分流分相式多相流量计研究

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。 [page]

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：
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[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.
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[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.(end)