多相流测量技术的研究及其应用前景
曹艳强 曹岩
西安石油大学石油工程学院 陕西 西安 710065
摘要：多相流广泛存在于石油工业中,因此对于多相流的测量就具有非常重要的意义。
然而,由于多相流在流动过程中流型复杂,成分多变。
到目前为止,多相流的测量仍然是石油行业中的一个难题，但同时多相流技术的应用潜力还是被大家非常看好的。
关键词：多相流 压降 分相含率 空隙率 速度 流量
1多相流简介
在大自然中,物质可以分成气相、液相和固相三相[]
1。
顾名思义多相流就是指同时存在两种或两种以上不同相混合物质的流动。
在日常生活中常见的多相流有气固两相流、气液两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液、气液固多相流等等。
在多相流的研究中,通常将在同一自然相中存在明确界面的不同物质当作不同相进行研究,如在油水混合物中,由于油和水互不相溶,那么就会在两者之间存在明显的相界面,这样就称为油水两相流。
多相流在石油化工行业中是一种十分普遍的现象。
在石油开采过程中，从采出到运输都会存在油、气、水三相混输，这是一种很典型的多相流，甚至还存在油、气、水、沙四相流。
多相流是在流体力学，物理化学，传热传质学，燃烧学等学科的基础上发展起来的一门新兴学科,对国民经济的发展有着十分重要的作用,它广泛存在于能源、动力、石油化工、核反应堆、制冷、低温、环境保护及航天技术等许多工业部门。
因此，虽然多相流的发展历史只有短暂的几十年，但由于油气水多相流检测技术的研究具有重要的理论和工程意义，发展脚步很快。
尤其是在20世纪50年代以来,由于石油化工行业中高参数的引人,以及对环境保护的日益重视,在一定程度上大大地促进了多相流研究及其应用的发展[]2。
2多相流的测量参数[]3
在多相流的流动过程中，由于相与相之间的作用，就会有分布和形状在空间和时间里都是可以随时变化的相界面，而相与相之间又会存在不同的速度，导致通过管道的不同相的流量比和其所占的管截面比并不相等。
因此，根据多相流的这些特点，描述其流动的参数就要比单相的参数要复杂。
（1）流体的质量流量、体积流量和流体的速度参数
多相流体的质量流量 M （ kg /s ），即在单位时间内通过管道的介质流量，体积流量 Q （m ³/s ），即在单位时间内通过管道的介质体积来表示。
对分相流体的流量则可以用分相质量流量k M 、分相体积流量k Q 来表示。
其中，（ k = g ，l ）， g 表示气相，l 表示液相。
则有
l M M M +=g ，l Q Q Q +=g
用管道总的流过通道的截面计算的介质流速为表观速度（Superficial Velocity ）[]4，用k U 来表示。
则有
k k k k k k G A M A Q U ρρ///===，J U U U l g =+=
另外，多相流体流动过程中相间存在着相对速度r u （m/s ）,l g r u u u -=；滑速比（ S ）为多相流中气/液两相速率的比值，l g u u S /=。
此外，还有扩散的快慢kcm V （m/s ）、飘移的速率kj u （m/s ）和混合的速度U （m/s ）等。
（2）多相流流动过程中的压力降
多相流流动过程中的压力及其下降是其基本参数。
多相流流动过程中产生的压力下降与其它参数有着十分紧密的联系，其中它的计算与测量可以作为多相流在今后的工艺优化设计和有关数据的测量提供可靠地参考价值。
除了以上所涉及到的参数外，分相含率、温度、相与相之间的传热系数、相与相之间的传质系数、分布在多相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸大小及分布情况等也都是分析多相流动的一些重要数据。
3当今在多相流测量过程中最常采用的手段[]5
多相流测量手段的要点有两个:1、石油工业中油气水三相流可当做是气液两相流进行总的流量的进行计量；2、对油气水三相流中各相的相分率的计算。
3.1油气水三相流流量的常用计算手段
对油气水三相流可当做是气液两相流进行总的流量的进行计量方法主要有:
1.相关法。
经过两个管道上距离为L 的一模一样的传感器来检测流体中不断变化的流动噪声信号,获得与所测多相流流体的流动情况相关的在时间上相差0τ的两个信号。
建立前后所获得的两信号之间的有关函数,从而得到0τ,进一步可求得平均流速0/τνL =。
2.节流法。
利用节流元件前后不同的流速和压差之间的关系,通过测量压差进而求得流速,然后结合密度计测得密度,最后可以获得流量。
3.容积法。
在单位时间内用标准的恒定体积对流体介质持续不断地进行测量,用排出的流体的恒定容积数来求得流量[]6。
4.涡轮式检测方法。
流体对存在于管内涡轮的力的作用从而使涡轮进行转动,其转动的速度在流速允许的范围内与管内流体的流速成正比,结合其他仪表,如密度计,来进行气、液流量计量[]7。
5.激光多普勒法。
利用多普勒效应来测量多相流的流速,具有简单、高精度、反应快、测量范围宽等特点。
但同时其对管路的要求很高，必须是透明的,并且价格高昂,只能测量多相流中总的流速,在多相流测试中应用很少[]8。
6.PIV(PartiCleImageVeloeimeter)[]9,粒子成像测速法。
通过利用扩散在流动速
度场中微小粒子对光的散射性,用多次曝光方法获得流动速度场中粒子在给定的不同时刻的像的位置,进而测出各粒子在对应时间点在流动速度场中相应位置处的位移,最终得到其相邻的曝光间隔的平均速度。
这是一种新技术,可以进行流场测试,但只能对气相或液相进行测试。
这项技术造价高,管路要求能够看得到,所以在现场使用有很大的困难。
7.过程层析成象技术(PorecssTnolgorPahy,简称TP)[]10。
这项技术是一种以两
相流或多相流为主要研究目标的过程参数二维或三维分布状况的在线实时检测技术。
3.2相含率测量技术[]11
相含率是多相流测量中至关重要的参数。
至今为止使用和研究最常用的方法有下列几种。
1.快速关闭阀门法:在多相流的将要进行测量的流体段的两边分别装上一同操作的可以快速关闭的阀门,当流体的流动趋于平稳时,此刻快速关闭阀门,经过气相和液相的分离，这样就可以得到两个阀门间的体积平均空隙率。
优点是快速关闭阀门法精确快速、重复性能好,在气相和液相两相流中使用最频繁。
缺点是这种方法每次进行使用时都要断开系统,不能在线、实时测量,这样在实际的石油行业中很难得到使用。
2.电学法:
电学法中经常用到的是探针法。
探针法:这种方法测量气液两相流的根本依据是建立在气相导电率与液相导电率有差异的这一特性。
当探针插入气液两相流中时,信号输出f(t):
根据空隙率的概念,在稳定的多相流中,探针所在点的平均空隙率为:
3光学法:当一束光通过含有液滴或气泡的多相流体时,在入射光方向上的光强会逐渐衰减。
衰减的系数与单位体积的相界面积成正比关系。
由此可知，通过测量光经过介质后的衰减强弱,进而可以得到相界面积。
4.密度法:通过测量多相流中混合物的密度进一步计算相分率。
4油气水多相流的测量技术的应用前景[]12
(1)单相流参数的检测技术已经很成熟，以及其测量仪表在油气水多相流的测量过程中的应用依旧是不可替代的研究方向。
(2)利用计算机等现代高科技技术,发明具有高精度、结构简单和稳定性高的多相流传感器及其参数测量仪表是迫在眉睫的。
(3)借助于高科技软件以及图像处理技术,进而得到油气水多相流中多维时空
分布情况。
(4)不断改进和宣传现有的成熟的测量技术。
参考文献
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