摘要：槽(cáo)式孔(kǒng)闆 用于濕(shī)氣計量時，差壓(yā)值會(huì)因氣液相(xiàng)間作用(yòng)而産生“過讀(dú)”,而采用旋(xuán)進漩渦(wō)流量計(jì) 時,旋進頻率會(huì)因液相增(zēng)大而(ér)産生“欠讀(dú)”。通過(guò)分析(xī)槽式孔闆(pǎn)“過(guò)讀”和旋進漩(xuán)渦流(liú)量計(jì)“欠(qiàn)讀”的影(yǐng)響因(yīn)素,以(yǐ)空氣(qì)-水(shuǐ)爲介質(zhì)開展了一系列(liè)兩相流(liú)量計量(liàng)實驗，建立(lì)了各自的(de)兩相流量(liàng)計量(liàng)模型(xíng)。将2種(zhǒng)模型相結合建(jiàn)立了穩态(tài)計量(liàng)模型(xíng)。測試結果(guǒ)表明,在本(běn)文實驗條件(jiàn)下,當液相流量小(xiǎo)于1.0m³/h時(shí),利(lì)用本文模型(xíng)計算得到的(de)氣相流量相對誤(wù)差在5%以内(nèi)。
　　濕氣(qì)是一種特(tè)殊的(de)氣液兩相流形(xíng)态,一(yī)般指氣相(xiàng)體積含率大于(yú)90%,液相與其他組(zǔ)分體積含率小(xiǎo)于(yú)10%的氣井産出(chū)物口。對(duì)于(yú)濕氣計量(liàng),國内一般采用測試分離器進行分相計(jì)量,但分(fèn)離設備(bèi)一般(bān)比較昂貴(guì)且占地面積較(jiào)大,不(bú)适應(yīng)于海洋石(shí)油平台。目前，國外(wài)僅有少(shǎo)數可(kě)以(yǐ)生(shēng)産(chǎn)多相流流(liú)量計的廠家(jiā)，價格非常(cháng)昂貴,而且各産(chǎn)品僅(jǐn)在(zài)實驗範(fàn)圍内保(bǎo)持精度(dù)。
　　由于 差壓(yā)式流(liú)量計 具有結構(gòu)簡單(dān)、使(shǐ)用方便(biàn)、運(yùn)行可靠(kào)、對濕(shī)氣比較敏(mǐn)感等(děng)優點,被(bèi)廣(guǎng)泛用(yòng)于濕(shī)氣計(jì)量研究[川]。通(tōng)過改進(jìn)孔闆結構(gòu),采用(yòng)槽式(shì)孔(kǒng)闆爲(wèi)節流元件進(jìn)行氣(qì)液兩相(xiàng)流計量,分别(bié)在中(zhōng)國石油大學(xué)(華東).大(dà)港油田(tián)、大(dà)慶油(yóu)田進行(háng)了室内(nèi)和現場(chǎng)實驗,獲(huò)取了大(dà)量的實(shí)驗數據,提出了(le)基于(yú)雙槽式孔(kǒng)闆的濕氣(qì)計量模型(xíng),通過在大(dà)港油田第四采油廠(chǎng)進行測試(shì),其計量精度與國内外相當(47]。由(yóu)于雙槽式(shì)孔闆(pǎn)計量(liàng)模型(xíng)求解(jiě)過程(chéng)中可能會出現無解的情(qíng)況,通過研究2種(zhǒng)不同特性(xìng)的流(liú)量計(jì)(槽式孔闆(pǎn)和旋進(jìn)漩渦流(liú)量計)的(de)計(jì)量特(tè)性,建立了(le)各自(zì)的兩相流量計(jì)量模(mó)型,并在此(cǐ)基礎上(shàng)建(jiàn)立了(le)濕氣穩态計量(liàng)模型。實驗結果(guǒ)表明,對(duì)于液相(xiàng)流量小于1.0m³/h的工(gōng)況，利用本文模(mó)型計(jì)算得到的氣相流量(liàng)相對(duì)誤差在(zài)5%以(yǐ)内。
1槽式孔(kǒng)闆與旋進(jìn)漩渦流(liú)量計兩(liǎng)相計量特性分(fèn)析
1.1槽式孔闆
　　槽(cáo)式孔(kǒng)闆由若幹(gàn)圈徑向分布的(de)小孔組成[],能使(shǐ)液相(xiàng)成(chéng)分自(zì)由(yóu)通過,差壓(yā)波動(dòng)較小,其流量方(fāng)程見(jiàn)式(shì)(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中:gg爲(wèi)氣體質量(liàng)流量(liàng),kg/s;c爲流(liú)出系數(shù);d爲管道内徑,m;β爲節(jiē)流元(yuán)件孔徑比(bǐ);ɛ爲氣體可膨脹性系數;△p爲節流(liú)元件産生的差壓，pa;ρ爲流體密度(dù),kg/m³;asoe表示所(suǒ)有(yǒu)槽孔面積(jī)總和(hé),mm2;a爲管(guǎn)道(dào)的橫截面積,mm2。
　　 差壓(yā)式流量計(jì)用于單相(xiàng)氣體計量時精度較(jiào)高，但當(dāng)用于濕(shī)氣計(jì)量時(shí)，由于(yú)液相對氣(qì)相阻塞造成的加速(sù)壓降及氣相對(duì)液相(xiàng)加速造成(chéng)的摩(mó)阻壓降造(zào)成差(chà)壓值偏高(gāo),從而(ér)計算得到(dào)的氣相質量流(liú)量也(yě)會增大[!,這(zhè)種現象稱爲“過(guò)讀”。對于槽(cáo)式(shì)孔闆,表(biǎo)觀氣體質(zhì)量流量(liàng)由(yóu)式(3)定義,過(guò)讀(dú)由式(4)定(dìng)義。本文的(de)目的(de)是通過實驗研(yán)究建立“過讀"相關式,然後利.用式(5)可以(yǐ)計算出實際氣(qì)體流量(liàng)。
 
　　式(3)中:geperen爲(wèi)表觀氣體質量流(liú)量,kg/s;op。爲(wèi)兩相流(liú)時的差壓,pa;φg。爲“過讀”參數(shù)。
　　前(qián)期研究表明(míng)，影響(xiǎng)“過讀”的主(zhǔ)要因素有(yǒu)lockhart-martinelli參數(shù)xlu,氣液密度(dù)比dg、氣體froude數frg。相關(guān)參數(shù)計算(suàn)式如下:
 
　　式(shì)(6)~(8)中:xlm與(yǔ)氣(qì)液兩(liǎng)相質量流量之比(bǐ)、密度之(zhī)比有關(guān),反映了氣液兩(liǎng)相流速(sù)相(xiàng)對大(dà)小;frg與氣(qì).相折(shé)算(suàn)速度(dù)ʋrg、氣液(yè)密度(dù)相關,可(kě)以反映氣相流速(sù)、壓力(lì)、密(mì)度(dù)等(děng)因素的(de)内在聯系;氣液密度(dù)比dg可(kě)以反(fǎn)映壓力(lì)變(biàn)化.
1.2旋(xuán)進漩(xuán)渦流量計(jì)
　　旋(xuán)進漩(xuán)渦流量計是一種流體(tǐ)振蕩性流量計(jì)，應用強迫振動(dòng)的漩渦旋進原(yuán)理(lǐ)測量流量,其(qí)特點(diǎn)是管(guǎn)道(dào)内無可動部(bù)件,幾(jǐ)乎不(bú)受溫度、壓(yā)力、密度、粘度等(děng)變化影響(xiǎng),儀表(biǎo)輸出(chū)的脈動信号與體積(jī)流量成正(zhèng)比,其單相(xiàng)流量計算(suàn)公式爲
 
　　式(shì)(9)中:q爲(wèi)瞬時(shí)流量(liàng),kg/s;k爲單(dān)相(xiàng)流量特性曲線斜(xié)率，由儀(yí)表本身(shēn)決定(dìng);f爲瞬時旋(xuán)進頻率,hz。
　　當管内(nèi)爲氣(qì)液兩(liǎng)相流(liú)時,旋進頻(pín)率會(huì)減小(xiǎo),從(cóng)而引起(qǐ)計算(suàn)所得(dé)流量低于(yú)真實流量(liàng),這主要是(shì)由氣(qì)液間相互作用(yòng)造成的[0],本文将(jiāng)其定(dìng)義爲(wèi)“欠讀(dú)”。當液相流量繼續增(zēng)大(dà)(至1.0m'/h)時(shí),旋(xuán)進頻率會(huì)被噪(zào)聲淹沒。定義“欠(qiàn)讀"lg計(jì)算公式爲(wèi)
 
　　式(10)中:ƒtf爲兩相流(liú)時的旋進頻率;ƒg爲單相氣體時(shí)的旋進頻(pín)率。
2槽式孔(kǒng)闆與旋進漩渦(wō)流(liú)量計濕(shī)氣計(jì)量模型建(jiàn)立
2.1實驗條(tiáo)件
　　在(zài)中國石油大學(xué)大型多相(xiàng)流實(shí)驗環(huán)道[]上進行(háng)空氣(qì)水兩(liǎng)相流(liú)實驗。實驗(yàn)條件(jiàn)爲:孔徑比(bǐ)β取0.5和(hé)0.6、氣相(xiàng)流量150~650m³/h、液相流(liú)量0.2~5.0m/h.表壓(yā)0.25~0.34mpa。實驗環道可控制氣液流量穩(wěn)定,混合均勻,經過足(zú)夠的流(liú)型發展(zhǎn)後進人測試段(duàn),氣液(yè)流量分别(bié)采用(yòng)金屬轉子(zǐ)流量計和(hé)質量(liàng)流量(liàng)計進(jìn)行測(cè)量,精度爲1.5%和0.2%。溫(wēn)度變(biàn)送(sòng)器精度爲0.5%,壓力(lì)、差(chà)壓變(biàn)送器(qì)精度爲0.2%,漩(xuán)渦流量計(jì)精度(dù)爲1.5%,數據采集系(xì)統采用ni公司虛拟儀器采集系統。濕氣(qì)計(jì)量測(cè)試系(xì)統(tǒng)示意圖(tú)見圖1.
 
2.2槽式孔闆(pǎn)濕氣(qì)計量(liàng)模型(xíng)
　　基于标準差壓(yā)式節流元件,前(qián)人總結了(le)影響(xiǎng)孔闆(pǎn)和文(wén)丘裏(lǐ)管φg的主要因素(sù),如壓力、lockhart-martinelli參數等(děng)。在前人基礎上,進一步對影響(xiǎng)槽式孔(kǒng)闆φg的因(yīn)素進(jìn)行了研究(jiū),現有(yǒu)的槽(cáo)式孔闆中(zhōng)。.計(jì)算式中(zhōng)僅包含(hán)dg和(hé)xlm兩個(gè)變量,而孔徑比(bǐ)β及氣體froude數fr。未考(kǎo)慮在(zài)内(nèi),但研究發現孔徑(jìng).比β和(hé)frg都對(duì)φg有着(zhe)顯著(zhe)的影響。
　　圖2爲β=0.6、表(biǎo)壓0.25mpa時(shí)φg與xlm、frg的三維(wéi)曲面圖。由(yóu)圖2可(kě)以看(kàn)出:當frg相同(tóng)時，φg随xlm增大而增大(dà),主要原因是(shì)液相(xiàng)流量(liàng)增(zēng)大，導緻氣(qì)體(tǐ)流通面積減小(xiǎo),增大(dà)了氣相對液相(xiàng)的加(jiā)速作用,使(shǐ)得壓(yā)降增加。φg與frg、xlm近似(sì)分(fèn)布(bù)在--光(guāng)滑平面(miàn)上,當fr.g>1.5時(shí),平面比較(jiào)光滑(huá);而當(dāng)frg<1.5時,平面比(bǐ)較陡(dǒu)峭。根水平(píng)管氣液(yè)兩相流(liú)型圖(tú)，frg=1.5位(wèi)于(yú)分層(céng)流和環狀流的(de)分界線上(shàng),因此(cǐ)平面出現陡峭是由于流型變(biàn)化造(zào)成的。對孔(kǒng)徑比爲0.5的孔闆(pǎn)也進行了研究(jiū),結論也是如此(cǐ)。
 
　　因此,本文引人(rén)孔徑比(bǐ)β和frg參數，同時對多年不(bú)同實驗條件下的數據進行分析,建(jiàn)立的(de)槽式孔闆(pǎn)過(guò)讀(dú)φg相關(guān)式爲
 
　　利用式(1)和(hé)實際氣體(tǐ)質量(liàng)流量(liàng)計算可得(dé)單相氣體差壓(yā)△pe,代入式(shì)(4)可(kě)得中(zhōng)。;利用壓力、溫度(dù)、氣(qì)液兩相流量(liàng)計算(suàn)可得xuu、fr、dg。
　　利用(yòng)tablecurve3d軟件對孔(kǒng)徑比爲0.5和(hé)0.6的實驗數(shù)據進行曲面拟合并(bìng)通過線性(xìng)回歸,得到φg計算(suàn)式爲.
 
　　式(12)即(jí)爲槽式孔闆濕氣計量模(mó)型。圖3是利(lì)用本文模(mó)型對氣體實(shí)際流(liú)量(liàng)預測(cè)的相對誤差絕對值,可.以看出(chū)效果較好,氣體流量總體(tǐ)平均誤差僅(jǐn)爲(wèi)2.09%,且在92%的(de)置(zhì)信概(gài)率下氣(qì)相(xiàng)流量(liàng)相對誤差均小(xiǎo)于5%，
 
2.3旋進(jìn)漩渦流量(liàng)計濕氣計量模(mó)型
　　前(qián)期研究表(biǎo)明,氣液兩相流量與(yǔ)旋進頻率有關,但并(bìng)未給出流量計算模(mó)型。通過對(duì)兩相流旋進(jìn)頻率數(shù)據進(jìn)行分析,研(yán)究xlm、frg對“欠讀”的影(yǐng)響,最後利用非(fēi)線性回歸方法(fǎ)建立了“欠(qiàn)讀"l計(jì)算式(shì)。
　　利用式(9)和(hé)實際氣體(tǐ)質量流量計算可得(dé)單相氣體(tǐ)頻率(lǜ)ƒg,代人(rén)式(10)可得lg利(lì)用壓力、溫(wēn)度、氣液兩(liǎng)相流量可(kě)得xlm、frg.由于液相流(liú)量大于1.0m³/h時旋進(jìn)頻率會被噪聲淹沒,故(gù)實驗時(shí)液相流量(liàng)控制(zhì)在1.0m³/h之内。
　　圖4爲表(biǎo)壓0.25mpa、液相流量小(xiǎo)于1.0m³/h時lg随(suí)xlm的變化(huà)規律。從圖(tú)4可以看(kàn)出:lg随xlm的增大(dà)而減小;相同(tóng)xlu條件下,frg越(yuè)大,“欠.讀(dú)"lg越小,這主要是(shì)由液(yè)相流量增大,旋進頻率信(xìn)号減弱造成的。
 
值,可以看(kàn)出當液相流量小于(yú)1.0m³/h時,氣(qì)體流量總體(tǐ)平均誤差小(xiǎo)于2.7%,且在95%的置信概率下(xià)氣相流(liú)量相對誤差均(jun1)小于(yú)5%。
3穩态計量(liàng)模型(xíng)建立(lì)
　　利用(yòng)單相氣體流量(liàng)計,通過濕(shī)氣計量修(xiū)正(zhèng)模型計(jì)量時(shí),必須測得xlm參數(shù),且必須在(zài)現場工作條件下基本穩定。當現場xlm參數(shù)可測(cè)的情況下(xià),利用本文槽式(shì)孔闆(pǎn)或旋進漩渦(wō)相(xiàng)關式可(kě)得(dé)到較(jiào)高的計量精度(dù),但一般情況下該參(cān)數不易測(cè)量且頻繁(fán)變化(huà),在這(zhè)種情況下(xià)僅采用一種單(dān)相氣(qì)體流量計(jì)進行計量是不(bú)切實際(jì)的。因此,考慮采用(yòng)2種或(huò)多種不同特性的流量計(jì)同時(shí)計量,通過叠代(dài)計算,消去未知(zhī)參數影響(xiǎng),進行濕氣流量(liàng)計量(liàng)。其基本思(sī)路是:将基于(yú)槽式孔闆差(chà)壓、旋進頻(pín)率建立(lì)的(de)兩相流量修正計算(suàn)式構(gòu)成方(fāng)程組(zǔ)，即建立穩态計(jì)量模(mó)型,然後通(tōng)過叠(dié)代(dài)求解計算氣液相流量(liàng)及質量含(hán)氣率(lǜ)。穩态計量模型求解流程圖見(jiàn)圖6,圖(tú)中下(xià)标“1"表示槽式孔闆相(xiàng)應參(cān)數,下标“2”表(biǎo)示旋進漩渦相(xiàng)應參數。叠(dié)代分(fèn)爲内外(wài)2個循環(huán)。給定xlm=xlmin,分(fèn)别(bié)由2個(gè)方程(chéng)叠代(dài)計算(suàn)質量流量gg1.gg2,通過(guò)内循(xún)環(huán)使gg1.gg2收(shōu)斂(liǎn)。然後通過(guò)判斷(duàn)2個質量流量是(shì)否足(zú)夠小(xiǎo)，如果(guǒ)滿足(zú)精度,則記(jì)錄該值(zhí);否則,增(zēng)加xlm重(zhòng)新進入内(nèi)循環進(jìn)行(háng)計算(suàn),直到(dào)滿足精度(dù)爲止(zhǐ)或者(zhě)xlm超出(chū)最大值，結束該(gāi)點計算,選(xuǎn)取gg=(gg1+gg2)/2。
 
　　上(shàng)述穩(wěn)态(tài)計量模(mó)型是(shì)在均值數據上建立(lì)的。爲(wèi)了分析模型對(duì)瞬時數據測量結果(guǒ),通(tōng)過(guò)對原(yuán)始數據進行預(yù)處(chù)理,再由穩态計量模型,利(lì)用(yòng)labview軟件進(jìn)行(háng)氣相(xiàng)流量測(cè)量(liàng)。選取(qǔ)氣相流量分别(bié)爲680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流量分(fèn)别爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進行實驗(yàn),結果(guǒ)表(biǎo)明(míng),對液(yè)相流量小于1.0m³/h的(de)工況,氣相流量(liàng)計算相對誤差(chà)在5%以内。由于數(shù)據量較大(dà),本文(wén)僅對(duì)液相流量(liàng)分别(bié)爲0.2和0.4m³/h工況(kuàng)下的實驗數據(jù)進行處(chù)理分析,每個(gè)工況時間(jiān)長度(dù)取(qǔ)2min,每.隔1s對(duì)溫度、壓力、差壓(yā)和實際(jì)氣(qì)體流(liú)量進(jìn)行濾波及(jí)取平均,并計算(suàn)每秒的旋(xuán)進頻(pín)率。對1920個(gè)實驗點進行(háng)處理,結果(guǒ)見圖7。
 
　　從圖7可以(yǐ)看出,在液相流(liú)量爲0.2和(hé)0.4m³/h條(tiáo)件下,利用(yòng)穩态模型(xíng)計算氣體(tǐ)瞬時(shí)流量(liàng)的相(xiàng)對誤(wù)差均在(zài)5%以(yǐ)内。同(tóng)時可以(yǐ)看出，此(cǐ)方法比單獨采用修(xiū)正計算式(shì)誤差較大(dà)，主要(yào)原因是(shì)叠代計(jì)算所得到(dào)的xlm存在一(yī)定偏差。
4結(jié)論
(1)建立了槽式(shì)孔闆濕氣計量(liàng)模型,在測(cè)試條件範(fàn)圍(wéi)内,氣相(xiàng)流量總體平均(jun1)誤差2.09%，且在92%的置(zhì)信概率下(xià)相對(duì)誤差均小于5%。對旋進漩渦(wō)流量計兩(liǎng)相測量特(tè)性(xìng)做(zuò)了探索性(xìng)研究,定義(yì)了“欠(qiàn)讀”因子lg,研(yán)究表(biǎo)明,l。随xlm的增大而(ér)減小，在相(xiàng)同xlm條件下(xià),frg越大,lg越小(xiǎo)。通過分區間拟合,建(jiàn)立了(le)旋進漩渦流(liú)量計濕(shī)氣計量模(mó)型,在(zài)液(yè)相流量小于(yú)1.0m³/h範圍(wéi)内,氣體流量總體平均誤差小于2.7%,且在95%的(de)置信(xìn)概率(lǜ)下氣(qì)相流量相(xiàng)對誤(wù)差均小于(yú)5%。
(2)槽(cáo)式(shì)孔闆(pǎn)結合旋進頻率相(xiàng)關(guān)式建(jiàn)立了穩(wěn)态計量(liàng)模型,通過(guò)labview軟件(jiàn)進行了瞬時流(liú)量測(cè)試(shì),結果表(biǎo)明在本(běn)文實驗(yàn)條件下,對(duì)于液(yè)相(xiàng)流量小(xiǎo)于1.0m³/h的(de)工況,氣(qì)相流量計算相對誤差(chà)均在5%以(yǐ)内,可爲後續(xù)計量軟件(jiàn)開發提供(gòng)參考(kǎo)依據。本文.研究(jiū)是在(zài)多(duō)年實驗(yàn)數據(jù)基(jī)礎上進(jìn)行的(de),與生産現(xiàn)場.的工(gōng)況(包括(kuò)壓力(lì),溫度、介(jiè)質(zhì)屬性(xìng)、管(guǎn)徑(jìng))有較(jiào)大差.别(bié),所以本(běn)文提(tí)出的穩态(tài)計量模(mó)型(xíng)還需(xū)要大(dà)量的(de)現場(chǎng)試驗研究(jiū).
(3)國内外尚(shàng)無基(jī)于旋(xuán)進漩(xuán)渦流(liú)量計(jì)的濕氣計量研(yán)究,對于大(dà)液(yè)量(liàng)條件下的漩渦(wō)特性(xìng),仍須做進(jìn)一步(bù)研究。另外(wài),基于(yú)單相(xiàng)差壓式流量(liàng)計(孔闆(pǎn)、文丘(qiū)裏管(guǎn))的濕(shī)氣計(jì)量(liàng)修正模型均(jun1)在實驗條件下(xià)精度較.高(gāo),所以(yǐ)建立計算(suàn)式系數可(kě)随現(xiàn)場實際情況變化的計量模型(xíng),也是下(xià)一步的(de)研究方向。

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