基于科氏質(zhì)量流量計(jì)的兩相流計(jì)量方法研究

王微微, 陳靜靜, 孫峰超

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

0 引 言

石油石化氣、液兩相在流動(dòng)過(guò)程中相互作用,分相流量的檢測(cè)難度很大[1-2]。大多油田采用分離計(jì)量法計(jì)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(duì)液相流量的計(jì)量精度有很大影響,也影響氣體流量的準(zhǔn)確測(cè)量。氣液兩相流的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜,導(dǎo)致氣液兩相流流量的準(zhǔn)確計(jì)量存在很大難度[3-4]?？剖狭髁坑?jì)能夠精確測(cè)量單相流體的質(zhì)量流量,在測(cè)量氣液兩相流時(shí)不準(zhǔn)確,產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差,在很大程度上限制了科氏流量計(jì)在石油等行業(yè)中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究,但科氏流量計(jì)測(cè)量氣液兩相介質(zhì)參數(shù)時(shí)誤差仍然較大,中國(guó)還沒有成熟的應(yīng)用于兩相流參數(shù)計(jì)量的流量計(jì)[5-11]。本文利用黏性流體氣泡模型對(duì)科氏流量計(jì)測(cè)得的質(zhì)量流量和密度進(jìn)行修正,以減小科氏流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流的誤差。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)(華東)多相流試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水、壓縮空氣。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。1號(hào)質(zhì)量流量計(jì)為高準(zhǔn)100M329型科氏流量計(jì),氣體流量計(jì)為孔板流量計(jì);2號(hào)(科氏)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量不同含氣率下氣液兩相流的質(zhì)量流量、密度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)圖

圖2 氣液兩相流經(jīng)科氏傳感器示意圖

在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)中,水由泵泵送,經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后,經(jīng)1號(hào)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后送入混合器。單相氣體經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮,再經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后,經(jīng)氣體流量計(jì)計(jì)量后送入混合器。氣體流量計(jì)為不同口徑的孔板流量計(jì),針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)工況采用不同口徑孔板流量計(jì)計(jì)量氣體流量。氣液兩相經(jīng)混合器均勻混合后,沿一段長(zhǎng)約354 m,直徑約81 mm的管道流動(dòng),達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)道測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置了末點(diǎn)處理系統(tǒng),以測(cè)量流體是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)道,由2號(hào)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量氣液兩相流瞬時(shí)質(zhì)量流量、混合密度和溫度。在實(shí)驗(yàn)環(huán)道內(nèi),環(huán)道水平安裝,2號(hào)科氏質(zhì)量流量計(jì)垂直于環(huán)道安裝。最后,氣液兩相流經(jīng)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(jīng)科氏傳感器的示意圖。在圖2中,驅(qū)動(dòng)裝置使科氏力傳感器測(cè)量管以固定頻率進(jìn)行振動(dòng)。測(cè)量管的兩側(cè)有檢測(cè)線圈及其磁鐵構(gòu)成的左右檢測(cè)器。當(dāng)測(cè)量管中有介質(zhì)流動(dòng)時(shí),檢測(cè)器檢測(cè)到流動(dòng)與振動(dòng)耦合作用導(dǎo)致的附加位移,此附加位移與測(cè)量管中介質(zhì)的質(zhì)量流量有關(guān),因此可通過(guò)測(cè)量此附加位移計(jì)算測(cè)量管中介質(zhì)的質(zhì)量流量。當(dāng)含氣介質(zhì)在測(cè)量管中流動(dòng)時(shí),測(cè)得的質(zhì)量流量瞬時(shí)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(duì)于黏度為0的流體質(zhì)量流量測(cè)量誤差為

Em=-2α/(1-α)

(1)

(2) 對(duì)于高黏度的流體或有細(xì)小氣泡的流體,質(zhì)量流量測(cè)量誤差為0。

由黏性流體的氣泡模型可知,當(dāng)流體黏度大于0且黏度不高時(shí),質(zhì)量流量的相對(duì)誤差可表示為

Em=K[-2α/(1-α)]

(2)

式中,K為修正系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jì)不能準(zhǔn)確測(cè)量液相質(zhì)量流量。本文對(duì)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的混合密度進(jìn)行修正,再結(jié)合兩相流的含氣率,根據(jù)氣泡模型對(duì)測(cè)得的質(zhì)量流量進(jìn)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(shù),無(wú)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(guān)。

定義兩相流體的示值密度降Δρa(bǔ)pp和真實(shí)密度降Δρt分別為

Δρa(bǔ)pp=(ρl-ρa(bǔ)pp)/ρl

(6)

Δρt=(ρl-ρt)/ρl

(7)

其中,真實(shí)密度值ρt由ρl、ρg和α確定。實(shí)驗(yàn)中,ρt由快關(guān)閥法確定。

如圖3所示,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),真實(shí)密度降Δρt與流量計(jì)視密度降Δρa(bǔ)pp關(guān)系為

Δρt=1.0989Δρa(bǔ)pp+0.0171

(8)

圖3 真實(shí)密度降與視密度降關(guān)系圖

根據(jù)式(6)、式(7)和式(8)可推導(dǎo)出修正后兩相流的密度ρt

ρt=ρl-Δρt·ρl

(9)

密度測(cè)量相對(duì)誤差計(jì)算式為

Edens=(ρ-ρt)/ρt

(10)

圖4 空氣-水兩相流密度測(cè)量相對(duì)誤差

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

將修正的兩相流密度代入式(4),得到當(dāng)前的空隙率α。

最后,利用氣泡模型對(duì)2號(hào)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的兩相流質(zhì)量流量進(jìn)行修正。對(duì)空氣-水兩相流,取K=0.065,由此得到修正的質(zhì)量流量為

(11)

式中,Fapparent為2號(hào)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的視流量,kg/min。

修正前后的氣液兩相流質(zhì)量流量相對(duì)誤差如圖5所示。從圖5可以看出,當(dāng)空隙率較小時(shí),修正效果較好,修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差主要分布在2%以內(nèi);當(dāng)空隙率較大時(shí),修正效果較差。但在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差均好于修正前的相對(duì)誤差。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量發(fā)現(xiàn),當(dāng)空隙率較高時(shí),測(cè)量管激勵(lì)信號(hào)仍能驅(qū)動(dòng)測(cè)量管振動(dòng),但是振幅小,拾振信號(hào)小,噪聲大,對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響。

圖5 空氣-水兩相流質(zhì)量流量相對(duì)誤差

4 結(jié) 論

(1) 利用黏性流體氣泡模型對(duì)科氏流量計(jì)應(yīng)用于氣水兩相流計(jì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。泡狀流態(tài)的兩相流流經(jīng)科氏傳感器檢測(cè)元件時(shí),科氏質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量流量和密度測(cè)量誤差較小,段塞流型的氣液兩相流密度偏小,質(zhì)量流量和密度測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。

(2) 修正后氣液兩相混合流體的密度相對(duì)誤差明顯變小,誤差在2%以內(nèi)。當(dāng)空隙率較小時(shí),修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差主要分布在2%以內(nèi),修正效果較好。當(dāng)空隙率較大時(shí),科氏流量計(jì)測(cè)量管拾振信號(hào)小,噪聲大,對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響,修正效果較差。

(3) 在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差均好于修正前的相對(duì)誤差。由于實(shí)驗(yàn)條件所限,本文密度修正關(guān)系適用的工況有限。

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