多相流量计的原理及发展
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李 霄! ，刘鸿雁! ，张 岩" $%%&’)） （! # 海洋石油工程股份有限公司，天津 $%%&’"；"( 天津修船技术研究所，天津
摘要： 多相流量计是对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线、自动计量的设备，
它是应用在海洋工程中的一项新技术。文中介绍了多相流量计的测量原理、发展过程及与传统流 量计的对比。
资金投入
一 次投 资 略 低；占 地 一 次 投 资略 高；占 地 面积 大， 潜 在 投 资 多； 面积 小， 潜 在 投 资 少； 人工维护费用高 人工维护费用很低
. 多相流量计
多相流量技术就是将一种多相流量计直接安装 在油气集输管线上，采用先进的测量技术，对油、 气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动 计量，从而可以取代传统的由测试分离器及其辅助 系统组成的计量装置，简化油气生产工艺流程，降 低投资，减少操作成本。鉴于多相流量计有缩小使 用空间和减轻测试设备重量等优点，其在海洋石油 工程中的应用正在迅速增长。 ./. 多相流量测量的基本原理 在油气混输管线中，油井产出的原油、伴生天 然气和矿化水形成了一种相态和流型复杂多变的多 相流，是一个多变量的随机过程。一般地，多相流 万方数据 量计需要用以下的参数来计算各相流量： !各相在
、 （"） 、 （$）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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多相流量计的原理及发展
关键词： 多相流量计；浮动储油轮；海洋工程 中图分类号： *+,!’($ 文献标识码： 文章编号：!%%! . /$"/（"%%!）%$ . %%$$ . %"
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由此可见，油、气、水三相在实际状况下的体 积流量的测量可以通过对各相流速、流量截面上的 含气率和含水率等流动参数的在线监测来实现。
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计量分离器与多相流量计的比较
表! 计量分离器与多相流量计的比较
计量分离器 多相流量计
较 好； 受 流 量 条 件、 较 好； 无 置 换 效 应， 液体特性及 操 作 状态 影 受环境影响小 响大，有置换效应 需 "( 3 控制仪表多，流程复杂 使用 条 件苛 刻，结 构 复杂， 故 障 率 高， 连 续 运行差，人工维护量大 需" 3 简单 操 作 简单，几 乎 不 需 要维护即可长 期 可 靠运 行
（收稿日期 "*** ) !"） 比较项目 测量精度 测量时间 流程比较 人工维护
马源吸收特性。这一特性与混合物的密度有关，利 用这种方法可以确定气液流体中的气分率。在油、 气、水三相流体中，通常使用双能伽马射线来确定 油、气、水含率。另外，在一些正在研制的多相流 量计中，则使用了三能或多能伽马技术来确定组分 含量。 （#）电介质特性测量法。现在一些多相流量计 应用了连续波、振荡和单频率的原理，用频率小于 !$ %&’ 的电磁波技术来测量电介质常数，与传统 的电容测量系统相比，电介质测量应用范围更加广 阔，并能提供一些附加信息。 物质的电介质常数与物质的折射指数有关，电 介质常数是描述物质电磁性能的参数之一。由于水 的电介质常数与油的电介质常数相差很大，因此用 测量电介质常数的方法来确定油和水相分率是很有 发展潜力的一种方法。 （(）热扩散测量法。当一根加热的金属圆棒被 放入流动的流体中时，热金属棒的热量要向流体扩 散，温度要降低，扩散的热量和流体的流量及物理 特性的关系如下： ! "!（ #! ) #*） $%& + ’ , ( -./0$ 12/0## 上式表示了热扩散量和雷诺数成 & 次方关系， 和普郎特数成 ) 次方关系。三相混合物的比热、 导热系数及粘度为三相比率的函数。 当加热功率和总体积流量已知，测量圆棒和来 流之间的温度差（ #! ) #*） ，就可以得到相比率。
摘要： 多相流量计是对油、气、水三相在不分离情况下进行连续、在线、自动计量的设备，
它是应用在海洋工程中的一项新技术。文中介绍了多相流量计的测量原理、发展过程及与传统流 量计的对比。
资金投入
一 次投 资 略 低；占 地 一 次 投 资略 高；占 地 面积 大， 潜 在 投 资 多； 面积 小， 潜 在 投 资 少； 人工维护费用高 人工维护费用很低
. 多相流量计
多相流量技术就是将一种多相流量计直接安装 在油气集输管线上，采用先进的测量技术，对油、 气、水三相在不分离情况下进行连续、在线和自动 计量，从而可以取代传统的由测试分离器及其辅助 系统组成的计量装置，简化油气生产工艺流程，降 低投资，减少操作成本。鉴于多相流量计有缩小使 用空间和减轻测试设备重量等优点，其在海洋石油 工程中的应用正在迅速增长。 ./. 多相流量测量的基本原理 在油气混输管线中，油井产出的原油、伴生天 然气和矿化水形成了一种相态和流型复杂多变的多 相流，是一个多变量的随机过程。一般地，多相流 万方数据 量计需要用以下的参数来计算各相流量： !各相在
、 （"） 、 （$）和（&）式，油、气、水 综合（!） 三相在实际状况下的体积流量 % I、 % J、 % K 可以 分别表示为： （! . & K） % I G!I ! H（! . & J） % J G!J ! H & J % K G!K ! H（! . & J） & K （’） （)） （,）
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多相流量计的原理及发展
关键词： 多相流量计；浮动储油轮；海洋工程 中图分类号： *+,!’($ 文献标识码： 文章编号：!%%! . /$"/（"%%!）%$ . %%$$ . %"
!"#$%&’$： *01 2345670891 :4;< 2151= 69 501 >;?56?3;39， ;?46?1 8?@ 835;2856> 21893=1 1A36721?5 5085 21893=1 ;64， B89 82@ <851= 50=11 708919 <650;35 C16?B 9178=851@ # *069 69 8 ?1< 51>0?;4;BD 391@ 6? 501 ;::90;=1 1?B6?11=6?B # *069 78E 71= 6?5=;@3>19 501 21893=1 7=6?>6741， @1F14;721?5 7=;>199 8?@ >;278=69;? C15<11? 5=8@656;?84 9178=85;= 8?@ 2345670891 :4;< 2151= # ()* +,%-#：2345670891 :4;< 2151=； :4;856?B 7=;@3>56;? 95;=8B1 8?@ ;::4;8@6?B； ;::90;=1 1?B6?11=6?B 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。该系统的重量和体积都较大，给设计和施 工都增加了很大难度。在海上平台及浮动储油轮船 上，需要有一种体积小、重量轻，而且能完成其功 能的替代品。多相流量计正是在此需求下经过多年 的开发完善，开始大量应用于海洋工程、船舶修造 及各个领域内。 管道截面上所占据的面积 !" ； " 各相沿管道轴线 的流速!" ；#各相的温度 #" 和压力 $" 。各相在实际 状况下的体积流量根据以下公式计算： %" G!" !" （!） 根据各相的温度 #" 压力 $" ，利用状态方程可以 将实际状况下的体积流量转换成标准状况下的体积 流量。为使问题具体化，我们设管道截面的总面积 为 ! H，其中油相所占据的面积为 ! I，气相所占的 面积为 ! J，水相所占的面积为 ! K；设管道中油气 水三相流的截面含气率为 & J，油水混合液中的含 水率为 & K。我们可以得到以下的关系式： !H G !I L !J L !K & J G （ ! J M ! H） N !%%O ］ N !%%O & K G ［ ! K M （ ! I L ! K） （"） （$） （&）
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。
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计量分离器与多相流量计的比较
表! 计量分离器与多相流量计的比较
计量分离器 多相流量计
较 好； 受 流 量 条 件、 较 好； 无 置 换 效 应， 液体特性及 操 作 状态 影 受环境影响小 响大，有置换效应 需 "( 3 控制仪表多，流程复杂 使用 条 件苛 刻，结 构 复杂， 故 障 率 高， 连 续 运行差，人工维护量大 需" 3 简单 操 作 简单，几 乎 不 需 要维护即可长 期 可 靠运 行
（收稿日期 "*** ) !"） 比较项目 测量精度 测量时间 流程比较 人工维护
马源吸收特性。这一特性与混合物的密度有关，利 用这种方法可以确定气液流体中的气分率。在油、 气、水三相流体中，通常使用双能伽马射线来确定 油、气、水含率。另外，在一些正在研制的多相流 量计中，则使用了三能或多能伽马技术来确定组分 含量。 （#）电介质特性测量法。现在一些多相流量计 应用了连续波、振荡和单频率的原理，用频率小于 !$ %&’ 的电磁波技术来测量电介质常数，与传统 的电容测量系统相比，电介质测量应用范围更加广 阔，并能提供一些附加信息。 物质的电介质常数与物质的折射指数有关，电 介质常数是描述物质电磁性能的参数之一。由于水 的电介质常数与油的电介质常数相差很大，因此用 测量电介质常数的方法来确定油和水相分率是很有 发展潜力的一种方法。 （(）热扩散测量法。当一根加热的金属圆棒被 放入流动的流体中时，热金属棒的热量要向流体扩 散，温度要降低，扩散的热量和流体的流量及物理 特性的关系如下： ! "!（ #! ) #*） $%& + ’ , ( -./0$ 12/0## 上式表示了热扩散量和雷诺数成 & 次方关系， 和普郎特数成 ) 次方关系。三相混合物的比热、 导热系数及粘度为三相比率的函数。 当加热功率和总体积流量已知，测量圆棒和来 流之间的温度差（ #! ) #*） ，就可以得到相比率。