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300072)

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［1］。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［2］，如相含率检测中的射线法［3］、电学法［4］、微波法［5］等，以及流量测量中的差压流量计、容积式流量计、速度式流量计等［6］。

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［4］。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［1］。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βo/w(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—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(Hw);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—电容传感器

电导—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，E1为激励电极，G1为接地电极，电极宽度和间距均已优化［7］。该传感器采用频率为10 kHz 的方波恒流电流作为激励信号，测量电极M2 与M3 间电势差V2用于含水率计算，电极M1 与M2 间电势差V1、电极M3 与M4 间电势差V3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40 mm，圆心角90°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［8］，选用频率为1 MHz 的正弦信号作为激励信号。

图1 电导与电容传感器的结构Fig 1 Structure of conductive and capacitive sensors

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20 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，V0为管道充满水时测量值，Vm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

其中，Cm为两相或者三相时测量值，Cempty为空管测量值，Cfull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

图2 层流标定实验结果Fig 2 Experimental results of stratified flow calibration

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D=50 mm 的不锈钢管道和有机玻璃观察管段构成，总长度为16.56 m。测量管段距离管道入口15.5 m，即310D 处，以便流型充分发展。实验介质为自来水、空气和15 号工业白油。

图3 油气水多相流实验装置Fig 3 Experimental facilities of oil-gas-water multiphase flow

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Tab 1 Experimental conditions of flow process of oil-gas-water three-phase

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～第4 组实验中，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。

图4 电导—电容传感器动态实验曲线Fig 4 Curve of dynamic experiment of conductive-capacitive sensor

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30 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:85.7%的电导传感器测量数据和91.7%的电容传感器测量数据分布在±10%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4.88%。

图5 含水率与相对误差关系Fig 5 Relationship between relative errors and rate of water content

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4.88%。

［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］ 谭 超，董 峰.多相流过程参数检测技术综述［J］.自动化学报，2013，39(11):1923－1932.

［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，2010，30(17):62－66.

［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，2010(1):132－136.