摘要：槽(cao)式孔闆 用(yong)于濕氣計(ji)量時，差壓(ya)值會(hui)因(yin)氣液相(xiang)間作用而(er)産生(sheng)“過讀”,而采用旋進漩(xuan)渦(wo)流量計(ji) 時,旋進頻率會(hui)因液(ye)相增(zeng)大而(er)産生(sheng)“欠讀(du)”。通過(guo)分析(xi)槽式孔闆(pan)“過讀(du)”和旋(xuan)進漩(xuan)渦流(liu)量計“欠讀(du)”的影(ying)響(xiang)因(yin)素,以空氣(qi)-水爲介質(zhi)開展(zhan)了(le)一(yi)系列兩相流(liu)量計量(liang)實驗(yan)，建立了各(ge)自的(de)兩相(xiang)流量(liang)計量(liang)模型(xing)。将2種(zhong)模型(xing)相(xiang)結合建(jian)立了穩态(tai)計量(liang)模型(xing)。測(ce)試結果(guo)表明,在本文實驗條(tiao)件下,當液(ye)相流(liu)量小(xiao)于1.0m³/h時(shi),利用(yong)本文(wen)模型(xing)計算得到的氣(qi)相流(liu)量(liang)相對誤(wu)差在5%以内。
　　濕氣是一(yi)種特殊的(de)氣液(ye)兩(liang)相(xiang)流形态,一(yi)般指氣相(xiang)體積含率大于(yu)90%,液相與其他組(zu)分體積(ji)含率小(xiao)于10%的(de)氣(qi)井産出(chu)物口。對(dui)于濕氣計量(liang),國内一般(ban)采用測試分離(li)器進(jin)行分(fen)相計(ji)量,但(dan)分離設備一般(ban)比較昂貴(gui)且占地(di)面積較大,不(bu)适(shi)應于海(hai)洋石油平(ping)台。目前，國(guo)外僅(jin)有少(shao)數可(ke)以(yi)生(sheng)産多相流(liu)流量(liang)計的(de)廠家，價(jia)格非常(chang)昂貴(gui),而(er)且(qie)各産(chan)品僅在(zai)實(shi)驗範(fan)圍内(nei)保(bao)持(chi)精度(du)。
　　由于 差壓(ya)式流(liu)量計(ji) 具有結構(gou)簡單、使用(yong)方便(bian)、運行可靠(kao)、對濕(shi)氣比較敏(min)感等(deng)優點(dian),被廣(guang)泛用(yong)于濕氣(qi)計(ji)量研(yan)究[川]。通過改進(jin)孔闆結(jie)構(gou),采用(yong)槽式(shi)孔闆爲節(jie)流元件進行氣(qi)液兩(liang)相流計量(liang),分别在中(zhong)國石(shi)油大(da)學(華東).大(da)港油(you)田、大(da)慶油(you)田進(jin)行(hang)了(le)室内(nei)和現場實(shi)驗,獲(huo)取了(le)大(da)量的實(shi)驗數據,提(ti)出了(le)基于雙槽(cao)式孔(kong)闆的濕氣(qi)計量(liang)模型(xing),通過在大(da)港油(you)田第(di)四采(cai)油廠進(jin)行(hang)測試(shi),其計量精度與國内(nei)外相當(47]。由(you)于雙槽式孔闆(pan)計量模型求解(jie)過程(cheng)中可(ke)能會(hui)出現(xian)無解(jie)的情(qing)況,通過研(yan)究2種(zhong)不同(tong)特性的流(liu)量計(ji)(槽(cao)式(shi)孔闆(pan)和旋(xuan)進漩(xuan)渦流(liu)量計)的計(ji)量特(te)性,建立了各自(zi)的兩相(xiang)流量計(ji)量模型(xing),并在此(ci)基礎上(shang)建(jian)立了(le)濕氣穩态計量(liang)模型(xing)。實驗(yan)結果表明(ming),對(dui)于液相(xiang)流量(liang)小(xiao)于(yu)1.0m³/h的工(gong)況，利(li)用本文模(mo)型計(ji)算(suan)得(de)到的氣相流(liu)量相對(dui)誤差(cha)在(zai)5%以(yi)内。
1槽(cao)式孔(kong)闆(pan)與旋進(jin)漩渦(wo)流量計兩(liang)相計(ji)量特性分(fen)析
1.1槽(cao)式(shi)孔闆
　　槽(cao)式孔(kong)闆由(you)若幹(gan)圈徑向分(fen)布的(de)小孔(kong)組成[],能使(shi)液相成(cheng)分(fen)自由(you)通過(guo),差壓波動(dong)較小(xiao),其流(liu)量方(fang)程見(jian)式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中:Gg爲(wei)氣體(ti)質(zhi)量流量(liang),kg/s;C爲流(liu)出系(xi)數;D爲(wei)管道(dao)内徑,m;β爲節(jie)流元(yuan)件孔徑比(bi);ɛ爲氣體可(ke)膨脹性系(xi)數;△p爲節流(liu)元件産(chan)生(sheng)的差(cha)壓，Pa;ρ爲(wei)流(liu)體(ti)密度(du),kg/m³;Asoe表示所有(you)槽孔面積(ji)總(zong)和,mm2;A爲管(guan)道的橫截(jie)面積,mm2。
　　 差壓式流量計(ji)用于(yu)單(dan)相(xiang)氣體(ti)計量(liang)時精度較(jiao)高，但(dan)當(dang)用于濕(shi)氣計(ji)量(liang)時(shi)，由于(yu)液相對氣(qi)相阻(zu)塞造(zao)成(cheng)的加速(su)壓降及氣相對(dui)液相(xiang)加(jia)速造成(cheng)的摩阻壓(ya)降造(zao)成差(cha)壓(ya)值偏高(gao),從而計(ji)算(suan)得到的氣(qi)相質量流(liu)量也會(hui)增(zeng)大[!,這(zhe)種現(xian)象稱爲“過(guo)讀”。對于槽(cao)式孔(kong)闆,表觀(guan)氣體質(zhi)量流量(liang)由(you)式(3)定(ding)義,過讀(du)由式(4)定(ding)義。本文(wen)的(de)目的是通(tong)過(guo)實驗研(yan)究建立“過讀"相關式,然後(hou)利.用(yong)式(5)可(ke)以計(ji)算出(chu)實際氣體流量(liang)。
 
　　式(3)中:Geperen爲(wei)表觀氣(qi)體質(zhi)量(liang)流(liu)量,kg/s;Op。爲(wei)兩相流(liu)時的差(cha)壓,Pa;φg。爲(wei)“過讀(du)”參數(shu)。
　　前期(qi)研究(jiu)表明，影響“過讀”的主(zhu)要因素有(you)Lockhart-Martinelli參數XLu,氣液(ye)密(mi)度(du)比Dg、氣(qi)體Froude數Frg。相關(guan)參數(shu)計算(suan)式如下:
 
　　式(shi)(6)~(8)中:Xlm與氣液兩相(xiang)質量流(liu)量之比(bi)、密度之比有關,反映了(le)氣(qi)液兩(liang)相流(liu)速相(xiang)對大(da)小;Frg與(yu)氣.相折算(suan)速度ʋrg、氣(qi)液密度(du)相關(guan),可以(yi)反映(ying)氣相(xiang)流(liu)速(su)、壓力(li)、密度(du)等因(yin)素的(de)内在(zai)聯系;氣液密度(du)比Dg可(ke)以反(fan)映壓(ya)力(li)變(bian)化.
1.2旋進漩渦流量計(ji)
　　旋進漩渦(wo)流量(liang)計是(shi)一(yi)種流體(ti)振蕩性流(liu)量計，應用(yong)強迫(po)振動(dong)的漩渦(wo)旋(xuan)進原(yuan)理測(ce)量流(liu)量,其(qi)特點(dian)是(shi)管(guan)道内(nei)無可(ke)動部件,幾(ji)乎不(bu)受(shou)溫(wen)度、壓(ya)力、密(mi)度(du)、粘度等(deng)變化影響,儀表(biao)輸出的脈動信(xin)号與(yu)體積流量(liang)成正(zheng)比,其單相(xiang)流量(liang)計算公式爲
 
　　式(shi)(9)中:Q爲瞬時(shi)流量(liang),kg/s;K爲單相流量特(te)性(xing)曲線斜(xie)率，由(you)儀(yi)表(biao)本身決定;f爲瞬時旋(xuan)進頻率,Hz。
　　當(dang)管内(nei)爲氣(qi)液(ye)兩相流(liu)時,旋進頻(pin)率會減小(xiao),從(cong)而(er)引起(qi)計算(suan)所得流量(liang)低于(yu)真實(shi)流量(liang),這主(zhu)要是(shi)由氣(qi)液間(jian)相互作用(yong)造成的[0],本(ben)文将(jiang)其定(ding)義(yi)爲“欠讀(du)”。當液(ye)相流量繼續增(zeng)大(至1.0m'/h)時,旋(xuan)進頻(pin)率會(hui)被噪(zao)聲淹(yan)沒。定義“欠(qian)讀"Lg計算(suan)公(gong)式爲
 
　　式(10)中:ƒtf爲兩(liang)相流(liu)時的旋進(jin)頻率(lü);ƒg爲單(dan)相(xiang)氣體時(shi)的旋進頻(pin)率。
2槽式孔(kong)闆與旋進(jin)漩渦(wo)流量(liang)計濕(shi)氣計(ji)量模(mo)型建(jian)立
2.1實驗條(tiao)件
　　在(zai)中國石油(you)大學(xue)大型(xing)多相(xiang)流實驗環道[]上(shang)進行(hang)空氣(qi)水(shui)兩(liang)相流(liu)實驗。實驗條件(jian)爲:孔徑比(bi)β取0.5和0.6、氣相(xiang)流(liu)量150~650m³/h、液相(xiang)流量0.2~5.0m/h.表(biao)壓(ya)0.25~0.34MPa。實驗環道(dao)可(ke)控制氣(qi)液流(liu)量穩(wen)定,混(hun)合均(jun)勻(yun),經(jing)過足(zu)夠的(de)流型發展後進(jin)人測試段(duan),氣液(ye)流(liu)量分别(bie)采用(yong)金屬轉子(zi)流量(liang)計(ji)和(he)質量(liang)流量(liang)計(ji)進行測(ce)量,精(jing)度(du)爲(wei)1.5%和0.2%。溫(wen)度變送器(qi)精度(du)爲0.5%,壓力(li)、差壓變(bian)送器(qi)精(jing)度(du)爲0.2%,漩(xuan)渦流量(liang)計(ji)精度(du)爲1.5%,數(shu)據采集系(xi)統采用NI公司虛(xu)拟儀(yi)器采集系(xi)統。濕氣(qi)計(ji)量測(ce)試系統示意圖(tu)見圖1.
 
2.2槽式(shi)孔闆濕氣計量(liang)模型(xing)
　　基于标準(zhun)差壓(ya)式節流元件,前(qian)人總(zong)結了(le)影響(xiang)孔闆(pan)和(he)文丘裏(li)管φg的(de)主要(yao)因素(su),如壓(ya)力、Lockhart-Martinelli參數等(deng)。在前人基礎上(shang),進一步對影響(xiang)槽式(shi)孔闆(pan)φg的因(yin)素進(jin)行了(le)研究(jiu),現有的槽(cao)式孔(kong)闆中(zhong)。.計(ji)算(suan)式中(zhong)僅包(bao)含Dg和(he)Xlm兩個(ge)變量(liang),而孔(kong)徑比(bi)β及氣(qi)體(ti)Froude數(shu)Fr。未考(kao)慮在(zai)内,但(dan)研究(jiu)發現孔徑(jing).比β和Frg都對φg有着(zhe)顯著(zhe)的影響。
　　圖(tu)2爲β=0.6、表(biao)壓0.25MPa時(shi)φg與XLm、Frg的三維(wei)曲面圖(tu)。由圖2可以看(kan)出:當Frg相同(tong)時，φg随XLm增大而增(zeng)大,主(zhu)要(yao)原(yuan)因是(shi)液相(xiang)流量(liang)增大(da)，導緻(zhi)氣體(ti)流通(tong)面積減小(xiao),增大了氣(qi)相對(dui)液相(xiang)的加速(su)作(zuo)用,使得壓(ya)降增加。φg與(yu)Frg、XLm近似分(fen)布(bu)在--光滑平(ping)面(mian)上,當Fr.g>1.5時(shi),平面(mian)比較光滑(hua);而當Frg<1.5時,平(ping)面比(bi)較陡(dou)峭。根水平(ping)管氣液(ye)兩相流(liu)型圖，Frg=1.5位于分層(ceng)流和(he)環狀流的(de)分界(jie)線上,因此(ci)平面出(chu)現(xian)陡峭(qiao)是由于流型變化造成(cheng)的(de)。對孔(kong)徑比爲0.5的孔闆也進行(hang)了(le)研究(jiu),結論(lun)也是如此。
 
　　因此(ci),本(ben)文引人(ren)孔徑(jing)比β和Frg參數，同時(shi)對(dui)多(duo)年不(bu)同實驗(yan)條件下的數(shu)據(ju)進行分(fen)析,建立的(de)槽式(shi)孔闆過讀φg相關(guan)式爲
 
　　利用(yong)式(1)和實際(ji)氣(qi)體(ti)質量(liang)流量(liang)計(ji)算(suan)可得(de)單相(xiang)氣體(ti)差壓(ya)△pe,代入(ru)式(shi)(4)可得中(zhong)。;利用(yong)壓力、溫度(du)、氣液(ye)兩相流量計算可得Xuu、Fr、Dg。
　　利用(yong)TableCurve3D軟件對(dui)孔(kong)徑比(bi)爲0.5和(he)0.6的實驗數(shu)據進行(hang)曲面拟合并(bing)通過(guo)線性(xing)回歸,得到(dao)φg計算(suan)式爲.
 
　　式(shi)(12)即(ji)爲槽(cao)式孔闆(pan)濕氣計(ji)量模(mo)型。圖(tu)3是利(li)用本文模(mo)型對(dui)氣體實際(ji)流量(liang)預測的(de)相(xiang)對誤差絕(jue)對值(zhi),可.以(yi)看出(chu)效果較好,氣體流量(liang)總體(ti)平均誤(wu)差僅爲(wei)2.09%,且在(zai)92%的置信概(gai)率下(xia)氣相(xiang)流量相對(dui)誤差(cha)均小(xiao)于5%，
 
2.3旋進(jin)漩渦流量(liang)計濕氣計(ji)量模(mo)型
　　前期研究表(biao)明,氣(qi)液(ye)兩相流(liu)量與(yu)旋(xuan)進頻率(lü)有關,但并(bing)未給出流(liu)量(liang)計算模(mo)型。通過對兩相流旋(xuan)進頻率數(shu)據進行分(fen)析,研(yan)究XLm、Frg對“欠讀(du)”的影(ying)響,最後利(li)用非(fei)線性(xing)回(hui)歸(gui)方法(fa)建立(li)了“欠(qian)讀"L計(ji)算式(shi)。
　　利用式(9)和(he)實際(ji)氣體(ti)質量(liang)流量計算可得(de)單相氣體(ti)頻率(lü)ƒg,代人(ren)式(shi)(10)可得Lg利(li)用壓力、溫(wen)度、氣(qi)液兩(liang)相流量可(ke)得Xlm、Frg.由于(yu)液(ye)相流量大(da)于(yu)1.0m³/h時(shi)旋進(jin)頻率會(hui)被(bei)噪聲(sheng)淹沒(mei),故實驗時(shi)液相(xiang)流(liu)量(liang)控制(zhi)在1.0m³/h之(zhi)内。
　　圖4爲表(biao)壓0.25MPa、液相流量小于1.0m³/h時Lg随XLm的變化(hua)規律。從圖(tu)4可以看出(chu):Lg随XLm的(de)增大(da)而減小;相(xiang)同XLu條(tiao)件下(xia),Frg越大,“欠.讀(du)"Lg越小,這(zhe)主(zhu)要是由液(ye)相(xiang)流量增(zeng)大,旋進頻(pin)率信号減弱造成的(de)。
 
值,可(ke)以(yi)看(kan)出當(dang)液相(xiang)流量小于(yu)1.0m³/h時,氣(qi)體(ti)流(liu)量總(zong)體平(ping)均(jun)誤差小(xiao)于2.7%,且在(zai)95%的(de)置信(xin)概率(lü)下(xia)氣(qi)相流(liu)量相(xiang)對(dui)誤(wu)差均(jun)小于5%。
3穩态(tai)計量(liang)模型建立(li)
　　利用(yong)單相氣體(ti)流量(liang)計,通過(guo)濕(shi)氣計(ji)量修(xiu)正模(mo)型計(ji)量時(shi),必須測得(de)XLm參數(shu),且(qie)必須在(zai)現場(chang)工作條件下基本穩定。當(dang)現場XLm參數(shu)可測(ce)的情況下,利用(yong)本文(wen)槽(cao)式(shi)孔闆(pan)或旋(xuan)進(jin)漩(xuan)渦相(xiang)關式可(ke)得到較高的計量精度(du),但一般(ban)情(qing)況下(xia)該參(can)數不(bu)易測(ce)量且頻繁(fan)變化(hua),在這種(zhong)情況下(xia)僅采(cai)用(yong)一種單相氣(qi)體流(liu)量計(ji)進行(hang)計量(liang)是不(bu)切實際(ji)的。因此(ci),考慮采(cai)用2種或(huo)多種不(bu)同特性(xing)的流量計同時(shi)計量(liang),通過叠代(dai)計算,消(xiao)去未知參數(shu)影(ying)響,進行(hang)濕氣流(liu)量(liang)計量(liang)。其基(ji)本思(si)路是(shi):将基于(yu)槽式孔(kong)闆差(cha)壓、旋(xuan)進頻(pin)率建立的兩相(xiang)流量修正(zheng)計算(suan)式構(gou)成(cheng)方程組(zu)，即建(jian)立(li)穩态計(ji)量模(mo)型,然(ran)後通(tong)過叠(die)代(dai)求解計(ji)算氣(qi)液相(xiang)流量(liang)及質(zhi)量(liang)含氣率(lü)。穩态計(ji)量(liang)模型(xing)求解(jie)流(liu)程(cheng)圖見(jian)圖6,圖中下(xia)标“1"表示槽(cao)式孔闆相(xiang)應參數(shu),下标“2”表(biao)示旋(xuan)進漩(xuan)渦相(xiang)應參數。叠(die)代分(fen)爲内外(wai)2個循環(huan)。給定(ding)XLm=XLmin,分别由2個方程(cheng)叠代計算(suan)質量流量(liang)Gg1.Gg2,通過(guo)内循(xun)環使Gg1.Gg2收斂(lian)。然後通過判斷(duan)2個質量(liang)流(liu)量是(shi)否足夠小，如果(guo)滿足精度,則記(ji)錄該(gai)值;否則,增(zeng)加XLM重新(xin)進入内(nei)循環進行計算(suan),直到(dao)滿(man)足精度(du)爲止(zhi)或者XLM超出最大(da)值(zhi)，結束該(gai)點計算,選(xuan)取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述穩态(tai)計(ji)量模(mo)型是在(zai)均值數據上(shang)建立的。爲(wei)了分析(xi)模(mo)型對瞬時(shi)數據測量(liang)結果,通(tong)過(guo)對原(yuan)始數據進行預(yu)處理,再由穩态(tai)計量模(mo)型(xing),利用(yong)LabVIEW軟件進行(hang)氣相(xiang)流量(liang)測量。選取(qu)氣相流量(liang)分别(bie)爲680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液(ye)量(liang)流量分(fen)别爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進(jin)行(hang)實驗(yan),結果表(biao)明,對液(ye)相流量小(xiao)于1.0m³/h的(de)工況(kuang),氣(qi)相流量(liang)計算相(xiang)對誤差(cha)在5%以内。由于數(shu)據量較大(da),本文僅對液(ye)相流量(liang)分别爲(wei)0.2和0.4m³/h工況(kuang)下的(de)實驗(yan)數據(ju)進行處理(li)分析,每個(ge)工況(kuang)時間(jian)長度取2min,每(mei).隔1s對溫度、壓力、差壓(ya)和實際氣體流(liu)量進(jin)行濾(lü)波及(ji)取平均,并(bing)計算(suan)每秒(miao)的旋進頻(pin)率。對1920個實驗點(dian)進行(hang)處理,結果(guo)見圖(tu)7。
 
　　從(cong)圖(tu)7可以(yi)看出(chu),在液相流(liu)量爲(wei)0.2和0.4m³/h條(tiao)件下(xia),利用(yong)穩(wen)态(tai)模型(xing)計算(suan)氣體(ti)瞬時(shi)流量(liang)的(de)相對誤(wu)差均在(zai)5%以内。同(tong)時可(ke)以看出，此(ci)方法比(bi)單(dan)獨采(cai)用修(xiu)正(zheng)計算式(shi)誤差較大(da)，主要(yao)原因(yin)是(shi)叠(die)代計(ji)算所得(de)到的XLM存(cun)在一(yi)定偏差。
4結(jie)論
(1)建(jian)立(li)了(le)槽式(shi)孔闆濕氣(qi)計量(liang)模型,在測(ce)試條件範(fan)圍内,氣相(xiang)流量總體(ti)平均(jun)誤差(cha)2.09%，且(qie)在92%的置(zhi)信概率下(xia)相對(dui)誤差(cha)均小于5%。對(dui)旋進漩渦流量(liang)計兩(liang)相(xiang)測(ce)量特(te)性做了探(tan)索性(xing)研究(jiu),定義(yi)了“欠(qian)讀”因子Lg,研究表(biao)明,L。随(sui)XLm的(de)增(zeng)大而(er)減小(xiao)，在相同XLM條件下(xia),Frg越(yue)大,Lg越小(xiao)。通過分區(qu)間拟(ni)合,建立了旋進(jin)漩渦(wo)流量計濕(shi)氣計(ji)量模型,在(zai)液相流量小于(yu)1.0m³/h範圍(wei)内,氣(qi)體流(liu)量總(zong)體平均誤差小(xiao)于2.7%,且在95%的(de)置信概(gai)率(lü)下氣(qi)相流(liu)量相對誤(wu)差均小(xiao)于(yu)5%。
(2)槽式(shi)孔闆(pan)結合旋進(jin)頻率相(xiang)關(guan)式建(jian)立了穩(wen)态(tai)計量(liang)模型(xing),通過(guo)LabVIEW軟件進行了瞬(shun)時流(liu)量測試(shi),結(jie)果表(biao)明在本文(wen)實驗(yan)條件下(xia),對(dui)于液(ye)相流(liu)量(liang)小于1.0m³/h的(de)工況(kuang),氣相(xiang)流量(liang)計算(suan)相(xiang)對誤差(cha)均在5%以(yi)内(nei),可爲(wei)後續(xu)計量(liang)軟件(jian)開發提供(gong)參考(kao)依據(ju)。本文.研究(jiu)是在多年(nian)實驗數據(ju)基礎上進(jin)行的,與生(sheng)産現場.的(de)工況(包括(kuo)壓力,溫(wen)度(du)、介質屬性(xing)、管徑)有較(jiao)大差.别,所(suo)以本(ben)文提出的穩态(tai)計量模型(xing)還需要大(da)量(liang)的現場(chang)試驗(yan)研(yan)究(jiu).
(3)國内(nei)外尚(shang)無基于旋(xuan)進漩渦(wo)流(liu)量計(ji)的濕氣(qi)計量研(yan)究,對于(yu)大液量(liang)條件下的(de)漩渦(wo)特性,仍(reng)須(xu)做進(jin)一步研究(jiu)。另外(wai),基于單(dan)相(xiang)差壓式流(liu)量(liang)計(孔闆(pan)、文丘(qiu)裏管)的濕(shi)氣計量修正模(mo)型均在實(shi)驗條(tiao)件下(xia)精(jing)度較.高(gao),所以建立(li)計算式系(xi)數可随現(xian)場實際情(qing)況變(bian)化的計量(liang)模型(xing),也是下(xia)一(yi)步的(de)研究(jiu)方(fang)向(xiang)。

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