多相流检测研究进展

2017-11-24邢天阳

科技资讯 2017年27期

邢天阳

摘要：流体的多相流动广泛存在于多个领域，如动力、石油、化工等。多相流检测一直是流体测量领域的一个难点。本文分析了多相流体的流动特征，说明工业检测多相流的困难所在。本文介绍了现阶段多相流流体检测现状，详细介绍现阶段较为成熟的工业多相流检测手段、说明其检测原理并分析各自的优缺点。主要介绍过程层析成像技术理论以及过程层析多相流基本原理以及结构组成。由此分析并提出多相流检测今后可能的发展方向。

关键词：多相流过程层析成像发展趋势

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）09（c）-0113-02

现阶段，多相流检测技术需求最大的石油工业。国内外是由工业经过几十年的发展，现阶段的研究重点转移到了研究高含水率的油、气、水多相流量计。但是目前，世界大部分油井尚未到达高含水率开采阶段。不可否认，高含水率多项流量计是未来的发展趋势，具有重大的研究价值。本文所研究的多相流检测技术以油、气、水多相流的流量测量为主要研究对象。

1 多相流的特征

多相流是指含有两项及两项以上的物质或者相的流动，多项流动的主要特征有以下几个方面，第一，不均匀速度，相间速度不均匀；第二，相不稳定，多相流的相界面的时空不稳定；第三，特性复杂，多相流的特征参数比单项流动要多。

多项流动检测困难之处体现在：第一，非均匀混合，各相有趋向分离的趋势；第二，不稳定流动，相间存在相对速度，相界时空不稳定；第三，不规则混合，混合结果没有规律性。第四，各相之间存在相互作用。例如气体在液相中被吸收等。第五，流动形态较为复杂，表征多相流的特征参数较多。

2 多相流检测现状

从检测模式分类，现阶段检测多相流方法主要有分离式检测法、部分分离式和不分离式检测法。

2.1 多相流检测手段

分离式检测方法的主要原理是将多相流体进行分离，对分离过后的流体用单相表进行计量。其测量的精度主要依赖于分离效率与质量。特殊情况下，分离器本身自成一个系统。除此以外，由于体积重量都较大，不宜实时测量，维护费用较高。

部分分离法主要原理是将易分离的相先分离出来，将剩下的相混合计量。此测量方法目前仍处于试用阶段，较完全分离式体积重量较小，但维护费用依然较高。

不分离法的主要原理是不分离多相流，直接检测流量信息。这种测量方法体积小，可实时测量，维护费用也最低。其缺点也比较明显，无法适用于各种流型，技术尚不成熟，实用性差，具有辐射，造价高，精度低。

2.2 工业用多相流检测设备

工业上广泛使用的多相流量计主要有分离式和不分离式。受限于技术水平，目前为止，国际上尚未统一多相流量计的性能标准。

分离式多项流量计最具代表性的有Texaco公司生产的SMS多相流量计，Euromatic公司生产的多相流量计，美国Agar公司生产的MPFM-400型多相流量计以及美国Accuflow公司生产的AF系列多相流量计。其测量精度大多在5%～10%之间，测量精度高低与含气率有较大关系。

由于不分离法能够在不对液体进行分离情况下直接测量，具有很大的优越性，是目前工业用多项流量计的主要发展方向。要实现油、气、水多相流量计量，需要测定各相的含率与流速。目前主要应用的技术手段有混合压差法、正排量法以及互相关技术。其中，互相关技术应用最多。多相流量计造价高昂，因此应用范围比较小。此外，很多流量计使用射线作为检测手段，安全性堪忧。

3 过程层析成像技术

3.1 过程层析成像技术背景

过程成像技术源于医学技术，主要研究多相流体，并对过程参数实时监测的技术。经过多年的发展，目前过程层析成像技术可以检测多相流体的二维、三维的时空局部微观分布信息，很好地克服了多相流流动特性复杂多变，采用常规手段较难检测的困难，为多相流领域开辟了很好的在线测量和监测的途径，是目前多相流测量研究的前沿和趋势之一。过程层析成像技术主要分为两类，一是具有图像重建运算；二是不具有图像重建运算。

3.2 过程层析成像技术分类

3.2.1 图像重建工作原理

图像重建层析成像系统结构较为复杂。检测部分主要是敏感元器件组成的空间阵列。信号处理部分由信号处理及数据采集单元组成。显示部分由图像重建单元、解释单元、分析单元以及图像实时成像单元组成。检测部分安装于管道或者容器的截面上，检测部分的空间敏感元件阵列对被测流场进行空间投影，得到二维、三维的流场分布状况信息。信号处理部分输出相应的信号给显示部分。显示部分的图像重建单元对送来的信号进行处理，综合运用反投影，迭代重建算法，定位容器内的相分布，测算管道截面或者容器局部区域的原始信息，通过数学处理与分析，给出各种检测的参数值或者在图像上表征被测流体各相分布状况的像素灰度值。最后将所有信息汇集于显示设备，显示设备上显示被测管道截面的相分布实时图像，被测流场的特性参数。

图像重建过程层析技术可以根据敏感元器件的测量原理进行分类，采用射线原理的测量技术的包括有x射线、γ射线、中子射线、正电子、光子，采用超声波测量，也有应用电学传感器测量例如电阻、电容、电磁感应现象的。还有光学及核磁共振成像等几类十余种方法。不同的过程层析成像技术的选择需要综合考慮时间和空间分辨率以满足实际测量需要。

3.2.2 无需图像重建运算工作原理

随着过程层析成像技术的发展，近几年出现了一种新的过程成像技术无需图像重建运算。其原理是将网状电导传感器排列成阵列，直接采集电压信号代替二进制计数实现无图像重建的过程层析成像。

无需图像重建技术需要依靠特殊的传感器，即网状电极传感器。这种传感器由两种电极组成，即发送电极和接收电极。两电极组成相互垂直，两网状电极平面距离非常近。两种电极的交错点组成测量敏感点。测量敏感点类似于探针的作用，网状电极组成的测量敏感点分布于整个管道横截面，通过测量敏感测点电导率的变化就可以确定各点处介质的分布，进行实时成像。endprint

3.3 过程层析技术要求

对于需要图像重建的过程层析成像技术，图像重建是关键的一步，通过一定的图像重建算法完成由投影数据到图像这一问题。图像重建运算在整个过程层析成像中起着非常关键的作用，不仅影响成像质量，也影响成像的速度。过程层析成像系统的关键在于传感器的选择。这是因为多相流体系复杂，并且快速发生变化，流体的流动结构和形态及流体流动特性随机改变，给测量带来了很大的困难。因此要求过程层析成像系统必须快速采集数据，快速重建以及快速成像。这样才能实现多相流实时在线监测与检测的目的。

除此之外，必须控制成本与安全性。目前多相流检测设备仪器大多比较昂贵，维护费用高昂。过程层析技术的敏感元器件必须将成本控制在合理的范围以内，以便实现技术的推广。对于应用放射性物质作为敏感元器件的测量手段，必须保证仪器的安全性和可靠性，否则无法应用在工业生产和生活上。

4 多相流检测发展趋势

目前多相流计量检测主要有以下发展趋势：

（1）根据以往的多相流检测思路，分离式检测方法仍然是目前多相流检测的研究重点，研究并改进成熟的单相流体参数测试技术与测量仪表仍然是目前这个领域重要的研究方向。

（2）随着未来检测技术的发展，在多相流量计检测方面，可以重点关注提高目前已经成熟的传感器和流量计的灵敏度、准确度、可靠性。

（3）目前的技术无法实现多相流局部空间实现实时微观和瞬态测量，未来，可以借助计算机成像技术，获取更多的多相流体空间信息，实现局部微观与瞬态测量。

（4）目前在多相流检测领域相关法已有相当理论研究基础。日后，可以尝试将相关法应用于实际测量装置上，推广此类技术。

（5）不可否认，对多相流参数的检测总存在着一定的误差，但是实际过程中对参数精度的要求不尽相同。很多情况下，多相流检测不需要非常高的测量精度。这为对多相流参数进行估计提供了条件。随即过程理论与信号处理技术以及相关的理论广泛应用与发展为软测量提供了研究条件。

（6）表征多相流动的主要为多相流动的过程参数，对这些参数仍然有许多基础性的理论研究没有完成。同时，多相流参数的检验标定、误差分析尚处于起步研究阶段。因此，对这些領域的基础研究仍是突破多相流领域发展瓶颈的重要方向。

参考文献

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[2] 王月明，孔令富，刘兴斌，等.电磁相关法流量测量传感器检测电极距离研究[J].传感器与微系统，2014，33（7）：49-52.