多相混输工艺技术培训课件(PPT-108页).ppt

1、多相混输工艺技术多相混输工艺技术Multiphase Flow In Pipelines中国石油大学储建学院储运工程系中国石油大学储建学院储运工程系李玉星李玉星2007年年11月月19日日内内 容容l 基本概念基本概念l多相流的研究简况和难度多相流的研究简况和难度 l多相混输管路的特点及处理方法多相混输管路的特点及处理方法l热物性及温降计算热物性及温降计算l流型判断流型判断l水力计算模型水力计算模型l段塞流计算段塞流计算l段塞流捕集器段塞流捕集器l多相流计量技术多相流计量技术 1、基、基 本本 概概 念念n持液率持液率n滑脱滑动比滑脱滑动比n表观速度与真实速表观速度与真实速 度度 n相间摩阻相

2、间摩阻n流动密度流动密度n真实密度真实密度SgSiSlgwgilw2、气液两相流的研究简况、气液两相流的研究简况二十世纪三十年代二十世纪三十年代 ，美若干研究生的论文中开始出现，美若干研究生的论文中开始出现“two-phase”two-phase”这一术语这一术语 4343年俄国人年俄国人KosterinKosterin在发表的论文在发表的论文 “ “水平管内两相介质水平管内两相介质流动结构研究中流动结构研究中”，首次采用，首次采用“two-phase”two-phase”术语。术语。 6666年有人统计，共收集到年有人统计，共收集到80008000余篇有关两相流的论文，余篇有关两相流的论文，

3、48-6648-66年期间，有关气液两相流的文章以成倍的速度增加年期间，有关气液两相流的文章以成倍的速度增加 油气两相混输的研究起步较晚，约在油气两相混输的研究起步较晚，约在5050年代初期。美国的年代初期。美国的MartineliMartineli和俄国的和俄国的ArmandArmand是两位最早对气液两相流进行是两位最早对气液两相流进行系统研究的学者。系统研究的学者。 70年代北海石油的开采对油气混输技术起极大的推动作年代北海石油的开采对油气混输技术起极大的推动作用用 3、研究深度划分、研究深度划分u早期的研究中，大部分把气液两相的流速认为相等，即采用均早期的研究中，大部分把气液两相的流速

4、认为相等，即采用均相流模型、混合物密度按气液比例求得，并按单相流体求压降相流模型、混合物密度按气液比例求得，并按单相流体求压降梯度。梯度。 如锅炉如锅炉u分相流模型：分相流模型：Martineli ， Duckleru流型模型：流型模型：Beggs-Brill, Eaton, Olimens, Xiao-Brill难难 度度n气液两相管路中所遇到的变量多，在某些流动型态下流动很气液两相管路中所遇到的变量多，在某些流动型态下流动很不稳定，且难以识别。不稳定，且难以识别。n参数很难测准参数很难测准 常遇到的某些变量有：（常遇到的某些变量有：（1） 气液流量（气液流量（2）含气率（）含气率（3）气液

5、密度（气液密度（4）管路倾角（）管路倾角（5）流型（）流型（6）气液相粘度）气液相粘度 (7)表表面张力等。若上述面张力等。若上述 变量每相均取变量每相均取5个数据，则需取个数据，则需取59=200万次实验。万次实验。4、混输管路的特点、混输管路的特点 n流型变化多流型变化多 n存在相间能量交换和能量损失存在相间能量交换和能量损失 n存在传质现象。存在传质现象。 n流动不稳定。流动不稳定。 气液两相管路的处理方法气液两相管路的处理方法 l均相流模型：均相流模型是把气液混合物看成为一种介质，因均相流模型：均相流模型是把气液混合物看成为一种介质，因此可以把气液两相管路当成单相管路来处理。此可以把气

6、液两相管路当成单相管路来处理。l分相流模型：分相流模型把管路内气液两相的流动看作是气液分相流模型：分相流模型把管路内气液两相的流动看作是气液各自分别的流动各自分别的流动: Martineli ， Duckler l流型模型：首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点，流型模型：首先分清两相流的流型，然后根据各种流型的特点，分析其流动特性并建立关系式分析其流动特性并建立关系式 :Beggs-Brill, Eaton, Olimens, Xiao-Brill5、热物性计算、热物性计算n黑油模型黑油模型 n黑油模型黑油模型 n凝析气模型凝析气模型n凝析油模型凝析油模型计算简单、编程方便、运算速度快

7、等计算简单、编程方便、运算速度快等 n组分模型：组分模型： 利用组分模型能够准确地模拟管道沿线随着温度和利用组分模型能够准确地模拟管道沿线随着温度和压力的变化气液相间的质量传递、凝析和反凝析、压力的变化气液相间的质量传递、凝析和反凝析、管段内气液相的组成以及管道内是否形成水合物管段内气液相的组成以及管道内是否形成水合物等复杂问题。等复杂问题。 黑油模型(Blackoil Model)n需已知在工程标准状态下的气、液相对密需已知在工程标准状态下的气、液相对密度、气油比、粘温关系和管路压力温度条度、气油比、粘温关系和管路压力温度条件，计算以经验公式和图表为主。件，计算以经验公式和图表为主。n溶解气

8、油比溶解气油比 （Solution Gas/oil Ratio） n油体积系数（油体积系数（oil formation volume factor） n粘度粘度 ：油粘度、气粘度、油水混合粘度：油粘度、气粘度、油水混合粘度n溶气油的表面张力溶气油的表面张力 n比热比热 n油水混合粘度:n未形成油水乳状液 :可以采用体积平均和可以采用体积平均和API 14B12方法方法 n乳状液乳状液:n爱因斯坦（爱因斯坦（Einstein）公式）公式n凡德凡德(Vand)公式公式n理查森理查森(Richardson)公式公式 n爱因斯坦公式适用于体积含水率值不大于爱因斯坦公式适用于体积含水率值不大于0.2；其

9、他公式用于体积；其他公式用于体积含水率小于含水率小于0.40 5 . 21o322 .1631. 75 . 21okoexp组分模型组分模型l根据混合物的组成计算压力温度变化时气液相的密度、粘根据混合物的组成计算压力温度变化时气液相的密度、粘度、表面张力、压缩因子等参数。度、表面张力、压缩因子等参数。l前提条件：已知组成混合物的烃类和非烃类组分的摩尔百前提条件：已知组成混合物的烃类和非烃类组分的摩尔百分数，除此之外不需要其他参数。分数，除此之外不需要其他参数。l一旦组成确定，流体性质确定一旦组成确定，流体性质确定10015020025030035002000400060008000100001

10、2000临界冷凝温度露点线反凝析区临界冷凝压力两相区泡点线临界点BAP(kPa)T(K)状态方程状态方程(EOS) n利用状态方程作为模型 n利用液相逸度系数作为模型 nSRK方程 nPR方程 nBWRS方程 与热力学关系式结合，计算与热力学关系式结合，计算物性（焓、气液相密度、熵、物性（焓、气液相密度、熵、比热等）比热等）温度计算及焓平衡方程 n温降计算：温降计算：n焓平衡方程计算焓平衡方程计算ddddddddHxvvxgZxQx 基础：能量守恒定律基础：能量守恒定律00()() exp()()1 exp()ZRwgpgRZipTTbTTbaLx cPPDaLcaL流型 流型测定方法简介l目

11、测方法目测方法 l根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种根据对管线某种参数波动量测定的统计结果与流型建立某种关系，依此确定流型，关系，依此确定流型，Hewitt建议，按管路压力波动量和建议，按管路压力波动量和x射线被管路流体吸收的波动来确定流型。此外，还可在管内射线被管路流体吸收的波动来确定流型。此外，还可在管内放入探针，用探针与管壁间导电率的波动量来确定流型。放入探针，用探针与管壁间导电率的波动量来确定流型。l根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度和流型，包根据辐射射线被吸收量来确定气液混合物的密度和流型，包括：括：x射线照相和多束射线照相和多束射线密度计。射线密度计。水平

12、管中的流型水平管中的流型 n埃尔乌斯流型划分法较好地埃尔乌斯流型划分法较好地说明了气液两相流动的流型说明了气液两相流动的流型变化特点。埃尔乌斯把两相变化特点。埃尔乌斯把两相管路的流型分为气泡流、气管路的流型分为气泡流、气团流、分层流、波浪流、冲团流、分层流、波浪流、冲击流、不完全环状流、环状击流、不完全环状流、环状流和弥散流等八种流和弥散流等八种 不同学者具有不划分方法和依据不同学者具有不划分方法和依据经验流型图经验流型图 1954年，年，Baker最早提出一幅水平两相流型图最早提出一幅水平两相流型图 1962年年Govier和和Omer提出了一幅流型图提出了一幅流型图 1974年，年，Man

13、dhane又提出了一幅流型图又提出了一幅流型图 布里尔流型图布里尔流型图 u它们大都根据小管径、低压条件下的实验数据绘制。当应用于大口径、它们大都根据小管径、低压条件下的实验数据绘制。当应用于大口径、较高压力系统时存在着偏差；较高压力系统时存在着偏差； u 不便于上机不便于上机 u纵横坐标不一致不便于比较。纵横坐标不一致不便于比较。 半理论方法得到的流型图半理论方法得到的流型图 n76年年Taitel和和Dukler 模型模型n对低中粘度液体较适用，但对高粘度液体的偏差较大对低中粘度液体较适用，但对高粘度液体的偏差较大 n对间歇流和分散气泡流的判别准则中，没有考虑表面张力对间歇流和分散气泡流的

14、判别准则中，没有考虑表面张力的影响。的影响。 n把把 作为间歇流环雾流的分界线，偏高，与实作为间歇流环雾流的分界线，偏高，与实验结果不符。验结果不符。 nBarnea 流型划分法流型划分法n各种流型模型水力计算方法提出的流型准化准则各种流型模型水力计算方法提出的流型准化准则时5 . 0dhl倾斜管中的流型倾斜管中的流型 n分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感分层流与间歇流的过渡对倾角特别敏感 管路向下倾斜时很容易产生分层流，上倾时则易产生间歇管路向下倾斜时很容易产生分层流，上倾时则易产生间歇流。常利用下倾管气液易于分离的特点作两相流管道的终点流。常利用下倾管气液易于分离的特点作两相流管道的终点设

15、备。如：分离器、管式液塞捕集器等。设备。如：分离器、管式液塞捕集器等。 n管路倾角对分散气泡流管路倾角对分散气泡流/间歇流和间歇流间歇流和间歇流/环雾流过渡的影响环雾流过渡的影响不大。不大。水力计算模型水力计算模型n分相流模型 nLockhart-Martinelli 压降计算法：该法适用于管径较小、气油比不高的油气混输管路 nDukler II 压降计算法 ：只适用于水平两相流管路，也没有考虑加速压降损失项。 n流型模型 nBeggs & Brill 压降计算法 ：对持液率的计算结果偏大；在流型分界处持液率和水力摩阻系数的数值都不连续；只预测水平管线的流型，没有考虑管道倾斜对流型的影响，其使

16、用范围还有一定的限制。 nEaton压降计算法 nMukherjee & Brill压降计算法 nOliemans 压降计算法 nXiao-Brill模型 组合模型组合模型 模型及代码流型划分相关式持液率相关式摩阻压降 高程压降加速压降Dukler-Eaton-Flanigan(DEF)无EatonDuklerFlaniganEatonDuklerFlanigan(DF)无DuklerDuklerFlanign无Eaton-Flanigan(EF)无EatonEatonFlaniganEatonLockhart & Martinelli (LM)无LMLMDukler (DUKLER)无DUK

17、LERDUKLEREaton (EATON)EATONEATIONEATONBeggs & Brill (BB)BBBBBBBBBBBeggs&Brill-Moody(BBM)BBBBBB with moodyFrictionBBBBBeggs&Brill-No Slip(BBNS)BBNO-SlipHoldupBB with moodyFrictionBB(No-slip)BBMukherjee&Brill-Eaton(MUBE)MBEaton*MBMBMBBeggs&Brill-Moody Dukler(BBMD)BBDukler*BB with moodyFrictionBBBBBegg

18、s&Brill-Moody Eaton(BBME)BBEaton*BB with moodyFrictionBBBBOlimens(OLIM)无EatonOliemansOliemansOliemansBB moody-Hage-dorn&Brow(BBMHB)Hagedorn&BrownBBBB with moody frictionBBBBMukherjee&Brill (MB)MBMBMBMBMB段塞流抑制技术段塞流抑制技术n段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，在许多操作条件下（正段塞流是多相管流最常遇到的一种流型，在许多操作条件下（正常操作、启动、输量变化）混输管道中常出现段塞流。其特

19、点是常操作、启动、输量变化）混输管道中常出现段塞流。其特点是气体和液体交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，气体和液体交替流动，充满整个管道流通面积的液塞被气团分割，气团下方沿管底部流动的是分层液膜。管道内多相流体呈段塞流气团下方沿管底部流动的是分层液膜。管道内多相流体呈段塞流时，管道压力、管道出口气液瞬时流量有很大波动，并伴随有强时，管道压力、管道出口气液瞬时流量有很大波动，并伴随有强烈的振动，对管道及与管道相连的设备有很大的破坏，使管道下烈的振动，对管道及与管道相连的设备有很大的破坏，使管道下游的工艺装置很难正常工作。游的工艺装置很难正常工作。段塞流形成机理段塞流形成机理n段塞流

20、分类段塞流分类 n水动力段塞流水动力段塞流(hydrodynamic slugging) n管道内气液折算速度正好处于流型图段塞流的范围内所诱管道内气液折算速度正好处于流型图段塞流的范围内所诱发的段塞流，水动力段塞流又可细分为：普通稳态水力段发的段塞流，水动力段塞流又可细分为：普通稳态水力段塞流和由于气液流量变化诱发的瞬态段塞流，发生这种段塞流和由于气液流量变化诱发的瞬态段塞流，发生这种段塞流时一般气液流量较大塞流时一般气液流量较大;地形起伏诱发段塞流地形起伏诱发段塞流n地形起伏诱发段塞流地形起伏诱发段塞流 n由于液相在管道低洼处积聚堵塞气体通道而诱发的段塞流，由于液相在管道低洼处积聚堵塞气体

21、通道而诱发的段塞流，常在低气液流量下发生强烈段塞流常在低气液流量下发生强烈段塞流(severe slugging) 段塞流形成机理段塞流形成机理n强烈段塞流强烈段塞流(severe slugging) n通常在两海洋平台间的连接管道上发生。定义为：液塞长度大于通常在两海洋平台间的连接管道上发生。定义为：液塞长度大于立管高度的段塞流。这是一种压力波动最大、管道出口气液瞬时立管高度的段塞流。这是一种压力波动最大、管道出口气液瞬时流量变化最大的段塞流，对管道和管道下游相应设备正常工作危流量变化最大的段塞流，对管道和管道下游相应设备正常工作危害最大的一种段塞流。和地形起伏诱发段塞流相似，常在低气液害最

22、大的一种段塞流。和地形起伏诱发段塞流相似，常在低气液流量下发生。流量下发生。段塞流形成机理段塞流形成机理n水动力段塞流 段塞流形成机理段塞流形成机理n地形起伏诱发段塞流段塞流形成机理段塞流形成机理n强烈段塞流段塞流的抑制方法段塞流的抑制方法 段塞流的抑制方法段塞流的抑制方法n强烈段塞流的抑制法强烈段塞流的抑制法 n减小出油管直径，增加气液流速；减小出油管直径，增加气液流速； n立管底部注气，减小立管内气液混合物柱的静压，使气立管底部注气，减小立管内气液混合物柱的静压，使气体带液能力增强体带液能力增强 n采用海底气液分离器如海下液塞捕集器采用海底气液分离器如海下液塞捕集器 n在海底或平台利用多相

23、泵增压；在海底或平台利用多相泵增压； n立管顶部节流最经济、实用的抑制方法立管顶部节流最经济、实用的抑制方法立管顶部节流原理立管顶部节流原理n为使系统稳定运行，必须在立管底部出现新液塞并在立管为使系统稳定运行，必须在立管底部出现新液塞并在立管内增长至顶部前，将液塞排出立管，使气液混合物在系统内增长至顶部前，将液塞排出立管，使气液混合物在系统中连续流动，即把混合物速度中连续流动，即把混合物速度Umix（定义为气液折算速度（定义为气液折算速度之和）作为控制参数。若之和）作为控制参数。若Umix减小表示发生阻塞，为举升减小表示发生阻塞，为举升刚形成的液塞，出油管道的压力应高于立管下游分离器或刚形成的

24、液塞，出油管道的压力应高于立管下游分离器或捕集器正常平均操作压力。立管顶部节流可增大管道和捕捕集器正常平均操作压力。立管顶部节流可增大管道和捕集器之间的差压，利于在立管内刚形成的小液塞流向捕集集器之间的差压，利于在立管内刚形成的小液塞流向捕集器。器。控制强烈段塞流的实例控制强烈段塞流的实例n带小分离器的控制方法 A它必须作用于密度不同的两相流体；它必须作用于密度不同的两相流体；B不能直接测量立管顶部两相流混合不能直接测量立管顶部两相流混合物的速度物的速度Umix（两相流流量测量很困（两相流流量测量很困难，需要复杂的传感器）。难，需要复杂的传感器）。 段塞流计算段塞流计算气泡液膜 液塞气泡长度液

25、塞长度液塞单元长度段塞流特征参数计算模型段塞流特征参数计算模型n液塞区特性参数：包括液塞含液率，平均液塞长度，最液塞区特性参数：包括液塞含液率，平均液塞长度，最大液塞长度，液塞速度以及平移速度；大液塞长度，液塞速度以及平移速度； n液膜区特性参数：包括液膜含液率，液膜速度，气泡速液膜区特性参数：包括液膜含液率，液膜速度，气泡速度和平均气泡长度。度和平均气泡长度。模型 I I段塞流特征参数计算模型段塞流特征参数计算模型 nBrill模型模型 (1981年年 )nDukler模型模型 (1975年年 )nXiao模型模型 (1990年年 )液塞含液率液塞含液率: HvLsm118661 39/ .

26、平均液塞长度平均液塞长度 :ln.ln.LDs 2541442849480 1最大液塞长度最大液塞长度: sLsLln54. 1expmax段塞流捕集器段塞流捕集器功能功能n有效分离和捕集液体，确保下游设备正常工作； n在最大液塞到达时，可作为带压液体的临时储存器，能连续向下游供气。n降低冲击能量 因此在设计时，既要考虑气液分离，又要考虑对段塞的捕集。 段塞流捕集器段塞流捕集器捕集器结构捕集器结构 容器式容器式 ：一般用于海洋平台上，结构与陆上油气分离器类同，只：一般用于海洋平台上，结构与陆上油气分离器类同，只是有较大的缓冲容积，以满足气液瞬时流量的较大变化，并设有是有较大的缓冲容积，以满足气

27、液瞬时流量的较大变化，并设有高高液位、高液位、低液位、低低液位，以警示操作人员。高高液位、高液位、低液位、低低液位，以警示操作人员。 管式（或称指式）：用于气液混输管道的陆上终端，管式捕集器管式（或称指式）：用于气液混输管道的陆上终端，管式捕集器由多根平行管子构成，平行的管子愈多，各管负荷分配愈不均匀；由多根平行管子构成，平行的管子愈多，各管负荷分配愈不均匀；管子愈少，则在一定处理量下管子所需直径愈大、管子愈长。应管子愈少，则在一定处理量下管子所需直径愈大、管子愈长。应根据场地和建造费用等因数综合考虑确定。管式捕集器分离段和根据场地和建造费用等因数综合考虑确定。管式捕集器分离段和储液段的坡度很

28、小（储液段的坡度很小（1-30），管子很长，原油流动性差且有流动），管子很长，原油流动性差且有流动温度要求，故不宜用于天然气温度要求，故不宜用于天然气/原油多相流管道。原油多相流管道。 捕集器设计原则捕集器设计原则 u一般以一般以1/1000概率的最长液塞的液体体积作为捕集器的设概率的最长液塞的液体体积作为捕集器的设计处理量。计处理量。 u湿天然气管道大都处于分层流工作，以设计输量下管道内湿天然气管道大都处于分层流工作，以设计输量下管道内平衡集液量作为捕集器设计处理量。平衡集液量作为捕集器设计处理量。 u捕集器的尺寸和结构设计不局限于上述两种型式，应以满捕集器的尺寸和结构设计不局限于上述两种型

29、式，应以满足捕集器功能和现场条件、少投入获取最大经济效益为目足捕集器功能和现场条件、少投入获取最大经济效益为目标标 。u考虑清管周期对捕集器容积的影响。考虑清管周期对捕集器容积的影响。多相流计量技术多相流计量技术 计量精度等级划分 n1数据用于油田管理：精度要求：数据用于油田管理：精度要求：5-10%n2数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 ：精度：精度要求：要求：25%n3数据用于销售计量管理或管理权移动：精度要求：数据用于销售计量管理或管理权移动：精度要求：0.251.0%传统井口计量方法n示功图法软件量油技术示功图法软件量油技术n该技术依据油井

30、深井泵工作状态与油井液量变化关系，建立抽油该技术依据油井深井泵工作状态与油井液量变化关系，建立抽油杆、油管、泵功图的力学和数学模型，通过获取示功图数据，计杆、油管、泵功图的力学和数学模型，通过获取示功图数据，计量油井产液量量油井产液量n“功图法功图法”油井计量技术具有以下特点：通过实时测得多个功图油井计量技术具有以下特点：通过实时测得多个功图计算的产量叠加获得油井全天产量，避免了双容积以数小时量油计算的产量叠加获得油井全天产量，避免了双容积以数小时量油折算日产量带来的系统误差；能够实时采集处理数据、监控油井折算日产量带来的系统误差；能够实时采集处理数据、监控油井工况；自动化程度高，每个数据处理

31、点可管理工况；自动化程度高，每个数据处理点可管理40口油井口油井 n计量分离器计量分离器n计量过程中首先计量过程中首先用两相计量分离用两相计量分离器将油井产出物器将油井产出物分出液、气两相，分出液、气两相，然后用玻璃管量然后用玻璃管量液，人工井口取液，人工井口取样化验含水率。样化验含水率。 n液面恢复法液面恢复法 n根据试井理论，油井关井后，液面上升率起初与关井时根据试井理论，油井关井后，液面上升率起初与关井时间成正比，然后越来越慢。根据连通器原理，在关井时间成正比，然后越来越慢。根据连通器原理，在关井时间内，油套环形空间储存的流体可在相同时间内被抽油间内，油套环形空间储存的流体可在相同时间内

32、被抽油泵抽出。因此，用仪器间隔一定时间测出泵抽出。因此，用仪器间隔一定时间测出3个液面深度，个液面深度，由由3个液面深度计算出液面恢复速度值，即可算出相应个液面深度计算出液面恢复速度值，即可算出相应的产液量。的产液量。 一、概况一、概况n 在过去的十年中，多相流计量系统的发展、评估和运用一直是世界油气工业的主要焦点。迄今为止，已经开发了很多供选择的计量系统，但是没有一个能够称得上是广泛应用或绝对精确。n 第一个商用多相流量计出现在大约十年前，是80年代初期多相计量研究项目出现的结果。曾经致力于和正在研究多相流计量的开发的研究中心和石油公司有：Tulsa、SINTEF、Imperial大学、国家

33、工程实验室、CMR、英国石油公司、德士古公司、埃尔夫石油公司、壳牌石油公司、阿吉普石油公司和巴西石油公司。二、基本原理二、基本原理n 测量流动参数 流动参数是油气水流量的函数，因此可以测定通过流量计的压降、射线束的衰减和混合物的阻抗等参数，建立这些测量值与各相流量之间的关系，要建立三相流动需要三个独立的测量值。 n多相流量计计量的主要数据是流体中油、水、气三相的质量流量。目前的技术还不能直接测试流体中三相的质量流量。当前采用间接测量的方法即计量每种成分的瞬时速率和各自截面含率 测试持液率 测试各相速度速度 测试各相密度 体积流量 质量流量 图 1 油气水三相流量测试原理图 M=gg+ww+1-

34、(+)oo n也常采用两种简化方式来降压上述测量的难度。两种方法也常采用两种简化方式来降压上述测量的难度。两种方法是部分分离和均相化。部分分离是将三相流体分离成气液是部分分离和均相化。部分分离是将三相流体分离成气液两相，以便更多的利用常规单相计量技术来计量分离相。两相，以便更多的利用常规单相计量技术来计量分离相。均相化是将流体在计量前均相处理，则可以认为名相流速均相化是将流体在计量前均相处理，则可以认为名相流速相等，整个横截面密度相等，这两种方法均降低了所需测相等，整个横截面密度相等，这两种方法均降低了所需测量数据的个数和难度。量数据的个数和难度。多相流的计量主要计量其各组分含率和流速。 n没

35、有方法能够理论上预测这种关系，因此，一定要通过校准来确定这些关系。但不可能在测量技术应用的所有情况下校准，而且这种方法并不总是有效的。校准方法通常可以通过神经网络技术来得到增强，这种技术可以高精度地确定函数关系。然而，这种技术虽然有用，但不能解决基本问题，也就是说校准只用于实施校准的情况下。n测量相位速度和相位横截面分数 为了测量管道中三种组分的体积流量，需要建立三个平均速度和三个相位截面。因此，需要测量五个量（三个速度和两个相位分数）。当然，这个难以达到的测量要求可以通过分离或均相化来减少。n 通过相分离，就没有测量截面持率的需要了，而三个体积流量可以通过传统单相计量技术来测定。但是，相分离

36、是很昂贵的，而且在很多情况下很难实现。如果通过使混合物均相化来均衡速度也可以把测量要求减少到三个。这是更经济的选择而且是一些商用流量计的核心。但是，能够达到均相化的范围总是有限的。n因此，两种计量方法都有本质的缺陷，正是由于这个原因迄今为止还没有获得完全令人满意的计量方法。三、测量方法三、测量方法n多相流量的测量方法n1、紧凑式分离方法应用最广泛、可靠、体积大n2、相分率和速度计量使用条件受到限制n3、通过测量总流量和相分率实现多相计量各种商业化流量计的做法，价格昂贵n4、利用示踪物用于校准以及湿气测量n5、流型识别硬件结合软件，价格便宜n6、各相分别测量复杂而且难以校准n主要参数的测量方法n

37、一、相分率的测量方法n1、用快关阀技术测量空隙率 使用快关阀技术的主要问题：一是关闭阀门需要一定时间，此时通道内的流型会发生变化，本方法从理论上说存在误差；二是每次测量都要切断系统，影响系统运行。2、 -射线衰减法射线衰减法n-射线法是以双能级能源-射线衰减（DEGRA）为基本原型的。其原理在于-射线穿过多相流管道时有能量衰减。相分率不同，-射线衰减程度也不同，并且对于不同能源 e1、e2通过相同相分率的多相流体时其衰减程度也不相同。图7所示-射线穿过气、油、水三相混和流动时衰减情况。 n对内径是对内径是d，含油、气、水三相流动的管道，其测量的衰减，含油、气、水三相流动的管道，其测量的衰减计数

38、计数Im(e)可用下式表示：可用下式表示：n对于两个能级能源对于两个能级能源e1、e2，由于油、气、水三相线形衰减，由于油、气、水三相线形衰减系数显著不同，得到两个独立等式。由于相分率之和为系数显著不同，得到两个独立等式。由于相分率之和为1得得到第三个等式：到第三个等式：31)(exp)()(iiivmedeIeI1gwon由此可得出一个线形方程组：由此可得出一个线形方程组：1)()(111)()()()()()(21222111eReReReReReReReRmmgowgowgowRw、Ro、Rg是当管线中分别充满水、油、气三相时的计数值，Rm是管线中充满混和流体时的计数值。e1、e2分别为

39、能源能级为e1、e2时的测量值。 -射线法的优缺点 n -射线法的优点十分显著，它能够处理任何油水比的情况并且是非介入射线法的优点十分显著，它能够处理任何油水比的情况并且是非介入式测量。式测量。n缺点主要有两方面：缺点主要有两方面：n由于放射源的随机性，测量时间和测量精度有一定的冲突。若想提由于放射源的随机性，测量时间和测量精度有一定的冲突。若想提高精确性就需要用较长的测量时间，克服此缺陷的途径是加大能源高精确性就需要用较长的测量时间，克服此缺陷的途径是加大能源能级，但这是以降低安全操作为代价的。能级，但这是以降低安全操作为代价的。n水中的含盐成分对测量也有很大的影响。由于盐水具有较高的衰减水

40、中的含盐成分对测量也有很大的影响。由于盐水具有较高的衰减系数，水相中盐成分的变化会引起测量水相分率误差较大。为此系数，水相中盐成分的变化会引起测量水相分率误差较大。为此Scheer和和Letton提出采用三能级提出采用三能级/多能级来解决这个问题。双能级多能级来解决这个问题。双能级能源可以确定三相流的相分率，使用三能级能源（能源可以确定三相流的相分率，使用三能级能源（TEGRA）可以多）可以多确定一个参数，如含盐量的变化等。确定一个参数，如含盐量的变化等。 n单束射线的缺点是：测量值与流型关系较大，不能代表截单束射线的缺点是：测量值与流型关系较大，不能代表截面上平均密度，现在均采用双射线束或多

41、射线束解决上述面上平均密度，现在均采用双射线束或多射线束解决上述问题。镅问题。镅-241(Am-241)被证明是较好的放射源，一般低被证明是较好的放射源，一般低能级能源范围是能级能源范围是1030Kev，高能级能源其能级应高于，高能级能源其能级应高于4050Kev。n3、用侧散射技术测量局部空隙率 应用侧散射技术的主要问题：一是流体中某一确定点在很小的立体角范围内散射的光子的强度非常小，因而要得到较高的精度需要很长的计数时间，但在如此长的计数时间内，难以保持条件的完全稳定；二是要考虑被散射射线的自吸收，而这取决于对系统中空泡分布的了解，因而需要迭代计算局部空隙率的分布，引起计算误差。n4、使用

42、中子散射测量空隙率 将需要测定空隙率的通道截面布置于快超热中子射束中，然后计数测定被散射和透射的中子流密度。如果入射强度比较均匀，则被散射的热中子流密度取决于横截面上含氢物质的数量，而与其分布无关。所以本方法适合于测量横截面平均空隙率。 使用本技术的最大问题在于获得合适的中子，而且其造价极其昂贵。图图2 快中子测量相分率技术示意图快中子测量相分率技术示意图n5、电容/电导/电感传感器 电容/电导传感器由至少两个安装在管壁上的金属板电极组成，形成几列电容器，使流体从两块金属板或电极之间的空间流过；电感传感器通常是一个环绕在管道上的线圈。基于油气水不同的导电特性和电介质特性，认为混合物的电特性是物

43、理性质已知的各相流体所占比例的函数，因此根据测量得到的电容、电导、电感值就可以计算出油气水各相的相分率。这种方法的缺点是受含盐率的影响。 油、水、气的介电常数图油、水、气的介电常数图 n6、微波相分率传感器 该传感器也是通过测量多相混合物的电介质特性来实现相分率的测定。传感器由电磁波发射器和接收器组成，频段位于MHz或者GHz，属于微波频率范围。混合物的介电常数是微波频率和混合物电导率的函数，测量得到的介电常数是各相介电常数的体积加权平均值，结合其它条件可以计算得到多相混合物各相分率。n7、用非介入式自耦变压器测量空隙率 Abdullah A.Kendoush，Zareh A.Sarkis提出

44、了利用自耦变压器测量两相流空隙率的新技术。这一技术基于两相流混合物变成一个磁场区，在该磁场区里，任何空隙率的变化都会引起两相流混合物磁导率的变化。该技术适合于非金属管线两相流的测量。 自耦变压器测量空隙率原理图自耦变压器测量空隙率原理图 n二、局部流速的测量方法n1、使用皮托管测量局部速度 皮托管是测量单相流中流体速度的经典设备。将探头正对物流就可以测得与当地流体静压相应的动压，由此可计算出速度。皮托管广泛地应用于两相流研究，但整理记录得到动压数据比较困难。使用皮托管测量速度的主要问题是它只适用于流动均匀且两相流速几乎相等的情况。n2、使用互相关技术测定局部速度 如果在流动的上下游各布置一个传

45、感器，就可以获得有一定时间延迟的两条类似曲线。这一时间延迟表示了脉动从一处迁移到另一处所需的时间。如果脉动随流体以流体速度迁移，就可以把脉动当作示踪物。其互相关函数为：12012120t()d()dfttRttff（ ） 对足够长的时间取平均，因而不随T而改变。在处达到最大，为渡越时间，于是流动速度U为： 式中：上下游两个传感器间的距离。mzU12n在多相流量计测速率时引入了许多种传感器技术：如微波式传感器、射线传感器及电容式传感器等。n相关法测量的精确性取决于从相关函数顶峰值得出的速率与流体平均流速之间关系的有效性。n对于油、气、水三相流体流动，测得的是某相的速率，若各相之间存在滑差就会出现

46、测量误差。n采用两种方法来降低由于滑差而引起的速率测量误差。第一种方采用两种方法来降低由于滑差而引起的速率测量误差。第一种方法是在传感器上游安装混合器使流体均相化，以确保所有的相以法是在传感器上游安装混合器使流体均相化，以确保所有的相以相同的速率流动。相同的速率流动。 n另一种方法来降低由于滑差而带来的误差。此方法采用电容传感另一种方法来降低由于滑差而带来的误差。此方法采用电容传感器来测量气相速率；采用两套传感器测量大气泡流速和液相流速。器来测量气相速率；采用两套传感器测量大气泡流速和液相流速。 nWatt使用双能源使用双能源 -射线传感器来确定气液相流速，使用高能级或射线传感器来确定气液相流

47、速，使用高能级或低能的低能的 -射线确定气相流速，使用混和信号的相关式确定液相流射线确定气相流速，使用混和信号的相关式确定液相流速。速。四、多相流量计的性能评价n多相流量计的性能参数n准确度（不确定度）n复现性n影响量n准确度的描述n实际总的多相流量的相对误差作为不确定度；n总流量中实际液体和气体的相对误差作为不确定度；n液相中含水率的绝对误差作为不确定度。 误差定义误差定义校准方法校准方法绝对误差绝对误差ERRi=QiERRi=Qi（测量）（测量）-Qi-Qi（参考）（参考）/Qi/Qi（参考）（参考）相对误差相对误差ERRi=QiERRi=Qi（测量）（测量）-Qi-Qi（参考）（参考）/

48、Qi/Qi（满刻度）（满刻度）总误差总误差ERRi=QiERRi=Qi（测量）（测量）-Qi-Qi（参考）（参考）/Qi/Qi（总）（总） 研究者在进行多相流量计的现场测试时一般使用以下研究者在进行多相流量计的现场测试时一般使用以下误差定义：误差定义： 这里这里i是多相流体中某一相，是多相流体中某一相，Q是体积流量，一般用传统是体积流量，一般用传统的测试分离器及其仪表的测量结果作为参考值。的测试分离器及其仪表的测量结果作为参考值。多相流计量系统中数据流动和误差传播示意图五、多相流量计的分类五、多相流量计的分类n分离式多相流量计分离式多相流量计分离总流和取样分离分离总流和取样分离n均相化处理多相

49、流量计均相化处理多相流量计n非均相化处理多相流量计非均相化处理多相流量计n均相化多相流测量系统和非均相化多相流测量均相化多相流测量系统和非均相化多相流测量系统在计量前都不需对流体进行分离，直接在系统在计量前都不需对流体进行分离，直接在线测量。线测量。n分离式多相流量计n均相化处理多相流量计n均相化多相流量计由静态混合器、文丘里流量计（测量总流量）、射线分析仪（测量含水率）组成。n这种多相流量计的主要困难是难于得到均质混合物，特别是含气率大于30%以上时，气液的分布将是不均匀的，对于混合器的混合效率以及由此可能引起的阻塞作用 n非均相化处理多相流量计六、国外主要多相流量计产品六、国外主要多相流量

50、计产品nDaniel公司的MEGRA多相流量计n采用由SHELL石油公司开发的可以测量均相流中油气水含率的Dual Gama Ray技术与内置文丘里头锥体流速测量技术，测量精度为7%，在线测量参数包括：混合物总流量、各相流量、累计流量、含水率、含气率、混合物粘度、工艺压力、温度。nAgar在线多相流量计n包括一个涡轮流量计和两个文丘里管，二次仪表根据三个传感器的输出计算得到气体和液体的体积流量；含水率微波监测仪来测量。不能用于高含气井流的测量。nRoxor RFM与Fluenta 1900 VI流量计：n 利用几种不同传感器的组合测量流速，使用Cs-137伽马密度计测量总密度，结合电容和电感传