摘要：槽(cáo)式孔闆
用于濕氣(qi)計量時，差壓值會(huì)因氣液相間作用(yong)而産生“過讀”,而采(cai)用旋進漩渦流量(liàng)計
時,旋進頻率會(hui)因液相增大而産(chǎn)生“欠讀”。通過分析(xi)槽式孔闆“過讀”和(hé)旋進漩渦流量計(ji)“欠讀”的影響因素(su),以空氣-水爲介質(zhì)開展了一系列兩(liang)相流量計量實驗(yàn)，建立了各自的兩(liǎng)相流量計量模型(xing)。将2種模型相結合(hé)建立了穩态計量(liàng)模型。測試結果表(biǎo)明,在本文實驗條(tiáo)件下,當液相流量(liang)小于1.0m³/h時,利用本文(wén)模型計算得到的(de)氣相流量相對誤(wù)差在5%以内。
濕氣是(shi)一種特殊的氣液(yè)兩相流形态,一般(ban)指氣相體積含率(lǜ)大于90%,液相與其他(tā)組分體積含率小(xiao)于10%的氣井産出物(wu)口。對于濕氣計量(liàng),國内一般采用測(cè)試分離器進行分(fen)相計量,但分離設(shè)備一般比較昂貴(guì)且占地面積較大(dà),不适應于海洋石(shi)油平台。目前，國外(wài)僅有少數可以生(sheng)産多相流流量計(ji)的廠家，價格非常(cháng)昂貴,而且各産品(pin)僅在實驗範圍内(nèi)保持精度。
由于
差(chà)壓式流量計
具有(yǒu)結構簡單、使用方(fang)便、運行可靠、對濕(shi)氣比較敏感等優(yōu)點,被廣泛用于濕(shi)氣計量研究[川]。通(tong)過改進孔闆結構(gòu),采用槽式孔闆爲(wèi)節流元件進行氣(qì)液兩相流計量,分(fen)别在中國石油大(dà)學(華東).大港油田(tian)、大慶油田進行了(le)室内和現場實驗(yàn),獲取了大量的實(shi)驗數據,提出了基(jī)于雙槽式孔闆的(de)濕氣計量模型,通(tong)過在大港油田第(di)四采油廠進行測(ce)試,其計量精度與(yu)國内外相當(47]。由于(yú)雙槽式孔闆計量(liàng)模型求解過程中(zhōng)可能會出現無解(jie)的情況,通過研究(jiu)2種不同特性的流(liú)量計(槽式孔闆和(hé)旋進漩渦流量計(ji))的計量特性,建立(li)了各自的兩相流(liu)量計量模型,并在(zài)此基礎上建立了(le)濕氣穩态計量模(mó)型。實驗結果表明(míng),對于液相流量小(xiao)于1.0m³/h的工況，利用本(ben)文模型計算得到(dào)的氣相流量相對(dui)誤差在5%以内。
1槽式(shi)孔闆與旋進漩渦(wō)流量計兩相計量(liang)特性分析
1.1槽式孔(kǒng)闆
槽式孔闆由若(ruo)幹圈徑向分布的(de)小孔組成[],能使液(yè)相成分自由通過(guò),差壓波動較小,其(qí)流量方程見式(1)~(2)
式(shi)(1)~(2)中:Gg爲氣體質量流(liu)量,kg/s;C爲流出系數;D爲(wei)管道内徑,m;β爲節流(liu)元件孔徑比;ɛ爲氣(qi)體可膨脹性系數(shu);△p爲節流元件産生(sheng)的差壓，Pa;ρ爲流體密(mi)度,kg/m³;Asoe表示所有槽孔(kǒng)面積總和,mm2;A爲管道(dao)的橫截面積,mm2。
差壓(ya)式流量計用于單(dan)相氣體計量時精(jīng)度較高，但當用于(yu)濕氣計量時，由于(yú)液相對氣相阻塞(sāi)造成的加速壓降(jiàng)及氣相對液相加(jiā)速造成的摩阻壓(ya)降造成差壓值偏(piān)高,從而計算得到(dào)的氣相質量流量(liàng)也會增大[!,這種現(xian)象稱爲“過讀”。對于(yu)槽式孔闆,表觀氣(qi)體質量流量由式(shi)(3)定義,過讀由式(4)定(ding)義。本文的目的是(shi)通過實驗研究建(jiàn)立“過讀"相關式,然(rán)後利.用式(5)可以計(jì)算出實際氣體流(liu)量。
式(3)中:Geperen爲表觀氣(qi)體質量流量,kg/s;Op。爲兩(liǎng)相流時的差壓,Pa;φg。爲(wèi)“過讀”參數。
前期研(yan)究表明，影響“過讀(dú)”的主要因素有Lockhart-Martinelli參(can)數XLu,氣液密度比Dg、氣(qi)體Froude數Frg。相關參數計(jì)算式如下:
式(6)~(8)中:Xlm與(yǔ)氣液兩相質量流(liu)量之比、密度之比(bǐ)有關,反映了氣液(ye)兩相流速相對大(da)小;Frg與氣.相折算速(sù)度ʋrg、氣液密度相關(guān),可以反映氣相流(liú)速、壓力、密度等因(yin)素的内在聯系;氣(qi)液密度比Dg可以反(fǎn)映壓力變化.
1.2旋進(jin)漩渦流量計
旋進(jin)漩渦流量計是一(yi)種流體振蕩性流(liú)量計，應用強迫振(zhèn)動的漩渦旋進原(yuán)理測量流量,其特(te)點是管道内無可(kě)動部件,幾乎不受(shou)溫度、壓力、密度、粘(zhan)度等變化影響,儀(yi)表輸出的脈動信(xìn)号與體積流量成(cheng)正比,其單相流量(liang)計算公式爲
式(9)中(zhōng):Q爲瞬時流量,kg/s;K爲單(dān)相流量特性曲線(xiàn)斜率，由儀表本身(shen)決定;f爲瞬時旋進(jìn)頻率,Hz。
當管内爲氣(qì)液兩相流時,旋進(jìn)頻率會減小,從而(ér)引起計算所得流(liu)量低于真實流量(liang),這主要是由氣液(yè)間相互作用造成(cheng)的[0],本文将其定義(yi)爲“欠讀”。當液相流(liu)量繼續增大(至1.0m'/h)時(shí),旋進頻率會被噪(zao)聲淹沒。定義“欠讀(dú)"Lg計算公式爲
式(10)中(zhong):ƒtf爲兩相流時的旋(xuan)進頻率;ƒg爲單相氣(qì)體時的旋進頻率(lǜ)。
2槽式孔闆與旋進(jin)漩渦流量計濕氣(qì)計量模型建立
2.1實(shí)驗條件
在中國石(shí)油大學大型多相(xiang)流實驗環道[]上進(jin)行空氣水兩相流(liu)實驗。實驗條件爲(wèi):孔徑比β取0.5和0.6、氣相(xiàng)流量150~650m³/h、液相流量0.2~5.0m/h.表(biǎo)壓0.25~0.34MPa。實驗環道可控(kòng)制氣液流量穩定(ding),混合均勻,經過足(zu)夠的流型發展後(hou)進人測試段,氣液(yè)流量分别采用金(jin)屬轉子流量計和(hé)質量流量計進行(háng)測量,精度爲1.5%和0.2%。溫(wēn)度變送器精度爲(wei)0.5%,壓力、差壓變送器(qi)精度爲0.2%,漩渦流量(liàng)計精度爲1.5%,數據采(cǎi)集系統采用NI公司(si)虛拟儀器采集系(xi)統。濕氣計量測試(shì)系統示意圖見圖(tú)1.
2.2槽式孔闆濕氣計(ji)量模型
基于标準(zhǔn)差壓式節流元件(jiàn),前人總結了影響(xiang)孔闆和文丘裏管(guǎn)φg的主要因素,如壓(yā)力、Lockhart-Martinelli參數等。在前人(ren)基礎上,進一步對(dui)影響槽式孔闆φg的(de)因素進行了研究(jiu),現有的槽式孔闆(pǎn)中。.計算式中僅包(bao)含Dg和Xlm兩個變量,而(er)孔徑比β及氣體Froude數(shù)Fr。未考慮在内,但研(yan)究發現孔徑.比β和(he)Frg都對φg有着顯著的(de)影響。
圖2爲β=0.6、表壓0.25MPa時(shí)φg與XLm、Frg的三維曲面圖(tú)。由圖2可以看出:當(dang)Frg相同時，φg随XLm增大而(er)增大,主要原因是(shì)液相流量增大，導(dao)緻氣體流通面積(jī)減小,增大了氣相(xiang)對液相的加速作(zuò)用,使得壓降增加(jia)。φg與Frg、XLm近似分布在--光(guāng)滑平面上,當Fr.g>1.5時,平(ping)面比較光滑;而當(dāng)Frg<1.5時,平面比較陡峭(qiao)。根水平管氣液兩(liǎng)相流型圖，Frg=1.5位于分(fen)層流和環狀流的(de)分界線上,因此平(ping)面出現陡峭是由(you)于流型變化造成(cheng)的。對孔徑比爲0.5的(de)孔闆也進行了研(yan)究,結論也是如此(ci)。
因此,本文引人孔(kong)徑比β和Frg參數，同時(shi)對多年不同實驗(yan)條件下的數據進(jìn)行分析,建立的槽(cao)式孔闆過讀φg相關(guan)式爲
利用式(1)和實(shí)際氣體質量流量(liang)計算可得單相氣(qì)體差壓△pe,代入式(4)可(ke)得中。;利用壓力、溫(wēn)度、氣液兩相流量(liàng)計算可得Xuu、Fr、Dg。
利用TableCurve3D軟(ruan)件對孔徑比爲0.5和(hé)0.6的實驗數據進行(hang)曲面拟合并通過(guò)線性回歸,得到φg計(jì)算式爲.
式(12)即爲槽(cáo)式孔闆濕氣計量(liang)模型。圖3是利用本(ben)文模型對氣體實(shi)際流量預測的相(xiang)對誤差絕對值,可(ke).以看出效果較好(hao),氣體流量總體平(píng)均誤差僅爲2.09%,且在(zài)92%的置信概率下氣(qi)相流量相對誤差(cha)均小于5%，
2.3旋進漩(xuan)渦流量計濕氣計(ji)量模型
前期研究(jiu)表明,氣液兩相流(liú)量與旋進頻率有(you)關,但并未給出流(liú)量計算模型。通過(guo)對兩相流旋進頻(pín)率數據進行分析(xi),研究XLm、Frg對“欠讀”的影(yǐng)響,最後利用非線(xiàn)性回歸方法建立(lì)了“欠讀"L計算式。
利(lì)用式(9)和實際氣體(tǐ)質量流量計算可(ke)得單相氣體頻率(lǜ)ƒg,代人式(10)可得Lg利用(yòng)壓力、溫度、氣液兩(liang)相流量可得Xlm、Frg.由于(yú)液相流量大于1.0m³/h時(shí)旋進頻率會被噪(zao)聲淹沒,故實驗時(shi)液相流量控制在(zài)1.0m³/h之内。
圖4爲表壓0.25MPa、液(ye)相流量小于1.0m³/h時Lg随(suí)XLm的變化規律。從圖(tú)4可以看出:Lg随XLm的增(zeng)大而減小;相同XLu條(tiao)件下,Frg越大,“欠.讀"Lg越(yuè)小,這主要是由液(yè)相流量增大,旋進(jìn)頻率信号減弱造(zào)成的。
值,可以看出(chu)當液相流量小于(yú)1.0m³/h時,氣體流量總體(ti)平均誤差小于2.7%,且(qiě)在95%的置信概率下(xia)氣相流量相對誤(wù)差均小于5%。
3穩态計(ji)量模型建立
利用(yong)單相氣體流量計(ji),通過濕氣計量修(xiū)正模型計量時,必(bì)須測得XLm參數,且必(bì)須在現場工作條(tiao)件下基本穩定。當(dāng)現場XLm參數可測的(de)情況下,利用本文(wen)槽式孔闆或旋進(jin)漩渦相關式可得(dé)到較高的計量精(jīng)度,但一般情況下(xià)該參數不易測量(liang)且頻繁變化,在這(zhe)種情況下僅采用(yong)一種單相氣體流(liú)量計進行計量是(shi)不切實際的。因此(ci),考慮采用2種或多(duō)種不同特性的流(liú)量計同時計量,通(tōng)過叠代計算,消去(qù)未知參數影響,進(jìn)行濕氣流量計量(liang)。其基本思路是:将(jiang)基于槽式孔闆差(cha)壓、旋進頻率建立(lì)的兩相流量修正(zheng)計算式構成方程(cheng)組，即建立穩态計(ji)量模型,然後通過(guo)叠代求解計算氣(qi)液相流量及質量(liàng)含氣率。穩态計量(liàng)模型求解流程圖(tu)見圖6,圖中下标“1"表(biǎo)示槽式孔闆相應(yīng)參數,下标“2”表示旋(xuan)進漩渦相應參數(shù)。叠代分爲内外2個(ge)循環。給定XLm=XLmin,分别由(you)2個方程叠代計算(suan)質量流量Gg1.Gg2,通過内(nèi)循環使Gg1.Gg2收斂。然後(hou)通過判斷2個質量(liàng)流量是否足夠小(xiao)，如果滿足精度,則(zé)記錄該值;否則,增(zeng)加XLM重新進入内循(xun)環進行計算,直到(dào)滿足精度爲止或(huò)者XLM超出最大值，結(jié)束該點計算,選取(qǔ)Gg=(Gg1+Gg2)/2。
上述穩态計量模(mó)型是在均值數據(ju)上建立的。爲了分(fèn)析模型對瞬時數(shu)據測量結果,通過(guo)對原始數據進行(hang)預處理,再由穩态(tài)計量模型,利用LabVIEW軟(ruan)件進行氣相流量(liàng)測量。選取氣相流(liú)量分别爲680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流(liu)量分别爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進行實(shí)驗,結果表明,對液(ye)相流量小于1.0m³/h的工(gōng)況,氣相流量計算(suàn)相對誤差在5%以内(nei)。由于數據量較大(da),本文僅對液相流(liu)量分别爲0.2和0.4m³/h工況(kuang)下的實驗數據進(jìn)行處理分析,每個(ge)工況時間長度取(qǔ)2min,每.隔1s對溫度、壓力(li)、差壓和實際氣體(ti)流量進行濾波及(ji)取平均,并計算每(měi)秒的旋進頻率。對(dui)1920個實驗點進行處(chù)理,結果見圖7。
從圖(tu)7可以看出,在液相(xiang)流量爲0.2和0.4m³/h條件下(xià),利用穩态模型計(ji)算氣體瞬時流量(liang)的相對誤差均在(zài)5%以内。同時可以看(kan)出，此方法比單獨(du)采用修正計算式(shì)誤差較大，主要原(yuan)因是叠代計算所(suǒ)得到的XLM存在一定(dìng)偏差。
4結論
(1)建立了(le)槽式孔闆濕氣計(ji)量模型,在測試條(tiao)件範圍内,氣相流(liú)量總體平均誤差(cha)2.09%，且在92%的置信概率(lü)下相對誤差均小(xiǎo)于5%。對旋進漩渦流(liu)量計兩相測量特(tè)性做了探索性研(yán)究,定義了“欠讀”因(yin)子Lg,研究表明,L。随XLm的(de)增大而減小，在相(xiang)同XLM條件下,Frg越大,Lg越(yuè)小。通過分區間拟(nǐ)合,建立了旋進漩(xuan)渦流量計濕氣計(jì)量模型,在液相流(liú)量小于1.0m³/h範圍内,氣(qì)體流量總體平均(jun)誤差小于2.7%,且在95%的(de)置信概率下氣相(xiang)流量相對誤差均(jun1)小于5%。
(2)槽式孔闆結(jie)合旋進頻率相關(guan)式建立了穩态計(ji)量模型,通過LabVIEW軟件(jiàn)進行了瞬時流量(liàng)測試,結果表明在(zài)本文實驗條件下(xia),對于液相流量小(xiǎo)于1.0m³/h的工況,氣相流(liu)量計算相對誤差(chà)均在5%以内,可爲後(hòu)續計量軟件開發(fa)提供參考依據。本(ben)文.研究是在多年(nián)實驗數據基礎上(shàng)進行的,與生産現(xian)場.的工況(包括壓(ya)力,溫度、介質屬性(xìng)、管徑)有較大差.别(bie),所以本文提出的(de)穩态計量模型還(hai)需要大量的現場(chang)試驗研究.
(3)國内外(wài)尚無基于旋進漩(xuan)渦流量計的濕氣(qì)計量研究,對于大(dà)液量條件下的漩(xuán)渦特性,仍須做進(jìn)一步研究。另外,基(ji)于單相差壓式流(liú)量計(孔闆、文丘裏(lǐ)管)的濕氣計量修(xiū)正模型均在實驗(yàn)條件下精度較.高(gao),所以建立計算式(shi)系數可随現場實(shí)際情況變化的計(jì)量模型,也是下一(yī)步的研究方向。
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