同轴电导传感器测量持油率对含油率表征分析

吴东月 ，王 超

(1. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2. 天津市过程检测与控制重点实验室，天津300072)

油水两相流广泛存在于石油化工行业，特别是原油的生产和运输过程中，对其含油率的在线精确测量具有重要的价值[1]．目前油水两相流含油率检测的方法主要有射线法[2]、密度法[3]、微波法[4]、热学法[1]、快关阀法[5]、电容法[6]与电导法[7]等．但是由于油水相间滑移的存在，利用上述方法在线测量得到的往往是持油率，持油率与含油率之间存在差别．所以需要对测量持油率与实际含油率之间关系进行研究，以便更好地由持油率信息估算含油率信息．

在众多测量方法中，电导法具有结构及原理简单、响应速度快、价格低廉和无辐射等优点．笔者设计了基于同轴电导传感器的持油率测量系统，并对该测量系统在垂直管道中测量的持油率与含油率的关系进行了研究．

1 含油率与持油率

在油水两相流计量中，为获得油水两相的流量，含油率是一个非常重要的参数，含油率定义为

式中：qo为油相的体积流量；qw为水相的体积流量；qm为油水两相的总体积流量．

持油率εo的定义为

式中：oA为油相所占管道截面积；wA为水相所占管道截面积．

式中：ov为油相速度；wv为水相速度．

当油、水相速度相同时，持油率等于含油率．由于油水物性的差别，油水速度会有所不同，持油率与含油率并不相等．本文使用无量纲的系数(Z)对测量持油率与含油率之间关系进行研究．Z定义为

Z直接体现了测量持油率与含油率之间的关系．

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2 实验系统简介

2.1 实验装置

实验是在天津大学油水两相流装置上进行的，实验系统如图1所示．

图1 天津大学油水两相流实验装置Fig.1 Schematic diagram of oil-water two-phase flow experimental rig at Tianjin University

实验装置由油路供给系统和水路供给系统组成，油与水单相流经过混合器后变为油水两相流．在混合器前，水路由精度为 0.2%的电磁及涡轮流量计计量，油路由精度为0.2%的罗茨和涡街流量计计量．通过实验装置上油路及水路的单相测量仪表测量的油相体积流量qo与水相体积流量qw可以得到实验管道中的参考含油率oβ．实验用的是自来水与15号工业白油．自来水的动力黏度 1.005×10-3,Pa·s(20,℃)，密度 0.999,g/cm3(20,℃)；15号工业白油的动力黏度47.5×10-3Pa·s(20,℃)，密度0.854,g/cm3(20,℃).

2.2 持油率测量系统

持油率的测量采用同轴电导传感器，结构示意如图 2所示．为减小电极边缘效应的影响，在测量电极(内电极)两端设计了保护电极．该传感器的优点是内外电极之间的电场分布较均匀，适于对相含率的测量．油、水密度存在差异，在水平管道中，由于重力作用会导致油水分层，影响含油率的测量．所以本文设计传感器安装在垂直管道上，沿管道垂直上升的油水相可以相对均匀地通过传感器．同轴传感器各部分尺寸如表1所示．

表1 同轴传感器各部分尺寸Tab.1 Size of the coaxial conductivity sensor mm

表 1中：L为传感器长度；d′为传感器外电极内径；d为传感器内电极外径；h为测量电极长度；l为保护电极长度．

同轴传感器安装在垂直上升和垂直下降实验管道上(管道口径 50,mm)．其外电极作为激励电极，接激励信号源[8]；内电极作为测量电极，接测量模块．测量模块示意如图3所示．图3所示测量模块的核心是一运算放大器．选用的是 TI公司的大电流运放 OPA2614，最大输出电流为 350,mA，带宽为350,MHz．油水两相流的阻抗信号经测量模块后转变为电信号．测量模块输出端接乘法解调模块，经解调滤波后获得该信号的实部reV与虚部imV ．解调得到的实虚部信号由 NI6259采集进计算机，采样频率1,kHz．为减小随机误差的影响，取 1,s的均值作为一次的测量值．

图3 测量模块示意Fig.3 Schematic diagram of measuring module

2.3 持油率测量模型

本文将测量对象等效为电容和电阻的并联电路[9]．则图3所示测量电路输出信号为

式中：R、C分别为油水阻抗并联模型的阻值与容值；Vi为信号源输出信号(传感器的激励信号)，且有

R可通过解调信号实部获得，即

根据同轴传感器结构，油水两相的阻值与电导率的关系式为

式中mσ为油水两相混合物的电导率．

将R代入式(9)可得mσ．将mσ带入Maxwell混合物电导率公式可得持油率oε．Maxwell公式为

式中：wσ为水的电导率；wε为持水率．

3 实验研究

实验在油水混合流速分别为 0.67,m/s、0.88,m/s、1.10,m/s、1.32,m/s下进行．含油率从 0到 70%每变化 10%测量一组(含油率为 80%时，由于油相变为连续相，会导致电导传感器测量信号失真)．在该实验条件下，垂直上升管中水包油流型向油包水流型过渡发生在含油率 70%～80%之间，这与其他研究人员的研究结论一致[10]．

实验中，激励信号使用频率为 20,kHz的正弦信号．每个实验点(同一流速及含率)测量 60,s．不同含油率下使用 60,s测量的均值计算持油率，如图 4所示．

图4 不同含油率下测量持油率Fig.4 Oil holdup at different input oil volume fractions

图4 中S/εo= 0 .68%为实验中所有实验点测量持油率标准偏差与持油率比值的均值，m ax(S/εo) =2.42%为测量持油率的标准偏差与持油率比值的最大值．带入 Maxwell计算持油率的水的电导率由同轴电导传感器测量单相水获得．由于同轴电导传感器极间电场较均匀，使得该传感器具有较高的持油率测量精度．含油率在 50%以下时，该传感器测量的持油率与标准表含油率之间相对偏差均在 2%以内．含油率大于50%后，测量持油率与含油率之间相对偏差逐渐变大．含油率为 60%时，测量持油率与含油率之间相对偏差约为3.7%．含油率为70%时，由于不导电的油相含量较多等因素影响使得测量持油率与含油率之间相对偏差较大，最大约为10%．

垂直上升管与下降管中的 Z随含油率变化关系分别如图5和图6所示．

图4～图6都表明随着含油率增加，测量持油率呈现出由小于参考含油率变为大于参考含油率的规律．该变化规律与 Xu等[11]在水相表观速度为0.354,m/s时，利用快关阀测量垂直管道中油水两相的持油率与含油率关系相似．该规律应与垂直管道中油水的滑移特性有关．图 5与图 6表明无论在垂直上升管还是下降管中，Z都呈现出随着含油率的增加而减小，从大于1变为小于1的变化规律，且垂直上升管与下降管中的 Z值较接近，表明重力对其影响较小．对Z进一步分析可得

式中vm为油水混合物的平均速度．

图5 垂直上升管中，不同含油率下的ZFig.5 Z at different oil volume fractions for upward vertical flow

图6 垂直下降管中，不同含油率下的ZFig.6 Z at different oil volume fractions for downward vertical flow

Z不仅体现了测量持油率与实际含油率的关系，而且表征了油相速度与油水两相混合的平均速度的关系．Z大于 1表明油相速度快于油水混合液速度，即油相速度快于水相速度．Z小于1时油相速度比水相速度慢．则图 5和图 6中呈现的 Z随含油率变化趋势是由低含油率时油相速度快于水相速度，随着含油率的增加，油相速度逐渐变得小于水相速度造成的．出现该现象的原因应该与垂直管道中油水的分布有关．垂直管中油水分布的研究方面，Zhao等[12]利用双电导探针研究了垂直上升管中油水两相流的截面相含率的分布．其研究表明：低含油率时，在管道壁处油相分布较少；随着含油率的增加，油相在管道壁处分布逐渐增加，含油率足够大时，在管道壁处出现截面含油率的极大值．在低含油率时，由于水相多分布在较靠近管道壁处，水相受管道壁摩擦的影响较大，油相速度快于水相速度；随着含油率的增加，管道壁处油相聚集，又由于油的黏度大于水的黏度，其与管道壁的摩擦阻力较大，使得油相速度小于水相速度．垂直下降管中的 Z的变化趋势与垂直上升管中的相同，说明垂直下降管中油水两相流也存在与垂直上升管中相似的分布情况．由于垂直管道中油水分布随含油率的变化便产生了前面利用同轴电导传感器测量得到持油率与含油率的变化规律.

4 结 论

(1) 由于油水密度差别较小，重力对同轴电导传感器在垂直上升与垂直下降管中测量持油率与含油率的关系影响较小．

(2) 垂直管道中，利用同轴电导传感器测量的持油率与含油率的关系受油水分布的影响，呈现出一种在低含油率时持油率低于含油率、高含油率段测量持油率高于含油率的变化规律．通过对该规律的认识可以在今后含油率测量中，对测量的持油率进行分段补偿使得更加精确地估算含油率信息．利用其他方法测量垂直管道中含油率时也可借鉴该规律．

(3) 垂直下降管与垂直上升管中的 Z随含油率变化的趋势相同．这表明垂直下降管中与上升管中油水两相流分布随含油率的变化情况相似．

(4) 本文所获得的规律是在本文所用油品下获得的．油品的物性可能会影响到垂直管道中油水的分布．其他油品的测量持油率与含油率的关系可能存在与本文不同的变化规律．故其他油品的测量持油率与含油率的关系将在今后进一步研究．

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