多相流量計知識講座

多相流量計知識講座

 

第一節 概述

 

由于多相流動(dòng)體系在自然界和工業(yè)過(guò)程中涉及范圍的廣泛性和應用的重要性，特別是20世紀后半葉，原子能核電站及航天工業(yè)的迅速發(fā)展、動(dòng)力工業(yè)及石化工業(yè)高參數的引入， 以及對環(huán)境保護的日益重視，促使多相流領(lǐng)域研究工作迅速發(fā)展，目前已成為國內外給予極大關(guān)注的前沿學(xué)科[7.1]。但基于多相流的復雜性和隨機性，要認清現象、獲得概念、建立模型并進(jìn)行過(guò)程的預測、設計和控制，首先要解決的就是多相流參數的檢測問(wèn)題。很多情況下，多相流測試技術(shù)已成為目前多相流研究中的一個(gè)制約性的控制因素。而多相流量是多相、流參數中的基本參數，是工業(yè)應用中最迫切需要解決的難題和熱點(diǎn)。

 

一、多相流定義及分類(lèi)

 

相——通常是指某一系統中具有相同成分及相同物理、化學(xué)性質(zhì)的均勻物質(zhì)部分，各相之間有明顯可分的界面。

多相流——宏觀(guān)上自然界的物質(zhì)一般可分成三種相，即氣相、液相和固相。單相物質(zhì)的流動(dòng)稱(chēng)為單相流。所謂兩相流或多相流，是指同時(shí)存在兩種或多種不同相的物質(zhì)的流動(dòng)。

工業(yè)中常見(jiàn)的多相流有以下幾種，其中以?xún)上嗔髯顬槠毡椤?/p>

(1)氣-液兩相流在鍋爐等汽化單元，石油、天然氣、低沸點(diǎn)液體的輸送過(guò)程，以及傳熱傳質(zhì)設備大量的分離和反應過(guò)程中，氣-液兩相流的工業(yè)實(shí)例比比皆是。

(2)氣-固兩相流在干燥塔等氣流干燥單元，煤粉、水泥、谷物、食鹽等的氣力輸送 過(guò)程，以及煤的沸騰燃燒、石油的催化裂化、礦物的流態(tài)化熔燒等流態(tài)化技術(shù)中，氣-固兩相流的工業(yè)實(shí)例大量存在。

(3)液-固兩相流在礦漿、紙漿、泥漿、膠漿等漿液流動(dòng)，礦石、殘渣的水力輸送和污水處理排放系統中，液—固兩相流的工業(yè)實(shí)例普遍存在。

(4)液—液兩相流在物質(zhì)提取的萃取過(guò)程中，大多是相互不溶的液—液兩相(組分)流系統。 (5)氣-液-液和氣—液-固多相流在陸上或海洋油田井口的原油系統中，在油品加氫和精制中的滴流床、淤漿反應器以及化學(xué)合成和生化反應中的懸浮床，多相(組分)流工業(yè)實(shí)例也普遍存在。

 

二、多相流量參數的特征與描述

 

多相流動(dòng)中各相間存在著(zhù)界面效應和相對速度。相界面在時(shí)間和空間上都是隨機可變的，致使其流動(dòng)特性遠比單相流系統復雜，其特征參數也比單相流系統要多。例如，相間速度的存在致使流經(jīng)管道的分相流量比和分相所占的管截面比并不相等。因此，描述多相流量參數還需引入一些新的參數。為討論問(wèn)題方便，現將兩相流動(dòng)中兩相流量涉及到的有關(guān)參數及計算簡(jiǎn)介如下。

1.流型

流型又稱(chēng)流態(tài)，即流體流動(dòng)的形式或結構。兩相間存在的隨機可變的相界面致使兩相流動(dòng)形式多種多樣，十分復雜。流型是影響兩相流壓力損失和傳熱特性的重要因素。對兩相流各種參數的準確測量也往往依賴(lài)于對流型的了解。

流型研究雖已有數十年的歷史，但流型分類(lèi)尚未統一，甚至同一名稱(chēng)的流型在定義上也不一致。下面根據氣—液、氣-固、液-固兩相流在非加熱情況下的水平管和垂直管中常見(jiàn)的流型列出表7. 1。

2.分相含率

分相含率是兩相流中分相濃度的表示方法。描述分相流體占整個(gè)兩相流體的含量，反映了兩相流動(dòng)過(guò)程中兩種分相流體在流動(dòng)管道內的比例關(guān)系。各類(lèi)兩相流中的分相含率都有一些不同的習慣術(shù)語(yǔ)。通常有三種表示形式。

(1)質(zhì)量流量含率X為分相質(zhì)量流量(氣相質(zhì)量流量q_mg、固相質(zhì)量流量q_ms、液相質(zhì)量流量q_ml)與兩相混合物總質(zhì)量流量q_mn之比，常用計算式見(jiàn)表7.2。

(2)容積流量含率 β為分相容積流量(氣相容積流量q_Vg、固相容積流量q_vs、液相容積流量q_V1)與兩相混合物總容積流量q_v之比，常用計算式見(jiàn)表7.3。

(3)截面含率或容積含率α為分相流體在管道某一截面上所占截面積(氣相截面A_g 固相截面A_s、液相截面A₁)與兩相混合物所占總截面積A之比，或分相流體在某一長(cháng)度L的管段中所占容積(氣相容積V_g，固相容積V_s、液相容積V₁)與兩相混合物總容積V=LA之比，常用計算式見(jiàn)表7.4。

(4)局部含率 如果把兩相流體所占總體積V取得足夠小，則在該微小體積上的空隙率稱(chēng)局部空隙率。這時(shí)空隙率在某一時(shí)刻的取值只能是1或0，即該微元體全部被氣相或液相所充滿(mǎn)。顯然局部空隙率是時(shí)間的函數。在實(shí)際應用時(shí)，局部空隙率往往是指統計的局部空隙率，即對局部空隙率進(jìn)行時(shí)間平均�？杀硎緸�

式中 T——時(shí)間周期。

3.兩相混合流的密度

在兩相流動(dòng)中，兩相介質(zhì)的平均密度有流動(dòng)密度和真實(shí)密度兩種表示方法。

①流動(dòng)密度ρ。表示單位時(shí)間內流過(guò)截面的兩相混合物的總質(zhì)量與總體積之比，即

如果氣相密度為P_g、固相密度為ρ_s、液相密度為ρ₁，結合表7.3中的公式，對幾種兩相流的流動(dòng)密度見(jiàn)表7.5。

②真實(shí)密度p_m表示在某一時(shí)刻管段某處所取的某一微元體ΔV內的兩相介質(zhì)的總質(zhì)量Δm與微元體體積ΔV之比，即

結合表7.4，幾種兩相流的真實(shí)密度公式見(jiàn)表7.6。

由表7.5和表7.6可知，流動(dòng)密度p₀和真空密度P_m是不一樣的，但當兩相間無(wú)相對速度或相對速度可忽略時(shí)，即滑移比S=1時(shí)，則α= β ，流動(dòng)密度等于真實(shí)密度ρ₀=ρ_m^O

4.速度

由于兩相流動(dòng)中相間存在相對速度，所以除了以混合流體的平均速度V_m描述外，還必須采用分相流速(氣相分相流速V_g、固相分相流速V_s、液相分相流速V₁)來(lái)表示。幾種流速之間存在如表7.7的關(guān)系。

為了便于工程應用，分相流速也常采用表觀(guān)流速概念進(jìn)行折算，即以分相流量除以管道總截面的比值來(lái)表示該相的分相流速。其物理意義是當管道中流體全是該分相流體時(shí)所具有的流速。見(jiàn)表7.8。

各個(gè)分相流體的速度之差稱(chēng)為相對速度，見(jiàn)表7.9。

各分相流速之比稱(chēng)為速度滑移比S，見(jiàn)表7.10。

5.壓力降

壓力降也是兩相流動(dòng)中的基本參數之一�；旌衔锏膬上嗔鲏毫�降Δ_pT與氣相、液相、固相分相壓力降Δp_g、Δp_l、Δp_s之間已建立了很多理論的、實(shí)驗的和半經(jīng)驗的關(guān)聯(lián)式，為

兩相流量和分相流量的計算提供了依據。典型關(guān)聯(lián)式列舉見(jiàn)表7.11。

6.兩相流模型

描述兩相流動(dòng)過(guò)程的兩相流模型是建立各種測量方法的兩相流量模型的基礎�，F常用的兩相流模型有以下四種。

(1)均相流模型(homogoneous flow model)考慮兩相是作為一個(gè)整體的均勻混合物，相間沒(méi)有相對速度。適用于兩相間存在強耦合的場(chǎng)合。例如，微小氣泡均勻混合在液體中的氣泡流和兩相流速高的霧狀流o

(2)分相流模型(separated flow model)考慮兩相是完全分離的兩種流體，兩相間存在不同的速度和特性，適用于兩相間存在微弱耦合的場(chǎng)合。例如，氣—液兩相流中的分層流和環(huán)狀流。

(3)漂移通量模型(drift-flux model)基本上是分相流模型，重點(diǎn)是研究相間的相對運動(dòng)。漂移通量與相間相對速度有關(guān)。適用于彈狀流等。

(4)基于流型的模型(model based on flow paffern)對于各類(lèi)兩相流中的各種流型， 都建立了一些半經(jīng)驗公式，可供工程應用。列舉見(jiàn)表7.12。

 

三、多相流量測量方法

 

和單相流量一樣，多相流量目前也已經(jīng)有多種多樣的測量方法。大體上可歸為三大類(lèi)，即采用傳統的單相流儀表和多相流量測試模型組合的測量方法、應用近代新技術(shù)以及應用基于軟測量技術(shù)的軟測量方法。

1.單相流量?jì)x表和多相流量測試模型組合的測量方法

把成熟的單相流量?jì)x表應用到多相流量測試中去，一直是人們多年來(lái)的愿望和受到普遍重視的方向之一。在這類(lèi)組合測量中，一類(lèi)是應用一臺單相流量計與兩相流量模型組合；另一類(lèi)是應用兩臺(一種或兩種原理)單相流量計與兩相流量模型組合。

(1)單相流量計測量?jì)上嗔髁繎�用一臺單相流量計與兩相流量模型組合測量?jì)上嗔髁砍晒Φ膶?shí)例見(jiàn)表7.13。

(2)雙正（多)參數組合測量 應用兩種或多種儀表進(jìn)行雙(多)參數組合測量得到兩相 (多相)流量的測量方法，在實(shí)際應用中已經(jīng)出現了多種組合的成功應用如圖7.1所示。

雙(多)參數組合測量原理:設有兩個(gè)傳感器S_l和S₂，已知它們與質(zhì)量流量的關(guān)系為^[7.4]

式中

q_m ——兩相質(zhì)量流量；

X—— 分相質(zhì)量流量含率。

兩傳感器與q_m、X的具體函數關(guān)系通過(guò)理論推導或實(shí)驗測試來(lái)確定。解式(7.4)即可求得兩相質(zhì)量流量。

如圖7.1所示，應用組分濃度儀表、速度儀表和動(dòng)量通量?jì)x表兩兩組合可測得兩相質(zhì)量流量；應用容積流量?jì)x表和溫度、壓力儀表亦能組合測得氣-液分相流量；應用容積流量?jì)x表和密度計、導電率儀表組合也可測出含氣煤漿的固相質(zhì)量流量。

在兩相流量測量中，通常分相質(zhì)量流量含率X的測量是相當困難的。采用兩種儀表組合應用，即兩點(diǎn)關(guān)聯(lián)的雙參數組合測量方法，聯(lián)解兩個(gè)方程式，可在X未知的條件下得到質(zhì)量流量，因而回避了這一測量難題。

現舉三例:例1為y射線(xiàn)密度計、阻力元件與渦輪流量計的組合應用；例2為孔板與均速管的組合應用；例3為容積式流量計與壓力、溫度儀表的組合應用。見(jiàn)例表介紹如下。

2.應用近代新技術(shù)

在多相流參數測試中研究較多的測量方法大多涉及近代新技術(shù)，如輻射線(xiàn)技術(shù)、激光技術(shù)、光纖技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲波技術(shù)、微波技術(shù)、光譜技術(shù)、新型示蹤技術(shù)、相關(guān)技術(shù)、過(guò)程層析成像技術(shù)等。

各種新技術(shù)已應用于多相流參數測量的情況見(jiàn)表7.14。

現僅以過(guò)程層析成像技術(shù)為例作一簡(jiǎn)介。過(guò)程層析成像技術(shù)(process tomography，PT)是20世紀80年代中后期正式形成和發(fā)展起來(lái)的一種獲取兩相流或多相流過(guò)程參數二維/三維時(shí)空分布信息的在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測技術(shù)。應用PT技術(shù)可得多相流體各相組分的局部濃度分布及各分相總濃度。將PT技術(shù)與相關(guān)測速技術(shù)相結合，可實(shí)現多相流體總質(zhì)量流量、分相質(zhì)量流量以及流體在某一截面上流速分布的實(shí)時(shí)測量。因此，基于過(guò)程層析成像技術(shù)有可能形成新一代智能型多相流參數在線(xiàn)測量和實(shí)時(shí)監測儀表，是目前多相流參數檢測技術(shù)研究發(fā)展的一大前沿技術(shù)和主要發(fā)展趨勢之一。

目前已開(kāi)發(fā)的PT技術(shù)系統有電容層析成像系統(ECT)、電阻抗層析成像系統(ERT)、電磁感應層析成像系統(EMT)以及γ射線(xiàn)、X射線(xiàn)、中子射線(xiàn)、超聲波等層析成像系統�，F以電容層析成像系統為例簡(jiǎn)介如下。

8 電極電容流動(dòng)層析成像系統結構，如圖7.2所示。

系統主要由均勻地安裝在管道外壁上的8個(gè)電容傳感器陣列、數據采集與通信卡(包括多通道數據采集控制、電容/電壓轉換、AID轉換及通信接口等)和PC機系統三大部分組成。

電容測量值可作為多相流相濃度的度量。采用多電極陣列式傳感器，各電極間相互組合可提供反映相分布的多個(gè)電容測量值。對于8電極測量系統，相互組合可提供獨立電容測量值個(gè)數為C²₈ =28，電容測量值C可由下式表示

式中E(x， y)——電介質(zhì)分布;

S_i——靈敏度分布函數；

D——管徑。

每對電極間有一狹窄區域，一般稱(chēng)正靈敏區。電容測量值大小主要由這一正靈敏區內的電介質(zhì)分布(相應于相分布)所決定，而其他區域(負靈敏區)內的電介質(zhì)分布對其測量值影響甚少。因此，每對電極電容測量實(shí)質(zhì)上是對管截面內多相流體的掃描，其正靈敏區可視為掃描帶，一個(gè)電容測量值就可看成管內多相流體在某一方向或角度的投影數據。

電容層析成像系統目前用得較多的圖像重建算法，是在一定假設條件下以基本的反投影算法為基礎，經(jīng)門(mén)限濾波等處理改進(jìn)的簡(jiǎn)便反投影算法。算法的基本思路是很簡(jiǎn)捷的。先在管截面內畫(huà)出所有28個(gè)測量電容正靈敏區的邊界線(xiàn)，這些邊界線(xiàn)相呈交截，在管截面內形成362個(gè)大小不一的網(wǎng)格，如圖7.3所示。這些網(wǎng)格稱(chēng)為圖像像素。每個(gè)像素i與28個(gè)正靈敏區的關(guān)系可用一個(gè)28維的關(guān)聯(lián)向量V_i來(lái)表示。將此關(guān)聯(lián)相量乘以由28個(gè)測量值構成的向量[C_l C_2…C₂₈ ]^T，則相當于將有關(guān)測量值疊加(反投影)而得到該像素的灰度值(對應于相濃度)。用矩陣形式可表示如下式

式中 f_i——像素點(diǎn)灰度值，對應于離散相濃度， i=l， 2，…， 362;

V_ij ——關(guān)聯(lián)系數。

重建立的圖像，尚需經(jīng)門(mén)限濾波處理，濾波門(mén)限的選擇與離散相濃度、灰度等級劃分有關(guān)。

3.軟測量方法

軟測量(soft sensor)是一種利用較易在線(xiàn)測量的輔助變量和離線(xiàn)分析信息去估計不可測或難測變量的方法。軟測量通常是在成熟的硬件傳感器基礎上，以計算機技術(shù)為支撐平臺，通過(guò)軟測量模型運算處理而完成的。因此也可把實(shí)現軟測量功能的實(shí)體看成是一種軟儀表，它可利用多種易測變量傳感器信息和先驗分析信息，通過(guò)軟測量模型計算處理得到所需檢測的難測或不可測參數的信息。

軟測量模型是基于軟測量技術(shù)建立的。常用的軟測量技術(shù)有狀態(tài)估計、過(guò)程參數辨識、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、模式識別等。目前已應用于多相流參數檢測的實(shí)例見(jiàn)表7.15。

下面僅以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )測量氣力輸送粉粒物料的氣—固兩相流量為例簡(jiǎn)介^[7.6]。測量系統原理框圖如圖7.4所示。

易測變量選取氣相質(zhì)量流量q_mg和氣-固兩相流管程壓降Δ_ρT。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )結構采用目前研究和使用最普遍的三層BP網(wǎng)絡(luò )，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的信息處理功能用計算機的軟件程序實(shí)現。

測量過(guò)程分兩個(gè)階段:學(xué)習階段和測量階段。學(xué)習階段是一個(gè)建立固相質(zhì)量流量黑箱模型的過(guò)程。在兩相流系統中采樣氣相質(zhì)量流量q_mg和兩相流管程壓降ΔρT，同時(shí)離線(xiàn)標定固相質(zhì)量流量q_ms。采樣所得若干組數據即為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習樣本。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習算法調整神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的權系數，使其輸出與離線(xiàn)標定值q_ms的誤差滿(mǎn)足測量精確度要求。所得權系數

固定的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )即為固相質(zhì)量流量的黑箱模型，此模型則可應用于測量階段。在測量階段，輸入任意時(shí)刻的氣相質(zhì)量流量和兩相流管程壓降，即可由黑箱模型輸出此時(shí)的固相質(zhì)量流量，實(shí)現固相質(zhì)量流量的在線(xiàn)測量。

 

四、多相流量計的分類(lèi)

 

多相流量計和單相流量計一樣，按照傳統的原理分類(lèi)如下。

(1)節流式 基于兩相流通過(guò)節流裝置時(shí)產(chǎn)生的兩相壓差與兩相流量或兩相壓差與單相壓差間關(guān)系的測量模型而得到兩相流量。

(2)速度式 基于測量?jì)上嗔骰旌衔锏牧魉俸推骄�密度或分相含率�?lái)得到兩相流量。

①力學(xué)法。利用流體的動(dòng)壓、動(dòng)量矩和離心力等測流速。

②相關(guān)法。通過(guò)兩點(diǎn)的相關(guān)函數測流速。

③光學(xué)法。利用激光多普勒效應或光導纖維等技術(shù)測流速。

④聲學(xué)法。利用超聲波原理測流速。

⑤熱學(xué)法。利用熱線(xiàn)風(fēng)速儀或量熱計測流速；

⑥電磁法。利用電磁感應原理測流速。

⑦核磁共振法。利用核磁共振原理測流速。

⑧示蹤法。利用脈沖中子觸發(fā)新型示蹤技術(shù)測流速。

(3)容積式(PVT法)利用一定容積的兩相混合物，其壓力、容積和溫度間的熱力學(xué)關(guān)系測量?jì)上嗔髁俊?/p>

(4)質(zhì)量流量式 直接測知兩相質(zhì)量流量。

世界各工業(yè)發(fā)達國家對上述原理分類(lèi)的多相流量計做了大量的研究和開(kāi)發(fā)工作，但至今大部分仍處于實(shí)驗室應用研究階段，已商品化的工業(yè)型儀表為數不多。根據世界石油市場(chǎng)形勢的發(fā)展，世界知名度高的各大公司開(kāi)發(fā)出了多種型號適用于陸上或水下的油、氣、水多相流量計。例如，美國Multi-Fluid公司研制的LP型多相流量計于1992年12月在挪威的Gulfars B號平臺進(jìn)行了試驗；英國歐洲設備與石油有限公司(Euromatic Machine &. Oil Co. LTD) 1990年研制成的三相流量計樣機，可由潛水員較方便地直接安裝在海底；德士古公司的海底多相流量計于1989年在Tartan平臺進(jìn)行了試驗，然后在Highlander海底也進(jìn)行了試驗。各大公司推出的產(chǎn)品經(jīng)分析可看出其原理均為幾種傳統的流量測量方法的組合，沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的突破進(jìn)展。另外，這些流量計雖已為工業(yè)型儀表，但由于國際上激烈的競爭形勢，有待進(jìn)一步研究才能形成商品系列，并占領(lǐng)一定的市場(chǎng)。

下面介紹幾種己進(jìn)入工業(yè)實(shí)用階段的多相流量計。

 

第二節 差壓式氣—固兩相流量計

 

應用長(cháng)喉頸文丘里管進(jìn)行直管段和擴大管段兩處差壓的雙參數組合測量，可以求出氣相質(zhì)量流量和固氣比，如圖7.5所示。

根據Farbar的理論和分析結果得知，氣-固兩相流通過(guò)文丘里管某一段時(shí)，產(chǎn)生的差壓值Δρ_m與同一空氣流速下純空氣流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的差壓值ΔP_g的比值與固氣比γ成線(xiàn)性關(guān)系。

設文丘里管直管段的兩端差壓為Δp_m1,擴大管段的兩端差壓為Δp_m2 ,則有

另經(jīng)實(shí)驗得到純空氣流動(dòng)時(shí)直管段與擴大段差壓比也為一常數K，即

聯(lián)解式(7. 7)和式(7.8)，便可求得固氣比為

進(jìn)一步運算，可得到空氣質(zhì)量流量q_mg和固相粉粒質(zhì)量流量q_ms為

式中 α——長(cháng)喉頸文丘里管的流量系數；

Ao——喉頸截面積。

整個(gè)差壓式氣-固兩相流量計系統由一個(gè)長(cháng)喉頸文丘里管和分別安裝在文丘里管直管段處和擴大段處的兩臺差壓變送器以及運算器組成。另安裝有溫度、壓力變送器各一臺，用以進(jìn)行溫度、壓力補償。運算器根據上述質(zhì)量流量模型進(jìn)行運算，輸出固相質(zhì)量流量q_ms。

差壓式氣-固兩相流量計適用于固氣比范圍為1~15，精確度為1%~3%的情況。

 

第三節 超聲波氣-固兩相流量計

 

超聲波質(zhì)量流量計是基于相位差法的超聲波流速計與β射線(xiàn)密度計組合而成的，如圖7.6所示。本類(lèi)儀表一般僅適用于固相濃度較低的稀相粉粒氣-固兩相流。

圖7.6中，兩個(gè)超聲波發(fā)射器是由同一個(gè)振蕩器激勵，故發(fā)射波列是同相位的， 順流和逆流接收器接收波之間的相位差由相位計12測出，并由平均流速指示儀11顯示。被測流體的密度是通過(guò)檢測器2檢測β射線(xiàn)源1發(fā)射的β粒子射束穿過(guò)管道時(shí)的衰減度而測得的。衰減度與被測氣—固兩相流中固體粉粒密度之間的關(guān)系是

式中 I和I₀——通過(guò)粉粒衰減和未通過(guò)粉粒衰減的β射線(xiàn)強度；

μ——β粒子的質(zhì)量吸收系數；

ρ——粉粒密度，在維持μ為定值情況下，β計數器輸出β射線(xiàn)強度I就可表示粉粒密度；

D——管道直徑。

采用熱電偶13與溫度補償器6以克服溫度變化引起的密度測量誤差；采用線(xiàn)性化裝置7使密度與β粒子計數值間成為線(xiàn)性關(guān)系，由顆粒密度指示儀8顯示出來(lái)。

超聲波流速計測得的流速與β射線(xiàn)密度計測得的密度經(jīng)乘法器9運算后，就可得到固相粉粒的質(zhì)量流量，并在質(zhì)量流量指示儀10上顯示出來(lái)。

應用上述流量計測量氣-固兩相流中的固相粉粒的質(zhì)量流量往往存在誤差。這是由于氣流輸送的固相粉粒與管壁碰撞而引起的減速效應，最終將達到其極限速度，此極限速度小于氣流速度。例如，直徑小于200μm的顆粒在5m輸送行程后就會(huì )到達極限速度。實(shí)驗表明，顆粒流速V_d與氣體流速v之比值大小和顆粒直徑d、管徑D及氣體流速v有關(guān)。以氣力輸送煤粉氣-固兩相流為例，實(shí)驗數據見(jiàn)表7.16

要提高測量精確度，必須使顆粒平均速度盡量接近氣體流速。

顆粒尺寸越小，測量精確度越高。當d<50μm時(shí)，顆粒速度比氣體流速只小1%。顆粒尺寸分布中，粗顆粒比例越小，則測量精確度越高，當d<75μm的中小顆粒占顆�？偭康�60%時(shí)，顆粒速度比氣體流速要小2%以上。

 

第四節 多普勒流速計

 

基于多普勒效應原理工作的流速計在多相流量測量中已有較多應用。目前達到實(shí)用化程度的有兩種，即激光多普勒流速計和超聲波多普勒流速計。

 

一、激光多普勒流速計

 

應用激光多普勒效應測流速的原理是：當激光照射到隨流體一起流動(dòng)的微粒上時(shí)，產(chǎn)生的散射光頻率和入射光頻率之偏移(稱(chēng)多普勒頻移)與流體速度成正比，因而只要測出多普勒頻移就可確定微粒的即流體的流速。微�？梢允菉A在氣流中的液滴、夾在液流中的氣泡和夾在氣流或液流中的固體顆粒等任一形式。

激光多普勒流速計的組成如圖7.7所示，它由多普勒頻率的光學(xué)測量系統和多普勒信號處理的微型計算機系統組成。

光學(xué)測量系統中用的是He-Ne激光器作為激光源。分束器有平鏡及棱鏡等多種形式。光電檢測器最常用的就是光電倍增管，以提供足夠功率的電信號輸入信號處理器。

多普勒信號處理系統的目的是對無(wú)規律地通過(guò)測點(diǎn)或測量體積的微粒產(chǎn)生的散射多普勒信號進(jìn)行處理，從而得到流體的平均流速和瞬時(shí)流速。多普勒信號處理系統實(shí)際上就是微機計數處理裝置，是將光電倍增管檢測到的多普勒信號頻率變換成脈沖序列，用直接計數方式測出脈沖頻率，或測出脈沖周期再求出脈沖頻率。光電倍增管輸出信號經(jīng)帶通濾波器消除噪聲后，一路輸入過(guò)零檢測回路，經(jīng)另交叉處理，將信號變換成雙值脈沖序列。另一路輸入信號檢測回路與預先設定的閾值進(jìn)行比較，以判斷是否是多普勒信號，然后由過(guò)零檢測回路的輸出信號和信號檢測回路的輸出信號在現狀信號控制回路中組成狀態(tài)信號S_i ( i = 1， 2， 3，）。S_i是在一段時(shí)間內對第i個(gè)計數器的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計數的信號，頻率范圍為40kHz~10MHz。由4個(gè)計數器計下的數據輸入微型計算機，若數據間的差值在允許范圍E內時(shí)，求出的平均值為有效數據。最后將流速計算過(guò)程由打字機打印顯示。

用振幅來(lái)判斷信號是否為多普勒信號時(shí)，其閾值隨著(zhù)流速和微粒的密度而變化。應用微型計算機確定最佳閾值，使信噪比最大并進(jìn)行自動(dòng)設定，對于多相流速測量是一種有效的信號處理裝置。

 

二、超聲波多普勒流速計

 

超聲波多普勒流速計的原理是向被測多相流體連續發(fā)射超聲波，通過(guò)測量?jì)上嗔黧w中顆粒、氣泡或液滴散射的超聲波多普勒頻移來(lái)確定多相流體的流速。目前己達到實(shí)用化的零交叉方式的多普勒流速計的原理框圖如圖7.8所示。

超聲波發(fā)射器T向多相流體以發(fā)射頻率f_t發(fā)射連續超聲波，經(jīng)照射域內顆粒、氣泡或液滴后散射的超聲波，以接收頻率f_r被超聲波接收器R接收。發(fā)射頻率與接收頻率間的一般關(guān)系可表示為

式中

f_d ——超聲波發(fā)射、接收頻率之差，稱(chēng)為多普勒頻率或多普勒頻移，與流速v成正比;

C——靜止介質(zhì)中聲速；

θ—— 超聲波傳播方向和流體流動(dòng)方向的夾角。

超聲波發(fā)射器和接收器是超聲波流速計的關(guān)鍵部件，由壓電晶片組成，基于壓電效應實(shí)現"高頻電信號→超聲波"或"超聲波→電信號"的轉換。壓電晶片工作頻率和尺寸的選擇合理是保證流速計性能良好的關(guān)鍵。對于直徑d為10mm的壓電晶片，若要求θ<10°，則工作頻率f一般必須達到數兆赫茲。

石英振蕩器以2MHz的電信號經(jīng)發(fā)射電路加在發(fā)射器的壓電晶片上，產(chǎn)生的超聲波射入流體的照射域內被顆粒所散射，與顆粒速度成正比的具有多普勒頻率的散射波又入射到超聲波接收器的壓電晶片上，轉換為電信號送入放大器。

接收器接收到的散射波頻率信號f_r與石英振蕩器的友射頻率信號f_t經(jīng)混頻、檢波處理，并通過(guò)濾波器取出低頻成分，即可得到多普勒頻率信號。多普勒信號波形中幅值為零的零交叉信號由零交叉計數器計數，并換算成流速信號輸出顯示。

為克服聲速C波動(dòng)引起多普勒頻率的誤差，在超聲波發(fā)射器內增加塑料導向板。在塑料中聲速C_l和溫度無(wú)關(guān)，如圖7.8所示幾何關(guān)系為

則有

從而提高了測量精確度。

 

第五節 相關(guān)式液-固兩相流量計

 

由于相關(guān)技術(shù)理論上可用于測量任何流體系統的流量(單相流、多相流)，而且測量流速的范圍很寬，可從層流到超音速，因而為解決多相流量測量問(wèn)題提供了一種強有力的技術(shù)手段。自20世紀60年代中期發(fā)展起來(lái)的、以相關(guān)技術(shù)基礎構成的兩相流量測量系統，在國外已形成商品化工業(yè)儀表，是目前多相流測試中極少數已形成工業(yè)型儀表中的一種。在工業(yè)噴吹煤粉流量、紙漿流量、石油流量測量中均有應用，是一種已達到實(shí)用化程度的流量計。由于相關(guān)流量計已有專(zhuān)題介紹，故此處對一般性問(wèn)題盡量簡(jiǎn)化。選擇在造紙工業(yè)現場(chǎng)已獲得了較成功應用的液-固兩相流量計——紙漿流量計作簡(jiǎn)要介紹^{[7.2，7.10]}。

如圖7.9所示，沿紙漿測量管段的流動(dòng)方向安裝兩個(gè)相隔間距為L(cháng)的測點(diǎn)A和B。由光學(xué)傳感器獲取兩點(diǎn)處的隨機光信號，通過(guò)光/電轉換電路和預處理電路輸出適于相關(guān)處理的兩路隨機相關(guān)模擬信號X（t）和y(t)，送至相關(guān)器進(jìn)行極性化相關(guān)分析。找出對應于相關(guān)函數R(t)最大值(峰值)的延時(shí)量τo值，即流體流經(jīng)兩測點(diǎn)間距L所需的渡越時(shí)間。由此即可求出流體的體積流量q_v。

式中

E， b——修正系數；

S——管道截面積。

相關(guān)測量系統由兩部分組成：一是隨機相關(guān)信號的獲取裝置——光學(xué)傳感器；二是信號處理裝置——極性相關(guān)器。對紙漿專(zhuān)用相關(guān)流量計的一些問(wèn)題說(shuō)明如下。

(1)紙漿流體動(dòng)力學(xué)特性

紙漿是液-固兩相流體，是水和紙漿纖維的均勻混合物，屬于非牛頓流體。當紙漿濃度在1%~5%范圍內，相應的紙漿流速在1.9~10m/s范圍內，均能夠形成良好的"柱塞狀"流型。即管道內的紙漿如同一個(gè)柱塞以同一速度向前推進(jìn)，即在管道內同一截面上各點(diǎn)的流速是相同的，而在靠近管道內壁處有一很薄的水層。柱塞狀流型形成條件主要取決于紙漿濃度、流速及紙漿纖維的類(lèi)型與尺寸，其間相互關(guān)系可用下面經(jīng)驗公式表示

式中

V_max——保持柱塞狀流型的最大流速， m/s；

C——紙漿濃度，以固相重量百分數表示，%;

K——紙漿纖維因素，對長(cháng)纖維紙漿取k=1.0，對短纖維紙漿取k=0.8，對特短纖維紙漿取k=O.6~0.7。

(2)光學(xué)傳感器

在沿紙漿流動(dòng)的平行方向，與管道內壁平齊處，安置間距L=10mm 的兩個(gè)探頭A和B。探頭光源為兩只用金屬外殼封裝的橙紅色雙管芯發(fā)光二極管D，發(fā)出一定波長(cháng)一定光強的光，通過(guò)光纖傳輸入射至流動(dòng)紙漿表面。該入射光被流動(dòng)的紙漿調制而反射。兩只光接收器為新型光敏管F(采用把受光PN結與放大器分開(kāi)而又互相耦合的結構，具有高靈敏度和高信噪比)，接受此反射光后將其轉換成具有一定帶寬的隨機噪聲電信號，此信號經(jīng)前置預處理電路放大后，輸出到極性相關(guān)器。

為了獲取兩路隨機相關(guān)信號，需同時(shí)傳輸四路(兩束入射光源，兩束反射光)互不串擾的光信號，且要求精確定位，以保證信號的相關(guān)性和測量精確度。采用新型玻璃光纖外加金屬軟管傳遞光信號。

(3)極性相關(guān)器

為了對傳感器獲得的流動(dòng)隨機噪聲信號進(jìn)行相關(guān)分析，尋找出相關(guān)函數極值對應的延時(shí)時(shí)間τo所采用的極性相關(guān)器原理結構如圖7.10所示。由極性化電路、可控延時(shí)電路、符號電路以及微機控制系統及其他外部電路組成。極性化電路的作用是將隨機模擬信號轉變?yōu)榫哂袃煞N幅值的脈沖信號，信號中大于零的電平全變?yōu)門(mén)TL₁電平，小于或等于零的電平全變?yōu)門(mén)TL電平。實(shí)際上，其就是一個(gè)比較器�？煽匮訒r(shí)電路是為完成相關(guān)函數值計算提供盡可能寬的可調延時(shí)范圍，以滿(mǎn)足工業(yè)對象流速變化范圍要求。采用RAM 2114芯片構成的延時(shí)器，最大時(shí)延有32ms、64ms和128ms三擋。符合電路的作用是求出統計時(shí)間內兩極性化函數符號相同的次數n，當兩信號符號相同時(shí)允許計數。

(4)微機管理系統及外部電路

包括瞬時(shí)流量、累積流量的計算；轉換成模擬信號；越限報警；以及人機對話(huà)鍵盤(pán)進(jìn)行參數預置、修改和儀表特性的自校檢驗等。

相關(guān)式紙漿流量計性能指標見(jiàn)表7.17 。

 

第六節 LP型多相流量計

 

美國Mulfi-Fluid公司開(kāi)發(fā)研制的LP型多相流量計，總體思路是使用組分計測量油、氣、水含量百分數，用速度計測量混合物的速度，通過(guò)計算求得各組分的瞬時(shí)體積流量或質(zhì)量流量。

LP型多相流量計結梅示意圖如圖7.11所示。整個(gè)多相流量計由兩個(gè)獨立的儀表組成。

(1)組分計 組分計的作用是測量流經(jīng)流量計中油、氣、水瞬時(shí)體積或質(zhì)量含量的百分數。具體是測量油井未處理原油的介電性質(zhì)(介電常數和電導率)和密度。水對介電性質(zhì)比較敏感，氣對密度比較敏感。介電性質(zhì)由圖7.11中微波檢測器測量，該檢測器使用了一種取得專(zhuān)利的微波技術(shù)，可對流體進(jìn)行精確、穩定、快速的測量。密度由圖7.11中密度計測量，密度計使用的是常規y射線(xiàn)密度計，直接裝在流量計法蘭上。

(2)速度計 速度計基于相關(guān)技術(shù)原理而工作。在流量計流體通道的B、C兩個(gè)截面處裝有兩個(gè)微波檢測器。速度計在兩個(gè)橫截面做非�？焖俚奈⒉ń殡姕y量，對每個(gè)測量截面輸出信號的統計分析可計算出料流渡越兩個(gè)截面間的平均時(shí)間。根據渡越時(shí)間和兩截面間距，則可計算出速度。

LP型多相流量計的技術(shù)規格見(jiàn)表7.18。

 

第七節 MPFM型多相流量計

 

Framo公司的MPFM型多相流量計結構示意圖如圖 7.12所示^[7.11]，由在線(xiàn)靜態(tài)混合器、多源γ組分計和文丘里流量計等三部分組成。

流量混合器是一種純靜態(tài)混合裝置，由一個(gè)將多相流送入其內的桶形容器組成。流體中密度最大的組分從容器底經(jīng)噴射器排出，而密度最小的組分從容器頂排出并經(jīng)一根管回到噴射器。在噴射器內，兩種組分按噴射比混合�；旌涎b置使計量系統完全不受上游流態(tài)的影響并為計量段提供均相流。

多源γ組分計由同位素源和耐振檢測器構成，安裝位置緊跟在流量靜態(tài)混合器之后，用來(lái)確定油、氣、水各自的體積分數。油、氣、水各自的組分根據不同γ射線(xiàn)能的相對衰減程度計算求得。

文丘里流量計也安裝在混合器之后，與γ組分計結合，獲得油、氣、水各分相流量。

MPFM型多相流量計長(cháng)度分別為2.6m(海底)和1.5m(陸地).重約2500kg.可適用于多相流態(tài)中0~100%的油、氣、水混合物，計量精確度可達 ± 6%。

 

第八節 EUROMATIC多相流量計

 

英國EUROMATIC公司的多相流量計構成如圖7.13所示。

主流管線(xiàn)上裝有一臺渦輪流量計，輸出油、氣、水混合物體積流量信號V。裝有一臺γ射線(xiàn)密度計，輸出混合物平均密度信號P1₁ 。一臺微型脫氣采樣器連續從主流管線(xiàn)取樣并脫除混合物中的氣體。然后由另一臺γ射線(xiàn)密度計測定油水混合物的密度輸出信號P1₂。與此同時(shí)還測定混合物的壓力P和溫度T，并將各數據輸入微機。微機按給定的數學(xué)公式運算后，得出油、氣、水各分相流量和總質(zhì)量流量。渦輪流量計的轉子是由碳化鎢材質(zhì)制造而成，流量計內腔也附有碳化鎢保護層，以防液流中砂或其他顆粒的腐蝕與磨損。

這種流量計計量油、水的精確度可達±O.5%~±2.0%.計量氣體的精確度可達±O.5%~±3.0%。

 

第九節 MPFM-301型多相流量計

 

AGAR公司的MPFM-301型多相流量計構成如圖7.14所示，由氣-液兩相流量計和含水分析儀兩部分組成。氣—液兩相流量計可用于測量從泡狀流至塞狀流所有流態(tài)中的氣體流量q_g和液體流量q_l，其調節比等于25:1。它由兩種流量傳感器FS(1)和FS(2)構成。這兩種傳感器可以是任何形式的體積流量計和動(dòng)量?jì)x表。該公司為其開(kāi)發(fā)的復雜模型將各流量傳感器的輸出與氣液的總流量相聯(lián)系，同時(shí)還考慮了黏度、速度滑移比等。開(kāi)發(fā)出的模型形式為

FS(1)的輸出=F₁(q_g+q_l)

FS(2)的輸出=F₂(q_g十q_l)

由于，此處有兩個(gè)公式和兩個(gè)未知數，從而可求得q_g和q_l各相分相流量。

當用于測量油、氣、水多相流量時(shí)，增加了一臺OWM-201型微波含水分析儀。它由一個(gè)2kHz的微波變送器和一個(gè)接收器構成，通過(guò)測量液流的介電性質(zhì)分析含水率。此外，還測量壓力、溫度等消除密度變化影響的參數，最后由計算機求解下列非線(xiàn)性方程

方程1: q_V=F_l(q_g十q_l)

方程2: DP(1#動(dòng)量?jì)x表) =F₂(q_g，q_l，ρ)

方程3: DP(2#動(dòng)量?jì)x表) =F₃ (q_g，q_l，ρ)

方程4: c=q_w/(q_g+q_w十q_o)

方程5: q_l=q_w十q_o

方程6: q_w=(q_g十q_l)C

式中 C——含水率；

q_w——水流量；

q₀——油流量。

MPFM-301型多相流量計計算過(guò)程示意圖如圖7.15所示。

 

第十節 德士古海底多相流量計

 

德士古公司的海底多相流量計構成如圖7.16所示。將總流量計裝在井口附近(圖中從略)，以便測出混合物的總流量及其密度。然后利用其分離裝置(微波分離器)將采出物分離成氣相和液相(油水相)，并分別計量氣相和液相的體積流量。采用渦輪流量計計量氣體的體積流量，專(zhuān)用流量計計量液體的體積流量。含水率則由Texaco微波含水檢測儀測定。此種含水檢測儀可精確地測定油水乳化液和油水混合液中0~100%的含水率，而無(wú)論其中哪一種組分是連續相。原子密度儀可測出液流中攜帶的氣量。最后，結合在各點(diǎn)測得的溫度、壓力數據，通過(guò)計算機得出各相分相流量。

德士古海底計量系統的計量精確度為5%。設計壓力為3.64kPa。在含氣率為10%~90%和含水率為0~90%的條件下，該計量系統可在480~2880m³/d的流量范圍內實(shí)現自動(dòng)調控運行。

 

第十一節 MCF 351型多相流量計

 

KOS公司的MCF 351型多相流量計量系統如圖7.17所示。由一個(gè)不銹鋼雙法蘭短節、 Ex級信號處理電子裝置和一個(gè)以PC機為主的控制裝置組成。PC機用來(lái)計算和顯示計量結果。不銹鋼短節配備的是標準型ANSI法蘭，在管線(xiàn)上安裝很方便。

MCF多相流量計的原理是連續測定各相所占的橫截面積，并乘上各相的流速，從而計量出段塞流中液體和氣體的分相流量。實(shí)際計量時(shí)，流量計先測出液體在管中占據的橫截面積，然后從總橫截面中扣除液體橫截面積得出氣體所占橫截面積。同時(shí)，流量計還測出液體的流速及段塞運動(dòng)速度(與氣體流速相等)。最后，油、水各自的流量通過(guò)確定含水率得出，即測出液體中的水量后，剩余的液體即是油。

流量計量段采用一對插入管內并與流向并行的平行傳感器板(如圖7.18所示)。傳感器板上鑲嵌著(zhù)幾個(gè)電容電極，根據產(chǎn)生的電容信號通過(guò)復雜的數據計算，得出各分相流量。

傳感器板厚1.65mm、寬40mm，其中鑲嵌著(zhù)一列電極，兩個(gè)信號電極分別位于管子底部和頂部。電極與電子線(xiàn)路連接。電子線(xiàn)路產(chǎn)生代表彎導電率實(shí)數和虛數部分的輸出信號，其中虛數部分與流體介質(zhì)的電納成正比，也是計量混合物中液體的組分。由此確定出截面含液率，即各相分離后液相所占橫截面積。剩余橫截面即為氣相占有。

管線(xiàn)底部流動(dòng)的被體流速由兩個(gè)電容信號的相關(guān)連續測量。這兩個(gè)電容電極安裝高度相等，間距很短。同時(shí)在管線(xiàn)頂部相距20mm的電極產(chǎn)生不同的信號，根據這些信號間的時(shí)差可計算段塞流速。段塞流速的測量間接給出氣體流量。通過(guò)測量液體的介電常數，便可確定出油中的含水率或水量。

MCF 351型多相流量計目前有DN80和DN100兩種規格，其流量范圍分別為3~l46³/d(液體)和16~292m³ /d(氣體)。

 

第十二節 MPFM 1900型和SMFM 1000型多相流量計

 

Fluenta公司的MPFM 1900型多相流量計是在原有MPFM 900型三相(體積百分率)流量計(圖7.12)基礎上，增設以電子相關(guān)信號為基礎的流速計和新開(kāi)發(fā)的微機軟件配套制成。

MPFM 1900型計量系統由測量流體介電常數(電容率)及氣、液各相流速的電容傳感器及電子線(xiàn)路，測量流體密度的γ射線(xiàn)密度計，執行數據分析的計算機組成。要求的溫度、壓力等計算用數據由外裝傳感器提供。

油、氣、水混合物各相介電常數和密度不同。如果已知各相的介電常數和密度，同時(shí)又能精確地測出混合物總的介電常數和密度，那么就能測定出三相組分中各相的百分數。若將混合物作為兩電極板之間的電介質(zhì)，則電極板間的電場(chǎng)將與混合物的介電常數成正比。如果讓電介質(zhì)通過(guò)γ射線(xiàn)，則測得的γ粒子吸附率將與混合物的密度成正比。傳感器配備著(zhù)兩排大小不等、排列不均的電極，通過(guò)兩排電極獲得的相關(guān)信號計算出氣、液相的流速。最后，由計算機根據各相百分數和各相流速得出油、氣、水各相流量。

MPFM 1900型多相流量計計量段長(cháng)約560mm，重約200kg�？捎嬃吭�油含水0~80% 和含氣0~90%，計量精確度為5%~10%。

最近， Fluenta公司又在MPFM 1900型基礎上開(kāi)發(fā)出了最新的SMFM 1000型海底多相流量計。該流量計在蘇格蘭Kilbride英國國家工程實(shí)驗室(NEL)通過(guò)了試驗評估，并已安裝在South Scoft油田投入應用。

SMFM 1000型海底多相流量計系統主要組成如圖7.19所示。流量計與ASE 4000海底采油控制系統配套組合應用。該流量計作為一個(gè)整體組裝，它包括各種傳感器和一個(gè)接口板。整個(gè)計量裝置被封裝在一只圓形的容器內，底座上只留有流體和電纜接口。全部電子元件被封裝在一個(gè)單獨的常壓容器內。接口板收集傳感器信號并通過(guò)一個(gè)高速串聯(lián)網(wǎng)將其傳輸給控制模塊。封裝在控制模塊壓力容器內的其他接口板對來(lái)自各傳感器的信息進(jìn)行信號處理，并將處理結果送給控制系統地面通信網(wǎng)。

SMFM 1000海底多相流量計主要技術(shù)性能如下。設計壓力41.369MPa(關(guān)井壓力）；溫度15°C；含油率0~100%、含氣率0~100%、含水率0~100%；最低流速1.5m/s；水深670m；故障平均間隔時(shí)間MTBF為15年。

 

第十三節 Scroll Flo型多相流量計

 

ISA公司的Scroll Flo型多相流量計是根據容積式計量原理，結合密度測量得出油、氣、水各相混合物的質(zhì)量流量。流量計結構如圖7.20所示。

容積式結構是一對相互嚙合的螺旋狀轉子，采出物進(jìn)入流體離析機構時(shí)，以平行于轉軸的方向切向沖擊螺旋斜面。多相流產(chǎn)生的瞬時(shí)力振動(dòng)效應明顯減弱，并便于被設計合理的轉子軸承系統所吸收。

采出物通過(guò)流量計的轉子空腔并被限制在各增量單元內。此時(shí)，應在采出物各相在油、氣因單側加速而可能發(fā)生分離之前測量各單元的密度。為此，在沿轉子1/2長(cháng)度的分界點(diǎn)處安插了一個(gè)中心小腔室。核子密度計就安裝在橫穿中心腔室的位置，以便在采出物從第一轉子組射出并又沖擊下游轉子同步齒輪罩后測量各單元的密度。由于受下游共軛轉子組約束的影響，該點(diǎn)處的各相流速仍是相等的。將總流量直接引入核子源和探測器之間的集中位置，能使密度計的靈敏度最好。

由于所測得的密度與轉子內腔尺寸所限定的單元體積有直接聯(lián)系，只要簡(jiǎn)單地將單元體積流量乘以密度即可求得多相流的質(zhì)量流量。為便于測得體積流量，可用一種發(fā)生脈沖裝置測量轉子的轉速。

Scroll Flo型多相流量計長(cháng)1.2m，重450kg，量程比為10:1，可測含氣率0~95%， 計量精確度為5%。

 

第十四節 非侵擾式多相流量計

 

AEA公司的非侵擾式多相流量計安裝在管線(xiàn)的外側，不會(huì )對管線(xiàn)內的混合物產(chǎn)生干擾。該流量計采用一個(gè)脈沖中子束對通過(guò)管線(xiàn)的氫原子、碳原子和氧原子進(jìn)行計數，以此測出氣體、液體和固體的體積�；旌衔镏械暮�水量通過(guò)對氯原子的計數求得。輻射短脈沖"觸激"氧原子，同時(shí)流量計對其示蹤，以此測出混合物的流速。將兩種測量結果相結合便可精確地計算出管線(xiàn)內的流量。

 

第十五節 FLOCOMP II型多相流量計

 

美國石油自動(dòng)系統公司的FLOCOMP II型多相流量計的工作原理如圖7.21所示。該種流量計采用快速采樣的統計方法，在進(jìn)行單井采出物計量時(shí)，首先打開(kāi)兩個(gè)取樣容器閥S₁和S₂，同時(shí)關(guān)閉旁通閥B₁，混合物經(jīng)過(guò)取樣容器，并且驅替出上次取樣樣品。取樣完成后，關(guān)閉取樣容器閥S_l和S₂，并打開(kāi)旁通閥B_l。這樣，樣品就充滿(mǎn)容器并被隔離在兩個(gè)閥門(mén)之間。此時(shí)，安裝在旁通管線(xiàn)的流量計Q開(kāi)始計量總流量。

氣體流量的測量采用著(zhù)名的P-V-T氣體定律，在記錄了壓力和溫度時(shí)，取樣容器被活塞C壓縮，從而產(chǎn)生變化量（V_l -V₂)。用這些數據就可計算出氣體流量。計算出氣體流量后，通過(guò)測量混合物樣品的平均密度計算出油、水各自的流量。

 

第十六節 WELLCOMP多相流量計

 

Paul—Munroe工程公司的WELLCOMP多相流量計與FLCOMP II型多相流量計相似，如圖7.22所示。這種標準型流量計總流量及含水率的計量精確度分別為1.0%和5%。尺寸為1.2m×1.2m×2.4m，其主要操作范圍如下:

總流量(油、氣、水)3200~4000m³ /d；

含水率 1%~99% ；

含氣率 O~90% ；

油相對密度 全部；

最大壓力 5MPa(表壓)；

最高流體溫度 190°C。