高速復(fù)雜結(jié)構(gòu)流場的全場光學(xué)測(cè)量技術(shù)

流量測(cè)量涉及廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。過程測(cè)量、能源計(jì)量、環(huán)境保護(hù)、交通運(yùn)輸?shù)雀吆哪茴I(lǐng)域?qū)α髁繙y(cè)量的需求急速增長，為流量測(cè)量技術(shù)提出了新的要求。不僅要求流量測(cè)量儀表耐高溫高壓，而且能自動(dòng)補(bǔ)償參數(shù)變化對(duì)測(cè)量精度的影響，從節(jié)約能源、成本核算、貿(mào)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(cè)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發(fā)應(yīng)用，使得流量計(jì)的測(cè)量準(zhǔn)確度越來越高，流量的測(cè)量范圍越來越廣。同時(shí)流量計(jì)對(duì)測(cè)量介質(zhì)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(cè)量技術(shù)，今天我們接著介紹腐蝕性介質(zhì)和多相流體的流量測(cè)量技術(shù)。

腐蝕性介質(zhì)的流量測(cè)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(xiàn)象。一切金屬與合金對(duì)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(duì)腐蝕又很敏感。一般來說，對(duì)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(duì)于腐蝕速度較此再大一個(gè)數(shù)量級(jí)，也即腐蝕速度為1mm/a材料，對(duì)于一般設(shè)備有時(shí)可酌情定為可以使用的材料。對(duì)于流量儀表的測(cè)量元件，則是不容許的。根據(jù)腐蝕速度的大小，可以預(yù)測(cè)金屬的使用壽命。

1、腐蝕性介質(zhì)對(duì)流量測(cè)量儀表的損害

介質(zhì)的腐蝕性對(duì)流量測(cè)量儀表是個(gè)嚴(yán)重威脅，只有像夾裝式超聲波流量計(jì)等個(gè)別種類的流量計(jì)受腐蝕影響較小。

a.腐蝕性介質(zhì)將流量測(cè)量儀表與介質(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(jì)電極因腐蝕引起介質(zhì)外泄，導(dǎo)致勵(lì)磁線外圈燒毀等。

b.縮短儀表壽命。例如金屬管轉(zhuǎn)子流量計(jì)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(cè)量儀表的關(guān)鍵零部件長時(shí)間受腐蝕性介質(zhì)的腐蝕而改變幾何尺寸，導(dǎo)致儀表準(zhǔn)確度降低。

例如，轉(zhuǎn)子流量計(jì)中的轉(zhuǎn)子被流體腐蝕后，外形尺寸減小，導(dǎo)致流量示值偏低。又如渦街流量計(jì)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(zhì)影響較小的夾裝式超聲波流量計(jì)，也常因金屬管內(nèi)壁被介質(zhì)腐蝕的坑坑洼洼，使發(fā)射和接收信號(hào)變?nèi)酰瑖?yán)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(xiàn)、及時(shí)處理，還容易釀成安全和人身事故。

2、對(duì)流量測(cè)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(duì)工藝流程和有關(guān)介質(zhì)特性深入了了解的基礎(chǔ)上，合理選擇測(cè)量方案，同樣達(dá)到計(jì)量或?qū)ιa(chǎn)過程進(jìn)行控制的目的，避開腐蝕性強(qiáng)的部位，而選在腐蝕性較輕的部位，甚至更改被調(diào)參數(shù)種類。例如（如果可行的話）將流量定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)用液位均勻調(diào)節(jié)或其他合適的變量調(diào)節(jié)代替，從而避開流量測(cè)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(zhì)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(jì)，可以滿足一般酸性液體精確計(jì)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(xì)咨詢，能做出承諾更好。

② 導(dǎo)電液體的儀表選型。電磁流量計(jì)的測(cè)量管內(nèi)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(zhì)的需要。

③不導(dǎo)電液體的儀表選型。夾裝式超聲流量計(jì)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(jì)。

只要對(duì)測(cè)量管內(nèi)壁作防腐蝕處理即可。但具體應(yīng)用實(shí)例現(xiàn)在還未見報(bào)道。

近年開發(fā)的配有夾裝式換能器（將非電能量轉(zhuǎn)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(shè)備的核心器件）的超聲流量計(jì)，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(nèi)襯，但此內(nèi)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(jì)帶來麻煩。對(duì)于無耐腐蝕內(nèi)襯的金屬管道，其內(nèi)壁經(jīng)長時(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(hào)強(qiáng)度變?nèi)?，?yán)重時(shí)甚至無法正常測(cè)量。這些都是使用超聲流量計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)注意的。

b. 節(jié)流式差壓流量計(jì)。

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

工藝設(shè)備專業(yè)對(duì)付腐蝕性氣體的技術(shù)幾十年前就已很成熟。

總之，流量測(cè)量儀表耐腐蝕是個(gè)長期的話題，新材料、新方法、新經(jīng)驗(yàn)?zāi)昴甓加袌?bào)道。對(duì)于一些冷門的介質(zhì)，可查閱有關(guān)文獻(xiàn)，如《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》

多相流體的流量測(cè)量

第一個(gè)商用多相流量計(jì)出現(xiàn)在大約十年前，是80年代初期多相計(jì)量研究項(xiàng)目出現(xiàn)的結(jié)果。曾經(jīng)致力于和正在研究多相流計(jì)量的開發(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(yàn)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(jì)計(jì)量的主要數(shù)據(jù)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(cè)試流體中兩相的質(zhì)量流量。當(dāng)前采用間接測(cè)量的方法即計(jì)量每種成分的瞬時(shí)速率和各自截面含率

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

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

2、多相流體的測(cè)量方法

緊湊式分離方法——應(yīng)用最廣泛、可靠、體積大 相分率和速度計(jì)量——使用條件受到限制 通過測(cè)量總流量和相分率實(shí)現(xiàn)多相計(jì)量——各種商業(yè)化流量計(jì)的做法，價(jià)格昂貴 利用示蹤物——用于校準(zhǔn)以及濕氣測(cè)量 流型識(shí)別——硬件結(jié)合軟件，價(jià)格便宜?6、各相 分別測(cè)量——復(fù)雜而且難以校準(zhǔn)

3、多相流量計(jì)的分類

（1）分離式多相流量計(jì)——分離總流和取樣分離

（2）均相化處理多相流量計(jì)

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

這種多相流量計(jì)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(duì)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(jì)

均相化多相流測(cè)量系統(tǒng)和非均相化多相流測(cè)量系統(tǒng)在計(jì)量前都不需對(duì)流體進(jìn)行分離，直接在線測(cè)量。

（4）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

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(yīng)非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。每個(gè)神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)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(fù)雜。

監(jiān)測(cè)多相流的傳感器得到包含豐富信息的復(fù)雜信號(hào)，為了提取單相流速的信息，需要采用較高級(jí)的數(shù)學(xué)處理方法。

CALtec和EDS—Scicon在石油財(cái)團(tuán)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(yù)測(cè)多相流量，不需要復(fù)雜的傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過分析實(shí)例來開發(fā)自己解決問題的方法，因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是對(duì)比而不是計(jì)算。

多相流量計(jì)的困難在于需要測(cè)量油氣水三相的相分率及流速。CALTec在設(shè)計(jì)其人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)時(shí)，采用電容測(cè)試箱、g-射線密度計(jì)、聲學(xué)及壓力傳感器對(duì)多相流體測(cè)量進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)。

這些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生包含豐富信息的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)內(nèi)部包含了自然流體的特征。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)就是從這些數(shù)據(jù)中提取有用的信息并與待測(cè)流體的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

通過實(shí)例分析的能力。盡管對(duì)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(luò)技術(shù)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(zhuǎn)變的多相流，表現(xiàn)出高度的非線形，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能較好地處理。

從主干相信號(hào)中提取信息的能力。非介入式傳感器的特點(diǎn)是信號(hào)干擾。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不僅能從信號(hào)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(jié)的能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠從有限的例子中內(nèi)插以及進(jìn)行某種程度的外插。

綜合來源于三信信號(hào)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(duì)比而不是程序計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是由許多對(duì)比構(gòu)成。對(duì)比組又由已知輸入和期望響應(yīng)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(hào)在網(wǎng)絡(luò)中反饋，對(duì)于多相流計(jì)量輸入信號(hào)（間短觀察）是傳感器輸入值，而輸出值包括已知?dú)狻⒁合嗔魉?。根?jù)目前輸出和所有例子期望輸出值的差異在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)通過修正、對(duì)比，最終取得滿意的輸出。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)所預(yù)測(cè)的氣、液相流量與實(shí)際測(cè)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(jì)

Daniel公司的MEGRA多相流量計(jì)

采用由SHELL石油公司開發(fā)的可以測(cè)量均相流中油氣水含率的Dual Gama Ray技術(shù)與內(nèi)置文丘里頭錐體流速測(cè)量技術(shù)，測(cè)量精度為±7%，在線測(cè)量參數(shù)包括：混合物總流量、各相流量、累計(jì)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(jì)

包括一個(gè)渦輪流量計(jì)和兩個(gè)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(cè)量結(jié)果）根據(jù)三個(gè)傳感器的輸出計(jì)算得到氣體和液體的體積流量；含水率微波監(jiān)測(cè)儀來測(cè)量。不能用于高含氣井流的測(cè)量。

Roxor RFM與Fluenta 1900 VI流量計(jì)

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

Framo在線多相流量計(jì)

該流量計(jì)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雙能伽馬傳感器，分別測(cè)量總流量和相分率。該流量計(jì)適合于海上油田的三相計(jì)量。

ESMER多相流量計(jì)

ESMER技術(shù)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(dòng)存在唯一的流態(tài)；唯一的流態(tài)可以用一組湍流隨機(jī)特征進(jìn)行量化和表征；隨機(jī)特征可以從對(duì)流態(tài)敏感的傳感器信號(hào)中提?。浑S機(jī)特征與多相流存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

Solartron公司的DualStream凝析天然氣流量計(jì)

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

McCrometer的V-CONE流量計(jì)

該流量計(jì)節(jié)流件的結(jié)構(gòu)特殊，目前報(bào)道的測(cè)量指標(biāo)中該流量計(jì)是最高的，對(duì)氣液相的測(cè)量精度均可達(dá)到4%以下，單相計(jì)量精度更高，可以達(dá)到0.2%，適用于單相、兩相、三相流計(jì)量。未查到有關(guān)該產(chǎn)品應(yīng)用的報(bào)道。

5、國外多相流量計(jì)普遍存在以下問題

計(jì)量范圍窄，計(jì)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(cè)試手段，其價(jià)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(yīng)用不便或流程復(fù)雜。 現(xiàn)場應(yīng)用可靠性能差

6、面臨的挑戰(zhàn)

采用核子技術(shù)來測(cè)定氣體含量，或測(cè)定含氣率和液中含水率的多相流量計(jì)，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(tǒng)以非插入方式，可以在全量程范圍內(nèi)測(cè)量氣體和水的百分含量，但有以下幾個(gè)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(zhì)量吸收系數(shù)實(shí)際上很難確定，這會(huì)對(duì)不確定度產(chǎn)生一系列影響。因此，任何質(zhì)量吸收系統(tǒng)的不確定性都會(huì)對(duì)含水測(cè)量值產(chǎn)生影響。

7、多相流量計(jì)的未來趨勢(shì)

較好的精確度、再現(xiàn)性和可靠性 系統(tǒng)有三個(gè)傳感器，每個(gè)傳感器測(cè)量一相流量(固、氣、水) ，每個(gè)傳感器的測(cè)量不受其他兩相存在的影響。 多用途多相流量計(jì) 濕氣計(jì)量 應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等軟測(cè)量技術(shù)（主要由輔助變量的選擇、數(shù)據(jù)采集與處理、軟測(cè)量模型幾部分組成?；舅枷胧前炎詣?dòng)控制理論與生產(chǎn)過程知識(shí)有機(jī)的結(jié)合起來，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)難以測(cè)量或者暫時(shí)不能測(cè)量的重要變量，選擇另外一些容易測(cè)量的變量，通過構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來推斷或者估計(jì)，以軟件來替代硬件的功能。）

盡管流量測(cè)量技術(shù)發(fā)展日趨成熟，但是在測(cè)量和應(yīng)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(zhǔn)確度能滿足多類要求。因此在選用流量測(cè)量儀表時(shí)，在滿足實(shí)際運(yùn)行測(cè)量要求的基礎(chǔ)上，還要儀表的經(jīng)濟(jì)型。

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