李 濤,袁 超,齊鋒鋒,徐 英,艾克拜爾·麥麥提

(1.天津大學電氣自動化與信息工程學院,天津 300072;2.天津市過程檢測與控制重點實驗室,天津 300072;3.新疆維吾爾自治區(qū)計量測試研究院,新疆烏魯木齊 830011)

0 引言

濕氣是氣液兩相流的一種特殊形態(tài),通常氣相為連續(xù)相,液相為離散相。不同的組織機構對濕氣有不同的定義,由ISO/TR 11583技術報告[1]可知,在工況條件下,當氣液兩相流的體積含氣率大于95%時可視為濕氣;按照美國機械工程師學會(ASME)的說法,當氣液兩相流的Lockhart-Martinelli參數(即L-M參數)小于0.3時可視為濕氣[2]。

濕氣通常存在于自然氣開采井口,傳統(tǒng)的計量方法是使用分離法,即使用大型分離器將從其中流過的濕氣兩相流分離成氣相和液相2部分流體,然后使用單相流量計分別計量氣相和液相的流量。這種方法的缺點是投資高、占用空間大[3-5],而且當現(xiàn)場工況發(fā)生較大變化時,分離器并不能保證對各相100%的分離。在線不分離計量作為一種新的技術,與傳統(tǒng)分離計量相比,具有實時監(jiān)測產能信息、簡化工藝設計、投資費用低等優(yōu)點[6],越來越受到人們的重視。因此,研究各種單相流量計測量濕氣的特性是濕氣在線不分離計量一項十分重要的工作。

20世紀90年代初期,英國天然氣公司(British gas)、英國石油公司(British petroleum)、康菲石油公司(Conoco)、挪威國家石油公司(Statoil)、丹尼爾公司(Daniel)等組建了一個聯(lián)合工業(yè)項目(JIP,joint industrial project),來研究超聲波流量計測量濕氣的性能[7-9],結果表明:超聲波流量計可以在一定的濕氣環(huán)境下工作;超聲波流量計比文丘里等差壓式流量計測量濕氣時的虛高小。近年來,國外的超聲波流量計公司,如SICK、Elster、Daniel等[10],對超聲波流量計測量濕氣進行了深入的實驗研究。他們的目的主要是:通過流量計的自我診斷或者優(yōu)化流量計聲道的布置方式,使流量計更適用于濕氣測量;為超聲波流量計測量濕氣流量這一應用尋找統(tǒng)一的修正算法;制定使用超聲波流量計測量濕氣流量的測試準則等。在國內,張強等[11]研究分析了用V型反射式雙聲道超聲波流量計測量濕氣的特性,超聲波流量計虛高較小,且L-M參數對虛高有較好的描述,建立了基于“混合相-單相并流”截面含氣率模型的虛高模型,在所研究的范圍內氣相預測誤差不高于3%;徐英等[12]以Z法氣體超聲波流量計為研究對象,得出了測量濕氣時虛高與截面含氣率的關系,比較了5種水平流動條件下截面含氣率模型對濕氣測量虛高的修正結果,基于Armand-Massina模型得到了濕氣測量虛高預測模型,在壓力為0.2～0.6 MPa,L-M參數小于0.16的工況下,該模型預測虛高的相對誤差在±6%以內(94.79%的數據點),標準不確定度為0.98%(95%置信區(qū)間)。

國內外對于超聲波流量計測量濕氣的研究,雖然對其測量濕氣的虛高有了一些修正方法,但是,不同結構形式的超聲波流量計需要使用不同的濕氣虛高修正模型。本研究針對水平管內的濕氣流態(tài),選用FLOWSIC600雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計為研究對象,分析其虛高的來源,并通過實流實驗,結合L-M截面含氣率模型,建立了超聲波流量計的虛高預測模型。

1 測量理論

1.1 超聲波流量計測量原理

超聲波流量計在流體中發(fā)射和接收超聲波脈沖,超聲波脈沖在順流和逆流傳播過程中存在時間差,超聲波流量計通過測量上述時間差,可以計算出流體的流速,從而得到流體流量。雙聲道平行直射式超聲波流量計俯視結構簡圖如圖1所示。由于其兩個聲道平行,所以俯視結構簡圖中只能表示出一組超聲波換能器A和B。

圖1 超聲波流量計結構簡圖(俯視圖)

按照圖1中的流體流動方向,換能器A發(fā)射超聲波信號,換能器B接收超聲波信號,記為順流傳播時間t1;換能器B發(fā)射超聲波信號,換能器A接收超聲波信號,記為逆流傳播時間t2。設換能器A和B之間的信號傳播距離為L,信號傳播路徑與管道中心線之間的夾角為θ,超聲波在流體中的傳播速度為c,流體流速為u,則t1和t2的計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

那么,管道中的流體速度u如式(3)所示。

(3)

對于雙聲道平行直射式超聲波流量計,其對管道中的流場有一個修正系數Kc,則流體的體積流量Q的計算如式(4)所示。

(4)

式中A為管道橫截面積。

1.2 超聲波流量計在濕氣條件下的測量虛高

本研究以濕氣中常見的分層流和環(huán)狀流工況[12]為主,雙聲道平行直射式超聲波流量計測量濕氣分層流原理圖如圖2所示,其2組超聲波換能器分別位于管道水平中心線上方的聲道1和管道水平中心線下方的聲道2。

圖2 超聲波流量計測量濕氣原理圖

在濕氣分層流中,液相很少能到達超聲波換能器位置,特別是聲道1位置,因此在分層流中,超聲波信號傳播介質主要為氣體。在濕氣環(huán)狀流中,由于體積含液率較小,液膜比較薄,液膜厚度遠遠小于管道內徑,因此超聲波在液膜中的傳播時間可以忽略。同時,假設濕氣中少量的液相對氣相單相的整體流場的影響可以忽略,那么超聲波流量計測量濕氣時的流場修正系數,與測量單相時的流場修正系數一樣,都為Kc。綜合以上幾點可知,相比于測量單相氣體,超聲波流量計在測量濕氣時,它的誤差主要來源于液相的存在,使得氣相在管道中的流通面積小于管道橫截面積A,記為AG。那么,超聲波流量計測量濕氣分層流和環(huán)狀流時的流量QG的計算公式如式(5)所示。

(5)

超聲波流量計測量濕氣時,如果不加以修正,仍然使用式(4)計算流體的體積流量,那么測量得到是其虛高流量QOR。因為A>AG,所以QOR大于氣體的實際流量。結合濕氣測量中虛高的定義[14],超聲波流量計測量濕氣時的虛高ΦG的表達式如式(6)所示。

(6)

式中α為濕氣測量中的截面含氣率,α=AG/A。

通過以上理論推導分析可以得到,在一定的假設條件下,可以用截面含氣率模型直接修正雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計測量濕氣的虛高。

2 實驗設計

2.1 實驗樣機

本研究選取FLOWSIC600氣體超聲波流量計為實驗對象,其有2個聲道,分別為位于管道中心線上方的聲道1和位于管道中心線下方的聲道2,聲道相互平行,為直通式,如圖3所示。

(a)外觀

該超聲波流量計的公稱通徑為DN50,聲道夾角θ為45°,工況氣體流量為4～400 m3/h,最大設計壓力為10 MPa,設計溫度為-40～60 ℃,精度等級為1.0級,重復性小于0.1%。該型號流量計配有專門的診斷和配置軟件MEPAFLOW600 CBM,可以實時顯示并存儲流體測量參數、系統(tǒng)診斷信息等。

2.2 實驗裝置

在天津大學流量實驗室(屬于天津市過程檢測與控制重點實驗室)的可調壓中壓濕氣流量實驗裝置上進行超聲波流量計濕氣實驗,該裝置主要由氣相標準管路、液相標準管路、水平實驗管路和計算機控制系統(tǒng)組成,實驗裝置原理圖如圖4所示。其可調壓力范圍為0～1.6 MPa;氣相介質為空氣,可調工況流量范圍為10～400 m3/h,氣相管路標準表為渦輪流量計,精度1.0級;液相介質為水,可調工況流量范圍為0.05～8 m3/h,液相管路標準表為電磁流量計,精度0.35級。

圖4 可調壓中壓濕氣流量實驗裝置原理圖

工作原理為:外界空氣經過空氣壓縮機壓縮,進入裝置閉合回路并達到所需壓力;壓力穩(wěn)定后,活塞風機運行,使氣相回路中的氣體循環(huán)流動;水泵運行,使液相回路里的水循環(huán)流動;空氣經過氣相標準表,水經過液相標準表,兩者在氣液混合器里混合,形成濕氣兩相流;濕氣兩相流通過水平實驗管道,流經被檢表進行測量;而后到達氣液分離器,濕氣兩相流分離為空氣和水,分別回到氣相和液相回路中。

超聲波流量計在實驗裝置上的的安裝位置如圖5所示,在流量計的上游安裝了由特種玻璃制成的耐壓透明視窗,便于觀察實際的濕氣流型。

圖5 FLOWSIC600安裝位置圖

2.3 實驗工況

實驗以氣相表觀流速usg、工況壓力p、體積含液率LVF為變量,根據實驗需求及裝置的能力,確定了132個實驗工況點。其中usg為5～20 m/s,p為0.2～0.8 MPa,LVF最大值為5%,具體實驗工況點見表1。

表1 實驗工況點

實驗時,每個工況點采集3次數據,每次采集30組數據,以30組數據的平均值作為有效測量數據,進行后續(xù)數據分析。

3 實驗結果分析

3.1 實驗工況下聲道性能的判別

實驗中,人員通過透明視窗可以觀察到各工況點下的濕氣流型,流型以分層流和環(huán)狀流為主,通過視窗觀察到的實驗濕氣流型如圖6所示。

(a)分層流(usg=5 m/s,p=0.4 MPa,LVF=0.5%)

已有的實驗研究表明,氣體超聲波流量計在測量濕氣時,液相的存在對超聲波信號的傳播會產生不利的影響。特別是當液相流量增大到一定程度時,超聲波流量計的通道會失效,使流量計不能正常計量流量,這是由于液相淹沒了超聲波換能器,使換能器與周圍管壁之間形成聲短路,導致超聲波脈沖信號不能正常進行發(fā)射和接收。

本研究中,由于雙聲道平行直射式超聲波流量計聲道的獨特布置方式,在含液率較高的一些實驗工況點時,聲道2會失效,導致流量計不能正常工作,可以通過MEPAFLOW600 CBM軟件對通道的工作性能進行實時監(jiān)測。

表2為實驗工況點下,對超聲波流量計工作正常與否的判別,表中粗實線左側的工況點,表示在此工況點時,超聲波流量計聲道1和2正常工作,流量計正常計量;粗實線右側的工況點,表示在此工況點時,超聲波流量計聲道2失效,流量計不能正常計量。從表2可以看出,在實驗工況點下:

表2 超聲波流量計工作正常與否判別表

(1)壓力一定時,氣相表觀流速越高,聲道2能正常工作的含液率越低;

(2)氣相表觀流速一定時,壓力越高,超聲波流量計越容易在較高含液率下正常工作。

文中3.2節(jié)和3.3節(jié)中所使用的分析數據,都是在通道1和2正常工作時的工況點下所測的數據。

3.2 測量重復性

測量重復性是指在相同測量條件下,對同一被測量進行連續(xù)多次測量所得結果之間的一致性,可用δk表示[15]。雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計濕氣流量測量的重復性是反映其在同一工況點多次測量值穩(wěn)定性的重要指標。測量重復性δk如式(7)所示。

(7)

4個不同壓力實驗工況點下,所測流量的測量重復性如圖7所示。從圖7可以得出,在超聲波流量計正常測量濕氣時,流量測量重復性與壓力、氣相表觀流速、含液率之間沒有一定的規(guī)律。經過統(tǒng)計計算,有93.6%工況點下的測量重復性小于1%,所有測量重復性的平均值為0.41%。由此可見,在濕氣條件下,超聲波流量計在正常測量時,一致性很好。

(a)p=0.2 MPa

3.3 虛高預測模型及預測結果分析

由1.2節(jié)的理論分析可知,對于雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計,其測濕氣時,可以用截面含氣率模型直接進行修正。本文所采用的是Lockhart-Martinelli截面含氣率模型(即L-M截面含氣率模型)[16],該模型是一種經驗模型,它是基于流體的干度、氣液兩相的密度和黏度建立的,適用于水平管道中流動的兩相流,如式(8)所示。

(8)

式中:x為氣體的干度;ρg、ρl分別為氣體、液體的密度;μg、μl分別為氣體、液體的動力黏度。

由式(6)和式(8)可以得到在本研究工況條件下,雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計濕氣虛高的預測模型,如式(9)所示。

(9)

基于L-M截面含氣率模型的雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計濕氣虛高預測模型的相對誤差如圖8所示。從圖8可以看出,虛高預測模型的整體相對誤差在±6%以內,經過數據統(tǒng)計,約有90.3%的相對誤差在±4%以內;隨著體積含液率升高,預測模型的誤差呈整體上升的趨勢,這是因為隨著液相增加,管道壁面上的液膜對超聲波探頭發(fā)射和接收信號以及信號的傳播過程產生較大的影響,進而影響到信號處理的結果,使流量計測量誤差增大。

圖8 虛高預測模型相對誤差

同時,基于L-M截面含氣率模型預測的虛高與實際虛高仍然存在一定的誤差,進一步分析如下:

(1)在理論分析超聲波流量計虛高產生機理時,忽略了超聲波信號在液膜中的傳播時間,同時,實際工況中,液膜并不是非常平滑,而是有一定的波動,這種波動會對流量計的測量產生一定影響;

(2)忽略了液相對超聲波流量計流場系數Kc的影響。

4 結束語

本文針對雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計開展研究,通過其結構特點和測量原理,分析了其測量濕氣時虛高的產生來源,并基于L-M截面含氣率模型為其建立了虛高預測模型。在工況壓力為0.2～0.8 MPa、氣相表觀流速為5～20 m/s的范圍內,在超聲波流量計能正常工作的情況下:

(1)上述虛高預測模型的整體相對誤差在±6%以內,90.3%的相對誤差在±4%以內;

(2)93.6%實驗工況點下的測量重復性小于1%,整體測量重復性的平均值為0.41%。