特殊流體的流量測量技術(shù)

流量測量涉及廣泛的應用領(lǐng)域。過(guò)程測量、能源計量、環(huán)境保護、交通運輸等高耗能領(lǐng)域對流量測量的需求急速增長(cháng)，為流量測量技術(shù)提出了新的要求。不僅要求流量測量?jì)x表耐高溫高壓，而且能自動(dòng)補償參數變化對測量精度的影響，從節約能源、成本核算、貿易往來(lái)及醫藥衛生等方面的特殊要求考慮，要求流量測量精度高、壓損小、可靠性高。

新技術(shù)、新器件、新材料和新工藝及新軟件的開(kāi)發(fā)應用，使得流量計的測量準確度越來(lái)越高，流量的測量范圍越來(lái)越廣。同時(shí)流量計對測量介質(zhì)的要求在降低，適用范圍也越來(lái)越寬，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，我們介紹了微小流量和大流量流體的測量技術(shù)，今天我們接著(zhù)介紹腐蝕性介質(zhì)和多相流體的流量測量技術(shù)。

腐蝕性介質(zhì)的流量測量

腐蝕是金屬在其環(huán)境中由于化學(xué)作用而遭受破壞的現象。一切金屬與合金對于某些特定環(huán)境可以是耐腐蝕的，但是在另一些環(huán)境中卻對腐蝕又很敏感。一般來(lái)說(shuō)，對于所有環(huán)境都耐腐蝕的工業(yè)用金屬材料是不存在的。

腐蝕可以分為均勻腐蝕(uniformcorrosion)或全面腐蝕(general corrosion)與局部腐蝕(localized corrosion)。全面腐蝕的腐蝕速度可用mm/a(每年腐蝕的毫米數)等單位來(lái)表示。通常將腐蝕速度在0.1mm/a以下的材料作為耐腐蝕材料。對于腐蝕速度較此再大一個(gè)數量級，也即腐蝕速度為1mm/a材料，對于一般設備有時(shí)可酌情定為可以使用的材料。對于流量?jì)x表的測量元件，則是不容許的。根據腐蝕速度的大小，可以預測金屬的使用壽命。

1、腐蝕性介質(zhì)對流量測量?jì)x表的損害

介質(zhì)的腐蝕性對流量測量?jì)x表是個(gè)嚴重威脅，只有像夾裝式超聲波流量計等個(gè)別種類(lèi)的流量計受腐蝕影響較小。

a.腐蝕性介質(zhì)將流量測量?jì)x表與介質(zhì)直接接觸的關(guān)鍵零部件腐蝕，使之損壞，喪失功能。例如，腐蝕造成差壓變送器膜片損壞，硅油外漏而完全失效。電磁流量計電極因腐蝕引起介質(zhì)外泄，導致勵磁線(xiàn)外圈燒毀等。

b.縮短儀表壽命。例如金屬管轉子流量計中的錐形管等零部件，使用幾年后，其焊接處被穿爛。

c. 流量測量?jì)x表的關(guān)鍵零部件長(cháng)時(shí)間受腐蝕性介質(zhì)的腐蝕而改變幾何尺寸，導致儀表準確度降低。

例如，轉子流量計中的轉子被流體腐蝕后，外形尺寸減小，導致流量示值偏低。又如渦街流量計中的旋渦發(fā)生體被流體腐蝕而寬度尺寸減小，迎流面表面變得粗糙，從而引起流量系數改變。就連受腐蝕介質(zhì)影響較小的夾裝式超聲波流量計，也常因金屬管內壁被介質(zhì)腐蝕的坑坑洼洼，使發(fā)射和接收信號變弱，嚴重時(shí)喪失靈敏度。

d. 腐蝕性介質(zhì)滲漏，如不及時(shí)發(fā)現、及時(shí)處理，還容易釀成安全和人身事故。

2、對流量測量中流體腐蝕的措施

1)定期更換儀表

2)避重就輕

避重就輕是在對工藝流程和有關(guān)介質(zhì)特性深入了了解的基礎上，合理選擇測量方案，同樣達到計量或對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的目的，避開(kāi)腐蝕性強的部位，而選在腐蝕性較輕的部位，甚至更改被調參數種類(lèi)。例如(如果可行的話(huà))將流量定值調節系統用液位均勻調節或其他合適的變量調節代替，從而避開(kāi)流量測量?jì)x表耐腐蝕的難題。

3)選擇具有耐腐蝕特性的儀表

①一般酸性介質(zhì)的儀表選型。渦街和渦輪流量，與流體接觸的部分為耐酸鋼，一般酸性液體和氣體都能使用。用耐酸綱制成的橢圓齒輪流量計，可以滿(mǎn)足一般酸性液體精確計量的需要。至于某一公司的具體的某個(gè)產(chǎn)品是否適用于某用戶(hù)的特定介質(zhì)，除了查閱有關(guān)樣本和資料外，還需向制造商詳細咨詢(xún)，能做出承諾更好。

② 導電液體的儀表選型。電磁流量計的測量管內襯材料有多種，其中耐腐蝕性能最好的是聚四氟乙烯。電極材料也有好幾種，能滿(mǎn)足絕大多數腐蝕性介質(zhì)的需要。

③不導電液體的儀表選型。夾裝式超聲流量計工作時(shí)流體不與儀表直接接觸，所以適用于各種腐蝕性流體。

4)腐蝕性氣體儀表選型

a. 超聲流量計。

只要對測量管內壁作防腐蝕處理即可。但具體應用實(shí)例現在還未見(jiàn)報道。

近年開(kāi)發(fā)的配有夾裝式換能器(將非電能量轉換成電能量，不需要外電源，稱(chēng)換能器，也稱(chēng)有源換能器，是超聲波設備的核心器件)的超聲流量計，若管道本身耐腐蝕，就不必考慮儀表的耐腐蝕問(wèn)題。例如，管道使用耐腐蝕內襯，但此內襯與金屬管之間如果存在氣隙，也會(huì )為夾裝式超聲流量計帶來(lái)麻煩。對于無(wú)耐腐蝕內襯的金屬管道，其內壁經(jīng)長(cháng)時(shí)間腐蝕往往變的高低不平，常會(huì )造成“V”形和“W”形安裝的換能器聲波發(fā)射不一致，所以信號強度變弱，嚴重時(shí)甚至無(wú)法正常測量。這些都是使用超聲流量計時(shí)應當注意的。

b. 節流式差壓流量計。

現在還未見(jiàn)報道適用于腐蝕性介質(zhì)的定型商品化節流式差壓流量計,但是用戶(hù)自行開(kāi)發(fā)的此類(lèi)儀表，在幾十年前就有報道，其中有很成功的氯氣流量測量。

工藝設備專(zhuān)業(yè)對付腐蝕性氣體的技術(shù)幾十年前就已很成熟。

總之，流量測量?jì)x表耐腐蝕是個(gè)長(cháng)期的話(huà)題，新材料、新方法、新經(jīng)驗年年都有報道。對于一些冷門(mén)的介質(zhì)，可查閱有關(guān)文獻，如《腐蝕數據與選材手冊》

多相流體的流量測量

第一個(gè)商用多相流量計出現在大約十年前，是80年代初期多相計量研究項目出現的結果。曾經(jīng)致力于和正在研究多相流計量的開(kāi)發(fā)的研究中心和石油公司有：Tulsa、SINTEF、Imperial大學(xué)、國家工程實(shí)驗室、CMR、英國石油公司、德士古公司、埃爾夫石油公司、殼牌石油公司、阿吉普石油公司和巴西石油公司。

1、基本原理

多相流量計計量的主要數據是流體中水、氣兩相的質(zhì)量流量。目前的技術(shù)還不能直接測試流體中兩相的質(zhì)量流量。當前采用間接測量的方法即計量每種成分的瞬時(shí)速率和各自截面含率

通過(guò)相分離，就沒(méi)有測量截面持率的需要了，而三個(gè)體積流量可以通過(guò)傳統單相計量技術(shù)來(lái)測定。但是，相分離是很昂貴的，而且在很多情況下很難實(shí)現。如果通過(guò)使混合物均相化來(lái)均衡速度也可以把測量要求減少到三個(gè)。這是更經(jīng)濟的選擇而且是一些商用流量計的核心。但是，能夠達到均相化的范圍總是有限的。

因此，兩種計量方法都有本質(zhì)的缺陷，正是由于這個(gè)原因迄今為止還沒(méi)有獲得完全令人滿(mǎn)意的計量方法。

2、多相流體的測量方法

緊湊式分離方法——應用最廣泛、可靠、體積大

相分率和速度計量——使用條件受到限制

通過(guò)測量總流量和相分率實(shí)現多相計量——各種商業(yè)化流量計的做法，價(jià)格昂貴

利用示蹤物——用于校準以及濕氣測量

流型識別——硬件結合軟件，價(jià)格便宜?6、各相

分別測量——復雜而且難以校準

3、多相流量計的分類(lèi)

(1)分離式多相流量計——分離總流和取樣分離

(2)均相化處理多相流量計

均相化多相流量計由靜態(tài)混合器、文丘里流量計(測量總流量)、γ射線(xiàn)分析儀(測量含水率)組成。

這種多相流量計的主要困難是難于得到均質(zhì)混合物，特別是含氣率大于30%以上時(shí)，氣液的分布將是不均勻的，對于混合器的混合效率以及由此可能引起的阻塞作用

(3)非均相化處理多相流量計

均相化多相流測量系統和非均相化多相流測量系統在計量前都不需對流體進(jìn)行分離，直接在線(xiàn)測量。

(4)采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)

由大量的簡(jiǎn)單基本元件—神經(jīng)元相互聯(lián)接而成的自適應非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統。每個(gè)神經(jīng)元的結構和功能比較簡(jiǎn)單，但大量神經(jīng)元組合產(chǎn)生的系統行為卻非常復雜。

監測多相流的得到包含豐富信息的復雜信號，為了提取單相流速的信息，需要采用較高級的數學(xué)處理方法。

CALtec和EDS—Scicon在石油財團及英國健康安全部的支持下，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)預測多相流量，不需要復雜的傳統的數據處理系統。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統通過(guò)分析實(shí)例來(lái)開(kāi)發(fā)自己解決問(wèn)題的方法，因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統是對比而不是計算。

多相流量計的困難在于需要測量油氣水三相的相分率及流速。CALTec在設計其人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統時(shí)，采用電容測試箱、g-射線(xiàn)密度計、聲學(xué)及壓對多相流體測量進(jìn)行了大規模的實(shí)驗。

這些實(shí)驗產(chǎn)生包含豐富信息的大量復雜數據，數據內部包含了自然流體的特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統就是從這些數據中提取有用的信息并與待測流體的數據進(jìn)行比較。

通過(guò)實(shí)例分析的能力。盡管對于理論研究多相流體是有限的，但存在含有豐富信息的數據可以采用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)開(kāi)發(fā)。

能處理非線(xiàn)形問(wèn)題的能力。多相流特別是處于流型轉變的多相流，表現出高度的非線(xiàn)形，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統能較好地處理。

從主干相信號中提取信息的能力。非介入式傳感器的特點(diǎn)是信號干擾。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統不僅能從信號干擾中提取信息并且能夠了解傳感器的特征。

從實(shí)例中總結的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )能夠從有限的例子中內插以及進(jìn)行某種程度的外插。

綜合來(lái)源于三信信號源的數據的能力。這就突破了單一傳感器的缺陷。

迅速建立有效解決方法的能力。數據對比而不是程序計算。

網(wǎng)絡(luò )系統是由許多對比構成。對比組又由已知輸入和期望響應值組成。輸入輸進(jìn)入到網(wǎng)絡(luò )的中子輸入層，激活的中子信號在網(wǎng)絡(luò )中反饋，對于多相流計量輸入信號(間短觀(guān)察)是傳感器輸入值，而輸出值包括已知氣、液相流速。根據目前輸出和所有例子期望輸出值的差異在網(wǎng)絡(luò )系統內通過(guò)修正、對比，最終取得滿(mǎn)意的輸出。

經(jīng)實(shí)驗驗證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)所預測的氣、液相流量與實(shí)際測量值較吻合，氣、液相流量平均誤差小于±10%。

4、國外主要多相流量計

Daniel公司的MEGRA多相流量計

采用由SHELL石油公司開(kāi)發(fā)的可以測量均相流中油氣水含率的Dual Gama Ray技術(shù)與內置文丘里頭錐體流速測量技術(shù)，測量精度為±7%，在線(xiàn)測量參數包括：混合物總流量、各相流量、累計流量、含水率、含氣率、混合物粘度、工藝壓力、溫度。

Agar在線(xiàn)多相流量計

包括一個(gè)渦輪流量計和兩個(gè)文丘里管，二次儀表(用以指示、記錄或積算來(lái)自一次儀表的測量結果)根據三個(gè)傳感器的輸出計算得到氣體和液體的體積流量;含水率微波監測儀來(lái)測量。不能用于高含氣井流的測量。

Roxor RFM與Fluenta 1900 VI流量計

利用幾種不同傳感器的組合測量流速，使用Cs-137伽馬密度計測量總密度，結合電容和電感傳感器確定相分率。還增加了一個(gè)文丘利管來(lái)測量單相液體或者氣體，以此擴大流量計的適用范圍。主要在海上油田安裝。

Framo在線(xiàn)多相流量計

該流量計使氣液混合均勻?；旌掀饔梢粋€(gè)大的增壓室和一個(gè)笛裝管組成。在混合器下游安裝了一個(gè)文丘里管和一個(gè)Ba-133雙能伽馬，分別測量總流量和相分率。該流量計適合于海上油田的三相計量。

ESMER多相流量計

ESMER技術(shù)的核心是基于使用簡(jiǎn)單傳感器的智能化軟件系統，其基本原理為：任意的多相流動(dòng)存在唯一的流態(tài);唯一的流態(tài)可以用一組湍流隨機特征進(jìn)行量化和表征;隨機特征可以從對流態(tài)敏感的傳感器信號中提取;隨機特征與多相流存在一一對應的關(guān)系。

Solartron公司的DualStream凝析天然氣流量計

凝析天然氣一般指在工作條件下氣相體積含率大于90%，液相與其它組分體積含率小于10%的氣井產(chǎn)出物。

該流量計采用混合器和雙文丘里管的方法測量凝析天然氣總流量，并對氣液流量進(jìn)行溫度、壓力補償。置信概率為90%時(shí)，測量精度為±5%。

McCrometer的V-CONE流量計

該流量計節流件的結構特殊，目前報道的測量指標中該流量計是最高的，對氣液相的測量精度均可達到4%以下，單相計量精度更高，可以達到0.2%，適用于單相、兩相、三相流計量。未查到有關(guān)該產(chǎn)品應用的報道。

5、國外多相流量計普遍存在以下問(wèn)題

計量范圍窄，計量精度受水氣比的影響較大;

有些采用了微波、伽馬射線(xiàn)等測試手段，其價(jià)格昂貴，難以大規模推廣使用;

有些要求特殊安裝，現場(chǎng)應用不便或流程復雜。

現場(chǎng)應用可靠性能差

6、面臨的挑戰

采用核子技術(shù)來(lái)測定氣體含量，或測定含氣率和液中含水率的多相流量計，如何進(jìn)一步改善這種技術(shù)的工作特性顯然是今后的技術(shù)難點(diǎn)之一。

雙能系統以非插入方式，可以在全量程范圍內測量氣體和水的百分含量，但有以下幾個(gè)問(wèn)題需要引起特別注意。首先，管壁是最大衰減器，特別是低光子能，因此需要高能源。其次，質(zhì)量吸收系數實(shí)際上很難確定，這會(huì )對不確定度產(chǎn)生一系列影響。因此，任何質(zhì)量吸收系統的不確定性都會(huì )對含水測量值產(chǎn)生影響。

7、多相流量計的未來(lái)趨勢

較好的精確度、再現性和可靠性

系統有三個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器測量一相流量(固、氣、水) ，每個(gè)傳感器的測量不受其他兩相存在的影響。

多用途多相流量計

濕氣計量

應用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等軟測量技術(shù)(主要由輔助變量的選擇、數據采集與處理、軟測量模型幾部分組成?；舅枷胧前炎詣?dòng)控制理論與生產(chǎn)過(guò)程知識有機的結合起來(lái)，應用計算機技術(shù)對難以測量或者暫時(shí)不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過(guò)構成某種數學(xué)關(guān)系來(lái)推斷或者估計，以軟件來(lái)替代硬件的功能。)

盡管流量測量技術(shù)發(fā)展日趨成熟，但是在測量和應用方面依舊不盡人意，儀表種類(lèi)繁多，不同場(chǎng)合要選不同類(lèi)型的儀表，至今尚無(wú)一種儀表的可靠性和準確度能滿(mǎn)足多類(lèi)要求。因此在選用流量測量?jì)x表時(shí)，在滿(mǎn)足實(shí)際運行測量要求的基礎上，還要儀表的經(jīng)濟型。