水平管道油氣水三相流含水率測量*

戴 瑋，譚 超，董 峰

(天津大學 電氣與自動化工程學院 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津300072)

0 引 言

多相流廣泛存在于能源、石油、化工、醫藥、食品等工業管道輸送過程中，多相流的主要待測參數包括流型、流量、流速、分相含率等，在石油工業中油氣水三相流尤為常見，由于油氣水三相流流動復雜，待測參數較多，對其精確測量與過程特性的深入理解是相關工業設備設計和穩定運行的重要保證［1］。國內外學者對油氣水三相流的過程參數檢測已經做了很多研究工作，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］、電學法［4］、微波法［5］等，以及流量測量中的差壓流量計、容積式流量計、速度式流量計等［6］。

電學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具有各自的電導率和介電常數，因此，當某相含率變化時，通過測量隨之發生的平均電導率和介電常數的變化，就能計算出各分相含率［4］。電學法按照測量原理分為電容法和電導法，電容法和電導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復雜，在流動過程中，隨著油相流量和水相流量比例的變化，經常會發生“反相”情況，即連續相從其中一相變為另外一相。以油水比βo/w(油流量與水流量比值)為參考，當油水比低于2.4 時，通常水為連續相，流體主要表現為電導特性，電容法無法對含率進行測量;當油水比高于2.4 時，通常油為連續相，此時流體主要表現為電容特性，傳感器的電極之間電流無法通過，導致流體的電導值無法測量。為了實現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，參考連續相狀態對傳感器的測量數據進行選擇:當水為連續相時，選用電導傳感器的測量值計算含水率(Hw);當油為連續相時，選擇電容傳感器的測量值計算含水率。

1 電導—電容傳感器

電導—電容傳感器結構如圖1 所示。上游方向的傳感器為電導傳感器。在管道內壁有嵌入6 個環形金屬電極，其中，E1為激勵電極，G1為接地電極，電極寬度和間距均已優化［7］。該傳感器采用頻率為10 kHz 的方波恒流電流作為激勵信號，測量電極M2 與M3 間電勢差V2用于含水率計算，電極M1 與M2 間電勢差V1、電極M3 與M4 間電勢差V3用于互相關混合流速計算。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，防止外界環境對傳感器的干擾。電容測量采用改進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信號。

圖1 電導與電容傳感器的結構Fig 1 Structure of conductive and capacitive sensors

2 層流標定實驗與動態過程測試

2.1 兩相流層流標定實驗

分別對電導傳感器和電容傳感器在氣水和油氣的條件下進行標定實驗，驗證傳感器對不同電導率或相對介電常數介質的檢測特性。實驗時傳感器水平放置，管內介質為空氣，每次注入20 mL 水(油)，并測量此時傳感器的輸出值;重復上述過程，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。

處理電導傳感器數據時，對測量到的電壓進行歸一化，得到

其中，V0為管道充滿水時測量值，Vm為管道內為兩相或者三相時的測量值。

測量電容值歸一化方法如下

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

圖2(a)為電導傳感器氣水層流標定結果;圖2(b)為電容傳感器油水層流標定結果，可以看出:電導和電容傳感器的輸出均和管道內液體的含率有良好的線性關系，僅在液體含率接近0 和1 的時候出現偏差，造成該偏差的原因是，由于液體表面張力的作用，當管道內只有少量液體或者氣體時，管內離散相以液泡或者氣泡的形式存在，并且分布不均勻。此時測量敏感區內的局部含率和整個管道內的平均含率不相等，導致測量結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驗

圖2 層流標定實驗結果Fig 2 Experimental results of stratified flow calibration

實驗在天津大學油氣水多相流實驗裝置上進行，實驗裝置結構如圖3 所示。管道由內徑D=50 mm 的不銹鋼管道和有機玻璃觀察管段構成，總長度為16.56 m。測量管段距離管道入口15.5 m，即310D 處，以便流型充分發展。實驗介質為自來水、空氣和15 號工業白油。

圖3 油氣水多相流實驗裝置Fig 3 Experimental facilities of oil-gas-water multiphase flow

實驗時，在每一組實驗中固定液相(水相和油相)的流量，即固定油水比，確保流體中的連續相不會在實驗過程中改變。根據氣相與液相形成的流型選取每一組實驗的氣相流量范圍，保證每一組實驗中不同數據點的流型相同。表1為具體的實驗配置分組和標準狀況下每一組的實驗條件。

表1 油氣水三相流動過程實驗條件Tab 1 Experimental conditions of flow process of oil-gas-water three-phase

3 實驗結果與討論

流動模擬實驗結果如圖4 所示。在第1 組～第4 組實驗中，油水比小于2.4，此時電導傳感器為主要測量裝置。從實驗結果中可以看出，在層流、泡狀流和塞狀流這三種流型條件下，電導傳感器可以實現對水為連續相的油氣水三相流含水率進行測量，且無量綱電導G*與入口參考含水率之間基本為線性關系。但在流動的過程中，空氣和油中均會出現離散的水滴，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，導致測量到的含水率略低于參考含水率。這種現象在圖4 中表現為數據點分布在斜率為1 的參考線的下方。

圖4 電導—電容傳感器動態實驗曲線Fig 4 Curve of dynamic experiment of conductive-capacitive sensor

在環狀流條件下，由于氣體流量較大，液體僅存在于管壁附近，形成一層液膜。當液體為油水混合物時，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的狀態。在這種情況下，電導傳感器的環形電極之間不能形成持續導通的狀態，而是時而導通時而斷開。因此，電導傳感器不能對流體中的含水率進行準確測量。當電極之間液膜為導通狀態時，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2 個環形電極之間斷開時，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，液膜為導通狀態的頻率隨之增加，采集到的有效電勢差也相應增多，經過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，求得的無量綱電導值就越小。因此，雖然在環狀流條件下電導傳感器不能正確地測量流體中的含水率，但是其測量結果計算出的無量綱電導值也隨含水率的升高而降低。

在第5 組和第6 組實驗中，油水比大于2.4，此時電容傳感器為主要測量裝置。可以看出: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。氣體流量的大小不會影響電容傳感器的測量結果。

圖5 為不同流型條件下的平均相對誤差。可以看出:85.7%的電導傳感器測量數據和91.7%的電容傳感器測量數據分布在±10%的相對誤差范圍內，含水率測量總體實驗結果的平均相對誤差為4.88%。

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

4 結 論

針對油氣水三相流的在線檢測問題，將電導傳感器和電容傳感器相結合，進行水平管道中油氣水三相流的含水率測量。

當油水比小于2.4 時，測量以電導傳感器為主。在層流、泡狀流、塞狀流條件下，可實現含水率測量，而在環狀流條件下，電導傳感器不能進行測量;當油水比大于2.4 時，測量以電容傳感器為主。在不同流型下，可以實現含水率測量，電導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.

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

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