气液两相流量测量浅析

气液两相流量测量浅析

时间：2009-07-22 13:29:20 来源：控制工程网作者：

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。

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内外广泛的关注，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（如新疆、内蒙、四川、近海），开采中多采用陈旧的工艺，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、两相流的特征及主要参数

相的定义为在某一系统中，具有相同成分；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及相对速度，相界面在时间及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：

①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c＝qmg / qm＝qmg / qmg+qme

②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b＝qvg / qv＝qvg / 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ac＝Vg / V＝Vg / 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a＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve

■混合流密度

①流动密度ρo，单位时间内，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ρg，液相密度为ρe，则气液相流的流动密度。

ρo＝ρg b+pe (1-b)

②真实密度ρm，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ρm＝ρq a + ρe (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：

Vg＝qvg / A，Ve＝qve / 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Vge

Vge＝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：S＝Vg / 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，S≠1，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、表面张力)；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及可靠性。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 Kvaemer、Accuflow、Haimo等；可提供简单分离二相流量计的供应商有Agar、西安开尔、宁波威瑞泰等，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