多相流檢測研究進(jìn)展

邢天陽

摘 要：流體的多相流動廣泛存在于多個領(lǐng)域，如動力、石油、化工等。多相流檢測一直是流體測量領(lǐng)域的一個難點。本文分析了多相流體的流動特征，說明工業(yè)檢測多相流的困難所在。本文介紹了現(xiàn)階段多相流流體檢測現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹現(xiàn)階段較為成熟的工業(yè)多相流檢測手段、說明其檢測原理并分析各自的優(yōu)缺點。主要介紹過程層析成像技術(shù)理論以及過程層析多相流基本原理以及結(jié)構(gòu)組成。由此分析并提出多相流檢測今后可能的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：多相流 過程層析成像 發(fā)展趨勢

中圖分類號：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2017）09（c）-0113-02

現(xiàn)階段，多相流檢測技術(shù)需求最大的石油工業(yè)。國內(nèi)外是由工業(yè)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)階段的研究重點轉(zhuǎn)移到了研究高含水率的油、氣、水多相流量計。但是目前，世界大部分油井尚未到達(dá)高含水率開采階段。不可否認(rèn)，高含水率多項流量計是未來的發(fā)展趨勢，具有重大的研究價值。本文所研究的多相流檢測技術(shù)以油、氣、水多相流的流量測量為主要研究對象。

1 多相流的特征

多相流是指含有兩項及兩項以上的物質(zhì)或者相的流動，多項流動的主要特征有以下幾個方面，第一，不均勻速度，相間速度不均勻；第二，相不穩(wěn)定，多相流的相界面的時空不穩(wěn)定；第三，特性復(fù)雜，多相流的特征參數(shù)比單項流動要多。

多項流動檢測困難之處體現(xiàn)在：第一，非均勻混合，各相有趨向分離的趨勢；第二，不穩(wěn)定流動，相間存在相對速度，相界時空不穩(wěn)定；第三，不規(guī)則混合，混合結(jié)果沒有規(guī)律性。第四，各相之間存在相互作用。例如氣體在液相中被吸收等。第五，流動形態(tài)較為復(fù)雜，表征多相流的特征參數(shù)較多。

2 多相流檢測現(xiàn)狀

從檢測模式分類，現(xiàn)階段檢測多相流方法主要有分離式檢測法、部分分離式和不分離式檢測法。

2.1 多相流檢測手段

分離式檢測方法的主要原理是將多相流體進(jìn)行分離，對分離過后的流體用單相表進(jìn)行計量。其測量的精度主要依賴于分離效率與質(zhì)量。特殊情況下，分離器本身自成一個系統(tǒng)。除此以外，由于體積重量都較大，不宜實時測量，維護費用較高。

部分分離法主要原理是將易分離的相先分離出來，將剩下的相混合計量。此測量方法目前仍處于試用階段，較完全分離式體積重量較小，但維護費用依然較高。

不分離法的主要原理是不分離多相流，直接檢測流量信息。這種測量方法體積小，可實時測量，維護費用也最低。其缺點也比較明顯，無法適用于各種流型，技術(shù)尚不成熟，實用性差，具有輻射，造價高，精度低。

2.2 工業(yè)用多相流檢測設(shè)備

工業(yè)上廣泛使用的多相流量計主要有分離式和不分離式。受限于技術(shù)水平，目前為止，國際上尚未統(tǒng)一多相流量計的性能標(biāo)準(zhǔn)。

分離式多項流量計最具代表性的有Texaco公司生產(chǎn)的SMS多相流量計，Euromatic公司生產(chǎn)的多相流量計，美國Agar公司生產(chǎn)的MPFM-400型多相流量計以及美國Accuflow公司生產(chǎn)的AF系列多相流量計。其測量精度大多在5%～10%之間，測量精度高低與含氣率有較大關(guān)系。

由于不分離法能夠在不對液體進(jìn)行分離情況下直接測量，具有很大的優(yōu)越性，是目前工業(yè)用多項流量計的主要發(fā)展方向。要實現(xiàn)油、氣、水多相流量計量，需要測定各相的含率與流速。目前主要應(yīng)用的技術(shù)手段有混合壓差法、正排量法以及互相關(guān)技術(shù)。其中，互相關(guān)技術(shù)應(yīng)用最多。多相流量計造價高昂，因此應(yīng)用范圍比較小。此外，很多流量計使用射線作為檢測手段，安全性堪憂。

3 過程層析成像技術(shù)

3.1 過程層析成像技術(shù)背景

過程成像技術(shù)源于醫(yī)學(xué)技術(shù)，主要研究多相流體，并對過程參數(shù)實時監(jiān)測的技術(shù)。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前過程層析成像技術(shù)可以檢測多相流體的二維、三維的時空局部微觀分布信息，很好地克服了多相流流動特性復(fù)雜多變，采用常規(guī)手段較難檢測的困難，為多相流領(lǐng)域開辟了很好的在線測量和監(jiān)測的途徑，是目前多相流測量研究的前沿和趨勢之一。過程層析成像技術(shù)主要分為兩類，一是具有圖像重建運算；二是不具有圖像重建運算。

3.2 過程層析成像技術(shù)分類

3.2.1 圖像重建工作原理

圖像重建層析成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。檢測部分主要是敏感元器件組成的空間陣列。信號處理部分由信號處理及數(shù)據(jù)采集單元組成。顯示部分由圖像重建單元、解釋單元、分析單元以及圖像實時成像單元組成。檢測部分安裝于管道或者容器的截面上，檢測部分的空間敏感元件陣列對被測流場進(jìn)行空間投影，得到二維、三維的流場分布狀況信息。信號處理部分輸出相應(yīng)的信號給顯示部分。顯示部分的圖像重建單元對送來的信號進(jìn)行處理，綜合運用反投影，迭代重建算法，定位容器內(nèi)的相分布，測算管道截面或者容器局部區(qū)域的原始信息，通過數(shù)學(xué)處理與分析，給出各種檢測的參數(shù)值或者在圖像上表征被測流體各相分布狀況的像素灰度值。最后將所有信息匯集于顯示設(shè)備，顯示設(shè)備上顯示被測管道截面的相分布實時圖像，被測流場的特性參數(shù)。

圖像重建過程層析技術(shù)可以根據(jù)敏感元器件的測量原理進(jìn)行分類，采用射線原理的測量技術(shù)的包括有x射線、γ射線、中子射線、正電子、光子，采用超聲波測量，也有應(yīng)用電學(xué)傳感器測量例如電阻、電容、電磁感應(yīng)現(xiàn)象的。還有光學(xué)及核磁共振成像等幾類十余種方法。不同的過程層析成像技術(shù)的選擇需要綜合考慮時間和空間分辨率以滿足實際測量需要。

3.2.2 無需圖像重建運算工作原理

隨著過程層析成像技術(shù)的發(fā)展，近幾年出現(xiàn)了一種新的過程成像技術(shù)無需圖像重建運算。其原理是將網(wǎng)狀電導(dǎo)傳感器排列成陣列，直接采集電壓信號代替二進(jìn)制計數(shù)實現(xiàn)無圖像重建的過程層析成像。

無需圖像重建技術(shù)需要依靠特殊的傳感器，即網(wǎng)狀電極傳感器。這種傳感器由兩種電極組成，即發(fā)送電極和接收電極。兩電極組成相互垂直，兩網(wǎng)狀電極平面距離非常近。兩種電極的交錯點組成測量敏感點。測量敏感點類似于探針的作用，網(wǎng)狀電極組成的測量敏感點分布于整個管道橫截面，通過測量敏感測點電導(dǎo)率的變化就可以確定各點處介質(zhì)的分布，進(jìn)行實時成像。endprint

3.3 過程層析技術(shù)要求

對于需要圖像重建的過程層析成像技術(shù)，圖像重建是關(guān)鍵的一步，通過一定的圖像重建算法完成由投影數(shù)據(jù)到圖像這一問題。圖像重建運算在整個過程層析成像中起著非常關(guān)鍵的作用，不僅影響成像質(zhì)量，也影響成像的速度。過程層析成像系統(tǒng)的關(guān)鍵在于傳感器的選擇。這是因為多相流體系復(fù)雜，并且快速發(fā)生變化，流體的流動結(jié)構(gòu)和形態(tài)及流體流動特性隨機改變，給測量帶來了很大的困難。因此要求過程層析成像系統(tǒng)必須快速采集數(shù)據(jù)，快速重建以及快速成像。這樣才能實現(xiàn)多相流實時在線監(jiān)測與檢測的目的。

除此之外，必須控制成本與安全性。目前多相流檢測設(shè)備儀器大多比較昂貴，維護費用高昂。過程層析技術(shù)的敏感元器件必須將成本控制在合理的范圍以內(nèi)，以便實現(xiàn)技術(shù)的推廣。對于應(yīng)用放射性物質(zhì)作為敏感元器件的測量手段，必須保證儀器的安全性和可靠性，否則無法應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和生活上。

4 多相流檢測發(fā)展趨勢

目前多相流計量檢測主要有以下發(fā)展趨勢：

（1）根據(jù)以往的多相流檢測思路，分離式檢測方法仍然是目前多相流檢測的研究重點，研究并改進(jìn)成熟的單相流體參數(shù)測試技術(shù)與測量儀表仍然是目前這個領(lǐng)域重要的研究方向。

（2）隨著未來檢測技術(shù)的發(fā)展，在多相流量計檢測方面，可以重點關(guān)注提高目前已經(jīng)成熟的傳感器和流量計的靈敏度、準(zhǔn)確度、可靠性。

（3）目前的技術(shù)無法實現(xiàn)多相流局部空間實現(xiàn)實時微觀和瞬態(tài)測量，未來，可以借助計算機成像技術(shù)，獲取更多的多相流體空間信息，實現(xiàn)局部微觀與瞬態(tài)測量。

（4）目前在多相流檢測領(lǐng)域相關(guān)法已有相當(dāng)理論研究基礎(chǔ)。日后，可以嘗試將相關(guān)法應(yīng)用于實際測量裝置上，推廣此類技術(shù)。

（5）不可否認(rèn)，對多相流參數(shù)的檢測總存在著一定的誤差，但是實際過程中對參數(shù)精度的要求不盡相同。很多情況下，多相流檢測不需要非常高的測量精度。這為對多相流參數(shù)進(jìn)行估計提供了條件。隨即過程理論與信號處理技術(shù)以及相關(guān)的理論廣泛應(yīng)用與發(fā)展為軟測量提供了研究條件。

（6）表征多相流動的主要為多相流動的過程參數(shù)，對這些參數(shù)仍然有許多基礎(chǔ)性的理論研究沒有完成。同時，多相流參數(shù)的檢驗標(biāo)定、誤差分析尚處于起步研究階段。因此，對這些領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究仍是突破多相流領(lǐng)域發(fā)展瓶頸的重要方向。

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