徐 英，尹 存，龍征海

(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市過程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦，成都 610051)

可調(diào)壓中壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置的研制

徐 英1,2，尹 存1,2，龍征海3

(1. 天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市過程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072；3. 中國(guó)石油西南油氣田公司川中油氣礦，成都 610051)

為了更好地模擬濕氣兩相流體的流動(dòng)狀態(tài)，開展基于不同濕氣流量測(cè)量原理和方法的實(shí)驗(yàn)室研究，天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和建造了可調(diào)壓中壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置.該裝置設(shè)計(jì)壓力為4,MPa，采用標(biāo)準(zhǔn)表法雙閉環(huán)式設(shè)計(jì)，包含獨(dú)立氣體循環(huán)管路、獨(dú)立液體循環(huán)管路和實(shí)驗(yàn)用混合管路.實(shí)驗(yàn)所用介質(zhì)為空氣和水，最高工作壓力1.6,MPa，可實(shí)現(xiàn)氣相流量范圍3～1,000,m3/h，液相流量范圍0.05～8.00,m3/h.本研究包括該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、壓損計(jì)算、關(guān)鍵設(shè)備選型、裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試等，并通過對(duì)系統(tǒng)不確定度分析，得到該可調(diào)壓中壓濕氣裝置氣相測(cè)量不確定度為1.00%，液相測(cè)量不確定度為0.35%.

濕氣兩相流；可調(diào)壓裝置；壓損計(jì)算；不確定度分析

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)及參數(shù)測(cè)量做了大量研究，建有不少氣液兩相流實(shí)驗(yàn)裝置，其中規(guī)模與影響力較大的裝置有美國(guó)科羅拉多工程實(shí)驗(yàn)室CEESI的濕氣實(shí)驗(yàn)裝置，英國(guó)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室NEL的高壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置，挪威海德魯HYDRO公司的高壓多相流實(shí)液測(cè)試標(biāo)定裝置，以及中國(guó)石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所的油氣水多相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)液測(cè)試裝置等[1-4]．

美國(guó)CEESI實(shí)驗(yàn)室的濕氣實(shí)驗(yàn)裝置，專為研究天然氣和碳?xì)浠衔镆后w組成的兩相流而設(shè)計(jì)，可操作壓力范圍介于0.7～9.9,MPa之間，使用DN100管道時(shí)氣體流速范圍為2～27,m/s，氣相標(biāo)準(zhǔn)表選用渦輪流量計(jì)，液相標(biāo)準(zhǔn)表選用科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，分離器選用臥式分離器．英國(guó)NEL高壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置主要用于高壓工況下高含氣率氣液兩相流研究，最高工作壓力6.3,MPa，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)是煤油和氮?dú)?，裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采取全封閉循環(huán)結(jié)構(gòu)，氣相采用高精度渦輪流量計(jì)/高精度超聲波流量計(jì)，工況流量范圍120～1,200,m3/h，精度為0.5%；液相采用高精度渦輪流量計(jì)，流量范圍0.1～140.0,m3/h，精度為0.2%．中國(guó)石油工業(yè)計(jì)量測(cè)試研究所的油氣水多相流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)液測(cè)試裝置，工作壓力為0.15～1.60,MPa，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為凈化油、油田氣、含油污水. 最大油流量：50,m3/h，流量準(zhǔn)確度±1%；最大氣流量：1,170 N·m3/h，流量準(zhǔn)確度±1.5%；最大水流量：50,m3/h，流量準(zhǔn)確度± 1%；含氣率調(diào)節(jié)范圍為0～100%．

天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室已建有油氣水三相流實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)壓力1,MPa，該裝置既可用于三相流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，也可用于模擬濕氣兩相流體流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究．不足的是該裝置工作狀態(tài)最大壓力為0.6,MPa，而很多濕氣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)壓力遠(yuǎn)高于該壓力值．因此，為提高實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)水平，分別從實(shí)驗(yàn)[5]和仿真[6]角度加以分析驗(yàn)證，并于2010年天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室開始重新研制了一套設(shè)計(jì)壓力為4,MPa，且方便壓力調(diào)節(jié)的中壓濕氣流量實(shí)驗(yàn)裝置．該裝置實(shí)現(xiàn)了氣相不確定度1%，液相不確定度實(shí)現(xiàn)0.35%．

1 可調(diào)壓中壓濕氣裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和主要性能指標(biāo)

建立可調(diào)壓中壓濕氣裝置的目標(biāo)是模擬更高壓力的濕氣兩相流體流動(dòng)狀態(tài)，因此需要滿足對(duì)流動(dòng)條件的有效控制，如氣相和液相的工作壓力及其穩(wěn)定性控制，氣相流量和液相流量的穩(wěn)定性控制，另外溫度會(huì)對(duì)流體的密度造成影響，故需要對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并有效控制在工作范圍內(nèi)．

本裝置的主要性能指標(biāo)如下，實(shí)驗(yàn)壓力調(diào)節(jié)范圍0～1.6,MPa，氣相介質(zhì)為空氣，流量調(diào)節(jié)范圍3～1,000,m3/h；液相介質(zhì)為水，流量調(diào)節(jié)范圍0.05～8.00,m3/h．兩相均采用標(biāo)準(zhǔn)表法計(jì)量，氣相標(biāo)準(zhǔn)表精度1.0級(jí)，液相標(biāo)準(zhǔn)表精度0.35級(jí)．氣相標(biāo)準(zhǔn)表臺(tái)位有DN40、DN100和DN150，液相標(biāo)準(zhǔn)表臺(tái)位有DN15和DN25，被檢表水平工作臺(tái)位有DN50和DN80. 裝置工作溫度為15～25,℃．

1.2 裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1 裝置基本構(gòu)成

天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室可調(diào)壓中壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置原理示意如圖1所示，裝置設(shè)計(jì)為全封閉雙閉環(huán)式循環(huán)結(jié)構(gòu)．氣相主回路主要由羅茨風(fēng)機(jī)、冷凝器、緩沖罐、氣相標(biāo)準(zhǔn)表組、氣液混合器、被檢表、氣液分離器、相應(yīng)的管道和閥門等構(gòu)成．液相主回路主要由增壓水泵、液相標(biāo)準(zhǔn)表組、氣液混合器、被檢表、氣液分離器、儲(chǔ)液罐、相應(yīng)的管道和閥門等構(gòu)成．空壓機(jī)可為裝置系統(tǒng)升壓至1.6,MPa．

圖1 可調(diào)壓中壓濕氣實(shí)驗(yàn)裝置原理示意Fig.1Block diagram of wet gas experimental facility with adjustable and intermediate pressure

1.2.2 裝置工作流程

本裝置的流程如圖2所示，可分為調(diào)壓系統(tǒng)、動(dòng)力設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)表管路、分流回路、氣液混合與分離系統(tǒng)5個(gè)部分．調(diào)壓系統(tǒng)包括空壓機(jī)、過濾器、補(bǔ)氣閥和泄氣閥，并帶有壓力表，為實(shí)驗(yàn)提供的可調(diào)壓范圍是表壓0～1.6,MPa．動(dòng)力設(shè)備有羅茨風(fēng)機(jī)和增壓水泵，氣相回路由羅茨風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)驅(qū)動(dòng)，液相回路由增壓水泵進(jìn)行循環(huán)驅(qū)動(dòng)．氣路標(biāo)準(zhǔn)表管路設(shè)有DN40、DN100和DN150 3個(gè)口徑，液路標(biāo)準(zhǔn)表管路設(shè)有DN15和DN25 2個(gè)口徑，分別帶有壓力、流量、溫度的檢測(cè)及顯示，每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)管路對(duì)應(yīng)不同的流量范圍，可覆蓋裝置流量設(shè)計(jì)指標(biāo)．氣相分流回路包括羅茨風(fēng)機(jī)、冷凝器、緩沖罐、中間調(diào)節(jié)閥及管道．冷凝器為循環(huán)氣體降溫，使實(shí)驗(yàn)溫度維持在15～25,℃范圍，緩沖罐可減小氣流量的脈動(dòng)；液相分流回路包括增壓水泵、手閥、儲(chǔ)液罐及管道，調(diào)節(jié)手閥開度可為液路分流以及微調(diào)液路壓力．氣液混合與分離系統(tǒng)包括氣液混合器、被檢表管路和氣液分離罐，氣液混合器由直徑為150,mm的圓直管段及擴(kuò)縮徑組成，混合器內(nèi)部設(shè)計(jì)一個(gè)可更換的噴頭，以研究不同的氣液混合效果；被檢表管路口徑分為DN80和DN50，濕氣兩相流研究可利用該混合實(shí)驗(yàn)管段．氣液分離罐用于氣液兩相流體的分離，氣相通過頂部出口回到羅茨風(fēng)機(jī)，液相通過下方出口流回儲(chǔ)液罐，氣液分離罐和儲(chǔ)液罐之間設(shè)計(jì)有壓力平衡管路連接，保持壓力平衡．

工作流程如下：根據(jù)實(shí)驗(yàn)方案所需流量，可選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)表管路及被檢表管路；打開所選管路上的閥門，通過調(diào)壓系統(tǒng)使裝置內(nèi)部壓力達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)定值；通過風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機(jī)輸出，使氣路流量達(dá)到設(shè)定值，調(diào)節(jié)氣相分流回路中間調(diào)節(jié)閥可微調(diào)氣路流量；改變水泵輸出和液相分流回路手閥的開度，可調(diào)節(jié)液路壓力，實(shí)際操作中控制在略高于氣路壓力0.1～0.2,MPa，調(diào)節(jié)液路調(diào)節(jié)閥，使液路流量達(dá)到設(shè)定值；同時(shí)微調(diào)氣路流量，保持氣路流量穩(wěn)定；氣液路流量均穩(wěn)定后，通過工控機(jī)采集系統(tǒng)中的變送器信號(hào)，如差壓、溫度、壓力等信號(hào)．濕氣兩相流實(shí)驗(yàn)研究通常采取的實(shí)驗(yàn)方法為：實(shí)驗(yàn)中管道壓力分為若干種情況，在每一種壓力條件下，控制調(diào)節(jié)若干種不同的氣相流量，在每一個(gè)氣相流量下，首先以混合前單相氣體標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量結(jié)果作為比較基準(zhǔn)，然后從小到大改變液相流量，每組實(shí)驗(yàn)液相流量調(diào)節(jié)20次左右，最終得到不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)．在每一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上，連續(xù)采樣15次，并對(duì)采樣數(shù)據(jù)作平均處理，完成各參數(shù)的采集.

2 裝置管網(wǎng)壓損分析

2.1 壓損的構(gòu)成

為選擇合適的動(dòng)力設(shè)備以保證管道內(nèi)流體達(dá)到實(shí)驗(yàn)所需流速，需要對(duì)裝置管網(wǎng)的壓損進(jìn)行計(jì)算．單相流體的壓損可分成摩擦阻力壓損和局部阻力壓損2部分．摩擦阻力壓損主要由流動(dòng)介質(zhì)微團(tuán)與直管段內(nèi)壁摩擦造成．局部阻力壓損主要由流體經(jīng)過彎頭、閥門、擴(kuò)徑、縮徑等部件產(chǎn)生的附加阻力造成[6-7]，有

式中：TR為管網(wǎng)總壓損，Pa；Rm為單位長(zhǎng)度上的摩擦阻力壓損，Pa/m；L為各直管段的長(zhǎng)度，m；Rz為局部阻力壓損，Pa．

Rm是由介質(zhì)微團(tuán)與管壁摩擦引起的摩擦損失或摩擦阻力壓損，計(jì)算公式為

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；D為圓管直徑，m；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；v為管道中介質(zhì)速度，m/s．

Rz是介質(zhì)經(jīng)過某些局部管段產(chǎn)生渦流引起的局部損失或局部阻力壓損，計(jì)算公式為

式中ξ為管件局部阻力損失系數(shù)．

水平管道內(nèi)的氣液兩相流壓損，也包括摩擦阻力壓損和局部阻力壓損，計(jì)算方法與單相流體有所不同，在下一節(jié)將分別計(jì)算．

2.2 壓損的計(jì)算

2.2.1 裝置運(yùn)行的最大壓損條件

由于本裝置設(shè)計(jì)目標(biāo)是模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)液進(jìn)行濕氣實(shí)驗(yàn)，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的氣液相流量情況，設(shè)定裝置運(yùn)行的最大壓損條件如下：工作壓力1.6,MPa，當(dāng)使用DN50被檢表管路時(shí)，選取氣相最大流量為70,m3/h，液相最大流量為1.5,m3/h；當(dāng)使用DN80被檢表管路時(shí)，選取氣相最大流量為300,m3/h，液相最大流量為8,m3/h．本研究以使用DN50被檢表管路為例來計(jì)算裝置運(yùn)行所需最大壓損，實(shí)驗(yàn)中需要使用標(biāo)準(zhǔn)表管路氣路3和水路1，流體經(jīng)過的管道包括口徑DN150的氣路公共管路，口徑DN100的氣路標(biāo)準(zhǔn)表管路，口徑DN25的液路標(biāo)準(zhǔn)表管路和口徑DN50的氣液混相管路即實(shí)驗(yàn)研究被檢表管路．壓損的計(jì)算分為氣路壓損計(jì)算、液路壓損計(jì)算以及混合管路壓損計(jì)算，實(shí)驗(yàn)溫度25,℃，氣體密度18.71,kg/m3，液體密度997.043,kg/m3．

2.2.2 氣液分相管路壓損計(jì)算

1) 摩擦阻力壓損

首先確定管材的絕對(duì)粗糙度Δ和雷諾數(shù)Re，再根據(jù)雷諾數(shù)選擇相應(yīng)公式計(jì)算摩擦阻力系數(shù)λ，最后計(jì)算摩擦阻力壓損[7]．

氣路管道口徑包括DN150和DN100，液路管道口徑為DN25．氣路流量70,m3/h，液路流量1.5,m3/h，查得鍍鋅不銹鋼管材的絕對(duì)粗糙度Δ為0.15,mm．計(jì)算摩擦阻力系數(shù)結(jié)果如表1所示．

口徑DN100管路中流體雷諾數(shù)滿足Re＞250,D/Δ，選擇λ計(jì)算公式為

口徑DN150和DN25管路中流體雷諾數(shù)滿足250,D/Δ＞Re＞20,D/Δ，選擇λ計(jì)算公式為

氣路摩擦阻力壓損ΔpGm和液路摩擦阻力壓損ΔpLm(下標(biāo)G代表氣路，L代表液路，m代表摩擦阻力)計(jì)算結(jié)果見表2．

表1 直管段摩擦阻力系數(shù)Tab.1 Straight pipe friction factor

表2 氣液分相摩擦阻力壓損計(jì)算Tab.2 Gas-liquid single phase frictional resistance pressure loss calculation

由表2可知，ΔpGm=26.57+140.06=166.63 Pa；ΔpLm=8 324.05 Pa．

2)局部阻力壓損

本裝置氣液路分相管路的局部阻力壓損主要由圓形彎頭、圓管道斜接彎頭、擴(kuò)徑、縮徑、蝶閥和渦輪流量計(jì)等引起，氣路局部阻力壓損ΔpGj和液路局部阻力壓損ΔpLj(下標(biāo)j代表局部阻力)計(jì)算結(jié)果見表3，表中所述圓形彎頭的彎角為90°，彎角為180°的圓形彎頭折算成90°時(shí)，需要乘以修正系數(shù)1.4，R/D是圓形彎頭轉(zhuǎn)彎半徑R與其所在圓管道直徑D的比值，表中空缺部分是由于該口徑管道不含對(duì)應(yīng)的部件.

表3 氣液分相局部阻力壓損計(jì)算Tab.3 Gas-liquid single phase local resistance pressure loss calculation

由表3可得，ΔpGj=24.46+27.18+3.06+0.79+ 60.19+15.48+11.47+137.58=280.21,Pa，ΔpLj= 323.27,Pa．

2.2.3 氣液混合實(shí)驗(yàn)管路壓損計(jì)算

本裝置氣液混合實(shí)驗(yàn)管路為水平管路，壓損計(jì)算[7]可簡(jiǎn)化為水平直管段摩擦阻力壓損和局部阻力壓損，選擇口徑DN50的被檢表管路．計(jì)算中水密度ρL=997.043,kg/m3，空氣密度ρG=18.71,kg/m3，氣相流量70,m3/h，液相流量1.5,m3/h，混合管路總長(zhǎng)LH(下標(biāo)H代表混合管路)為6.1,m．

1) 水平直管段摩擦阻力壓損計(jì)算

水平直管段摩擦阻力壓損ΔpHm采用馬蒂內(nèi)里-納爾遜方法計(jì)算[8]．先計(jì)算得干度x為0.467，再結(jié)合壓力p為1.6,MPa，對(duì)照Φ2,LO=f(x，p)關(guān)系圖[8]，查得Φ2,LO=65，Φ2,LO為ΔpHm與管道中全部為水時(shí)的摩擦阻力壓損ΔpO之比．ΔpO=RmLH，Rm由式(2)計(jì)算，代入數(shù)據(jù)算得ΔpO=93.88,Pa，ΔpHm=Φ2,LO·ΔpO= 65×93.88=6,102.2,Pa．

2) 局部阻力壓損計(jì)算

局部阻力壓損主要包括一個(gè)突擴(kuò)接頭壓損和一個(gè)90°彎頭壓損，分別采用均相流模型導(dǎo)出的公式和奇斯霍姆方法計(jì)算．突擴(kuò)接頭壓損公式[8]為

式中：ΔpHj1為突擴(kuò)接頭壓損；G1為流體進(jìn)入突擴(kuò)接頭前質(zhì)量流速；σ為突擴(kuò)接頭上下游管道截面積之比.

計(jì)算得G1=396.86,kg/(m2·s)，代入數(shù)據(jù)σ= 0.111,1，x=0.467，得ΔpHj1=1,586.33,Pa．實(shí)際本計(jì)算設(shè)定1.6,MPa壓力下，實(shí)驗(yàn)值估算約為0.5ΔpHj1= 793.17,Pa．

彎頭壓損用奇斯霍姆方法[8]計(jì)算，計(jì)算公式為

式中：ΔpHj2為氣液兩相流體流過彎頭的局部阻力壓損；ΔpBLO為兩相流體全為液體時(shí)流過彎頭的摩擦阻力壓損；B′為計(jì)算過程中定義的變量．

式中：L/D為彎頭當(dāng)量長(zhǎng)度；qm為質(zhì)量流速．

式中ξBLO為兩相流體全為液體時(shí)的彎頭阻力系數(shù)，且有

先根據(jù)R/D在L/D與R/D關(guān)系圖[8]中查得L/D值，代入式(10)得到ξBLO；再將ξBLO代入式(8)和式(9)，求出ΔpBLO和B′；最后由式(7)算出ΔpHj2．查得L/D=13，代入已知數(shù)據(jù)算得ΔpHj2=21.22,Pa．

綜上所述，本裝置選用口徑DN50被檢表管路進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)液模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，氣相循環(huán)管路所需最大壓損Δpgas=ΔpGm+ΔpGj+ΔpHm+0.5ΔpHj1+ΔpHj2= 7.363,kPa，液路循環(huán)管路所需最大壓損Δpliq=ΔpLm+ ΔpLj=8.647,kPa.選用口徑DN80被檢表管路時(shí)，計(jì)算過程與DN50相同，氣路最大流量300,m3/h，液路最大流量8,m3/h，計(jì)算結(jié)果為Δpgas=23.281,kPa，Δpliq= 232.195,kPa．

3 動(dòng)力設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)儀表及閥門選型

3.1 動(dòng)力設(shè)備選型

在動(dòng)力設(shè)備選型中，考慮20%的余量，氣路循環(huán)設(shè)計(jì)計(jì)算最大壓損為28,kPa，液路循環(huán)設(shè)計(jì)計(jì)算最大壓損為280,kPa．綜合考慮動(dòng)力設(shè)備升壓能力、實(shí)用性和成本要求，本裝置選擇的氣相動(dòng)力設(shè)備為羅茨風(fēng)機(jī)，其型號(hào)是RD125,N0，典型功率30,kW，額定升壓50,kPa，由37,kW的變頻器控制運(yùn)行，機(jī)械密封，最大流量可達(dá)1,000,m3/h．液相動(dòng)力設(shè)備為增壓水泵，揚(yáng)程60,m，出口壓力可達(dá)2.2,MPa，流量可達(dá)8,m3/h，額定電壓380,V．

3.2 現(xiàn)場(chǎng)儀表選型

氣相標(biāo)準(zhǔn)表選用氣渦輪流量計(jì)，口徑分別為DN40、DN100、DN150，精度1.0級(jí)，工作壓力0～2.5,MPa，可覆蓋的流量范圍為3～1,000,m3/h．液相標(biāo)準(zhǔn)表選用高精度橫河AXF電磁流量計(jì)，口徑分別為DN5和DN25，精度可達(dá)0.35%，可覆蓋的流量范圍為0.007,1～17.671,0,m3/h．標(biāo)準(zhǔn)壓力變送器選用橫河EJA530A表壓壓力變送器，其量程為0～2.5,MPa，精度可達(dá)0.2%．標(biāo)準(zhǔn)管路溫度變送器精度0.5級(jí)，量程-10～100,℃．

3.3 現(xiàn)場(chǎng)閥門選型

每條氣路設(shè)有一個(gè)電動(dòng)開關(guān)蝶閥，每條液路設(shè)有一個(gè)電動(dòng)開關(guān)蝶閥和一個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥，均采用220,V供電．電動(dòng)調(diào)節(jié)閥采用4～20,mA控制電流調(diào)節(jié)其開度．緩沖罐、氣液分離罐和儲(chǔ)液罐上分別設(shè)有彈簧式安全閥，壓力等級(jí)為4,MPa．

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 控制系統(tǒng)硬件平臺(tái)

工控機(jī)選擇的是研華工控機(jī)，CPU P4-3.0,G，內(nèi)存2,G．根據(jù)I/O點(diǎn)數(shù)量和類型配置，選擇了與工控機(jī)配套的5塊研華PCI板卡，包括PCI-1710L 2塊，PCI-1723 1塊，PCI-1750 1塊，PCI-1780 1塊．PCI-1710L是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡，支持16路單端或8路差分模擬量輸入，或組合方式輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達(dá)100,kHz，利用它進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)表和被測(cè)表模擬信號(hào)的采集．PCI-1723是一款非隔離的多通道PCI模擬量輸出卡，用于輸出4～20,mA電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)控制．PCI-1750是一款PCI總線的半長(zhǎng)卡，能夠提供16路隔離輸出通道，用于開關(guān)閥的自動(dòng)控制．PCI-1780是一款PCI總線的多通道計(jì)數(shù)器定時(shí)器卡，提供8個(gè)獨(dú)立的16,bit計(jì)數(shù)器，本系統(tǒng)利用其計(jì)頻模式采集氣渦輪流量計(jì)輸出的頻率信號(hào)．

4.2 控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)功能

軟件平臺(tái)運(yùn)用Visual Basic(VB)開發(fā)，VB提供了豐富的控件及強(qiáng)大的可視化編程能力，可以很好地完成本文中軟件平臺(tái)的開發(fā)設(shè)計(jì)．同時(shí)，研華板卡具有VB環(huán)境下的驅(qū)動(dòng)模塊，只需在程序中簡(jiǎn)單定義，即可方便地使用板卡采集數(shù)據(jù)和控制設(shè)備．為保證軟件平臺(tái)的可靠性，軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)參考了軟件工程學(xué)原理，將軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)開發(fā)分為6個(gè)階段：?jiǎn)栴}定義、軟件需求與可行性分析；軟件平臺(tái)與對(duì)應(yīng)的硬件接口設(shè)計(jì)；軟件平臺(tái)概要設(shè)計(jì)；軟件平臺(tái)詳細(xì)設(shè)計(jì)及編碼；軟件平臺(tái)測(cè)試分析；項(xiàng)目開發(fā)總結(jié)．

經(jīng)以上階段的設(shè)計(jì)開發(fā)，軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以上功能：對(duì)所有儀表信號(hào)的采集及在線顯示；對(duì)開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、變頻器實(shí)現(xiàn)可靠控制；對(duì)流量、壓力的調(diào)節(jié)；對(duì)裝置異常進(jìn)行報(bào)警；對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存與查詢；軟件平臺(tái)同時(shí)開發(fā)了針對(duì)氣液兩相流量計(jì)檢定的程序，并能同時(shí)生成報(bào)表等．控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)完成了可靠性設(shè)計(jì)，包括檢查數(shù)據(jù)類型和運(yùn)算對(duì)象，防止程序崩潰；改變軟件設(shè)置時(shí)需要點(diǎn)擊執(zhí)行按鈕，防止誤操作；使用按鈕互鎖，防止同時(shí)調(diào)用同一板卡等．

5 可調(diào)壓中壓濕氣裝置調(diào)試運(yùn)行

本裝置調(diào)試主要分為控制系統(tǒng)調(diào)試、氣相循環(huán)調(diào)試、液相循環(huán)調(diào)試和系統(tǒng)整體調(diào)試．控制系統(tǒng)調(diào)試有4個(gè)部分：①儀表調(diào)試，包括閥門、壓力變送器、溫度變送器、差壓變送器、液位計(jì)、電磁流量計(jì)和渦輪流量計(jì)的調(diào)試；②控制柜硬件調(diào)試，根據(jù)設(shè)計(jì)原理復(fù)現(xiàn)功能調(diào)試、控制柜電源調(diào)試和控制面板調(diào)試；③軟件調(diào)試，主要包括軟件可靠性調(diào)試和軟件功能性調(diào)試；④控制系統(tǒng)整體調(diào)試是指運(yùn)行軟件和控制柜，進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)控制裝置時(shí)，測(cè)試控制信號(hào)發(fā)出命令后，對(duì)應(yīng)儀表是否響應(yīng)、響應(yīng)是否準(zhǔn)確及反應(yīng)靈敏性．氣相循環(huán)調(diào)試步驟是單獨(dú)打開氣相循環(huán)回路，通過羅茨風(fēng)機(jī)變頻器改變風(fēng)機(jī)輸出可調(diào)節(jié)氣相流量，測(cè)試氣相循環(huán)各環(huán)節(jié)．液相循環(huán)調(diào)試步驟是單獨(dú)打開液相循環(huán)回路，啟動(dòng)增壓水泵，調(diào)節(jié)水泵變頻器，調(diào)試液相回路各環(huán)節(jié)．各部分單獨(dú)調(diào)試后，進(jìn)行系統(tǒng)整體調(diào)試，測(cè)試氣液混合器混合效果，測(cè)試氣液分離器分離效果，調(diào)試濕氣工況及流量．經(jīng)過所有的調(diào)試環(huán)節(jié)之后，裝置可以正常運(yùn)行，壓力可達(dá)到1.6,MPa，氣液相流量分別達(dá)到設(shè)計(jì)要求．

調(diào)試中，對(duì)混合管路直管段的設(shè)計(jì)計(jì)算壓損進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證．選取DN80被檢表管路，實(shí)驗(yàn)壓力為表壓0.8,MPa，氣相流量235,m3/h，液相流量2.47,m3/h，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，考慮20%余量，計(jì)算得出的單位長(zhǎng)度摩擦阻力壓損為688.6,Pa/m．根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得出的單位長(zhǎng)度摩擦阻力壓損為712.2,Pa/m．可以得出，在所選實(shí)驗(yàn)條件下，混合管路直管段壓損的計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值近似等于700,Pa/m．

6 裝置不確定度分析

標(biāo)準(zhǔn)表法裝置不確定度計(jì)算公式為

式中：u為裝置整體不確定度；u1為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)定點(diǎn)使用時(shí)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u2為計(jì)時(shí)器的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u3為計(jì)時(shí)器的B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度；u4為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)不帶配套儀表一起檢定時(shí)引起的流量測(cè)量不確定度；u5為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)檢定和使用的流體條件不同時(shí)引起的流量測(cè)量不確定度；u6為數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理及通訊所引起的流量測(cè)量不確定度；u7為檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確定度．

本裝置標(biāo)準(zhǔn)表和被檢表為瞬時(shí)流量計(jì)，不需要配備計(jì)時(shí)器，因此u2、u3均為0；標(biāo)準(zhǔn)表采用氣渦輪流量計(jì)和電磁流量計(jì)，其傳感器及配套轉(zhuǎn)換器是整體一起檢定的，故u4為0；標(biāo)準(zhǔn)表檢定和使用時(shí)采用的介質(zhì)都是空氣，因空氣具有壓縮性，故配備了高精度的溫度和壓力變送器，溫度和壓力測(cè)量不確定度引起的流量測(cè)量不確定度小于裝置擴(kuò)展不確定度的1/5，因此u5可忽略；對(duì)于u6，氣相流量頻率信號(hào)采用PCI-1780板卡采集，為16位計(jì)數(shù)器，能夠精確采集頻率信號(hào)，液相流量模擬信號(hào)采用PCI-1710L板卡采集，為12位A/D轉(zhuǎn)換通道，采樣數(shù)率可達(dá)100,kHz．?dāng)?shù)據(jù)處理由工控機(jī)通過程序內(nèi)置公式計(jì)算，故u6= 0．同時(shí)，調(diào)試中對(duì)數(shù)據(jù)采集顯示進(jìn)行了測(cè)試，把采集到的上百個(gè)數(shù)據(jù)代入貝塞爾公式計(jì)算得出，其不確定度小于裝置設(shè)計(jì)的1/5，驗(yàn)證了可以忽略數(shù)據(jù)采集和處理帶來的不確定度影響．故式(11)化簡(jiǎn)為

實(shí)際上，u1是標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)定點(diǎn)使用時(shí)A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度，u7是檢定標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的合成不確定度，u1和u7合成后為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)出廠檢定證書中給出的不確定度．本裝置所用氣相標(biāo)準(zhǔn)表精度1.0級(jí)，液相標(biāo)準(zhǔn)表精度可達(dá)0.35%，所以裝置的氣相不確定度為1.00%，液相不確定度為0.35%．

7 結(jié) 語

本文介紹了可調(diào)壓中壓濕氣裝置的研制，對(duì)裝置管網(wǎng)的壓損進(jìn)行了分析計(jì)算，對(duì)裝置的整體不確定度進(jìn)行了分析，對(duì)裝置的調(diào)試運(yùn)行進(jìn)行了介紹．本裝置的氣相測(cè)量精度可達(dá)1.0級(jí)，液相測(cè)量精度優(yōu)于0.5級(jí)，可以對(duì)低于該精度的濕氣兩相流量計(jì)和氣相流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)．本裝置的建成使用，對(duì)中低壓工況下，改變壓力對(duì)兩相流量計(jì)濕氣測(cè)量特性影響的研究，具有一定的基礎(chǔ)性支持．

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(責(zé)任編輯：孫立華)

Research on Wet Gas Experimental Facility with Adjustable and Intermediate Pressure

Xu Ying1,2，Yin Cun1,2，Long Zhenghai3
(1. School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory for Process Measurement and Control，Tianjin 300072，China；3. Chuanzhong Division，Southwest Oil & Gas Company，Chengdu 610051，China)

In order to better simulate the flowing condition of wet gas and develop laboratory studies based on different wet-gas flow measurement principles and methods，the flow laboratory of Tianjin University designed and built the wet gas experimental facility with adjustable and intermediate pressure. The designed pressure of the facility is 4,MPa，using the design of standard meter method and dual closed-loop. It includes an independent gas circulation loop，an independent liquid circulation loop and an experimental mixed pipeline. The experimental medium is air and water，and the highest working pressure is 1.6,MPa. The gas flow rate range is 3—1,000,m3/h，and the liquid flow rate range is 0.05—8.00,m3/h. The study includes the structure designing of the facility，the calculation of pressure loss，the selection of key equipment，the facility electrical control system designing and debugging，etc. Based on the uncertainty analysis of the facility，It is concluded that the facility’s gas measurement uncertainty is 1.00% and its liquid measurement uncertainty is 0.35%.

wet gas two-phase flow；adjustable pressure facility；calculation of pressure loss；uncertainty analysis

TH814

A

0493-2137(2014)01-0047-07

10.11784/tdxbz201205042