基于槽式孔板和旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的濕氣計(jì)量研究＊

王曉智 耿艷峰 華陳權(quán) 張 晶 葉 露

（1.海洋石油工程股份有限公司； 2.中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院）

濕氣是一種特殊的氣液兩相流形態(tài)，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(chǎn)出物［1］。對(duì)于濕氣計(jì)量，國(guó)內(nèi)一般采用測(cè)試分離器進(jìn)行分相計(jì)量，但分離設(shè)備一般比較昂貴且占地面積較大，不適應(yīng)于海洋石油平臺(tái)。目前，國(guó)外僅有少數(shù)可以生產(chǎn)多相流流量計(jì)的廠家，價(jià)格非常昂貴，而且各產(chǎn)品僅在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)保持精度。國(guó)內(nèi)中國(guó)石油大學(xué)、浙江大學(xué)、天津大學(xué)、西安交通大學(xué)、海默公司等也開展了濕氣計(jì)量技術(shù)研究，但都處于起步階段。因此，開發(fā)高精度低成本的濕氣流量計(jì)，是我國(guó)石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)所迫切需要的。

由于差壓式流量計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、運(yùn)行可靠、對(duì)濕氣比較敏感等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于濕氣計(jì)量研究［2-3］。通過改進(jìn)孔板結(jié)構(gòu)，采用槽式孔板為節(jié)流元件進(jìn)行氣液兩相流計(jì)量，分別在中國(guó)石油大學(xué)（華東）、大港油田、大慶油田進(jìn)行了室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，獲取了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了基于雙槽式孔板的濕氣計(jì)量模型，通過在大港油田第四采油廠進(jìn)行測(cè)試，其計(jì)量精度與國(guó)內(nèi)外相當(dāng)［4-7］。由于雙槽式孔板計(jì)量模型求解過程中可能會(huì)出現(xiàn)無解的情況，通過研究2種不同特性的流量計(jì)（槽式孔板和旋進(jìn)漩渦流量計(jì)）的計(jì)量特性，建立了各自的兩相流量計(jì)量模型，并在此基礎(chǔ)上建立了濕氣穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于液相流量小于1.0m3／h的工況，利用本文模型計(jì)算得到的氣相流量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。

1 槽式孔板與旋進(jìn)漩渦流量計(jì)兩相計(jì)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［3］，能使液相成分自由通過，差壓波動(dòng)較小，其流量方程見式（1）～（2）

式（1）～（2）中：Gg為氣體質(zhì)量流量，kg／s；C為流出系數(shù)；D為管道內(nèi)徑，m；β為節(jié)流元件孔徑比；ε為氣體可膨脹性系數(shù)；Δp為節(jié)流元件產(chǎn)生的差壓，Pa；ρ為流體密度，kg／m3；Aslot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(jì)用于單相氣體計(jì)量時(shí)精度較高，但當(dāng)用于濕氣計(jì)量時(shí)，由于液相對(duì)氣相阻塞造成的加速壓降及氣相對(duì)液相加速造成的摩阻壓降造成差壓值偏高，從而計(jì)算得到的氣相質(zhì)量流量也會(huì)增大［8］，這種現(xiàn)象稱為“過讀”。對(duì)于槽式孔板，表觀氣體質(zhì)量流量由式（3）定義，過讀由式（4）定義。本文的目的是通過實(shí)驗(yàn)研究建立“過讀”相關(guān)式，然后利用式（5）可以計(jì)算出實(shí)際氣體流量。

式（3）中：GgApparent為表觀氣體質(zhì)量流量，kg／s；Δptp為兩相流時(shí)的差壓，Pa；Φg為“過讀”參數(shù)。

前期研究表明［3-6，8-9］，影響“過讀”的主要因素有Lockhart-Martinelli參數(shù)XLM、氣液密度比DR、氣體Froude數(shù)Frg。相關(guān)參數(shù)計(jì)算式如下：

式（6）～（8）中：XLM與氣液兩相質(zhì)量流量之比、密度之比有關(guān)，反映了氣液兩相流速相對(duì)大小；Frg與氣相折算速度vsg、氣液密度相關(guān)，可以反映氣相流速、壓力、密度等因素的內(nèi)在聯(lián)系；氣液密度比DR可以反映壓力變化。

1.2 旋進(jìn)漩渦流量計(jì)

旋進(jìn)漩渦流量計(jì)［10］是一種流體振蕩性流量計(jì)，應(yīng)用強(qiáng)迫振動(dòng)的漩渦旋進(jìn)原理測(cè)量流量，其特點(diǎn)是管道內(nèi)無可動(dòng)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(dòng)信號(hào)與體積流量成正比，其單相流量計(jì)算公式為

式（9）中：Q為瞬時(shí)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(shí)旋進(jìn)頻率，Hz。

當(dāng)管內(nèi)為氣液兩相流時(shí)，旋進(jìn)頻率會(huì)減小，從而引起計(jì)算所得流量低于真實(shí)流量，這主要是由氣液間相互作用造成的［10］，本文將其定義為“欠讀”。當(dāng)液相流量繼續(xù)增大（至1.0m3／h）時(shí)，旋進(jìn)頻率會(huì)被噪聲淹沒。定義“欠讀”Lg計(jì)算公式為

式（10）中：ftf為兩相流時(shí)的旋進(jìn)頻率；fg為單相氣體時(shí)的旋進(jìn)頻率。

2 槽式孔板與旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型建立

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

在中國(guó)石油大學(xué)大型多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道［3］上進(jìn)行空氣-水兩相流實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為：孔徑比β取0.5和0.6、氣相流量150～650m3／h、液相流量0.2～5.0m3／h、表壓0.25～0.34MPa。實(shí)驗(yàn)環(huán)道可控制氣液流量穩(wěn)定，混合均勻，經(jīng)過足夠的流型發(fā)展后進(jìn)入測(cè)試段，氣液流量分別采用金屬轉(zhuǎn)子流量計(jì)和質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行測(cè)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(jì)精度為1.5%，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用NI公司虛擬儀器采集系統(tǒng)。濕氣計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)示意圖見圖1。

圖1 濕氣計(jì)量測(cè)試系統(tǒng)示意圖

2.2 槽式孔板濕氣計(jì)量模型

基于標(biāo)準(zhǔn)差壓式節(jié)流元件，前人總結(jié)了影響孔板和文丘里管Φg的主要因素，如壓力、Lockhart-Martinelli參數(shù)等。在前人基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對(duì)影響槽式孔板Φg的因素進(jìn)行了研究，現(xiàn)有的槽式孔板Φg計(jì)算式中僅包含DR和XLM兩個(gè)變量，而孔徑比β及氣體Froude數(shù)Frg未考慮在內(nèi)，但研究發(fā)現(xiàn)孔徑比β和Frg都對(duì)Φg有著顯著的影響。

圖2 XLM、Frg和Φg的三維曲面圖（β=0.6，表壓為0.25MPa）

圖2為β=0.6、表壓0.25MPa時(shí)Φg與XLM、Frg的三維曲面圖。由圖2可以看出：當(dāng)Frg相同時(shí)，Φg隨XLM增大而增大，主要原因是液相流量增大，導(dǎo)致氣體流通面積減小，增大了氣相對(duì)液相的加速作用，使得壓降增加。Φg與Frg、XLM近似分布在一光滑平面上，當(dāng)Frg＞1.5時(shí)，平面比較光滑；而當(dāng)Frg＜1.5時(shí)，平面比較陡峭。根據(jù)Shell Expro（殼牌英國(guó)勘探與生產(chǎn)公司）水平管氣液兩相流型圖，F(xiàn)rg=1.5位于分層流和環(huán)狀流的分界線上，因此平面出現(xiàn)陡峭是由于流型變化造成的。對(duì)孔徑比為0.5的孔板也進(jìn)行了研究，結(jié)論也是如此。

因此，本文引入孔徑比β和Frg參數(shù)，同時(shí)對(duì)多年不同實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立的槽式孔板過讀Φg相關(guān)式為

利用式（1）和實(shí)際氣體質(zhì)量流量計(jì)算可得單相氣體差壓Δpg，代入式（4）可得Φg；利用壓力、溫度、氣液兩相流量計(jì)算可得XLM、Frg、DR。

利用TableCurve 3D軟件對(duì)孔徑比為0.5和0.6的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合并通過線性回歸，得到Φg計(jì)算式為

式（12）中，a、b、c、d與DR、β有關(guān)，其中a=4.165 9-8.679 9β＋6.291 3β2-74.825DR，b=1.354 5＋1.374 3β-0.545 8β2-158.64DR，c=-2.028 7＋4.229 2β-4.491 3β2＋292.13DR，d=-3.459 9＋10.126β-7.632 8β2＋54.491DR。式（12）即為槽式孔板濕氣計(jì)量模型。圖3是利用本文模型對(duì)氣體實(shí)際流量預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差絕對(duì)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(duì)誤差均小于5%。

圖3 利用槽式孔板濕氣計(jì)量模型進(jìn)行氣體質(zhì)量流量計(jì)量的相對(duì)誤差

2.3 旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型

前期研究表明［10］，氣液兩相流量與旋進(jìn)頻率有關(guān)，但并未給出流量計(jì)算模型。通過對(duì)兩相流旋進(jìn)頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，研究XLM、Frg對(duì)“欠讀”的影響，最后利用非線性回歸方法建立了“欠讀”Lg計(jì)算式。

利用式（9）和實(shí)際氣體質(zhì)量流量計(jì)算可得單相氣體頻率fg，代入式（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(shí)旋進(jìn)頻率會(huì)被噪聲淹沒，故實(shí)驗(yàn)時(shí)液相流量控制在1.0m3／h之內(nèi)。

圖4為表壓0.25MPa、液相流量小于1.0m3／h時(shí)Lg隨XLM的變化規(guī)律。從圖4可以看出：Lg隨XLM的增大而減?。幌嗤琗LM條件下，F(xiàn)rg越大，“欠讀”Lg越小，這主要是由液相流量增大，旋進(jìn)頻率信號(hào)減弱造成的。

圖4 Lg隨XLM的變化規(guī)律（表壓為0.25MPa，液相流量小于1.0m3／h）

將上述數(shù)據(jù)分為Frg＞0.6和Frg≤0.6兩部分進(jìn)行分區(qū)間數(shù)據(jù)擬合，建立了“欠讀”Lg計(jì)算式，即

圖5 利用旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型進(jìn)行氣體質(zhì)量流量計(jì)量的相對(duì)誤差

式（13）即為旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型。圖5是利用本文模型對(duì)氣體實(shí)際流量預(yù)測(cè)的相對(duì)誤差絕對(duì)值，可以看出當(dāng)液相流量小于1.0m3／h時(shí)，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(duì)誤差均小于5%。

3 穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型建立

利用單相氣體流量計(jì)，通過濕氣計(jì)量修正模型計(jì)量時(shí)，必須測(cè)得XLM參數(shù)，且必須在現(xiàn)場(chǎng)工作條件下基本穩(wěn)定。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)XLM參數(shù)可測(cè)的情況下，利用本文槽式孔板或旋進(jìn)漩渦相關(guān)式可得到較高的計(jì)量精度，但一般情況下該參數(shù)不易測(cè)量且頻繁變化，在這種情況下僅采用一種單相氣體流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量是不切實(shí)際的。因此，考慮采用2種或多種不同特性的流量計(jì)同時(shí)計(jì)量，通過迭代計(jì)算，消去未知參數(shù)影響，進(jìn)行濕氣流量計(jì)量。其基本思路是：將基于槽式孔板差壓、旋進(jìn)頻率建立的兩相流量修正計(jì)算式構(gòu)成方程組，即建立穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型，然后通過迭代求解計(jì)算氣液相流量及質(zhì)量含氣率。穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型求解流程圖見圖6，圖中下標(biāo)“1”表示槽式孔板相應(yīng)參數(shù)，下標(biāo)“2”表示旋進(jìn)漩渦相應(yīng)參數(shù)。迭代分為內(nèi)外2個(gè)循環(huán)。給定XLM=XLMmin，分別由2個(gè)方程迭代計(jì)算質(zhì)量流量Gg1、Gg2，通過內(nèi)循環(huán)使Gg1、Gg2收斂。然后通過判斷2個(gè)質(zhì)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(jìn)入內(nèi)循環(huán)進(jìn)行計(jì)算，直到滿足精度為止或者XLM超出最大值，結(jié)束該點(diǎn)計(jì)算，選取Gg=（Gg1＋Gg2）／2。

圖6 穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型求解流程圖

上述穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型是在均值數(shù)據(jù)上建立的。為了分析模型對(duì)瞬時(shí)數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果，通過對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，再由穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型，利用LabVIEW軟件進(jìn)行氣相流量測(cè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，對(duì)液相流量小于1.0m3／h的工況，氣相流量計(jì)算相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。由于數(shù)據(jù)量較大，本文僅對(duì)液相流量分別為0.2和0.4m3／h工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，每個(gè)工況時(shí)間長(zhǎng)度取2min，每隔1s對(duì)溫度、壓力、差壓和實(shí)際氣體流量進(jìn)行濾波及取平均，并計(jì)算每秒的旋進(jìn)頻率。對(duì)1 920個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行處理，結(jié)果見圖7。

圖7 穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型氣體瞬時(shí)流量計(jì)算結(jié)果

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(wěn)態(tài)模型計(jì)算氣體瞬時(shí)流量的相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)。同時(shí)可以看出，此方法比單獨(dú)采用修正計(jì)算式誤差較大，主要原因是迭代計(jì)算所得到的XLM存在一定偏差。

4 結(jié)論

（1）建立了槽式孔板濕氣計(jì)量模型，在測(cè)試條件范圍內(nèi)，氣相流量總體平均誤差2.09%，且在92%的置信概率下相對(duì)誤差均小于5%。對(duì)旋進(jìn)漩渦流量計(jì)兩相測(cè)量特性做了探索性研究，定義了“欠讀”因子Lg，研究表明，Lg隨XLM的增大而減小，在相同XLM條件下，F(xiàn)rg越大，Lg越小。通過分區(qū)間擬合，建立了旋進(jìn)漩渦流量計(jì)濕氣計(jì)量模型，在液相流量小于1.0 m3／h范圍內(nèi)，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(duì)誤差均小于5%。

（2）槽式孔板結(jié)合旋進(jìn)頻率相關(guān)式建立了穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型，通過Lab VIEW軟件進(jìn)行了瞬時(shí)流量測(cè)試，結(jié)果表明在本文實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)于液相流量小于1.0 m3／h的工況，氣相流量計(jì)算相對(duì)誤差均在5%以內(nèi)，可為后續(xù)計(jì)量軟件開發(fā)提供參考依據(jù)。本文研究是在多年實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，與生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工況（包括壓力、溫度、介質(zhì)屬性、管徑）有較大差別，所以本文提出的穩(wěn)態(tài)計(jì)量模型還需要大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究。

（3）國(guó)內(nèi)外尚無基于旋進(jìn)漩渦流量計(jì)的濕氣計(jì)量研究，對(duì)于大液量條件下的漩渦特性，仍須做進(jìn)一步研究。另外，基于單相差壓式流量計(jì)（孔板、文丘里管）的濕氣計(jì)量修正模型均在實(shí)驗(yàn)條件下精度較高，所以建立計(jì)算式系數(shù)可隨現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況變化的計(jì)量模型，也是下一步的研究方向。

［1］耿艷峰，馮叔初，鄭金吾，等.凝析天然氣計(jì)量技術(shù)［J］.自動(dòng)化儀表，2005，26（8）：1-3.

［2］MORRISON G L，HALL K R，HOLSTE J C，et al.Comparison of orifice and slotted plate flowmeters［J］.Flow Measurement and Instrumentation，1994，5（2）：71-77.

［3］GENG Yanfeng，LI Yuxing，F(xiàn)ENG Shuchu.Study on a new type of sensor for wet gas meter［C］.Hangzhou：［S.l.］，2004：536-541.

［4］邢蘭昌，耿艷峰，石崗.槽式孔板的氣液兩相流測(cè)量特性［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，19（3）：771-775.

［5］GENG Yanfeng，ZHENG Jinwu，SHI Tianming，et al.Wet gas meter development based on slotted orifice couple and neural network techniques［J］.Chinese Journal of Chemical Engineering，2007，15（2）：281-285.

［6］耿艷峰，石崗，李玉星，等.槽式孔板的低含液率氣液兩相流測(cè)量特性［J］.化工學(xué)報(bào)，2007，58（7）：1719-1725.

［7］邢蘭昌，耿艷峰.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的氣液兩相流分相流量測(cè)量［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2007，21（4）：102-107.

［8］林宗虎，王樹眾，王棟.氣液兩相流和沸騰傳熱［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2003：1-20.

［9］曹學(xué)文，林宗虎，耿艷峰，等.在線多相流量計(jì)測(cè)量技術(shù)研究［J］.中國(guó)海上油氣（工程），2002，14（2）：37-40.

［10］劉文思.槽式孔板和旋進(jìn)漩渦的低含液率兩相流測(cè)量特性研究［D］.山東青島：中國(guó)石油大學(xué)，2009.