摘要(yào)：槽式孔闆 用(yong)于濕氣計量(liang)時，差壓值會(hui)因氣液相間(jiān)作用而産生(sheng)“過讀”,而采用(yòng)旋進漩渦流(liú)量計 時,旋進(jin)頻率會因液(ye)相增大而産(chǎn)生“欠讀”。通過(guò)分析槽式孔(kǒng)闆“過讀”和旋(xuán)進漩渦流量(liàng)計“欠讀”的影(yǐng)響因素,以空(kōng)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(zhǒng)模型相結合(hé)建立了穩态(tai)計量模型。測(cè)試結果表明(ming),在本文實驗(yàn)條件下,當液(ye)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(shu)的氣液兩相(xiang)流形态,一般(bān)指氣相體積(ji)含率大于90%,液(ye)相與其他組(zu)分體積含率(lǜ)小于10%的氣井(jǐng)産出物口。對(dui)于濕氣計量(liàng),國内一般采(cǎi)用測試分離(lí)器進行分相(xiàng)計量,但分離(lí)設備一般比(bǐ)較昂貴且占(zhan)地面積較大(dà),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(liu)流量計的廠(chang)家，價格非常(cháng)昂貴,而且各(ge)産品僅在實(shí)驗範圍内保(bao)持精度。
　　由于(yú) 差壓式流量(liang)計 具有結構(gou)簡單、使用方(fāng)便、運行可靠(kao)、對濕氣比較(jiao)敏感等優點(diǎn),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(kong)闆爲節流元(yuán)件進行氣液(ye)兩相流計量(liàng),分别在中國(guó)石油大學(華(hua)東).大港油田(tián)、大慶油田進(jìn)行了室内和(he)現場實驗,獲(huo)取了大量的(de)實驗數據,提(tí)出了基于雙(shuāng)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(nei)外相當(47]。由于(yu)雙槽式孔闆(pan)計量模型求(qiu)解過程中可(ke)能會出現無(wú)解的情況,通(tōng)過研究2種不(bu)同特性的流(liu)量計(槽式孔(kǒng)闆和旋進漩(xuán)渦流量計)的(de)計量特性,建(jian)立了各自的(de)兩相流量計(ji)量模型,并在(zai)此基礎上建(jian)立了濕氣穩(wěn)态計量模型(xíng)。實驗結果表(biǎo)明,對于液相(xiang)流量小于1.0m³/h的(de)工況，利用本(běn)文模型計算(suàn)得到的氣相(xiang)流量相對誤(wù)差在5%以内。
1槽(cáo)式孔闆與旋(xuán)進漩渦流量(liàng)計兩相計量(liàng)特性分析
1.1槽(cáo)式孔闆
　　槽式(shì)孔闆由若幹(gan)圈徑向分布(bù)的小孔組成(chéng)[],能使液相成(cheng)分自由通過(guo),差壓波動較(jiào)小,其流量方(fāng)程見式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中(zhong):Gg爲氣體質量(liàng)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(wèi)流體密度,kg/m³;Asoe表(biǎo)示所有槽孔(kong)面積總和,mm2;A爲(wei)管道的橫截(jie)面積,mm2。
　　 差壓式(shì)流量計用于(yu)單相氣體計(ji)量時精度較(jiào)高，但當用于(yú)濕氣計量時(shi)，由于液相對(duì)氣相阻塞造(zao)成的加速壓(yā)降及氣相對(duì)液相加速造(zào)成的摩阻壓(yā)降造成差壓(ya)值偏高,從而(er)計算得到的(de)氣相質量流(liu)量也會增大(da)[!,這種現象稱(cheng)爲“過讀”。對于(yú)槽式孔闆,表(biǎo)觀氣體質量(liang)流量由式(3)定(dìng)義,過讀由式(shì)(4)定義。本文的(de)目的是通過(guò)實驗研究建(jiàn)立“過讀"相關(guān)式,然後利.用(yòng)式(5)可以計算(suan)出實際氣體(ti)流量。
 
　　式(3)中:Geperen爲(wèi)表觀氣體質(zhi)量流量,kg/s;Op。爲兩(liǎng)相流時的差(cha)壓,Pa;φg。爲“過讀”參(can)數。
　　前期研究(jiu)表明，影響“過(guò)讀”的主要因(yīn)素有Lockhart-Martinelli參數XLu,氣(qi)液密度比Dg、氣(qì)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(liàng)流量之比、密(mi)度之比有關(guān),反映了氣液(ye)兩相流速相(xiang)對大小;Frg與氣(qì).相折算速度(dù)ʋrg、氣液密度相(xiang)關,可以反映(ying)氣相流速、壓(ya)力、密度等因(yin)素的内在聯(lián)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(liang)計
　　旋進漩渦(wō)流量計是一(yi)種流體振蕩(dang)性流量計，應(yīng)用強迫振動(dong)的漩渦旋進(jin)原理測量流(liu)量,其特點是(shì)管道内無可(ke)動部件,幾乎(hū)不受溫度、壓(ya)力、密度、粘度(du)等變化影響(xiǎng),儀表輸出的(de)脈動信号與(yu)體積流量成(chéng)正比,其單相(xiang)流量計算公(gong)式爲
 
　　式(9)中:Q爲(wei)瞬時流量,kg/s;K爲(wèi)單相流量特(tè)性曲線斜率(lü)，由儀表本身(shen)決定;f爲瞬時(shí)旋進頻率,Hz。
　　當(dang)管内爲氣液(ye)兩相流時,旋(xuan)進頻率會減(jian)小,從而引起(qǐ)計算所得流(liú)量低于真實(shí)流量,這主要(yào)是由氣液間(jian)相互作用造(zào)成的[0],本文将(jiang)其定義爲“欠(qiàn)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(qiàn)讀"Lg計算公式(shi)爲
 
　　式(10)中:ƒtf爲兩(liang)相流時的旋(xuan)進頻率;ƒg爲單(dan)相氣體時的(de)旋進頻率。
2槽(cáo)式孔闆與旋(xuan)進漩渦流量(liàng)計濕氣計量(liang)模型建立
2.1實(shi)驗條件
　　在中(zhōng)國石油大學(xue)大型多相流(liu)實驗環道[]上(shàng)進行空氣水(shuǐ)兩相流實驗(yan)。實驗條件爲(wèi):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(kě)控制氣液流(liú)量穩定,混合(hé)均勻,經過足(zú)夠的流型發(fā)展後進人測(cè)試段,氣液流(liú)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(wèi)1.5%和0.2%。溫度變送(song)器精度爲0.5%,壓(ya)力、差壓變送(sòng)器精度爲0.2%,漩(xuan)渦流量計精(jīng)度爲1.5%,數據采(cai)集系統采用(yòng)NI公司虛拟儀(yi)器采集系統(tong)。濕氣計量測(ce)試系統示意(yi)圖見圖1.
 
2.2槽式(shì)孔闆濕氣計(jì)量模型
　　基于(yu)标準差壓式(shi)節流元件,前(qián)人總結了影(ying)響孔闆和文(wen)丘裏管φg的主(zhǔ)要因素,如壓(yā)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(háng)了研究,現有(yǒu)的槽式孔闆(pan)中。.計算式中(zhong)僅包含Dg和Xlm兩(liǎng)個變量,而孔(kǒng)徑比β及氣體(tǐ)Froude數Fr。未考慮在(zai)内,但研究發(fā)現孔徑.比β和(he)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(tóng)時，φg随XLm增大而(er)增大,主要原(yuan)因是液相流(liu)量增大，導緻(zhì)氣體流通面(miàn)積減小,增大(dà)了氣相對液(ye)相的加速作(zuò)用,使得壓降(jiang)增加。φg與Frg、XLm近似(si)分布在--光滑(hua)平面上,當Fr.g>1.5時(shí),平面比較光(guāng)滑;而當Frg<1.5時,平(ping)面比較陡峭(qiào)。根水平管氣(qì)液兩相流型(xing)圖，Frg=1.5位于分層(céng)流和環狀流(liu)的分界線上(shang),因此平面出(chū)現陡峭是由(yóu)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(yě)是如此。
 
　　因此(ci),本文引人孔(kǒng)徑比β和Frg參數(shù)，同時對多年(nian)不同實驗條(tiáo)件下的數據(jù)進行分析,建(jiàn)立的槽式孔(kong)闆過讀φg相關(guan)式爲
 
　　利用式(shì)(1)和實際氣體(tǐ)質量流量計(jì)算可得單相(xiàng)氣體差壓△pe,代(dài)入式(4)可得中(zhong)。;利用壓力、溫(wen)度、氣液兩相(xiàng)流量計算可(ke)得Xuu、Fr、Dg。
　　利用TableCurve3D軟件(jiàn)對孔徑比爲(wei)0.5和0.6的實驗數(shù)據進行曲面(miàn)拟合并通過(guò)線性回歸,得(dé)到φg計算式爲(wèi).
 
　　式(12)即爲槽式(shi)孔闆濕氣計(jì)量模型。圖3是(shi)利用本文模(mó)型對氣體實(shí)際流量預測(ce)的相對誤差(chà)絕對值,可.以(yi)看出效果較(jiào)好,氣體流量(liàng)總體平均誤(wu)差僅爲2.09%,且在(zai)92%的置信概率(lü)下氣相流量(liang)相對誤差均(jun)小于5%，
 
2.3旋進漩渦(wō)流量計濕氣(qi)計量模型
　　前(qián)期研究表明(míng),氣液兩相流(liu)量與旋進頻(pin)率有關,但并(bing)未給出流量(liàng)計算模型。通(tōng)過對兩相流(liu)旋進頻率數(shu)據進行分析(xi),研究XLm、Frg對“欠讀(dú)”的影響,最後(hou)利用非線性(xing)回歸方法建(jian)立了“欠讀"L計(ji)算式。
　　利用式(shi)(9)和實際氣體(ti)質量流量計(jì)算可得單相(xiàng)氣體頻率ƒg,代(dai)人式(10)可得Lg利(lì)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(shēng)淹沒,故實驗(yàn)時液相流量(liang)控制在1.0m³/h之内(nei)。
　　圖4爲表壓0.25MPa、液(ye)相流量小于(yu)1.0m³/h時Lg随XLm的變化(huà)規律。從圖4可(kě)以看出:Lg随XLm的(de)增大而減小(xiao);相同XLu條件下(xià),Frg越大,“欠.讀"Lg越(yue)小,這主要是(shi)由液相流量(liang)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(yú)1.0m³/h時,氣體流量(liàng)總體平均誤(wu)差小于2.7%,且在(zai)95%的置信概率(lǜ)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(li)
　　利用單相氣(qì)體流量計,通(tōng)過濕氣計量(liang)修正模型計(jì)量時,必須測(ce)得XLm參數,且必(bì)須在現場工(gong)作條件下基(ji)本穩定。當現(xian)場XLm參數可測(ce)的情況下,利(li)用本文槽式(shi)孔闆或旋進(jin)漩渦相關式(shi)可得到較高(gao)的計量精度(dù),但一般情況(kuàng)下該參數不(bu)易測量且頻(pín)繁變化,在這(zhè)種情況下僅(jǐn)采用一種單(dan)相氣體流量(liang)計進行計量(liang)是不切實際(jì)的。因此,考慮(lǜ)采用2種或多(duo)種不同特性(xìng)的流量計同(tóng)時計量,通過(guo)叠代計算,消(xiāo)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(ya)、旋進頻率建(jian)立的兩相流(liu)量修正計算(suàn)式構成方程(chéng)組，即建立穩(wěn)态計量模型(xing),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(liang)模型求解流(liu)程圖見圖6,圖(tu)中下标“1"表示(shì)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(nèi)外2個循環。給(gěi)定XLm=XLmin,分别由2個(ge)方程叠代計(ji)算質量流量(liàng)Gg1.Gg2,通過内循環(huan)使Gg1.Gg2收斂。然後(hou)通過判斷2個(gè)質量流量是(shì)否足夠小，如(rú)果滿足精度(du),則記錄該值(zhí);否則,增加XLM重(zhong)新進入内循(xún)環進行計算(suan),直到滿足精(jing)度爲止或者(zhě)XLM超出最大值(zhi)，結束該點計(jì)算,選取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述(shù)穩态計量模(mo)型是在均值(zhí)數據上建立(lì)的。爲了分析(xi)模型對瞬時(shí)數據測量結(jié)果,通過對原(yuan)始數據進行(háng)預處理,再由(yóu)穩态計量模(mó)型,利用LabVIEW軟件(jiàn)進行氣相流(liú)量測量。選取(qǔ)氣相流量分(fèn)别爲680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流(liú)量分别爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進(jìn)行實驗,結果(guo)表明,對液相(xiàng)流量小于1.0m³/h的(de)工況,氣相流(liú)量計算相對(dui)誤差在5%以内(nei)。由于數據量(liàng)較大,本文僅(jǐn)對液相流量(liàng)分别爲0.2和0.4m³/h工(gong)況下的實驗(yan)數據進行處(chù)理分析,每個(gè)工況時間長(zhǎng)度取2min,每.隔1s對(duì)溫度、壓力、差(chà)壓和實際氣(qi)體流量進行(háng)濾波及取平(ping)均,并計算每(mei)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(cong)圖7可以看出(chu),在液相流量(liang)爲0.2和0.4m³/h條件下(xià),利用穩态模(mó)型計算氣體(ti)瞬時流量的(de)相對誤差均(jun1)在5%以内。同時(shí)可以看出，此(cǐ)方法比單獨(dú)采用修正計(jì)算式誤差較(jiào)大，主要原因(yīn)是叠代計算(suan)所得到的XLM存(cún)在一定偏差(cha)。
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(jiàn)範圍内,氣相(xiàng)流量總體平(píng)均誤差2.09%，且在(zài)92%的置信概率(lǜ)下相對誤差(cha)均小于5%。對旋(xuan)進漩渦流量(liang)計兩相測量(liang)特性做了探(tàn)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(er)減小，在相同(tong)XLM條件下,Frg越大(dà),Lg越小。通過分(fèn)區間拟合,建(jiàn)立了旋進漩(xuan)渦流量計濕(shī)氣計量模型(xíng),在液相流量(liang)小于1.0m³/h範圍内(nèi),氣體流量總(zong)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(xiao)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(jì)量模型,通過(guo)LabVIEW軟件進行了(le)瞬時流量測(cè)試,結果表明(míng)在本文實驗(yan)條件下,對于(yu)液相流量小(xiǎo)于1.0m³/h的工況,氣(qi)相流量計算(suàn)相對誤差均(jun1)在5%以内,可爲(wèi)後續計量軟(ruan)件開發提供(gòng)參考依據。本(ben)文.研究是在(zài)多年實驗數(shu)據基礎上進(jin)行的,與生産(chan)現場.的工況(kuàng)(包括壓力,溫(wēn)度、介質屬性(xing)、管徑)有較大(da)差.别,所以本(ben)文提出的穩(wen)态計量模型(xíng)還需要大量(liang)的現場試驗(yan)研究.
(3)國内外(wài)尚無基于旋(xuan)進漩渦流量(liàng)計的濕氣計(ji)量研究,對于(yú)大液量條件(jian)下的漩渦特(tè)性,仍須做進(jìn)一步研究。另(ling)外,基于單相(xiang)差壓式流量(liàng)計(孔闆、文丘(qiu)裏管)的濕氣(qi)計量修正模(mo)型均在實驗(yàn)條件下精度(dù)較.高,所以建(jian)立計算式系(xi)數可随現場(chǎng)實際情況變(bian)化的計量模(mó)型,也是下一(yī)步的研究方(fāng)向。

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