内外管流道内气液两相流近红外吸收光谱特性及流量测量模型研究

Energy is the world's hot issues of common concern. With the increasing tension of oil and gas resources, it is essential that how to achieve its scientific and rational development, utilization of low-carbon production and energy conservation. Because the measurement without the separation of crude oil and gas is an effective way, people pay growing attention to the key technical basis----gas-liquid flow detection. Based on the others' research results, the early experimental accumulation of the project team, theoretical analysis and model simulation, the project proposed the gas-liquid two-phase flow detection based on infrared radiation and infrared absorption characteristics. To design the optimal structure detection system which is to measure the characteristics of flow and infrared radiation and spectral absorption in the gas-liquid system, it combined theoretical, experimental and simulation. The project used infrared thermal imaging, infrared cameras and image recognition technology, and gas-liquid two-phase infrared absorption spectrum of information processing technology. More importantly, it established the physical model and related algorithms between gas-liquid two-phase flow rate and the infrared properties, and achieved the goal of a more accurate test, which provides a new way of thinking to measure gas and liquid together.

油气开采及油气输运中流体不分离计量是实现低碳生产、节能减排的有效途径之一，气液两相流检测技术是油气井口流体不分离计量的关键技术基础，因而越来越被人们所重视。本项目针对这一问题而展开，在总结借鉴他人研究成果及项目组前期实验积累、理论分析与模型仿真的基础上，提出了利用近红外光谱吸收原理结合新型内外管流量测量装置进行气液两相流检测的新方法，根据内外管流道内气液两相流动特点，将不同波段的近红外光纤探头分置于内外管上，用于检测气液两相含率。项目组拟采用理论、实验、仿真研究相结合的方法，设计检测系统的最优结构，研究新测量系统内气液两相流动特性及近红外吸收光谱特性，利用气液两相流近红外吸收光谱信息处理技术，建立气液两相流相含率与红外特性关联的物理模型以及相关算法，实现气液两相流相含率的较准确检测，与内外管流量测量装置结合，实现气液两相流量测量，为气液两相流量不分离测量提供一种新思路。

气液两相流检测技术是流体不分离计量的关键技术基础，鉴于此，本项目提出利用近红外光谱吸收原理结合新型内外管流量测量装置进行气液两相流检测的新方法。设计了一种新型内外管差压流量计节流件结构和新型取压方式，进行水、气流量单相实验。结果表明该型内外管差压流量计在大流量阶段性能稳定，流出系数稳定在1.0附近，压损比在0.15附近，具有较好的节能性。研究了气液两相流测量特性，在已知含率的情况下求得弹状流及泡状流的两相质量流量预测模型。结果表明，弹状流质量流量最大示值误差为3%，泡状流质量流量最大示值误差为2.5%。. 在内外管测量装置的基础上，为了提高光线在管内反射、折射后被相应的接收探头接收的比例，改变原有探头径向放置方式为沿轴向测量，设计加工了分别安装于水平和竖直管道的新型气液两相流检测装置，与差压测量装置结合，建立了一个与流型无关的相含率测量模型及弹状流与泡状流的流量测量模型，实现了气液两相不分离测量。. 研究过程中发现，近红外发射探头与接收探头安装在现有管道上时，信号损失大，因此提出将近红外测量系统布置于长喉颈文丘里管喉管部位的新结构，并进行气液两相流流动特性研究。针对性的分析了气液两相交界面对近红外测量结果的影响，合理构建流动模型并建立了新的测量模型，提高了测量的准确性。. 为解决测量结果受流型影响较大的问题，课题组将原先的单探头改为面阵探头，减少折射的同时提高了测量精度，进行了基于矩形差压流量计的近红外系统结构优化及测量模型研究，得到相含率测量模型和总流量测量模型，液相含率测量误差在3.5%以内，弹状流总流量误差在6.5%以内，泡状流总流量误差在1.5%以内。. 该项目在准确测量相含率与流量方面取得的相关研究结果对两相流及多相流的技术发展和实际应用具有积极推动作用。