摘要(yào)：槽式孔闆 用(yòng)于濕氣計量(liang)時，差壓值會(hui)因氣液相間(jian)作用而産生(shēng)“過讀”,而采用(yòng)旋進漩渦流(liú)量計 時,旋進(jin)頻率會因液(yè)相增大而産(chan)生“欠讀”。通過(guò)分析槽式孔(kǒng)闆“過讀”和旋(xuán)進漩渦流量(liang)計“欠讀”的影(yǐng)響因素,以空(kong)氣-水爲介質(zhi)開展了一系(xi)列兩相流量(liàng)計量實驗，建(jiàn)立了各自的(de)兩相流量計(jì)量模型。将2種(zhong)模型相結合(he)建立了穩态(tài)計量模型。測(cè)試結果表明(ming),在本文實驗(yan)條件下,當液(yè)相流量小于(yu)1.0m³/h時,利用本文(wén)模型計算得(de)到的氣相流(liu)量相對誤差(cha)在5%以内。
　　濕氣(qi)是一種特殊(shū)的氣液兩相(xiang)流形态,一般(ban)指氣相體積(ji)含率大于90%,液(ye)相與其他組(zǔ)分體積含率(lü)小于10%的氣井(jǐng)産出物口。對(dui)于濕氣計量(liang),國内一般采(cǎi)用測試分離(lí)器進行分相(xiang)計量,但分離(lí)設備一般比(bǐ)較昂貴且占(zhàn)地面積較大(da),不适應于海(hai)洋石油平台(tái)。目前，國外僅(jǐn)有少數可以(yi)生産多相流(liú)流量計的廠(chǎng)家，價格非常(cháng)昂貴,而且各(ge)産品僅在實(shi)驗範圍内保(bǎo)持精度。
　　由于(yu) 差壓式流量(liàng)計 具有結構(gòu)簡單、使用方(fāng)便、運行可靠(kào)、對濕氣比較(jiào)敏感等優點(dian),被廣泛用于(yu)濕氣計量研(yán)究[川]。通過改(gǎi)進孔闆結構(gòu),采用槽式孔(kǒng)闆爲節流元(yuan)件進行氣液(ye)兩相流計量(liang),分别在中國(guó)石油大學(華(huá)東).大港油田(tian)、大慶油田進(jin)行了室内和(hé)現場實驗,獲(huò)取了大量的(de)實驗數據,提(ti)出了基于雙(shuang)槽式孔闆的(de)濕氣計量模(mó)型,通過在大(dà)港油田第四(si)采油廠進行(hang)測試,其計量(liàng)精度與國内(nèi)外相當(47]。由于(yú)雙槽式孔闆(pǎn)計量模型求(qiú)解過程中可(kě)能會出現無(wú)解的情況,通(tōng)過研究2種不(bú)同特性的流(liú)量計(槽式孔(kong)闆和旋進漩(xuan)渦流量計)的(de)計量特性,建(jiàn)立了各自的(de)兩相流量計(ji)量模型,并在(zai)此基礎上建(jiàn)立了濕氣穩(wěn)态計量模型(xing)。實驗結果表(biǎo)明,對于液相(xiàng)流量小于1.0m³/h的(de)工況，利用本(ben)文模型計算(suan)得到的氣相(xiàng)流量相對誤(wu)差在5%以内。
1槽(cao)式孔闆與旋(xuán)進漩渦流量(liàng)計兩相計量(liang)特性分析
1.1槽(cao)式孔闆
　　槽式(shi)孔闆由若幹(gàn)圈徑向分布(bù)的小孔組成(chéng)[],能使液相成(cheng)分自由通過(guò),差壓波動較(jiao)小,其流量方(fāng)程見式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中(zhong):Gg爲氣體質量(liang)流量,kg/s;C爲流出(chū)系數;D爲管道(dao)内徑,m;β爲節流(liú)元件孔徑比(bi);ɛ爲氣體可膨(péng)脹性系數;△p爲(wèi)節流元件産(chan)生的差壓，Pa;ρ爲(wei)流體密度,kg/m³;Asoe表(biao)示所有槽孔(kong)面積總和,mm2;A爲(wèi)管道的橫截(jie)面積,mm2。
　　 差壓式(shì)流量計用于(yu)單相氣體計(jì)量時精度較(jiao)高，但當用于(yu)濕氣計量時(shí)，由于液相對(duì)氣相阻塞造(zao)成的加速壓(ya)降及氣相對(dui)液相加速造(zao)成的摩阻壓(yā)降造成差壓(ya)值偏高,從而(ér)計算得到的(de)氣相質量流(liú)量也會增大(dà)[!,這種現象稱(cheng)爲“過讀”。對于(yu)槽式孔闆,表(biao)觀氣體質量(liàng)流量由式(3)定(ding)義,過讀由式(shi)(4)定義。本文的(de)目的是通過(guo)實驗研究建(jiàn)立“過讀"相關(guan)式,然後利.用(yong)式(5)可以計算(suàn)出實際氣體(ti)流量。
 
　　式(3)中:Geperen爲(wei)表觀氣體質(zhì)量流量,kg/s;Op。爲兩(liǎng)相流時的差(chà)壓,Pa;φg。爲“過讀”參(cān)數。
　　前期研究(jiū)表明，影響“過(guo)讀”的主要因(yīn)素有Lockhart-Martinelli參數XLu,氣(qi)液密度比Dg、氣(qi)體Froude數Frg。相關參(cān)數計算式如(ru)下:
 
　　式(6)~(8)中:Xlm與氣(qi)液兩相質量(liang)流量之比、密(mi)度之比有關(guān),反映了氣液(ye)兩相流速相(xiàng)對大小;Frg與氣(qi).相折算速度(du)ʋrg、氣液密度相(xiàng)關,可以反映(yìng)氣相流速、壓(yā)力、密度等因(yin)素的内在聯(lian)系;氣液密度(du)比Dg可以反映(ying)壓力變化.
1.2旋(xuan)進漩渦流量(liàng)計
　　旋進漩渦(wō)流量計是一(yi)種流體振蕩(dàng)性流量計，應(yīng)用強迫振動(dong)的漩渦旋進(jìn)原理測量流(liu)量,其特點是(shi)管道内無可(ke)動部件,幾乎(hu)不受溫度、壓(ya)力、密度、粘度(dù)等變化影響(xiǎng),儀表輸出的(de)脈動信号與(yǔ)體積流量成(cheng)正比,其單相(xiang)流量計算公(gōng)式爲
 
　　式(9)中:Q爲(wèi)瞬時流量,kg/s;K爲(wei)單相流量特(tè)性曲線斜率(lǜ)，由儀表本身(shen)決定;f爲瞬時(shí)旋進頻率,Hz。
　　當(dāng)管内爲氣液(ye)兩相流時,旋(xuán)進頻率會減(jiǎn)小,從而引起(qǐ)計算所得流(liú)量低于真實(shi)流量,這主要(yào)是由氣液間(jiān)相互作用造(zao)成的[0],本文将(jiang)其定義爲“欠(qian)讀”。當液相流(liú)量繼續增大(dà)(至1.0m'/h)時,旋進頻(pin)率會被噪聲(shēng)淹沒。定義“欠(qian)讀"Lg計算公式(shì)爲
 
　　式(10)中:ƒtf爲兩(liǎng)相流時的旋(xuan)進頻率;ƒg爲單(dān)相氣體時的(de)旋進頻率。
2槽(cáo)式孔闆與旋(xuan)進漩渦流量(liang)計濕氣計量(liàng)模型建立
2.1實(shí)驗條件
　　在中(zhong)國石油大學(xue)大型多相流(liu)實驗環道[]上(shang)進行空氣水(shui)兩相流實驗(yan)。實驗條件爲(wei):孔徑比β取0.5和(he)0.6、氣相流量150~650m³/h、液(yè)相流量0.2~5.0m/h.表壓(yā)0.25~0.34MPa。實驗環道可(ke)控制氣液流(liu)量穩定,混合(he)均勻,經過足(zú)夠的流型發(fā)展後進人測(cè)試段,氣液流(liu)量分别采用(yong)金屬轉子流(liu)量計和質量(liang)流量計進行(háng)測量,精度爲(wei)1.5%和0.2%。溫度變送(sòng)器精度爲0.5%,壓(ya)力、差壓變送(song)器精度爲0.2%,漩(xuán)渦流量計精(jing)度爲1.5%,數據采(cǎi)集系統采用(yòng)NI公司虛拟儀(yí)器采集系統(tong)。濕氣計量測(cè)試系統示意(yì)圖見圖1.
 
2.2槽式(shi)孔闆濕氣計(jì)量模型
　　基于(yu)标準差壓式(shì)節流元件,前(qián)人總結了影(ying)響孔闆和文(wén)丘裏管φg的主(zhu)要因素,如壓(ya)力、Lockhart-Martinelli參數等。在(zai)前人基礎上(shang),進一步對影(yǐng)響槽式孔闆(pan)φg的因素進行(hang)了研究,現有(you)的槽式孔闆(pan)中。.計算式中(zhōng)僅包含Dg和Xlm兩(liǎng)個變量,而孔(kong)徑比β及氣體(ti)Froude數Fr。未考慮在(zài)内,但研究發(fā)現孔徑.比β和(hé)Frg都對φg有着顯(xiǎn)著的影響。
　　圖(tu)2爲β=0.6、表壓0.25MPa時φg與(yǔ)XLm、Frg的三維曲面(mian)圖。由圖2可以(yǐ)看出:當Frg相同(tong)時，φg随XLm增大而(er)增大,主要原(yuán)因是液相流(liú)量增大，導緻(zhi)氣體流通面(miàn)積減小,增大(dà)了氣相對液(yè)相的加速作(zuo)用,使得壓降(jiàng)增加。φg與Frg、XLm近似(sì)分布在--光滑(hua)平面上,當Fr.g>1.5時(shí),平面比較光(guang)滑;而當Frg<1.5時,平(píng)面比較陡峭(qiao)。根水平管氣(qi)液兩相流型(xíng)圖，Frg=1.5位于分層(ceng)流和環狀流(liu)的分界線上(shang),因此平面出(chu)現陡峭是由(you)于流型變化(hua)造成的。對孔(kǒng)徑比爲0.5的孔(kong)闆也進行了(le)研究,結論也(ye)是如此。
 
　　因此(cǐ),本文引人孔(kong)徑比β和Frg參數(shu)，同時對多年(nián)不同實驗條(tiáo)件下的數據(ju)進行分析,建(jiàn)立的槽式孔(kǒng)闆過讀φg相關(guān)式爲
 
　　利用式(shi)(1)和實際氣體(tǐ)質量流量計(ji)算可得單相(xiang)氣體差壓△pe,代(dai)入式(4)可得中(zhōng)。;利用壓力、溫(wēn)度、氣液兩相(xiang)流量計算可(ke)得Xuu、Fr、Dg。
　　利用TableCurve3D軟件(jian)對孔徑比爲(wèi)0.5和0.6的實驗數(shu)據進行曲面(miàn)拟合并通過(guo)線性回歸,得(de)到φg計算式爲(wei).
 
　　式(12)即爲槽式(shì)孔闆濕氣計(ji)量模型。圖3是(shi)利用本文模(mo)型對氣體實(shí)際流量預測(cè)的相對誤差(chà)絕對值,可.以(yi)看出效果較(jiào)好,氣體流量(liang)總體平均誤(wù)差僅爲2.09%,且在(zai)92%的置信概率(lǜ)下氣相流量(liàng)相對誤差均(jun)小于5%，
 
2.3旋進漩渦(wō)流量計濕氣(qì)計量模型
　　前(qián)期研究表明(míng),氣液兩相流(liú)量與旋進頻(pín)率有關,但并(bìng)未給出流量(liang)計算模型。通(tong)過對兩相流(liu)旋進頻率數(shù)據進行分析(xi),研究XLm、Frg對“欠讀(du)”的影響,最後(hou)利用非線性(xing)回歸方法建(jiàn)立了“欠讀"L計(jì)算式。
　　利用式(shì)(9)和實際氣體(tǐ)質量流量計(ji)算可得單相(xiàng)氣體頻率ƒg,代(dài)人式(10)可得Lg利(li)用壓力、溫度(du)、氣液兩相流(liú)量可得Xlm、Frg.由于(yu)液相流量大(dà)于1.0m³/h時旋進頻(pín)率會被噪聲(sheng)淹沒,故實驗(yan)時液相流量(liang)控制在1.0m³/h之内(nèi)。
　　圖4爲表壓0.25MPa、液(yè)相流量小于(yu)1.0m³/h時Lg随XLm的變化(hua)規律。從圖4可(kě)以看出:Lg随XLm的(de)增大而減小(xiǎo);相同XLu條件下(xià),Frg越大,“欠.讀"Lg越(yue)小,這主要是(shì)由液相流量(liàng)增大,旋進頻(pin)率信号減弱(ruo)造成的。
 
值,可(ke)以看出當液(ye)相流量小于(yu)1.0m³/h時,氣體流量(liang)總體平均誤(wù)差小于2.7%,且在(zai)95%的置信概率(lü)下氣相流量(liàng)相對誤差均(jun1)小于5%。
3穩态計(ji)量模型建立(lì)
　　利用單相氣(qì)體流量計,通(tong)過濕氣計量(liang)修正模型計(ji)量時,必須測(cè)得XLm參數,且必(bi)須在現場工(gōng)作條件下基(jī)本穩定。當現(xian)場XLm參數可測(cè)的情況下,利(li)用本文槽式(shi)孔闆或旋進(jìn)漩渦相關式(shi)可得到較高(gao)的計量精度(dù),但一般情況(kuang)下該參數不(bu)易測量且頻(pin)繁變化,在這(zhe)種情況下僅(jin)采用一種單(dan)相氣體流量(liang)計進行計量(liang)是不切實際(ji)的。因此,考慮(lü)采用2種或多(duō)種不同特性(xing)的流量計同(tóng)時計量,通過(guo)叠代計算,消(xiao)去未知參數(shù)影響,進行濕(shī)氣流量計量(liàng)。其基本思路(lu)是:将基于槽(cáo)式孔闆差壓(yā)、旋進頻率建(jiàn)立的兩相流(liú)量修正計算(suàn)式構成方程(cheng)組，即建立穩(wen)态計量模型(xíng),然後通過叠(dié)代求解計算(suan)氣液相流量(liang)及質量含氣(qi)率。穩态計量(liàng)模型求解流(liú)程圖見圖6,圖(tú)中下标“1"表示(shi)槽式孔闆相(xiang)應參數,下标(biao)“2”表示旋進漩(xuán)渦相應參數(shù)。叠代分爲内(nei)外2個循環。給(gěi)定XLm=XLmin,分别由2個(ge)方程叠代計(jì)算質量流量(liang)Gg1.Gg2,通過内循環(huan)使Gg1.Gg2收斂。然後(hòu)通過判斷2個(ge)質量流量是(shì)否足夠小，如(ru)果滿足精度(dù),則記錄該值(zhi);否則,增加XLM重(zhòng)新進入内循(xun)環進行計算(suan),直到滿足精(jīng)度爲止或者(zhě)XLM超出最大值(zhí)，結束該點計(jì)算,選取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述(shu)穩态計量模(mó)型是在均值(zhí)數據上建立(li)的。爲了分析(xi)模型對瞬時(shi)數據測量結(jie)果,通過對原(yuán)始數據進行(háng)預處理,再由(you)穩态計量模(mo)型,利用LabVIEW軟件(jiàn)進行氣相流(liu)量測量。選取(qu)氣相流量分(fen)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(jin)行實驗,結果(guǒ)表明,對液相(xiàng)流量小于1.0m³/h的(de)工況,氣相流(liu)量計算相對(dui)誤差在5%以内(nèi)。由于數據量(liang)較大,本文僅(jin)對液相流量(liàng)分别爲0.2和0.4m³/h工(gong)況下的實驗(yàn)數據進行處(chù)理分析,每個(ge)工況時間長(zhǎng)度取2min,每.隔1s對(dui)溫度、壓力、差(cha)壓和實際氣(qì)體流量進行(háng)濾波及取平(ping)均,并計算每(měi)秒的旋進頻(pín)率。對1920個實驗(yàn)點進行處理(li),結果見圖7。
 
　　從(cóng)圖7可以看出(chu),在液相流量(liang)爲0.2和0.4m³/h條件下(xia),利用穩态模(mó)型計算氣體(tǐ)瞬時流量的(de)相對誤差均(jun)在5%以内。同時(shi)可以看出，此(cǐ)方法比單獨(dú)采用修正計(jì)算式誤差較(jiao)大，主要原因(yin)是叠代計算(suan)所得到的XLM存(cún)在一定偏差(chà)。
4結論
(1)建立了(le)槽式孔闆濕(shī)氣計量模型(xing),在測試條件(jian)範圍内,氣相(xiàng)流量總體平(ping)均誤差2.09%，且在(zài)92%的置信概率(lü)下相對誤差(cha)均小于5%。對旋(xuan)進漩渦流量(liàng)計兩相測量(liang)特性做了探(tan)索性研究,定(dìng)義了“欠讀”因(yin)子Lg,研究表明(ming),L。随XLm的增大而(ér)減小，在相同(tóng)XLM條件下,Frg越大(da),Lg越小。通過分(fen)區間拟合,建(jiàn)立了旋進漩(xuán)渦流量計濕(shī)氣計量模型(xíng),在液相流量(liàng)小于1.0m³/h範圍内(nei),氣體流量總(zǒng)體平均誤差(cha)小于2.7%,且在95%的(de)置信概率下(xià)氣相流量相(xiang)對誤差均小(xiǎo)于5%。
(2)槽式孔闆(pan)結合旋進頻(pín)率相關式建(jian)立了穩态計(ji)量模型,通過(guò)LabVIEW軟件進行了(le)瞬時流量測(ce)試,結果表明(ming)在本文實驗(yàn)條件下,對于(yu)液相流量小(xiǎo)于1.0m³/h的工況,氣(qì)相流量計算(suàn)相對誤差均(jun)在5%以内,可爲(wei)後續計量軟(ruan)件開發提供(gong)參考依據。本(ben)文.研究是在(zài)多年實驗數(shù)據基礎上進(jin)行的,與生産(chǎn)現場.的工況(kuàng)(包括壓力,溫(wēn)度、介質屬性(xìng)、管徑)有較大(da)差.别,所以本(běn)文提出的穩(wěn)态計量模型(xíng)還需要大量(liàng)的現場試驗(yan)研究.
(3)國内外(wai)尚無基于旋(xuan)進漩渦流量(liang)計的濕氣計(ji)量研究,對于(yú)大液量條件(jiàn)下的漩渦特(te)性,仍須做進(jìn)一步研究。另(lìng)外,基于單相(xiàng)差壓式流量(liàng)計(孔闆、文丘(qiu)裏管)的濕氣(qi)計量修正模(mó)型均在實驗(yan)條件下精度(du)較.高,所以建(jian)立計算式系(xi)數可随現場(chang)實際情況變(bian)化的計量模(mo)型,也是下一(yī)步的研究方(fang)向。

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