新型氣液兩相流相含率檢測裝置特性研究

摘 要：油氣開采及油氣運(yùn)輸中流體不分離計量是實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)的有效途徑，氣液兩相流檢測技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。利用近紅外光譜技術(shù)作為研究測量方法，在水平管道上設(shè)計沿兩相流流動方向進(jìn)行測量的氣液兩相流相含率檢測裝置，將原有探頭徑向放置測量的方式改為沿流體流動方向進(jìn)行測量，提高被相應(yīng)的接收探頭接收比例，達(dá)到準(zhǔn)確測量的目的。利用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD）仿真軟件，優(yōu)化裝置結(jié)構(gòu)。在新型測量裝置上完成多個工況點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)測試，得到相含率與近紅外測量電壓信號之間的數(shù)學(xué)模型，且相對誤差分布在0.11%以內(nèi)，為今后氣液兩相流不分離檢測提供一種新方法。

關(guān)鍵詞：氣液兩相；相含率；近紅外測量；CFD仿真

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）03-0121-05

Abstract： Non-separation measurement of fluid in oil and gas exploitation as well as oil and gas transportation is one of the effective ways to realize low carbon production， and the gas-liquid two-phase flow detection technology is the key technological basisof this goal. Taking the near infrared spectroscopy as the measurement method in the research， the phase volume fraction detection device of gas-liquid two-phase flow was designed along the flow direction of two-phase flow on the horizontal pipeline. The original method of placing the probe in radial direction for the measurement was changed to placing the probe along the flow direction of the liquid， and the proportion of being received by the corresponding receiving probe was increased to achieve accurate measurement. The CFD（computational fluid dynamics） simulation method was used to optimize the device structure. Experimental tests on multiple operating points are conducted on new measuring device. The mathematical model between the phase volume fraction and near-infrared measuring voltage signal was obtained and its relative error was within 0.11%， providing a new method for the non-separation measurement of gas-liquid two-phase flow.

Keywords： gas-liquid two-phase flow； phase volume fraction； near infrared measurement； CFD simulations

0 引 言

在流量測量中，相含率是表征氣液兩相流特性的重要參數(shù)[1]，它的準(zhǔn)確測量對實(shí)現(xiàn)低碳生產(chǎn)、節(jié)能減排至關(guān)重要[2]。但由于氣液兩相流的復(fù)雜性與多變性，現(xiàn)在的檢測技術(shù)還無法達(dá)到工業(yè)要求[3]。基于近紅外光譜吸收特性的多相流檢測是目前主要檢測方法，沈躍等[4]利用近紅外技術(shù)針對98%以上超高含水率區(qū)的兩相流分體散相的濃度進(jìn)行了測量；王進(jìn)旗等[5]利用近紅外光譜吸收原理和光纖傳感器技術(shù)，提出了一種用于原油低含水率測量的方法和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；宋濤[6]根據(jù)水對特定波長近紅外光有活性吸收特性，設(shè)計并研制了含水率測量系統(tǒng)；梁玉嬌等[7-8]利用近紅外吸收特性計算出了氣液兩相流系統(tǒng)中相含率測量的數(shù)值模型，且泡狀流誤差在±10%以內(nèi)；高靜哲等[9-10]利用4組近紅外檢測裝置對水平流向3個流型分別進(jìn)行相含率測定，并做出了數(shù)學(xué)模型。目前影響近紅外技術(shù)對氣液兩相流檢測準(zhǔn)確度的因素有很多，比如外界光的影響，氣泡、液滴等在流道內(nèi)的復(fù)雜性不規(guī)律變化，另外主要影響因素是在測量過程中近紅外光在管道內(nèi)發(fā)生的反射、折射等光學(xué)反應(yīng)，光路復(fù)雜，如圖1所示。同時其他路的發(fā)射探頭發(fā)出的光線經(jīng)過復(fù)雜的光學(xué)效應(yīng)后，也有可能被其吸收，造成數(shù)據(jù)冗余的現(xiàn)象，從而給數(shù)據(jù)分析增加了難度，對分析結(jié)果的準(zhǔn)確度造成一定的影響。這就導(dǎo)致發(fā)射裝置發(fā)射出的近紅外光不能完全被相對應(yīng)的接收裝置接收，這也成為限制測量準(zhǔn)確度的問題之一。針對如何提高接收探頭和與之對應(yīng)的發(fā)射探頭之間的接收效率這一問題，本文提出一種新型氣液兩相流相含率檢測裝置，通過沿流體流動方向安裝近紅外發(fā)射裝置，保證發(fā)射端所發(fā)出的近紅外光線從入口方向進(jìn)入后，在管道內(nèi)無論如何反射、折射，都可以使對應(yīng)的接收裝置接收，排除其他光路對測量結(jié)果造成的影響，以達(dá)到簡化分析，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量的目的。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

將主橫管的兩端通過法蘭連接在水平管道上，水平管道內(nèi)流的是待測氣液兩相流流體。在主橫管的中間設(shè)有隔板，以保證流體按照預(yù)定的方向，進(jìn)入豎直管道流動。在左豎直管上設(shè)置有與左豎直管內(nèi)腔相連通的左支管，在右豎直管上設(shè)置有與右豎直管內(nèi)腔相連通且與左支管一一對應(yīng)的右支管。左支管和右支管均與主橫管垂直。在對應(yīng)的左支管與右支管之間設(shè)置有副橫管，副橫管與主橫管平行，且副橫管的內(nèi)腔與和其相接的左支管和右支管的內(nèi)腔均相通。水平管道、主橫管、左豎直管和右豎直管的內(nèi)徑均相同，左支管、右支管和副橫管的內(nèi)徑均相同，如圖2所示。

圖中箭頭所指方向?yàn)榱鲃臃较颍鹤髠?cè)水平管道內(nèi)的流體首先由主橫管的左端進(jìn)入主橫管的左側(cè)內(nèi)腔中，再依次經(jīng)左豎直管、左支管、副橫管、右支管、右豎直管后進(jìn)入主橫管的右側(cè)內(nèi)腔中，再由主橫管的右端流入右側(cè)水平管道內(nèi)。

由于豎直管與隔板間距離等會對管內(nèi)流體的流動狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，因此需要利用CFD仿真軟件，觀察管道內(nèi)的流動狀態(tài)，以便于對模型進(jìn)行優(yōu)化。

在實(shí)驗(yàn)過程中，在副橫管的左端安裝近紅外發(fā)射裝置，右端安裝近紅外接收裝置。由驅(qū)動模塊驅(qū)動近紅外發(fā)射裝置發(fā)射近紅外光，經(jīng)過副橫管內(nèi)的流體吸收后的光強(qiáng)信號被近紅外接收裝置所接收；同時由數(shù)據(jù)采集單元采集經(jīng)流體吸收后的近紅外光的光強(qiáng)信號并發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元。近紅外光透過不同比例的兩相流，近紅外接收探頭所接收到的近紅外光的光強(qiáng)不同。數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的近紅外光的光強(qiáng)信號計算水平管道內(nèi)各相相含率。

2 數(shù)值仿真與結(jié)果分析

通過前處理器Gambit構(gòu)建幾何結(jié)構(gòu)并劃分網(wǎng)格，最后以.mesh文件輸出，導(dǎo)入到Fluent數(shù)據(jù)處理軟件中通過檢查網(wǎng)格質(zhì)量，定義物理模型，材料介質(zhì)等設(shè)定后，進(jìn)行邊界條件初始化，接下來就是使用解算器開始迭代計算。計算過程包括邊界條件的設(shè)定，流體物理特性的設(shè)定。通過Fluent后處理功能可對結(jié)果進(jìn)行分析與處理[11-12]。

根據(jù)原始設(shè)想在前處理中畫出三維結(jié)構(gòu)模型，模型畫好后首先要對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，一般來說，網(wǎng)格劃分越密則計算精度越高，也越容易了解流場的細(xì)微變化，同樣如果網(wǎng)格數(shù)據(jù)越多，消耗的處理和計算時間也會越長。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)劃分網(wǎng)格數(shù)量超過300萬個時，往往會出現(xiàn)報錯的現(xiàn)象。因此選擇合適的網(wǎng)格數(shù)對仿真結(jié)果至關(guān)重要。在Gambit里預(yù)設(shè)置模型的邊界條件，沿流體流動方向分別將管道兩側(cè)的圓截面選為速度入口（velocity inlet）和自由流出口（outflow），保存并輸出文件。

啟動Fluent軟件，打開建立的模型文件，依次進(jìn)行網(wǎng)格檢查，單位更改。為了觀察流動過程中豎直管段及橫直管入口、出口處對流體流動狀態(tài)的影響，將流場入口最小平均速度分別設(shè)置為0.01，0.1，1 m/s，根據(jù)雷諾數(shù)計算公式可得（以1 m/s為例）：

Re>2 300，管內(nèi)的流動狀態(tài)為湍流，Re<2 300，管內(nèi)的流動狀態(tài)為層流，根據(jù)計算所得雷諾數(shù)選擇流動模型，流動介質(zhì)選擇water-liquid（H2O），其他設(shè)置保持默認(rèn)設(shè)置即可，定義邊界條件，初始化后開始進(jìn)行迭代計算，計算收斂后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求分別提取速度矢量圖。根據(jù)3種不同入口速度提取到的矢量圖可知流體流動速度越大，裝置對流體流動狀態(tài)的影響越大。因此只要保證流體在較大的流速下所受影響最小，就可以保證流體在所有較小流速下的流動狀態(tài)所受影響達(dá)到最小。因此在模型仿真方面選取較大速度即為1 m/s。圖3、圖4分別為入口速度達(dá)到1 m/s時的速度矢量圖。由圖可見流體在流出時，由于前后兩個測量小管道相對分布，兩股流體相對流出，流體流動受到阻力，使其動能消耗被迫折回，形成小漩渦，根據(jù)此現(xiàn)象對豎直管與隔板間距離、支管間距等進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證流體在管道內(nèi)的流動特性。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，制作完成了安裝在水平直管道的氣液兩相流相含率檢測裝置，并用于動態(tài)實(shí)驗(yàn)測量。整個裝置考慮到耐壓性等要求，采用不銹鋼為加工材料，但不銹鋼的硬度較高，且裝置中涉及多處連接及彎頭部分，給機(jī)械加工工作增加了一定難度。在水平管道安裝的測量裝置中的副橫管為了安裝近紅外探頭，在兩端用密封膠圈和玻璃薄片進(jìn)行封裝，同時在測量小管道的兩端外側(cè)削出外螺紋，同時配有一個內(nèi)螺紋的緊固螺母，以保證其密封性和透光性。制作完成的水平管段的氣液兩相流相含率檢測裝置實(shí)物圖如圖5所示。

3 動態(tài)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

經(jīng)過CFD仿真模擬，上述模型在入口速度為1 m/s以內(nèi)，即體積流量在7 m3/h以內(nèi)基本不破壞流道內(nèi)流體的流動狀態(tài)，在模型驗(yàn)證階段為了最大限度地避免對流動狀態(tài)的影響，因此選取液相點(diǎn)為0.1 m3/h，氣相點(diǎn)在0.06 m3/h與0.36 m3/h之間的多個工況點(diǎn)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，CH0-CH7，CH1-CH6，CH2-CH5，CH3-CH4探頭分別處于同一截面，其相對位置豎直依次向上，通道CH0和CH7位于最底端，通道CH3和CH4處于最頂端。利用放置好的近紅外探頭求取各個工況點(diǎn)所采集到的采樣幅值。

實(shí)驗(yàn)中應(yīng)在空壓機(jī)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行測量，同時在調(diào)整各個工況點(diǎn)改變液相流量和氣相流量后，應(yīng)穩(wěn)定3～5 min后再進(jìn)行測量。根據(jù)采集到的各相流量、溫度、壓力等值計算液相相含率βl為

背景壓力與背景溫度指的是氣液兩相混合段的壓力值與溫度值。在實(shí)驗(yàn)管道中水路、氣路以及氣液混合段都安裝有溫度、壓力傳感器可以實(shí)時對相應(yīng)管道的溫度及壓力值進(jìn)行測量，利用NI采集系統(tǒng)獲得實(shí)時的測量值。

圖6和圖7為液體流量為0.1 m3/h，氣體流量分別為0.06 m3/h和0.36 m3/h時工況點(diǎn)的采樣信號波形圖，此時觀察玻璃管道可以得知管內(nèi)的流動狀態(tài)為分層流。

由圖可知，在液相流量為0.1 m3/h不變時，由于此時管內(nèi)流體流量較低，液體在重力的作用下處于位置相對較低的測量小管道內(nèi)。此時位置較低通道的采樣電壓值在液體的吸收作用下，其電壓幅值相對于其他通道會較低。由圖可知，CH0和CH7的電壓幅值在0～1.5 V之間，而其余通道電壓幅值在2.5 V以上，此時液體大部分都聚集在CH0和CH7內(nèi)。同時隨著氣相流量的增加，CH0和CH7中會出現(xiàn)峰值波動，且氣相流量越大，出現(xiàn)的峰值也會越大。同時氣體流量變大時，也會攜帶小量的液體流入其他的測量小管道內(nèi)。并且圖7中的CH0和CH7的峰值比圖6中的CH0和CH7的電壓幅值大，同時圖7中的其他采樣通道內(nèi)也出現(xiàn)了幅值波動的現(xiàn)象。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氣液兩相混合段管道所受壓力為20～30 kPa，變化不大，且利用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行檢測是根據(jù)近紅外光對氣、液具有不同的吸收特性，因此在計算模型中不用引入壓力值。

根據(jù)液相流量為0.1 m3/h時，采樣波形圖的分布情況，假設(shè)液相含率y與各通道的采樣幅值的關(guān)系式為

INn——流動狀態(tài)下檢測到的采樣幅值。

根據(jù)采樣信號對該公式進(jìn)行擬合運(yùn)算后，得到各參數(shù)值分別為

因此可得，當(dāng)液相流量為0.1 m3/h時，水平管液相含率與各采樣通道電壓幅值的關(guān)系式為

通過該擬合公式得出的相含率預(yù)測值與實(shí)際相含率計算值的分布情況，如圖8所示。由圖可知，其公式擬合的相含率數(shù)值與實(shí)際相含率數(shù)值十分接近，根據(jù)式（5）計算兩者的相對誤差，其誤差分布如圖9所示。由圖可知液相為0.1 m3/h時，公式擬合值的相對誤差在0.11%以內(nèi)，擬合精度較高。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于近紅外技術(shù)的氣液兩相流相含率檢測裝置，克服了光路在流道內(nèi)反射、折射等因光路復(fù)雜導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確等問題。本裝置經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量了液相流量為0.1 m3/h，氣相流量在0.06 m3/h和0.36 m3/h之間的6個工況點(diǎn)的相含率，并得到相含率與近紅外采樣幅值的數(shù)學(xué)模型，相對誤差保持在0.11%以內(nèi)，具有較好的測量精度，為氣液兩相流中相含率的檢測提供了一種新思路。

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（編輯：李妮）