多相流量计的原理及发展

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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! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !"# 测量技术 由上面的叙述可知，多相流的测量技术可归结 为流速测量和相分率的测量，而几乎所有的多相流 量计都使用了这两种技术的组合。 !"#"! 流速测量技术 （!）混合测量。将油、气、水三相在静态混合 器中进行混合，然后使气和液以相同速度进入文丘 利管。文丘利管的基本原理是：当管路中液体流经 文丘利管时，液流断面收缩，在收缩断面处流速增 加，压力降低，使文丘利管前后产生压差。在选择 一定的文丘利管时，液体流量越大，它流经文丘利 管产生的压差也就越大，因而可以通过测量压差来 计量流量的大小。 （"）正排量的测量方法。正排量的测量方法应 该说是一种传统的计量方法，象我们已使用的椭圆 齿轮流量计、腰轮流量计都是根据这种正排量的测 量原理。 （#）互相关测量法。互相关测量方法是多相流 量计中使用比较普遍的一种方法，几乎一半以上的 多相流量计都使用了这种技术。互相关流量测量是 基于两个随机信号之间统计相似性的测量，互相关 流量计由上游传感器、下游传感器和互相关器等组 成。当流体从管道中流过时，沿管道轴向相隔一定 的距离安装的上下游传感器在各自的测量点上从流 动的非均匀流体中检测到两个随机信号，他们之间 互相关就是流体流动速度的度量。 !"#"# 相分率的测量技术 相分率是对油、气、水混合物特性的测量。通 过对相分率的测量，再与前面提到的流速测量技术 相结合，便可得到每一相的流量。它最常用的方法 是微波衰减，伽马源吸收和流体电介质性能的测 量，还有些多相流量计就是使用了这些技术的合 成，例如由单个伽马源吸收来测混合物的密度，由 微波衰减测量含水率。 下面将分别介绍一下这几种技术。 （!）微波衰减测量法。这是一种测量含水率的 基本技术，这种技术的基本原则是流体中对微波能 量的频率响应取决于液体中的含水率。在这种多相 流量计中，一般由以下基本部件组成：发射仪、天 线、探测器。通过探测器测量井液对仪器所发出微 波信号的吸收来确定井液流体中水的含率。 （"）伽马源吸收测量法。伽马源吸收测量法利 万方数据 用了流体的物理特性，即在不同流体中有不同的伽 现在多相流量计依靠多个测量组合计算后得出 各相的流量，如果开发一种技术能直接测量其各相 流量，流量计的精度将会有所提高。
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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。