【摘要】 多相流是现代流程工业及其相关科研领域内常见的控制与研究对象, 对其过程参数的检测是工业生产与科学研究中 的一个研究热点问题. 本文针对工业过程中的多相流过程参数检测问题, 介绍了多相流的特点及其过程参数, 并分类介绍了多 相流过程参数检测方法, 重点讨论了检测的难点及其未来发展趋势, 为更好地解决复杂工业过程多参数检测问题提供方法基 础和借鉴. 

  【关键词】 工业过程参数, 检测技术, 多相流, 流型识别, 流量测量, 含率估计

 多相流现象广泛存在于能源、动力、石油、化 工、冶金、医药等工业过程中, 在工业生产与科学研 究中有着十分重要的作用, 并带来许多安全与经济 问题, 对其流动过程机理及状态的解释和描述、以及 对流动过程参数的准确检测也给工程师和科研人员 提出挑战[1] . 近年来, 国际上对多相流的研究兴趣在 持续增长, 其原因在于多相流不仅在一系列现代工 程中得到广泛应用, 而且对促进这些工程设备的发 展和创新也起到了重要作用 .

   多相流中的 “相” 定义为物质的存在形式, 即气 态、液态或固态, 因此多相流即为两种或两种以上 “相” 的物质同时流动且具有明确分界面的流体. 有 时, 多相流也被称为 “多组分流”, 然而两者是不同 的, 后者指流体中含有多种不同化学性质的物体同 时流动. 例如蒸汽与水的混合为单组分的两相流, 而 空气与水则称为两组分流; 液/液两相流中的油水混 合流, 属于两组分流, 但却是单一的 “液相”. 但随着 研究的深入与连续相与离散相概念的引入, 两种概 念逐渐合为一种, 即 “多相流” . 

  在工业生产过程中比较多见的是气液、气固、液 固、液液两相流, 气液固三相流和油气水三相流等; 在某些工业过程 (如石油工业) 中, 还有油气水沙同 时流动的四相流. 与单相流相比, 多相流的待测参数 多且流动过程十分复杂, 难以用数学公式完全描述, 因而给测量带来困难. 以三相流为例, 若想获得各分 相流量, 需要检测出三相流总流量, 以及各分相含 率, 即至少四个待确定的参数. 此外, 不同的研究领 域和工程应用对多相流参数的需求也是不同的, 因 此待测参数更加多种多样, 如图 1 所示. 多相流流动 总是伴随着相间的质量、动量以及热量的同时和瞬 时的传递, 使得流动过程更加复杂[5] . 多相流流动时 所表现出的流体现象称作 “流型” 或 “流态”, 它决 定着流体的动力特性以及相应的检测方法. 尽管许 多流体方程能用来解决流体流动问题, 但大都局限 于特定的假设和适用条件, 因此难以直接使用建立 准确的检测模型.

   对多相流的检测可以追溯到二十世纪初, 其后 在实验室和工业范围内发展出许多检测手段和模 型[6] . 多相流的检测技术从应用目的可以分为科学 研究类测试技术与仪器, 以及工业用多相流测量技 术与仪表. 科学研究类测试技术与仪器主要为多相 流基础问题研究服务, 目的多为流体局部参数的精 细检测, 如泡径、局部流速等, 检测手段限制不大、 且应用环境相对稳定, 因此可广泛采用各种测试手 段进行研究, 小到光学探针, 大到核磁共振等均可使 用. 工业用多相流检测技术与仪表主要用于工业过 程中多相流动过程参数的检测, 进而对工业过程实 现状态监测与控制, 因此对仪表的检测手段有一定 的限制, 如非侵入、耐腐蚀、无辐射等, 且被测变量 是过程平均量[3] . 随着科技的发展, 工业界的要求也相应的提升, 许多检测手段被应用在多相流测量中, 例如传统方 法中的文丘里、孔板等, 以及新兴技术中的微波、射 线以及层析成像等[7] . 本文所讨论的多相流以石油 工业过程中常见的油气水多相流为主, 包括两相流 (主要为气液、液液) 与三相流 (主要为油气水), 所 介绍的检测方法, 发展自不同的应用场合. 然而, 由 于多相流的变化范围很大, 因此尚未有单一的检测 技术可以完全适应各种多相流的应用.

    管道中多相流呈现出的几何与动力特征不同的 流动形态称为流型, 它可通过组分或相的形态来描 述, 但难以实现定量描述, 因为流动的参数随着流型 变化, 且作用在流体上的力与参数的关系也十分复 杂[10] . 这些作用包括流体力学分析中十分重要的浮 力、湍流以及表面张力等, 均随着流速、管径、管道 倾斜角度以及各分相流体性质等变化. 作为多相流 最直观的表现形式, 流型的变化可以直接影响工业 过程的效率和安全. 例如石油工业中要尽可能避免 严重段塞流对油井井口的影响, 而在多相流输送过 程中, 又需要某些特定的流型来减少压降与管道磨 损, 提升输送效率[11] . 此外, 尽管流体的基本方程十 分接近, 但各流动参数在不同流型下的关系是不同 的, 并且一种流型下的检测方法所能达到的精度, 在 另一种流型下则很难达到. 因此对多相流流型的准 确识别不仅有助于工业生产与流动安全的保障, 也 对多相流过程参数的准确检测有直接的作用. 因此 流型识别是实现流型控制的基础. 流型可根据管道角度分为垂直管流型与水平管 流型, 以及介于二者之间的倾斜管流型. 此外, 根据 对象物性不同也可分为气液两相流、油水两相流、 油气水三相流以及油气水固多相流流型等. 在气液两相流中, 受垂直作用在水平管道上的 重力的影响, 管道内的流体会由于密度不同而逐渐 分离, 使流态变得复杂. 垂直管道中的两相流动则 多呈对称性, 因此流型相对简单, 一般分为四或五 类[12]: 泡状流、冒状泡状流、弹状流、搅拌流与环状 流. 尽管对不同物质的气液两相流流型的研究已经 十分广泛, 其中一些模型也已在工业中获得应用, 但 只有少量的气液模型能用在油水流动中. 油水两相 流间的动量传递与浮力作用是造成油水流动结构不 同的根本原因, 而且油水界面处的自由能量容易形成更短的界面波动和更小的离散相颗粒. 因此通常 将油水两相流分成两大类: 分相流和分散流. 分相 流一般存在于水平与近似水平的管道中, 分散流则 在垂直流动中十分常见. 此外, 根据油水两相的连续 相性质, 又可将油水流型分为水基流型与油基流型. 油水流型研究的另一个问题是油的特性变化范围极 大, 以油与水的粘度比为例, 其变化范围在零点几到 几百万之间, 而油的属性改变直接导致其流动的几 何形态和流态发生变化, 如重油流型与轻油流型[13] . 多相流流型的判断受观测者的主观影响很大, 不同 的研究者对流型的定义自有其标准, 甚至会在同一 实验条件下给出不同的观测结果.

    对三相流的定义涵盖了多种组合, 比如气固液 三相流、气液液三相流等. 在石油工业中常研究的 是油气水三相流, 也即气液液三相流的一种. 由于 油气水三相流在石油化工行业的广泛存在, 对其内 在特性和机理的研究变得十分迫切. 尽管对两相流 的研究已经取得丰硕的成果, 但三相流的流动机理 与两相流差别非常大, 现有的理论难以直接应用[14] . 对三相流的流型研究一度将油相与水相混合物简化 为单一液相考虑, 简化了分析和模型, 但仅局限于特 定的应用环境[15] . 为了更深入地研究三相流的流型 机理, 需要将各相分别考虑, 目前已取得了很好的初 步结论[16] . 此外, 油相性质变化范围很广, 油气水混 合物的性质也千差万别, 由此派生了许多不同的流 型定义. 其中一个广为认同的流型分类是由 A¸cikg¨oz 在 1992 年提出, 与油水两相流流型分类类似, 将油 气水三相流分为油基流型与水基流型两大类, 各子 类则与气液两相流流型相同。

    多相流是一个瞬态的、非线性的、多参数的复 杂过程, 其过程参数的检测问题可以被认为是目前 工业过程参数检测技术的最高挑战. 正是由于其特 有的复杂过程特征, 使得对其研究变得更加广泛. 多 相流本身是一个广泛存在于工业过程中的流动状态, 如能有效地解决其过程参数的检测问题, 可以在石 油、能源、核工业、化工等行业内起到提高监控效 率、提高安全保障进而提升工业过程整体效率的作 用, 同时也可为其他复杂工业过程的检测提供方法 基础和借鉴. 此外, 多相流问题本身涉及到工程热物 理、流体力学、化工反应、石油开采与混输、自动化、 仪器仪表等专业知识, 是一个典型的多学科交叉的 科学问题. 对多相流科学的深刻认识离不开有效的 检测技术, 而检测技术的发展又离不开对多相流自 身流动机理的深刻理解, 因此二者是相辅相成的关 系. 虽然经过几十年的发展, 但多相流过程参数的准 确、快速与可靠的检测仍然没有得到有效解决, 因此 对自动化与检测技术行业的科研与工程人员, 以及 前述各相关专业的研究人员而言是一个非常好的科 研领域, 尚有无尽的问题有待探索和揭示.