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槽式孔板和旋進漩渦流量計濕氣計量
發布時間:2021-10-26 08:24:24

摘要:槽式孔板用于濕氣計量時,差壓值會因氣液相間作用而產生“過讀”,而采用旋進漩渦流量計時,旋進頻率會因液相增大而產生“欠讀”。通過分析槽式孔板“過讀”和旋進漩渦流量計“欠讀”的影響因素,以空氣-水為介質開展了一系列兩相流量計量實驗,建立了各自的兩相流量計量模型。將2種模型相結合建立了穩態計量模型。測試結果表明,在本文實驗條件下,當液相流量小于1.0m³/h時,利用本文模型計算得到的氣相流量相對誤差在5%以內。
  濕氣是一種特殊的氣液兩相流形態,一般指氣相體積含率大于90%,液相與其他組分體積含率小于10%的氣井產出物口。對于濕氣計量,國內一般采用測試分離器進行分相計量,但分離設備一般比較昂貴且占地面積較大,不適應于海洋石油平臺。目前,國外僅有少數可以生產多相流流量計的廠家,價格非常昂貴,而且各產品僅在實驗范圍內保持精度。國內中國石油大學、浙江大學、天津大學、西安交通大學、海默公司等也開展了濕氣計量技術研究,但都處于起步階段。因此,開發高精度低成本的濕氣流量計,是我國石油天然氣工業生產所迫切需要的。
  由于差壓式流量計具有結構簡單、使用方便、運行可靠、對濕氣比較敏感等優點,被廣泛用于濕氣計量研究[川]。通過改進孔板結構,采用槽式孔板為節流元件進行氣液兩相流計量,分別在中國石油大學(華東).大港油田、大慶油田進行了室內和現場實驗,獲取了大量的實驗數據,提出了基于雙槽式孔板的濕氣計量模型,通過在大港油田第四采油廠進行測試,其計量精度與國內外相當(47]。由于雙槽式孔板計量模型求解過程中可能會出現無解的情況,通過研究2種不同特性的流量計(槽式孔板和旋進漩渦流量計)的計量特性,建立了各自的兩相流量計量模型,并在此基礎上建立了濕氣穩態計量模型。實驗結果表明,對于液相流量小于1.0m³/h的工況,利用本文模型計算得到的氣相流量相對誤差在5%以內。
1槽式孔板與旋進漩渦流量計兩相計量特性分析
1.1槽式孔板
  槽式孔板由若干圈徑向分布的小孔組成[],能使液相成分自由通過,差壓波動較小,其流量方程見式(1)~(2)
 
  式(1)~(2)中:Gg為氣體質量流量,kg/s;C為流出系數;D為管道內徑,m;β為節流元件孔徑比;ɛ為氣體可膨脹性系數;△p為節流元件產生的差壓,Pa;ρ為流體密度,kg/m³;Asoe表示所有槽孔面積總和,mm2;A為管道的橫截面積,mm2。
  差壓式流量計用于單相氣體計量時精度較高,但當用于濕氣計量時,由于液相對氣相阻塞造成的加速壓降及氣相對液相加速造成的摩阻壓降造成差壓值偏高,從而計算得到的氣相質量流量也會增大[!,這種現象稱為“過讀”。對于槽式孔板,表觀氣體質量流量由式(3)定義,過讀由式(4)定義。本文的目的是通過實驗研究建立“過讀"相關式,然后利.用式(5)可以計算出實際氣體流量。
 
  式(3)中:Geperen為表觀氣體質量流量,kg/s;Op。為兩相流時的差壓,Pa;φg。為“過讀”參數。
  前期研究表明,影響“過讀”的主要因素有Lockhart-Martinelli參數XLu,氣液密度比Dg、氣體Froude數Frg。相關參數計算式如下:
 
  式(6)~(8)中:Xlm與氣液兩相質量流量之比、密度之比有關,反映了氣液兩相流速相對大小;Frg與氣.相折算速度ʋrg、氣液密度相關,可以反映氣相流速、壓力、密度等因素的內在聯系;氣液密度比Dg可以反映壓力變化.
1.2旋進漩渦流量計
  旋進漩渦流量計是一種流體振蕩性流量計,應用強迫振動的漩渦旋進原理測量流量,其特點是管道內無可動部件,幾乎不受溫度、壓力、密度、粘度等變化影響,儀表輸出的脈動信號與體積流量成正比,其單相流量計算公式為
 
  式(9)中:Q為瞬時流量,kg/s;K為單相流量特性曲線斜率,由儀表本身決定;f為瞬時旋進頻率,Hz。
  當管內為氣液兩相流時,旋進頻率會減小,從而引起計算所得流量低于真實流量,這主要是由氣液間相互作用造成的[0],本文將其定義為“欠讀”。當液相流量繼續增大(至1.0m'/h)時,旋進頻率會被噪聲淹沒。定義“欠讀"Lg計算公式為
 
  式(10)中:ƒtf為兩相流時的旋進頻率;ƒg為單相氣體時的旋進頻率。
2槽式孔板與旋進漩渦流量計濕氣計量模型建立
2.1實驗條件
  在中國石油大學大型多相流實驗環道[]上進行空氣水兩相流實驗。實驗條件為:孔徑比β取0.5和0.6、氣相流量150~650m³/h、液相流量0.2~5.0m/h.表壓0.25~0.34MPa。實驗環道可控制氣液流量穩定,混合均勻,經過足夠的流型發展后進人測試段,氣液流量分別采用金屬轉子流量計和質量流量計進行測量,精度為1.5%和0.2%。溫度變送器精度為0.5%,壓力、差壓變送器精度為0.2%,漩渦流量計精度為1.5%,數據采集系統采用NI公司虛擬儀器采集系統。濕氣計量測試系統示意圖見圖1.
 
2.2槽式孔板濕氣計量模型
  基于標準差壓式節流元件,前人總結了影響孔板和文丘里管φg的主要因素,如壓力、Lockhart-Martinelli參數等。在前人基礎上,進一步對影響槽式孔板φg的因素進行了研究,現有的槽式孔板中。.計算式中僅包含Dg和Xlm兩個變量,而孔徑比β及氣體Froude數Fr。未考慮在內,但研究發現孔徑.比β和Frg都對φg有著顯著的影響。
  圖2為β=0.6、表壓0.25MPa時φg與XLm、Frg的三維曲面圖。由圖2可以看出:當Frg相同時,φg隨XLm增大而增大,主要原因是液相流量增大,導致氣體流通面積減小,增大了氣相對液相的加速作用,使得壓降增加。φg與Frg、XLm近似分布在--光滑平面上,當Fr.g>1.5時,平面比較光滑;而當Frg<1.5時,平面比較陡峭。根水平管氣液兩相流型圖,Frg=1.5位于分層流和環狀流的分界線上,因此平面出現陡峭是由于流型變化造成的。對孔徑比為0.5的孔板也進行了研究,結論也是如此。
 
  因此,本文引人孔徑比β和Frg參數,同時對多年不同實驗條件下的數據進行分析,建立的槽式孔板過讀φg相關式為
 
  利用式(1)和實際氣體質量流量計算可得單相氣體差壓△pe,代入式(4)可得中。;利用壓力、溫度、氣液兩相流量計算可得Xuu、Fr、Dg。
  利用TableCurve3D軟件對孔徑比為0.5和0.6的實驗數據進行曲面擬合并通過線性回歸,得到φg計算式為.
 
  式(12)即為槽式孔板濕氣計量模型。圖3是利用本文模型對氣體實際流量預測的相對誤差絕對值,可.以看出效果較好,氣體流量總體平均誤差僅為2.09%,且在92%的置信概率下氣相流量相對誤差均小于5%,
利用槽式孔板濕氣計量模型進行氣體質量流量計量的相對誤差圖示 
2.3旋進漩渦流量計濕氣計量模型
  前期研究表明,氣液兩相流量與旋進頻率有關,但并未給出流量計算模型。通過對兩相流旋進頻率數據進行分析,研究XLm、Frg對“欠讀”的影響,最后利用非線性回歸方法建立了“欠讀"L計算式。
  利用式(9)和實際氣體質量流量計算可得單相氣體頻率ƒg,代人式(10)可得Lg利用壓力、溫度、氣液兩相流量可得Xlm、Frg.由于液相流量大于1.0m³/h時旋進頻率會被噪聲淹沒,故實驗時液相流量控制在1.0m³/h之內。
  圖4為表壓0.25MPa、液相流量小于1.0m³/h時Lg隨XLm的變化規律。從圖4可以看出:Lg隨XLm的增大而減小;相同XLu條件下,Frg越大,“欠.讀"Lg越小,這主要是由液相流量增大,旋進頻率信號減弱造成的。
 
值,可以看出當液相流量小于1.0m³/h時,氣體流量總體平均誤差小于2.7%,且在95%的置信概率下氣相流量相對誤差均小于5%。
3穩態計量模型建立
  利用單相氣體流量計,通過濕氣計量修正模型計量時,必須測得XLm參數,且必須在現場工作條件下基本穩定。當現場XLm參數可測的情況下,利用本文槽式孔板或旋進漩渦相關式可得到較高的計量精度,但一般情況下該參數不易測量且頻繁變化,在這種情況下僅采用一種單相氣體流量計進行計量是不切實際的。因此,考慮采用2種或多種不同特性的流量計同時計量,通過迭代計算,消去未知參數影響,進行濕氣流量計量。其基本思路是:將基于槽式孔板差壓、旋進頻率建立的兩相流量修正計算式構成方程組,即建立穩態計量模型,然后通過迭代求解計算氣液相流量及質量含氣率。穩態計量模型求解流程圖見圖6,圖中下標“1"表示槽式孔板相應參數,下標“2”表示旋進漩渦相應參數。迭代分為內外2個循環。給定XLm=XLmin,分別由2個方程迭代計算質量流量Gg1.Gg2,通過內循環使Gg1.Gg2收斂。然后通過判斷2個質量流量是否足夠小,如果滿足精度,則記錄該值;否則,增加XLM重新進入內循環進行計算,直到滿足精度為止或者XLM超出最大值,結束該點計算,選取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
 
  上述穩態計量模型是在均值數據上建立的。為了分析模型對瞬時數據測量結果,通過對原始數據進行預處理,再由穩態計量模型,利用LabVIEW軟件進行氣相流量測量。選取氣相流量分別為680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流量分別為0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h進行實驗,結果表明,對液相流量小于1.0m³/h的工況,氣相流量計算相對誤差在5%以內。由于數據量較大,本文僅對液相流量分別為0.2和0.4m³/h工況下的實驗數據進行處理分析,每個工況時間長度取2min,每.隔1s對溫度、壓力、差壓和實際氣體流量進行濾波及取平均,并計算每秒的旋進頻率。對1920個實驗點進行處理,結果見圖7。
 
  從圖7可以看出,在液相流量為0.2和0.4m³/h條件下,利用穩態模型計算氣體瞬時流量的相對誤差均在5%以內。同時可以看出,此方法比單獨采用修正計算式誤差較大,主要原因是迭代計算所得到的XLM存在一定偏差。
4結論
(1)建立了槽式孔板濕氣計量模型,在測試條件范圍內,氣相流量總體平均誤差2.09%,且在92%的置信概率下相對誤差均小于5%。對旋進漩渦流量計兩相測量特性做了探索性研究,定義了“欠讀”因子Lg,研究表明,L。隨XLm的增大而減小,在相同XLM條件下,Frg越大,Lg越小。通過分區間擬合,建立了旋進漩渦流量計濕氣計量模型,在液相流量小于1.0m³/h范圍內,氣體流量總體平均誤差小于2.7%,且在95%的置信概率下氣相流量相對誤差均小于5%。
(2)槽式孔板結合旋進頻率相關式建立了穩態計量模型,通過LabVIEW軟件進行了瞬時流量測試,結果表明在本文實驗條件下,對于液相流量小于1.0m³/h的工況,氣相流量計算相對誤差均在5%以內,可為后續計量軟件開發提供參考依據。本文.研究是在多年實驗數據基礎上進行的,與生產現場.的工況(包括壓力,溫度、介質屬性、管徑)有較大差.別,所以本文提出的穩態計量模型還需要大量的現場試驗研究.
(3)國內外尚無基于旋進漩渦流量計的濕氣計量研究,對于大液量條件下的漩渦特性,仍須做進一步研究。另外,基于單相差壓式流量計(孔板、文丘里管)的濕氣計量修正模型均在實驗條件下精度較.高,所以建立計算式系數可隨現場實際情況變化的計量模型,也是下一步的研究方向。

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