雙聲道直射式氣體超聲波流量計(jì)濕氣虛高預(yù)測(cè)模型研究

李 濤,袁 超,齊鋒鋒,徐 英,艾克拜爾·麥麥提

(1.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院,天津 300072;2.天津市過程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072;3.新疆維吾爾自治區(qū)計(jì)量測(cè)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(jī)構(gòu)對(duì)濕氣有不同的定義,由ISO/TR 11583技術(shù)報(bào)告[1]可知,在工況條件下,當(dāng)氣液兩相流的體積含氣率大于95%時(shí)可視為濕氣;按照美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)(ASME)的說法,當(dāng)氣液兩相流的Lockhart-Martinelli參數(shù)(即L-M參數(shù))小于0.3時(shí)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(jì)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(jì)分別計(jì)量氣相和液相的流量。這種方法的缺點(diǎn)是投資高、占用空間大[3-5],而且當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)工況發(fā)生較大變化時(shí),分離器并不能保證對(duì)各相100%的分離。在線不分離計(jì)量作為一種新的技術(shù),與傳統(tǒng)分離計(jì)量相比,具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)能信息、簡(jiǎn)化工藝設(shè)計(jì)、投資費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)[6],越來越受到人們的重視。因此,研究各種單相流量計(jì)測(cè)量濕氣的特性是濕氣在線不分離計(jì)量一項(xiàng)十分重要的工作。

20世紀(jì)90年代初期,英國(guó)天然氣公司(British gas)、英國(guó)石油公司(British petroleum)、康菲石油公司(Conoco)、挪威國(guó)家石油公司(Statoil)、丹尼爾公司(Daniel)等組建了一個(gè)聯(lián)合工業(yè)項(xiàng)目(JIP,joint industrial project),來研究超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣的性能[7-9],結(jié)果表明:超聲波流量計(jì)可以在一定的濕氣環(huán)境下工作;超聲波流量計(jì)比文丘里等差壓式流量計(jì)測(cè)量濕氣時(shí)的虛高小。近年來,國(guó)外的超聲波流量計(jì)公司,如SICK、Elster、Daniel等[10],對(duì)超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣進(jìn)行了深入的實(shí)驗(yàn)研究。他們的目的主要是:通過流量計(jì)的自我診斷或者優(yōu)化流量計(jì)聲道的布置方式,使流量計(jì)更適用于濕氣測(cè)量;為超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣流量這一應(yīng)用尋找統(tǒng)一的修正算法;制定使用超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣流量的測(cè)試準(zhǔn)則等。在國(guó)內(nèi),張強(qiáng)等[11]研究分析了用V型反射式雙聲道超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣的特性,超聲波流量計(jì)虛高較小,且L-M參數(shù)對(duì)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(nèi)氣相預(yù)測(cè)誤差不高于3%;徐英等[12]以Z法氣體超聲波流量計(jì)為研究對(duì)象,得出了測(cè)量濕氣時(shí)虛高與截面含氣率的關(guān)系,比較了5種水平流動(dòng)條件下截面含氣率模型對(duì)濕氣測(cè)量虛高的修正結(jié)果,基于Armand-Massina模型得到了濕氣測(cè)量虛高預(yù)測(cè)模型,在壓力為0.2～0.6 MPa,L-M參數(shù)小于0.16的工況下,該模型預(yù)測(cè)虛高的相對(duì)誤差在±6%以內(nèi)(94.79%的數(shù)據(jù)點(diǎn)),標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.98%(95%置信區(qū)間)。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣的研究,雖然對(duì)其測(cè)量濕氣的虛高有了一些修正方法,但是,不同結(jié)構(gòu)形式的超聲波流量計(jì)需要使用不同的濕氣虛高修正模型。本研究針對(duì)水平管內(nèi)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(jì)為研究對(duì)象,分析其虛高的來源,并通過實(shí)流實(shí)驗(yàn),結(jié)合L-M截面含氣率模型,建立了超聲波流量計(jì)的虛高預(yù)測(cè)模型。

1 測(cè)量理論

1.1 超聲波流量計(jì)測(cè)量原理

超聲波流量計(jì)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(shí)間差,超聲波流量計(jì)通過測(cè)量上述時(shí)間差,可以計(jì)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(jì)俯視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。由于其兩個(gè)聲道平行,所以俯視結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖(俯視圖)

按照?qǐng)D1中的流體流動(dòng)方向,換能器A發(fā)射超聲波信號(hào),換能器B接收超聲波信號(hào),記為順流傳播時(shí)間t1;換能器B發(fā)射超聲波信號(hào),換能器A接收超聲波信號(hào),記為逆流傳播時(shí)間t2。設(shè)換能器A和B之間的信號(hào)傳播距離為L(zhǎng),信號(hào)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(jì)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(duì)于雙聲道平行直射式超聲波流量計(jì),其對(duì)管道中的流場(chǎng)有一個(gè)修正系數(shù)Kc,則流體的體積流量Q的計(jì)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(jì)在濕氣條件下的測(cè)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(jì)測(cè)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(jì)測(cè)量濕氣原理圖

在濕氣分層流中,液相很少能到達(dá)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(hào)傳播介質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)小于管道內(nèi)徑,因此超聲波在液膜中的傳播時(shí)間可以忽略。同時(shí),假設(shè)濕氣中少量的液相對(duì)氣相單相的整體流場(chǎng)的影響可以忽略,那么超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣時(shí)的流場(chǎng)修正系數(shù),與測(cè)量單相時(shí)的流場(chǎng)修正系數(shù)一樣,都為Kc。綜合以上幾點(diǎn)可知,相比于測(cè)量單相氣體,超聲波流量計(jì)在測(cè)量濕氣時(shí),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(jì)測(cè)量濕氣分層流和環(huán)狀流時(shí)的流量QG的計(jì)算公式如式(5)所示。

(5)

超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣時(shí),如果不加以修正,仍然使用式(4)計(jì)算流體的體積流量,那么測(cè)量得到是其虛高流量QOR。因?yàn)锳>AG,所以QOR大于氣體的實(shí)際流量。結(jié)合濕氣測(cè)量中虛高的定義[14],超聲波流量計(jì)測(cè)量濕氣時(shí)的虛高ΦG的表達(dá)式如式(6)所示。

(6)

式中α為濕氣測(cè)量中的截面含氣率,α=AG/A。

通過以上理論推導(dǎo)分析可以得到,在一定的假設(shè)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(jì)測(cè)量濕氣的虛高。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

本研究選取FLOWSIC600氣體超聲波流量計(jì)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,其有2個(gè)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(jì)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(shè)計(jì)壓力為10 MPa,設(shè)計(jì)溫度為-40～60 ℃,精度等級(jí)為1.0級(jí),重復(fù)性小于0.1%。該型號(hào)流量計(jì)配有專門的診斷和配置軟件MEPAFLOW600 CBM,可以實(shí)時(shí)顯示并存儲(chǔ)流體測(cè)量參數(shù)、系統(tǒng)診斷信息等。

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置

在天津大學(xué)流量實(shí)驗(yàn)室(屬于天津市過程檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)的可調(diào)壓中壓濕氣流量實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行超聲波流量計(jì)濕氣實(shí)驗(yàn),該裝置主要由氣相標(biāo)準(zhǔn)管路、液相標(biāo)準(zhǔn)管路、水平實(shí)驗(yàn)管路和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成,實(shí)驗(yàn)裝置原理圖如圖4所示。其可調(diào)壓力范圍為0～1.6 MPa;氣相介質(zhì)為空氣,可調(diào)工況流量范圍為10～400 m3/h,氣相管路標(biāo)準(zhǔn)表為渦輪流量計(jì),精度1.0級(jí);液相介質(zhì)為水,可調(diào)工況流量范圍為0.05～8 m3/h,液相管路標(biāo)準(zhǔn)表為電磁流量計(jì),精度0.35級(jí)。

圖4 可調(diào)壓中壓濕氣流量實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

工作原理為:外界空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)壓縮,進(jìn)入裝置閉合回路并達(dá)到所需壓力;壓力穩(wěn)定后,活塞風(fēng)機(jī)運(yùn)行,使氣相回路中的氣體循環(huán)流動(dòng);水泵運(yùn)行,使液相回路里的水循環(huán)流動(dòng);空氣經(jīng)過氣相標(biāo)準(zhǔn)表,水經(jīng)過液相標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)管道,流經(jīng)被檢表進(jìn)行測(cè)量;而后到達(dá)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(jì)在實(shí)驗(yàn)裝置上的的安裝位置如圖5所示,在流量計(jì)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(shí)際的濕氣流型。

圖5 FLOWSIC600安裝位置圖

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

實(shí)驗(yàn)以氣相表觀流速usg、工況壓力p、體積含液率LVF為變量,根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求及裝置的能力,確定了132個(gè)實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)。其中usg為5～20 m/s,p為0.2～0.8 MPa,LVF最大值為5%,具體實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)時(shí),每個(gè)工況點(diǎn)采集3次數(shù)據(jù),每次采集30組數(shù)據(jù),以30組數(shù)據(jù)的平均值作為有效測(cè)量數(shù)據(jù),進(jìn)行后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)工況下聲道性能的判別

實(shí)驗(yàn)中,人員通過透明視窗可以觀察到各工況點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究表明,氣體超聲波流量計(jì)在測(cè)量濕氣時(shí),液相的存在對(duì)超聲波信號(hào)的傳播會(huì)產(chǎn)生不利的影響。特別是當(dāng)液相流量增大到一定程度時(shí),超聲波流量計(jì)的通道會(huì)失效,使流量計(jì)不能正常計(jì)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(dǎo)致超聲波脈沖信號(hào)不能正常進(jìn)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(jì)聲道的獨(dú)特布置方式,在含液率較高的一些實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)時(shí),聲道2會(huì)失效,導(dǎo)致流量計(jì)不能正常工作,可以通過MEPAFLOW600 CBM軟件對(duì)通道的工作性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

表2為實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)下,對(duì)超聲波流量計(jì)工作正常與否的判別,表中粗實(shí)線左側(cè)的工況點(diǎn),表示在此工況點(diǎn)時(shí),超聲波流量計(jì)聲道1和2正常工作,流量計(jì)正常計(jì)量;粗實(shí)線右側(cè)的工況點(diǎn),表示在此工況點(diǎn)時(shí),超聲波流量計(jì)聲道2失效,流量計(jì)不能正常計(jì)量。從表2可以看出,在實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)下:

表2 超聲波流量計(jì)工作正常與否判別表

(1)壓力一定時(shí),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(shí),壓力越高,超聲波流量計(jì)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(shù)據(jù),都是在通道1和2正常工作時(shí)的工況點(diǎn)下所測(cè)的數(shù)據(jù)。

3.2 測(cè)量重復(fù)性

測(cè)量重復(fù)性是指在相同測(cè)量條件下,對(duì)同一被測(cè)量進(jìn)行連續(xù)多次測(cè)量所得結(jié)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(jì)濕氣流量測(cè)量的重復(fù)性是反映其在同一工況點(diǎn)多次測(cè)量值穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。測(cè)量重復(fù)性δk如式(7)所示。

(7)

4個(gè)不同壓力實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)下,所測(cè)流量的測(cè)量重復(fù)性如圖7所示。從圖7可以得出,在超聲波流量計(jì)正常測(cè)量濕氣時(shí),流量測(cè)量重復(fù)性與壓力、氣相表觀流速、含液率之間沒有一定的規(guī)律。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)計(jì)算,有93.6%工況點(diǎn)下的測(cè)量重復(fù)性小于1%,所有測(cè)量重復(fù)性的平均值為0.41%。由此可見,在濕氣條件下,超聲波流量計(jì)在正常測(cè)量時(shí),一致性很好。

(a)p=0.2 MPa

3.3 虛高預(yù)測(cè)模型及預(yù)測(cè)結(jié)果分析

由1.2節(jié)的理論分析可知,對(duì)于雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計(jì),其測(cè)濕氣時(shí),可以用截面含氣率模型直接進(jìn)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?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(dòng)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(dòng)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(jì)濕氣虛高的預(yù)測(cè)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(jì)濕氣虛高預(yù)測(cè)模型的相對(duì)誤差如圖8所示。從圖8可以看出,虛高預(yù)測(cè)模型的整體相對(duì)誤差在±6%以內(nèi),經(jīng)過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),約有90.3%的相對(duì)誤差在±4%以內(nèi);隨著體積含液率升高,預(yù)測(cè)模型的誤差呈整體上升的趨勢(shì),這是因?yàn)殡S著液相增加,管道壁面上的液膜對(duì)超聲波探頭發(fā)射和接收信號(hào)以及信號(hào)的傳播過程產(chǎn)生較大的影響,進(jìn)而影響到信號(hào)處理的結(jié)果,使流量計(jì)測(cè)量誤差增大。

圖8 虛高預(yù)測(cè)模型相對(duì)誤差

同時(shí),基于L-M截面含氣率模型預(yù)測(cè)的虛高與實(shí)際虛高仍然存在一定的誤差,進(jìn)一步分析如下:

(1)在理論分析超聲波流量計(jì)虛高產(chǎn)生機(jī)理時(shí),忽略了超聲波信號(hào)在液膜中的傳播時(shí)間,同時(shí),實(shí)際工況中,液膜并不是非常平滑,而是有一定的波動(dòng),這種波動(dòng)會(huì)對(duì)流量計(jì)的測(cè)量產(chǎn)生一定影響;

(2)忽略了液相對(duì)超聲波流量計(jì)流場(chǎng)系數(shù)Kc的影響。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)雙聲道平行直射式氣體超聲波流量計(jì)開展研究,通過其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和測(cè)量原理,分析了其測(cè)量濕氣時(shí)虛高的產(chǎn)生來源,并基于L-M截面含氣率模型為其建立了虛高預(yù)測(cè)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(nèi),在超聲波流量計(jì)能正常工作的情況下:

(1)上述虛高預(yù)測(cè)模型的整體相對(duì)誤差在±6%以內(nèi),90.3%的相對(duì)誤差在±4%以內(nèi);

(2)93.6%實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)下的測(cè)量重復(fù)性小于1%,整體測(cè)量重復(fù)性的平均值為0.41%。