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

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