戴 瑋，譚 超，董 峰

(天津大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院 天津市過程檢測與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072)

0 引 言

多相流廣泛存在于能源、石油、化工、醫(yī)藥、食品等工業(yè)管道輸送過程中，多相流的主要待測參數(shù)包括流型、流量、流速、分相含率等，在石油工業(yè)中油氣水三相流尤為常見，由于油氣水三相流流動復(fù)雜，待測參數(shù)較多，對其精確測量與過程特性的深入理解是相關(guān)工業(yè)設(shè)備設(shè)計(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證［1］。國內(nèi)外學(xué)者對油氣水三相流的過程參數(shù)檢測已經(jīng)做了很多研究工作，也提出了很多三相流的測試方法［2］，如相含率檢測中的射線法［3］、電學(xué)法［4］、微波法［5］等，以及流量測量中的差壓流量計(jì)、容積式流量計(jì)、速度式流量計(jì)等［6］。

電學(xué)法是一種常用的相含率檢測方法，其主要原理是:多相流的每一相介質(zhì)具有各自的電導(dǎo)率和介電常數(shù)，因此，當(dāng)某相含率變化時(shí)，通過測量隨之發(fā)生的平均電導(dǎo)率和介電常數(shù)的變化，就能計(jì)算出各分相含率［4］。電學(xué)法按照測量原理分為電容法和電導(dǎo)法，電容法和電導(dǎo)法在測量中都會受到流型的影響，也僅局限于一定的含率范圍［1］。油氣水三相流流動狀態(tài)復(fù)雜，在流動過程中，隨著油相流量和水相流量比例的變化，經(jīng)常會發(fā)生“反相”情況，即連續(xù)相從其中一相變?yōu)榱硗庖幌?。以油水比βo/w(油流量與水流量比值)為參考，當(dāng)油水比低于2.4 時(shí)，通常水為連續(xù)相，流體主要表現(xiàn)為電導(dǎo)特性，電容法無法對含率進(jìn)行測量;當(dāng)油水比高于2.4 時(shí)，通常油為連續(xù)相，此時(shí)流體主要表現(xiàn)為電容特性，傳感器的電極之間電流無法通過，導(dǎo)致流體的電導(dǎo)值無法測量。為了實(shí)現(xiàn)水平管道中不同流型下油氣水三相流的含水率測量，采用電導(dǎo)傳感器—電容傳感器組合方法，將兩種傳感器并列安裝，參考連續(xù)相狀態(tài)對傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇:當(dāng)水為連續(xù)相時(shí)，選用電導(dǎo)傳感器的測量值計(jì)算含水率(Hw);當(dāng)油為連續(xù)相時(shí)，選擇電容傳感器的測量值計(jì)算含水率。

1 電導(dǎo)—電容傳感器

電導(dǎo)—電容傳感器結(jié)構(gòu)如圖1 所示。上游方向的傳感器為電導(dǎo)傳感器。在管道內(nèi)壁有嵌入6 個(gè)環(huán)形金屬電極，其中，E1為激勵(lì)電極，G1為接地電極，電極寬度和間距均已優(yōu)化［7］。該傳感器采用頻率為10 kHz 的方波恒流電流作為激勵(lì)信號，測量電極M2 與M3 間電勢差V2用于含水率計(jì)算，電極M1 與M2 間電勢差V1、電極M3 與M4 間電勢差V3用于互相關(guān)混合流速計(jì)算。下游傳感器為電容傳感器，在管道外壁相對位置貼有兩組軸向長度為40 mm，圓心角90°的電容極板。極板間和傳感器外圍均布有接地的屏蔽極板，防止外界環(huán)境對傳感器的干擾。電容測量采用改進(jìn)的交流法電容檢測電路［8］，選用頻率為1 MHz 的正弦信號作為激勵(lì)信號。

圖1 電導(dǎo)與電容傳感器的結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of conductive and capacitive sensors

2 層流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與動態(tài)過程測試

2.1 兩相流層流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

分別對電導(dǎo)傳感器和電容傳感器在氣水和油氣的條件下進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證傳感器對不同電導(dǎo)率或相對介電常數(shù)介質(zhì)的檢測特性。實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器水平放置，管內(nèi)介質(zhì)為空氣，每次注入20 mL 水(油)，并測量此時(shí)傳感器的輸出值;重復(fù)上述過程，直至管道里充滿液相，最終得到不同含水率(含油率)層流分布下的傳感器輸出值。

處理電導(dǎo)傳感器數(shù)據(jù)時(shí)，對測量到的電壓進(jìn)行歸一化，得到

其中，V0為管道充滿水時(shí)測量值，Vm為管道內(nèi)為兩相或者三相時(shí)的測量值。

測量電容值歸一化方法如下

其中，Cm為兩相或者三相時(shí)測量值，Cempty為空管測量值，Cfull為管道內(nèi)充滿油時(shí)測量值。

圖2(a)為電導(dǎo)傳感器氣水層流標(biāo)定結(jié)果;圖2(b)為電容傳感器油水層流標(biāo)定結(jié)果，可以看出:電導(dǎo)和電容傳感器的輸出均和管道內(nèi)液體的含率有良好的線性關(guān)系，僅在液體含率接近0 和1 的時(shí)候出現(xiàn)偏差，造成該偏差的原因是，由于液體表面張力的作用，當(dāng)管道內(nèi)只有少量液體或者氣體時(shí)，管內(nèi)離散相以液泡或者氣泡的形式存在，并且分布不均勻。此時(shí)測量敏感區(qū)內(nèi)的局部含率和整個(gè)管道內(nèi)的平均含率不相等，導(dǎo)致測量結(jié)果與參考含率有一定的偏差。

2.2 油氣水三相流動過程模擬實(shí)驗(yàn)

圖2 層流標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig 2 Experimental results of stratified flow calibration

實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)油氣水多相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖3 所示。管道由內(nèi)徑D=50 mm 的不銹鋼管道和有機(jī)玻璃觀察管段構(gòu)成，總長度為16.56 m。測量管段距離管道入口15.5 m，即310D 處，以便流型充分發(fā)展。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為自來水、空氣和15 號工業(yè)白油。

圖3 油氣水多相流實(shí)驗(yàn)裝置Fig 3 Experimental facilities of oil-gas-water multiphase flow

實(shí)驗(yàn)時(shí)，在每一組實(shí)驗(yàn)中固定液相(水相和油相)的流量，即固定油水比，確保流體中的連續(xù)相不會在實(shí)驗(yàn)過程中改變。根據(jù)氣相與液相形成的流型選取每一組實(shí)驗(yàn)的氣相流量范圍，保證每一組實(shí)驗(yàn)中不同數(shù)據(jù)點(diǎn)的流型相同。表1為具體的實(shí)驗(yàn)配置分組和標(biāo)準(zhǔn)狀況下每一組的實(shí)驗(yàn)條件。

表1 油氣水三相流動過程實(shí)驗(yàn)條件Tab 1 Experimental conditions of flow process of oil-gas-water three-phase

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

流動模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。在第1 組～第4 組實(shí)驗(yàn)中，油水比小于2.4，此時(shí)電導(dǎo)傳感器為主要測量裝置。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出，在層流、泡狀流和塞狀流這三種流型條件下，電導(dǎo)傳感器可以實(shí)現(xiàn)對水為連續(xù)相的油氣水三相流含水率進(jìn)行測量，且無量綱電導(dǎo)G*與入口參考含水率之間基本為線性關(guān)系。但在流動的過程中，空氣和油中均會出現(xiàn)離散的水滴，由于氣相和油相都是絕緣的，因此，這些水滴無法被傳感器測量到，導(dǎo)致測量到的含水率略低于參考含水率。這種現(xiàn)象在圖4 中表現(xiàn)為數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在斜率為1 的參考線的下方。

圖4 電導(dǎo)—電容傳感器動態(tài)實(shí)驗(yàn)曲線Fig 4 Curve of dynamic experiment of conductive-capacitive sensor

在環(huán)狀流條件下，由于氣體流量較大，液體僅存在于管壁附近，形成一層液膜。當(dāng)液體為油水混合物時(shí)，由于油和水不能相溶，而且液膜的厚度較小不能讓油在水中形成油滴，因此，在液膜中會形成一種油和水均不連續(xù)的狀態(tài)。在這種情況下，電導(dǎo)傳感器的環(huán)形電極之間不能形成持續(xù)導(dǎo)通的狀態(tài)，而是時(shí)而導(dǎo)通時(shí)而斷開。因此，電導(dǎo)傳感器不能對流體中的含水率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。當(dāng)電極之間液膜為導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，從電極上采集到有效的電勢差，即傳感器輸出信號正常;而當(dāng)2 個(gè)環(huán)形電極之間斷開時(shí)，采集到的電勢差幾乎為0，即傳感器沒有輸出信號。隨著流體中含水率的增加，液膜為導(dǎo)通狀態(tài)的頻率隨之增加，采集到的有效電勢差也相應(yīng)增多，經(jīng)過30 s 采集后求得的平均值就會增大。由式(1)可以看出，采集到的電勢差的平均值越大，求得的無量綱電導(dǎo)值就越小。因此，雖然在環(huán)狀流條件下電導(dǎo)傳感器不能正確地測量流體中的含水率，但是其測量結(jié)果計(jì)算出的無量綱電導(dǎo)值也隨含水率的升高而降低。

在第5 組和第6 組實(shí)驗(yàn)中，油水比大于2.4，此時(shí)電容傳感器為主要測量裝置?？梢钥闯?在不同流型條件下，電容傳感器對含水率的變化均有良好的線性響應(yīng)。氣體流量的大小不會影響電容傳感器的測量結(jié)果。

圖5 為不同流型條件下的平均相對誤差?？梢钥闯?85.7%的電導(dǎo)傳感器測量數(shù)據(jù)和91.7%的電容傳感器測量數(shù)據(jù)分布在±10%的相對誤差范圍內(nèi)，含水率測量總體實(shí)驗(yàn)結(jié)果的平均相對誤差為4.88%。

圖5 含水率與相對誤差關(guān)系Fig 5 Relationship between relative errors and rate of water content

4 結(jié) 論

針對油氣水三相流的在線檢測問題，將電導(dǎo)傳感器和電容傳感器相結(jié)合，進(jìn)行水平管道中油氣水三相流的含水率測量。

當(dāng)油水比小于2.4 時(shí)，測量以電導(dǎo)傳感器為主。在層流、泡狀流、塞狀流條件下，可實(shí)現(xiàn)含水率測量，而在環(huán)狀流條件下，電導(dǎo)傳感器不能進(jìn)行測量;當(dāng)油水比大于2.4 時(shí)，測量以電容傳感器為主。在不同流型下，可以實(shí)現(xiàn)含水率測量，電導(dǎo)傳感器和電容傳感器對于三相流含水率測量的平均誤差為4.88%。

［1］ Thorn R，Johansen G A，Hjertaker B T.Three－phase flow measurement in the petroleum industry［J］.Measurement Science and Technology，2013，24(1):012003.

［2］ Thorn R，Johansen G A，Hammer E A.Recent developments in three－phase flow measurement［J］.Measurement Science and Technology，1997，8(7):691－701.

［3］ Abro E，Johansen G A.Improved void fraction determination by means of multibeam gamma－ray attenuation measurements［J］.Flow Measurement and Instrumentation，1999，10(2):99－108.

［4］ Dykesteen E.Non－intrusive three component ration measurement using an impedance sensor［J］.Journal of Physics E:Scientific Instruments，1985，18:540－544.

［5］ Nyfors E.Industrial microwave sensors—A review［J］.Subsurface Sensing Technologies and Applications，2000，1(1):23－43.

［6］ 譚 超，董 峰.多相流過程參數(shù)檢測技術(shù)綜述［J］.自動化學(xué)報(bào)，2013，39(11):1923－1932.

［7］ 施艷艷，董 峰，譚 超.兩相流測量中環(huán)形電導(dǎo)傳感器特性研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30(17):62－66.

［8］ 楊道業(yè)，許傳龍，周 賓，等.基于單檢測通道的電容層析成像系統(tǒng)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2010(1):132－136.