4.12　多相流测量

多相流指的是流体中同时存在两种不同相的物质（液相/气相，液相/固相或固相/气相）或三种不同相的物质（气相/液相/固相）。

常见的多相流包括：①气液两相流，如石油、天然气、低沸点液体的传输过程；②气固两相流，如奶粉、煤粉、水泥、谷物、食盐等的气力输送过程；③液固两相流，如煤浆、纸浆、泥浆、胶浆等浆液流动，矿石、残渣的水力输送和污水处理排放；④液液两相流，物质的萃取过程中，大多是液液两相流体系；⑤油气水和气液固等三相流。

多相流比单相流更具有普遍性和实用性。多相流动体系中，相与相之间存在分界面，而且分界面是形状和分布在时间和空间里随机可变，因此多相流动特性远比单相流动复杂，其特点是流型复杂多变、两相界面有相间作用力、相间存在着相对速度、物性变化较大、难以数学描述等。由于多相流体系的复杂多样性，使得多相流测量困难。描述多相流动的参数包括如下几项。

①流型　流型即流体流动的形式或结构。流型不同不但影响两相流的流动特性和传热传质性能，而且两相流其他参数的准确测量也往往依赖于对流型的分析。

②分相含率　分相含率是指两相流或多相流中，某一相所占的百分含率。分相含率可以用质量含率、体积含率和截面含率表示。如气液两相流中分相含率又称空隙率或含气率或干度，气固两相流中又称为含固率。如果对分相含率的分布进行统计测量，可提供两相流中分散相浓度及分布信息，也可为判别两相流流型提供定量数据。

③速度　由于两相流动中存在相对速度，所以两相流的速度除了以混合流体的平均速度描述外，还必须采用分相流速表示。两个分相流速可以用与平均速度的差值表示相对速度，也可用两分相流速之比表示流速滑移比。为便于工程应用，分相流速常采用表观流速折算，即以分相流量除以管道总截面的比表示该相的分相流速。

④流量　单位时间内流过管道横截面的流体的量称为流体流量。对于各相，可用分相容积流量、分相质量流量描述，对于两相混合物的流量，可用平均容积流量和平均质量流量描述。

⑤压力降　压力降为两相流动中的基本参数之一。此外，分散在两相流中的气泡、液滴、颗粒的尺寸及分布、环状流中的液膜厚度、壁剪切力等为描述两相流动的一些特征参数。

4.12.1　气液两相流检测方法

由于两相流动中流型多种多样，形成相浓度分布及相速度分布，因此欲测两相流量，必须测两相的分相含率和分相速度。但实际应用中，工业管流通常多以均相流模型处理，而其平均密度又可由分相含率计算。因此，一些测单相流的方法经修正后，应用于测量两相流中。

（1）两相流量的测量方法按原理分类

①节流法　节流法是基于两相流通过节流装置时产生的两相压差与两相流量或两相压差与单相压差间关系的测量模型而获得两相流量。

②速度法　速度法是基于测量两相流混合物料的流速和平均速度或分相含率获得两相流量。

a. 力学法：利用流体的动压、动量矩和离心力等测流速。

b. 相关法：通过两点的相关函数测流速。

c. 光学法：利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测流速。

d. 声学法：利用超声波原理测流速。

e. 热学法：利用热线风速仪或量热计测流速。

f. 电磁法：利用电磁感应原理测流速。

g. 核磁共振法：利用核磁共振原理测流速。

h. 失踪法：利用脉冲中子触发新型示踪技术测流速。

③容积法（PVT法）容积法是利用一定容积的两相混合物的压力、体积和温度间的热力学关系测量两相流量。

④质量流量法　质量流量法是直接测知两相质量流量。

⑤层析成像测量（PT）

（2）基于孔板与容积式流量计的双参数测量

①测量原理　利用容积式流量计，椭圆齿轮流量计测出气液混合物的总体积流量 q V ，用两相流体经过孔板时建立的差压流量和干度（质量流量含率，为气相质量流量与混合物的总质量流量之比）之间的关系式及 q V 确定容积含气率 β ，已知 β 和 q V 后即可得到总流量。

假定气体（气水混合物）通过孔板节流装置吋，各相占有一部分面积，即节流孔口面积 A 0 应为气相所占面积 A g 和液相所占面积 A L 之和，即

A 0 = A g + A L （1-4-44）

应用单相流体的孔板流量公式，气体和水单独流过孔板时的质量流量分别为

式中 q mg ， q mL ——分别为气体、水的质量流量，kg/s；

Δ p g ，Δ p L ——分别为气体、水的差压，Pa；

x ——干度；

ε ——压缩系数；

α ——两相流量系数。

由式（1-4-44）～式（1-4-46），经推导可得两相流压差Δ p 及单相流压差Δ p g 、Δ p L 之间的关系式为

式中 B 1 、 B 2 ——比配系数。

气水混合物的气体单独流过孔板时的压差为

式中 V g ——气体体积，m 3 。

式中混合物的水单独流过孔板时的压差为

式中 V L ——水的体积。

将式（1-4-48）、式（1-4-49）代入式（1-4-47），并考虑到

V g = β 0 q V0

V L =（1- β 0 ） q V0

式中 β 0 ——孔板处的容积含气率；

q V0 ——孔板处的两相总体积流量，m 3 /s。

则得

假设液体密度不受压力影响，则椭圆齿轮流量计测得的体积流量 q Vg 与孔板处的体积流量 q V0 之间的关系式为

式中 γ p ——孔板前与椭圆齿轮流量计进口的压力之比，即 ，其中 p 0 、 p 0g 分别为孔板前及椭圆齿轮流量计前的压力。

将 代入式（1-4-51），即得孔板处的体积含气率为

由 β 0 值可按下式求得椭圆齿轮流量计处混合物的体积含气率为

从而可算出混合物通过椭圆齿轮流量计时的气体和液体的体积流量，即

q V0gg = β 0g q V0g （1-4-54）

q V0gt =（1- β 0g ） q V0g （1-4-55）

式中 q V0g ——通过椭圆齿轮流量计的混合流量。

②装置图　容积式流量计和孔板的布置如图1-4-54所示，实验装置如图1-4-55所示。空气流量和水流量进入混合器前先用单相流体流量计加以测定，空气和水经测定流量后进入混合器混合，然后进行双参数测量。基于已知的单相流体的流量可进行校准。

1—椭圆齿轮流量计；2—孔板

（3）容积法测量气液二相流

①测量原理　容积法（PVT法）测量气液二相流的原理，如图1-4-56所示。

气液二相流流过测量管段时，由于阻力阀产生压降，其上游、下游测量点Ⅰ、Ⅱ处的气相密度不同，因而测得的总体积流量不同。并且这两点测得的压力也不同，由于测量点Ⅰ、Ⅱ距离很近，如外界条件相同，不考虑由流体摩擦而引起的温度变化，则可以认为这两点的温度是相等的，即 T 1 = T 2 = T 。因此，只需测量其中某一点温度，根据测量参数（ p 1 ， p 2 ， q V1 ， q V2 ， T ）以及被测介质的热力学性质，便推导出两相流各相的体积流量。

②数学模型

a. 气液两相流体的总体积流量为各相体积流量之和，即

q V1 = q VL1 + q Vg1 （1-4-56）

q V2 = q VL2 + q Vg2 （1-4-57）

式中， q V1 ， q V2 ——分别表示在测量点Ⅰ和Ⅱ处两相总体积流量；

q VL1 ， q VL2 ——分别表示在测量点Ⅰ和Ⅱ处的液相体积流量；

q Vg1 ， q Vg2 ——分别表示在测量点Ⅰ和Ⅱ处的气相体积流量。

b. 气相满足理想气体状态方程，即

式中 p 0 ， T 0 ——标准条件，取 p 0 =0.1MPa， T 0 =293K；

q Vg0 ——标准条件下的气相体积流量。

c. 气相满足理想气体状态方程，即

q VL1 = q VL2 = q VL （1-4-59）

因低温常压下，液体的压缩系数和膨胀系数很小，气相在液相中的溶解度可忽略不计，气相性质接近理想气体。如果测量点I和Ⅱ间的距离短，流体摩擦引起的温度变化可忽略，即 T 1 = T 2 = T ，则由式（1-4-56）～式（1-4-59），可得PVT法检测气液两相流量的数学模型为

将测量的参数 p 1 、 p 2 、 q V1 、 q V2 、 T 值代入式（1-4-60）和式（1-4-61）即可获得需要的液相体积流量 q VL 和气相体积流量 q Vg0 ，从而实现了气液两相流的分相流量的测量。

③信号处理　系统信号处理框图如图1-4-57所示。

a. 模拟量预处理及A/D转换电路：把压力变送器、温度传感器和显示按键电路输出的模拟量转换成数字量，然后输入专用计算机。

b. 脉冲量输入接口电路：把容积式流量传感器的输出脉冲信号转换为数字量。

c. 数码拨盘及接口电路：数码拨盘用于输入时间及仪表系数等十进制数据信息。

d. 显示接口电路：主要用于各相流量的显示。

e. 打印机接口电路：打印专用计算机送来的数据。

f. 专用计算机：完成数据采集、处理及运算，以及显示、打印的控制等。

（4）基于相关测量技术的双参数测量

①基本原理　两相流流量测量需要获得各相流量，即

q VL = kAv t （1- θ ）　（1-4-62）

q Vg = kAv t θ （1-4-63）

q Vc = kAv t （1-4-64）

式中 q VL ， q Vg ， q Vc ——分别为液相、气相和双相流的体积流量，m 3 /s；

k ——仪表系数；

A ——管道横截面积，m 2 ；

v t ——相关速度，m/s；

θ ——空隙率， 。

a. 空隙率的差压法在线检测。工作原理如图1-4-58所示。

设水、气流速为 v L = v g =0，管道内充满水，此时，U形管读数为 H A0 - H B0 （ H B0 - H A0 为初值差压）。对于某一固定的液体流速 v L = C （ C 为常数）及 v g =0时，设U形管读数为 H A - H B （ H B - H A 为纯液体流动产生的总压降），此时 θ =0。然后，固定 v L = C ，每一次改变气液量，得到一系列反映空隙率变化的U形管差压读数。

设空隙率为 θ i 时，U形管道读数为 H Ai - H Bi （ H Bi - H Ai 为两相流流动产生的总压降），用气液两相流的差压读数 H Bi - H Ai 减去纯液体流动时的差压读数 H B - H A ，得

δ pi =（ H Bi - H Ai ）-（ H B - H A ）　（1-4-65）

式中， δ pi 反映了气体流速变化在管道内产生的静压降和摩擦压降的变化，即 δ pi 直接反映了空隙率的变化，而与液体流速几乎无关。

由于

δ p =Δ p -Δ p L （1-4-66）

利用摩擦压降公式，则有

所以

式中 Δ p ，Δ p L ——分别为两相流和液相流的动时总压降；

ρ m ， ρ L ， ρ g ——分别为两相流、液体和气体密度；

Δ p f ——两相流摩擦压降；

f tp ， f ——分别为两相流及纯液体摩擦阻力系数。

气流较小时，即 θ 较小时，在 v L >> v g 条件下，分析式（1-4-69）中 项，由于 f tp 略少于 f ，而 v cp 略大于 v L ，故 θ 较小时，可近似为

则式（1-4-69）可写成

δ p =（ ρ m - ρ L ） gH 0

当 ρ L >> ρ g （气体的密度）时，式中的 ρ m - ρ L =［ ρ L - θ （ ρ L - ρ g ）］- ρ L ，即

δ p ≈［（ ρ L - θρ L ）- ρ L ］ gH 0 =- ρ L gH 0 θ =- k p θ （1-4-72）

由此可见，上述条件下， δ p 仅随 θ 变化而与两相流体积流量 q Vc 变化无关。因此，通过 δ p 的检测可测出空隙率 θ 的值。

b. 相关速度 v t 的测量。系统框图如图1-4-59所示。

设在被测管道上取控制截面A及B，两者相距为 L 。管内两相流中各相不可能混合得十分均匀，由于所取两控制截面之间距离很短，可以认为在该距离内流动时，两相流中各相含量的分布是不变的。如在管子截面A处传感器1测定两相中一相的含量随时间的变化曲线 x （ t ）；截面B处布置传感器2测定同一相的含量随时间的变化曲线 y （ t ），如图1-4-60（a）所示。曲线 x （ t ）的峰值和曲线 y （ t ）的峰值之间距离 τ L 代表流体由A截面流到B截面延迟时间［图1-4-60（a）中，横坐标为时间，纵坐标为被测一相的含量值］。测得流体流过距离为 L 这一段管长的时间 τ L 后，即得两相流体的相关速度为

由A和B测得的某相含量信号曲线被输入相关器进行处理以确定 τ L 值。图1-4-59中，相关器由部件6、3、4和5组成，其中5为显示器，部件6将信号 x （ t ）转换为 x （ t - τ ），其中 τ 为延迟时间， τ 值根据需要可加以调节。部件3为乘法器，将信号 x （ t - τ ）和 y （ t ）相乘；部件4为积分器，将上述乘积按一个周期 T 积分并取其平均值作为相关后的信号 R xy （ τ ），即

相关信号 R xy （ τ ）和延迟时间 τ 的关系曲线，见图1-4-60（b）。由图可见，当延迟时间 τ = τ L 值时，此曲线 R xy （ τ ）值为最大值。

②双参数测量系统图　双参数测量系统总体框图如图1-4-61所示。计算机首先进行相关峰值搜索，得到其延时 τ L ，然后利用预先以表格形式存入内存的标定系数 k 曲线和摩擦阻力系数 T 曲线，求解方程获得两相流的平均流速 v cp 及空隙率 θ ，进而可得其质量流量 q m 。

4.12.2　油、气、水三相流检测方法

（1）多相计量原理

以 q m 表示多相物质量流量，以 q V 表示多相物体积流量，可写出下式

q m = q mo + q mw + q mg （1-4-75）

式中 q mo ， q mw ， q mg ——分别为油、水、气质量流量。

由于 q m = ρq V

式中 ρ ——多相物总密度。

故式（1-4-75）可改写为

q m = ρ o q Vo + ρ w q Vw + ρ g q Vg （1-4-76）

式中 ρ o ， q Vo ——分别为油密度和体积流量；

ρ w ， q Vw ——分别为水密度和体积流量；

ρ g ， q Vg ——分别为气密度和体积流量。

即

由于

q V = q Vo + q Vw + q Vg

故

或

α + β + γ =1　（1-4-78）

式中 α ——油组成（百分比）；

β ——水组成（百分比）；

γ ——气组成（百分比）。

多相计量的方案如图1-4-62所示。

从图分析，可采用两种办法测定各相的流量。

①先测出其中任何两相的组成，通过式（1-4-78）可求出另一相的组成。一般 ρ o 、 ρ w 和 ρ g 为已知，测得多相物体积流量 q v 后，则可求得各相的质量流量，即

q mo =（ αq V ） ρ o

q mw =（ βq V ） ρ w

q mg =（ γq V ） ρ g

②如果测出了多相混合物总密度 ρ ，多相物体积流率 q v 和气组成 γ ，而 ρ o 、 ρ w 和 ρ g 为已知，则可先算出气质量流量 q mg ，然后算出液相的质量流量，再通过已知的 ρ o 和 ρ w ，计算油组成 α 和水组成 β ，进而计算油质量流 q mo 和水质量流量 q mw 。

（2）γ射线测量三相流流量

利用γ射线检测器和动压探针，并结合归一化条件求得三相混合物的各相比率，总流量通过相关技术求得，这样便可得到三相混合物中各相的体积流量。如果要测量质量流量，分别乘以各自的密度即可。

①系统构成　测量系统结构原理如图1-4-63所示。

过滤器：用以防止固体颗粒损坏探头。

混合器：由于油、气、水三相流存在各种流型，如泡状流、塞状流、分层流、波状流、弹状流及环状流等，造成测量误差。为消除流型对测量的影响，利用混合器使油、气、水多相流混合均匀，这样可认为管道内流体任何一点的流动情况相同。

②动压检测法测量混合物中气相百分含量　利用流体因密度及黏度系数不同而产生的动压不同，通过压力传感器探测其动压以区分气体含量。

基本电路如图1-4-64所示。

③用γ射线检测器测出混合物的平均衰减系数 γ射线检测器工作原理，如图1-4-65所示。

1—γ放射源；2—核辐射探测器； d W —管道壁厚度，mm； d —管道内介质厚度，mm；3—被测流体；4—电子线路

γ放射源和核辐射探测器分置于被测流体两侧，射线穿过管道及流体后射入核辐射探测器。基于所测得的射线强度就可以求出流体的衰减系数。

强度为 I 0 的γ射线通过管道及其中的流体后强度将减弱为 I ， I 值为

式中 d w ， μ w ——分别为管道壁厚度和吸收系数；

d ， μ m ——分别为管道内介质的厚度和吸收系数。

设管道中先充满已知吸收系数为 μ 1 、厚度为 d 的已知流体，则γ射线通过管道后的强度 I 1 为

I 1 = I 0 exp［-（ d w μ w + dμ 1 ）］

当管道中流过油、气、水三相混合物时，γ射线通过管道后的强度 I 2 为

I 2 = I 0 exp［-（ d w μ w + dμ m ）］

式中 μ m ——混合物的平均吸收系数。

由上述两式可得

由式（1-4-80）， d w 、 μ w 、 μ 1 、 I 0 已知，通过测量的 I 及 I 1 ，即可确定油、气、水三相混合物的平均吸收系数 μ m 。

对于混合均匀的油、气、水三相流混合物，其平均衰减吸收系数 μ m 可表示为

μ m = αμ 气 + βμ 水 + γμ 油 （1-4-81）

式中 α ， β ， γ ——气、水、油的百分含量。

④用相关法测三相混合物的总流量

如图1-4-66，图中1、2为电容陈列传感器。

通过互相关分析，可得流体运动的相关速度 v c ，考虑测得相关速度与实际速度差别，应加以修正系数 k 。于是，油、气、水三相混合物的总流量为

q V = kv c A （1-4-82）

式中 k ——修正系数；

v c ——相关速度，m/s；

A ——管道截面积，m 2 。

4.12.3　多相流流量测量装置

原油开采过程中，油田井口的原油计量属于油气水三相流量测量。目前，三相流量测量装置主要分为三种形式：全分离式多相流量计、部分分离式（或取样分离式）多相流量计以及不分离式多相流量计。分离法测量首先应用分离设备将气液两相流体分离成单相流体，然后再用单相流量计进行测量。分离法又可分为三相分离和两相分离两种，三相分离是指利用分离器将油井来液分为油、气、水三路分别进行单相计量；两相分离是指利用分离器将油井来液分为气相和液相，油水不再分离，利用单相流量计和密度计组合进行测量。分离法虽然简单可靠，测量结果不受流型变化等因素的影响，但是，分离设备体积庞大，系统造价昂贵，自动化程度低。

（1）全分离式多相流量计

全分离式多相流量计是在井液进入计量装置后先进行气液分离，再分别计量气液两相流量，测出液相的含水率，求出油、气、水各相的流量。Texaco公司研制的SMS多相流量计即为全分离式多相流量计。多相流气液分离采用斜管式分离装置，结构如图1-4-67所示。多相流首先进入直径较大的竖直管段，流速下降，并开始分离，然后进入斜管分离腔，分离成气相和液相。用涡轮流量计计量气体体积流量，用专用流量计计量液体体积流量，用γ射线密度计测液相密度，确定残留在液相的气体量。在旁通斜管分离装置中，用微波含水率测定仪测含水率。水下数据采集装置将数据传送给计算机，结合温度和压力数据计算，即可求得油、气、水三相的流量和总流量。

目前该流量计的计量精度：含水率精度±5%、油和水流量精度±5%、气体流量精度±10%。

（2）部分分离（或取样分离式）式多相流量计

部分分离测量系统是在测量前将流体分离成液相占主导和气相占主导的两部分，因而每种流体分支只需要测量在一定相分率范围内的流体。部分分离的设备包括重力分离和旋流分离两部分，图1-4-68为Agar集团公司研制的MPFM-400型部分分离式多相流量计结构图。该多相流量计将油、气、水三相混合流体利用旋流分离技术分离成主液相和主气相两部分。旋流分离器将大部分游离气转向气相旁通，湿气相的体积流量使用精度为±10%的两相流量计计量；主液相流体通过由容积式流量计（文丘里流量计和微波相分率分析仪）组成的测量部分，综合上述输出数据，获得气、油、水分相含率，再将主气相流体和主液相流体在流出测量系统之前混合成单一的流体。MPFM-400流量适用于高含气流体的测量，所测量流体的含气率可以达到99.9%。

取样分离式多相流量计一般是在计量多相流总流量和平均密度的基础上，提取少量样液加以气液分离，并测定油、气、水各相的百分含量，通过计算获得油、水各相的流量。Euromatic公司、美国Nusonic公司、BAKERCAC公司、Atlantic Richfield公司生产的多相流量计均属该类型。其中，Euromatic公司开发的多相流量计的工作原理如图1-4-69所示。涡轮流量计与主管线连接测总体积流量；γ射线密度计与主管线连接，测多相流的平均密度。用一台微型采样器采样并脱除气体，用γ射线密度计测定油水混合物密度。同时测温度和压力，并将各数据输入微机，按相应的公式计算油、气、水各相的流量和总质量流量。在所有的计量仪表中，涡轮流量计的转子是唯一的运动部件，转子用碳化钨制造，流量计内腔有碳化钨保护层，以防止液流中的砂或其他颗粒的磨蚀。

（3）不分离式多相流量计

不分离式多相流量计无需对井液分离即可实现油、气、水三相计量，其技术难点主要是油、气、水三相组分含量及各相流速的测定。目前，相流速测量技术主要有混合+压差法、正排量法和互相关技术，其中互相关技术应用较为普遍。组分百分含率计量主要是微波技术、核能（γ射线）技术，以及采用电容、电感传感器测量流体电解质等。

主要油井多相流量计类型如表1-4-22所示。

4.12.4　过程层析成像技术

（1）过程层析成像系统的构成

过程层析（PT）成像系统结构如图1-4-70所示。主要由空间敏感电极阵列、信号处理和采集单元、图像重建及特征提取、PT知识库以及实时图像显示等部分构成。

传感器系统获取反映多相流体相分布信息的测量数据（投影数据），其敏感部件为安置在管道周围、对管截面不同区域进行扫描测量的电极阵列。信号处理单元进行数据采集及扫描控制。

图像重建、图像分析和特征提取及图像显示通过计算机实现。

图像分析和特征提取模块根据图像重建后获得的关于多相流各相组分的分布信息，通过相应的数学分析和处理，给出测量所需的各种检测参数值，如空隙率或分相含率、流速等。

PT知识库主要为图像重建模块、图像分析及特征提取模块提供相应模型、重建算法和先验知识以适应测量过程中被测对象的变化。知识库本身具有学习能力，可在测量过程中不断补充和完善。图像显示单元根据给出的数字图像灰度值及所需的各检测参数值，通过计算机显示多相流体各相分布的实时图像以及有关的测量参数。

（2）过程层析成像系统的分类

PT技术依据信息获取手段和敏感机理不同，可分为X射线层析成像、γ射线层析成像、正电子发射层析成像、核磁共振成像、中子射线层析成像、光学层析成像、微波层析成像、超声层析成像、电容层析成像、电阻（导）层析成像、电磁感应层析成像和电荷感应层析成像等十余种。

目前，国内外提供电学成像仪器主要是英国ITS公司和PTL公司以及国内常州美德自动化系统公司与天津大学自动化学院PT研究室合作研制的系统。 tcRPoqEFsQJnsPvPSP9ZapT4rj4ztVZeg+R/1wY4ao+bMxqajm3P36pfiubHPsHF