多相流计量方案-中文版
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第十三章_多相流计量技术
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。
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。
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=αγgσg+βγwσw+[1-(α+β)]γoσo
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 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 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。
多相流的计量主要计量其各组分含率和流速。
没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。
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
【精选】多相流计量及多相流量计简介R1
【精选】多相流计量及多相流量计简介R1 多相计量技术Multiphase metering technology概述许多新开发的油田属于经济型边际油田，这种油田不能承担传统分离技术所引发的高昂的费用。
而多相流量计可以节省很多费用，因为使用它就不需要安装分离器，或者几个油田共用处理装置。
在油井管理方面:多相流量计可以提供持续的数据输出，给出油井动态的有价值信息，这样可以及时地发现油井产生的问题或变化，以便尽早地做出决定，而采用传统的处理技术却要慢一些。
中国船级社(CCS)要求参照《海上移动平台入级规范》第1篇第3章附录1 平台入级产品持证要求一览表:5.3:?级管系以及除5.1以外的阀和附件证件类型:制造厂证明(?级管系应提供工厂认可证书，除5.1以外的阀和附件应提供型式认可证书)认可模式:型式认可B(可选项:型式认可A)1. 在线多相流量计在线多相流量计依据对流体特性的一些测量得到油、气、水三相的各自流量。
现在有许多这样的计量技术，可大致分为两大类:速度或总流量测量和相分率测量。
速度或流量测量通常是通过压差计量或一个特殊信号的互相关,即压力或导电率来获得。
许多流量计也采用滑动模块，这说明了气体通常比液体流速快的事实。
在垂直管道上安装的一些在线多相流量计一般通过在其上游装一个盲三通来减少水的紊动，以此最大限度地减少滑动。
相分率可以通过测量三相混合物的物性来获得，据此推算出三相各自的流量。
伽马射线能量衰减法是一种常用的方法，它的原理是油、气、水不等同地削弱伽马射线的能量。
伽马射线能量在两个能量级放射高能量级对气/液比更敏感，而低能量级对液相中的水/油比较敏感。
可以用这两个能量衰减量来确定三相混合液的相分率。
第三个能量级也可以用来确定水相的含盐量。
电容和电导技术可以用来确定液相中的含水量。
电容传感器用于测量连续油流的介电常数并确定含水量，电导传感器用于连续水流的测量。
这种方法适于气体体积分数大环境，但缺点是:如果流体在水连续流和油连续流之间不停转换，那么流量计就很难跟踪到这个变化。
第十三章_多相流计量技术
第十三章 多相流计量技术
中国石油大学
李玉星
计量精度等级划分 传统井口计量方法 概况 基本原理 测量方法 多相流量计的性能评价 多相流量计的分类 国外主要多相流量计产品 多相流量计面临的挑战及未来发展趋势
计量精度等级划分
1．数据用于油田管理：精度要求：±5-10% 2．数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 ：精度要
图2 快中子测量相分率技术示意图
5、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。
Watt使用双能源-射线传感器来确定气液相流速，使用高 能级或低能的-射线确定气相流速，使用混和信号的相关 式确定液相流速。
3、使用LDV(激光多普勒测速 )技术测定局部速度
LDV技术进入多相流测速领域已有20多年的历史，具有非接触方式、 空间分辩率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等特点。应用激光 多普勒效应测速的基本原理是：当激光照射到跟随流体运动的示踪粒子 时，产生的散射光频率与入射光频率之间的偏差与流体速度成正比，因 而只要测出多普勒频移即可确定示踪粒子即流体的速度。示踪粒子可以 是夹在气相中的液滴、液相中的气泡或液相中的固体粒子。LDV仪是 1964年Yeh与Cummins用于测量管中层流流场后发展起来的。近年来 向集成化、光纤化、智能化、精确化的方向发展。同时 LDV也有不足之 处，如只能测透明流场、无法在线测量、多点测量困难以及信号不连续， 难以完成频谱分析和高阶统计量的计算。
中国石油大学
李玉星
计量精度等级划分 传统井口计量方法 概况 基本原理 测量方法 多相流量计的性能评价 多相流量计的分类 国外主要多相流量计产品 多相流量计面临的挑战及未来发展趋势
计量精度等级划分
1．数据用于油田管理：精度要求：±5-10% 2．数据用于确定不同采油小队在各自采区的产量 ：精度要
图2 快中子测量相分率技术示意图
5、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。
Watt使用双能源-射线传感器来确定气液相流速，使用高 能级或低能的-射线确定气相流速，使用混和信号的相关 式确定液相流速。
3、使用LDV(激光多普勒测速 )技术测定局部速度
LDV技术进入多相流测速领域已有20多年的历史，具有非接触方式、 空间分辩率高、动态响应快、方向性好和测速范围宽等特点。应用激光 多普勒效应测速的基本原理是：当激光照射到跟随流体运动的示踪粒子 时，产生的散射光频率与入射光频率之间的偏差与流体速度成正比，因 而只要测出多普勒频移即可确定示踪粒子即流体的速度。示踪粒子可以 是夹在气相中的液滴、液相中的气泡或液相中的固体粒子。LDV仪是 1964年Yeh与Cummins用于测量管中层流流场后发展起来的。近年来 向集成化、光纤化、智能化、精确化的方向发展。同时 LDV也有不足之 处，如只能测透明流场、无法在线测量、多点测量困难以及信号不连续， 难以完成频谱分析和高阶统计量的计算。
多相流检测技术110531
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。
自动化前沿
Zhejiang University
漂移通量模型（Drift-flux model） 基本上是分相流模型，其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。
自动化前沿
Zhejiang University
射线法
自动化前沿
Zhejiang University
电导探针法
自动化前沿
Zhejiang University
光导探头
自动化前沿
Zhejiang University
流型的间接测量法
流型的直接测量，其结果的描述都带有主观性， 因此产生了流型的间接测量方法。流型间接测 量方法是通过对反映两相流波动特性的参数的 统计分析来获取流动状况的基本特征，从而确 定流型。（软测量技术）
水平管气固两相流的流型
自动化前沿
Zhejiang University
水平管液固两相流流型
悬浮流： 固体颗粒完全悬浮于液体中， 此时固体颗粒不与管壁接触。 管底流：固体颗粒在液体中的分布不 均称，管道上部呈悬浮状流动，管道 下半部具有更多的大颗粒，底部的颗 粒与管壁发生冲击并回弹于液流中。 动床流： 固体颗粒堆积于管底形成连 续的移动床层。 淤积流： 管道的底部存在固定的固体 颗粒床层。
自动化前沿
Zhejiang University
直接测量方法
在气液两相流试验段的二端安装二个同时动作的快关阀， 当两相混合物的流动达到稳定时，同时关闭这二个阀 门，通过气液分离便可求出二阀门间的体积平均空隙 率。这种方法准确、有效，目前主要用于实验室的两 相流研究以及对空隙率测量装置的标定。
多相流参数的测量技术
一、前言
对于交流 电器强 电流通断 试验 电路相 位角的 测 量, 文献[ 3] [ 4] 提出了采用单片微机利用相位前推原 理的智能 测量方法, 虽然大大提 高了测量准 确度, 但 是, 由于试验电压的接入相位角对过渡过程的影响, 使 得每一次的测量值都比较分散, 因此, 准确度和重复性 都受到不同程度的影响, 为了消除这些不利影响, 经过 深入研究, 本文提出了采用单片微机利用相位 前推原 理和无过渡过程接入试验电流的方法来进行功率因数 的智能化测量。采用该种测量方法消除了试验电路频 率变化和试验电流直流分量所造成的测量误差和测量 结果的分散性, 提高了测量准确度。
二、工作原理及硬件电路
智能型电器强电流通断试验功率因数的测量原理 为: 利用 MCS ) 51 单片机采用相位前推原理配合试验 电流零过渡过程接入法来测量通断试验的功率因数。
# 14 #
单片机在接通试验电流前对试验电压的频率进行
测量存贮, 并记下过零点的位置, 测量原理为
f=
1 K
f
0
( 1)
式中, K 为试验电压信号一周所计的时钟脉冲数。
的接通时间, 又要考虑直流分量的衰减, 所以当计到
K 5( 即试验电压以 K 值为周期后推五个周期) 时开始
计电压与电流的相位, 即第五个周期后的第一个电流
过零点取所计 K 1c, 第二个电流过零点取所计 K 2c, 以 此类推, 直到断开试验电流, 则相位角为
Ui =
Kci - ( i + K
4) K
测量与设备
由误差理论可知, 当
若测量数据 Ri 的分散度较大, 则表明所测弧段与
| $R i | E 3RR
( 8)
时, 可以认为 Ri 是一个有粗大误差的半径测量值, 可
多相流理论与计算 中国石油大学华东
连续性方程
质量守恒
动量方程 能量方程
动量守恒 能量守恒
多相管流理论与计算
一、均流模型的基本方程式
1．连续方程式
根据质量守恒定律
G vA 常数
2．动量方程式
取一维流段来研究，根据动量
定理，可得动量方程式：
稳定的一维均相流动
Adp dF gAdzsin Gdv
2-2
多相管流理论与计算
f 与摩阻压差 dp的问题转化为求折算系数的 f
和 dp 。
问题。只要用实验方法求得任意一个折算系数，就可以
方便地求得两相流动的
多相管流理论与计算
第二节 分相流动模型
分相流动模型简称分流模型。它是把气液两相流动看成为气、液相各 自分开的流动，每相介质都有其平均流速和独立的物性参数。因此需要建 立每一相介质的流体动力特性方程式。这就要求预先确定每一相占有过流 断面的份额（即真实含气率）以及介质与管壁的摩擦力和两相介质之间的 摩擦阻力，这些数据目前主要是利用试验研究所得的经验关系式。
dIw dp ( )摩擦 dZ dZ
dp dv ( ) 加速度 v dZ dZ
dp dp dp dp ( )重位 ( )摩擦 ( )加速度 dZ dZ dZ dZ
dp dp v2 由 ( ) 摩擦＝ 并取 为正值 dZ dz d 2
dp dv v2 g sin v dZ dZ d 2
1
2-11
G G G ' 所以 Gdv Gd dv d vl' x vg vl' v A A A
2
2
2-13
第三章 多相流及其测量方法
单组分工质(如水-水蒸气的汽液两相流)：汽、液两相都具有相
同的化学成分，汽液两相流在流动时根据压力和温度的变化会发生 相变，即部分液体能汽化为蒸汽或部分蒸汽凝结成液体； 双组分工质(如空气-水气液两相流)：两 相各具有不同的化学成分，气液两相流一
般在流动中不会发生相变。
根据换热情况不同，可分为与外界无加 热或冷却等热量交换绝热多相流或有热量 交换的多相流。
第三章 多相流及其测量方法
11
3.2 常见的多相流的分类及特点
3、两相流动力学的发展简史
两相流现象不论是在自然界还是生产实践中都到处存在。 两相流动力学20世纪60年代开始迅速发展，并在80~90年代才逐渐形成的一个新 的学科分支，可是同两相流有关的问题很早以前人类就在生产和生活中遇到，并 提出了各种解决办法，积累了许多经验。 18世纪中叶 Watt( 瓦特 ) 发明蒸汽机以来，由于缺乏气液两相流与传热 方面的知识曾经发生过不少工业事故，如早先一些蒸汽轮船和蒸汽机车 的锅炉爆炸事件促使人们去研究锅炉内的水循环和传热问题。 1877年 Bomsinese已经较系统地研究明渠水流中泥沙的沉降和输运。 19 世纪末和 20 世纪初，已有一些论文论述了船用锅炉中的水循环与传 热特性，有的还论及了气液两相流体流动时发生的脉动问题。 1910 年 Mallock 研究过声波在泡沫液体中传播时强度的衰减。 1920~1940 年间，发表了有关气液两相流不稳定性以及锅炉水循环中气 液两相流动问题的经典性研究论文。但许多经验和研究成果都分散在各 个生产部门，交流不多。 20 世纪 40 年代以后有意识地总结归纳所遇到的各种现象和规律，用两 相流的统一观点系统地加以分析研究。 两相流的名词 (two-phase flow) 在 1949 年已见诸文献。
多相管流第二章
' dvg
dp
dp
所以
G2 Gdv = A
' ' dv g ' dp v g − vl dx + x dp
(
)
2-15
多相管流理论与计算
将dF、Gdv的表达式代入动量方程式，得
' dv ρv 2 gAdz sin θ G 2 ' g ' πDdz − − Adp − f = dp (v g − vl )dx + x 2 v′ A dp
多相管流理论与计算
讨论
对于水平管流
dp θ = 0, =0 dZ 重位
x表示流向坐标
dp dv ρ v2 = ρv + λ dx dx d 2
对于垂直管流
θ = 90°
sin θ = 1
以h表示高度
dp dv ρ v2 = ρg + ρv + λ dh dh d 2
多相管流理论与计算
多相管流理论与计算
两相流基本方程式以单相流基本方程式为基础。单 相流基本方程式理论上总结为三个基本方程式：
连续性方程 动量方程 能量方程
质量守恒 动量守恒 能量守恒
多相管流理论与计算
一、均流模型的基本方程式
1．连续方程式
根据质量守恒定律 G = ρ vA = 常数 2．动量方程式 取一维流段来研究，根据动量 定理，可得动量方程式：
dU + mvdv + mg sin θdZ + d ( pV ) − dq = 0
多相管流理论与计算
内能U虽然不能直接测量和计算其绝对值，但可求得两种状 态下的相对变化。根据热力学第一定律，对于可逆过程：
多相流数值计算
FLUENT计算两相流相关问题：通常把含有大量固体或液体颗粒的气体或液体流动称为两相流；两相流的研究：对两相流的研究有两种不同的观点：一是把流体作为连续介质而把颗粒群作为离散体系；而另一是除了把流体作为连续介质外，还把颗粒群当作拟连续介质或拟流体。
引入两种坐标系：即拉格朗日坐标和欧拉坐标，以变形前的初始坐标为自变量称为拉格朗日Langrangian坐标或物质坐标；以变形后瞬时坐标为自变量称为欧拉Eulerian坐标或空间坐标。
离散相模型FLUENT在求解连续相的输运方程的同时，在拉格朗日坐标下模拟流场中离散相的第二相；离散相模型解决的问题：煤粉燃烧、颗粒分离、喷雾干燥、液体燃料的燃烧等；应用范围：FLUENT中的离散相模型假定第二相体积分数一般说来要小于10-12%（但颗粒质量承载率可以大于10-12%，即可模拟离散相质量流率等大于连续相的流动）；不适用于模拟在连续相中无限期悬浮的颗粒流问题，包括：搅拌釜、流化床等；颗粒颗粒之间的相互作用、颗粒体积分数对连续相的影响未考虑；湍流中颗粒处理的两种模型：Stochastic Tracking，应用随机方法来考虑瞬时湍流速度对颗粒轨道的影响；Cloud Tracking，运用统计方法来跟踪颗粒围绕某一平均轨道的湍流扩散。
通过计算颗粒的系统平均运动方程得到颗粒的某个平均轨道。
多相流模型FLUENT中提供的模型：VOF模型(V olume of Fluid Model)混合模型(Mixture Model)欧拉模型(Eulerian Model)1.VOF模型(Volume of Fluid Model)VOF模型用来处理没有相互穿插的多相流问题，在处理两相流中，假设计算的每个控制容积中第一相的体积含量为α1，如果α1=0，表示该控制容积中不含第一相，如果α1=1，则表示该控制容积中只含有第一相，如果0<α1<1，表示该控制容积中有两相交界面；VOF方法是用体积率函数表示流体自由面的位置和流体所占的体积，其方法占内存小，是一种简单而有效的方法。
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• 理想的用于含气液体和高GVF体团状应用，应用需要液体和气体流量测量
Slide 6
Invensys Confidential
纯油&气方案 – 流量
Coriolis Liquid Gas Coriolis Liquid Gas Coriolis Liquid Gas Meter Size Bbld/day 397 1/2" SCFD 0 Meter Size Bbld/day 1986 1" SCFD 0 Meter Size Bbld/day 3972 1.5" SCFD 0
(100%) Liquid 0% 10% 25% 50% 75% Wet Gas 95% Wet Gas 99% Dry Gas 100% 8,205 6,921 5,510 3,791 2,345 910 320 6
m3/day tons/day kg/sec
1,305 1,101 876 603 373 145 51 1 1,240 1,046 832 573 354 137 48 1 14.35 12.11 9.63 6.63 4.10 1.59 0.56 0.01
Line Pressure = 80 bar (1160 psig) Minimum Liquid Flow Rate Minimum Gas Flow Rate Gas Void Fraction barrels/day (100%) Liquid 0% 1,641 10% 1,310 25% 995 50% 659 75% 399 Wet Gas 95% 150 Wet Gas 99% 50 Dry Gas 100% 1.2
Invensys 提供多相计量方案
• Invensys 提供3种多相计量方案用于上游 油气生产 1. 纯油方案 2. 纯油&气方案 3. 富气方案
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Invensys Confidential
纯油方案 – 撬设计
Foxboro 纯油计 算机(NOC) 含水率仪表
Foxboro质量流量计
Skid: 2” Schedule 40 Pipe with 300# Flanges
Wet Gas Solution – 2” Coriolis Meter Flow Rates
Line Pressure = 80 bar (1160 psig) Maximum Liquid Flow Rate Gas Void Fraction barrels/day (100%) Liquid 0% 8,205 10% 6,552 25% 4,976 50% 3,296 75% 1,993 Wet Gas 95% 749 Wet Gas 99% 248 Dry Gas 100% 6 m3/day tons/day 1,305 1,240 1,042 990 791 752 524 498 317 301 119 113 39 37 1 1 kg/sec 14.35 11.46 8.70 5.76 3.48 1.31 0.43 0.01 Maximum Gas Flow Rate MMSCFD 0 0.33 0.75 1.5 2.72 6.46 11.15 15.13 m3/day tons/day 0 0 9,310 8 21,339 19 42,412 38 76,938 68 182,903 162 315,689 280 428,518 381 kg/sec 0 0.09 0.22 0.44 0.79 1.87 3.24 4.41
Slide 8
富气方案 – 运行原理
• 质量流量计计量上游富气的质量流量和混合密度 • 孔板流量计计量富气的体积流量 • 含水率仪表计量富气中的含水率％ • 多变量压力&温度测量用于气体参考密度和孔板的差压 • 富气计算机计算上游富气中的纯油流量，水流量和气体流量。 • 理想的用于高GVF的气体流带少含量液体的应用
Invensys Confidential
纯油&气体方案 – 撬设计
Slide 5
纯油&气方案 – 运行原理
• 质量流量计计量流体的混合密度和质量流量 • 含水率仪表计量流体中含水率％ • 多变量压力&温度测量用于气体参考密度 • 涡街流量计计量气体流量在延长的气体流动周期内 • 纯油计算机(NOC)计算混合液体/气体（标准体积）中纯油流量，水流量，气体 流量 • 气团状态最高可到达90%GVF • 气体流量测量最高到50%GVF
MMSCFD
0 0.18 0.42 0.87 1.62 3.98 7.27 10.77
m3/day tons/day kg/sec
0 4,996 11,922 24,689 45,846 112,560 205,959 304,873 0 4 11 22 41 100 183 271 0 0.05 0.13 0.25 0.47 1.16 2.12 3.14
Wet Gas 99% Dry Gas 100%
Slide 11
64 1.2
10 0.2
10 0.2
0.11 0.00
1.45 2.15
41,192 60,975
36.6 54.2
0.42 0.63
• At Moderate Line Pressure = 40 bar
Invensys Confidential
Minimum Line Pressure = 10 bar (145 psig) Minimum Liquid Flow Rate Minimum Gas Flow Rate Gas Void Fraction barrels/day (100%) Liquid 0% 10% 25% 50% 75% Wet Gas 95% 1,641 1,493 1,285 964 632 260 m3/day tons/day kg/sec MMSCFD 261 237 204 153 100 41 248 226 194 146 95 39 2.87 2.61 2.25 1.69 1.10 0.45 0 0.01 0.03 0.06 0.12 0.30 m3/day tons/day kg/sec 0 286 748 1,682 3,309 8,618 0 0.2 0.6 1.4 3 7.6 0 0.00 0.01 0.02 0.03 0.09
Coriolis Meter Size Liquid Bbld/day 397 1/2" 4 1" Coriolis Meter Size Liquid Bbld/day 1986 20 1.5" Coriolis Meter Size Liquid Bbld/day 3972 40
331
1655
3310
Line Pressure = 40 bar (580 psig) Minimum Liquid Flow Rate Minimum Gas Flow Rate Gas Void Fraction barrels/day (100%) Liquid 0% 10% 25% 50% 75% Wet Gas 95% 1,641 1,384 1,102 758 469 182 m3/day tons/day kg/sec 261 220 175 121 75 29 248 209 166 115 71 27 2.87 2.42 1.93 1.33 0.82 0.32 MMSCFD 0 0.036 0.08 0.174 0.32 0.80 m3/day tons/day kg/sec 0 999 2,384 4,938 9,169 22,512 0 0.8 2.2 4.4 8.2 20 0 0.01 0.03 0.05 0.09 0.23
Bbld/day 16549
SCFD 0 0 211888 882867 最大液体不含气 最小液体不含气 典型20%GVF的流量 典型90%GVF团状流流量
2"
66 5296 662
3"
165 13239 1655
总液体: 纯油:
Slide 7
气体: GVF:
±2.5% 质量流量 ±6% 质量流量 最高 70% 含水率 ±15% 质量流量 70% – 95% 含水率 ±5% 标准体积流量计 0% – 50% GVF
Coriolis Meter Size
Liquid Bbld/day 6619
Coriolis Meter Size
Liquid Bbld/day 16549 最大液体不含气体 最小液体含气体 典型的含气量20%(GVF）的流量
2"
66 5296
3"
165 13239
• 纯液体流量精度 ±1%
Slide 4
Slide 12
m3/day tons/day 261 248 208 198 158 150 105 100 63 60 24 23 8 7 0.2 0.2
4
331 33
0
4238 1766
20
1655 165
0
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