王微微, 陳靜靜, 孫峰超

(1.中國石油大學(華東)信息與控制工程學院, 山東 青島 266580;2.中國航空油料有限責任公司, 山東 淄博 255434)

0 引 言

石油石化氣、液兩相在流動過程中相互作用,分相流量的檢測難度很大[1-2]。大多油田采用分離計量法計量原油的分相流量。這種方法氣液分離效果較差,往往在液相中混有一定量的氣體;混有的氣體對液相流量的計量精度有很大影響,也影響氣體流量的準確測量。氣液兩相流的動態(tài)特性比較復雜,導致氣液兩相流流量的準確計量存在很大難度[3-4]。科氏流量計能夠精確測量單相流體的質量流量,在測量氣液兩相流時不準確,產生較大的測量誤差,在很大程度上限制了科氏流量計在石油等行業(yè)中的應用。國內外很多專家學者對此進行了研究,但科氏流量計測量氣液兩相介質參數時誤差仍然較大,中國還沒有成熟的應用于兩相流參數計量的流量計[5-11]。本文利用黏性流體氣泡模型對科氏流量計測得的質量流量和密度進行修正,以減小科氏流量計測量氣液兩相流的誤差。

1 實驗裝置

實驗在中國石油大學(華東)多相流試驗平臺上進行。實驗介質為水、壓縮空氣。實驗裝置如圖1所示。1號質量流量計為高準100M329型科氏流量計,氣體流量計為孔板流量計;2號(科氏)質量流量計計量不同含氣率下氣液兩相流的質量流量、密度等參數。實驗中,液相流量3.5～16 m3/h,氣相流量0.07～2.5 m3/h,表壓0.25～0.4 MPa。

圖1 油氣水三相流實驗平臺簡圖

圖2 氣液兩相流經科氏傳感器示意圖

在實驗介質供應系統(tǒng)中,水由泵泵送,經調節(jié)閥調壓后,經1號質量流量計計量后送入混合器。單相氣體經空氣壓縮機壓縮,再經調節(jié)閥調壓后,經氣體流量計計量后送入混合器。氣體流量計為不同口徑的孔板流量計,針對不同實驗工況采用不同口徑孔板流量計計量氣體流量。氣液兩相經混合器均勻混合后,沿一段長約354 m,直徑約81 mm的管道流動,達到穩(wěn)定狀態(tài),然后進入實驗環(huán)道測試。實驗裝置設置了末點處理系統(tǒng),以測量流體是否進入穩(wěn)定狀態(tài)。在實驗環(huán)道,由2號質量流量計計量氣液兩相流瞬時質量流量、混合密度和溫度。在實驗環(huán)道內,環(huán)道水平安裝,2號科氏質量流量計垂直于環(huán)道安裝。最后,氣液兩相流經氣液分離器分離,氣體排空,水返回水箱。

圖2為氣液兩相流混合液流經科氏傳感器的示意圖。在圖2中,驅動裝置使科氏力傳感器測量管以固定頻率進行振動。測量管的兩側有檢測線圈及其磁鐵構成的左右檢測器。當測量管中有介質流動時,檢測器檢測到流動與振動耦合作用導致的附加位移,此附加位移與測量管中介質的質量流量有關,因此可通過測量此附加位移計算測量管中介質的質量流量。當含氣介質在測量管中流動時,測得的質量流量瞬時變化。

2 氣泡模型

Hemp等[12]提出了黏性流體的氣泡模型,該模型綜合考慮氣相速度和流體黏性,指出:

(1) 對于黏度為0的流體質量流量測量誤差為

Em=-2α/(1-α)

(1)

(2) 對于高黏度的流體或有細小氣泡的流體,質量流量測量誤差為0。

由黏性流體的氣泡模型可知,當流體黏度大于0且黏度不高時,質量流量的相對誤差可表示為

Em=K[-2α/(1-α)]

(2)

式中,K為修正系數。

3 實驗結果分析

在大部分兩相流工況下,氣相的存在使得科氏流量計不能準確測量液相質量流量。本文對質量流量計測得的混合密度進行修正,再結合兩相流的含氣率,根據氣泡模型對測得的質量流量進行修正。

氣液兩相流混合密度為

ρ=(ρg-ρl)α+ρl

(3)

式中,ρl為液體密度,g/cm3;ρg為氣體密度,g/cm3;α為空隙率,小數,無量綱。

由式(3)可以推出

α=(ρ-ρl)/(ρg-ρl)

(4)

令密度降Δρ為

Δρ=(ρl-ρ)/ρl=α(ρl-ρg)/ρl

(5)

可見,密度降Δρ與空隙率α密切相關。

定義兩相流體的示值密度降Δρapp和真實密度降Δρt分別為

Δρapp=(ρl-ρapp)/ρl

(6)

Δρt=(ρl-ρt)/ρl

(7)

其中,真實密度值ρt由ρl、ρg和α確定。實驗中,ρt由快關閥法確定。

如圖3所示,根據實驗數據,真實密度降Δρt與流量計視密度降Δρapp關系為

Δρt=1.0989Δρapp+0.0171

(8)

圖3 真實密度降與視密度降關系圖

根據式(6)、式(7)和式(8)可推導出修正后兩相流的密度ρt

ρt=ρl-Δρt·ρl

(9)

密度測量相對誤差計算式為

Edens=(ρ-ρt)/ρt

(10)

圖4 空氣-水兩相流密度測量相對誤差

修正前后的兩相流密度相對誤差見圖4。圖4中,修正后氣液兩相混合流體的密度相對誤差明顯變小,且保持在2%以內;密度降小于6%的氣液兩相流基本為泡狀流型,氣體呈細小的泡沫狀流動,且較均勻分布在測量管中,細小氣泡的存在使得氣液兩相流的密度略小于液相密度。當泡狀流態(tài)的兩相流流經科氏傳感器檢測元件時,產生的力矩偏小,傳感器左右檢測信號的相位差也偏小,導致科氏質量流量計的質量流量和密度測量出現誤差。但由于氣泡較小且分布均勻,因此該誤差較小。當密度降大于6%時,出現較大的非均勻分布的大氣泡,當密度降大于10%時,出現段塞流型,氣液兩相流密度減小,此時,流體作用在傳感器檢測元件處的力矩變化較大,導致質量流量和密度測量出現較大誤差。將測量密度修正為真實密度有助于改善質量流量的測量誤差。

將修正的兩相流密度代入式(4),得到當前的空隙率α。

最后,利用氣泡模型對2號質量流量計測得的兩相流質量流量進行修正。對空氣-水兩相流,取K=0.065,由此得到修正的質量流量為

(11)

式中,Fapparent為2號質量流量計測得的視流量,kg/min。

修正前后的氣液兩相流質量流量相對誤差如圖5所示。從圖5可以看出,當空隙率較小時,修正效果較好,修正后的質量流量相對誤差主要分布在2%以內;當空隙率較大時,修正效果較差。但在實驗范圍內,修正后的質量流量相對誤差均好于修正前的相對誤差。通過現場測量發(fā)現,當空隙率較高時,測量管激勵信號仍能驅動測量管振動,但是振幅小,拾振信號小,噪聲大,對測量結果的準確性有很大影響。

圖5 空氣-水兩相流質量流量相對誤差

4 結 論

(1) 利用黏性流體氣泡模型對科氏流量計應用于氣水兩相流計量進行實驗研究。泡狀流態(tài)的兩相流流經科氏傳感器檢測元件時,科氏質量流量計的質量流量和密度測量誤差較小,段塞流型的氣液兩相流密度偏小,質量流量和密度測量出現較大誤差。

(2) 修正后氣液兩相混合流體的密度相對誤差明顯變小,誤差在2%以內。當空隙率較小時,修正后的質量流量相對誤差主要分布在2%以內,修正效果較好。當空隙率較大時,科氏流量計測量管拾振信號小,噪聲大,對測量結果的準確性有很大影響,修正效果較差。

(3) 在實驗范圍內,修正后的質量流量相對誤差均好于修正前的相對誤差。由于實驗條件所限,本文密度修正關系適用的工況有限。

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