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,要认识这些现象并进行预测,首先要解决检测问题,流量是最基本的参数,首当其冲,迫切需要解决。

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。

经过了近20年的努力,我国的气液二相流量计(TTWGF)的研发终于走出了试验室,并通过了现场测试,性能良好,与国外同类产品相比毫不逊色,即将进入实用阶段。这意味着它将淘汰沿用了几十年的落后工艺,有效地进行天然气的开采。

1两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:

(1)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。

(2)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χ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χ=qmg/qm=qmg/(qmg+qme)

②容积流量含率β,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β=qvg/qv=qvg/(qvg+qve)

(3)截面含率αc,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αc=Ag/A=Ag/(Ag+Ae)

(4)容积含率α,说明分相流体在某一管道长度较容积V所占的容积,气相为Vg、液相为Ve,如气液两相α=Vg/V=Vg/(Vg+Ve)

(5)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=ρgβ+ρe(1-β)

②真实密度ρm,在管道中取一微元体ΔV,在某一时间,二相介质的总质量Δm与总体积ΔV之比,对气液两相流,真实密度ρm=ρgα+ρe(1-α)

(6)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

(7)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。

(8)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型的两相流量测量,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。

2常用的测量方法图

如图2:

2·1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),耗费大量能源和钢材,且无法进行在线测量,难以预测气井的生产规律,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。

2·2部分分离

部分分离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,这样多种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、AkerKvaemer、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。但弊往往隐藏在利之中,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。

2·3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:

(1)差压式

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,是迄今为止参与研究最多、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压来建立模型;其三是当两相流流经弯头、U形管等管件,由于动量矩、离心力所产生的动压来测量气、液分相流量。以上这些方法,国内外厂家以应用文丘里管较为成熟,如表1。

(2)速度式

通过测量两相流的流速来测量气、液两分相流量,广泛采用了新技术,如:

力学法:利用流体的动压、动力矩、离心力测流速;

相关法:通过两点的相关函数测流速;

光学法:采用激光多普勒效应或光纤技术测流速;

热学法:采用热线风速仪测流速;

电磁法:利用电磁感应测流速;

核磁共振法:通过核磁共振原理测流速。

(3)容积式

通过气、液相的流体基本特性的差异达到测量分相的流量。如气相体积流量与流动状态下的压力密切有关;而液相的体积流量与流动状态下的压力基本无关。根据总体积流量、压力、温度三个参数与被测介质的热力性质可推算各分相的体积流量。

(4)质量式

流体在流动中如果温度、压力频繁变化,将导致密度的变化,使其容积流量不能反映质量流量的大小(气体尤为突出),而贸易的结算、管理的核算主要的依据应是质量流量,所以两相流量更希望得到的是分相的质量流量。目前科里奥利质量流量计在两相流量测量中日益引人注目。

3气、液二相流量计简介

(1) DualstremMKI气液两相流量计

2002年由英国Solartron推出了Dualstrem MKI、MKⅡ气液两相流量计。MKⅠ型当液相含量较高时,虚高误差过大时,要求定期用示踪法测量液体的含量,以提高准确度,由于这种方法不能在线实时测量,难以满足气田的科学开采及管理,又推出了MKⅡ型,它采用了混合器与两个文丘里管组成,对经典文丘里进行了改进,入口角减小至21°,加长了喉部长度,扩张角订为15°。MKⅡ型附加了混合器,其作用是令气、液二相的速度滑移比S接近于1,在截面上分布尽量均匀,流态近于均相流以提高准确度。从二个文丘里管(或一台文丘里加一台节流装置)得到的差压信号,按均相流的数学模型处理,得到气相含率qmg,再按总质量流量qm,分别求出气、液两相流量,由于计算是基于Murdock数学模型,比较简单,难以涵盖复杂的各种现场,流量准确度较低,气相可达±5%,液相仅为±10%。

(2)倒U形管(图3)

这种气液两相流量计的原理为:流动密度与体积含气率测量误差间存在较好的线性关系,在气相为连续相而液相为离散相的流态下,气相流速及实验流态对这种线性关系影响很小,体积含气率的测量误差与流动密度呈单值线性关系。

当上述这种气、液两相流经图3所示的倒U形管时,如管道截面为直管,流动稳定,从力学上讲,流体的压降可由加速压降、摩阻压降、重力位压降三部分组成。

在稳定流动状态下,加速压降可忽略不计,摩阻压降在U形管上升与下降大小相等,方向相反,可以抵消,剩下的仅有重力位压降,简化了计算公式,再通过对流动密度的修正,据称可获得±1%的体积含气率的测量精确度。

4气液两相流量计的应用

早在20世纪80年代,我国高校、科研院所已开始研发气液两相流量计,终于2008年春走出试验室,在西南某气矿进行工业现场的性能测试。结果表明,该样机的气相流量偏差小于0·5%;液相流量偏差优于-1%。在测试过程中,充分听取了矿区工程技术人员的建议,对流量计的结构、二次表(流量计算机)、变送器、防爆……等各方面进行了优化改进,组成了系统,定名为“TTWGF气液两相流量计”。现简介如下:

(1)原理

在十余种原理的流量仪表中,节流装置具有结构成熟、可耐恶劣工况、软实力较强等优势。TTWGF液相流量计采用了一台边壁收缩的内锥流量计,及一台中心收缩的文丘里管串联组成了计量管。用节流装置来测气、液两相流,在其数学模型中,均包含了干度X(即气相质量流量含率)。采用二台节流装置串联,可通过不同的差压值求解,在较宽的范围内获得气、液二相在非分离状态下的在线测量,较准确地分别得到气、液的流量值。

(2)结构

①撬体将双节流量装置计量管安装在撬体(图4)上,可进行整体运输。缩短了安装时间,节约了因安装停产造成的经济损失。在现场仅需通过高压软管与矿井输出管联接即可投入使用。以便于频繁移动,一台多用,在矿区多口天然气井轮流测取数据。

②双节流计量管包含了二台串联安装节流装置、2~3台差压变送器、一台压力变送器及一台温度变送器组成一体。

(3)二次表

①便携式流量计算机为便于矿区内多口气井轮流进行气、液二相流在线测量,二次表采用了便携式流量计算机。它包含了防水箱、低功耗嵌入式工控机、数据采集模块、充电锂电池、约30cm (12寸)液晶显示屏、工业宽温全金属键盘等。可实现电池及外部交流220V两种供电模式。并具有参数设置,气相、液相流量检测,实时波形,表格图形查询,打印报表, U盘数据拷贝等功能。

②ARM流量计算机采用Atme1 AT91SAM9263流量计算机,以固定安装形式用于现场就地显示测试数据。它采用了ARM9作微处理器,具有大屏幕液晶显示器,并且有良好的人机交互界面,可在线显示天然气的气相、液相、瞬时及累计流量、压力、温度值、掉电时间、实时时间等信息。数据保存时间长达二年,支持U盘拷贝及GPRS无线通讯。

(4)与国外同类产品主要性能比较(表2)

5小结

(1)简述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,在某一分相流型应用较好的流量计未必可成功应用于其他情况。

(2)虽然我国研制的气液两相流量计在现场应用中取得了初步阶段性的成果,但现场应用中将面临许多在试验室中不可预料的难题,还需要一段时间逐一解决,全面推广应用尚需时日。

(3)我国天然气资源较丰富,但开采工艺落后。国产气液两相流量计进入实用阶段,将会显著提升我国天然气的开采、加工、管理水平,具有很大的市场潜力。但也要吸取“内锥热”的教训,切忌“一哄而上”。

摘自：中国计量测控网