摘要(yào)：槽式孔(kong)闆 用于(yú)濕氣計(jì)量時，差(chà)壓值會(hui)因氣液(ye)相間作(zuo)用而産(chǎn)生“過讀(dú)”,而采用(yòng)旋進漩(xuan)渦流量(liàng)計 時,旋(xuán)進頻率(lǜ)會因液(yè)相增大(dà)而産生(sheng)“欠讀”。通(tōng)過分析(xi)槽式孔(kǒng)闆“過讀(dú)”和旋進(jin)漩渦流(liú)量計“欠(qian)讀”的影(yǐng)響因素(su),以空氣(qi)-水爲介(jiè)質開展(zhǎn)了一系(xì)列兩相(xiàng)流量計(jì)量實驗(yan)，建立了(le)各自的(de)兩相流(liu)量計量(liang)模型。将(jiang)2種模型(xíng)相結合(hé)建立了(le)穩态計(jì)量模型(xíng)。測試結(jié)果表明(ming),在本文(wén)實驗條(tiáo)件下,當(dāng)液相流(liú)量小于(yu)1.0m³/h時,利用(yong)本文模(mo)型計算(suan)得到的(de)氣相流(liú)量相對(duì)誤差在(zai)5%以内。
　　濕(shī)氣是一(yi)種特殊(shū)的氣液(yè)兩相流(liú)形态,一(yi)般指氣(qi)相體積(jī)含率大(da)于90%,液相(xiàng)與其他(ta)組分體(tǐ)積含率(lǜ)小于10%的(de)氣井産(chan)出物口(kǒu)。對于濕(shi)氣計量(liàng),國内一(yi)般采用(yòng)測試分(fèn)離器進(jin)行分相(xiàng)計量,但(dàn)分離設(she)備一般(bān)比較昂(áng)貴且占(zhàn)地面積(ji)較大,不(bú)适應于(yú)海洋石(shi)油平台(tai)。目前，國(guo)外僅有(you)少數可(ke)以生産(chǎn)多相流(liú)流量計(jì)的廠家(jia)，價格非(fēi)常昂貴(gui),而且各(gè)産品僅(jǐn)在實驗(yan)範圍内(nèi)保持精(jing)度。
　　由于(yú) 差壓式(shi)流量計(jì) 具有結(jié)構簡單(dān)、使用方(fāng)便、運行(háng)可靠、對(dui)濕氣比(bi)較敏感(gǎn)等優點(diǎn),被廣泛(fan)用于濕(shi)氣計量(liang)研究[川(chuān)]。通過改(gǎi)進孔闆(pǎn)結構,采(cai)用槽式(shi)孔闆爲(wei)節流元(yuan)件進行(háng)氣液兩(liang)相流計(jì)量,分别(bie)在中國(guo)石油大(dà)學(華東(dong)).大港油(yóu)田、大慶(qing)油田進(jìn)行了室(shi)内和現(xiàn)場實驗(yàn),獲取了(le)大量的(de)實驗數(shù)據,提出(chū)了基于(yu)雙槽式(shì)孔闆的(de)濕氣計(ji)量模型(xíng),通過在(zài)大港油(yóu)田第四(si)采油廠(chǎng)進行測(ce)試,其計(ji)量精度(dù)與國内(nei)外相當(dāng)(47]。由于雙(shuang)槽式孔(kǒng)闆計量(liang)模型求(qiu)解過程(chéng)中可能(néng)會出現(xian)無解的(de)情況,通(tong)過研究(jiū)2種不同(tóng)特性的(de)流量計(jì)(槽式孔(kong)闆和旋(xuán)進漩渦(wo)流量計(jì))的計量(liang)特性,建(jian)立了各(gè)自的兩(liang)相流量(liang)計量模(mo)型,并在(zai)此基礎(chu)上建立(lì)了濕氣(qi)穩态計(ji)量模型(xíng)。實驗結(jié)果表明(ming),對于液(ye)相流量(liàng)小于1.0m³/h的(de)工況，利(li)用本文(wen)模型計(jì)算得到(dào)的氣相(xiàng)流量相(xiàng)對誤差(cha)在5%以内(nei)。
1槽式孔(kǒng)闆與旋(xuan)進漩渦(wo)流量計(jì)兩相計(jì)量特性(xìng)分析
1.1槽(cáo)式孔闆(pan)
　　槽式孔(kong)闆由若(ruò)幹圈徑(jìng)向分布(bu)的小孔(kǒng)組成[],能(neng)使液相(xiang)成分自(zì)由通過(guo),差壓波(bo)動較小(xiǎo),其流量(liang)方程見(jiàn)式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中(zhōng):Gg爲氣體(tǐ)質量流(liú)量,kg/s;C爲流(liú)出系數(shù);D爲管道(dào)内徑,m;β爲(wei)節流元(yuan)件孔徑(jing)比;ɛ爲氣(qi)體可膨(péng)脹性系(xì)數;△p爲節(jie)流元件(jiàn)産生的(de)差壓，Pa;ρ爲(wei)流體密(mì)度,kg/m³;Asoe表示(shi)所有槽(cao)孔面積(ji)總和,mm2;A爲(wèi)管道的(de)橫截面(miàn)積,mm2。
　　 差壓(yā)式流量(liang)計用于(yú)單相氣(qi)體計量(liang)時精度(du)較高，但(dàn)當用于(yu)濕氣計(jì)量時，由(yóu)于液相(xiang)對氣相(xiang)阻塞造(zao)成的加(jia)速壓降(jiang)及氣相(xiang)對液相(xiàng)加速造(zao)成的摩(mó)阻壓降(jiang)造成差(cha)壓值偏(piān)高,從而(ér)計算得(de)到的氣(qì)相質量(liàng)流量也(ye)會增大(dà)[!,這種現(xiàn)象稱爲(wei)“過讀”。對(dui)于槽式(shi)孔闆,表(biǎo)觀氣體(ti)質量流(liú)量由式(shì)(3)定義,過(guo)讀由式(shi)(4)定義。本(běn)文的目(mu)的是通(tōng)過實驗(yàn)研究建(jiàn)立“過讀(du)"相關式(shi),然後利(lì).用式(5)可(ke)以計算(suan)出實際(ji)氣體流(liu)量。
 
　　式(3)中(zhong):Geperen爲表觀(guān)氣體質(zhi)量流量(liang),kg/s;Op。爲兩相(xiàng)流時的(de)差壓,Pa;φg。爲(wèi)“過讀”參(can)數。
　　前期(qī)研究表(biǎo)明，影響(xiǎng)“過讀”的(de)主要因(yīn)素有Lockhart-Martinelli參(cān)數XLu,氣液(ye)密度比(bǐ)Dg、氣體Froude數(shù)Frg。相關參(cān)數計算(suan)式如下(xia):
 
　　式(6)~(8)中:Xlm與(yǔ)氣液兩(liǎng)相質量(liàng)流量之(zhī)比、密度(du)之比有(yǒu)關,反映(yìng)了氣液(yè)兩相流(liu)速相對(duì)大小;Frg與(yu)氣.相折(she)算速度(du)ʋrg、氣液密(mì)度相關(guān),可以反(fan)映氣相(xiàng)流速、壓(yā)力、密度(du)等因素(su)的内在(zài)聯系;氣(qì)液密度(dù)比Dg可以(yi)反映壓(yā)力變化(huà).
1.2旋進漩(xuan)渦流量(liang)計
　　旋進(jìn)漩渦流(liu)量計是(shì)一種流(liu)體振蕩(dàng)性流量(liang)計，應用(yòng)強迫振(zhèn)動的漩(xuán)渦旋進(jìn)原理測(ce)量流量(liang),其特點(diǎn)是管道(dào)内無可(ke)動部件(jiàn),幾乎不(bú)受溫度(dù)、壓力、密(mì)度、粘度(dù)等變化(huà)影響,儀(yi)表輸出(chū)的脈動(dòng)信号與(yǔ)體積流(liú)量成正(zhèng)比,其單(dān)相流量(liang)計算公(gōng)式爲
 
　　式(shi)(9)中:Q爲瞬(shun)時流量(liàng),kg/s;K爲單相(xiàng)流量特(te)性曲線(xian)斜率，由(you)儀表本(běn)身決定(dìng);f爲瞬時(shí)旋進頻(pín)率,Hz。
　　當管(guǎn)内爲氣(qi)液兩相(xiang)流時,旋(xuan)進頻率(lü)會減小(xiao),從而引(yin)起計算(suàn)所得流(liú)量低于(yú)真實流(liu)量,這主(zhu)要是由(yóu)氣液間(jian)相互作(zuò)用造成(cheng)的[0],本文(wén)将其定(ding)義爲“欠(qiàn)讀”。當液(ye)相流量(liang)繼續增(zēng)大(至1.0m'/h)時(shí),旋進頻(pin)率會被(bèi)噪聲淹(yān)沒。定義(yi)“欠讀"Lg計(jì)算公式(shi)爲
 
　　式(10)中(zhōng):ƒtf爲兩相(xiàng)流時的(de)旋進頻(pin)率;ƒg爲單(dān)相氣體(tǐ)時的旋(xuán)進頻率(lǜ)。
2槽式孔(kǒng)闆與旋(xuán)進漩渦(wo)流量計(ji)濕氣計(ji)量模型(xing)建立
2.1實(shi)驗條件(jian)
　　在中國(guó)石油大(da)學大型(xing)多相流(liú)實驗環(huán)道[]上進(jin)行空氣(qì)水兩相(xiang)流實驗(yan)。實驗條(tiao)件爲:孔(kǒng)徑比β取(qu)0.5和0.6、氣相(xiàng)流量150~650m³/h、液(yè)相流量(liàng)0.2~5.0m/h.表壓0.25~0.34MPa。實(shi)驗環道(dao)可控制(zhi)氣液流(liú)量穩定(dìng),混合均(jun)勻,經過(guò)足夠的(de)流型發(fā)展後進(jin)人測試(shì)段,氣液(yè)流量分(fen)别采用(yòng)金屬轉(zhuan)子流量(liang)計和質(zhi)量流量(liang)計進行(háng)測量,精(jing)度爲1.5%和(he)0.2%。溫度變(biàn)送器精(jing)度爲0.5%,壓(yā)力、差壓(yā)變送器(qi)精度爲(wèi)0.2%,漩渦流(liu)量計精(jīng)度爲1.5%,數(shu)據采集(jí)系統采(cai)用NI公司(si)虛拟儀(yi)器采集(ji)系統。濕(shi)氣計量(liàng)測試系(xi)統示意(yi)圖見圖(tú)1.
 
2.2槽式孔(kǒng)闆濕氣(qì)計量模(mó)型
　　基于(yu)标準差(cha)壓式節(jiē)流元件(jian),前人總(zong)結了影(ying)響孔闆(pan)和文丘(qiu)裏管φg的(de)主要因(yin)素,如壓(ya)力、Lockhart-Martinelli參數(shu)等。在前(qián)人基礎(chǔ)上,進一(yī)步對影(ying)響槽式(shi)孔闆φg的(de)因素進(jìn)行了研(yán)究,現有(you)的槽式(shi)孔闆中(zhong)。.計算式(shi)中僅包(bao)含Dg和Xlm兩(liǎng)個變量(liang),而孔徑(jìng)比β及氣(qi)體Froude數Fr。未(wei)考慮在(zài)内,但研(yán)究發現(xian)孔徑.比(bǐ)β和Frg都對(duì)φg有着顯(xiǎn)著的影(yǐng)響。
　　圖2爲(wèi)β=0.6、表壓0.25MPa時(shí)φg與XLm、Frg的三(san)維曲面(miàn)圖。由圖(tu)2可以看(kàn)出:當Frg相(xiang)同時，φg随(suí)XLm增大而(ér)增大,主(zhu)要原因(yīn)是液相(xiàng)流量增(zeng)大，導緻(zhì)氣體流(liú)通面積(ji)減小,增(zēng)大了氣(qì)相對液(ye)相的加(jia)速作用(yong),使得壓(yā)降增加(jiā)。φg與Frg、XLm近似(sì)分布在(zai)--光滑平(ping)面上,當(dang)Fr.g>1.5時,平面(mian)比較光(guāng)滑;而當(dāng)Frg<1.5時,平面(miàn)比較陡(dǒu)峭。根水(shuǐ)平管氣(qi)液兩相(xiang)流型圖(tu)，Frg=1.5位于分(fen)層流和(hé)環狀流(liú)的分界(jie)線上,因(yīn)此平面(miàn)出現陡(dou)峭是由(yóu)于流型(xíng)變化造(zào)成的。對(duì)孔徑比(bi)爲0.5的孔(kǒng)闆也進(jin)行了研(yan)究,結論(lun)也是如(rú)此。
 
　　因此(cǐ),本文引(yin)人孔徑(jìng)比β和Frg參(cān)數，同時(shi)對多年(nián)不同實(shí)驗條件(jiàn)下的數(shù)據進行(háng)分析,建(jian)立的槽(cao)式孔闆(pan)過讀φg相(xiàng)關式爲(wei)
 
　　利用式(shì)(1)和實際(jì)氣體質(zhi)量流量(liàng)計算可(ke)得單相(xiang)氣體差(cha)壓△pe,代入(ru)式(4)可得(de)中。;利用(yong)壓力、溫(wen)度、氣液(ye)兩相流(liú)量計算(suàn)可得Xuu、Fr、Dg。
　　利(lì)用TableCurve3D軟件(jian)對孔徑(jìng)比爲0.5和(he)0.6的實驗(yan)數據進(jin)行曲面(miàn)拟合并(bing)通過線(xian)性回歸(gui),得到φg計(jì)算式爲(wei).
 
　　式(12)即爲(wei)槽式孔(kǒng)闆濕氣(qi)計量模(mó)型。圖3是(shi)利用本(běn)文模型(xíng)對氣體(ti)實際流(liú)量預測(ce)的相對(duì)誤差絕(jue)對值,可(kě).以看出(chu)效果較(jiao)好,氣體(ti)流量總(zǒng)體平均(jun)誤差僅(jin)爲2.09%,且在(zài)92%的置信(xìn)概率下(xià)氣相流(liu)量相對(duì)誤差均(jun)小于5%，
 
2.3旋進(jin)漩渦流(liú)量計濕(shi)氣計量(liàng)模型
　　前(qián)期研究(jiu)表明,氣(qì)液兩相(xiàng)流量與(yu)旋進頻(pín)率有關(guān),但并未(wèi)給出流(liu)量計算(suàn)模型。通(tong)過對兩(liǎng)相流旋(xuán)進頻率(lǜ)數據進(jin)行分析(xī),研究XLm、Frg對(dui)“欠讀”的(de)影響,最(zui)後利用(yong)非線性(xìng)回歸方(fang)法建立(lì)了“欠讀(du)"L計算式(shì)。
　　利用式(shì)(9)和實際(jì)氣體質(zhì)量流量(liang)計算可(ke)得單相(xiàng)氣體頻(pín)率ƒg,代人(ren)式(10)可得(de)Lg利用壓(ya)力、溫度(du)、氣液兩(liang)相流量(liang)可得Xlm、Frg.由(yóu)于液相(xiang)流量大(da)于1.0m³/h時旋(xuan)進頻率(lü)會被噪(zào)聲淹沒(méi),故實驗(yàn)時液相(xiang)流量控(kong)制在1.0m³/h之(zhī)内。
　　圖4爲(wei)表壓0.25MPa、液(ye)相流量(liàng)小于1.0m³/h時(shí)Lg随XLm的變(biàn)化規律(lǜ)。從圖4可(kě)以看出(chū):Lg随XLm的增(zeng)大而減(jian)小;相同(tong)XLu條件下(xia),Frg越大,“欠(qiàn).讀"Lg越小(xiǎo),這主要(yao)是由液(yè)相流量(liàng)增大,旋(xuán)進頻率(lǜ)信号減(jian)弱造成(chéng)的。
 
值,可(ke)以看出(chū)當液相(xiang)流量小(xiao)于1.0m³/h時,氣(qi)體流量(liang)總體平(píng)均誤差(chà)小于2.7%,且(qie)在95%的置(zhi)信概率(lǜ)下氣相(xiang)流量相(xiàng)對誤差(chà)均小于(yú)5%。
3穩态計(ji)量模型(xíng)建立
　　利(li)用單相(xiang)氣體流(liú)量計,通(tong)過濕氣(qì)計量修(xiū)正模型(xíng)計量時(shí),必須測(cè)得XLm參數(shu),且必須(xū)在現場(chǎng)工作條(tiao)件下基(jī)本穩定(dìng)。當現場(chang)XLm參數可(kě)測的情(qing)況下,利(lì)用本文(wen)槽式孔(kǒng)闆或旋(xuán)進漩渦(wō)相關式(shì)可得到(dao)較高的(de)計量精(jīng)度,但一(yi)般情況(kuang)下該參(cān)數不易(yi)測量且(qiě)頻繁變(biàn)化,在這(zhè)種情況(kuang)下僅采(cai)用一種(zhǒng)單相氣(qi)體流量(liàng)計進行(hang)計量是(shi)不切實(shí)際的。因(yīn)此,考慮(lü)采用2種(zhǒng)或多種(zhǒng)不同特(tè)性的流(liu)量計同(tong)時計量(liang),通過叠(die)代計算(suàn),消去未(wèi)知參數(shù)影響,進(jìn)行濕氣(qi)流量計(jì)量。其基(jī)本思路(lù)是:将基(ji)于槽式(shi)孔闆差(cha)壓、旋進(jin)頻率建(jian)立的兩(liang)相流量(liàng)修正計(ji)算式構(gòu)成方程(cheng)組，即建(jian)立穩态(tai)計量模(mo)型,然後(hou)通過叠(die)代求解(jie)計算氣(qì)液相流(liu)量及質(zhì)量含氣(qi)率。穩态(tai)計量模(mó)型求解(jie)流程圖(tu)見圖6,圖(tú)中下标(biāo)“1"表示槽(cao)式孔闆(pǎn)相應參(can)數,下标(biao)“2”表示旋(xuan)進漩渦(wo)相應參(can)數。叠代(dai)分爲内(nei)外2個循(xún)環。給定(ding)XLm=XLmin,分别由(you)2個方程(cheng)叠代計(ji)算質量(liang)流量Gg1.Gg2,通(tōng)過内循(xun)環使Gg1.Gg2收(shōu)斂。然後(hou)通過判(pan)斷2個質(zhi)量流量(liang)是否足(zu)夠小，如(rú)果滿足(zu)精度,則(zé)記錄該(gāi)值;否則(ze),增加XLM重(zhong)新進入(ru)内循環(huán)進行計(jì)算,直到(dào)滿足精(jing)度爲止(zhi)或者XLM超(chāo)出最大(dà)值，結束(shu)該點計(jì)算,選取(qǔ)Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述穩(wěn)态計量(liàng)模型是(shì)在均值(zhí)數據上(shang)建立的(de)。爲了分(fen)析模型(xíng)對瞬時(shi)數據測(cè)量結果(guǒ),通過對(duì)原始數(shù)據進行(hang)預處理(lǐ),再由穩(wen)态計量(liàng)模型,利(lì)用LabVIEW軟件(jian)進行氣(qi)相流量(liang)測量。選(xuan)取氣相(xiang)流量分(fèn)别爲680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液(yè)量流量(liàng)分别爲(wèi)0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進行實(shí)驗,結果(guǒ)表明,對(dui)液相流(liu)量小于(yu)1.0m³/h的工況(kuàng),氣相流(liu)量計算(suan)相對誤(wu)差在5%以(yi)内。由于(yú)數據量(liàng)較大,本(běn)文僅對(duì)液相流(liú)量分别(bie)爲0.2和0.4m³/h工(gong)況下的(de)實驗數(shu)據進行(háng)處理分(fèn)析,每個(gè)工況時(shi)間長度(du)取2min,每.隔(gé)1s對溫度(du)、壓力、差(cha)壓和實(shí)際氣體(ti)流量進(jin)行濾波(bo)及取平(ping)均,并計(ji)算每秒(miao)的旋進(jìn)頻率。對(dui)1920個實驗(yan)點進行(hang)處理,結(jié)果見圖(tu)7。
 
　　從圖7可(kě)以看出(chu),在液相(xiàng)流量爲(wei)0.2和0.4m³/h條件(jian)下,利用(yong)穩态模(mó)型計算(suàn)氣體瞬(shùn)時流量(liàng)的相對(dui)誤差均(jun1)在5%以内(nei)。同時可(ke)以看出(chū)，此方法(fǎ)比單獨(du)采用修(xiu)正計算(suàn)式誤差(cha)較大，主(zhu)要原因(yin)是叠代(dai)計算所(suǒ)得到的(de)XLM存在一(yī)定偏差(chà)。
4結論
(1)建(jian)立了槽(cáo)式孔闆(pan)濕氣計(jì)量模型(xíng),在測試(shì)條件範(fàn)圍内,氣(qì)相流量(liang)總體平(píng)均誤差(chà)2.09%，且在92%的(de)置信概(gai)率下相(xiang)對誤差(cha)均小于(yú)5%。對旋進(jin)漩渦流(liú)量計兩(liǎng)相測量(liàng)特性做(zuò)了探索(suo)性研究(jiū),定義了(le)“欠讀”因(yīn)子Lg,研究(jiu)表明,L。随(sui)XLm的增大(dà)而減小(xiao)，在相同(tong)XLM條件下(xia),Frg越大,Lg越(yue)小。通過(guo)分區間(jian)拟合,建(jiàn)立了旋(xuán)進漩渦(wo)流量計(jì)濕氣計(jì)量模型(xing),在液相(xiang)流量小(xiao)于1.0m³/h範圍(wéi)内,氣體(tǐ)流量總(zǒng)體平均(jun1)誤差小(xiao)于2.7%,且在(zài)95%的置信(xìn)概率下(xia)氣相流(liu)量相對(dui)誤差均(jun)小于5%。
(2)槽(cáo)式孔闆(pǎn)結合旋(xuan)進頻率(lǜ)相關式(shi)建立了(le)穩态計(jì)量模型(xíng),通過LabVIEW軟(ruan)件進行(háng)了瞬時(shí)流量測(cè)試,結果(guǒ)表明在(zai)本文實(shi)驗條件(jian)下,對于(yu)液相流(liú)量小于(yu)1.0m³/h的工況(kuang),氣相流(liú)量計算(suan)相對誤(wu)差均在(zài)5%以内,可(kě)爲後續(xu)計量軟(ruǎn)件開發(fā)提供參(cān)考依據(ju)。本文.研(yan)究是在(zài)多年實(shí)驗數據(ju)基礎上(shàng)進行的(de),與生産(chan)現場.的(de)工況(包(bao)括壓力(li),溫度、介(jie)質屬性(xìng)、管徑)有(you)較大差(cha).别,所以(yǐ)本文提(tí)出的穩(wěn)态計量(liang)模型還(hái)需要大(da)量的現(xiàn)場試驗(yàn)研究.
(3)國(guo)内外尚(shàng)無基于(yú)旋進漩(xuan)渦流量(liang)計的濕(shi)氣計量(liàng)研究,對(duì)于大液(yè)量條件(jiàn)下的漩(xuan)渦特性(xing),仍須做(zuo)進一步(bu)研究。另(ling)外,基于(yu)單相差(cha)壓式流(liu)量計(孔(kong)闆、文丘(qiu)裏管)的(de)濕氣計(jì)量修正(zheng)模型均(jun)在實驗(yàn)條件下(xia)精度較(jiao).高,所以(yǐ)建立計(jì)算式系(xi)數可随(sui)現場實(shí)際情況(kuang)變化的(de)計量模(mó)型,也是(shi)下一步(bu)的研究(jiu)方向。

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