摘要：槽式孔板用于濕氣計(jì)量時(shí)，差壓值會(huì)因氣液相間作用而產(chǎn)生“過讀”,而采用旋進(jìn)漩渦流量計(jì)時(shí),旋進(jìn)頻率會(huì)因液相增大而產(chǎn)生“欠讀”。通過分析槽式孔板“過讀”和旋進(jìn)漩渦流量計(jì)“欠讀”的影響因素,以空氣-水為介質(zhì)開展了一系列兩相流量計(jì)量實(shí)驗(yàn)，建立了各自的兩相流量計(jì)量模型。將2種模型相結(jié)合建立了穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型。測(cè)試結(jié)果表明,在本文實(shí)驗(yàn)條件下,當(dāng)液相流量小于1.0m³/h時(shí),利用本文模型計(jì)算得到的氣相流量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。
　　濕氣是一種特殊的氣液兩相流形態(tài),一般指氣相體積含率大于90%,液相與其他組分體積含率小于10%的氣井產(chǎn)出物口。對(duì)于濕氣計(jì)量,國(guó)內(nèi)一般采用測(cè)試分離器進(jìn)行分相計(jì)量,但分離設(shè)備一般比較昂貴且占地面積較大,不適應(yīng)于海洋石油平臺(tái)。目前，國(guó)外僅有少數(shù)可以生產(chǎn)多相流流量計(jì)的廠家，價(jià)格非常昂貴,而且各產(chǎn)品僅在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)保持精度。
　　由于差壓式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、運(yùn)行可靠、對(duì)濕氣比較敏感等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于濕氣計(jì)量研究[川]。通過改進(jìn)孔板結(jié)構(gòu),采用槽式孔板為節(jié)流元件進(jìn)行氣液兩相流計(jì)量,分別在中國(guó)石油大學(xué)(華東).大港油田、大慶油田進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),提出了基于雙槽式孔板的濕氣計(jì)量模型,通過在大港油田第四采油廠進(jìn)行測(cè)試,其計(jì)量精度與國(guó)內(nèi)外相當(dāng)(47]。由于雙槽式孔板計(jì)量模型求解過程中可能會(huì)出現(xiàn)無解的情況,通過研究2種不同特性的流量計(jì)(槽式孔板和旋進(jìn)漩渦流量計(jì))的計(jì)量特性,建立了各自的兩相流量計(jì)量模型,并在此基礎(chǔ)上建立了濕氣穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于液相流量小于1.0m³/h的工況，利用本文模型計(jì)算得到的氣相流量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。
1槽式孔板與旋進(jìn)漩渦流量計(jì)兩相計(jì)量特性分析
1.1槽式孔板
　　槽式孔板由若干圈徑向分布的小孔組成[],能使液相成分自由通過,差壓波動(dòng)較小,其流量方程見式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中:Gg為氣體質(zhì)量流量,kg/s;C為流出系數(shù);D為管道內(nèi)徑,m;β為節(jié)流元件孔徑比;ɛ為氣體可膨脹性系數(shù);△p為節(jié)流元件產(chǎn)生的差壓，Pa;ρ為流體密度,kg/m³;Asoe表示所有槽孔面積總和,mm2;A為管道的橫截面積,mm2。
　　差壓式流量計(jì)用于單相氣體計(jì)量時(shí)精度較高，但當(dāng)用于濕氣計(jì)量時(shí)，由于液相對(duì)氣相阻塞造成的加速壓降及氣相對(duì)液相加速造成的摩阻壓降造成差壓值偏高,從而計(jì)算得到的氣相質(zhì)量流量也會(huì)增大[!,這種現(xiàn)象稱為“過讀”。對(duì)于槽式孔板,表觀氣體質(zhì)量流量由式(3)定義,過讀由式(4)定義。本文的目的是通過實(shí)驗(yàn)研究建立“過讀"相關(guān)式,然后利.用式(5)可以計(jì)算出實(shí)際氣體流量。
 
　　式(3)中:Geperen為表觀氣體質(zhì)量流量,kg/s;Op。為兩相流時(shí)的差壓,Pa;φg。為“過讀”參數(shù)。
　　前期研究表明，影響“過讀”的主要因素有Lockhart-Martinelli參數(shù)XLu,氣液密度比Dg、氣體Froude數(shù)Frg。相關(guān)參數(shù)計(jì)算式如下:
 
　　式(6)~(8)中:Xlm與氣液兩相質(zhì)量流量之比、密度之比有關(guān),反映了氣液兩相流速相對(duì)大小;Frg與氣.相折算速度ʋrg、氣液密度相關(guān),可以反映氣相流速、壓力、密度等因素的內(nèi)在聯(lián)系;氣液密度比Dg可以反映壓力變化.
1.2旋進(jìn)漩渦流量計(jì)
　　旋進(jìn)漩渦流量計(jì)是一種流體振蕩性流量計(jì)，應(yīng)用強(qiáng)迫振動(dòng)的漩渦旋進(jìn)原理測(cè)量流量,其特點(diǎn)是管道內(nèi)無可動(dòng)部件,幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化影響,儀表輸出的脈動(dòng)信號(hào)與體積流量成正比,其單相流量計(jì)算公式為
 
　　式(9)中:Q為瞬時(shí)流量,kg/s;K為單相流量特性曲線斜率，由儀表本身決定;f為瞬時(shí)旋進(jìn)頻率,Hz。
　　當(dāng)管內(nèi)為氣液兩相流時(shí),旋進(jìn)頻率會(huì)減小,從而引起計(jì)算所得流量低于真實(shí)流量,這主要是由氣液間相互作用造成的[0],本文將其定義為“欠讀”。當(dāng)液相流量繼續(xù)增大(至1.0m'/h)時(shí),旋進(jìn)頻率會(huì)被噪聲淹沒。定義“欠讀"Lg計(jì)算公式為
 
　　式(10)中:ƒtf為兩相流時(shí)的旋進(jìn)頻率;ƒg為單相氣體時(shí)的旋進(jìn)頻率。
2槽式孔板與旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型建立
2.1實(shí)驗(yàn)條件
　　在中國(guó)石油大學(xué)大型多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道[]上進(jìn)行空氣水兩相流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為:孔徑比β取0.5和0.6、氣相流量150~650m³/h、液相流量0.2~5.0m/h.表壓0.25~0.34MPa。實(shí)驗(yàn)環(huán)道可控制氣液流量穩(wěn)定,混合均勻,經(jīng)過足夠的流型發(fā)展后進(jìn)人測(cè)試段,氣液流量分別采用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量,精度為1.5%和0.2%。溫度變送器精度為0.5%,壓力、差壓變送器精度為0.2%,漩渦流量計(jì)精度為1.5%,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI公司虛擬儀器采集系統(tǒng)。濕氣計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)示意圖見圖1.
 
2.2槽式孔板濕氣計(jì)量模型
　　基于標(biāo)準(zhǔn)差壓式節(jié)流元件,前人總結(jié)了影響孔板和文丘里管φg的主要因素,如壓力、Lockhart-Martinelli參數(shù)等。在前人基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對(duì)影響槽式孔板φg的因素進(jìn)行了研究,現(xiàn)有的槽式孔板中。.計(jì)算式中僅包含Dg和Xlm兩個(gè)變量,而孔徑比β及氣體Froude數(shù)Fr。未考慮在內(nèi),但研究發(fā)現(xiàn)孔徑.比β和Frg都對(duì)φg有著顯著的影響。
　　圖2為β=0.6、表壓0.25MPa時(shí)φg與XLm、Frg的三維曲面圖。由圖2可以看出:當(dāng)Frg相同時(shí)，φg隨XLm增大而增大,主要原因是液相流量增大，導(dǎo)致氣體流通面積減小,增大了氣相對(duì)液相的加速作用,使得壓降增加。φg與Frg、XLm近似分布在--光滑平面上,當(dāng)Fr.g>1.5時(shí),平面比較光滑;而當(dāng)Frg<1.5時(shí),平面比較陡峭。根水平管氣液兩相流型圖，F(xiàn)rg=1.5位于分層流和環(huán)狀流的分界線上,因此平面出現(xiàn)陡峭是由于流型變化造成的。對(duì)孔徑比為0.5的孔板也進(jìn)行了研究,結(jié)論也是如此。
 
　　因此,本文引人孔徑比β和Frg參數(shù)，同時(shí)對(duì)多年不同實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立的槽式孔板過讀φg相關(guān)式為
 
　　利用式(1)和實(shí)際氣體質(zhì)量流量計(jì)算可得單相氣體差壓△pe,代入式(4)可得中。;利用壓力、溫度、氣液兩相流量計(jì)算可得Xuu、Fr、Dg。
　　利用TableCurve3D軟件對(duì)孔徑比為0.5和0.6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合并通過線性回歸,得到φg計(jì)算式為.
 
　　式(12)即為槽式孔板濕氣計(jì)量模型。圖3是利用本文模型對(duì)氣體實(shí)際流量預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差絕對(duì)值,可.以看出效果較好,氣體流量總體平均誤差僅為2.09%,且在92%的置信概率下氣相流量相對(duì)誤差均小于5%，
 
2.3旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型
　　前期研究表明,氣液兩相流量與旋進(jìn)頻率有關(guān),但并未給出流量計(jì)算模型。通過對(duì)兩相流旋進(jìn)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,研究XLm、Frg對(duì)“欠讀”的影響,最后利用非線性回歸方法建立了“欠讀"L計(jì)算式。
　　利用式(9)和實(shí)際氣體質(zhì)量流量計(jì)算可得單相氣體頻率ƒg,代人式(10)可得Lg利用壓力、溫度、氣液兩相流量可得Xlm、Frg.由于液相流量大于1.0m³/h時(shí)旋進(jìn)頻率會(huì)被噪聲淹沒,故實(shí)驗(yàn)時(shí)液相流量控制在1.0m³/h之內(nèi)。
　　圖4為表壓0.25MPa、液相流量小于1.0m³/h時(shí)Lg隨XLm的變化規(guī)律。從圖4可以看出:Lg隨XLm的增大而減小;相同XLu條件下,Frg越大,“欠.讀"Lg越小,這主要是由液相流量增大,旋進(jìn)頻率信號(hào)減弱造成的。
 
值,可以看出當(dāng)液相流量小于1.0m³/h時(shí),氣體流量總體平均誤差小于2.7%,且在95%的置信概率下氣相流量相對(duì)誤差均小于5%。
3穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型建立
　　利用單相氣體流量計(jì),通過濕氣計(jì)量修正模型計(jì)量時(shí),必須測(cè)得XLm參數(shù),且必須在現(xiàn)場(chǎng)工作條件下基本穩(wěn)定。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)XLm參數(shù)可測(cè)的情況下,利用本文槽式孔板或旋進(jìn)漩渦相關(guān)式可得到較高的計(jì)量精度,但一般情況下該參數(shù)不易測(cè)量且頻繁變化,在這種情況下僅采用一種單相氣體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量是不切實(shí)際的。因此,考慮采用2種或多種不同特性的流量計(jì)同時(shí)計(jì)量,通過迭代計(jì)算,消去未知參數(shù)影響,進(jìn)行濕氣流量計(jì)量。其基本思路是:將基于槽式孔板差壓、旋進(jìn)頻率建立的兩相流量修正計(jì)算式構(gòu)成方程組，即建立穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型,然后通過迭代求解計(jì)算氣液相流量及質(zhì)量含氣率。穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型求解流程圖見圖6,圖中下標(biāo)“1"表示槽式孔板相應(yīng)參數(shù),下標(biāo)“2”表示旋進(jìn)漩渦相應(yīng)參數(shù)。迭代分為內(nèi)外2個(gè)循環(huán)。給定XLm=XLmin,分別由2個(gè)方程迭代計(jì)算質(zhì)量流量Gg1.Gg2,通過內(nèi)循環(huán)使Gg1.Gg2收斂。然后通過判斷2個(gè)質(zhì)量流量是否足夠小，如果滿足精度,則記錄該值;否則,增加XLM重新進(jìn)入內(nèi)循環(huán)進(jìn)行計(jì)算,直到滿足精度為止或者XLM超出最大值，結(jié)束該點(diǎn)計(jì)算,選取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型是在均值數(shù)據(jù)上建立的。為了分析模型對(duì)瞬時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果,通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,再由穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型,利用LabVIEW軟件進(jìn)行氣相流量測(cè)量。選取氣相流量分別為680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流量分別為0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,對(duì)液相流量小于1.0m³/h的工況,氣相流量計(jì)算相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。由于數(shù)據(jù)量較大,本文僅對(duì)液相流量分別為0.2和0.4m³/h工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析,每個(gè)工況時(shí)間長(zhǎng)度取2min,每.隔1s對(duì)溫度、壓力、差壓和實(shí)際氣體流量進(jìn)行濾波及取平均,并計(jì)算每秒的旋進(jìn)頻率。對(duì)1920個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行處理,結(jié)果見圖7。
 
　　從圖7可以看出,在液相流量為0.2和0.4m³/h條件下,利用穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算氣體瞬時(shí)流量的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。同時(shí)可以看出，此方法比單獨(dú)采用修正計(jì)算式誤差較大，主要原因是迭代計(jì)算所得到的XLM存在一定偏差。
4結(jié)論
(1)建立了槽式孔板濕氣計(jì)量模型,在測(cè)試條件范圍內(nèi),氣相流量總體平均誤差2.09%，且在92%的置信概率下相對(duì)誤差均小于5%。對(duì)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)兩相測(cè)量特性做了探索性研究,定義了“欠讀”因子Lg,研究表明,L。隨XLm的增大而減小，在相同XLM條件下,Frg越大,Lg越小。通過分區(qū)間擬合,建立了旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型,在液相流量小于1.0m³/h范圍內(nèi),氣體流量總體平均誤差小于2.7%,且在95%的置信概率下氣相流量相對(duì)誤差均小于5%。
(2)槽式孔板結(jié)合旋進(jìn)頻率相關(guān)式建立了穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型,通過LabVIEW軟件進(jìn)行了瞬時(shí)流量測(cè)試,結(jié)果表明在本文實(shí)驗(yàn)條件下,對(duì)于液相流量小于1.0m³/h的工況,氣相流量計(jì)算相對(duì)誤差均在5%以內(nèi),可為后續(xù)計(jì)量軟件開發(fā)提供參考依據(jù)。本文.研究是在多年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的,與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng).的工況(包括壓力,溫度、介質(zhì)屬性、管徑)有較大差.別,所以本文提出的穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型還需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究.
(3)國(guó)內(nèi)外尚無基于旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的濕氣計(jì)量研究,對(duì)于大液量條件下的漩渦特性,仍須做進(jìn)一步研究。另外,基于單相差壓式流量計(jì)(孔板、文丘里管)的濕氣計(jì)量修正模型均在實(shí)驗(yàn)條件下精度較.高,所以建立計(jì)算式系數(shù)可隨現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況變化的計(jì)量模型,也是下一步的研究方向。

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