高速复杂结构流场的全场光学测量技术

流量测量涉及广泛的应用领域。过程测量、能源计量、环境保护、交通运输等高耗能领域对流量测量的需求急速增长，为流量测量技术提出了新的要求。不仅要求流量测量仪表耐高温高压，而且能自动补偿参数变化对测量精度的影响，从节约能源、成本核算、贸易往来及医药卫生等方面的特殊要求考虑，要求流量测量精度高、压损小、可靠性高。

新技术、新器件、新材料和新工艺及新软件的开发应用，使得流量计的测量准确度越来越高，流量的测量范围越来越广。同时流量计对测量介质的要求在降低，适用范围也越来越宽，智能化程度及可靠性得到了很大的提高。

在上一篇的文章中，我们介绍了微小流量和大流量流体的测量技术，今天我们接着介绍腐蚀性介质和多相流体的流量测量技术。

腐蚀性介质的流量测量

腐蚀是金属在其环境中由于化学作用而遭受破坏的现象。一切金属与合金对于某些特定环境可以是耐腐蚀的，但是在另一些环境中却对腐蚀又很敏感。一般来说，对于所有环境都耐腐蚀的工业用金属材料是不存在的。

腐蚀可以分为均匀腐蚀（uniformcorrosion）或全面腐蚀（general corrosion）与局部腐蚀（localized corrosion）。全面腐蚀的腐蚀速度可用mm/a（每年腐蚀的毫米数）等单位来表示。通常将腐蚀速度在0.1mm/a以下的材料作为耐腐蚀材料。对于腐蚀速度较此再大一个数量级，也即腐蚀速度为1mm/a材料，对于一般设备有时可酌情定为可以使用的材料。对于流量仪表的测量元件，则是不容许的。根据腐蚀速度的大小，可以预测金属的使用寿命。

1、腐蚀性介质对流量测量仪表的损害

介质的腐蚀性对流量测量仪表是个严重威胁，只有像夹装式超声波流量计等个别种类的流量计受腐蚀影响较小。

a.腐蚀性介质将流量测量仪表与介质直接接触的关键零部件腐蚀，使之损坏，丧失功能。例如，腐蚀造成差压变送器膜片损坏，硅油外漏而完全失效。电磁流量计电极因腐蚀引起介质外泄，导致励磁线外圈烧毁等。

b.缩短仪表寿命。例如金属管转子流量计中的锥形管等零部件，使用几年后，其焊接处被穿烂。

c. 流量测量仪表的关键零部件长时间受腐蚀性介质的腐蚀而改变几何尺寸，导致仪表准确度降低。

例如，转子流量计中的转子被流体腐蚀后，外形尺寸减小，导致流量示值偏低。又如涡街流量计中的旋涡发生体被流体腐蚀而宽度尺寸减小，迎流面表面变得粗糙，从而引起流量系数改变。就连受腐蚀介质影响较小的夹装式超声波流量计，也常因金属管内壁被介质腐蚀的坑坑洼洼，使发射和接收信号变弱，严重时丧失灵敏度。

d. 腐蚀性介质渗漏，如不及时发现、及时处理，还容易酿成安全和人身事故。

2、对流量测量中流体腐蚀的措施

1）定期更换仪表

2）避重就轻

避重就轻是在对工艺流程和有关介质特性深入了了解的基础上，合理选择测量方案，同样达到计量或对生产过程进行控制的目的，避开腐蚀性强的部位，而选在腐蚀性较轻的部位，甚至更改被调参数种类。例如（如果可行的话）将流量定值调节系统用液位均匀调节或其他合适的变量调节代替，从而避开流量测量仪表耐腐蚀的难题。

3）选择具有耐腐蚀特性的仪表

①一般酸性介质的仪表选型。涡街流量传感器和涡轮流量传感器，与流体接触的部分为耐酸钢，一般酸性液体和气体都能使用。用耐酸纲制成的椭圆齿轮流量计，可以满足一般酸性液体精确计量的需要。至于某一公司的具体的某个产品是否适用于某用户的特定介质，除了查阅有关样本和资料外，还需向制造商详细咨询，能做出承诺更好。

② 导电液体的仪表选型。电磁流量计的测量管内衬材料有多种，其中耐腐蚀性能最好的是聚四氟乙烯。电极材料也有好几种，能满足绝大多数腐蚀性介质的需要。

③不导电液体的仪表选型。夹装式超声流量计工作时流体不与仪表直接接触，所以适用于各种腐蚀性流体。

4）腐蚀性气体仪表选型

a. 超声流量计。

只要对测量管内壁作防腐蚀处理即可。但具体应用实例现在还未见报道。

近年开发的配有夹装式换能器（将非电能量转换成电能量，不需要外电源，称换能器，也称有源传感器换能器，是超声波设备的核心器件）的超声流量计，若管道本身耐腐蚀，就不必考虑仪表的耐腐蚀问题。例如，管道使用耐腐蚀内衬，但此内衬与金属管之间如果存在气隙，也会为夹装式超声流量计带来麻烦。对于无耐腐蚀内衬的金属管道，其内壁经长时间腐蚀往往变的高低不平，常会造成“V”形和“W”形安装的换能器声波发射不一致，所以信号强度变弱，严重时甚至无法正常测量。这些都是使用超声流量计时应当注意的。

b. 节流式差压流量计。

现在还未见报道适用于腐蚀性介质的定型商品化节流式差压流量计,但是用户自行开发的此类仪表，在几十年前就有报道，其中有很成功的氯气流量测量。

工艺设备专业对付腐蚀性气体的技术几十年前就已很成熟。

总之，流量测量仪表耐腐蚀是个长期的话题，新材料、新方法、新经验年年都有报道。对于一些冷门的介质，可查阅有关文献，如《腐蚀数据与选材手册》

多相流体的流量测量

第一个商用多相流量计出现在大约十年前，是80年代初期多相计量研究项目出现的结果。曾经致力于和正在研究多相流计量的开发的研究中心和石油公司有：Tulsa、SINTEF、Imperial大学、国家工程实验室、CMR、英国石油公司、德士古公司、埃尔夫石油公司、壳牌石油公司、阿吉普石油公司和巴西石油公司。

1、基本原理

多相流量计计量的主要数据是流体中水、气两相的质量流量。目前的技术还不能直接测试流体中两相的质量流量。当前采用间接测量的方法即计量每种成分的瞬时速率和各自截面含率

通过相分离，就没有测量截面持率的需要了，而三个体积流量可以通过传统单相计量技术来测定。但是，相分离是很昂贵的，而且在很多情况下很难实现。如果通过使混合物均相化来均衡速度也可以把测量要求减少到三个。这是更经济的选择而且是一些商用流量计的核心。但是，能够达到均相化的范围总是有限的。

因此，两种计量方法都有本质的缺陷，正是由于这个原因迄今为止还没有获得完全令人满意的计量方法。

2、多相流体的测量方法

紧凑式分离方法——应用最广泛、可靠、体积大 相分率和速度计量——使用条件受到限制 通过测量总流量和相分率实现多相计量——各种商业化流量计的做法，价格昂贵 利用示踪物——用于校准以及湿气测量 流型识别——硬件结合软件，价格便宜•6、各相 分别测量——复杂而且难以校准

3、多相流量计的分类

（1）分离式多相流量计——分离总流和取样分离

（2）均相化处理多相流量计

均相化多相流量计由静态混合器、文丘里流量计（测量总流量）、γ射线分析仪（测量含水率）组成。

这种多相流量计的主要困难是难于得到均质混合物，特别是含气率大于30%以上时，气液的分布将是不均匀的，对于混合器的混合效率以及由此可能引起的阻塞作用

（3）非均相化处理多相流量计

均相化多相流测量系统和非均相化多相流测量系统在计量前都不需对流体进行分离，直接在线测量。

（4）采用神经网络技术

由大量的简单基本元件—神经元相互联接而成的自适应非线性动态系统。每个神经元的结构和功能比较简单，但大量神经元组合产生的系统行为却非常复杂。

监测多相流的传感器得到包含丰富信息的复杂信号，为了提取单相流速的信息，需要采用较高级的数学处理方法。

CALtec和EDS—Scicon在石油财团及英国健康安全部的支持下，采用人工神经网络技术预测多相流量，不需要复杂的传统的数据处理系统。

人工神经网络系统通过分析实例来开发自己解决问题的方法，因此人工神经网络系统是对比而不是计算。

多相流量计的困难在于需要测量油气水三相的相分率及流速。CALTec在设计其人工神经网络系统时，采用电容测试箱、g-射线密度计、声学及压力传感器对多相流体测量进行了大规模的实验。

这些实验产生包含丰富信息的大量复杂数据，数据内部包含了自然流体的特征。神经网络系统就是从这些数据中提取有用的信息并与待测流体的数据进行比较。

通过实例分析的能力。尽管对于理论研究多相流体是有限的，但存在含有丰富信息的数据可以采用网络技术开发。

能处理非线形问题的能力。多相流特别是处于流型转变的多相流，表现出高度的非线形，神经网络系统能较好地处理。

从主干相信号中提取信息的能力。非介入式传感器的特点是信号干扰。神经网络系统不仅能从信号干扰中提取信息并且能够了解传感器的特征。

从实例中总结的能力。神经网络能够从有限的例子中内插以及进行某种程度的外插。

综合来源于三信信号源的数据的能力。这就突破了单一传感器的缺陷。

迅速建立有效解决方法的能力。数据对比而不是程序计算。

网络系统是由许多对比构成。对比组又由已知输入和期望响应值组成。输入输进入到网络的中子输入层，激活的中子信号在网络中反馈，对于多相流计量输入信号（间短观察）是传感器输入值，而输出值包括已知气、液相流速。根据目前输出和所有例子期望输出值的差异在网络系统内通过修正、对比，最终取得满意的输出。

经实验验证神经网络技术所预测的气、液相流量与实际测量值较吻合，气、液相流量平均误差小于±10%。

4、国外主要多相流量计

Daniel公司的MEGRA多相流量计

采用由SHELL石油公司开发的可以测量均相流中油气水含率的Dual Gama Ray技术与内置文丘里头锥体流速测量技术，测量精度为±7%，在线测量参数包括：混合物总流量、各相流量、累计流量、含水率、含气率、混合物粘度、工艺压力、温度。

Agar在线多相流量计

包括一个涡轮流量计和两个文丘里管，二次仪表（用以指示、记录或积算来自一次仪表的测量结果）根据三个传感器的输出计算得到气体和液体的体积流量；含水率微波监测仪来测量。不能用于高含气井流的测量。

Roxor RFM与Fluenta 1900 VI流量计

利用几种不同传感器的组合测量流速，使用Cs-137伽马密度计测量总密度，结合电容和电感传感器确定相分率。还增加了一个文丘利管来测量单相液体或者气体，以此扩大流量计的适用范围。主要在海上油田安装。

Framo在线多相流量计

该流量计使气液混合均匀。混合器由一个大的增压室和一个笛装管组成。在混合器下游安装了一个文丘里管和一个Ba-133双能伽马传感器，分别测量总流量和相分率。该流量计适合于海上油田的三相计量。

ESMER多相流量计

ESMER技术的核心是基于使用简单传感器的智能化软件系统，其基本原理为：任意的多相流动存在唯一的流态；唯一的流态可以用一组湍流随机特征进行量化和表征；随机特征可以从对流态敏感的传感器信号中提取；随机特征与多相流存在一一对应的关系。

Solartron公司的DualStream凝析天然气流量计

凝析天然气一般指在工作条件下气相体积含率大于90％，液相与其它组分体积含率小于10％的气井产出物。

该流量计采用混合器和双文丘里管的方法测量凝析天然气总流量，并对气液流量进行温度、压力补偿。置信概率为90%时，测量精度为±5%。

McCrometer的V-CONE流量计

该流量计节流件的结构特殊，目前报道的测量指标中该流量计是最高的，对气液相的测量精度均可达到4%以下，单相计量精度更高，可以达到0.2%，适用于单相、两相、三相流计量。未查到有关该产品应用的报道。

5、国外多相流量计普遍存在以下问题

计量范围窄，计量精度受水气比的影响较大； 有些采用了微波、伽马射线等测试手段，其价格昂贵，难以大规模推广使用； 有些要求特殊安装，现场应用不便或流程复杂。 现场应用可靠性能差

6、面临的挑战

采用核子技术来测定气体含量，或测定含气率和液中含水率的多相流量计，如何进一步改善这种技术的工作特性显然是今后的技术难点之一。

双能系统以非插入方式，可以在全量程范围内测量气体和水的百分含量，但有以下几个问题需要引起特别注意。首先，管壁是最大衰减器，特别是低光子能，因此需要高能源。其次，质量吸收系数实际上很难确定，这会对不确定度产生一系列影响。因此，任何质量吸收系统的不确定性都会对含水测量值产生影响。

7、多相流量计的未来趋势

较好的精确度、再现性和可靠性 系统有三个传感器，每个传感器测量一相流量(固、气、水) ，每个传感器的测量不受其他两相存在的影响。 多用途多相流量计 湿气计量 应用神经网络等软测量技术（主要由辅助变量的选择、数据采集与处理、软测量模型几部分组成。基本思想是把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。）

尽管流量测量技术发展日趋成熟，但是在测量和应用方面依旧不尽人意，仪表种类繁多，不同场合要选不同类型的仪表，至今尚无一种仪表的可靠性和准确度能满足多类要求。因此在选用流量测量仪表时，在满足实际运行测量要求的基础上，还要仪表的经济型。

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