摘要(yao)：槽式孔闆(pan) 用于濕氣(qi)計量時，差(chà)壓值會因(yin)氣液相間(jian)作用而産(chǎn)生“過讀”,而(ér)采用旋進(jin)漩渦流量(liàng)計 時,旋進(jìn)頻率會因(yīn)液相增大(da)而産生“欠(qiàn)讀”。通過分(fèn)析槽式孔(kǒng)闆“過讀”和(he)旋進漩渦(wō)流量計“欠(qian)讀”的影響(xiang)因素,以空(kong)氣-水爲介(jiè)質開展了(le)一系列兩(liang)相流量計(ji)量實驗，建(jian)立了各自(zì)的兩相流(liu)量計量模(mo)型。将2種模(mó)型相結合(he)建立了穩(wen)态計量模(mó)型。測試結(jié)果表明,在(zài)本文實驗(yàn)條件下,當(dang)液相流量(liàng)小于1.0m³/h時,利(lì)用本文模(mó)型計算得(de)到的氣相(xiàng)流量相對(duì)誤差在5%以(yǐ)内。
　　濕氣是(shì)一種特殊(shu)的氣液兩(liǎng)相流形态(tai),一般指氣(qi)相體積含(han)率大于90%,液(yè)相與其他(ta)組分體積(jī)含率小于(yú)10%的氣井産(chǎn)出物口。對(dui)于濕氣計(jì)量,國内一(yī)般采用測(cè)試分離器(qì)進行分相(xiang)計量,但分(fen)離設備一(yī)般比較昂(ang)貴且占地(di)面積較大(da),不适應于(yú)海洋石油(yóu)平台。目前(qian)，國外僅有(you)少數可以(yi)生産多相(xiàng)流流量計(jì)的廠家，價(jià)格非常昂(ang)貴,而且各(ge)産品僅在(zai)實驗範圍(wei)内保持精(jīng)度。
　　由于 差(chà)壓式流量(liàng)計 具有結(jie)構簡單、使(shi)用方便、運(yùn)行可靠、對(duì)濕氣比較(jiao)敏感等優(yōu)點,被廣泛(fan)用于濕氣(qì)計量研究(jiū)[川]。通過改(gǎi)進孔闆結(jié)構,采用槽(cáo)式孔闆爲(wei)節流元件(jiàn)進行氣液(ye)兩相流計(jì)量,分别在(zài)中國石油(yóu)大學(華東(dōng)).大港油田(tian)、大慶油田(tian)進行了室(shi)内和現場(chǎng)實驗,獲取(qǔ)了大量的(de)實驗數據(ju),提出了基(jī)于雙槽式(shì)孔闆的濕(shī)氣計量模(mo)型,通過在(zài)大港油田(tian)第四采油(yóu)廠進行測(cè)試,其計量(liàng)精度與國(guó)内外相當(dāng)(47]。由于雙槽(cáo)式孔闆計(ji)量模型求(qiú)解過程中(zhong)可能會出(chu)現無解的(de)情況,通過(guo)研究2種不(bu)同特性的(de)流量計(槽(cao)式孔闆和(hé)旋進漩渦(wo)流量計)的(de)計量特性(xìng),建立了各(ge)自的兩相(xiàng)流量計量(liàng)模型,并在(zai)此基礎上(shàng)建立了濕(shī)氣穩态計(ji)量模型。實(shí)驗結果表(biǎo)明,對于液(ye)相流量小(xiao)于1.0m³/h的工況(kuang)，利用本文(wen)模型計算(suàn)得到的氣(qi)相流量相(xiàng)對誤差在(zai)5%以内。
1槽式(shì)孔闆與旋(xuan)進漩渦流(liú)量計兩相(xiàng)計量特性(xing)分析
1.1槽式(shì)孔闆
　　槽式(shi)孔闆由若(ruò)幹圈徑向(xiang)分布的小(xiao)孔組成[],能(neng)使液相成(chéng)分自由通(tong)過,差壓波(bō)動較小,其(qí)流量方程(chéng)見式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中(zhōng):Gg爲氣體質(zhi)量流量,kg/s;C爲(wei)流出系數(shù);D爲管道内(nei)徑,m;β爲節流(liú)元件孔徑(jing)比;ɛ爲氣體(ti)可膨脹性(xìng)系數;△p爲節(jie)流元件産(chǎn)生的差壓(ya)，Pa;ρ爲流體密(mi)度,kg/m³;Asoe表示所(suǒ)有槽孔面(mian)積總和,mm2;A爲(wei)管道的橫(heng)截面積,mm2。
　　 差(cha)壓式流量(liàng)計用于單(dan)相氣體計(ji)量時精度(du)較高，但當(dāng)用于濕氣(qi)計量時，由(you)于液相對(duì)氣相阻塞(sai)造成的加(jia)速壓降及(jí)氣相對液(ye)相加速造(zào)成的摩阻(zu)壓降造成(cheng)差壓值偏(pian)高,從而計(jì)算得到的(de)氣相質量(liang)流量也會(huì)增大[!,這種(zhong)現象稱爲(wei)“過讀”。對于(yu)槽式孔闆(pan),表觀氣體(tǐ)質量流量(liàng)由式(3)定義(yi),過讀由式(shì)(4)定義。本文(wen)的目的是(shì)通過實驗(yan)研究建立(lì)“過讀"相關(guān)式,然後利(li).用式(5)可以(yǐ)計算出實(shí)際氣體流(liú)量。
 
　　式(3)中:Geperen爲(wei)表觀氣體(tǐ)質量流量(liàng),kg/s;Op。爲兩相流(liu)時的差壓(yā),Pa;φg。爲“過讀”參(can)數。
　　前期研(yán)究表明，影(ying)響“過讀”的(de)主要因素(sù)有Lockhart-Martinelli參數XLu,氣(qì)液密度比(bi)Dg、氣體Froude數Frg。相(xiang)關參數計(ji)算式如下(xià):
 
　　式(6)~(8)中:Xlm與氣(qì)液兩相質(zhi)量流量之(zhī)比、密度之(zhi)比有關,反(fan)映了氣液(yè)兩相流速(su)相對大小(xiǎo);Frg與氣.相折(she)算速度ʋrg、氣(qi)液密度相(xiàng)關,可以反(fǎn)映氣相流(liú)速、壓力、密(mi)度等因素(sù)的内在聯(lian)系;氣液密(mi)度比Dg可以(yǐ)反映壓力(li)變化.
1.2旋進(jin)漩渦流量(liàng)計
　　旋進漩(xuán)渦流量計(ji)是一種流(liu)體振蕩性(xìng)流量計，應(ying)用強迫振(zhèn)動的漩渦(wo)旋進原理(li)測量流量(liàng),其特點是(shi)管道内無(wú)可動部件(jian),幾乎不受(shòu)溫度、壓力(lì)、密度、粘度(du)等變化影(ying)響,儀表輸(shu)出的脈動(dòng)信号與體(ti)積流量成(chéng)正比,其單(dan)相流量計(jì)算公式爲(wèi)
 
　　式(9)中:Q爲瞬(shùn)時流量,kg/s;K爲(wèi)單相流量(liang)特性曲線(xiàn)斜率，由儀(yi)表本身決(jue)定;f爲瞬時(shi)旋進頻率(lǜ),Hz。
　　當管内爲(wèi)氣液兩相(xiàng)流時,旋進(jin)頻率會減(jiǎn)小,從而引(yǐn)起計算所(suo)得流量低(dī)于真實流(liu)量,這主要(yào)是由氣液(ye)間相互作(zuo)用造成的(de)[0],本文将其(qí)定義爲“欠(qiàn)讀”。當液相(xiàng)流量繼續(xu)增大(至1.0m'/h)時(shí),旋進頻率(lü)會被噪聲(shēng)淹沒。定義(yi)“欠讀"Lg計算(suàn)公式爲
 
　　式(shi)(10)中:ƒtf爲兩相(xiang)流時的旋(xuan)進頻率;ƒg爲(wei)單相氣體(ti)時的旋進(jìn)頻率。
2槽式(shi)孔闆與旋(xuán)進漩渦流(liu)量計濕氣(qi)計量模型(xíng)建立
2.1實驗(yan)條件
　　在中(zhong)國石油大(dà)學大型多(duo)相流實驗(yàn)環道[]上進(jìn)行空氣水(shuǐ)兩相流實(shí)驗。實驗條(tiao)件爲:孔徑(jing)比β取0.5和0.6、氣(qi)相流量150~650m³/h、液(yè)相流量0.2~5.0m/h.表(biǎo)壓0.25~0.34MPa。實驗環(huán)道可控制(zhi)氣液流量(liang)穩定,混合(he)均勻,經過(guò)足夠的流(liu)型發展後(hòu)進人測試(shì)段,氣液流(liu)量分别采(cai)用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)和質量流(liu)量計進行(háng)測量,精度(du)爲1.5%和0.2%。溫度(dù)變送器精(jīng)度爲0.5%,壓力(li)、差壓變送(song)器精度爲(wèi)0.2%,漩渦流量(liàng)計精度爲(wei)1.5%,數據采集(ji)系統采用(yong)NI公司虛拟(ni)儀器采集(ji)系統。濕氣(qi)計量測試(shi)系統示意(yi)圖見圖1.
 
2.2槽(cáo)式孔闆濕(shī)氣計量模(mó)型
　　基于标(biao)準差壓式(shi)節流元件(jiàn),前人總結(jie)了影響孔(kong)闆和文丘(qiū)裏管φg的主(zhǔ)要因素,如(rú)壓力、Lockhart-Martinelli參數(shu)等。在前人(ren)基礎上,進(jin)一步對影(yǐng)響槽式孔(kong)闆φg的因素(sù)進行了研(yán)究,現有的(de)槽式孔闆(pǎn)中。.計算式(shi)中僅包含(han)Dg和Xlm兩個變(bian)量,而孔徑(jing)比β及氣體(tǐ)Froude數Fr。未考慮(lü)在内,但研(yan)究發現孔(kǒng)徑.比β和Frg都(dōu)對φg有着顯(xian)著的影響(xiǎng)。
　　圖2爲β=0.6、表壓(yā)0.25MPa時φg與XLm、Frg的三(sān)維曲面圖(tu)。由圖2可以(yi)看出:當Frg相(xiang)同時，φg随XLm增(zēng)大而增大(da),主要原因(yīn)是液相流(liu)量增大，導(dǎo)緻氣體流(liu)通面積減(jiǎn)小,增大了(le)氣相對液(ye)相的加速(su)作用,使得(dé)壓降增加(jiā)。φg與Frg、XLm近似分(fen)布在--光滑(huá)平面上,當(dang)Fr.g>1.5時,平面比(bi)較光滑;而(ér)當Frg<1.5時,平面(mian)比較陡峭(qiao)。根水平管(guan)氣液兩相(xiang)流型圖，Frg=1.5位(wei)于分層流(liu)和環狀流(liú)的分界線(xian)上,因此平(ping)面出現陡(dǒu)峭是由于(yú)流型變化(hua)造成的。對(dui)孔徑比爲(wei)0.5的孔闆也(yě)進行了研(yán)究,結論也(ye)是如此。
 
　　因(yin)此,本文引(yǐn)人孔徑比(bǐ)β和Frg參數，同(tóng)時對多年(nián)不同實驗(yan)條件下的(de)數據進行(hang)分析,建立(lì)的槽式孔(kong)闆過讀φg相(xiàng)關式爲
 
　　利(lì)用式(1)和實(shí)際氣體質(zhì)量流量計(ji)算可得單(dān)相氣體差(chà)壓△pe,代入式(shi)(4)可得中。;利(li)用壓力、溫(wen)度、氣液兩(liang)相流量計(ji)算可得Xuu、Fr、Dg。
　　利(lì)用TableCurve3D軟件對(dui)孔徑比爲(wèi)0.5和0.6的實驗(yàn)數據進行(háng)曲面拟合(hé)并通過線(xiàn)性回歸,得(dé)到φg計算式(shi)爲.
 
　　式(12)即爲(wei)槽式孔闆(pǎn)濕氣計量(liàng)模型。圖3是(shì)利用本文(wen)模型對氣(qi)體實際流(liu)量預測的(de)相對誤差(chà)絕對值,可(kě).以看出效(xiao)果較好,氣(qì)體流量總(zǒng)體平均誤(wù)差僅爲2.09%,且(qiě)在92%的置信(xin)概率下氣(qi)相流量相(xiang)對誤差均(jun1)小于5%，
 
2.3旋(xuán)進漩渦流(liú)量計濕氣(qì)計量模型(xing)
　　前期研究(jiu)表明,氣液(yè)兩相流量(liàng)與旋進頻(pin)率有關,但(dan)并未給出(chu)流量計算(suan)模型。通過(guò)對兩相流(liu)旋進頻率(lǜ)數據進行(hang)分析,研究(jiu)XLm、Frg對“欠讀”的(de)影響,最後(hou)利用非線(xiàn)性回歸方(fang)法建立了(le)“欠讀"L計算(suàn)式。
　　利用式(shi)(9)和實際氣(qi)體質量流(liu)量計算可(kě)得單相氣(qì)體頻率ƒg,代(dai)人式(10)可得(de)Lg利用壓力(lì)、溫度、氣液(ye)兩相流量(liang)可得Xlm、Frg.由于(yú)液相流量(liang)大于1.0m³/h時旋(xuán)進頻率會(huì)被噪聲淹(yan)沒,故實驗(yàn)時液相流(liú)量控制在(zài)1.0m³/h之内。
　　圖4爲(wèi)表壓0.25MPa、液相(xiang)流量小于(yu)1.0m³/h時Lg随XLm的變(biàn)化規律。從(cong)圖4可以看(kàn)出:Lg随XLm的增(zeng)大而減小(xiao);相同XLu條件(jiàn)下,Frg越大,“欠(qian).讀"Lg越小,這(zhè)主要是由(yóu)液相流量(liang)增大,旋進(jìn)頻率信号(hào)減弱造成(cheng)的。
 
值,可以(yǐ)看出當液(yè)相流量小(xiǎo)于1.0m³/h時,氣體(tǐ)流量總體(tǐ)平均誤差(cha)小于2.7%,且在(zài)95%的置信概(gai)率下氣相(xiang)流量相對(duì)誤差均小(xiao)于5%。
3穩态計(jì)量模型建(jiàn)立
　　利用單(dan)相氣體流(liu)量計,通過(guo)濕氣計量(liang)修正模型(xíng)計量時,必(bi)須測得XLm參(cān)數,且必須(xū)在現場工(gōng)作條件下(xia)基本穩定(dìng)。當現場XLm參(cān)數可測的(de)情況下,利(lì)用本文槽(cáo)式孔闆或(huò)旋進漩渦(wo)相關式可(ke)得到較高(gāo)的計量精(jīng)度,但一般(ban)情況下該(gāi)參數不易(yi)測量且頻(pín)繁變化,在(zài)這種情況(kuàng)下僅采用(yòng)一種單相(xiàng)氣體流量(liang)計進行計(jì)量是不切(qiē)實際的。因(yīn)此,考慮采(cai)用2種或多(duo)種不同特(te)性的流量(liàng)計同時計(ji)量,通過叠(dié)代計算,消(xiao)去未知參(can)數影響,進(jin)行濕氣流(liú)量計量。其(qí)基本思路(lù)是:将基于(yú)槽式孔闆(pan)差壓、旋進(jìn)頻率建立(li)的兩相流(liu)量修正計(jì)算式構成(chéng)方程組，即(ji)建立穩态(tai)計量模型(xing),然後通過(guo)叠代求解(jiě)計算氣液(ye)相流量及(ji)質量含氣(qì)率。穩态計(jì)量模型求(qiú)解流程圖(tu)見圖6,圖中(zhong)下标“1"表示(shi)槽式孔闆(pan)相應參數(shù),下标“2”表示(shi)旋進漩渦(wo)相應參數(shù)。叠代分爲(wèi)内外2個循(xun)環。給定XLm=XLmin,分(fèn)别由2個方(fāng)程叠代計(ji)算質量流(liu)量Gg1.Gg2,通過内(nei)循環使Gg1.Gg2收(shōu)斂。然後通(tong)過判斷2個(gè)質量流量(liàng)是否足夠(gou)小，如果滿(man)足精度,則(zé)記錄該值(zhí);否則,增加(jia)XLM重新進入(rù)内循環進(jin)行計算,直(zhí)到滿足精(jīng)度爲止或(huò)者XLM超出最(zui)大值，結束(shu)該點計算(suan),選取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述(shù)穩态計量(liàng)模型是在(zai)均值數據(ju)上建立的(de)。爲了分析(xī)模型對瞬(shùn)時數據測(cè)量結果,通(tong)過對原始(shi)數據進行(hang)預處理,再(zài)由穩态計(ji)量模型,利(lì)用LabVIEW軟件進(jin)行氣相流(liú)量測量。選(xuan)取氣相流(liú)量分别爲(wèi)680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流量(liàng)分别爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進(jin)行實驗,結(jié)果表明,對(dui)液相流量(liang)小于1.0m³/h的工(gong)況,氣相流(liu)量計算相(xiang)對誤差在(zai)5%以内。由于(yu)數據量較(jiào)大,本文僅(jin)對液相流(liú)量分别爲(wèi)0.2和0.4m³/h工況下(xia)的實驗數(shu)據進行處(chu)理分析,每(měi)個工況時(shi)間長度取(qǔ)2min,每.隔1s對溫(wēn)度、壓力、差(cha)壓和實際(ji)氣體流量(liang)進行濾波(bō)及取平均(jun1),并計算每(mei)秒的旋進(jìn)頻率。對1920個(gè)實驗點進(jin)行處理,結(jié)果見圖7。
 
　　從(cong)圖7可以看(kan)出,在液相(xiang)流量爲0.2和(he)0.4m³/h條件下,利(lì)用穩态模(mó)型計算氣(qì)體瞬時流(liú)量的相對(dui)誤差均在(zài)5%以内。同時(shí)可以看出(chū)，此方法比(bi)單獨采用(yòng)修正計算(suan)式誤差較(jiào)大，主要原(yuán)因是叠代(dai)計算所得(dé)到的XLM存在(zài)一定偏差(chà)。
4結論
(1)建立(li)了槽式孔(kǒng)闆濕氣計(ji)量模型,在(zai)測試條件(jian)範圍内,氣(qì)相流量總(zǒng)體平均誤(wu)差2.09%，且在92%的(de)置信概率(lü)下相對誤(wu)差均小于(yu)5%。對旋進漩(xuán)渦流量計(jì)兩相測量(liang)特性做了(le)探索性研(yan)究,定義了(le)“欠讀”因子(zi)Lg,研究表明(míng),L。随XLm的增大(dà)而減小，在(zai)相同XLM條件(jiàn)下,Frg越大,Lg越(yue)小。通過分(fen)區間拟合(hé),建立了旋(xuán)進漩渦流(liú)量計濕氣(qì)計量模型(xing),在液相流(liu)量小于1.0m³/h範(fàn)圍内,氣體(ti)流量總體(tǐ)平均誤差(cha)小于2.7%,且在(zài)95%的置信概(gai)率下氣相(xiang)流量相對(duì)誤差均小(xiǎo)于5%。
(2)槽式孔(kǒng)闆結合旋(xuán)進頻率相(xiang)關式建立(li)了穩态計(jì)量模型,通(tōng)過LabVIEW軟件進(jin)行了瞬時(shí)流量測試(shì),結果表明(ming)在本文實(shi)驗條件下(xia),對于液相(xiang)流量小于(yu)1.0m³/h的工況,氣(qi)相流量計(jì)算相對誤(wù)差均在5%以(yi)内,可爲後(hòu)續計量軟(ruǎn)件開發提(ti)供參考依(yi)據。本文.研(yan)究是在多(duō)年實驗數(shù)據基礎上(shàng)進行的,與(yu)生産現場(chang).的工況(包(bao)括壓力,溫(wen)度、介質屬(shǔ)性、管徑)有(you)較大差.别(bié),所以本文(wén)提出的穩(wěn)态計量模(mo)型還需要(yao)大量的現(xiàn)場試驗研(yan)究.
(3)國内外(wài)尚無基于(yu)旋進漩渦(wo)流量計的(de)濕氣計量(liang)研究,對于(yu)大液量條(tiáo)件下的漩(xuan)渦特性,仍(réng)須做進一(yī)步研究。另(lìng)外,基于單(dān)相差壓式(shì)流量計(孔(kǒng)闆、文丘裏(lǐ)管)的濕氣(qi)計量修正(zhèng)模型均在(zài)實驗條件(jiàn)下精度較(jiào).高,所以建(jian)立計算式(shì)系數可随(sui)現場實際(ji)情況變化(huà)的計量模(mo)型,也是下(xia)一步的研(yán)究方向。

以(yi)上内容源(yuán)于網絡，如(ru)有侵權聯(lian)系即删除(chú)!