水平管道油气水三相流含水率测量.pdf

2 0 1 5年 第 3 4卷 第 l 期 传感器与微系统 T r a n s d u c e r a n d Mi c r o s y s t e m T e c h n o l o g i e s 1 3 5 DOI 1 0 ． 1 3 8 7 3 ／ J ． 1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 5 0 1 - 0 1 3 5 - 0 3 水平管道油气水三相流含水率测量 戴玮 ， 谭超 ， 董峰 天津大学 电气与自动化工程学院 天津市过程检测与控制重点实验室。 天津 3 0 0 0 7 2 摘要针对水为连续相和油为连续相的流动状态， 分别使用电导和电容传感器进行测量， 实现了不同连 续相条件下水平管油气水三相流的含水率检测。综合两种传感器的含水率实验结果， 测量的平均相对误 差为4 ． 8 8 ％， 为工业管道的油气水三相流动提供 了含水率在线检测的方法。 关键词油气水三相流；电导传感器；电容传感器； 相含率 中图分类号T H8 1 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 - 9 7 8 7 2 0 1 5 0 1 -01 3 5 - 0 3 M e a s u r e me n t o f r a t e o f wa t e r c o n t e nt i n ho r i z o n t a l o i l - wa t e r - g a s t h r e e p ha s e flo w ～ DAI W e i ，T AN Ch a o，DONG F e n g T i a n j i n Ke y L a b o r a t o r y o f P r o c e s s Me a s u r e me n t a n d C o n t r o l ， S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g a n d A u t o ma t i o n ， T i a n j i n U n i v e r s i t y ， T i a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Ai mi n g a t wa t e r c o n t i n u o u s a n d o i l c o n ti n u o u s p h a s e flo w s t a t e s ， c o n d u c ti v e s e n s o r s a n d c a p a c i t i v e s e n s o r s a r e u s e d r e s p e c t i v e l y t o r e a l i z e me a s u r e ．me n t o f r a t e o f w a t e r c o n t e n t o f o i l w a t e r g a s t h r e e p h a s e f l o w s i n h o ri z o n t a l p i p e i n d i f f e r e n t c o n t i n o u s p h a s e s ． T h e me a s u r e me n t o f t w o t y p e s o f s e n s o r a r e c o mb i n e d， a n d a v e r a g e r e l a t i v e e r r o r i s 4 ． 8 8％ ． p r o v i d e a n o n l i n e me t h o d t o me a s u r e r a t e o f w a t e r c o n t e n t f o r i n d u s t ria l p i p e l i n e o i l wa t e r g a s t h r e e p ha s e f l o ws ． Ke y wo r d s o i l g a s w a t e r t h r e e p h a s e fl o w；c o n d u c t i v e s e n s o r ；c a p a c i t i v e s e n s o r ；p h a s e v o l u me f r a c t i o n 0 引 言 ～ 多相流广泛存在于能源 、 石油、 化工 、 医药、 食品等工业 管道输送过程中， 多相流的主要待测参数包括流型、 流量、 流速 、 分相含率等， 在石油工业中油气水三相流尤为常见 ， 由于油气水三相流流动复杂 ， 待测参数较多， 对其精确测量 与过程特性的深入理解是相关工业设备设计和稳定运行的 重要保证⋯。国内外学者对油气水三相流的过程参数检 测 已经做 了很 多研究 工作 ， 也提 出 了很 多三相流 的测试 方 法 如相含率检测中的射线法 、 电学法 、 微波法 等， 以圾 流量测量 中的差 压流量 计 、 容 积式流 量计 、 速度 式 流量计等 。 电学法是一种常用的相含率检测方法， 其主要原理是 多相 流的每一 相介 质具 有各 自的电导率和介电常数 ， 因此 ， 当某相含率变化时， 通过测量随之发生的平均电导率和介 电常数的变化， 就能计算出各分相含率 。电学法按照测 量原理分为电容法和电导法， 电容法和电导法在测量中都 会受到流型的影响， 也仅局限于一定的含率范围⋯。油气 水三相流流动状态复杂， 在流动过程中， 随着油相流量和水 相流量比例的变化 ， 经常会发生“ 反相” 情况， 即连续相从 其中一相变为另外一相。以油水比卢 油流量与水流量 比值 为参考， 当油水比低于2 ． 4时， 通常水为连续相， 流体 主要表现为电导特性， 电容法无法对含率进行测量； 当油水 比高于2 ． 4时， 通常油为连续相， 此时流体主要表现为电容 特性 ， 传感器的电极之间电流无法通过， 导致流体的电导值 无法测量。为了实现水平管道中不同流型下油气水三相流 的含水率测量， 采用电导传感器一 电容传感器组合方法， 将 两种传感器并列安装， 参考连续相状态对传感器的测量数 据进行选择 当水为连续相时， 选用电导传感器的测量值计 算含水率 ； 当油为连续相时， 选择电容传感器的测量 值计算含水率。 1 电导一 电容传 感器 电导一 电容传感器结 构如 图 1所 示 。上游 方 向的传感 器为电导传感器。在管道内壁有嵌入 6个环形金属电极， 其中， E l 为激励电极 ， G1 为接地 电极 ， 电极宽度和问距均 收稿 日期 2 0 1 4 - 0 5 1 5 基金项目 国家 自 然科学基金科学仪器基础研究专项项 目 6 1 2 2 7 0 0 6 ； 国家重大科学仪器设备开发专项项目 2 o 1 1 Y Q 1 2 O O 4 8 - O 1 ； 天津科 技创新体系及 平台建设计划项 目 1 3 T X S Y J C 4 0 2 0 0 1 3 6 传 感 器 与 微 系 统 第3 4卷 已优化 J 。该传感器采用频率为1 0 k H z 的方波恒流电流作 为激励信号， 测量电极 M 2与 M 3间电势差 用于含水率 计算 ， 电极 M1与 M 2问电势差 、 电极 M3与 M 4问电势差 用于互相关混合流速计算。下游传感器为电容传感器， 在管道外壁相对位置贴有两组轴 向长度为 4 0 m lT l ， 圆心角 9 O 。 的电容极板。极板间和传感器外围均布有接地的屏蔽 极板， 防止外界环境对传感器的干扰。电容测量采用改进 的交流法电容检测电路 J ， 选用频率为 1 MH z的正弦信号 作为激励信号。 图 1 电导与 电容传感器的结构 Fi g 1 St r u c t ur e o f c o n d uc tiv e a n d c a p a c i t i v e s e n s o r s 2层流标 定实验与 动态 过程测试 2 ． 1 两相 流层 流 标 定 实验 分别对电导传感器和电容传感器在气水和油气的条件 下进行标定实验 ， 验证传感器对不同电导率或相对介电常 数介质的检测特性。实验时传感器水平放置， 管内介质为 空气 ， 每次注入 2 0 mL水 油 ， 并测量此时传感器的输出 值 ； 重复上述过程， 直至管道里充满液相， 最终得到不同含 水率 含油率 层流分布下的传感器输出值。 处理电导传感器数据时， 对测量到的电压进行归一化 ， 得 到 。 其中， 为管道充满水时测量值， 为管道 内为两相 或者三相时的测量值 。 测量电容值归一化方法如下 ， 1一 r C L ． 2 L 』 l lL e ra p t v 其中， c 为两相或者三相时测量值， C 为空管测量 值， C 圳为管道内充满油时测量值。 图2 a 为电导传感器气水层流标定结果； 图2 b 为电 容传感器油水层流标定结果， 可以看出 电导和电容传感器 的输出均和管道内液体的含率有 良好的线性关系， 仅在液 体含率接近 0 和 1 的时候出现偏差， 造成该偏差的原因是 ， 由于液体表面张力的作用， 当管道内只有少量液体或者气 体时， 管内离散相以液泡或者气泡的形式存在 ， 并且分布不 均匀。此时测量敏感区内的局部含率和整个管道内的平均 含率不相等， 导致测量结果与参考含率有一定的偏差。 2 ． 2 油气水三相流动过程模拟 实验 实验在天津大学油气水多相流实验装置上进行， 实验 装置结构如图 3所示。管道由内径 D5 0 t n m的不锈钢管 槲 曲 j 璺 j 含水率 a 电导传感器 含水率 ／ ％ b 电容传感器 b c a p a c it iv e S e l l s o r 图 2 层 流标定 实验结果 F i g 2 Ex p e r i me nt a l r e s u l t s o f s t r a t i fie d flo w c a l i br a ti o n 道和有机玻璃观察管段构成， 总长度为 l 6 ． 5 6 13 1 。测量管段 距离管道入 口1 5 ． 5 m， 即3 1 0 D处 ， 以便流型充分发展。实 验介 质为 自来水 、 空气和 1 5号工业 白油 。 图3 油气水多相流实验装置 Fi g 3 Ex pe r i me n t a l f a c i l i tie s o f o i l g a s - wa t e r mul t i ph a s e flo w 实验时， 在每一组实验中固定液相 水相和油相 的流 量， 即固定油水比， 确保流体中的连续相不会在实验过程中 改变。根据气相与液相形成的流型选取每一组实验的气相 流量范围， 保证每一组实验中不同数据点的流型相同。表 1 为具体的实验配置分组和标准状况下每一组的实验条件。 表 1 油气水三相流动过程实验条件 Ta b 1 Ex pe r i m e n ta l c o n di ti o n s o fflo w pr o c e s s of o i l - g a s wa t e r t h r e e - p h a s e 3 实验结果与讨论 流动模拟实验结果如图4所示。在第 1 组 一 第 4组实 第 1期 戴玮， 等 水平管道油气水三相流含水率测量 1 3 7 验中， 油水 比小于 2 ． 4 ， 此时电导传感器为主要测量装置。 从实验结果中可以看出， 在层流、 泡状流和塞状流这三种流 型条件下， 电导传感器可以实现对水为连续相的油气水三 相流含水率进行测量 ， 且无量纲电导 G 与入口参考含水率 之间基本为线性关系。但在流动的过程中， 空气和油 中均 会出现离散的水滴 ， 由于气相和油相都是绝缘的， 因此 ， 这 些水滴无法被传感器测量到， 导致测量到的含水率略低于 参考含水率。这种现象在图4中表现为数据点分布在斜率 为 1的参考线 的下方 。 0 ． 7 0 ． 6 0 ． 5 0 ． 4 0 ． 3 0 ． 2 O ． 1 含水率 ／ ％ 图 4 电导一 电容传感器动态实验曲线 Fi g 4 Cu r v e o f d y na mi c e x pe r i m e nt o f c o n du c t i V e - c a p a c i tiv e l l s o r 在环状流条件下， 由于气体流量较大， 液体仅存在于管 壁附近， 形成一层液膜。当液体为油水混合物时， 由于油和 水不能相溶， 而且液膜的厚度较小不能让油在水中形成油 滴 ， 因此 ， 在液膜 中会形成一种油和水均 不连续 的状 态。在 这种情况下， 电导传感器的环形 电极之间不能形成持续导 通的状态， 而是时而导通时而断开。因此， 电导传感器不能 对流体中的含水率进行准确测量。当电极之间液膜为导通 状态时， 从电极上采集到有效的电势差， 即传感器输出信号 正常； 而当2个环形电极之间断开时， 采集到的电势差几乎 为 0 ， 即传感器没有输出信号。随着流体中含水率的增加， 液膜为导通状态的频率随之增加 ， 采集到的有效 电势差也 相应增多， 经过 3 0 s采集后求得 的平均值就会增大。由 式 1 可以看出， 采集到的电势差的平均值越大， 求得的无 量纲电导值就越小。因此 ， 虽然在环状流条件下 电导传感 器不能正确地测量流体中的含水率， 但是其测量结果计算 出的无量纲电导值也随含水率的升高而降低。 在第5组和第 6组实验中， 油水 比大于 2 ． 4， 此时电容 传感器为主要测量装置。可以看出 在不同流型条件下， 电 容传感器对含水率的变化均有良好的线性响应。气体流量 的大小不会影响电容传感器的测量结果。 图5为不同流型条件下的平均相对误差。可以看 出 8 5 ． 7 ％的电导传感器测量数据和 9 l _ 7％的电容传感器测 量数据分布在 1 0 ％的相对误差范围内， 含水率测量总体 实验结果的平均相对误差为4 ． 8 8 ％。 2O l 5 1 O 5 0 -5 1 0 一l 5 - 2 0 ． - 电 导一 察 状弼 c ． 电导． 瑶褫 电导- 泡批潍 。 ． ， - ’ 电释- 簋状流 电容． 环状流 ； ． 。 ． ● 。 ． ’ 0 l 0 2 0 3 0 4 0 5 O 含水率 图 5含水率与相对误差关系 Fi g 5 Re l a t i o n s h i p b e t we e n r e l a t i v e e r r o r s a n d r a t e o fwa ter c o n t e n t 4结论 针对油气水三相流的在线检测问题， 将电导传感器和 电容传感器相结合， 进行水平管道中油气水三相流的含水 率测量。 当油水比小于2 ． 4时， 测量以电导传感器为主。在层 流、 泡状流、 塞状流条件下， 可实现含水率测量， 而在环状流 条件下， 电导传感器不能进行测量 ； 当油水比大于 2 ． 4时， 测量以电容传感器为主。在不 同流型下， 可以实现含水率 测量 ， 电导传感器和电容传感器对于三相流含水率测量的 平均误差为 4 ． 8 8 ％ 。 参考文献 [ 1 ] T h o rn R， J o h a n s e n G A ， H j e a k e r B T ． T h r e e p h a s e fl o w m e a - s u r e me n t i n t h e p e t r o l e u m i n d u s t r y [ J ] ． Me a s u r e me n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 3 ， 2 4 1 0 1 2 0 0 3 ． [ 2 ] T h o r n R， J o h ans e n G A， H a mm e r E A ． R e c e n t d e v e l o p me n t s i n t h r e e - p h a s e fl o w me a s u r e m e n t[ J ] ．Me a s u r e me n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 1 9 9 7 ， 8 7 6 9 1-7 0 1 ． [ 3 ] A b r o E， J o h a n s e n G A． I mp r o v e d v o i d f r a c t io n d e t e r m i n a t i o n b y me a n s o f mu h i b e a m g a mm a r a y a t t e n u a t i o n m e a s u r e m e n t s [ J ] ． F l o w Me a s u r e m e n t a n d I n s t r u me n t a t i o n ， 1 9 9 9 ， 1 0 2 9 9-1 0 8 ． [ 4 ]D y k e e e n E ． No n - i n t r u s i v e t h r e e c o m p o n e n t r a t i o n m e a s u r e m e n t u s i n g a n i mp e d anc e s e n s o r [ J ] ． J o u rna l o f P h y s i c s ES c i e n t i fi c I n s t ru me n t s ， 1 9 8 5， 1 8 5 4 0 --5 4 4． [ 5 ] N y f o s E． I n d u s t ri a l m i c r o w a v e s e n s 0 r s A r e v i e w[ J ] ． S u b s u rf a c e S e n s i n g T e c h n o l o g i e s a n d A p p l i c a t i o n s ， 2 0 0 0 ， 1 1 2 3-- 4 3 ． [ 6 ] 谭超， 董峰． 多相流过程参数检测技术综述[ J ] ． 自动化 学报 ， 2 0 1 3， 3 9 I 1 1 9 2 3--1 9 3 2 ． [ 7 ] 施 艳艳 ， 董峰， 谭超． 两相 流测量 中环形 电导传感 器特性 研究[ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 1 0 ， 3 0 1 7 6 2 -- 6 6 ． [ 8 ] 杨道业 ， 许传龙， 周宾， 等． 基于单检测通道的电容层析成 像系统 [ J ] ． 仪器仪表学报 ， 2 0 1 0 1 1 3 2--1 3 6 ． 作者简介 戴玮 1 9 8 9一 ， 男 ， 天津人 ， 硕士研究 生 ， 主要研究 方 向为 多 相 流传感器设计 。 靛 霉 靼蹄 骄卿