在我國的能源結(jié)構(gòu)中,，富氣少油，天然氣資源較為豐富（如新疆,、內(nèi)蒙,、四川、近海）,，開采中多采用陳舊的工藝,，即先用笨重的分離器，將氣,、液分離后,，再分別進(jìn)行氣、液流量計(jì)量,。分離器不僅昂貴,，而且耗費(fèi)大量耗能的鋼材、體積也十分龐大,，如海上開采平臺,，作業(yè)區(qū)狹窄,，難以選用，迫切需要開發(fā),、推出氣液二相流量計(jì),。
一、兩相流的特征及主要參數(shù)
相的定義為在某一系統(tǒng)中,，具有相同成分,；物理、化學(xué)性的均勻物質(zhì)成分,；不同的相具有明顯的界面,。在自然界的物質(zhì)一般分為固相、氣相與液相三種,，本文主要討論同時存在氣相與液相物質(zhì)的流動,，由于多相中存在各相的界面效應(yīng)及相對速度，相界面在時間及空間上都是隨機(jī)可變的,，所以,，其流動特性較單相流復(fù)雜得多，特征參數(shù)也較單相流多一些,，簡要介紹如下：
■ 流型：亦稱流態(tài),，即流動的形式或
結(jié)構(gòu)，各相界面之間存在隨機(jī)可變的相界面,，使兩相流呈現(xiàn)為多種復(fù)雜的形式,，流型不僅影響兩相流的壓力損失、傳熱效果,，也影響流量測量,。對氣、液兩相流來說,，管道處于不同的位置（水平,、垂直）也影響其流態(tài)形式，較為典型的如圖1所示,?！ ?/p>
圖1 氣液兩相流的各種典型流態(tài)
■ 分相含率：表述兩相流中的分相濃度，說明分相流體占總量中的比例通常表述為：
?、儋|(zhì)量流量含率c,，為分相質(zhì)量流量（氣體為qmg、液體為qme）與總質(zhì)流量qm之比,，如氣液兩相c＝qmg / qm＝qmg / qmg+qme
?、谌莘e流量含率b，說明分相容積流量（氣體為qvg，液體為qve）與總?cè)莘e流量qv之比,，如氣液兩相b＝qvg / qv＝qvg / qvg+qve
■ 截面含率ac,，說明分相流量在某一截面A上所占的比例，氣相為Ag,、液相為Ae,，如氣油兩相ac＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
■ 容積含率a，說明分相流體在某一管道長度段容積V所占的容積,，氣相為Vg,、液相為Ve，如氣液兩相a＝Vg / V＝Vg / Vg+Ve
■ 混合流密度
?、倭鲃用芏?rho;o,，單位時間內(nèi)，流過某一截面的兩相混合物總質(zhì)量qm與總積qv之比,，如氣相密度為ρg,，液相密度為ρe，則氣液相流的流動密度,。
ρo＝ρg b+pe (1-b)
②真實(shí)密度ρm,，在管道中取一微元體DV,，在某一時間，二相介質(zhì)的總質(zhì)量DM與總體積DV之比,，對氣液兩相流,，真實(shí)密度ρm＝ρq a + ρe (1-a)
$$$$$$$BK-198.jpg
■ 流速：二相流中各單相在管道中的流速并不一定相等，常有差異,，所以除了描述混合體的平均流速Vm外,，還應(yīng)說明分相流速在氣、液兩相流中,，氣相流速為Vg,，液相流速為Ve，它們之間的關(guān)系為VmA=VgAg+VeAe
在工程中常以分相流量除以管道截面A來表示分相流速,，即：
Vg＝qvg / A,，Ve＝ qve / A
分相流體的速度差為相對速度，氣液兩相流的相對流速為Vge
Vge＝ Vg - Ve
分相流體速度之比為速度滑移比S,，氣液兩相流速滑移比為：S＝Vg / Ve
■ 兩相流模型：兩相流的流態(tài)極為復(fù)雜,，建立一些典型的模型是研究各種測量方法的基礎(chǔ)，常用的有以下幾種：
均相流：氣,、液兩相為均勻的混合物,，相間不存在相對速度，S=1，如霧狀流
分相流：兩相為完全分離的兩種流體,，相間存在不同流速,，S≠1，如分層流
漂移通量：基本上是分相流,，研究的重點(diǎn)是相間的相對運(yùn)動,，適用于彈性流，環(huán)形流
流型公式,，為便于工程應(yīng)用,，對各種流型建立一些半經(jīng)驗(yàn)公式
為了便于研究，以上雖列出了一些氣,、液二相流的基本流型,，并描述了主要參數(shù)，而實(shí)際情況還要復(fù)雜得多,。經(jīng)常在同一管段中的不同管段,，由于下述原因，如流量的大??；流體物理性質(zhì)（溫度、壓力,、密度,、粘度、表面張力),；管道的位置（水平,、垂直、傾斜）,，管道截面或幾何形狀的變化都可能改變流型,，所以即使某種流量儀表成功地解決了某一流率的兩相流量測量，而因上述原因引起了流態(tài)的變化,，仍可能引入較大的測量誤差,。
二、常用測量方法
如圖2：
圖2 常用的測量方法
■ 完全分離
這種方法已用了幾十年,，即將氣液二相流通過分離器,，完全分離為氣、液兩相后,，再分別用單相流量儀表分別進(jìn)行計(jì)量,。分離器體積龐大、笨重,，價格昂貴（據(jù)稱一般需65萬美元左右一個）耗費(fèi)大量耗能鋼材,，且無法進(jìn)行在線測量，難以予測氣井的生產(chǎn)規(guī)律，極大制約了科學(xué)地進(jìn)行開采和管理,，而海上開采天然氣,，因作業(yè)平臺狹窄，也很難采用這種方法,。由于幾十年以來沒有成功的氣液兩相流量計(jì)可供選用,，采用完全分離方法應(yīng)屬無奈之舉。
■ 部分分離
又分為簡單分離與分流分離二種：
簡單分離是采用小型,、輕巧的分離器,，先將氣液兩相流進(jìn)行分離，由于小巧,，則分離效果較差,，不能達(dá)到完全分離的效果，分離出來的氣相還含少量的液相,，多呈環(huán)霧狀,，分離出來的液相還含有少量的氣相，多為泡狀流,。由于兩相流的流態(tài)是影響流量測量準(zhǔn)確度的重要因素,，這樣多予處理將有助于提高測量的準(zhǔn)確度及可靠性。這點(diǎn)有點(diǎn)類似于單相流量測量的流動調(diào)整器,，先改善流場,，再進(jìn)行測量?？梢蕴峁┖唵畏蛛x器的供應(yīng)商有Agar、Aker Kvaemer,、Accuflow,、Haimo等；可提供簡單分離二相流量計(jì)的供應(yīng)商有Agar,、西安開爾,、寧波威瑞泰等，簡單分離器的成本較低,，但也需要約25萬美元一臺,，體積約為傳統(tǒng)完全分離器的1/4,仍較為龐大。
分流分離法是取出管道中5-20%的兩相流,，用一個小型分離器分成氣,、液兩相流后，再用單相流量計(jì)分別進(jìn)行測量,，將測量結(jié)果按分流的比例換算為主管道中的氣,、液二相流量。這種方法貌似較完全分離法節(jié)約，減少了分離器的體積重量,、降低了成本,，較易實(shí)施。但弊往之隱藏在利之中,，取出的這部分流體,、氣液比率是否與主管道一致；流態(tài)是否會發(fā)生變化,；按分流比例換算能否得到必需的準(zhǔn)確度,，都是難以確定的。單相大口徑流量的測量也采用過類似的方法,，從大口徑管道中取出部分流量用小口徑流量測量,，再按比例推算，由于難以獲得必要的準(zhǔn)確度,，并未推廣應(yīng)用,。
看來，采取部分分離方法也并不太理想,，僅僅是在未得到理想兩相流量計(jì)之前的不得已而為之的權(quán)宜之計(jì),。徹底解決還是要采取非分離法，直接采用兩相流量計(jì),。
■ 直接測量
無需分離,，直接用氣液兩相流量計(jì)測出氣、液流量,，不僅具有體積小,、成本低、安裝方便等優(yōu)點(diǎn),，還可以實(shí)時在線測量,，采用RS232/485通訊，GPRS無線通訊進(jìn)行遠(yuǎn)程測控,，對氣田資源的預(yù)測,，科學(xué)地管理提供了可能。主要有以下幾種：
差壓式
是兩相流量計(jì)研究最為廣泛,，工作較為可靠,、穩(wěn)定的一種方法，它以分相或均相模型為基礎(chǔ)建立了流量與差壓的關(guān)系,，具體有以下三類：其一是經(jīng)典節(jié)流儀表如孔板,、文丘里為測量儀表，是迄今為止參予研究最多,、最成熟的一種方法,，產(chǎn)品已經(jīng)走出試驗(yàn)室,，進(jìn)入了實(shí)用的階段; 其二是當(dāng)兩相流體流過等截面直管段，根據(jù)摩擦,、加速度,、重力的變化所產(chǎn)生的差壓來建立模型; 其三是當(dāng)兩相流流經(jīng)彎頭，v形管等管件,，由于動量矩,、離心力所產(chǎn)生的動壓來測量氣、液分相流量,、以上這些方法,，國內(nèi)外廠家以應(yīng)用文丘里管較為成熟，如表1,?！ ?/p>
速度式
通過測量兩相流的流速來測量氣、液兩分相流量,、廣泛采用了新技術(shù),，如：
力學(xué)法－利用流體的動壓、動力矩,、離心力測流速
相關(guān)法－通過兩點(diǎn)的相關(guān)函數(shù)測流速
光學(xué)法－采用激光多普勒效應(yīng)或光纖技術(shù)測流速
熱學(xué)法－采用熱線風(fēng)速儀測流速
電磁法－利用電磁感應(yīng)測流速
核磁共振法－通過核磁共振原理測流速
容積式
通過氣,、液相的流體基本特性的差異達(dá)到測量分相的流量。如氣相體積流量與流動狀態(tài)下的壓力密切有關(guān);而液相的體積流量與流動狀態(tài)下的壓力基本無關(guān),。根據(jù)總體積流量,、壓力、溫度三個參數(shù)與被測介質(zhì)的熱力性質(zhì)可推算各分相的體積流量,。
質(zhì)量式
流體在流動中如果溫度,、壓力頻繁變化，將導(dǎo)致密度的變化,，使其容積流量不能反映質(zhì)量流量的大?。怏w尤為突出），而貿(mào)易的結(jié)算,、管理的核算主要的依據(jù)應(yīng)是質(zhì)量流量，所以兩相流量更希望得到的是分相的質(zhì)量流量,。目前科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在兩相流量測量中日益引人注目,。
三、氣,、液二相流量計(jì)簡介
■ 2002年由英國Solartron推出了二種氣,、液兩相流量計(jì)Dualstrem MKⅠ， MKⅡ,，MKⅠ型當(dāng)液相含量較高時,，虛高誤差過大,，要求定期用示法測量液體的含量，以提高準(zhǔn)確度,，由于這種方法不能在線實(shí)時測量,，難以滿足氣田的科學(xué)開采及管理，又推出了MKⅡ型,，它采用了混合器與兩個文丘里管組成,，對經(jīng)典文丘里進(jìn)行了改進(jìn)，入口角減小至21 ,加長了喉部長度,，擴(kuò)張角訂為15,， MKⅡ型附加了混合器，其作用是令氣,、液二相的速度滑移比s接近于1,在截面上分布盡量均勻,，流態(tài)近于均相流以提高準(zhǔn)確度。從二個文丘里管（或一臺文丘里加一臺節(jié)流裝置）得到的差壓信號,，按均相流的數(shù)學(xué)模型處理,，得到氣相含率qmg，再按總質(zhì)量流量qm,，分別求出氣,、液兩相流量，由于計(jì)算是基于Murdock數(shù)學(xué)模型,，比較簡單,，難以涵蓋復(fù)雜的各種現(xiàn)場，流量準(zhǔn)確度較低,，氣相可達(dá)±5%;液相僅±10%,。
圖3 U形管二相流量計(jì)原理圖,。
■ 倒U形管（圖3）研究表明,，流動密度與體積含氣率測量誤差間存在較好的線性關(guān)系，在氣相為連續(xù)相而液相為離散相的流態(tài)下,，氣相流速及實(shí)驗(yàn)流態(tài)對這種線性關(guān)系影響很小,，體積含氣率的測量誤差與流動密度呈單值線性關(guān)系。
當(dāng)上述這種氣,、液兩相流經(jīng)圖3所示的倒U形管時,，如管道截面為直管，流動穩(wěn)定,，從力學(xué)上講,，流體的壓降可由加速壓降、摩阻壓降,、重力位壓降三部分組成,。
在穩(wěn)定流動狀態(tài)下,，加速壓降可忽略不計(jì)，摩阻壓降在U形管上升與下降大小相等,，方向相反,，可以抵消，剩下的僅有重力位壓降,，簡化了計(jì)算公式,，再通過對流動密度的修正，據(jù)稱可獲得±1%的體積含氣率的測量精確度,。
■ T型氣液兩相流量計(jì)（圖4）主要用于天然氣的開采,，不用分離器，直接分別測量天然氣流量及其中所含液體（水,、油）流量,。
圖4 T型氣液兩相流量計(jì)
它的一次表采用了一臺優(yōu)化結(jié)構(gòu)的內(nèi)錐流量計(jì),、一臺文丘里管及二臺差壓變送器,、一臺壓力變送器、一臺溫度變送器,。二次表暫時采用ARM流量計(jì)算機(jī),，具有功耗低、穩(wěn)定性好,、外圍功能齊全,、大屏幕液晶顯示屏、良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn),，可在線顯示輸出壓力,、溫度、氣相,、液相流量,、掉電時間，實(shí)時測量,。具有模擬輸出,、RS232/485通訊、GPRS無線通訊等功能,。
該產(chǎn)品在國內(nèi)試運(yùn)行一年之久,，現(xiàn)場應(yīng)用表明，儀表工作穩(wěn)定可靠,，主要技術(shù)指標(biāo)接近甚至超出國外產(chǎn)品,，打破了國外產(chǎn)品在這一領(lǐng)域的壟斷地位,。
小結(jié)
■ 本文第一節(jié)簡介了多相流與單相流的差異,，它將隨著工況與環(huán)境的變化,，呈現(xiàn)多種的流態(tài)，而不同的流態(tài)將采用不同的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述,。流態(tài)是影響多相流量各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)鍵因素,，在某一分相流率應(yīng)用較好的流量計(jì)未必可成功應(yīng)用于其他情況。
■ 雖然我國研制的氣,、液兩相流量在現(xiàn)場應(yīng)用中取得了初步階段性的成果,，但現(xiàn)場應(yīng)用中將而臨許多在試驗(yàn)室中不可預(yù)料的難題，還需要一段時間逐一解決,，全面推廣應(yīng)用尚待時日,。