摘 要： 分流分相多相流量測量方法是新一代在線多相流量測量方法，分流分相式多相流量計具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過從被測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)系獲得被測流體流量。分流分相測量方法成功的關(guān)鍵在于設(shè)計合適的分配器，保證取樣流體和被測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 流量測量 分配器
近年來，石油價格上漲、能源緊缺問題日益突出，各國都在加大對海上油氣資源的開發(fā)，對多相流量的計量需求也更加迫切。傳統(tǒng)的多相計量裝置價格昂貴，體積龐大。海上油氣田開發(fā)由于受平臺空間的限制，要求開發(fā)出體積小、質(zhì)量輕、精度高、可靠性好的多相計量裝置。本文對目前采用的多相流量測量方法進(jìn)行了分析評價，介紹了分流分相多相計量這一新型多相流量測量方法，并對近年來的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧。
1 多相流量計量方法分類
多相流量測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測量各相流量，氣、液相能實(shí)現(xiàn)完全分離，測量不受多相流波動的影響，精度高，缺點(diǎn)是分離設(shè)備體積龐大，價格昂貴，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是在對多相流體不作任何分離的情況下實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相計量，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定，不分離計量方法不需要分離設(shè)備，體積小，但測量受流體波動的影響，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量，最后將2股流體重新混和，該方法縮小了流過測量儀表的二相流組分變化范圍，同時也降低了流動的不穩(wěn)定性和測量信號的波動性，雖然在一定程度上縮小了計量分離器的體積，并降低了二相流測量的難度，但未能將氣液混合物完全分離，故實(shí)際上對提高測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量方法[1-2]，充分吸收了以上3種多相計量方法的優(yōu)點(diǎn)，可以將氣、液二相流測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)用單相流量計測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)系確定被測二相流體各相的總流量。
主管路氣、液相流量分別由下式計算
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和液體流量計測出；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)完全分離式計量設(shè)備的1/10。
為了保證分流分相方法流量測量的精確性，分流出的分流體與被測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，從被測氣、液二相流體中分離出一部分單相氣體，通過測量這部分單相氣體的流量確定被測氣、液二相流體的流量或干度。這種方法把二相流體的流量測量轉(zhuǎn)化成了單相流量的測量，測量儀表的穩(wěn)定性和可靠性都能得到顯著改善，測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，流量和干度2個參數(shù)中必須已知其中的一個參數(shù)才能測量出另一個。
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)鼓時會沖擊轉(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點(diǎn)，使每一個點(diǎn)上的二相流體都能有機(jī)會均等地流入各通道。這樣，流入分離器的流量僅僅取決于轉(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個流道，流道的輪廓為螺旋線，多相流體流過流道時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，驅(qū)動轉(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，每個取樣口兩側(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，不是簡單地從“空間”上一分為二，而是在一定時間區(qū)間內(nèi)全部流向一個回路，而在另一時間區(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)的時間），那么，2個回路的流動過程就接近于連續(xù)流動，并且在1個分配周期內(nèi)，多相流動過程也近似于穩(wěn)態(tài)流動。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、液界面波動對取樣穩(wěn)定性的影響，還需對管路上游流型進(jìn)行調(diào)整。通過在取樣孔上游布置旋流葉片，將分層流、彈狀流以及不對稱的環(huán)狀流等流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷ΨQ的環(huán)狀流，那么管壁各個取樣孔所取流體“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，如果同時測量氣相和液相流量，必須要和其他儀表配合使用；取樣管型分配器結(jié)構(gòu)較簡單，但取樣口易被流體中的砂礫等磨損、堵塞，影響測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)動機(jī)構(gòu)，不宜長期連續(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)動部件，穩(wěn)定性好，且取樣孔位于管壁上，不會被流體中的鐵屑、砂礫等雜質(zhì)堵塞和磨損，能適應(yīng)現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，是一種有前途的取樣裝置。
5結(jié)語
分流分相多相流量計量是一種新型在線多相流量測量方法，與常規(guī)多相計量方法相比，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，同時由于又進(jìn)行了分相，氣、液相流量測量都在單相介質(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。
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