摘要(yao)：槽式孔闆(pǎn) 用于濕氣(qi)計量時，差(cha)壓值會因(yīn)氣液相間(jian)作用而産(chan)生“過讀”,而(er)采用旋進(jin)漩渦流量(liàng)計 時,旋進(jìn)頻率會因(yīn)液相增大(dà)而産生“欠(qiàn)讀”。通過分(fèn)析槽式孔(kǒng)闆“過讀”和(he)旋進漩渦(wo)流量計“欠(qian)讀”的影響(xiǎng)因素,以空(kōng)氣-水爲介(jie)質開展了(le)一系列兩(liǎng)相流量計(jì)量實驗，建(jian)立了各自(zi)的兩相流(liú)量計量模(mo)型。将2種模(mó)型相結合(he)建立了穩(wěn)态計量模(mó)型。測試結(jie)果表明,在(zài)本文實驗(yan)條件下,當(dāng)液相流量(liang)小于1.0m³/h時,利(li)用本文模(mó)型計算得(dé)到的氣相(xiang)流量相對(duì)誤差在5%以(yi)内。
　　濕氣是(shi)一種特殊(shu)的氣液兩(liǎng)相流形态(tài),一般指氣(qi)相體積含(hán)率大于90%,液(ye)相與其他(ta)組分體積(jī)含率小于(yú)10%的氣井産(chǎn)出物口。對(duì)于濕氣計(ji)量,國内一(yi)般采用測(cè)試分離器(qi)進行分相(xiàng)計量,但分(fen)離設備一(yi)般比較昂(ang)貴且占地(di)面積較大(da),不适應于(yu)海洋石油(yóu)平台。目前(qian)，國外僅有(you)少數可以(yi)生産多相(xiang)流流量計(jì)的廠家，價(jia)格非常昂(áng)貴,而且各(ge)産品僅在(zài)實驗範圍(wéi)内保持精(jing)度。
　　由于 差(cha)壓式流量(liang)計 具有結(jié)構簡單、使(shi)用方便、運(yùn)行可靠、對(duì)濕氣比較(jiao)敏感等優(you)點,被廣泛(fan)用于濕氣(qì)計量研究(jiu)[川]。通過改(gai)進孔闆結(jié)構,采用槽(cáo)式孔闆爲(wei)節流元件(jiàn)進行氣液(ye)兩相流計(jì)量,分别在(zài)中國石油(you)大學(華東(dōng)).大港油田(tián)、大慶油田(tian)進行了室(shi)内和現場(chang)實驗,獲取(qǔ)了大量的(de)實驗數據(jù),提出了基(ji)于雙槽式(shì)孔闆的濕(shī)氣計量模(mó)型,通過在(zai)大港油田(tian)第四采油(yóu)廠進行測(ce)試,其計量(liàng)精度與國(guo)内外相當(dang)(47]。由于雙槽(cao)式孔闆計(jì)量模型求(qiú)解過程中(zhong)可能會出(chū)現無解的(de)情況,通過(guò)研究2種不(bu)同特性的(de)流量計(槽(cao)式孔闆和(he)旋進漩渦(wō)流量計)的(de)計量特性(xing),建立了各(ge)自的兩相(xiang)流量計量(liang)模型,并在(zài)此基礎上(shàng)建立了濕(shī)氣穩态計(ji)量模型。實(shí)驗結果表(biao)明,對于液(yè)相流量小(xiao)于1.0m³/h的工況(kuang)，利用本文(wén)模型計算(suàn)得到的氣(qì)相流量相(xiàng)對誤差在(zài)5%以内。
1槽式(shì)孔闆與旋(xuan)進漩渦流(liu)量計兩相(xiàng)計量特性(xìng)分析
1.1槽式(shì)孔闆
　　槽式(shì)孔闆由若(ruò)幹圈徑向(xiàng)分布的小(xiao)孔組成[],能(neng)使液相成(cheng)分自由通(tong)過,差壓波(bō)動較小,其(qi)流量方程(chéng)見式(1)~(2)
 
　　式(1)~(2)中(zhong):Gg爲氣體質(zhì)量流量,kg/s;C爲(wèi)流出系數(shù);D爲管道内(nei)徑,m;β爲節流(liú)元件孔徑(jìng)比;ɛ爲氣體(tǐ)可膨脹性(xìng)系數;△p爲節(jie)流元件産(chǎn)生的差壓(ya)，Pa;ρ爲流體密(mì)度,kg/m³;Asoe表示所(suo)有槽孔面(miàn)積總和,mm2;A爲(wei)管道的橫(héng)截面積,mm2。
　　 差(chà)壓式流量(liang)計用于單(dān)相氣體計(ji)量時精度(du)較高，但當(dāng)用于濕氣(qi)計量時，由(yóu)于液相對(duì)氣相阻塞(sāi)造成的加(jia)速壓降及(jí)氣相對液(yè)相加速造(zao)成的摩阻(zu)壓降造成(cheng)差壓值偏(piān)高,從而計(ji)算得到的(de)氣相質量(liàng)流量也會(huì)增大[!,這種(zhong)現象稱爲(wèi)“過讀”。對于(yu)槽式孔闆(pan),表觀氣體(ti)質量流量(liàng)由式(3)定義(yi),過讀由式(shì)(4)定義。本文(wén)的目的是(shi)通過實驗(yan)研究建立(li)“過讀"相關(guān)式,然後利(li).用式(5)可以(yi)計算出實(shi)際氣體流(liu)量。
 
　　式(3)中:Geperen爲(wei)表觀氣體(ti)質量流量(liàng),kg/s;Op。爲兩相流(liu)時的差壓(yā),Pa;φg。爲“過讀”參(can)數。
　　前期研(yán)究表明，影(ying)響“過讀”的(de)主要因素(su)有Lockhart-Martinelli參數XLu,氣(qi)液密度比(bǐ)Dg、氣體Froude數Frg。相(xiàng)關參數計(ji)算式如下(xià):
 
　　式(6)~(8)中:Xlm與氣(qì)液兩相質(zhì)量流量之(zhi)比、密度之(zhi)比有關,反(fǎn)映了氣液(yè)兩相流速(su)相對大小(xiǎo);Frg與氣.相折(she)算速度ʋrg、氣(qi)液密度相(xiang)關,可以反(fan)映氣相流(liu)速、壓力、密(mì)度等因素(su)的内在聯(lian)系;氣液密(mì)度比Dg可以(yi)反映壓力(li)變化.
1.2旋進(jìn)漩渦流量(liang)計
　　旋進漩(xuán)渦流量計(jì)是一種流(liú)體振蕩性(xing)流量計，應(ying)用強迫振(zhèn)動的漩渦(wo)旋進原理(li)測量流量(liang),其特點是(shi)管道内無(wú)可動部件(jiàn),幾乎不受(shòu)溫度、壓力(li)、密度、粘度(du)等變化影(ying)響,儀表輸(shu)出的脈動(dòng)信号與體(ti)積流量成(cheng)正比,其單(dan)相流量計(jì)算公式爲(wèi)
 
　　式(9)中:Q爲瞬(shun)時流量,kg/s;K爲(wèi)單相流量(liàng)特性曲線(xiàn)斜率，由儀(yí)表本身決(jue)定;f爲瞬時(shí)旋進頻率(lü),Hz。
　　當管内爲(wei)氣液兩相(xiang)流時,旋進(jin)頻率會減(jian)小,從而引(yin)起計算所(suǒ)得流量低(dī)于真實流(liú)量,這主要(yào)是由氣液(yè)間相互作(zuò)用造成的(de)[0],本文将其(qí)定義爲“欠(qian)讀”。當液相(xiang)流量繼續(xu)增大(至1.0m'/h)時(shí),旋進頻率(lü)會被噪聲(sheng)淹沒。定義(yi)“欠讀"Lg計算(suan)公式爲
 
　　式(shi)(10)中:ƒtf爲兩相(xiàng)流時的旋(xuan)進頻率;ƒg爲(wei)單相氣體(ti)時的旋進(jìn)頻率。
2槽式(shì)孔闆與旋(xuán)進漩渦流(liú)量計濕氣(qì)計量模型(xíng)建立
2.1實驗(yàn)條件
　　在中(zhōng)國石油大(dà)學大型多(duō)相流實驗(yàn)環道[]上進(jìn)行空氣水(shui)兩相流實(shí)驗。實驗條(tiáo)件爲:孔徑(jing)比β取0.5和0.6、氣(qi)相流量150~650m³/h、液(yè)相流量0.2~5.0m/h.表(biǎo)壓0.25~0.34MPa。實驗環(huán)道可控制(zhi)氣液流量(liang)穩定,混合(hé)均勻,經過(guo)足夠的流(liú)型發展後(hou)進人測試(shi)段,氣液流(liú)量分别采(cǎi)用金屬轉(zhuǎn)子流量計(ji)和質量流(liú)量計進行(háng)測量,精度(du)爲1.5%和0.2%。溫度(du)變送器精(jīng)度爲0.5%,壓力(lì)、差壓變送(song)器精度爲(wèi)0.2%,漩渦流量(liang)計精度爲(wei)1.5%,數據采集(ji)系統采用(yòng)NI公司虛拟(ni)儀器采集(ji)系統。濕氣(qì)計量測試(shì)系統示意(yi)圖見圖1.
 
2.2槽(cao)式孔闆濕(shī)氣計量模(mó)型
　　基于标(biāo)準差壓式(shì)節流元件(jian),前人總結(jié)了影響孔(kǒng)闆和文丘(qiū)裏管φg的主(zhǔ)要因素,如(rú)壓力、Lockhart-Martinelli參數(shù)等。在前人(rén)基礎上,進(jìn)一步對影(yǐng)響槽式孔(kong)闆φg的因素(sù)進行了研(yan)究,現有的(de)槽式孔闆(pan)中。.計算式(shi)中僅包含(hán)Dg和Xlm兩個變(biàn)量,而孔徑(jing)比β及氣體(ti)Froude數Fr。未考慮(lǜ)在内,但研(yán)究發現孔(kǒng)徑.比β和Frg都(dōu)對φg有着顯(xian)著的影響(xiǎng)。
　　圖2爲β=0.6、表壓(yā)0.25MPa時φg與XLm、Frg的三(sān)維曲面圖(tú)。由圖2可以(yǐ)看出:當Frg相(xiang)同時，φg随XLm增(zeng)大而增大(da),主要原因(yin)是液相流(liu)量增大，導(dao)緻氣體流(liú)通面積減(jian)小,增大了(le)氣相對液(yè)相的加速(su)作用,使得(dé)壓降增加(jiā)。φg與Frg、XLm近似分(fen)布在--光滑(hua)平面上,當(dang)Fr.g>1.5時,平面比(bi)較光滑;而(ér)當Frg<1.5時,平面(mian)比較陡峭(qiao)。根水平管(guan)氣液兩相(xiang)流型圖，Frg=1.5位(wei)于分層流(liú)和環狀流(liú)的分界線(xian)上,因此平(ping)面出現陡(dǒu)峭是由于(yu)流型變化(hua)造成的。對(duì)孔徑比爲(wei)0.5的孔闆也(ye)進行了研(yán)究,結論也(yě)是如此。
 
　　因(yīn)此,本文引(yǐn)人孔徑比(bǐ)β和Frg參數，同(tong)時對多年(nián)不同實驗(yàn)條件下的(de)數據進行(háng)分析,建立(li)的槽式孔(kǒng)闆過讀φg相(xiang)關式爲
 
　　利(li)用式(1)和實(shi)際氣體質(zhi)量流量計(jì)算可得單(dan)相氣體差(cha)壓△pe,代入式(shi)(4)可得中。;利(li)用壓力、溫(wen)度、氣液兩(liang)相流量計(ji)算可得Xuu、Fr、Dg。
　　利(li)用TableCurve3D軟件對(duì)孔徑比爲(wèi)0.5和0.6的實驗(yàn)數據進行(háng)曲面拟合(he)并通過線(xiàn)性回歸,得(dé)到φg計算式(shì)爲.
 
　　式(12)即爲(wèi)槽式孔闆(pǎn)濕氣計量(liàng)模型。圖3是(shi)利用本文(wen)模型對氣(qi)體實際流(liú)量預測的(de)相對誤差(cha)絕對值,可(ke).以看出效(xiao)果較好,氣(qì)體流量總(zǒng)體平均誤(wu)差僅爲2.09%,且(qie)在92%的置信(xin)概率下氣(qi)相流量相(xiang)對誤差均(jun1)小于5%，
 
2.3旋(xuan)進漩渦流(liu)量計濕氣(qì)計量模型(xing)
　　前期研究(jiu)表明,氣液(yè)兩相流量(liàng)與旋進頻(pin)率有關,但(dan)并未給出(chu)流量計算(suàn)模型。通過(guò)對兩相流(liú)旋進頻率(lǜ)數據進行(háng)分析,研究(jiū)XLm、Frg對“欠讀”的(de)影響,最後(hòu)利用非線(xiàn)性回歸方(fāng)法建立了(le)“欠讀"L計算(suan)式。
　　利用式(shì)(9)和實際氣(qi)體質量流(liu)量計算可(ke)得單相氣(qì)體頻率ƒg,代(dài)人式(10)可得(dé)Lg利用壓力(li)、溫度、氣液(yè)兩相流量(liang)可得Xlm、Frg.由于(yú)液相流量(liàng)大于1.0m³/h時旋(xuan)進頻率會(hui)被噪聲淹(yan)沒,故實驗(yan)時液相流(liú)量控制在(zai)1.0m³/h之内。
　　圖4爲(wèi)表壓0.25MPa、液相(xiàng)流量小于(yú)1.0m³/h時Lg随XLm的變(bian)化規律。從(cóng)圖4可以看(kàn)出:Lg随XLm的增(zeng)大而減小(xiao);相同XLu條件(jian)下,Frg越大,“欠(qian).讀"Lg越小,這(zhe)主要是由(yóu)液相流量(liàng)增大,旋進(jin)頻率信号(hao)減弱造成(chéng)的。
 
值,可以(yǐ)看出當液(yè)相流量小(xiao)于1.0m³/h時,氣體(ti)流量總體(ti)平均誤差(cha)小于2.7%,且在(zai)95%的置信概(gai)率下氣相(xiàng)流量相對(duì)誤差均小(xiǎo)于5%。
3穩态計(ji)量模型建(jian)立
　　利用單(dan)相氣體流(liú)量計,通過(guò)濕氣計量(liàng)修正模型(xing)計量時,必(bi)須測得XLm參(can)數,且必須(xū)在現場工(gong)作條件下(xia)基本穩定(ding)。當現場XLm參(cān)數可測的(de)情況下,利(lì)用本文槽(cao)式孔闆或(huò)旋進漩渦(wō)相關式可(kě)得到較高(gāo)的計量精(jīng)度,但一般(ban)情況下該(gai)參數不易(yi)測量且頻(pín)繁變化,在(zai)這種情況(kuàng)下僅采用(yòng)一種單相(xiàng)氣體流量(liang)計進行計(jì)量是不切(qie)實際的。因(yin)此,考慮采(cǎi)用2種或多(duo)種不同特(tè)性的流量(liang)計同時計(jì)量,通過叠(die)代計算,消(xiao)去未知參(can)數影響,進(jìn)行濕氣流(liu)量計量。其(qi)基本思路(lu)是:将基于(yu)槽式孔闆(pan)差壓、旋進(jìn)頻率建立(lì)的兩相流(liu)量修正計(jì)算式構成(chéng)方程組，即(jí)建立穩态(tai)計量模型(xing),然後通過(guò)叠代求解(jie)計算氣液(ye)相流量及(jí)質量含氣(qì)率。穩态計(jì)量模型求(qiu)解流程圖(tú)見圖6,圖中(zhōng)下标“1"表示(shi)槽式孔闆(pǎn)相應參數(shù),下标“2”表示(shi)旋進漩渦(wō)相應參數(shu)。叠代分爲(wei)内外2個循(xún)環。給定XLm=XLmin,分(fèn)别由2個方(fang)程叠代計(jì)算質量流(liu)量Gg1.Gg2,通過内(nèi)循環使Gg1.Gg2收(shōu)斂。然後通(tōng)過判斷2個(ge)質量流量(liàng)是否足夠(gòu)小，如果滿(man)足精度,則(zé)記錄該值(zhi);否則,增加(jia)XLM重新進入(rù)内循環進(jìn)行計算,直(zhí)到滿足精(jing)度爲止或(huo)者XLM超出最(zuì)大值，結束(shù)該點計算(suan),選取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
　　上述(shu)穩态計量(liang)模型是在(zài)均值數據(ju)上建立的(de)。爲了分析(xi)模型對瞬(shùn)時數據測(ce)量結果,通(tōng)過對原始(shǐ)數據進行(hang)預處理,再(zài)由穩态計(jì)量模型,利(li)用LabVIEW軟件進(jìn)行氣相流(liú)量測量。選(xuan)取氣相流(liu)量分别爲(wei)680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流量(liang)分别爲0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進(jin)行實驗,結(jié)果表明,對(duì)液相流量(liang)小于1.0m³/h的工(gōng)況,氣相流(liu)量計算相(xiàng)對誤差在(zai)5%以内。由于(yú)數據量較(jiào)大,本文僅(jǐn)對液相流(liú)量分别爲(wei)0.2和0.4m³/h工況下(xia)的實驗數(shu)據進行處(chù)理分析,每(mei)個工況時(shí)間長度取(qǔ)2min,每.隔1s對溫(wēn)度、壓力、差(chà)壓和實際(ji)氣體流量(liang)進行濾波(bō)及取平均(jun1),并計算每(měi)秒的旋進(jin)頻率。對1920個(ge)實驗點進(jìn)行處理,結(jie)果見圖7。
 
　　從(cong)圖7可以看(kan)出,在液相(xiang)流量爲0.2和(he)0.4m³/h條件下,利(lì)用穩态模(mó)型計算氣(qi)體瞬時流(liu)量的相對(duì)誤差均在(zai)5%以内。同時(shi)可以看出(chu)，此方法比(bi)單獨采用(yong)修正計算(suan)式誤差較(jiào)大，主要原(yuán)因是叠代(dài)計算所得(de)到的XLM存在(zai)一定偏差(cha)。
4結論
(1)建立(lì)了槽式孔(kǒng)闆濕氣計(jì)量模型,在(zài)測試條件(jiàn)範圍内,氣(qi)相流量總(zong)體平均誤(wù)差2.09%，且在92%的(de)置信概率(lǜ)下相對誤(wù)差均小于(yú)5%。對旋進漩(xuan)渦流量計(jì)兩相測量(liàng)特性做了(le)探索性研(yan)究,定義了(le)“欠讀”因子(zi)Lg,研究表明(ming),L。随XLm的增大(da)而減小，在(zài)相同XLM條件(jiàn)下,Frg越大,Lg越(yuè)小。通過分(fèn)區間拟合(he),建立了旋(xuán)進漩渦流(liu)量計濕氣(qi)計量模型(xíng),在液相流(liu)量小于1.0m³/h範(fan)圍内,氣體(ti)流量總體(tǐ)平均誤差(chà)小于2.7%,且在(zài)95%的置信概(gài)率下氣相(xiang)流量相對(duì)誤差均小(xiao)于5%。
(2)槽式孔(kong)闆結合旋(xuán)進頻率相(xiàng)關式建立(lì)了穩态計(ji)量模型,通(tōng)過LabVIEW軟件進(jìn)行了瞬時(shi)流量測試(shi),結果表明(ming)在本文實(shí)驗條件下(xià),對于液相(xiang)流量小于(yu)1.0m³/h的工況,氣(qi)相流量計(jì)算相對誤(wù)差均在5%以(yǐ)内,可爲後(hòu)續計量軟(ruan)件開發提(ti)供參考依(yi)據。本文.研(yán)究是在多(duo)年實驗數(shù)據基礎上(shang)進行的,與(yu)生産現場(chang).的工況(包(bao)括壓力,溫(wen)度、介質屬(shǔ)性、管徑)有(you)較大差.别(bié),所以本文(wen)提出的穩(wen)态計量模(mó)型還需要(yao)大量的現(xian)場試驗研(yan)究.
(3)國内外(wài)尚無基于(yú)旋進漩渦(wo)流量計的(de)濕氣計量(liang)研究,對于(yú)大液量條(tiáo)件下的漩(xuan)渦特性,仍(reng)須做進一(yī)步研究。另(ling)外,基于單(dan)相差壓式(shi)流量計(孔(kong)闆、文丘裏(lǐ)管)的濕氣(qi)計量修正(zheng)模型均在(zài)實驗條件(jian)下精度較(jiào).高,所以建(jiàn)立計算式(shì)系數可随(sui)現場實際(jì)情況變化(hua)的計量模(mo)型,也是下(xia)一步的研(yán)究方向。

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