寇 杰， 王德華， 馮若曦， 郭勛臣

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.成都市金牛區(qū)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園管委會(huì),成都 610036；3.勝利油田石油開(kāi)發(fā)中心有限公司,山東 東營(yíng) 257000)

0 引 言

目前，開(kāi)采與運(yùn)輸天然氣需要更高精度的計(jì)量方法，利用普通差壓流量計(jì)再乘以折算系數(shù)來(lái)計(jì)量濕氣的方法急需改進(jìn)[1-7]。因此，急需建立一種新的計(jì)量模型來(lái)提高計(jì)量精度。濕氣是兩相流中氣相含率較高的一種情況，其計(jì)量原理由兩相流計(jì)量原理發(fā)展而來(lái)[8-9]。迄今為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在關(guān)于兩相流流量計(jì)量的研究中取得了眾多成果，主要分為：①非分離法[10-11]，按照流體全部為氣體或全部為液體的單相流計(jì)量法來(lái)計(jì)量?jī)上嗔鞯目偭髁浚俪艘哉鬯阆禂?shù)得到兩相流的流量；②完全分離法[12]，即將氣液分離，分別計(jì)量；③部分分離法[13-16]，取出兩相流的一部分作為樣品，完全分離樣品后乘以兩相流的含氣率或含液率得到各自的流量。本文通過(guò)自行搭建室內(nèi)實(shí)驗(yàn)環(huán)道，對(duì)文丘利管、標(biāo)準(zhǔn)孔板和非標(biāo)準(zhǔn)孔板3種不同節(jié)流裝置的濕氣計(jì)量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分別得到差壓信號(hào)、壓損信號(hào)與工作壓力的關(guān)系，差壓信號(hào)、壓損信號(hào)與干度的關(guān)系，最終擬合、推導(dǎo)得到3種節(jié)流裝置的流量計(jì)算公式。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

氣液兩相流實(shí)驗(yàn)在自行研制的室內(nèi)環(huán)道開(kāi)展，其流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)管路介質(zhì)為氣、水兩種，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要是由氣液循環(huán)管路、氣液計(jì)量裝置、數(shù)據(jù)采集、測(cè)試管段等組成。

1-水箱,2-離心泵,3-液體質(zhì)量流量計(jì),4-螺桿壓縮機(jī),5-儲(chǔ)氣罐,6-氣體漩渦流量計(jì),7-混合器,8-測(cè)試管段,9-旋風(fēng)分離器,10-壓力變送器,11-溫度變送器

圖1 實(shí)驗(yàn)流程圖

將來(lái)自離心泵2的水和來(lái)自螺桿壓縮機(jī)的空氣分別通過(guò)液體質(zhì)量流量計(jì)和旋渦流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量，然后混合進(jìn)入多相流管路。單相流管路中的液體是通過(guò)液體質(zhì)量流量計(jì)3計(jì)量質(zhì)量流量；氣體通過(guò)氣體旋渦流量計(jì)6計(jì)量體積流量，氣體的質(zhì)量流量由氣體旋渦流量計(jì)6所測(cè)的體積流量、壓力變送器10所測(cè)的壓力經(jīng)過(guò)公式換算得到。氣液兩相流經(jīng)過(guò)約3 m長(zhǎng)的發(fā)展管段使流型充分發(fā)展后進(jìn)入試驗(yàn)管段，在試驗(yàn)管段中開(kāi)展對(duì)節(jié)流裝置流動(dòng)特性的研究。實(shí)驗(yàn)管道由內(nèi)徑為32 mm的鋼管、有機(jī)玻璃管與PPR管路連接而成，PPR管路有利于更換不同的測(cè)試元件，有機(jī)玻璃管段有利于觀察管道內(nèi)的流動(dòng)特征，鋼管可以保證循環(huán)管道的強(qiáng)度。氣-液混合液體流經(jīng)測(cè)試管段，經(jīng)下游管段進(jìn)入分離器分離，所得空氣直接排入大氣，水進(jìn)入水箱循環(huán)利用。

測(cè)試段所用文丘利管、標(biāo)準(zhǔn)孔板和非標(biāo)準(zhǔn)孔板的噴嘴節(jié)流比均為0.25。文丘利噴嘴進(jìn)口管段為直管段，長(zhǎng)度為60 mm，管徑為32 mm，收縮段角度43.6°，喉部直徑為8 mm，出口擴(kuò)張段角度9°，水平長(zhǎng)度為148 mm，擴(kuò)張段后的穩(wěn)定段長(zhǎng)40 mm，管徑為32 mm。標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)口管段為直管段，長(zhǎng)度為87 mm，管徑為32 mm，喉部直徑為8 mm，喉部長(zhǎng)度6 mm，出口段長(zhǎng)度185 mm。非標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)口管段為直管段，長(zhǎng)度為65 mm，收縮段角度45°，喉部長(zhǎng)度6 mm，擴(kuò)張段角度45°。

2 濕氣計(jì)量實(shí)驗(yàn)

調(diào)節(jié)并控制初始?xì)怏w流量為18 m3/h，然后將液體流量以0.01 m3/h的增量從0.03 m3/h增加到0.15 m3/h，每次采集時(shí)間為5 min。此后重復(fù)上述操作，將氣相流量以1 m3/h的增量調(diào)節(jié)至34 m3/h，共采集240組數(shù)據(jù)。同時(shí)，需要準(zhǔn)確地采集節(jié)流裝置入口處壓力、入口與喉部差壓信號(hào)及入口與出口壓損信號(hào)。

2.1 差壓信號(hào)與工作壓力

節(jié)流裝置的工作壓力對(duì)節(jié)流裝置的入口和喉部的差壓信號(hào)，以及對(duì)節(jié)流裝置的入口和出口的壓損信號(hào)波動(dòng)存在影響[17-18]。實(shí)驗(yàn)中，可以認(rèn)為空氣密度的變化只和壓力有關(guān)。參數(shù)θ體現(xiàn)了氣-液兩相流的工作壓力，當(dāng)工作壓力減小時(shí),θ變小;反之,θ變大。因此差壓、壓損信號(hào)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差隨參數(shù)θ的變化可以表示出差壓、壓損信號(hào)的波動(dòng)隨著工作壓力的變化，設(shè)：

(1)

圖2顯示了壓力區(qū)間為0.1～0.5 MPa時(shí)，差壓信號(hào)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差ξ隨θ的變化情況。從圖2可以發(fā)現(xiàn)，工作壓力和差壓信號(hào)波動(dòng)并沒(méi)有明顯的關(guān)系。原因是當(dāng)工作壓力在0.1～0.5 MPa區(qū)間時(shí)，差壓信號(hào)的波動(dòng)比較大，喉部壓力不穩(wěn)定，沒(méi)有呈現(xiàn)出有規(guī)律的波動(dòng)性。

2.2 壓損信號(hào)與工作壓力

圖3顯示了壓損信號(hào)波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差隨θ變化的情況。由圖3可知，隨著壓力的增加，壓損信號(hào)的波動(dòng)有變大的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)中，壓力的升高體現(xiàn)了氣-液兩相流流量的增加，上述壓損信號(hào)隨工作壓力的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律。

2.3 差壓信號(hào)與干度

圖4表明了3種節(jié)流裝置差壓信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差與干度之間的關(guān)系。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中壓差信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)差分布比較松散，ξ和x之間沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律。

(a) 文丘利管

(b) 孔板

(c) 非標(biāo)準(zhǔn)孔板

圖2 差壓波動(dòng)與θ的關(guān)系

圖3 壓損波動(dòng)與θ的關(guān)系

圖4 差壓波動(dòng)與干度的關(guān)系

文丘里管的壓差波動(dòng)最小，而非標(biāo)準(zhǔn)孔板最大。對(duì)于差壓來(lái)講，ξ和x之間的關(guān)系非常復(fù)雜，所以并不適合用差壓的標(biāo)準(zhǔn)差的方法來(lái)測(cè)定流量。

2.4 壓損信號(hào)與干度

圖5表明了3種節(jié)流元件的壓損波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差和干度的關(guān)系。由圖5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干度x增加時(shí)，壓損波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差隨之減小，且隨著x的增加，壓損波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)差的減速變緩。究其原因，是干度增大時(shí)，液相會(huì)被氣流吹散為微小的液滴，均勻地分布在氣相間，導(dǎo)致壓損波動(dòng)降低。由于文丘利噴嘴的收縮段和擴(kuò)張段明顯長(zhǎng)于另外兩種節(jié)流裝置，濕氣在文丘利噴嘴中的壓力變化曲線表現(xiàn)的更加平緩，壓力波動(dòng)更小。所以對(duì)于3種節(jié)流元件，文丘利噴嘴的壓損波動(dòng)最小，非標(biāo)準(zhǔn)孔板的壓損波動(dòng)最大，在x較大時(shí)這種現(xiàn)象尤為明顯。原因在于，非標(biāo)準(zhǔn)孔板并不是對(duì)稱結(jié)構(gòu)，其管道上半部分流體會(huì)受到更大的阻力，所以當(dāng)兩相流干度較大時(shí)，氣-液相混合相對(duì)均勻，其壓損波動(dòng)較大。對(duì)比圖4和5可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的采集時(shí)間和采集頻率相同時(shí)，3種節(jié)流裝置產(chǎn)生的差壓波動(dòng)都大于其壓損波動(dòng)。

由圖中變化可知：隨著壓力的增大，差壓信號(hào)的波動(dòng)有變大的趨勢(shì)，但是沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。對(duì)比圖2～5，最終選擇利用壓損信號(hào)來(lái)計(jì)算干度。

經(jīng)Origin軟件擬合，所得關(guān)系式如下：

文丘利噴嘴

(2)

孔板

(3)

非標(biāo)準(zhǔn)孔板

(4)

在研究不同節(jié)流裝置對(duì)濕氣節(jié)流特征的實(shí)驗(yàn)研究中，擬合所得如下分氣相折算系數(shù)的計(jì)算公式：

(a) 文丘利管

(b) 孔板

(c) 非標(biāo)準(zhǔn)孔板

圖5 壓損波動(dòng)與干度的關(guān)系

文丘利噴嘴

Φg=3.815XL-M+1.120

(5)

孔板

Φg=3.510XL-M+1.113

(6)

非標(biāo)準(zhǔn)孔板

Φg=3.301XL-M+1.123

(7)

結(jié)合式(2)～(7)，可以求得3種節(jié)流裝置的流量計(jì)算公式：

文丘利管

(8)

孔板

(9)

非標(biāo)準(zhǔn)孔板

(10)

2.5 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)式(5)～(7)可求得理論濕氣總質(zhì)量流量，并與實(shí)驗(yàn)所測(cè)真實(shí)值對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖6。

通過(guò)對(duì)比公式計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得知：文丘利噴管總質(zhì)量流量預(yù)測(cè)的誤差為±7.8%，孔板的誤差為±9.5%，非標(biāo)準(zhǔn)孔板的誤差為±11.7%。需要強(qiáng)調(diào)的是，本文所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論適用于壓力區(qū)間在0.5 MPa以下的情況。

(a) 文丘利管

圖6 濕氣質(zhì)量流量計(jì)算值與真實(shí)值比較

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)自行研制的實(shí)驗(yàn)環(huán)道研究結(jié)果表明：工作壓力和干度對(duì)差壓、壓損波動(dòng)都存在影響，為了最終可以求得濕氣質(zhì)量方程式，所以選用具有明顯規(guī)律的壓損信號(hào)和干度作為中間變量，通過(guò)擬合、推導(dǎo)可得3種節(jié)流裝置的流量計(jì)算公式，為日后研究濕氣計(jì)量具有重要的指導(dǎo)作用。

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