摘 要： 分流分相多相流量測(cè)量方法是新一代在線多相流量測(cè)量方法，分流分相式多相流量計(jì)具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過從被測(cè)主流體取樣分流出一部分氣液混合物，分離后采用單相儀表測(cè)量取樣流體流量，然后根據(jù)取樣流體與主流體的比例關(guān)系獲得被測(cè)流體流量。分流分相測(cè)量方法成功的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的分配器，保證取樣流體和被測(cè)流體之間具有確定的比例關(guān)系。目前已經(jīng)開發(fā)出了三通管型、取樣管型、轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型、旋流型管壁取樣器等取樣分配裝置，其中，旋流型管壁取樣器通過多孔取樣和流型整改保證了取樣的代表性，無運(yùn)動(dòng)部件、取樣孔不易堵塞，非常適合海上油氣田的開發(fā)。
關(guān)鍵字： 分流分相 多相流 流量測(cè)量 分配器
近年來，石油價(jià)格上漲、能源緊缺問題日益突出，各國(guó)都在加大對(duì)海上油氣資源的開發(fā)，對(duì)多相流量的計(jì)量需求也更加迫切。傳統(tǒng)的多相計(jì)量裝置價(jià)格昂貴，體積龐大。海上油氣田開發(fā)由于受平臺(tái)空間的限制，要求開發(fā)出體積小、質(zhì)量輕、精度高、可靠性好的多相計(jì)量裝置。本文對(duì)目前采用的多相流量測(cè)量方法進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)，介紹了分流分相多相計(jì)量這一新型多相流量測(cè)量方法，并對(duì)近年來的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧。
1 多相流量計(jì)量方法分類
多相流量測(cè)量方法按照是否分離以及分離的程度一般可分為完全分離、不分離、部分分離3種類型。完全分離法采用三相分離器將多相流體分離成油相、氣相和水相，分別采用單相流量計(jì)測(cè)量各相流量，氣、液相能實(shí)現(xiàn)完全分離，測(cè)量不受多相流波動(dòng)的影響，精度高，缺點(diǎn)是分離設(shè)備體積龐大，價(jià)格昂貴，在很大程度上增加了油田的開發(fā)成本；不分離式多相流量計(jì)是在對(duì)多相流體不作任何分離的情況下實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相計(jì)量，其技術(shù)難度主要體現(xiàn)在油、氣、水三相組分含量及各相流速的測(cè)定，不分離計(jì)量方法不需要分離設(shè)備，體積小，但測(cè)量受流體波動(dòng)的影響，精度低；部分分離方法的原理是首先采用預(yù)分離裝置將氣、液二相分離成以氣相為主（高含氣率）和以液相為主（高含液率）的2股流體，然后再利用較成熟的二相流儀表分別測(cè)量，最后將2股流體重新混和，該方法縮小了流過測(cè)量?jī)x表的二相流組分變化范圍，同時(shí)也降低了流動(dòng)的不穩(wěn)定性和測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)性，雖然在一定程度上縮小了計(jì)量分離器的體積，并降低了二相流測(cè)量的難度，但未能將氣液混合物完全分離，故實(shí)際上對(duì)提高測(cè)量精度的作用是有限的。
分流分相方法是最近幾年才提出來的一種多相流量測(cè)量方法[1-2]，充分吸收了以上3種多相計(jì)量方法的優(yōu)點(diǎn)，可以將氣、液二相流測(cè)量精度提高到小于或等于3%[3]。
2 分流分相方法工作原理
圖1為分流分相流量測(cè)量原理。通過取樣分配器成比例地從二相流體中分流出一小部分二相混合物，將其分離成單相流體后，應(yīng)用單相流量計(jì)測(cè)量出各相流量的大小，然后根據(jù)取樣流體與主流體的比例關(guān)系確定被測(cè)二相流體各相的總流量。
主管路氣、液相流量分別由下式計(jì)算
式中，M1G、M1L分別為主管路氣、液相質(zhì)量流量，kg/s；M3G、M3L分別為取樣流體氣、液相質(zhì)量流量，kg/s，由分流體氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)測(cè)出；KG、KL分別為氣、液相分流系數(shù)，反映取樣流體中氣、液相流量占主流體流量的比例。
圖1分流分相多相計(jì)量原理
通常取樣流體只占主流體的10%以下，因此分離器體積只有傳統(tǒng)完全分離式計(jì)量設(shè)備的1/10。
為了保證分流分相方法流量測(cè)量的精確性，分流出的分流體與被測(cè)二相流體之間必須具有穩(wěn)定和確定的關(guān)系，分流系數(shù)應(yīng)保持恒定或有確定的變化規(guī)律。因而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的分配器。
3 分流取樣分配器研究進(jìn)展
為了實(shí)現(xiàn)比例取樣，保證分流體具有代表性，目前已經(jīng)開發(fā)出了三通管型、取樣管型、轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型、旋流型等多種取樣分配器。
3.1三通管型[4-6]
三通管型取樣分配器利用T型三通的相分離特性，從被測(cè)氣、液二相流體中分離出一部分單相氣體，通過測(cè)量這部分單相氣體的流量確定被測(cè)氣、液二相流體的流量或干度。這種方法把二相流體的流量測(cè)量轉(zhuǎn)化成了單相流量的測(cè)量，測(cè)量?jī)x表的穩(wěn)定性和可靠性都能得到顯著改善，測(cè)量精度得以大幅度提高。但三通管型取樣分配器是一種單參數(shù)流量計(jì)，流量和干度2個(gè)參數(shù)中必須已知其中的一個(gè)參數(shù)才能測(cè)量出另一個(gè)。
3.2取樣管型[7]
取樣管型分配器由混合裝置和取樣裝置2部分組成，取樣管深入主管內(nèi)部，取樣口正對(duì)來流方向，如圖2，氣、液二相流體首先在混合器內(nèi)進(jìn)行加速、混合，然后在混合器出口分成2部分，一部分（分流體）直接進(jìn)入取樣管；另一部分（主流體）流入下游管道。理論分析表明，分流比大小主要由取樣口的大小決定，在一定的流量范圍內(nèi)，氣相分流系數(shù)和液相分流系數(shù)都能保持不變。
3.3轉(zhuǎn)鼓型[8]
轉(zhuǎn)鼓型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖3，其核心部件是一個(gè)轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓通過轉(zhuǎn)軸支撐在軸承座上，可以繞軸自由旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)鼓外形為圓柱體，內(nèi)部用軸流葉片均勻分割成n個(gè)互不相通的通道，各通道的橫剖面為扇形，幾何尺寸和阻力特性完全相同。當(dāng)二相流流過轉(zhuǎn)鼓時(shí)會(huì)沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)過程中，各通道的入口截面不斷掠過上游流通截面上的每一個(gè)點(diǎn)，使每一個(gè)點(diǎn)上的二相流體都能有機(jī)會(huì)均等地流入各通道。這樣，流入分離器的流量?jī)H僅取決于轉(zhuǎn)鼓中通向分離器的通道數(shù)（分流通道數(shù)），而與二相流體的流型等因素基本無關(guān)，分流系數(shù)保持為常數(shù)。
圖2取樣管型分配器結(jié)構(gòu)
3.4轉(zhuǎn)輪型[9-10]
轉(zhuǎn)輪型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖4。由位于中心的轉(zhuǎn)輪以及布置在外緣的分流體收集室2大部分組成。轉(zhuǎn)輪內(nèi)部包含3個(gè)流道，流道的輪廓為螺旋線，多相流體流過流道時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪位于中心，圍繞轉(zhuǎn)輪的分別是主流體接收口和分流體取樣口。分流體取樣口有3個(gè)，每個(gè)取樣口兩側(cè)布置一組格柵。設(shè)置隔柵的目的是將旋轉(zhuǎn)流道出口噴出的二相流體從取樣口導(dǎo)入收集環(huán)室，防 止進(jìn)入主流回路的流體進(jìn)入分流回路。
多相流體通過轉(zhuǎn)輪分配器在分流體和主流體之間分配時(shí)，不是簡(jiǎn)單地從“空間”上一分為二，而是在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)全部流向一個(gè)回路，而在另一時(shí)間區(qū)間內(nèi)又全部導(dǎo)向另一回路，如此周期性的交替循環(huán)完成分配。進(jìn)入分流回路和主流回路流量的大小通過控制進(jìn)入分流回路或主流回路的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)。在分配過程中，只要交替切換的頻率足夠高，分配周期足夠短（完成1次完整的分配循環(huán)的時(shí)間），那么，2個(gè)回路的流動(dòng)過程就接近于連續(xù)流動(dòng)，并且在1個(gè)分配周期內(nèi)，多相流動(dòng)過程也近似于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。這樣不論遇到何種流型，進(jìn)入各回路的多相流體都具有高度一致的相含量，其流量大小僅與所分配的時(shí)間份額成比例。
圖4轉(zhuǎn)輪型取樣分配器結(jié)構(gòu)
3.5旋流型[9]
旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖6。主要通過多孔取樣和流型整改來保證取樣的代表性。水平管氣、液二相流由于重力的影響，造成管截面上氣、液相分布不均勻，即使在環(huán)狀流型下，液膜沿周向分布也是不一致的，頂部液膜較薄，底部液膜較厚。采用單孔取樣方法很難保證取樣效果，在主管壁四周布置多個(gè)取樣孔，采用多孔取樣，能大大改善取樣的代表性。為了消除氣、液界面波動(dòng)對(duì)取樣穩(wěn)定性的影響，還需對(duì)管路上游流型進(jìn)行調(diào)整。通過在取樣孔上游布置旋流葉片，將分層流、彈狀流以及不對(duì)稱的環(huán)狀流等流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱的環(huán)狀流，那么管壁各個(gè)取樣孔所取流體“樣品”將趨于一致。實(shí)驗(yàn)證明分流比主要取決于管壁取樣孔的數(shù)目和大小[9]。
圖5旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)
4 取樣分配器性能分析比較
上述5種分配器性能比較如表1。
三通管型取樣分配器是一種單參數(shù)二相流量計(jì)，如果同時(shí)測(cè)量氣相和液相流量，必須要和其他儀表配合使用；取樣管型分配器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，但取樣口易被流體中的砂礫等磨損、堵塞，影響測(cè)量精度甚至完全停止工作；轉(zhuǎn)鼓型和轉(zhuǎn)輪型取樣分配器含有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不宜長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行，為了避免卡堵，取樣上游一般需要安裝過濾裝置；與轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型取樣分配器相比，旋流型管壁取樣分配器本身并不旋轉(zhuǎn)，而是通過設(shè)置在上游的旋流葉片使流體旋轉(zhuǎn)，從而使取樣口和流體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)來保證取樣的代表性，由于旋流型管壁取樣分配器不含運(yùn)動(dòng)部件，穩(wěn)定性好，且取樣孔位于管壁上，不會(huì)被流體中的鐵屑、砂礫等雜質(zhì)堵塞和磨損，能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境，是一種有前途的取樣裝置。
5結(jié)語(yǔ)
分流分相多相流量計(jì)量是一種新型在線多相流量測(cè)量方法，與常規(guī)多相計(jì)量方法相比，分流分相方法由于進(jìn)行了分流取樣，所需分離器的體積遠(yuǎn)小于完全分離方法，同時(shí)由于又進(jìn)行了分相，氣、液相流量測(cè)量都在單相介質(zhì)環(huán)境中完成，因此具有體積小、精度高的優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于海上油氣田的開發(fā)。保證取樣流體的代表性是分流分相方法成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而保證取樣代表性的關(guān)鍵在于選擇合適的取樣分配器。在現(xiàn)有的5種取樣分配器中，旋流型管壁取樣分配器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性，有望在海上油田開發(fā)中獲得廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
[1]王棟，林宗虎.氣液二相流體流量的分流分相測(cè)量法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35（5）：4412444.
[2]DongW，ZongHuL.Gas2liquidtwo2phaseflowmeas2urementusingESM[J].ExperimentalThermalandFluidScience，2002，（26）：8272832.
[3]林宗虎，王棟，王樹眾，等.多相流的近期工程應(yīng)用趨向[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，35（9）：8862890.
[4]王棟，林益，林宗虎.利用T型三通測(cè)量氣液二相流體的流量和干度[J].熱能動(dòng)力工程，2002，17（4）：3362338，348.
[5]王棟，林宗虎.一種新的氣液二相流體流量計(jì)———三通管型分流分相式二相流體流量計(jì)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2001，22（4）：4882491.
[6]AzzopardiBJ.PhaseseparationatTjunctions[J].MultiphaseScienceandTechnology，1999，11（4）：2232329.
[7]王棟，林益，林宗虎.取樣管型分流分相式氣液二相流體流量計(jì)[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2002，23（2）：2352237.
[8]王棟，林益，林宗虎.轉(zhuǎn)鼓分流分相式氣液二相流體流量測(cè)量技術(shù)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，36（5）：4572460.
[9]梁法春.氣液二相流體取樣分配器及其在流量測(cè)量中的應(yīng)用[D].西安：西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，2006.
[10] 王棟，張修剛，梁法春，等.基于分時(shí)原理的多相流體比例分配方法[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2005（S1）：1012104.
