腐蝕性介質和多相流體的流量測量技術

流量測量涉及廣泛的應用領域。過程測量、能源計量、環(huán)境保護、交通運輸?shù)雀吆哪茴I域對流量測量的需求急速增長，為流量測量技術提出了新的要求。不僅要求流量測量儀表耐高溫高壓，而且能自動補償參數(shù)變化對測量精度的影響，從節(jié)約能源、成本核算、貿易往來及醫(yī)藥衛(wèi)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、新器件、新材料和新工藝及新軟件的開發(fā)應用，使得流量計的測量準確度越來越高，流量的測量范圍越來越廣。同時流量計對測量介質的要求在降低，適用范圍也越來越寬，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，今天我們接著介紹腐蝕性介質和多相流體的流量測量技術。

腐蝕性介質的流量測量

腐蝕是金屬在其環(huán)境中由于化學作用而遭受破壞的現(xiàn)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。一般來說，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(shù))等單位來表示。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數(shù)量級，也即腐蝕速度為1mm/a材料，對于一般設備有時可酌情定為可以使用的材料。對于流量儀表的測量元件，則是不容許的。根據(jù)腐蝕速度的大小，可以預測金屬的使用壽命。

1、腐蝕性介質對流量測量儀表的損害

介質的腐蝕性對流量測量儀表是個嚴重威脅，只有像夾裝式超聲波流量計等個別種類的流量計受腐蝕影響較小。

a.腐蝕性介質將流量測量儀表與介質直接接觸的關鍵零部件腐蝕，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外泄，導致勵磁線外圈燒毀等。

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. 流量測量儀表的關鍵零部件長時間受腐蝕性介質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(shù)改變。就連受腐蝕介質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腐蝕的坑坑洼洼，使發(fā)射和接收信號變弱，嚴重時喪失靈敏度。

d. 腐蝕性介質滲漏，如不及時發(fā)現(xiàn)、及時處理，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介質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)過程進行控制的目的，避開腐蝕性強的部位，而選在腐蝕性較輕的部位，甚至更改被調參數(shù)種類。例如(如果可行的話)將流量定值調節(jié)系統(tǒng)用液位均勻調節(jié)或其他合適的變量調節(jié)代替，從而避開流量測量儀表耐腐蝕的難題。

3)選擇具有耐腐蝕特性的儀表

①一般酸性介質的儀表選型。渦街流量傳感器和渦輪流量傳感器，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產(chǎn)品是否適用于某用戶的特定介質，除了查閱有關樣本和資料外，還需向制造商詳細咨詢，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，能滿足絕大多數(shù)腐蝕性介質的需要。

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。但具體應用實例現(xiàn)在還未見報道。

近年開發(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，稱換能器，也稱有源傳感器換能器，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，也會為夾裝式超聲流量計帶來麻煩。對于無耐腐蝕內襯的金屬管道，其內壁經(jīng)長時間腐蝕往往變的高低不平，常會造成“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，嚴重時甚至無法正常測量。這些都是使用超聲流量計時應當注意的。

b. 節(jié)流式差壓流量計。

現(xiàn)在還未見報道適用于腐蝕性介質的定型商品化節(jié)流式差壓流量計,但是用戶自行開發(fā)的此類儀表，在幾十年前就有報道，其中有很成功的氯氣流量測量。

工藝設備專業(yè)對付腐蝕性氣體的技術幾十年前就已很成熟。

總之，流量測量儀表耐腐蝕是個長期的話題，新材料、新方法、新經(jīng)驗年年都有報道。對于一些冷門的介質，可查閱有關文獻，如《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊》

多相流體的流量測量

第一個商用多相流量計出現(xiàn)在大約十年前，是80年代初期多相計量研究項目出現(xiàn)的結果。曾經(jīng)致力于和正在研究多相流計量的開發(fā)的研究中心和石油公司有：Tulsa、SINTEF、Imperial大學、國家工程實驗室、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(shù)據(jù)是流體中水、氣兩相的質量流量。目前的技術還不能直接測試流體中兩相的質量流量。當前采用間接測量的方法即計量每種成分的瞬時速率和各自截面含率

通過相分離，就沒有測量截面持率的需要了，而三個體積流量可以通過傳統(tǒng)單相計量技術來測定。但是，相分離是很昂貴的，而且在很多情況下很難實現(xiàn)。如果通過使混合物均相化來均衡速度也可以把測量要求減少到三個。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的缺陷，正是由于這個原因迄今為止還沒有獲得完全令人滿意的計量方法。

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

通過測量總流量和相分率實現(xiàn)多相計量——各種商業(yè)化流量計的做法，價格昂貴

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

(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混合物，特別是含氣率大于30%以上時，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(tǒng)和非均相化多相流測量系統(tǒng)在計量前都不需對流體進行分離，直接在線測量。

(4)采用神經(jīng)網(wǎng)絡技術

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

監(jiān)測多相流的傳感器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(shù)學處理方法。

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)絡技術預測多相流量，不需要復雜的傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)通過分析實例來開發(fā)自己解決問題的方法，因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)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)絡系統(tǒng)時，采用電容測試箱、g-射線密度計、聲學及壓力傳感器對多相流體測量進行了大規(guī)模的實驗。

這些實驗產(chǎn)生包含豐富信息的大量復雜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內部包含了自然流體的特征。神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)就是從這些數(shù)據(jù)中提取有用的信息并與待測流體的數(shù)據(jù)進行比較。

通過實例分析的能力。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(shù)據(jù)可以采用網(wǎng)絡技術開發(fā)。

能處理非線形問題的能力。多相流特別是處于流型轉變的多相流，表現(xiàn)出高度的非線形，神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)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是信號干擾。神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)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。

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

綜合來源于三信信號源的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)對比而不是程序計算。

網(wǎng)絡系統(tǒng)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。輸入輸進入到網(wǎng)絡的中子輸入層，激活的中子信號在網(wǎng)絡中反饋，對于多相流計量輸入信號(間短觀察)是傳感器輸入值，而輸出值包括已知氣、液相流速。根據(jù)目前輸出和所有例子期望輸出值的差異在網(wǎng)絡系統(tǒng)內通過修正、對比，最終取得滿意的輸出。

經(jīng)實驗驗證神經(jīng)網(wǎng)絡技術所預測的氣、液相流量與實際測量值較吻合，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石油公司開發(fā)的可以測量均相流中油氣水含率的Dual Gama Ray技術與內置文丘里頭錐體流速測量技術，測量精度為±7%，在線測量參數(shù)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在線多相流量計

包括一個渦輪流量計和兩個文丘里管，二次儀表(用以指示、記錄或積算來自一次儀表的測量結果)根據(jù)三個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(jiān)測儀來測量。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。還增加了一個文丘利管來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在線多相流量計

該流量計使氣液混合均勻?；旌掀饔梢粋€大的增壓室和一個笛裝管組成。在混合器下游安裝了一個文丘里管和一個Ba-133雙能伽馬傳感器，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技術的核心是基于使用簡單傳感器的智能化軟件系統(tǒng)，其基本原理為：任意的多相流動存在唯一的流態(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，并對氣液流量進行溫度、壓力補償。置信概率為90%時，測量精度為±5%。

McCrometer的V-CONE流量計

該流量計節(jié)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。未查到有關該產(chǎn)品應用的報道。

5、國外多相流量計普遍存在以下問題

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、伽馬射線等測試手段，其價格昂貴，難以大規(guī)模推廣使用;

有些要求特殊安裝，現(xiàn)場應用不便或流程復雜。

現(xiàn)場應用可靠性能差

6、面臨的挑戰(zhàn)

采用核子技術來測定氣體含量，或測定含氣率和液中含水率的多相流量計，如何進一步改善這種技術的工作特性顯然是今后的技術難點之一。

雙能系統(tǒng)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，但有以下幾個問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，質量吸收系數(shù)實際上很難確定，這會對不確定度產(chǎn)生一系列影響。因此，任何質量吸收系統(tǒng)的不確定性都會對含水測量值產(chǎn)生影響。

7、多相流量計的未來趨勢

較好的精確度、再現(xiàn)性和可靠性

系統(tǒng)有三個傳感器，每個傳感器測量一相流量(固、氣、水) ，每個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)絡等軟測量技術(主要由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測量模型幾部分組成?；舅枷胧前炎詣涌刂评碚撆c生產(chǎn)過程知識有機的結合起來，應用計算機技術對難以測量或者暫時不能測量的重要變量，選擇另外一些容易測量的變量，通過構成某種數(shù)學關系來推斷或者估計，以軟件來替代硬件的功能。)

盡管流量測量技術發(fā)展日趨成熟，但是在測量和應用方面依舊不盡人意，儀表種類繁多，不同場合要選不同類型的儀表，至今尚無一種儀表的可靠性和準確度能滿足多類要求。因此在選用流量測量儀表時，在滿足實際運行測量要求的基礎上，還要儀表的經(jīng)濟型。

原文標題：特殊流體的流量測量技術

文章出處：【微信公眾號：傳感器技術】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅