气液两相流测量浅析

1、 .PAGE38 / NUMPAGES38新型气液两相流量计增强取样代表性 发布时间：2011-02-15 10:29:54 气液两相流广泛存在于石油、化工、能源等许多工业领域，在有两相流动的系统中，两相流体的流量测量一般是无法避免的，也是未能很好解决的一个难题。分流分相法是近年来出现的一种新型多相流量测量方法，其特点是从被测两相流体中取样分流出一部分两相流体，将其分离成单相气体和单相液体，分别用单相流量仪表测量，然后根据取样流体与主流体间的关系推断出被测两相流体的流量。本文通过管壁取样和整改入口流型的方法改善了取样效果，利用分流分相方法实现了气液两相流量的测量。旋流型管壁取样分配器结构与测量

2、原理 气液两相流在管路中流动，其流动特性比较复杂，不同的气量下形成的流型不同，若只是采取管壁上开孔取样，会使得取样缺乏代表性，不能反映整个取样。 截面的气液相的分布状况。为了使其不受流型的影响，在设计管壁取样的基础上，又增加设计了整流装置：旋流叶片和整流器。管线来流经过旋流叶片使两相流体产生旋转运动，使得原来不对称分布的液膜、液滴在圆周方向进行混合和重新分布，变成一种关于轴线对称的流型，再经过整流器的整改，进一步改善相分布和速度分布的对称性，最终将分层流、段塞流、波浪流以与不对称的环状流等其它流型转变为对称的环状流，使管壁的每一个小孔取样均趋于一致，实现分流系数的恒定，见图1。 实验过程中发现

3、图2中（a）的整流器由于其管线径较大，而整流器的出口段设计的过长，当两相流经过旋流叶片再通过整流器整流后，形成的环状流液膜不能紧贴管壁流动而是形成一股射流。图2（b）的整流器虽然较圆柱式整流器的整流效果有所改善，但当两相流中液相流量较大时，经旋流叶片和整流器整流后的环状流液膜也并非沿着喇叭口流动，而是形成一股射流。为了较好的取样，把整流器的进出口进行了改进，由圆柱形整改成如图2（c）所示的圆弧过渡形状。整流器进出口直径与主管径一样，紧贴管壁，这样整流后的环状液膜能够直接沿着管壁流动，改善流型的对称性使得周向液膜分布更加均匀，见图2。 被测两相流体的气相流量 和液相流量 根据它们与分流体气液相流

4、量的比例关系计算：式中，M1G为被测主管气相流量；M1L为被测主管液相流量；KG为气相分流系数，可用关系式 表示；KL为液相分流系数，可用关系式 表示；M3G为分流体的气相流量，由气体流量计测量；M3L为分流体的液相流量，由液体流量计测量，见图3。 实验管道径80mm，水平布置，实验介质为空气和水，经泵增压，调节阀调压。水由质量流量计计量，空气由气体流量计计量，然后气液在混合器中混合，进入实验环道。气体流量计量采用金属浮子流量计，液体流量计量采用Rosemount高准质量流量计。分流气体流量计量采用DY015型数字式涡街流量计，分流液体流量通过测量分离器积液体积间接测量。为了观察实验流动情况，

5、加工实验设备均采用有机玻璃管，玻璃管的设计压力为0.5Mpa。 气液两相流体经过取样分配器后，主流体沿原通道继续向下游流动，最后在卧式分离器中进行气液分离，分离后的液体进入储罐，放空气体，见图4。 实验发现：当旋流器、整流器和取样孔的大小方位确定以后，下游的整改效果是随着气液流量的变化而变化的。在气液相流量较小时，液膜只能覆盖部分下游管路，不能形成均匀环状流，随着气、液相流量的增加，整流装置下游管壁被液膜覆盖的面积逐渐扩大。在本实验围，气相折算速度 大于30.50m/s，液相折算速度 大于0.08m/s时，出现较完整的环状流。逐渐增加气液相流量，液膜的稳定性和对称性都会得到进一步改善。随后，无

6、论旋流器前的流型如何变化，旋流器和整流器下游的流型都保持为环状流。新型工具解决分流系数大、易堵难题 当主管液相流速大于0.08m/s，其液相分流系数趋向于一个稳定值0.073。当液相流速小于0.08m/s时，其液相分流系数呈现分散现象，液相分流系数最大0.079，最小值降到了0.03。液相分流系数与主管气相折算速度关系较小，见图5。 气相流量对气体分流系数 的影响不太明显， 随主管液相流量的增大而增大，基本上成线性变化。这是因为当分流体在通过小孔时，在分配处造成了两回路的阻力特性不对称。这种不对称性越大，造成的气体分流系数的变化就会越大。对气相分流系数曲线进行直线拟合，计算公式为： （3）上面

7、的拟合曲线表明，气相分流系数 只与液相流量有关，气体流量的影响几乎可以忽略不计，见图6。 为了检验实验结果的误差大小，对于气液相在主管当中的质量流量利用分流分相法计算分流系数的定义式进行了计算，并与主管当过质量流量计测量的实际液相质量流量进行对比分析。测量分流体的液相流量M3L通过体积法测量，气体流量M3G采用数字式涡街流量计测量。图7、图8分别为利用八孔旋流型管壁取样分配器，采用分流分相法测得的主管液、气相质量流量与相应的实验值的比较。实验结果表明，液相流量测量平均误差（相对误差的平均值）为2.5%，气相流量测量平均误差为3.5%。 本文提出的旋流型管壁取样分配器解决了以往分配器存在的分流系

8、数较大，分配器易堵的问题。通过8孔取样和增加整流装置的方法来保证进入管壁取样小孔的气液两相流体的代表性。实验发现，分配器的液相分流系数与旋流叶片前的流型无关，且不随主管当中气液折算速度的变化而变化，为一恒定值0.073。而气相分流系数与主管液相折算速度成线性关系。利用分流分相法测得的液相流量测量相对误差最大值为20.35%，气相流量的最大测量误差为20.94%。 在本实验围，气相折算速度大于30.50m/s，液相折算速度大于0.08m/s时，才能出现较完整的环状流。实际生产中可能很难达到如此高的气相流速，为了扩大流量测量围，可以考虑加设几组串联的旋流叶片以增强旋流效果或改进旋流装置的形式，使得

9、在较小气液相流量下也能保持稳定的液相分流系数。 气液两相流量测量浅析HYPERLINK :/zl201hit.blog.163 /blog/ l m=0&t=1&c=fks_087070093087082074093086081095085086085070086087087064093 o 流体测量流体测量2009-10-12 21:06:57阅读164评论0字号：大中小订阅摘要：本文简介了多相流与单相流的差异，它将随着工况与环境的变化，呈现多种的流态，而不同的流态将采用不同的数学模型进行描述。流态是影响多相流量各项技术指标的关键因素，在某一分相流率应用较好的流量计未必可成功应用于其他情况。

10、近几十年来，随着工业现代化的加速，在不少领域中出现了气液两相流，如热电、核电的气化单元；天然气、石油的开采、输送；低沸点液体的输送，对它的研究已引起了国外广泛的关注，由于两相流的复杂性、随机性，要认识这些现象进行预测，首先要解决检测问题，流量是最基本的参数，首当其冲，迫切有待解决。在我国的能源结构中，富气少油，天然气资源较为丰富（如、蒙、近海），开采中多采用旧的工艺，即先用笨重的分离器，将气、液分离后，再分别进行气、液流量计量。分离器不仅昂贵，而且耗费大量耗能的钢材、体积也十分庞大，如海上开采平台，作业区狭窄，难以选用，迫切需要开发、推出气液二相流量计。一、两相流的特征与主要参数相的定义为在某

11、一系统中，具有一样成分；物理、化学性的均匀物质成分；不同的相具有明显的界面。在自然界的物质一般分为固相、气相与液相三种，本文主要讨论同时存在气相与液相物质的流动，由于多相中存在各相的界面效应与相对速度，相界面在时间与空间上都是随机可变的，所以，其流动特性较单相流复杂得多，特征参数也较单相流多一些，简要介绍如下： 流型：亦称流态，即流动的形式或 结构，各相界面之间存在随机可变的相界面，使两相流呈现为多种复杂的形式，流型不仅影响两相流的压力损失、传热效果，也影响流量测量。对气、液两相流来说，管道处于不同的位置（水平、垂直）也影响其流态形式，较为典型的如图1所示。图1 气液两相流的各种典型流态 分相

12、含率：表述两相流中的分相浓度，说明分相流体占总量中的比例通常表述为：质量流量含率c，为分相质量流量（气体为qmg、液体为qme）与总质流量qm之比，如气液两相cqmg / qmqmg / qmg+qme容积流量含率b，说明分相容积流量（气体为qvg，液体为qve）与总容积流量qv之比，如气液两相bqvg / qvqvg / qvg+qve 截面含率ac，说明分相流量在某一截面A上所占的比例，气相为Ag、液相为Ae，如气油两相acVg / VVg / Vg+Ve 容积含率a，说明分相流体在某一管道长度段容积V所占的容积，气相为Vg、液相为Ve，如气液两相aVg / VVg / Vg+Ve 混合流

13、密度流动密度o，单位时间，流过某一截面的两相混合物总质量qm与总积qv之比，如气相密度为g，液相密度为e，则气液相流的流动密度。og b+pe (1-b)真实密度m，在管道中取一微元体DV，在某一时间，二相介质的总质量DM与总体积DV之比，对气液两相流，真实密度mq a + e (1-a)$BK-198.jpg 流速：二相流中各单相在管道中的流速并不一定相等，常有差异，所以除了描述混合体的平均流速Vm外，还应说明分相流速在气、液两相流中，气相流速为Vg，液相流速为Ve，它们之间的关系为VmA=VgAg+VeAe在工程中常以分相流量除以管道截面A来表示分相流速，即：Vgqvg / A，Ve qv

14、e / A分相流体的速度差为相对速度，气液两相流的相对流速为VgeVge Vg - Ve 分相流体速度之比为速度滑移比S，气液两相流速滑移比为：SVg / Ve 两相流模型：两相流的流态极为复杂，建立一些典型的模型是研究各种测量方法的基础，常用的有以下几种：均相流：气、液两相为均匀的混合物，相间不存在相对速度，S=1，如雾状流分相流：两相为完全分离的两种流体，相间存在不同流速，S1，如分层流漂移通量：基本上是分相流，研究的重点是相间的相对运动，适用于弹性流，环形流流型公式，为便于工程应用，对各种流型建立一些半经验公式为了便于研究，以上虽列出了一些气、液二相流的基本流型，并描述了主要参数，而实际

15、情况还要复杂得多。经常在同一管段中的不同管段，由于下述原因，如流量的大小；流体物理性质（温度、压力、密度、粘度、表面力)；管道的位置（水平、垂直、倾斜），管道截面或几何形状的变化都可能改变流型，所以即使某种流量仪表成功地解决了某一流率的两相流量测量，而因上述原因引起了流态的变化，仍可能引入较大的测量误差。 二、常用测量方法如图2：图2 常用的测量方法 完全分离这种方法已用了几十年，即将气液二相流通过分离器，完全分离为气、液两相后，再分别用单相流量仪表分别进行计量。分离器体积庞大、笨重，价格昂贵（据称一般需65万美元左右一个）耗费大量耗能钢材，且无法进行在线测量，难以予测气井的生产规律，极大制约

16、了科学地进行开采和管理，而海上开采天然气，因作业平台狭窄，也很难采用这种方法。由于几十年以来没有成功的气液两相流量计可供选用，采用完全分离方法应属无奈之举。 部分分离又分为简单分离与分流分离二种：简单分离是采用小型、轻巧的分离器，先将气液两相流进行分离，由于小巧，则分离效果较差，不能达到完全分离的效果，分离出来的气相还含少量的液相，多呈环雾状，分离出来的液相还含有少量的气相，多为泡状流。由于两相流的流态是影响流量测量准确度的重要因素，这样多予处理将有助于提高测量的准确度与可靠性。这点有点类似于单相流量测量的流动调整器，先改善流场，再进行测量。可以提供简单分离器的供应商有Agar、Aker Kv

17、aemer、Accuflow、Haimo等；可提供简单分离二相流量计的供应商有Agar、开尔、威瑞泰等，简单分离器的成本较低，但也需要约25万美元一台，体积约为传统完全分离器的1/4,仍较为庞大。分流分离法是取出管道中5-20%的两相流，用一个小型分离器分成气、液两相流后，再用单相流量计分别进行测量，将测量结果按分流的比例换算为主管道中的气、液二相流量。这种方法貌似较完全分离法节约，减少了分离器的体积重量、降低了成本，较易实施。但弊往之隐藏在利之中，取出的这部分流体、气液比率是否与主管道一致；流态是否会发生变化；按分流比例换算能否得到必需的准确度，都是难以确定的。单相大口径流量的测量也采用过类

18、似的方法，从大口径管道中取出部分流量用小口径流量测量，再按比例推算，由于难以获得必要的准确度，并未推广应用。看来，采取部分分离方法也并不太理想，仅仅是在未得到理想两相流量计之前的不得已而为之的权宜之计。彻底解决还是要采取非分离法，直接采用两相流量计。 直接测量无需分离，直接用气液两相流量计测出气、液流量，不仅具有体积小、成本低、安装方便等优点，还可以实时在线测量，采用RS232/485通讯，GPRS无线通讯进行远程测控，对气田资源的预测，科学地管理提供了可能。主要有以下几种：差压式是两相流量计研究最为广泛，工作较为可靠、稳定的一种方法，它以分相或均相模型为基础建立了流量与差压的关系，具体有以下

19、三类：其一是经典节流仪表如孔板、文丘里为测量仪表，是迄今为止参予研究最多、最成熟的一种方法，产品已经走出试验室，进入了实用的阶段; 其二是当两相流体流过等截面直管段，根据摩擦、加速度、重力的变化所产生的差压来建立模型; 其三是当两相流流经弯头，v形管等管件，由于动量矩、离心力所产生的动压来测量气、液分相流量、以上这些方法，国外厂家以应用文丘里管较为成熟，如表1。速度式通过测量两相流的流速来测量气、液两分相流量、广泛采用了新技术，如：力学法利用流体的动压、动力矩、离心力测流速相关法通过两点的相关函数测流速光学法采用激光多普勒效应或光纤技术测流速热学法采用热线风速仪测流速电磁法利用电磁感应测流速核

20、磁共振法通过核磁共振原理测流速容积式通过气、液相的流体基本特性的差异达到测量分相的流量。如气相体积流量与流动状态下的压力密切有关;而液相的体积流量与流动状态下的压力基本无关。根据总体积流量、压力、温度三个参数与被测介质的热力性质可推算各分相的体积流量。质量式流体在流动中如果温度、压力频繁变化，将导致密度的变化，使其容积流量不能反映质量流量的大小（气体尤为突出），而贸易的结算、管理的核算主要的依据应是质量流量，所以两相流量更希望得到的是分相的质量流量。目前科里奥利质量流量计在两相流量测量中日益引人注目。三、气、液二相流量计简介 2002年由英国Solartron推出了二种气、液两相流量计Dual

21、strem MK， MK，MK型当液相含量较高时，虚高误差过大，要求定期用示法测量液体的含量，以提高准确度，由于这种方法不能在线实时测量，难以满足气田的科学开采与管理，又推出了MK型，它采用了混合器与两个文丘里管组成，对经典文丘里进行了改进，入口角减小至21 ,加长了喉部长度，扩角订为15， MK型附加了混合器，其作用是令气、液二相的速度滑移比s接近于1,在截面上分布尽量均匀，流态近于均相流以提高准确度。从二个文丘里管（或一台文丘里加一台节流装置）得到的差压信号，按均相流的数学模型处理，得到气相含率qmg，再按总质量流量qm，分别求出气、液两相流量，由于计算是基于Murdock数学模型，比较简

22、单，难以涵盖复杂的各种现场，流量准确度较低，气相可达5%;液相仅10%。图3 U形管二相流量计原理图。 倒U形管（图3）研究表明，流动密度与体积含气率测量误差间存在较好的线性关系，在气相为连续相而液相为离散相的流态下，气相流速与实验流态对这种线性关系影响很小，体积含气率的测量误差与流动密度呈单值线性关系。当上述这种气、液两相流经图3所示的倒U形管时，如管道截面为直管，流动稳定，从力学上讲，流体的压降可由加速压降、摩阻压降、重力位压降三部分组成。在稳定流动状态下，加速压降可忽略不计，摩阻压降在U形管上升与下降大小相等，方向相反，可以抵消，剩下的仅有重力位压降，简化了计算公式，再通过对流动密度的修

23、正，据称可获得1%的体积含气率的测量精确度。 T型气液两相流量计（图4）主要用于天然气的开采，不用分离器，直接分别测量天然气流量与其中所含液体（水、油）流量。图4 T型气液两相流量计它的一次表采用了一台优化结构的锥流量计、一台文丘里管与二台差压变送器、一台压力变送器、一台温度变送器。二次表暂时采用ARM流量计算机，具有功耗低、稳定性好、外围功能齐全、大屏幕液晶显示屏、良好的人机界面等优点，可在线显示输出压力、温度、气相、液相流量、掉电时间，实时测量。具有模拟输出、RS232/485通讯、GPRS无线通讯等功能。该产品在国试运行一年之久，现场应用表明，仪表工作稳定可靠，主要技术指标接近甚至超出国

24、外产品，打破了国外产品在这一领域的垄断地位。小结 本文第一节简介了多相流与单相流的差异，它将随着工况与环境的变化，呈现多种的流态，而不同的流态将采用不同的数学模型进行描述。流态是影响多相流量各项技术指标的关键因素，在某一分相流率应用较好的流量计未必可成功应用于其他情况。 虽然我国研制的气、液两相流量在现场应用中取得了初步阶段性的成果，但现场应用中将而临许多在试验室中不可预料的难题，还需要一段时间逐一解决，全面推广应用尚待时日。多相流量计类型容积式流量计产品概述 性能价格比优异的油田多相计量解决方案 能够适用于所有常见的流态：气泡流、气团流、分层流、波状流、段塞流、翻腾流和环状流。 测量围达到：

25、含水率0-100%，含气率(GVF)5-95%，流量调节比15：1；可用于管输高气油比或粘滞多相流(重油的流量测量。 各相流量和含水率测量精度较高，并且不受管流型和含气率变化的影响。 非接触式测量、无任何可动部件、故障率极低。 具有优异的性能价格比。 技术参数整机一般性指标供电100240VAC,50Hz 功耗约200W 材质可由用户指定公称直径DN40DN200 公称压力最高可达16MPa 介质温度常温型80，高温型170 环境温度-5060 环境湿度95%相对湿度测量围 含水量0-100% 含气量5-95% 气体折算速度30m/s 液体折算速度3m/s 流量调节比15:01 测量精度液流量

26、 5-10%相对误差（油井计量：10%；分配计量：5%）气流量 5-10%相对误差（油井计量：10%；分配计量：5%）含水率 2-3%绝对误差（油井计量：3%；分配计量：2%） 亿科仪器仪表制造( )053187061545/87912234/87912204/88500112以上是多相流量计的详细信息，如果您对多相流量计的价格、厂家、型号、图片有什么疑问，请联系我们获取多相流量计的最新信息。多相流量计研究与应用来源：xiaoyu2010-1-30 11:51:00阅读644次基本原理 在油气混输管线中，油井产出的原油、伴生天然气和矿化水形成了一种相态和流型复杂多变的多相流，是一个多变量的随机

27、过程。一般地，多相流量计需要用以下的参数来计算各相流量：各相在管道截面上所占据的面积Si；各相沿管道轴线的流速Vi；各相的温度ti和压力Pio各相在实际状况下的体积流量根据以下公式计算： Qi=ViSi （1） 根据各相的温度ti、压力Pi，利用状态方程可以将实际状况下的体积流量转换成标准状况下的体积流量。设管道截面的总面积为So，其中油相所占据的面积Sp，气相所占的面积为SG，水相所占的面积为SW；设管道中油气水三相流的截面含气率为HG。油水混合液中的含水率为HW。我们可以得到以下的关系式： So=Sp+SG+SW （2） HG=（SG/So）100% （3） HW=SW/（Sp+SW）l0

28、0% （4） 综合式（1），（2），（3）和（4），油、气、水三相在实际状况下的体积流量Qp，QG，QW可以分别表示为： Qp=vpSo（1-HG）（1-HW） （5） QG=vpSoHG （6） QW=vWSo（1-HG）Hw （7） 由此可见，油、气、水三相在实际状况下的体积流量的测量可以通过对各相流速、流量截面上的含气率和含水率等流动参数的在线监测来实现。 多相流量计的标定与测量技术 1 标定 任何一种多相流量计在成为商品推向应用市场之前，都必须对其进行综合测试和评价，标定出其精度，并在现场运行期间定期地进行检定。目前，英国、法国、挪威和美国等发达国家都投入大量的资金建造了一定规模的多相

29、流测试和计量装置，来进行多相流测试标定技术方面的试验和理论研究。国也相继建立了一些规模相对较小的装置，如油田工程设计技术开发的油气水多相流量计现场实液测试校验装置等。 英国国家工程实验室从1991年开始建造油气水三相流量测试和标定装置，1994年建成。目前，它是世界上唯一一个具有标准的多相流量计标定装置，具有较高的知名度和权威性。该装置具有功能齐全、测量围宽、准确度高、仪器设备先进等优点，是油气水多相流量计标定和多相流测试研究的综合性试验装置。1996年，油田工程设计技术开发建造了一套DN50型油气水多相流量计现场实液测试校验装置，它直接采用油井采出液配制实验介质，并通过了国家计量科学研究院的

30、鉴定。此后，该装置不断得到改进，并采用了英国NEL的一些技术方案。现在，这一装置已得到国外同行的认可，在围际多相流计量领域已具有了一定的技术特色和知名度。 此外，法国IFP石油研究院也建造了一套油气水多相流量测试装置，主要用于多相流模拟试验与多相流量计、多相混输泵原理样机的半工业化性能测试。挪威HYDRO石油公司研究中心的高压多相流实液测试标定装置是目前世界上唯一一套高压多相标定装置，具有压力高、规模大、量程宽等特点。美国Conoco多相流标定装置也是一种采用原油、天然气、产出水为介质的现场实液标定装置。另外，挪威HYDRO公司和Framo公司的油气水多相流标定和流量测试装置主要用于各自产品的

31、出厂校验。总之，这些多相流测试标定装置现已成为试验研究多相流工艺参数和多相流计量技术的重要手段之一。 2 相分率测量技术 由于多相流流型复杂多变，不同的流型形成不同体积分数的相分布，各相间存在的相对速度形成不同的速度分布，因此要进行多相流量计量，必须测量油气水三相的相分率和分相速度。相分率参量是表征多相流的重要参量，但该参量的测量是多相流测试的难点。相分率只能通过油气水多相流的物性测试确定。当前，相分率的测量尚没有统一的方法，采用的主要方法有射线吸收法、电学法和微波衰减法。 （1）射线吸收测量相分率技术。射线穿过多相流体时受到流体吸收，吸收的程度与多相流的密度有关。根据射线的吸收程度，可得出流

32、体混合物的密度，进而计算出多相流的各相分率。 （2）电法测量相分率技术。在大多数情况下，气液相混合物中两相介质的介电常数和电导率差别很大，利用这种性质可测量出混合物中的气液相分率。根据测量原理，电学法可分为电容法和电导法，其中电容法由于没有易损件而获得广泛应用。通常浸在气液混合物中的二电极可视为一个电容器。电容值的大小与混合物的介电常数有关，而介电常数是气相介电常数、液相介电常数和气相分率的函数，因此测量电极间电容值的大小，就可以得到混合物的气相分率。 （3）微波衰减法测量含水体积分数。微波衰减法主要用于测量含水体积分数，因为某一固定频率的微波经过不同含水体积分数的液相，可以产生不同的衰减，亦

33、即衰减幅度与含水体积分数有关。微波衰减法能够适应很宽的含水体积分数测量围，在低含水（25%）和高含水（75%）的工况下，测量精度更高。 3 流速（或流量）测量技术 流速（域流量）测量分为均相流测量法和分相流测量法。均相流测量法，即在测量前采取措施（如静态混合器）预先将多相流混合物混合均匀，按均相流模型单相流处理，测量均匀混合物的流速。原则上，单相流速的测量方法如节流法、容积法等，皆适用于均匀混合物流速的测量，但当前多相流量计多采用文丘利管法测量均相混合物流速。分相流测量法根据测量原理的不同，主要有相关法、节流法和容积法。 （1）相关法。沿多相流管道相隔一定距离布置2个特性一样的传感器，分别检验

34、多相流相分率和相空间分布等变化的随机流动噪声信号。根据相关技术确定上下游噪声信号的渡越时间，即可求得相关速度。多相流相分率与压力信号可作为流动噪声信号进行相关处理。常用传感器有测量相分率信号的射线和电容/电导传感器与测量压力信号的压力变送器等。当前超过半数的多相流量计采用相关分析设计。通常用于相关分析测量的参量也用于相分率推算。该方法的优点是只有信号中的交流成分作为信息用于相关函数中，对热力影响和零点漂移不敏感。 （2）节流法。流体通过节流件（如孔板、文丘利管和喷嘴）时会产生压降，由多相流量与压降的关系即可测得多相流量。文丘利管法就是当前使用最多的多相流量测量法。文丘利管结构简单，体积小，维护

35、方便。 多相流量计的应用 多相流计量可分为取样计量和直接在线计量两种方法。取样计量一方面测量主管线混合物的体积流量和密度，另一方面由一个微型气液分离器从主管线上取样并将其分离成气相和液相，然后由伽马密度仪测量出液相中的油、水各自的密度；同时结合温度和压力测量，以此间接计算出油、气、水各相的体积流量。这种计量技术始于1980年，目前有被直接在线计量技术所取代的趋势。 直接在线计量是利用在的流体性质获得各相的流量，因而没有设备对流体的干扰和对出油管线进行大的改造。直接在线计量主要有混合均质式、容积式、脉冲中子束触激式和组合式等。 1 福兰墨公司的MPFM型多相流量计 这种多相流量计由在线静态混合器

36、、多源伽马组分计和文丘里动量计三部分组成。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质流。多源伽马计由一个伽马同位素和一个耐震探测器构成，用来确定油、气、水各自的体积百分数。油、气、水各自的组分水岭根据不同伽马能的相对衰减程度计算求得。文丘里流量计与伽马组分计相结合，获得油、气、水各自的流量。 2 Fluent公司的MPFM 1900型系列多相流量计 MPFM 1900型计量系统由测量流体介电常数（电容率）与气液各相流速的电容传感器和传感器电子计、测量流体密度的伽马密度计、执行数据分析的计算机和将传感器电子计、伽马密度计连接至计算机的电缆等组成。电容传感器探测油气混合物中是否有大

37、、小气泡高速流过，以此确定流态，然后分析计算和测定流体的流速。流体密度和介电常数分别由伽马密度计和电容传感器确定。Fluenta公司多相流量计的主要特点之一是，它有一套先进的专利软件程序。 3 Multi-Fluid公司的LP和FR型多相流量计 这种多相流量计的主体结构由两个独立的仪表组成，其中一个为组分计，用于测量传感器中油、气、水瞬时体积或质量分数；另一个为速度计，用于测定油、气、水混合物通过传感器的速度。该流量计确定油、气、水间相对分布的方法类似于Fluenta公司的流量计。流量计长66.7cm（26.3in），公称直径101.6mm（4in），额定压力ANSI600。它无可动部件，壳体

38、由316L不锈钢制成，重约100kg。FR型多相流量计是在LP型多相流量计的基础上研制的。它以微波技术为基础，由组分计，伽马密度计和1个或2个流速计组成。组分计从混合物密度和介电常数中获得油、气和水各相的体积流量，其中混合物的介电性质由微波监测专利技术测得。1994年，FR型流量计样机分别在Elf石油公司的Peeorade油田和Statoil的Gullfaks油田进行了试验。1995年36月又在Hydro公司所属的波尔斯格论研究设施上与其它3家公司（福兰墨、Fluenta和KOS）的流量计一同进行试验。LP型多相流量计已得到了Statoil对其在油井计量方面的质量认证，1套152.4mm装置将

39、近期在Gullfaks安装使用。1995年初Saga石油公司在Snorre平台投产了这种型号的多相流量计。 4 KOS公司的MCF型多相流量计 近年来，挪威KOS公司与Norske壳牌公司联合开发出 MCF350型和MCF351型两种多相流量计，其中，MCF351型是前者的改型产品。MCF351型多相流量计系统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。目前，MCF351型多相流量计只能在气团流态下使用。但是，将操作围扩大至其它流态（诸如层状流、冲击流、气泡流和环状流）的开发工作正在进行中。 5 ISA公司的Scroll Flo

40、型多相流量计 这种多相流量计由英国BP开发研制，ISA公司生产。它是根据众所周知的容积式计量原理，同时结合密度测量，以此得出油、气、水混合物各相的质量流量。 6 AGAR公司的MPFM-301型多相流量计 MPFM-301型多相流量计主要由2PFM-201流量计和OWM-201微波含水分析仪两部分组成，其中前者为一种气液两相流量计，用于测量从泡流至塞流所有流态中的气体流量和液体流量，后者由一个2kHZ的微波变送器和一个接收器构成。 7 AEA技术公司的脉冲式多相流量计 这种多相流量计安装在管线的外侧，这样就不会对管线的混合物产生干扰。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

41、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，同时计量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的流量。 多相流量计存在的问题 目前，由于技术水平的限制，多相流量计尚存在一些问题。 （1）现有的大多数多相流量计都需要测量若干数据后，再根据这些数据计算出各相的流量，使计量精度受到很大影响，目前市场上大多数多相流量计在大部分流态下各相测量误差为10%。 （2）所有目前用于多相计量的技术都要求必须掌握流体的特性，如介电常数、质量吸收系数等，才能比较精确地计量。如果流体特性出现变化或多相流量计用于多井计量，必须频繁地评价

42、和标定多相流量计的传感器。 （3）目前市场上几种主要多相流量计的最高适用含气率为0.91.0，随着含气率的增加，液相的计量精度将受到影响。 （4）多相流量计普遍采用像微波等辐射源，而有关法规对使用辐射源有严格的限制。 （5）现有的多相流量计标定设施只能较好地标定组分测量仪器，而对流速测量尚未有令人满意的标定方法。此外，很多情况下是采用计量分离器来标定，由于计量分离器计量不准确，标定没有实际意义。 多相流量计的选择 目前国际上衡量多相流量计好的标准主要有：是否通过权威机构的第三方试验室的测试和评价；是否通过公正、独立的工业现场对比测量；是否经过长期的和批量化的工业性实验。 不同测量原理的多相流量

43、计有不同的适应工况，选型时应综合考虑以下因素： （1）安装位置，包括陆上、海上平台、水下等，水下测量应选用电学法测量多相流量计。 （2）流体物性，原油黏度、乳化、起泡、水含盐量等物性是主要考虑因素，具体选择方案见表1。 表1 流体物性对多相流量计选型的影响液体物性适应流量计（测量方法）不适应流量计（测量方法）高黏原油微波衰减法，双能密度仪，电容法相关流量计乳化原油双能密度仪，均相流法电容/电导法，相关流量计起泡原油双能密度仪相关流量计水含盐体积分数已知微波衰减法，双能密度仪，电容法电导法水含盐体积分数未知微波衰减法，多能密度仪电容/电导法，双能密度仪 （3）流动工况，含气体积分数和含水体积分数

44、的高低是影响精度的重要因素。高含气工况应考虑先部分分离天然气，再进行多相计量；高含水了况，应选用微波衰减法测量含水体积分数；低含水下况应选用电容法或微波衰减法测量含水体积分数，显然用射线吸收法和电导法测量极端含水下况是不适宜的。 （4）测量不确定度，多相计量的复杂性使多相流量计至今尚没有统一的精度等级，因此选用前应针对具体的流动工况和流体物性进行标定。 （5）应参考第三方试验室的结果与现场使用情况，实践证明，经过长期、批量化工业性实验的多相流量计产品，在今后的使用中可以大大降低使用风险。 （6）要重视多相流量计的售后服务工作，售后服务包括现场安装，调试，试运行，定期的维护和定期标定以与出现问题

45、后的与时解决等。实践证明，多相流量计是一种实证产物。从某种意义上说，多相流的不可确定性和复杂性，决定了多相流量计在实际使用过程中出现问题的可能性比常规仪表要大，问题的复杂性往往也较大。这就要求厂商能够提供高水平的、与时而优质的售后服务，同时售后服务的费用又不能过高。这一点在选择多相流量计时，也应该作为一个重要的因素认真考虑。 （7）在重视多相流量计测量精度的同时还要重视其重复性和稳定性，多相流量计的测量精度是一个比较复杂的问题，它包括在实际操作条件下与适用围气相流量、液相流量、含水率、含气率等的测量精度和测量围等多个指标，而这些指标又都是有前提条件并互相关联的。对于厂商标明和声称的精度，我们的

46、工程技术人员要做认真科学的分析，以便得出一个正确的判定。也正是由于多相流的复杂性和不可确定性，我们对多相流的测量精度不能过于苛求，并且要允许存在超差。当然，对超差比例一定要尽可能地控制在极小围。正因为这样，多相流量计目前只用作井口计量而不是用在商业计量上。在使用上既要关心测量精度，又要重视多相流量计的重复性和稳定性。另外，对于由操作条件变化、物性变化或者测量围变化带来的对测量精度的影响程度，也应要求厂商给予说明，多相流量计是否需要现场标定，如何进行，也要进行了解。 发展趋势 多相流量计作为一种全新的计量设备，它的出现已引起世界石油工业界的高度重视。与传统的计量分离器相比，它的优势是显而易见的，

47、在海上和陆上油田开发中具有广阔的应用前景。但多相流量计作为一种新技术、新产品，用的时间比较短，世界各大石油公司对其采用的是一种边研究、边验证。边推广使用的方法；同时各个生产厂家的产品因其测量机制不同，而又有各自的适用围，国际上至今没有一套统一的标准和规，在使用中难免会出现一些问题，存在一定的风险，当然这是任何新产品在应用推广时都会遇到的。对多相流量计的研究还是一项长期的工作，今后其发展趋势是： （1）智能式。要确保测量模型和方案的正确性，需重视特征参数的选取。由于多相流动状态的不确定性与不稳定性，为了确保多相计量的准确性，应用智能化的测量方法进行数据处理，特别是应用模糊数学理论、人工智能技术、

48、网络技术与小波分析理论。 （2）组合式。组合式一方面是指功能上的组合，例如将流速表和组分表组合起来使用；另一方面是指组合多种方法和技术来完成一种功能。尽可能地应用单相计量和气、液两相流动测试比较成熟的方法和技术，为实现在线实时计量，应满足信号连续采集。为适应数据实时处理，应与计算机合为一体。可操作性强。 （3）通用性。目前的多相流仪表的测量围受到很多限制，如受含气率、含油率、含水率、劲度、盐度等的影响。因此，开发和研制大围的多相流仪表势在必行，增加其通用性。同时，应建立比较完善的检测装置，对多相流量计进行标定，保证准确性。 （4）经济性。降低成本，加快工业化进程。在进行实验室研究工作后，需做大

49、量的工作，尤其是现场实验，因为在实验室有许多方面没能考虑到，这是应该注意的。多相流量计的研究与应用 传统的计量方法是把油井产物送入三相分离器，由分离器将其分成油、气、水三相，通过安装在分离器各相出口管线上的流量计，计量三种流体的产量，该系统的质量和体积都较大，给设计和施工都增加了很大难度。采用多相流流量计直接计量油井各相流量的方法可以取消计量用分离器、计量管线以与计量汇管，因此，多相流流量计节约了空间、资金并能连续计量各油井的产量，简化了流程1.2。 多相流量计与计量分离器相比有以下特点： 1）对油气进行连续、在线、自动测量，可实现无人值守。多相流量计可测出日产油、水、气的量以与井口压力、温度

50、数据，并把它们显示、打印出来。如果与多路阀结合使用，可实现单井无人计量。 2）系统质量轻，结构紧凑，占地面积小。 3）无任何可动部件，几乎不需要维护。多相流量计基本上由传感器和探测器组成，没有可动部件，不需要维护；而常规计量分离器有液面控制器、流量计、孔板、控制阀等。需要定期维护、更换和标定。 4）被计量的原油无须加热，节省能量多相流量计对被测介质温度无要求，只要介质能够流动就可以进行计量，仅需要用220V电源，功率为200W左右；而采用计量分离器，当井温较低时，产出液加热后才能进行有效地分离，如果是气泡原油，还要加消泡剂。 5）投资少，操作费少。考虑到日常维护费用、占用平台面积等间接因素，选

51、用多相流量计将会带来更大的经济效益。 但是多相计量在以下几个方面与单相计量相比有其自身的复杂性： 1）各相并非混合均匀，水与油混合得不好，气体与液体处于分离状态； 2）各相以不同的速度流动，各相之间存在着界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上变化比较大，液相和气相以不同的速度流动； 3）混合是不规则的。各相混合时，黏度和总量都会发生变化； 4）相与相之间相互作用。气体能从溶液中析出或者溶解在液体中。蜡和水合物会在流体中沉淀； 5）流动状态非常复杂，特征参数比单相流系统多，它取决于各相之间的相对速度、流体特性、管路结构与流动方向3。 1 基本原理 油、气、水三相在实际状况下的体积流量的测量可以

52、通过对各相流速、流量截面上的含气率和含水率等流动参数的在线监测来实现。一般地，多相流量计需要用以下的参数来计算各相流量：各相在管道截面上所占据的面积Si；各相沿管道轴线的流速v；各相的温度ti和压力Pi。各相在实际状况下的体积流量根据以下公式计算1。 qv= ViSi （1） 根据ti和Pi，利用状态方程可以将实际状况下的体积流量转换成标准状况下的体积流量。设管道截面的总面积为S0，其中油相所占据的面积为Sp，气相所占的面积为SG，水相所占的面积为Sw；设管道中油气水三相流的截面含气率为HG，油水混合液中的含水率为Hw。可以得到以下的关系式。 S0=SP+SG+Sw （2） HG=（SG/S0

53、）100% （3） Hw=Sw/（SP+Sw）100% （4） 综合式（14），若油、气、水三相在实际状况下的流速分别为vp，vG，vw，则其体积流量qvp，qvG，qvw可以分别表示为 Qvp=vpS0（1- HG）（1- Hw） （5） qVG=vGS0HG（6） qvw=vwS0（1- HG）Hw（7） 2 多相流量计的标定 流量标定的定义是为了建立标定系数，将被计量的流量与标准流量对比的值。当被标流量计已标定，标定系数已确定后，应将该系数值入到该流量计中，可通过软件或者机械/电子的调节完成。多相流量计和单相流量计之间一个显著的不同点是多相流量计的不准确度受工艺条件和液体性质的变化比受一

54、次计量元件不确定度的变化要大得多。多相流量计的一次计量元件可以用近似单相计量的标准程序来标定。然而，多相流量计一次计量元件的输出可采用先进的信号处理设备得到最终的单相流量值。正如人们所知，单相计量得到的流量标定程序是不能直接转换用于标定多相流量计的。 英国、法国、挪威和美国等发达国家大都建造了一定规模的多相流测试和计量装置，以供开展多相流测试标定技术方面的试验和理论研究。美国国家工程试验室建造的多相流测试标定装置是世界上惟一一个具有国家标准的多相流量计标定装置，在世界上具有一定的知名度和权威性。具有功能齐全，精确度高等优点。挪威Hydro公司的多相流标定装置是1套高压多相流标定装置。法国IFP

55、石油研究院的多相流测试装置主要用于多相流模拟试验与多相流量计和混输泵的试验。美国Conoco多相流标定装置是采用原油、天然气、产出水为介质的现场实液标定装置。这些多相流测试标定装置已成为试验研究多相流工艺参数和多相流计量技术的重要手段之一。这些检定装置建设规模不等，各具特色，但总的来讲基本上都是由以下5个部分组成。 1）油气水单相供应系统：大多采用柴油、矿化水和氦气为介质，但Hydro研究中心却是采用原油，天然气和产出水实液作为测试介质，大多都具有稳压和调压功能，还可以变温。 2）油气水单项计量、混合系统：油水流量计量多采用速度式或容积式流量计，气体计量大多采用差压式流量计。 3）流态测试或透

56、明管观察段：流态测试是一很困难的问题，Hydro研究中心的高压多相流实液测试标定装置使用了伽玛射线仪测量气液组分和流型，用电导仪测量油水流型。使用柴油或煤油介质的装置大多安装了透明管直管段，Schlumberger公司的油气水三相流测试装置安装了15m长的透明管，借以观察系统的流型变化。 4）多相流水平、垂直、倾斜试验管：如IFP多相流装置的试验管的倾角可以在590围变化。 5）油气水两相（缓冲），三相分离：经测试段的三相流，每次测试标定后进入分离器进行油气水分离和缓冲，油水分离后可重复利用，空气放空，如介质是氮气/天然气，可再净化循环使用46。 3 采用的主要技术和方法 油、气、水三相计量，

57、可以分解为两个技术要点：一是应将三相视为液相总量和气相两相计量；二是进行液相组分测量。将油、气、水视为气、液两相流，测试方法主要有3.7： 1）相关法，通过两个在管道上相距为L的完全一样的传感器来检测流体中的尺寸分布、空间分布、各相含量等变化的随机流动噪声信号，得到与被测流体流动状况有关的在时间上相差0的两个流动噪声信号。建立两信号的互相关函数，进而求得0，则可得平均流速v=L/0； 2）容积法，利用一定容积的混合物，应用PD表（Positive Displacement Meter），测量其体积、压力、温度等； 3）节流法，由于节流装置存在压力差，利用其与流体流量与分相含率等因素有关。应用孔

58、板流量计，喷嘴、文丘利流量计，并结合密度计，进行流量计量； 4）涡轮流量计法，基于流体的动量矩测量流速，需要结合其他仪表，如密度计，来进行气、液流量计量； 5）激光多普勒法，利用多普勒效应测量流速，具有非接触、精确度高、响应快、测量围宽等特点。但要求管路透明，且价格昂贵，只能测量总相流速，在多相流测试中很难应用； 6）粒子成像测速，PIV（Particle Image Velocimeter）法，利用扩散在流场中微小粒子对光的散射性，用多次曝光方法获得流场中粒子在绐定的不同时刻的像的位置，从而测出各粒子相应时刻在流场中相应位置处的位移，进而得到其相邻曝光间隔的平均速度vi=di/t（i为粒子编

59、号，di为第i个粒子的位移）。这是一种新方法，能进行流场测试，但只能对液相或气相进行测试。这种方法造价高，管路要求可视化，现场应用有难度； 7）热线、热膜风速仪，用流体流动和热量交换之间的关系，测得流体的流速和含气率，进而求得气、液分相的流量； 8）过程层析成象技术PT（Process Tomography），一种以两相流或多相流为主要对象的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术； 9）核磁共振法，其实质就是核对射频能的吸收。在气、液两相流测量中，由于核磁共振信号强度与空隙率成线性关系，故在各种流型下均能精确测量空隙率。核磁共振法能够测量平均流速、瞬时流速、流速分布等。它具有非接触测量，

60、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； 10）直接法，直接应用质量流量计进行测量。 以上几种方法在测量气、液两相流时应用比较广泛。但有的需要结合密度计来测含气率。 进行多相流测试的另一技术要点是液相组分测量。主要应用以下方法测量： 1）电磁波检测法，由于原油和水的相对介电常数相差悬殊，电磁波传播的相位常数取决于介质的介电常数和电导率，通过测量电磁波在原油混合介质中的相移量，就可确定原油的含水率； 2）电容法，通过测量流过电容两极间的油、水混合流体的平均介电常数来测量含水率。但在高含水时，仪器可能失去油、水识别能力； 3）电导法，结构简单，成本低廉，响应快，但由于