测量精确度越高，当d<75μm的中小颗粒占颗粒总量的60%时，颗粒速度比气体流速要小2%以上。

 

第四节 多普勒流速计

 

基于多普勒效应原理工作的流速计在多相流量测量中已有较多应用。目前达到实用化程度的有两种，即激光多普勒流速计和超声波多普勒流速计。

 

一、激光多普勒流速计

 

应用激光多普勒效应测流速的原理是：当激光照射到随流体一起流动的微粒上时，产生的散射光频率和入射光频率之偏移(称多普勒频移)与流体速度成正比，因而只要测出多普勒频移就可确定微粒的即流体的流速。微粒可以是夹在气流中的液滴、夹在液流中的气泡和夹在气流或液流中的固体颗粒等任一形式。

激光多普勒流速计的组成如图7.7所示，它由多普勒频率的光学测量系统和多普勒信号处理的微型计算机系统组成。

光学测量系统中用的是He-Ne激光器作为激光源。分束器有平镜及棱镜等多种形式。光电检测器最常用的就是光电倍增管，以提供足够功率的电信号输入信号处理器。

多普勒信号处理系统的目的是对无规律地通过测点或测量体积的微粒产生的散射多普勒信号进行处理，从而得到流体的平均流速和瞬时流速。多普勒信号处理系统实际上就是微机计数处理装置，是将光电倍增管检测到的多普勒信号频率变换成脉冲序列，用直接计数方式测出脉冲频率，或测出脉冲周期再求出脉冲频率。光电倍增管输出信号经带通滤波器消除噪声后，一路输入过零检测回路，经另交叉处理，将信号变换成双值脉冲序列。另一路输入信号检测回路与预先设定的阈值进行比较，以判断是否是多普勒信号，然后由过零检测回路的输出信号和信号检测回路的输出信号在现状信号控制回路中组成状态信号S_i ( i = 1， 2， 3，）。S_i是在一段时间内对第i个计数器的时钟脉冲进行计数的信号，频率范围为40kHz~10MHz。由4个计数器计下的数据输入微型计算机，若数据间的差值在允许范围E内时，求出的平均值为有效数据。最后将流速计算过程由打字机打印显示。

用振幅来判断信号是否为多普勒信号时，其阈值随着流速和微粒的密度而变化。应用微型计算机确定最佳阈值，使信噪比最大并进行自动设定，对于多相流速测量是一种有效的信号处理装置。

 

二、超声波多普勒流速计

 

超声波多普勒流速计的原理是向被测多相流体连续发射超声波，通过测量两相流体中颗粒、气泡或液滴散射的超声波多普勒频移来确定多相流体的流速。目前己达到实用化的零交叉方式的多普勒流速计的原理框图如图7.8所示。

超声波发射器T向多相流体以发射频率f_t发射连续超声波，经照射域内颗粒、气泡或液滴后散射的超声波，以接收频率f_r被超声波接收器R接收。发射频率与接收频率间的一般关系可表示为

式中

f_d ——超声波发射、接收频率之差，称为多普勒频率或多普勒频移，与流速v成正比;

C——静止介质中声速；

θ—— 超声波传播方向和流体流动方向的夹角。

超声波发射器和接收器是超声波流速计的关键部件，由压电晶片组成，基于压电效应实现"高频电信号→超声波"或"超声波→电信号"的转换。压电晶片工作频率和尺寸的选择合理是保证流速计性能良好的关键。对于直径d为10mm的压电晶片，若要求θ<10°，则工作频率f一般必须达到数兆赫兹。

石英振荡器以2MHz的电信号经发射电路加在发射器的压电晶片上，产生的超声波射入流体的照射域内被颗粒所散射，与颗粒速度成正比的具有多普勒频率的散射波又入射到超声波接收器的压电晶片上，转换为电信号送入放大器。

接收器接收到的散射波频率信号f_r与石英振荡器的友射频率信号f_t经混频、检波处理，并通过滤波器取出低频成分，即可得到多普勒频率信号。多普勒信号波形中幅值为零的零交叉信号由零交叉计数器计数，并换算成流速信号输出显示。

为克服声速C波动引起多普勒频率的误差，在超声波发射器内增加塑料导向板。在塑料中声速C_l和温度无关，如图7.8所示几何关系为

则有

从而提高了测量精确度。

 

第五节 相关式液-固两相流量计

 

由于相关技术理论上可用于测量任何流体系统的流量(单相流、多相流)，而且测量流速的范围很宽，可从层流到超音速，因而为解决多相流量测量问题提供了一种强有力的技术手段。自20世纪60年代中期发展起来的、以相关技术基础构成的两相流量测量系统，在国外已形成商品化工业仪表，是目前多相流测试中极少数已形成工业型仪表中的一种。在工业喷吹煤粉流量、纸浆流量、石油流量测量中均有应用，是一种已达到实用化程度的流量计。由于相关流量计已有专题介绍，故此处对一般性问题尽量简化。选择在造纸工业现场已获得了较成功应用的液-固两相流量计——纸浆流量计作简要介绍^[7.2，7.10]。

如图7.9所示，沿纸浆测量管段的流动方向安装两个相隔间距为L的测点A和B。由光学传感器获取两点处的随机光信号，通过光/电转换电路和预处理电路输出适于相关处理的两路随机相关模拟信号X（t）和y(t)，送至相关器进行极性化相关分析。找出对应于相关函数R(t)最大值(峰值)的延时量τo值，即流体流经两测点间距L所需的渡越时间。由此即可求出流体的体积流量q_v。

式中

E， b——修正系数；

S——管道截面积。

相关测量系统由两部分组成：一是随机相关信号的获取装置——光学传感器；二是信号处理装置——极性相关器。对纸浆专用相关流量计的一些问题说明如下。

(1)纸浆流体动力学特性

纸浆是液-固两相流体，是水和纸浆纤维的均匀混合物，属于非牛顿流体。当纸浆浓度在1%~5%范围内，相应的纸浆流速在1.9~10m/s范围内，均能够形成良好的"柱塞状"流型。即管道内的纸浆如同一个柱塞以同一速度向前推进，即在管道内同一截面上各点的流速是相同的，而在靠近管道内壁处有一很薄的水层。柱塞状流型形成条件主要取决于纸浆浓度、流速及纸浆纤维的类型与尺寸，其间相互关系可用下面经验公式表示

式中

V_max——保持柱塞状流型的最大流速， m/s；

C——纸浆浓度，以固相重量百分数表示，%;

K——纸浆纤维因素，对长纤维纸浆取k=1.0，对短纤维纸浆取k=0.8，对特短纤维纸浆取k=O.6~0.7。

(2)光学传感器

在沿纸浆流动的平行方向，与管道内壁平齐处，安置间距L=10mm 的两个探头A和B。探头光源为两只用金属外壳封装的橙红色双管芯发光二极管D，发出一定波长一定光强的光，通过光纤传输入射至流动纸浆表面。该入射光被流动的纸浆调制而反射。两只光接收器为新型光敏管F(采用把受光PN结与放大器分开而又互相耦合的结构，具有高灵敏度和高信噪比)，接受此反射光后将其转换成具有一定带宽的随机噪声电信号，此信号经前置预处理电路放大后，输出到极性相关器。

为了获取两路随机相关信号，需同时传输四路(两束入射光源，两束反射光)互不串扰的光信号，且要求精确定位，以保证信号的相关性和测量精确度。采用新型玻璃光纤外加金属软管传递光信号。

(3)极性相关器

为了对传感器获得的流动随机噪声信号进行相关分析，寻找出相关函数极值对应的延时时间τo所采用的极性相关器原理结构如图7.10所示。由极性化电路、可控延时电路、符号电路以及微机控制系统及其他外部电路组成。极性化电路的作用是将随机模拟信号转变为具有两种幅值的脉冲信号，信号中大于零的电平全变为TTL₁电平，小于或等于零的电平全变为TTL电平。实际上，其就是一个比较器。可控延时电路是为完成相关函数值计算提供尽可能宽的可调延时范围，以满足工业对象流速变化范围要求。采用RAM 2114芯片构成的延时器，最大时延有32ms、64ms和128ms三挡。符合电路的作用是求出统计时间内两极性化函数符号相同的次数n，当两信号符号相同时允许计数。

(4)微机管理系统及外部电路

包括瞬时流量、累积流量的计算；转换成模拟信号；越限报警；以及人机对话键盘进行参数预置、修改和仪表特性的自校检验等。

相关式纸浆流量计性能指标见表7.17 。

 

第六节 LP型多相流量计

 

美国Mulfi-Fluid公司开发研制的LP型多相流量计，总体思路是使用组分计测量油、气、水含量百分数，用速度计测量混合物的速度，通过计算求得各组分的瞬时体积流量或质量流量。

LP型多相流量计结梅示意图如图7.11所示。整个多相流量计由两个独立的仪表组成。

(1)组分计 组分计的作用是测量流经流量计中油、气、水瞬时体积或质量含量的百分数。具体是测量油井未处理原油的介电性质(介电常数和电导率)和密度。水对介电性质比较敏感，气对密度比较敏感。介电性质由图7.11中微波检测器测量，该检测器使用了一种取得专利的微波技术，可对流体进行精确、稳定、快速的测量。密度由图7.11中密度计测量，密度计使用的是常规y射线密度计，直接装在流量计法兰上。

(2)速度计 速度计基于相关技术原理而工作。在流量计流体通道的B、C两个截面处装有两个微波检测器。速度计在两个横截面做非常快速的微波介电测量，对每个测量截面输出信号的统计分析可计算出料流渡越两个截面间的平均时间。根据渡越时间和两截面间距，则可计算出速度。

LP型多相流量计的技术规格见表7.18。

 

第七节 MPFM型多相流量计

 

Framo公司的MPFM型多相流量计结构示意图如图 7.12所示^[7.11]，由在线静态混合器、多源γ组分计和文丘里流量计等三部分组成。

流量混合器是一种纯静态混合装置，由一个将多相流送入其内的桶形容器组成。流体中密度最大的组分从容器底经喷射器排出，而密度最小的组分从容器顶排出并经一根管回到喷射器。在喷射器内，两种组分按喷射比混合。混合装置使计量系统完全不受上游流态的影响并为计量段提供均相流。

多源γ组分计由同位素源和耐振检测器构成，安装位置紧跟在流量静态混合器之后，用来确定油、气、水各自的体积分数。油、气、水各自的组分根据不同γ射线能的相对衰减程度计算求得。

文丘里流量计也安装在混合器之后，与γ组分计结合，获得油、气、水各分相流量。

MPFM型多相流量计长度分别为2.6m(海底)和1.5m(陆地).重约2500kg.可适用于多相流态中0~100%的油、气、水混合物，计量精确度可达 ± 6%。

 

第八节 EUROMATIC多相流量计

 

英国EUROMATIC公司的多相流量计构成如图7.13所示。

主流管线上装有一台涡轮流量计，输出油、气、水混合物体积流量信号V。装有一台γ射线密度计，输出混合物平均密度信号P1₁ 。一台微型脱气采样器连续从主流管线取样并脱除混合物中的气体。然后由另一台γ射线密度计测定油水混合物的密度输出信号P1₂。与此同时还测定混合物的压力P和温度T，并将各数据输入微机。微机按给定的数学公式运算后，得出油、气、水各分相流量和总质量流量。涡轮流量计的转子是由碳化钨材质制造而成，流量计内腔也附有碳化钨保护层，以防液流中砂或其他颗粒的腐蚀与磨损。

这种流量计计量油、水的精确度可达±O.5%~±2.0%.计量气体的精确度可达±O.5%~±3.0%。

 

第九节 MPFM-301型多相流量计

 

AGAR公司的MPFM-301型多相流量计构成如图7.14所示，由气-液两相流量计和含水分析仪两部分组成。气—液两相流量计可用于测量从泡状流至塞状流所有流态中的气体流量q_g和液体流量q_l，其调节比等于25:1。它由两种流量传感器FS(1)和FS(2)构成。这两种传感器可以是任何形式的体积流量计和动量仪表。该公司为其开发的复杂模型将各流量传感器的输出与气液的总流量相联系，同时还考虑了黏度、速度滑移比等。开发出的模型形式为

FS(1)的输出=F₁(q_g+q_l)

FS(2)的输出=F₂(q_g十q_l)

由于，此处有两个公式和两个未知数，从而可求得q_g和q_l各相分相流量。

当用于测量油、气、水多相流量时，增加了一台OWM-201型微波含水分析仪。它由一个2kHz的微波变送器和一个接收器构成，通过测量液流的介电性质分析含水率。此外，还测量压力、温度等消除密度变化影响的参数，最后由计算机求解下列非线性方程

方程1: q_V=F_l(q_g十q_l)

方程2: DP(1#动量仪表) =F₂(q_g，q_l，ρ)

方程3: DP(2#动量仪表) =F₃ (q_g，q_l，ρ)

方程4: c=q_w/(q_g+q_w十q_o)

方程5: q_l=q_w十q_o

方程6: q_w=(q_g十q_l)C

式中 C——含水率；

q_w——水流量；

q₀——油流量。

MPFM-301型多相流量计计算过程示意图如图7.15所示。

 

第十节 德士古海底多相流量计

 

德士古公司的海底多相流量计构成如图7.16所示。将总流量计装在井口附近(图中从略)，以便测出混合物的总流量及其密度。然后利用其分离装置(微波分离器)将采出物分离成气相和液相(油水相)，并分别计量气相和液相的体积流量。采用涡轮流量计计量气体的体积流量，专用流量计计量液体的体积流量。含水率则由Texaco微波含水检测仪测定。此种含水检测仪可精确地测定油水乳化液和油水混合液中0~100%的含水率，而无论其中哪一种组分是连续相。原子密度仪可测出液流中携带的气量。最后，结合在各点测得的温度、压力数据，通过计算机得出各相分相流量。

德士古海底计量系统的计量精确度为5%。设计压力为3.64kPa。在含气率为10%~90%和含水率为0~90%的条件下，该计量系统可在480~2880m³/d的流量范围内实现自动调控运行。

 

第十一节 MCF 351型多相流量计

 

KOS公司的MCF 351型多相流量计量系统如图7.17所示。由一个不锈钢双法兰短节、 Ex级信号处理电子装置和一个以PC机为主的控制装置组成。PC机用来计算和显示计量结果。不锈钢短节配备的是标准型ANSI法兰，在管线上安装很方便。

MCF多相流量计的原理是连续测定各相所占的横截面积，并乘上各相的流速，从而计量出段塞流中液体和气体的分相流量。实际计量时，流量计先测出液体在管中占据的横截面积，然后从总横截面中扣除液体横截面积得出气体所占横截面积。同时，流量计还测出液体的流速及段塞运动速度(与气体流速相等)。最后，油、水各自的流量通过确定含水率得出，即测出液体中的水量后，剩余的液体即是油。

流量计量段采用一对插入管内并与流向并行的平行传感器板(如图7.18所示)。传感器板上镶嵌着几个电容电极，根据产生的电容信号通过复杂的数据计算，得出各分相流量。

传感器板厚1.65mm、宽40mm，其中镶嵌着一列电极，两个信号电极分别位于管子底部和顶部。电极与电子线路连接。电子线路产生代表弯导电率实数和虚数部分的输出信号，其中虚数部分与流体介质的电纳成正比，也是计量混合物中液体的组分。由此确定出截面含液率，即各相分离后液相所占横截面积。剩余横截面即为气相占有。

管线底部流动的被体流速由两个电容信号的相关连续测量。这两个电容电极安装高度相等，间距很短。同时在管线顶部相距20mm的电极产生不同的信号，根据这些信号间的时差可计算段塞流速。段塞流速的测量间接给出气体流量。通过测量液体的介电常数，便可确定出油中的含水率或水量。

MCF 351型多相流量计目前有DN80和DN100两种规格，其流量范围分别为3~l46³/d(液体)和16~292m³ /d(气体)。

 

第十二节 MPFM 1900型和SMFM 1000型多相流量计

 

Fluenta公司的MPFM 1900型多相流量计是在原有MPFM 900型三相(体积百分率)流量计(图7.12)基础上，增设以电子相关信号为基础的流速计和新开发的微机软件配套制成。

MPFM 1900型计量系统由测量流体介电常数(电容率)及气、液各相流速的电容传感器及电子线路，测量流体密度的γ射线密度计，执行数据分析的计算机组成。要求的温度、压力等计算用数据由外装传感器提供。

油、气、水混合物各相介电常数和密度不同。如果已知各相的介电常数和密度，同时又能精确地测出混合物总的介电常数和密度，那么就能测定出三相组分中各相的百分数。若将混合物作为两电极板之间的电介质，则电极板间的电场将与混合物的介电常数成正比。如果让电介质通过γ射线，则测得的γ粒子吸附率将与混合物的密度成正比。传感器配备着两排大小不等、排列不均的电极，通过两排电极获得的相关信号计算出气、液相的流速。最后，由计算机根据各相百分数和各相流速得出油、气、水各相流量。

MPFM 1900型多相流量计计量段长约560mm，重约200kg。可计量原油含水0~80% 和含气0~90%，计量精确度为5%~10%。

最近， Fluenta公司又在MPFM 1900型基础上开发出了最新的SMFM 1000型海底多相流量计。该流量计在苏格兰Kilbride英国国家工程实验室(NEL)通过了试验评估，并已安装在South Scoft油田投入应用。

SMFM 1000型海底多相流量计系统主要组成如图7.19所示。流量计与ASE 4000海底采油控制系统配套组合应用。该流量计作为一个整体组装，它包括各种传感器和一个接口板。整个计量装置被封装在一只圆形的容器内，底座上只留有流体和电缆接口。全部电子元件被封装在一个单独的常压容器内。接口板收集传感器信号并通过一个高速串联网将其传输给控制模块。封装在控制模块压力容器内的其他接口板对来自各传感器的信息进行信号处理，并将处理结果送给控制系统地面通信网。

SMFM 1000海底多相流量计主要技术性能如下。设计压力41.369MPa(关井压力）；温度15°C；含油率0~100%、含气率0~100%、含水率0~100%；最低流速1.5m/s；水深670m；故障平均间隔时间MTBF为15年。

 

第十三节 Scroll Flo型多相流量计

 

ISA公司的Scroll Flo型多相流量计是根据容积式计量原理，结合密度测量得出油、气、水各相混合物的质量流量。流量计结构如图7.20所示。

容积式结构是一对相互啮合的螺旋状转子，采出物进入流体离析机构时，以平行于转轴的方向切向冲击螺旋斜面。多相流产生的瞬时力振动效应明显减弱，并便于被设计合理的转子轴承系统所吸收。

采出物通过流量计的转子空腔并被限制在各增量单元内。此时，应在采出物各相在油、气因单侧加速而可能发生分离之前测量各单元的密度。为此，在沿转子1/2长度的分界点处安插了一个中心小腔室。核子密度计就安装在横穿中心腔室的位置，以便在采出物从第一转子组射出并又冲击下游转子同步齿轮罩后测量各单元的密度。由于受下游共轭转子组约束的影响，该点处的各相流速仍是相等的。将总流量直接引入核子源和探测器之间的集中位置，能使密度计的灵敏度最好。

由于所测得的密度与转子内腔尺寸所限定的单元体积有直接联系，只要简单地将单元体积流量乘以密度即可求得多相流的质量流量。为便于测得体积流量，可用一种发生脉冲装置测量转子的转速。

Scroll Flo型多相流量计长1.2m，重450kg，量程比为10:1，可测含气率0~95%， 计量精确度为5%。

 

第十四节 非侵扰式多相流量计

 

AEA公司的非侵扰式多相流量计安装在管线的外侧，不会对管线内的混合物产生干扰。该流量计采用一个脉冲中子束对通过管线的氢原子、碳原子和氧原子进行计数，以此测出气体、液体和固体的体积。混合物中的含水量通过对氯原子的计数求得。辐射短脉冲"触激"氧原子，同时流量计对其示踪，以此测出混合物的流速。将两种测量结果相结合便可精确地计算出管线内的流量。

 

第十五节 FLOCOMP II型多相流量计

 

美国石油自动系统公司的FLOCOMP II型多相流量计的工作原理如图7.21所示。该种流量计采用快速采样的统计方法，在进行单井采出物计量时，首先打开两个取样容器阀S₁和S₂，同时关闭旁通阀B₁，混合物经过取样容器，并且驱替出上次取样样品。取样完成后，关闭取样容器阀S_l和S₂，并打开旁通阀B_l。这样，样品就充满容器并被隔离在两个阀门之间。此时，安装在旁通管线的流量计Q开始计量总流量。

气体流量的测量采用著名的P-V-T气体定律，在记录了压力和温度时，取样容器被活塞C压缩，从而产生变化量（V_l -V₂)。用这些数据就可计算出气体流量。计算出气体流量后，通过测量混合物样品的平均密度计算出油、水各自的流量。

 

第十六节 WELLCOMP多相流量计

 

Paul—Munroe工程公司的WELLCOMP多相流量计与FLCOMP II型多相流量计相似，如图7.22所示。这种标准型流量计总流量及含水率的计量精确度分别为1.0%和5%。尺寸为1.2m×1.2m×2.4m，其主要操作范围如下:

总流量(油、气、水)3200~4000m³ /d；

含水率 1%~99% ；

含气率 O~90% ；

油相对密度 全部；

最大压力 5MPa(表压)；

最高流体温度 190°C。