分流分相式多相流量计研究进展 流量计技术指标

摘 要： 分流分相多相流量测量方法是新一代在线多相流量测量方法，分流分相式多相流量计具有体积小、精度高等优点。通过从被测主流体取样分流出一部分气液混合物，分离后采用单相仪表测量取样流体流量，然后根据取样流体与主流体的比例关系获得被测流体流量。分流分相测量方法成功的关键在于设计合适的分配器，保证取样流体和被测流体之间具有确定的比例关系。目前已经开发出了三通管型、取样管型、转鼓型、转轮型、旋流型管壁取样器等取样分配装置，其中，旋流型管壁取样器通过多孔取样和流型整改保证了取样的代表性，无运动部件、取样孔不易堵塞，非常适合海上油气田的开发。
关键字： 分流分相 多相流 流量测量 分配器

近年来，石油价格上涨、能源紧缺问题日益突出，各国都在加大对海上油气资源的开发，对多相流量的计量需求也更加迫切。传统的多相计量装置价格昂贵，体积庞大。海上油气田开发由于受平台空间的限制，要求开发出体积小、质量轻、精度高、可靠性好的多相计量装置。本文对目前采用的多相流量测量方法进行了分析评价，介绍了分流分相多相计量这一新型多相流量测量方法，并对近年来的研究进展进行了回顾。

1 多相流量计量方法分类

多相流量测量方法按照是否分离以及分离的程度一般可分为完全分离、不分离、部分分离3种类型。完全分离法采用三相分离器将多相流体分离成油相、气相和水相，分别采用单相流量计测量各相流量，气、液相能实现完全分离，测量不受多相流波动的影响，精度高，缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，在很大程度上增加了油田的开发成本；不分离式多相流量计是在对多相流体不作任何分离的情况下实现油、气、水三相计量，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，不分离计量方法不需要分离设备，体积小，但测量受流体波动的影响，精度低；部分分离方法的原理是首先采用预分离装置将气、液二相分离成以气相为主（高含气率）和以液相为主（高含液率）的2股流体，然后再利用较成熟的二相流仪表分别测量，最后将2股流体重新混和，该方法缩小了流过测量仪表的二相流组分变化范围，同时也降低了流动的不稳定性和测量信号的波动性，虽然在一定程度上缩小了计量分离器的体积，并降低了二相流测量的难度，但未能将气液混合物完全分离，故实际上对提高测量精度的作用是有限的。

分流分相方法是最近几年才提出来的一种多相流量测量方法[1-2]，充分吸收了以上3种多相计量方法的优点，可以将气、液二相流测量精度提高到小于或等于3%[3]。

2 分流分相方法工作原理

图1为分流分相流量测量原理。通过取样分配器成比例地从二相流体中分流出一小部分二相混合物，将其分离成单相流体后，应用单相流量计测量出各相流量的大小，然后根据取样流体与主流体的比例关系确定被测二相流体各相的总流量。

主管路气、液相流量分别由下式计算

式中，M1G、M1L分别为主管路气、液相质量流量，kg/s；M3G、M3L分别为取样流体气、液相质量流量，kg/s，由分流体气体流量计和液体流量计测出；KG、KL分别为气、液相分流系数，反映取样流体中气、液相流量占主流体流量的比例。

图1分流分相多相计量原理

通常取样流体只占主流体的10%以下，因此分离器体积只有传统完全分离式计量设备的1/10。

为了保证分流分相方法流量测量的精确性，分流出的分流体与被测二相流体之间必须具有稳定和确定的关系，分流系数应保持恒定或有确定的变化规律。因而实现这一目标的关键在于设计合适的分配器。

3 分流取样分配器研究进展

为了实现比例取样，保证分流体具有代表性，目前已经开发出了三通管型、取样管型、转鼓型、转轮型、旋流型等多种取样分配器。


3.1三通管型[4-6]

三通管型取样分配器利用T型三通的相分离特性，从被测气、液二相流体中分离出一部分单相气体，通过测量这部分单相气体的流量确定被测气、液二相流体的流量或干度。这种方法把二相流体的流量测量转化成了单相流量的测量，测量仪表的稳定性和可靠性都能得到显著改善，测量精度得以大幅度提高。但三通管型取样分配器是一种单参数流量计，流量和干度2个参数中必须已知其中的一个参数才能测量出另一个。


3.2取样管型[7]

取样管型分配器由混合装置和取样装置2部分组成，取样管深入主管内部，取样口正对来流方向，如图2，气、液二相流体首先在混合器内进行加速、混合，然后在混合器出口分成2部分，一部分（分流体）直接进入取样管；另一部分（主流体）流入下游管道。理论分析表明，分流比大小主要由取样口的大小决定，在一定的流量范围内，气相分流系数和液相分流系数都能保持不变。

3.3转鼓型[8]

转鼓型取样分配器结构如图3，其核心部件是一个转鼓，转鼓通过转轴支撑在轴承座上，可以绕轴自由旋转，转鼓外形为圆柱体，内部用轴流叶片均匀分割成n个互不相通的通道，各通道的横剖面为扇形，几何尺寸和阻力特性完全相同。当二相流流过转鼓时会冲击转鼓高速旋转，在转鼓旋转过程中，各通道的入口截面不断掠过上游流通截面上的每一个点，使每一个点上的二相流体都能有机会均等地流入各通道。这样，流入分离器的流量仅仅取决于转鼓中通向分离器的通道数（分流通道数），而与二相流体的流型等因素基本无关，分流系数保持为常数。

图2取样管型分配器结构

3.4转轮型[9-10]

转轮型取样分配器结构如图4。由位于中心的转轮以及布置在外缘的分流体收集室2大部分组成。转轮内部包含3个流道，流道的轮廓为螺旋线，多相流体流过流道时产生旋转力矩，驱动转轮旋转。转轮位于中心，围绕转轮的分别是主流体接收口和分流体取样口。分流体取样口有3个，每个取样口两侧布置一组格栅。设置隔栅的目的是将旋转流道出口喷出的二相流体从取样口导入收集环室，防 止进入主流回路的流体进入分流回路。

多相流体通过转轮分配器在分流体和主流体之间分配时，不是简单地从“空间”上一分为二，而是在一定时间区间内全部流向一个回路，而在另一时间区间内又全部导向另一回路，如此周期性的交替循环完成分配。进入分流回路和主流回路流量的大小通过控制进入分流回路或主流回路的时间间隔来实现。在分配过程中，只要交替切换的频率足够高，分配周期足够短（完成1次完整的分配循环的时间），那么，2个回路的流动过程就接近于连续流动，并且在1个分配周期内，多相流动过程也近似于稳态流动。这样不论遇到何种流型，进入各回路的多相流体都具有高度一致的相含量，其流量大小仅与所分配的时间份额成比例。

图4转轮型取样分配器结构

3.5旋流型[9]

旋流型管壁取样分配器结构如图6。主要通过多孔取样和流型整改来保证取样的代表性。水平管气、液二相流由于重力的影响，造成管截面上气、液相分布不均匀，即使在环状流型下，液膜沿周向分布也是不一致的，顶部液膜较薄，底部液膜较厚。采用单孔取样方法很难保证取样效果，在主管壁四周布置多个取样孔，采用多孔取样，能大大改善取样的代表性。为了消除气、液界面波动对取样稳定性的影响，还需对管路上游流型进行调整。通过在取样孔上游布置旋流叶片，将分层流、弹状流以及不对称的环状流等流型转变为对称的环状流，那么管壁各个取样孔所取流体“样品”将趋于一致。实验证明分流比主要取决于管壁取样孔的数目和大小[9]。

图5旋流型管壁取样分配器结构

4 取样分配器性能分析比较

上述5种分配器性能比较如表1。

三通管型取样分配器是一种单参数二相流量计，如果同时测量气相和液相流量，必须要和其他仪表配合使用；取样管型分配器结构较简单，但取样口易被流体中的砂砾等磨损、堵塞，影响测量精度甚至完全停止工作；转鼓型和转轮型取样分配器含有运动机构，不宜长期连续运行，为了避免卡堵，取样上游一般需要安装过滤装置；与转鼓型、转轮型取样分配器相比，旋流型管壁取样分配器本身并不旋转，而是通过设置在上游的旋流叶片使流体旋转，从而使取样口和流体产生运动来保证取样的代表性，由于旋流型管壁取样分配器不含运动部件，稳定性好，且取样孔位于管壁上，不会被流体中的铁屑、砂砾等杂质堵塞和磨损，能适应现场恶劣的环境，是一种有前途的取样装置。

5结语

分流分相多相流量计量是一种新型在线多相流量测量方法，与常规多相计量方法相比，分流分相方法由于进行了分流取样，所需分离器的体积远小于完全分离方法，同时由于又进行了分相，气、液相流量测量都在单相介质环境中完成，因此具有体积小、精度高的优点，尤其适用于海上油气田的开发。保证取样流体的代表性是分流分相方法成功的关键环节，而保证取样代表性的关键在于选择合适的取样分配器。在现有的5种取样分配器中，旋流型管壁取样分配器具有良好的环境适应性和稳定性，有望在海上油田开发中获得广泛应用。

参考文献：
[1]王栋，林宗虎.气液二相流体流量的分流分相测量法[J].西安交通大学学报，2001，35（5）：4412444.
[2]DongW，ZongHuL.Gas2liquidtwo2phaseflowmeas2urementusingESM[J].ExperimentalThermalandFluidScience，2002，（26）：8272832.
[3]林宗虎，王栋，王树众，等.多相流的近期工程应用趋向[J].西安交通大学学报，2001，35（9）：8862890.
[4]王栋，林益，林宗虎.利用T型三通测量气液二相流体的流量和干度[J].热能动力工程，2002，17（4）：3362338，348.
[5]王栋，林宗虎.一种新的气液二相流体流量计———三通管型分流分相式二相流体流量计[J].工程热物理学报，2001，22（4）：4882491.
[6]AzzopardiBJ.PhaseseparationatTjunctions[J].MultiphaseScienceandTechnology，1999，11（4）：2232329.
[7]王栋，林益，林宗虎.取样管型分流分相式气液二相流体流量计[J].工程热物理学报，2002，23（2）：2352237.
[8]王栋，林益，林宗虎.转鼓分流分相式气液二相流体流量测量技术研究[J].西安交通大学学报，2002，36（5）：4572460.
[9]梁法春.气液二相流体取样分配器及其在流量测量中的应用[D].西安：西安交通大学能源与动力工程学院，2006.
[10] 王栋，张修刚，梁法春，等.基于分时原理的多相流体比例分配方法[J].工程热物理学报，2005（S1）：1012104.

常见故障

涡街流量计常见故障九、 一台DN50涡街流量计，从说明书查到，其液体用流量范围是3-50m3/h。我们在油流标准装置上标定的结果是10-50 m3/h符合精度要求，但10m3/h以下精度不合格，应如何评价此台流量计?

涡街流量汁说明书中，标明的流量范围是使用于特定参考介质的流量范围，如液体—般指常温水。用于其他介质时，可用流量范围将随介质的粘度和密度不同而异。由于油流量标准装置采用粘度比水大，密度比水小的柴油做标定介质，流量计的下限流量—般都会相应提高，使可用流量范围变窄。所以，涡街流量计在油流量标定装置上标定出现小流量性能变差是正常的。由此我们不难推断，如果用液化石油气(这种低粘度介质)标定涡街流量汁，将会得到比水好的相反结果。

流量计组合

1、涡街流量计的测量范围较大，一般10∶1，但测量下限受许多因素限制：Re>10000是涡街流量计工作的zui基本条件，除此之外，它还受旋涡产生响应信号，旋涡频率f也小，还会使信号处理发生困难。测量上限则传感器的频率响应和电路的频率限制，因此设计时一定要对流速范围进行计算、核算，根据流体的流速进行选择。使用现场环境条件复杂，选型时除注意环境温度、湿度、气氛等条件外，还要考虑电磁干扰。

2、振动也是该类仪表的一大劲敌。因此在使用时应注意避免机械振动，尤其是管道的横向振动(垂直于管道轴线又垂直旋涡发生体轴线的振动)，这种影响在流量计结构设计上是无法抑制和消除的。由于涡街信号对流场影响同样敏感，故直管段长度不能保证稳定涡街所必要的流动条件时，是不宜选用的。即使是抗振性较强的电容式、超声波式，保证流体为充分发展的单向流，也是不可忽略的。

3、介质温度对涡街流量计的使用性能也有很大的影响。如压力应力式涡街流量计不能长期使用在300°C状态，因其绝缘阻抗会由常温下的10-100MΩ急降至1-101Ω，输出信号也变小，导致测量特性恶化。在测量系统中，传感器与转换器宜采用分离安装方式，以免长期高温影响仪表可靠性和使用寿命。涡街流量计是一种比较新型的流量计，处于发展阶段，还不很成熟，如果选择不当，性能也不能很好发挥。只有经过合理选型、正确安装后，还需要在使用过程中认真定期维护，不断积累经验，提高对系统故障的预见性以及判断、处理问题的能力，从而达到令人满意的效果。

过热蒸汽流量计是根据卡门（Karman）涡街原理研究生(Postgraduate)产(Produce)的测量气体(gases)、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量(Mass)流量的体积流量计。涡街流量计其特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。

 

 

　　过热蒸汽流量计主要用于工业管道(Conduit)介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。环境条件要符合要求。涡街流量计涡街流量计是根据卡门（Karman）涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。

　　传感器应安装在水平、垂直或倾斜(流体的流向自下而上)的与其公称通径相应的管道上。涡街流量计涡街流量计是根据卡门（Karman）涡街原理研究生产的测量气体、蒸汽或液体的体积流量、标况的体积流量或质量流量的体积流量计。主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸汽等多种介质。

　　传感器应避免安装在有机械振动（vibration）的管道上。当振动不可避免时，应考虑（consider)在距传感器前后约2DN处的直管段上加固定支撑架。

　　传感器应避免安装在有较强电磁场（electromagneticfield)(定义:传递实物间磁力作用的场)干扰、有热辐射、有腐蚀(释义:指腐烂、消失、侵蚀等)性气体、空间小和维修(wéixiu)不方便的场所。

　　被测介质含有较多杂质时，应在传感器上游直管段要求的长度以外加装过滤器。

　　传感器的上、下游应配置(deploy)一定长度的直管段，直管段的内壁应清洁、光滑，无明显凸凹、积垢和起皮等现象。其长度应符合图二的要求。安装液体传感器的附近管道内，应充满被测液体。

　　直管段内径尽可能（maybe)与传感器通径一致，若不能一致，应采用比传感器通径略大的管径，误差要≤3%并不超过5mm。

　　涡街流量计安装步骤及要求

　　将配备的专用又叫法兰凸缘盘或突缘分别焊接到上下游直管段上，使专用法兰和直管段的内径严格垂直与同心。

　　将传感器夹在焊有专用法兰的上下游直管段上，用螺栓紧固，使上下游直管段与传感器保持同轴。

　　传感器安装方式：传感器应朝上或水平(放大器指向)安装;介质温度超过250℃，传感器应水平安装。

　　传感器及管道必要时应良好接地，接地电阻≤10Ω。