多相流测量技术发展概况
多相流性能测试技术的研究及其应用
多相流性能测试技术的研究及其应用多相流是指两种或两种以上的不同物质同时存在于同一空间中，并且彼此之间的相互作用使它们不呈现出单一的运动状态。
通常可以分为气-液、固-液、液-液和气-固-液等情况。
在许多工业和科学领域，多相流的运动及其特性是十分重要的，因此研究多相流性能测试技术是十分必要的。
一、多相流性能测试技术研究的现状多相流性能测试技术是一个相对较新的领域，目前国内外关注度高，相关研究成果得到了很好的实践应用和推广。
可以确定的是，多相流的监测和测量技术模型的研究是一个充满挑战和机遇的领域，许多科学家已经开展了许多研究性工作，如多相流的流体力学分析、数据采集及分析、测量技术、控制技术的研究等。
当前，国内外多相流性能测试技术主要集中在以下几个方面：1. 传统测试方法：传统的测试方法通常通过试验的物理实验室进行，例如研究人员使用实验室内的流动管道来模拟不同介质之间的传输和反应等。
这种方法的测试成本相对较低，测试准确度也高。
但是，受制于实验室能力和成本因素，其测试范围相对较窄。
2. 光学测试方法：光学测试技术意味着使用光学仪器，如激光测速仪、高速摄像机等来监测多相流动态变化过程。
由于光学测试具有在线、无损、非侵入性等特点，能够实时获取目标物质多个维度、高精度、大范围的数据，其应用前景非常广阔。
但是，相较于传统测试方法，光学测试设备的费用显然更高。
3. 数值模拟方法：数值计算方法可以为多相流研究提供一个全面的理论基础。
利用计算机模拟多相流，可以预测流量、压力分布、速度分布、液膜厚度和空气剪切层等多相流参数分布以及相互作用等数量性和质量性的信息。
但是，其可靠性和精度方面存在一定的误差，需要不断优化。
二、多相流性能测试技术的应用在工业生产和科学研究等领域，多相流性能测试技术具有广泛的应用前景，其中最主要的应用领域包括石油化工、核污染监测、环保工业、冶金矿业、水利水电工程等。
1. 石油化工：石油化工工业中的制造过程中，大量的多相流现象常常会发生，例如气液、固液和液液混合物，因此多相流性能测试技术可以用于流量和质量分析。
油气多相流量计量研究现状与发展趋势课件
核磁共振法
核磁共振法是一种利用核磁共振原理对油气混合物进行测量 的方法，具有高精度、高可靠性等优点。
核磁共振法通过测量油气混合物中氢原子核的共振频率和磁 化率来推算流量，其原理基于核磁共振原理。该方法适用于 各种类型的油气多相流，尤其适用于含水率较高的情况。
微波法
微波法是一种利用微波对油气混合物 进行测量的方法，具有非侵入式、高 精度、高可靠性等优点。
这些方法各有其优缺点，适用范围也 不同。在实际应用中，应根据具体情 况选择合适的方法。
03 油气多相流量计量研究进展源自新型传感器研究1 2 3
新型传感器技术
油气多相流流量计量的关键在于获取准确、可靠 的数据，新型传感器技术的研究和应用为解决这 一问题提供了新的途径。
传感器优化设计
针对油气多相流的特性，优化传感器的设计，提 高其测量精度和稳定性，是新型传感器研究的重 点。
多相流在线监测与控制
研究方向：实现多相流参数的实时在 线监测与控制，以提高生产效率和安 全性。
通过实时监测多相流参数，可以及时 发现和解决生产过程中的问题，并实 现精准控制。这需要发展高灵敏度、 高稳定性的传感器和智能化控制系统 。
智能化与自动化技术发展
研究方向：利用人工智能、机器学习等技术 提高油气多相流量计量的智能化和自动化水 平。
随着人工智能和机器学习技术的不断发展， 油气多相流量计量正逐步实现智能化和自动 化。例如，利用深度学习算法对多相流数据 进行自动处理和分析，以提高计量的准确性
和效率。
新型传感器与计量模型研究
研究方向：开发新型传感器和优化计量模型，以适应 不同工况和介质类型的需求。
针对不同的油气多相流介质类型和工况，需要研究和 开发新型传感器和优化计量模型。这涉及到材料科学 、传感器技术、数据处理算法等多个领域的交叉研究 ，以实现多相流量计量的广泛应用和可靠应用。
多相流技术的发展现状
多相流技术的发展现状物质一般可分为气体、液体和固体三种相态。
气体和液体不能承受拉力和切力，没有一定的形状，具有流动性，因此统称为流体。
在流体中如有固体颗粒存在，则当流体速度相当高时，这种固体颗粒就具有与一般流体相类似的性质而可看作拟流体。
这样，在一定的条件下，就可以处理气体、液体、固体三种相态的流动问题。
经典流体力学所处理的只是一种相态的均质流体，即气体或液体的流动问题。
但是在许多工程问题以及自然界的流动中，必须处理许多不同相态的物质混合流动的问题。
通常把这种流动体系称为多相体系，称相应的流动为多相流。
最普通的多相流由两个相组成，称为二相流。
不同相态物质的物性有很大的差别，通常根据物质的相态，把二相流分为气液二相流，气固二相流，液固二相流等。
气液二相流在核电站反应堆及蒸汽发生器、火力发电厂锅炉、汽轮机及凝汽器、炼油厂分馏塔中蒸发和凝结过程以及在化工、天然气液化、海水淡化及制冷系统中的蒸发器、重沸器、冷凝器等方面均有广泛的应用。
在内燃机和燃油炉的液体燃料燃烧过程中也很重要。
近20多年来随着原子能电站的建立、高温高压火电机组的出现以及大型石油化工企业的建设，气液二相流及其传热性能在设备设计与安全运行中显得越来越重要。
气固二相流在煤粉燃烧、气力输送与分离、流化床燃烧及反应器、除尘器以及在最近发展的煤的液化和气化技术中十分重要。
火箭发动机排气中固体微粒的运动以及地球物理和天体物理中的尘埃流动也都涉及固体微粒的流动。
液固二相流在水利工程中泥沙的沉积、化学工程中流化床反应器、液体的渗流及泥浆流动等方面均很重要。
总之，多相流是一门在许多工程领域中有广泛应用的重要学科，在最近20多年中得到了迅速的发展，国际学术活动也相应增加。
多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。
在此基础上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、相间相互作用（如气泡或颗粒的阻力与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压力降（两相流通过管道时引起的压差）、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态等。
多相流量计量技术综述
·技术综述 ·
文章编号 :1001-3482(2Байду номын сангаас08)05-0059-04
相关流量测量技术与过程层析成像技 术相结 合 , 可以通过过程层析成像技术识别流型 , 有针对性 地改变相关流量计的工作参数或选择不同种的相关 流量计 , 必然会有助于增加相关流量计的使用范围 和应用领域 , 在二相或多相流领域产生新一代的智 能化的在线检测仪器 。过程成像系统构成如图 2 。
图 2 过程成像系统构成
近年来 , 油气开发向海洋 、沙漠和极地等地区扩 展 , 开发的油层更深 、油的粘度更高 , 使开发成本不 断上升 。 多相计量技术摒弃造价昂贵的基于测试分 离器的计量站(测试分离器)和计量管汇 , 从而节省 大量的投资 、缩短建设周期 、降低操作费用和改善油 藏管理等 , 对降低新油气田的开发成本起到了重要 作用 。
2 相关测量技术的发展现状
1961 年 , But terfield 等人利用热轧带钢表面存 在的微小凹凸不一致性在运动过程中所引起的随机 噪声信号 , 首先提出并实现了热轧钢速度的相关测 量系统 。而后 , 英国 、西德 、美国 、日本等许多国家的 测量技术及仪表工作者相继展开了相关流量测量技 术的研究 。 1968 年 M .S .Beck 和 A .P lasko w ski[ 1] 采用电容传感器技术 , 成功地实现了在线气 、固二相 流的非接触式相关方法测量 。 70 年代初期 , 研制快 速而又廉价的在线流量测量用相关仪器成为重要课 题 , 目前已有几种产品投入了市场 。
Abstract :Well li quid belong s t o m ul tiphase fluid .T he tradi tional met hod of measuring it costs a lot , but t he eff iciency is low .T he measurement of multi phase flo w i s mo re eco nom ic .T he principles of related f low measurement technolog y and development of the applicatio n of well liquid' s on-line measurement are int roduced in this paper .It uses the w ay of com bini ng the process t omog raphy technolo gy and related f low m easurement technology , t o improve the measurement accuracy t o ±5 %, t he requirem ent s o f t w o-phase f low pat terns under di ffe rent flow measurement are sati sfied . Key words:relevant analysi s ;mul ti-phase f low ;f low measurement ;pro cess t omo graphy
多相流测量技术的研究及其应用前景
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。
多相流检测研究进展
工 业 技 术113科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATIONDOI：10.16661/ki.1672-3791.2017.27.113多相流检测研究进展邢天阳(东南大学吴健雄学院 江苏南京 211189)摘 要：流体的多相流动广泛存在于多个领域，如动力、石油、化工等。
多相流检测一直是流体测量领域的一个难点。
本文分析了多相流体的流动特征，说明工业检测多相流的困难所在。
本文介绍了现阶段多相流流体检测现状，详细介绍现阶段较为成熟的工业多相流检测手段、说明其检测原理并分析各自的优缺点。
主要介绍过程层析成像技术理论以及过程层析多相流基本原理以及结构组成。
由此分析并提出多相流检测今后可能的发展方向。
关键词：多相流 过程层析成像 发展趋势中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791(2017)09(c)-0113-02现阶段，多相流检测技术需求最大的石油工业。
国内外是由工业经过几十年的发展，现阶段的研究重点转移到了研究高含水率的油、气、水多相流量计。
但是目前，世界大部分油井尚未到达高含水率开采阶段。
不可否认，高含水率多项流量计是未来的发展趋势，具有重大的研究价值。
本文所研究的多相流检测技术以油、气、水多相流的流量测量为主要研究对象。
1 多相流的特征多相流是指含有两项及两项以上的物质或者相的流动，多项流动的主要特征有以下几个方面，第一，不均匀速度，相间速度不均匀；第二，相不稳定，多相流的相界面的时空不稳定；第三，特性复杂，多相流的特征参数比单项流动要多。
多项流动检测困难之处体现在：第一，非均匀混合，各相有趋向分离的趋势；第二，不稳定流动，相间存在相对速度，相界时空不稳定；第三，不规则混合，混合结果没有规律性。
第四，各相之间存在相互作用。
例如气体在液相中被吸收等。
第五，流动形态较为复杂，表征多相流的特征参数较多。
2 多相流检测现状从检测模式分类，现阶段检测多相流方法主要有分离式检测法、部分分离式和不分离式检测法。
多相流监测技术进展
技术创新41多相流益测技术进展◊西南石油大学石油与天然气工程学院张小弩流动结构特征是多相流流动 分析的基础，其中波浪形态和分 散液滴尺寸的测量准确测量对于 持液率、摩阻参数的计算具有重 要意义。
本文详细介绍了目前广 泛应用的探针法、高速成像法、超声波衰减法、光衍射法、库尔 特法的测量原理及适用条件。
未 来多相流监测技术将应当融合人 工智能、机器学习等最新科技成 果，同时基于大数据分析，以实 现对不同场合多相流波形结构以 及液滴和气泡分布的高效准确监 测。
1引言多相流系统广泛存在于化工、石油、能源、航天、冶金等各个工ik领域。
多相 流流动中相界面在空间和时间上的分布特 征，称为流型，或者流态。
流型是多相流 各种流动中最本质的特征，其他的各种流 动特性，流动参数等往往都受到流型的影 响。
多相流流型复杂多变，受到流童、分相含率、容寸、壁面材料、讓角度以及流体物性参数等各种因素的影 响，其准确测童对于流动分析具有重要意 义。
早期的油水两相流研究中的流型识别 中主要采用目测法，目测法识别能力差，难以对多相流分布进棟化分析。
随着科 学技术的发展，新的测量技术不断浦现。
本文介绍了现阶段国内外采用的主要液液 两相流监测技术。
2多相流监测技术2.1探针法探针法是利用电极传感器对多相混合 物的局部电导率进行测量。
图1和图2展示 了用于测量管道多相流的电导探针构成。
利用电导探针测置气泡直径比较准确，应 用比广泛。
用于测量油水两相分散流的液 滴，当油品粘度不大、液滴密度较小时，测置比较准确；当油品粘度较大时，油相 ^«1十头^^上部，导财相经过时无法识别。
因此，双头电导探针 用于测置油水两相分散流液滴时存在一定 的局限。
此外，电导探针测试属介入式测 量，会干扰流体的流动而引起测量误皆|。
图1电导探针局部高速成像种传统的流动_测童手段，它主要利用照相机、髙速摄像机、内窺齡照相设备，采用取样觀显微镜等辅助手段来采集液滴和波形照片，并用图像处理软件对液滴和波形成像进機计处理，从而得到粒径尺寸，職和分布情况。
国内外多相流计量技术的发展
国内外多相流计量技术的发展摘要伴随着石油工业的不断发展，石油的开发已由较容易开发的内陆地区向深海及沙漠地区发展，并孕育出了管道多相流的输送技术.本文就今年来多相流计量技术的发展作了简单的归纳.关键词多相流；计量技术；流量计60年代开始人们就对多种存在形式的流体在同一输送管中的输送状态作了研究，由于当时工业水平的限制，多相流输送技术一直存在缺陷，其中最为核心的是多相流的计量技术。
近年来，随着计算机技术的快速发展，以油气水混输技术为代表的多相混输技术不断发展，多相流的相关测量技术得到了极大的进步，因而可以使该技术能够在目前的生产中应用。
加之目前油田开发逐步进入海洋，又使得该技术有了更为广阔的应用空间，同时也促进了该技术的发展。
国内外公司相继投入大量的资金研发多相流计量计，并广泛的实验与应用。
多相流的技术发展，实现了进口原油的多相流计量，与传统的分离计量相比，有了极大的提高。
这一技术实现了油田井口计量技术里程碑式的改进。
传统分离计量设备需要极大的投资，通过改进后的技术，可以实现设备的小投入，带来了可观的经济效益。
在沙漠和深海的油田开发中，由于其具有工艺简单，计量精确的特点，更容易产生经济效益，故而应用也更为广泛，所以本文在这里简要介绍了国内外多相流计量技术的发展历程，并就现在多相流测量技术的发展作了简要的介绍。
1多相流计量技术现状多相流的测量技术在开发上面也有很多的技术难题，不少的研究机构和厂家在研究整个测量流程的时候都或多或少的遇到了各种各样的难题，但每个厂家均在其自己研究的产品上获得了突破，解决了相应的技术难题。
比如利用小型取样分离技术的多相计量系统，在测量的过程中就会遇到原油起泡的问题，如果分离器内的气液分离效果不好，含水量的测量值就会不精确，甚至出现较大的偏差，多相流计量机的性能也会受到影响。
而采用微波、电感和电容技术实现多相流测量的流量计，它又只有满足在油连续相乳化液的流型的条件下才能使用，假如流体中的必要的特征出现变化或是不存在，往往会影响测量的精度出现大幅度的改变。
多相流量计发展历程
多相流量计的研究始于上世纪六十年代，从80年代至今，国内外多相流量计量技术的开发和应用取得了重要进展。
20世纪80年代，第一台商业多相流量计( MPFM) 在挪威的北海油田投入使用。
多相流量计的优点主要有：（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、气的量以及井口压力、温度数据，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、调节阀等，需要定期维护、更换和标定。
（4）被计量原油不用加热，节省成本。
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的分离，如果是气泡原油，还要加消泡剂。
（5）投资少，操作费用低。
考虑到日常维护费用、占用平台面积等间接因素，选用多相流量计将会带来更大的经济效益。
多相流量计测量的基本原理1、流量测量基本方程多相流量计：能够同时获得被测管道气液各相流量的装置。
质量流量=面积（Si）*密度（ρi）*速度（Vi）其中：Si—各相在管道截面上所占据的面积Vi 各相沿管道轴线的流速2、相分率测量技术（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根据气液相混合物中两相介质的介电常数和电导率差别，测量出混合物中的气液相分率。
可分为电容法和电导法。
（3）微波衰减法测量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，亦即衰减幅度与含水体积分数有关。
多相流技术的发展现状
多相流技术的发展现状多相流技术的发展现状物质⼀般可分为⽓体、液体和固体三种相态。
⽓体和液体不能承受拉⼒和切⼒，没有⼀定的形状，具有流动性，因此统称为流体。
在流体中如有固体颗粒存在，则当流体速度相当⾼时，这种固体颗粒就具有与⼀般流体相类似的性质⽽可看作拟流体。
这样，在⼀定的条件下，就可以处理⽓体、液体、固体三种相态的流动问题。
经典流体⼒学所处理的只是⼀种相态的均质流体，即⽓体或液体的流动问题。
但是在许多⼯程问题以及⾃然界的流动中，必须处理许多不同相态的物质混合流动的问题。
通常把这种流动体系称为多相体系，称相应的流动为多相流。
最普通的多相流由两个相组成，称为⼆相流。
不同相态物质的物性有很⼤的差别，通常根据物质的相态，把⼆相流分为⽓液⼆相流，⽓固⼆相流，液固⼆相流等。
⽓液⼆相流在核电站反应堆及蒸汽发⽣器、⽕⼒发电⼚锅炉、汽轮机及凝汽器、炼油⼚分馏塔中蒸发和凝结过程以及在化⼯、天然⽓液化、海⽔淡化及制冷系统中的蒸发器、重沸器、冷凝器等⽅⾯均有⼴泛的应⽤。
在内燃机和燃油炉的液体燃料燃烧过程中也很重要。
近20多年来随着原⼦能电站的建⽴、⾼温⾼压⽕电机组的出现以及⼤型⽯油化⼯企业的建设，⽓液⼆相流及其传热性能在设备设计与安全运⾏中显得越来越重要。
⽓固⼆相流在煤粉燃烧、⽓⼒输送与分离、流化床燃烧及反应器、除尘器以及在最近发展的煤的液化和⽓化技术中⼗分重要。
⽕箭发动机排⽓中固体微粒的运动以及地球物理和天体物理中的尘埃流动也都涉及固体微粒的流动。
液固⼆相流在⽔利⼯程中泥沙的沉积、化学⼯程中流化床反应器、液体的渗流及泥浆流动等⽅⾯均很重要。
总之，多相流是⼀门在许多⼯程领域中有⼴泛应⽤的重要学科，在最近20多年中得到了迅速的发展，国际学术活动也相应增加。
多相流体⼒学研究的根本出发点是建⽴多相流模型和基本⽅程组。
在此基础上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、⽓泡或颗粒尺⼨分布、相间相互作⽤（如⽓泡或颗粒的阻⼒与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压⼒降（两相流通过管道时引起的压差）、截⾯含⽓率、流动稳定性、流动的临界态等。
多相流量计的原理与开发应用简介
多相流量计的原理与开发应用简介国内外发展现状国内外多相流量计早在20世纪60年代就曾进行过研究，但由于当时的技术条件限制，未获得可供应用的成果。
近年来，相关流量测量技术、计算机自动控制和数据处理技术的发展，刺激了多相流测量技术的开发与研究，美国、挪威、法国、英国、俄罗斯等国家的一些大石油公司，相继投人大量的人力、财力进行多相流量计的研制和开发，并建立了一批多相流检定装置，使得这一技术获得实质性的进展，研制出一批可供生产应用的试验样机。
当然就目前来说，大多数的测试技术仅局限于实验室研究，为数不多的商品化的多相计量仪表在工业应用中也存在着一定的局限性，并且造价昂贵。
从计量方式看，多相流量计可以分为全分离式、取样分离式和不分离式三种。
全分离式多相流量计是在井液进入计量装置后先进行气液分离再分别计量气液两相的流量，测出液相的含水率，求出油气水各相含量。
其典型代表为Texaco 公司研制的SMS多相流量计，它是较早用于现场测试的一种多相流量计，它是将流体分成气、液两相，然后用流量计液相测液体流量，用微波监测仪计量液相的含水率，气相用涡轮式流量计计量。
目前其计量精度是，含水率精度±5% 、油和水流量精度±5%、气体流量精度±10%。
取样分离式多相流量计是在计量多相流总流量和平均密度的基础上，提取少量样液加以气体分离，并测定油气水各相的百分含量，通过计算获得油气水各相的流量。
其中Euromatic公司开发的多相流量计较有代表性，它是最早用于现场测试的一种多相流量计，它由透平式流量计和γ密度计组成。
透平式流量计用来测量流体的体积流量，γ密度计测量流体的密度。
透平式流量计附近装有旁通管线用于分离液体测取密度。
不分离式多相流量计是在不对井液作任何分离的情况下实现油气水三相计量，是多相流量计的发展主要方向。
其技术难度主要体现在油气水三相组分含量及各相流速的测定。
目前，相流速测量技术主要有混合+压差法、正排量法和互相关技术，其中互相关技术应用最多。
多相流应用研究及发展
多相流应用研究及发展多相流是指两种或两种以上的物质在同一空间同时存在并相互作用的现象。
多相流在许多工程领域中具有重要的应用，如石油工程、核电工程、食品加工、化工过程等。
随着科学技术的进步和对能源和环境的关注，对多相流的研究和发展越来越重要。
一方面，多相流的研究对于解决现实工程问题具有重要的意义。
例如，在石油工程中，油、气和水的多相流动是油田开发和油藏评价的基础。
研究油水两相流的相态转变、流动行为和传热传质特性，可以有效提高石油的采收率和开采效率。
在核电工程中，多相流的研究对于核反应堆的安全性和热工性能具有重要的影响。
深入研究核燃料的熔融、汽化和冷却剂的流动行为，可以提高核电站的安全性能和热利用效率。
另一方面，多相流的研究也为理论物理和数值计算方法的发展提供了重要的挑战。
多相流中的相态转变、界面行为和相互作用等问题是多尺度、多相场的耦合问题，需要利用各种物理模型和数值方法进行研究。
例如，界面跟踪方法、分布式参数模型、多尺度建模等方法的发展，为多相流的数值模拟与预测提供了新的思路和途径。
同时，多相流的实验和观测技术的进步，如高速摄影、瞬态测量、成像技术等，为多相流的研究提供了新的手段和工具。
在未来的研究和发展中，可以进一步深入探索多相流的基本特性和物理机制。
例如，研究气固多相流的颗粒运动性质和流动行为，可以为固体颗粒的输送和分离提供新的方法和技术。
研究气液多相流中气泡和液滴的动力学行为和相互作用，可以为气泡和液滴的形成、破裂和运动提供理论依据和数值模拟。
此外，还可以研究多相流中的相变现象和相态传递机制，如汽化、凝固、结晶等，以及相互耦合的热、质、动特性。
通过研究多相流的基本特性和物理机制，可以为多相流的控制和优化提供科学依据和工程方法。
总之，多相流应用的研究和发展是一个复杂而丰富的领域，涉及到物理学、流体力学、热力学、传热传质等多个学科的交叉与融合。
通过深入研究多相流的基本特性和物理机制，可以解决现实工程问题，并促进科学技术的进步。
生产井多相流测量技术。第四章,油气井x射线多相流测量技术知识
生产井多相流测量技术。
第四章,油气井x射线多相流测量技术知识油气井X射线多相流测量技术是一种常用的生产井多相流测量技术，其原理是利用X射线的穿透性能和材料对X射线的吸收能力不同，通过对井下井筒内流体的X射线吸收情况的测量与分析，获取流体的组分分布、含气率以及流速等多个参数。
该技术在油气工业中具有重要的应用价值，可以提供对于井筒内流体及油气井产能的准确监测和评估。
1. 原理及测量方法油气井X射线多相流测量技术基于X射线在物质中的吸收特性，通过对井下流体的X射线吸收程度进行测量与分析，获取流体的组分分布、含气率、流速等多个参数。
测量方法可以采用射线源与探测器组合成一个探测系统，通过扫描井筒内的流体进行测量；也可采用固定源与探测器的组合，通过连续测量井筒内流体的X射线吸收情况。
2. 测量参数油气井X射线多相流测量技术能够提供多个重要的测量参数，包括：- 流体组分分布：通过测量流体中不同组分对X射线的吸收能力，可以得到各组分的分布情况，如含油率、含水率等。
- 含气率：通过测量流体中气相对X射线的吸收情况，可以获得流体的含气率，进而评估井的含气性能。
- 流速：通过连续测量流体对X射线的吸收情况，可以实时计算流体的流速。
- 质量流量：通过流速和流体组分分布两个参数，可以计算出流体的质量流量。
- 温度、压力等参数：通过井底计量系统与X射线多相流测量技术相结合，可以测量流体的温度、压力等参数。
3. 应用领域及优势油气井X射线多相流测量技术主要应用于油气生产过程中，用于生产井的实时流体监测与评估。
具体应用领域包括：- 油气田评价：通过分析井筒内流体的组分分布、含气率等参数，可以准确评估油气田的产能和储量。
- 生产井管理：通过实时监测井筒内流体的流速、含水率等参数，可以对生产井进行优化管理，提高生产效率。
- 油藏压力评估：通过测量流体的温度、压力等参数，结合流体性质，可以评估油藏的压力变化情况，指导油井的生产调控。
多相流超声测量的关键技术与应用前景
多相流超声测量的关键技术与应用前景多相流是流体力学领域的重要研究对象，其涉及的物理现象极为复杂，因此对其进行可靠准确的测量一直是科学家们关注的焦点。
而超声测量技术作为一种非侵入式的测量技术，近年来得到了广泛的应用和发展，特别是在多相流领域中，其应用前景更是不可限量。
本文将对多相流超声测量技术的关键技术和应用前景进行详细的探讨。
一、多相流超声测量技术的关键技术1. 压电传感器在超声测量中，压电传感器是最常用的传感器类型之一。
其主要原理是利用压电效应将机械能转换成电能或反之，从而实现声波的发射和接收。
对于多相流介质的测量，常使用的压电传感器是圆柱形和矩形形状的传感器。
圆柱形传感器具有结构简单、易于制造、衰减小等优点，但缺点是较难保证较高的灵敏度和频率响应；而矩形形状的传感器则具有较高的灵敏度和频率响应，但制造和安装较为复杂。
2. 多通道信号处理系统超声测量技术需要采集和处理多维数据，因此需要一个多通道的信号处理系统。
该系统可以将超声信号采集、处理、分析和显示，从而实现对多相流介质的准确测量。
目前多通道信号处理系统可以使用基于DSP和FPGA的数字信号处理器，以实现高速的信号处理和实时数据传输。
3. 显微成像技术显微成像技术是超声测量技术中的重要应用之一。
其主要原理是通过光学显微镜观察样品的微小变化，以实现对多相流介质的结构和组成的测量。
目前常用的显微成像技术包括激光共聚焦显微镜、扫描电子显微镜和光学立体成像等。
二、多相流超声测量技术的应用前景1. 化工、环保和食品工业中的应用多相流测量技术在化工、环保和食品工业中都具有广泛的应用前景。
例如，在化工行业中，通过测量透明管中的多相流介质的分布和成分，可以实现对反应器的控制和优化；在环保行业中，可以利用超声波实现对水质的测量和监测；在食品工业中，超声波可以有效地检测食物中的异物和缺陷。
2. 生物医学领域中的应用超声测量技术在生物医学领域中的应用也十分广泛。
海默MPFM
海默多相流量计
能适应每一种流型。 流型对多相流测量有很大的影响。不对流动进行混合的在线仪表需要知道是什么流 型以便能解释测量结果。这对互相关法尤其重要，因为互相关法是确定气体和液体的速度 来测量混合物的速度和含气率。如果流型和模型不一致，输出结果就不正确。互相关对于 相对稳定的条件不太可靠（泡状流，一些条件的环状流） 。而文丘里测量方法较适用于这 种条件。 介电测量可能会受流型的影响，对于给定的气液混合物，分布不同，其结果不同。 伽玛射线衰减不受流型的影响，但却是高度非线性，与相分数的指数有关。间歇流型对伽玛 相分仪表的结果有很大的影响， 因此除了选用合适源强度以外， 还需要进行正确的平均计算。 一些流型影响，尤其是由高黏度临时乳化引起，可能会导致错误的计量。两种重要 的影响是粘性膜的沉积物和翻腾流的影响。在三相环状流、分层/环状流和塞状流中已经 观察到高黏度的油水乳化厚膜。这在计量系统中有几方面的影响。一个影响是在相成分测 量点会留下实际上静止但可测量的膜。这就会使油水分数增加，再乘上速度后会得出太大 的油水流量。水平管中的情况会比竖直管中的情况更严重。 翻腾流出现在竖直管中， 会尤其影响使用互相关的计量。 实际流动速度可能是相当慢， 但由于大的波动向上速度和大的波动向下速度，其结果却完全不同。因此可能其误差会比 速度自身的差还要大。 流型变化还对仪表取样带来了要求。 流型变化快， 而仪表取样速度不适应将影响测量。 1.4.2 相分布对多相流测量的影响 1）连续相 三相流的计量常常受油水相分布的影响，水为连续相或者油为连续相。相转换点指油为 连续相转换为水为连续相时液相中的含水率，通常相转换时的含水率在 40%到 60%之间，液 体不同相转换点不同。使用低频介电测量的仪表中，连续相非常重要。在油为连续相的条件 下，可用电容传感器区分油和水，因此测出含水率。这是最准确的测量含水率的技术之一， 含气率对其影响很小，但在相转换点处无法应用，因为在高传导的液体水中，电容传感器不 起作用。 在水为连续相的条件下， 必须使用电感和电导传感器， 虽然不象电容测量那样敏感， 但仍能给出较准确的结果， 尤其在较高含气率的情况下如此。 因此一些仪表会需要两种类型 的传感器和能很好响应的探测手段。 在相转换区域， 流动可能会在油为连续相和水为连续相 间切换，这种仪表不适合这一区域的测量。 连续相同样会影响高频介电测量（即微波） ，但相同的传感器可用于油为连续相或水为
多相流流量计量综述
2831 多相流计量技术现状 相较于单相流，由于多相流中有多种流体，流体间流速、流体自身的性质各不相同，同时流动过程中流型也会发生变化，因此多相流会复杂的多。
流型不同，多相流的流动状态也会不同，而多相流流型的变化是由流体动力效应、瞬时效应、几何方向效应以及流体性质、流体流速、各流体占比综合作用产生的结果，众多的影响因素使得多相流流动状态变化复杂，也给多相流的计量造成了很大的困难。
从20世纪60年代开始，国内外进行了多相流测试技术的研究，现已有大量的多相流流量计应用于油田生产中。
然而从研究和应用情况看，已有的多相流量计往往用于特定的使用环境，当环境有变化时需重新标定流量计，从而使流量计精度在要求范围内。
但即便如此由于许多流量计大多还是针对特定的流型设置的，所以当被测流体流型改变时测量效果无法达到测量精度要求。
同时目前应用的产品还有一些问题：诸如制造费用较高，精度较低，对使用环境的适应性差等。
因此，多相流量计仍然需要进一步发展。
2 多相流计量分类 按照计量方式的不同，现已有的多相流流量计量可分为：完全分离式多相流计量、部分分离式多相流计量、不分离式多相流计量和取样分离式多相流计量四种。
其中，完全分离式多相流计量是油田生产中较为传统，同时也是应用较多的计量方式，这种方式先将待计量的流体进行完全气液分离，计量气相和液相的流量之后，再将两相汇集向下游管道输送，这种方法的缺点是占地面积大，耗时长，且无法及时反映油田生产状况。
部分分离式多相流计量在计量前也将气液两相分离，但与完全分离式不同的是，这种方法在进行气液分离时，只需将两相分离为以气相为主和以液相为主的两部分流体，再将这两部分流体用较为成熟的两相流计量计进行计量。
计量液相部分中的含气量和气相部分中的含液量是此种计量方式的关键。
相较于完全分离式多相流计量，这种方法占用的空间更小，但由于气液混合物并没有完全分离，因此这种计量方法对提高计量精度没有显著作用。
多相流量计的原理及发展
摘要： 多相流量计是对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线、自动计量的设备，
它是应用在海洋工程中的一项新技术。文中介绍了多相流量计的测量原理、发展过程及与传统流 量计的对比。
资金投入
一 次投 资 略 低；占 地 一 次 投 资略 高；占 地 面积 大， 潜 在 投 资 多； 面积 小， 潜 在 投 资 少； 人工维护费用高 人工维护费用很低
. 多相流量计
多相流量技术就是将一种多相流量计直接安装 在油气集输管线上，采用先进的测量技术，对油、 气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动 计量，从而可以取代传统的由测试分离器及其辅助 系统组成的计量装置，简化油气生产工艺流程，降 低投资，减少操作成本。鉴于多相流量计有缩小使 用空间和减轻测试设备重量等优点，其在海洋石油 工程中的应用正在迅速增长。 ./. 多相流量测量的基本原理 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过程。一般地，多相流 万方数据 量计需要用以下的参数来计算各相流量： !各相在
、 （"） 、 （$）和（&）式，油、气、水 综合（!） 三相在实际状况下的体积流量 % I、 % J、 % K 可以 分别表示为： （! . & K） % I G!I ! H（! . & J） % J G!J ! H & J % K G!K ! H（! . & J） & K （’） （)） （,）
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超声波多相流测量技术的研究及应用
超声波多相流测量技术的研究及应用随着科技的不断发展和进步，测量技术也获得了前所未有的提升和创新。
其中，超声波多相流测量技术可以说是近年来备受关注的一种新型测量方法。
在不同领域的应用中，该技术已经显示出了其独特的优势和潜力。
本文将就超声波多相流测量技术的研究与应用领域进行简要介绍。
一、超声波多相流测量技术的概述超声波多相流测量技术是一种测量多相流中气泡、液滴、颗粒等固液气等不同物质间的相对速度、体积分数、物质浓度等物理和化学参数的方法。
该技术通过探测物理量的变化，如声速、衰减、反射等变化，实现对多相流介质的测量。
超声波多相流测量技术的测量原理主要是通过超声波在介质中的传播速度、衰减和反射等定量特性来实现多相流测量。
超声波的特性是介质的声速、频散、吸收、散射，因此，对于介质中不同物质组成的特性表现也不一样。
通过检测超声波的传播速度、衰减和频率，可以推断出流体材料的运动情况，从而定量分析气泡、液滴的体积分数及其尺寸分布，颗粒、浓度等参数。
二、超声波多相流测量技术的研究成果超声波多相流测量技术的研究始于二十世纪上半叶，但直到近年来，随着高速数字信号处理技术与超声波多相流测量技术的结合，研究才有了突破性的进展。
近年来，国内外学者在该技术方面取得了许多成果。
在应用方面，超声波多相流测量技术在化工、石油、生物医药、环保等各个领域都有广泛的应用。
如在化工领域中，超声波多相流监测技术可以进行催化反应进程、气泡的形态和大小、气泡上附着物的形态等的研究；在石油领域中，该技术可以用于油水混合物的浓度及其分布，研究其流动性能和行为规律；在生物医药领域中，可以应用于癌症细胞的检测、细胞培养的测量、药物释放效果的检测等方面；在环保领域中，可以用于水池中的气泡、颗粒、沉积物、底泥的监测等。
三、超声波多相流测量技术的应用案例在工业实践中，超声波多相流测量技术已被广泛应用于不同的领域。
以下是该技术在石油领域、化工领域和生物医药领域的应用案例。
多相流过程参数检测技术综述
第39卷第11期自动化学报Vol.39,No.11 2013年11月ACTA AUTOMATICA SINICA November,2013多相流过程参数检测技术综述谭超1董峰1摘要多相流是现代流程工业及其相关科研领域内常见的控制与研究对象,对其过程参数的检测是工业生产与科学研究中的一个研究热点问题.本文针对工业过程中的多相流过程参数检测问题,介绍了多相流的特点及其过程参数,并分类介绍了多相流过程参数检测方法,重点讨论了检测的难点及其未来发展趋势,为更好地解决复杂工业过程多参数检测问题提供方法基础和借鉴.关键词工业过程参数,检测技术,多相流,流型识别,流量测量,含率估计引用格式谭超,董峰.多相流过程参数检测技术综述.自动化学报,2013,39(11):1923−1932DOI10.3724/SP.J.1004.2013.01923Parameters Measurement for Multiphase Flow ProcessTAN Chao1DONG Feng1Abstract Multiphaseflow,as a typical research and control object,is a frequently encountered phenomenon in mod-ern process industries and related scientific researchfields.Measurement on its process parameters has been a widely investigated topic in engineering and academic researches.This paper aims at the measurement of process parameters of multiphaseflow in process industries,introduces the characteristics and process parameters of multiphaseflow,along with related measurement techniques in different categories.The difficulty and future trend of multiphaseflow process parameter measurement are specially discussed to provide a fundamental measuring method to the measurement on multi-parameter of other complex industrial processes.Key words Industrial process parameters,measuring techniques,multiphaseflow,flow pattern identification,flow rate measurement,phase fraction estimationCitation Tan Chao,Dong Feng.Parameters measurement for multiphaseflow process.Acta Automatica Sinica,2013, 39(11):1923−1932多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化工、冶金、医药等工业过程中,在工业生产与科学研究中有着十分重要的作用,并带来许多安全与经济问题,对其流动过程机理及状态的解释和描述、以及对流动过程参数的准确检测也给工程师和科研人员提出挑战[1].近年来,国际上对多相流的研究兴趣在持续增长,其原因在于多相流不仅在一系列现代工程中得到广泛应用,而且对促进这些工程设备的发展和创新也起到了重要作用[2].收稿日期2013-07-02录用日期2013-08-28Manuscript received July2,2013;accepted August28,2013国家自然科学基金(61227006,61104207,51176141),国家重大科学仪器设备开发专项(2011YQ120048)资助Supported by National Natural Science Foundation of China (61227006,61104207,51176141),National Key Scientific In-strument and Equipment Development Projects of China (2011YQ120048)庆祝《自动化学报》创刊50周年专刊约稿Invited Articles for the Special Issue for the50th Anniversary of Acta Automatica Sinica1.天津市过程检测与控制重点实验室天津大学电气与自动化工程学院天津3000721.Tianjin Key Laboratory of Process Measurement and Con-trol,School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin300072随着工业水平的不断提高,对工业过程控制精度的要求也在不断提升,而过程参数的检测是实现准确控制的重要基础.现代工业过程正在向高精度、多变量的复杂系统控制方向发展,因此如何解决复杂工业过程中多参数精确检测问题是促进过程控制发展的基础.作为一种复杂的流动现象,多相流动过程参数的检测一直是工业界亟待解决的问题[3].例如在海洋石油工业中,一般将多口离岸油井开采的混合物(通常包括天然气、水与原油)输送至平台集中,经过分离等处理后装船或通过混输管道输送至其它地方.因此需要得到各井的流动状态、流量、压力及各分相含率的变化等准确信息,以避免危险情况与经济纠纷的发生.传统的方法是在操作平台上完全或部分分离混合物,并用常规测量手段分相测量.然而,平台的空间与能耗都是极其珍贵的,因此大型分离器的经济性使其应用优势大打折扣[4].本文针对工业过程中常见的多相流过程参数检测问题,从待测参数及其检测方法方面进行综述,并阐述多相流过程参数检测的难点及发展趋势.1924自动化学报39卷1多相流与多相流检测1.1多相流及其特点多相流中的“相”定义为物质的存在形式,即气态、液态或固态,因此多相流即为两种或两种以上“相”的物质同时流动且具有明确分界面的流体.有时,多相流也被称为“多组分流”,然而两者是不同的,后者指流体中含有多种不同化学性质的物体同时流动.例如蒸汽与水的混合为单组分的两相流,而空气与水则称为两组分流;液/液两相流中的油水混合流,属于两组分流,但却是单一的“液相”.但随着研究的深入与连续相与离散相概念的引入,两种概念逐渐合为一种,即“多相流”[1].在工业生产过程中比较多见的是气液、气固、液固、液液两相流,气液固三相流和油气水三相流等;在某些工业过程(如石油工业)中,还有油气水沙同时流动的四相流.与单相流相比,多相流的待测参数多且流动过程十分复杂,难以用数学公式完全描述,因而给测量带来困难.以三相流为例,若想获得各分相流量,需要检测出三相流总流量,以及各分相含率,即至少四个待确定的参数.此外,不同的研究领域和工程应用对多相流参数的需求也是不同的,因此待测参数更加多种多样,如图1所示.多相流流动总是伴随着相间的质量、动量以及热量的同时和瞬时的传递,使得流动过程更加复杂[5].多相流流动时所表现出的流体现象称作“流型”或“流态”,它决定着流体的动力特性以及相应的检测方法.尽管许多流体方程能用来解决流体流动问题,但大都局限于特定的假设和适用条件,因此难以直接使用建立准确的检测模型.1.2多相流研究与工程中的检测技术对多相流的检测可以追溯到二十世纪初,其后在实验室和工业范围内发展出许多检测手段和模型[6].多相流的检测技术从应用目的可以分为科学研究类测试技术与仪器,以及工业用多相流测量技术与仪表.科学研究类测试技术与仪器主要为多相流基础问题研究服务,目的多为流体局部参数的精细检测,如泡径、局部流速等,检测手段限制不大、且应用环境相对稳定,因此可广泛采用各种测试手段进行研究,小到光学探针,大到核磁共振等均可使用.工业用多相流检测技术与仪表主要用于工业过程中多相流动过程参数的检测,进而对工业过程实现状态监测与控制,因此对仪表的检测手段有一定的限制,如非侵入、耐腐蚀、无辐射等,且被测变量是过程平均量[3].随着科技的发展,工业界的要求也相应的提升,许多检测手段被应用在多相流测量中,例如传统方法中的文丘里、孔板等,以及新兴技术中的微波、射线以及层析成像等[7].本文所讨论的多相流以石油工业过程中常见的油气水多相流为主,包括两相流(主要为气液、液液)与三相流(主要为油气水),所介绍的检测方法,发展自不同的应用场合.然而,由于多相流的变化范围很大,因此尚未有单一的检测技术可以完全适应各种多相流的应用.2多相流过程参数检测方法发展概况多相流过程参数检测策略随着工况与对象属性的变化而变化,可以利用的物理现象与关系很多,因此检测手段也多种多样.检测方式可分为两大类:直接法与间接法.直接法指的是对象参数能够通过Fig.1多相流的过程参数Fig.1Process parameters of multiphaseflow11期谭超等:多相流过程参数检测技术综述1925测量直接得到,而间接法则需要在测量值(辅助测量值)与对象参数之间建立的关系式通过计算得到,即“软测量”方法.在多相流测量领域内,许多直接采用单相流仪表的检测方法属于直接法,而新兴的检测技术则多采用软测量的方法.对于传统单相仪表在气水与油水两相流中的应用问题,Skea和Hall指出这类仪表在检测混合流量时的性能良好,但在检测含率时的误差很大[8−9].在工业过程中,多相流流量是最主要的检测与控制参数,特别是多相流中某一相的实时流量对工业过程监控是十分重要的.然而为了准确获得多相流流量,另外两个重要的过程参数,即流型与相含率是必须要考虑的参数.2.1流型识别方法2.1.1多相流流型的多样性管道中多相流呈现出的几何与动力特征不同的流动形态称为流型,它可通过组分或相的形态来描述,但难以实现定量描述,因为流动的参数随着流型变化,且作用在流体上的力与参数的关系也十分复杂[10].这些作用包括流体力学分析中十分重要的浮力、湍流以及表面张力等,均随着流速、管径、管道倾斜角度以及各分相流体性质等变化.作为多相流最直观的表现形式,流型的变化可以直接影响工业过程的效率和安全.例如石油工业中要尽可能避免严重段塞流对油井井口的影响,而在多相流输送过程中,又需要某些特定的流型来减少压降与管道磨损,提升输送效率[11].此外,尽管流体的基本方程十分接近,但各流动参数在不同流型下的关系是不同的,并且一种流型下的检测方法所能达到的精度,在另一种流型下则很难达到.因此对多相流流型的准确识别不仅有助于工业生产与流动安全的保障,也对多相流过程参数的准确检测有直接的作用.因此流型识别是实现流型控制的基础.流型可根据管道角度分为垂直管流型与水平管流型,以及介于二者之间的倾斜管流型.此外,根据对象物性不同也可分为气液两相流、油水两相流、油气水三相流以及油气水固多相流流型等.在气液两相流中,受垂直作用在水平管道上的重力的影响,管道内的流体会由于密度不同而逐渐分离,使流态变得复杂.垂直管道中的两相流动则多呈对称性,因此流型相对简单,一般分为四或五类[12]:泡状流、冒状泡状流、弹状流、搅拌流与环状流.尽管对不同物质的气液两相流流型的研究已经十分广泛,其中一些模型也已在工业中获得应用,但只有少量的气液模型能用在油水流动中.油水两相流间的动量传递与浮力作用是造成油水流动结构不同的根本原因,而且油水界面处的自由能量容易形成更短的界面波动和更小的离散相颗粒.因此通常将油水两相流分成两大类:分相流和分散流.分相流一般存在于水平与近似水平的管道中,分散流则在垂直流动中十分常见.此外,根据油水两相的连续相性质,又可将油水流型分为水基流型与油基流型.油水流型研究的另一个问题是油的特性变化范围极大,以油与水的粘度比为例,其变化范围在零点几到几百万之间,而油的属性改变直接导致其流动的几何形态和流态发生变化,如重油流型与轻油流型[13].多相流流型的判断受观测者的主观影响很大,不同的研究者对流型的定义自有其标准,甚至会在同一实验条件下给出不同的观测结果.对三相流的定义涵盖了多种组合,比如气固液三相流、气液液三相流等.在石油工业中常研究的是油气水三相流,也即气液液三相流的一种.由于油气水三相流在石油化工行业的广泛存在,对其内在特性和机理的研究变得十分迫切.尽管对两相流的研究已经取得丰硕的成果,但三相流的流动机理与两相流差别非常大,现有的理论难以直接应用[14].对三相流的流型研究一度将油相与水相混合物简化为单一液相考虑,简化了分析和模型,但仅局限于特定的应用环境[15].为了更深入地研究三相流的流型机理,需要将各相分别考虑,目前已取得了很好的初步结论[16].此外,油相性质变化范围很广,油气水混合物的性质也千差万别,由此派生了许多不同的流型定义.其中一个广为认同的流型分类是由A¸c ikg¨o z 在1992年提出,与油水两相流流型分类类似,将油气水三相流分为油基流型与水基流型两大类,各子类则与气液两相流流型相同[17].2.1.2流型识别技术流型识别的方法多种多样,其中视觉观测是最基本、最直观的流型识别方法,因为流型就是通过其流动的几何形态定义的.视觉方法不仅仅局限于肉眼的直接观测,粒子成像测速[18]与层析成像[19]等技术都能作为观测的辅助手段.然而,该方法始终受到观测条件的影响,其识别率也随着观测方法与观测者变化.流型图是在实验数据与理论推导的基础上,通过建立不同流动参数间的关系来直观反应流型分布的图形,它可用来识别流型和预测流型变化.需要注意的是,流型图是基于视觉观察基础上建立的,并且流型图随着其建立条件的变化而改变.一般来讲,对于气/水,有水平管流型图,垂直管流型图以及倾斜管流型图.此外,管径的变化也影响流型图中的流型分布.通常,流体混合表观速度(总流量与管道面积之比)或是混合流动通量(包含有量纲或无量纲形式)作为流型图的坐标.例如Taitel在1976年给出1926自动化学报39卷的气水水平管流型图等[20].其他识别方法基于各种传感器的测量信号,通过测量流体某些参数的变化,如压力或电导率等识别流型.此类的流型识别方法分为两步:首先从测量数据中提取出能够反映流型变化的特征值,然后利用分类/识别算法将不同流型下的特征值归类.流型识别过程中涉及信号处理技术、分类技术、特征提取与模式识别技术等.数据处理阶段采用各种信号处理和特征提取算法,例如小波变换[21]、统计算法[22]、非线性时间序列分析[23]等.这些算法可根据不同的检测方法来选择,且只在特定的条件下才能达到理想的精度,因此没有哪一种算法能完全优于其它的方法.分类识别阶段采用的模式识别算法包括支持向量机[24]、神经网络[25]、动态聚类[22]等.此外,基于基本流体参数(压力等)的建模方法也能进行流型转换的预测[26].新兴的层析成像技术能提供测量截面的相分布信息,因此可分别利用可视化方式和信息处理方法实现流型识别[27].大部分算法都能在特定的实验或工业条件下达到高于85%的平均识别率.同时,对流型的研究逐渐向流型的形成与过度机理方向发展,以及对流型转换的预测等[28].此外,气相与非牛顿流体的两相管流与小管径的气水两相流也是研究热点[29].2.2流量检测方法多相流流量(流速)检测的方法有很多种,其中的一些发展自单相流检测仪表,其他则来自于新兴的基于多相流特性的检测方法.以下仅对一些常用仪表进行介绍.2.2.1差压流量计差压流量计是基于伯努利方程,通过测量流体流经节流组件时产生的压力差来计算流量的检测装置.差压流量计发展自并主要应用于单相流体的检测,对其在多相流检测中的应用也进行了大量研究,并发展出许多适用于多相流测量的模型[30−31].在多相流检测中常用的差压流量计是文丘里流量计,该种流量计基于文丘里效应设计[32].文丘里流量计经常与含率检测装置搭配使用,可同时提供总流量与各分量流量信息,并取得了良好的检测结果[33].目前较流行的差压流量计是内锥式流量计,它在湿气检测中有不堆积液体等优势,在多相流检测中的应用也是研究的热点之一[34−35].然而,节流组件会干扰流动状况,并带来压力损耗.2.2.2容积式流量计容积式流量计的原理是被测流体流经一个固定容积容器,通过计量流过的次数来计算流体的体积流量.理论上,容器的旋转速度与流速成正比,然而在实际中这种线性对应关系仅存在于一定的范围之内.容积式流量计按测量组件结构分类可分为椭圆齿轮流量计、腰轮流量计、活塞式式流量计、刮板式流量计等.在多相流测量中,容积式流量计可以测量流体的总流量,其应用范围包括湿气、气液以及油水两相流[36].容积式流量测量技术的优点有:精度高、调节比大、没有前置直管段要求并且信号输出与流量成比例.但在使用时对管路有阻塞作用,容易引起流体的脉动,且结构复杂,体积庞大,在流体含有颗粒及脏污物时影响测量精度,并易受流动对象腐蚀.2.2.3速度式流量计速度式流量计指直接或间接通过检测流体流速来获得流量的一种检测仪表,包括涡轮式流量计、涡街式流量计、电磁式流量计以及互相关测速法等.涡轮式流量计利用流体流动推动叶轮转动,此时流体流速与叶轮转速成正比,通过测量叶轮转速即可得到流体的流速.涡轮式流量计在测量油水两相流时会受到油相黏度与油相含率的影响,因此在使用前需对仪表系数进行标定[37].但涡轮式流量计受流型影响较小,因此也可与其他测量手段联用,获得油气水多相流的分相流量[38].涡街式流量计利用管道中安装的钝体对流体形成扰动,当流体流过该钝体时会在下游形成有规则的漩涡,该漩涡的产生频率与流体的流速成正比.在气液两相流检测中,涡街发生的频率受相含率影响很大,当相含率高于18%时,难以从气液两相流的复杂界面波动中提取出有效的涡街频率信息[39].此外,涡街流量计也可用于气液两相流流型的识别[40].电磁式流量计在被测管道两侧安装磁场发生器(如永磁铁或励磁线圈)并在管道中形成磁场,根据法拉第电磁感应定律,管道内流体切割磁力线时产生的感生电动势与流体流速成正比.在多相流检测中,需要连续相为导电时才能使用电磁式流量计,且测量精度受多相流速度廓形以及流型影响.为此,提出一种用于多相流检测的多电极电磁流量计,可以降低流型对检测精度的影响[41],也可在此基础上实现多相流流速分布的检测[42].相关流速测量技术是以随机过程的相关理论和信息论为基础发展起来的一种流动参数检测技术.当多相流体在管道内流动时,会产生与流动状况有关的波动信号,这些波动包含了多相流局部浓度的随机变化,具有随机性质.在管道上沿轴线方向安装两个结构相同的传感器(例如,光学、电学、声学等).只要传感器间距L设计合理,且两传感器和变送器的静态与动态性能完全一致,根据Taylor的“凝固”流动图形假设,被测流体在上游传感器处引起随机信号的调制机制在经过一定时间后,会在下游传感器处重复出现,并引起相似的作用,也即在下游传感11期谭超等:多相流过程参数检测技术综述1927器上获得的信号只是上游传感器信号滞后τ0时间的相同信号,其中τ0称为渡越时间.因此对互相关速度的检测就转化为对渡越时间的获得[43−44].互相关流速测量方法的优势之一在于可配合使用的检测技术十分广泛,包括静电法[45]、阻抗法[46]、超声法[47]等,均能利用互相关测速技术实现多相流流速检测.虽然互相关流速检测方法在多相流内应用很广,但仍受到测量值所代表的物理含义问题困扰.为此,研究人员提出过许多理论与模型,但该问题仍未得到清晰的解答[48].2.2.4质量流量检测质量流量是石油化工等工业中的重要指标,对其检测方法总体分为两大类:直接检测法与间接检测法.前者包括克里奥立流量计等直接获得质量流量的流量计,后者则指提供过检测体积流量与密度来计算质量流量的流量计[33].在质量流量的各种检测手段中,克里奥立流量计的发展备受关注[49].Li和Lee在1953年率先利用克里奥立效应测量气水两相流的质量流量,并发现振动/旋转管道中的克里奥立力与流经流体的质量流量呈线性关系.然而克里奥立流量计在多相流的检测中仍存在一些问题,例如气水两相流中,只有当两者充分混合的情况下才能达到单相流的检测精度.当气量过大时,气体并不完全随着测量管振动,因而达不到理想的检测精度.如与含水率仪共同使用,克里奥立流量计也可在含气率低于50%的条件下实现油气水三相流质量流量的检测[50].作为一种新兴的检测手段,多相流克里奥立流量计仍需时日加以完善,但无疑它将会在多相流的检测中得到更广泛的应用.2.3相含率检测方法多相流的分相(体积或质量)含率是多相流的一项重要指标,对其检测的难度也十分大,涉及到的检测方法有电学法、射线法、快关阀法,核磁共振法以及微波法等[3].2.3.1射线法当X射线或γ射线穿透流体时幅值会发生衰减,且衰减程度与流体的性质有关[51].射线与被测物体的作用方式分为散射与吸收两类,在考察射线衰减的作用时这两种效应均应考虑.通常,单束的γ射线可以检测气液等两相流体.而对三相流动系统则需先检测其中两相的含率,后通过三相含率之和为1的关系来计算第三相含率.可以采用其他方法作为辅助的相含率检测手段,如果仅采用单一射线法,则可使用双能射线分别检测两相的相含率[52].由于射线源的固有特性,测量精度越高耗时越长,因此需要在检测时间与精度上做平衡.射线强度高的射线源可以降低测量时间,但需要更好的防护手段防止对周围环境的破坏[28].尽管单束射线法(包括双能射线系统[53])能达到±5%的检测精度,但受流型影响很大.只有当各相均匀混合时,相含率的计算才准确.为了克服这个问题,发展出一种基于多射线束的技术,该系统结构复杂,造价高因此使用范围受限,但其检测精度很高,因此多用在多组分流动的检测上[54].目前,基于射线法的高速层析成像系统已经出现,可以实现两相流的流动过程重建和过程参数检测[55].2.3.2电学法不同流体介质具有不同的电学特性,因此可以通过检测多相流的电阻抗计算相含率.一旦确定了介质电阻抗与相分布之间的关系,便能计算出平均含率[53].该方法的主要特点是,介质在不同频率的激励信号下表现出不同的电学特性:对于低频电信号(10kHz∼100kHz),主要表现为电阻特性,在更高的频率下则为电容特性.因而电学法分为电导(电阻)法与电容法.电导法与电容法均受流型的影响,也仅局限于一定的含率范围.例如用接触式电极的电容法检测气水两相流,当水相成为连续相时(水含率达到50%左右)会发生短路现象,此时的检测值不再对截面内的含率变化敏感而只是一个固定的检测值[56].电学法在均匀混合流动下的检测精度较高,但精度会在“反相”(即占据主导的连续相由多相流中的一相变为其他相)发生后恶化,因此对反相或是流型转换的预测是十分必要的.此外,需要在与应用条件接近的条件下对仪表进行标定以获得理想的结果.为了减少流型对检测的影响,提出了一种基于“旋转场”传感器的电学方法.该方法在被测管路的外围均匀安装多对测量电极,并通过依次选通激励和测量电极来获得“旋转”的效果.另一种螺旋状电极也有类似的空间平均作用,尽管其结构复杂,但它具有线性的标定性能且不受流型影响[57].对旋转场电阻抗检测方法的一种改进是电学过程层析成像,它采用更多的电极来获得对象的介质分布信息,并提供被测对象截面介质分布图像.根据电学敏感性质不同,电学层析成像可分为电阻层析成像[58]、电容层析成像[19]以及电磁层析成像[59].2.3.3微波法微波法是基于不同物质吸收微波能量级别不同且能量不受密度变化的影响而发展起来的,并逐渐应用在多相流检测中.微波法传感器按照应用可分为透射传感器与层析成像传感器等类别[60].微波传感器具有非侵入、不破坏环境、无辐射以及稳定性高等优势,但其造价相对昂贵且标定复杂,此外微波传感器的适用性较弱,也需要额外的传感器提供。
多相流动测试技术的研究动态
多相流动测试技术摘要：多相流现象广泛的存在于自然界和工业、农业、国防、环保等各个领域，多相流技术已渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一些领域成为关键性技术和尖端技术。
本文详细介绍了国内外多相流测试技术发展现状，将现有技术进行分类，并介绍了近代新技术中广受关注的激光技术、太赫兹技术、过程层析成像技术。
关键词：多相流动；分类；测试技术Multiphase flow measurement technology Abstract: Multiphase flow phenomenon exists widely in nature and various fields， such as industry, agriculture, national defense, environmental protection, and have penetrated into all walks of life to the construction of the national economy, and in some areas to become key technology and cutting-edge technology. In this paper, introduces the developing situation of it in home and foreign, classify it, and emphatically introduced new technology which wide attention, such as laser technology, terahertz technology, process tomography technology.Key words:Multiphase flow; classify; measurement technology1.引言相的概念通常是指某一系统中具有相同成份及相同物理、化学性质的均匀物质成份，各相之间有明显可分的界面。