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基于科氏质量流量计的两相流计量方法研究


文章日期:2017-06-17|阅读数:


基于黏性流体的气泡模型,以空气-水为介质,对科氏质量流量计应用于空气-水两相流流量计量的方法进行了实验研究。根据密度降对质量流量计测得的混合密度进行修正,得到两相流的含气率;根据气泡模型对测得的质量流量进行修正。当含气率小于8%时,修正后气液两相混合流体的密度相对误差在2%以内。修正后的质量流量相对误差小于修正前的相对误差。该方法避开了对滑脱速度、干度等复杂关系的分析,为含气率较低时两相流质量流量的准确测量提供了一种较好的解决方法。

0.引 言

石油石化气、液两相在流动过程中相互作用,分相流量的检测难度很大。大多油田采用分离计量法计量原油的分相流量。这种方法气液分离效果较差,往往在液相中混有一定量的气体;混有的气体对液相流量的计量精度有很大影响,也影响气体流量的准确测量。气液两相流的动态特性比较复杂,导致气液两相流流量的准确计量存在很大难度。

科氏流量计能够测量单相流体的质量流量,在测量气液两相流时不准确,产生较大的测量误差,在很大程度上限制了科氏流量计在石油等行业中的应用。国内外很多学者对此进行了研究,但科氏流量计测量气液两相介质参数时误差仍然较大,中国还没有成熟的应用于两相流参数计量的流量计。本文利用黏性流体气泡模型对科氏流量计测得的质量流量和密度进行修正,以减小科氏流量计测量气液两相流的误差。

 

1.实验装置

 

实验在中国石油大学(华东)多相流试验平台上进行。实验介质为水、压缩空气。实验装置如图1所示。1号质量流量计为高准100M329型科氏流量计,气体流量计为孔板流量计;2号(科氏)质量流量计计量不同含气率下气液两相流的质量流量、密度等参数。实验中,液相流量3.5~16m3/h,气相流量0.07~2.5m3/h,表压0.25~0.4MPa。

 

 安全1.jpg

在实验介质供应系统中,水由泵泵送,经调节阀调压后,经1号质量流量计计量后送入混合器。单相气体经空气压缩机压缩,再经调节阀调压后,经气体流量计计量后送入混合器。气体流量计为不同口径的孔板流量计,针对不同实验工况采用不同口径孔板流量计计量气体流量。气液两相经混合器均匀混合后,沿一段长约354m,直径约81mm 的管道流动,达到稳定状态,然后进入实验环道测试。实验装置设置了末点处理系统,以测量流体是否进入稳定状态。在实验环道,由2号质量流量计计量气液两相流瞬时质量流量、混合密度和温度。在实验环道内,环道水平安装,2号科氏质量流量计垂直于环道安装。***后,气液两相流经气液分离器分离,气体排空,水返回水箱。

 

图2为气液两相流混合液流经科氏传感器的示意图。在图2中,驱动装置使科氏力传感器测量管以固定频率进行振动。测量管的两侧有检测线圈及其磁铁构成的左右检测器。当测量管中有介质流动时,检测器检测到流动与振动耦合作用导致的附加位移,此附加位移与测量管中介质的质量流量有关,因此可通过测量此附加位移计算测量管中介质的质量流量。当含气介质在测量管中流动时,测得的质量流量瞬时变化。

 

 

 

2.气泡模型

 

Hemp等提出了黏性流体的气泡模型,该模型综合考虑气相速度和流体黏性,指出:

 

(1)对于黏度为0的流体质量流量测量误差为

误差2.jpg

3.实验结果分析

 

在大部分两相流工况下,气相的存在使得科氏流量计不能准确测量液相质量流量。本文对质量流量计测得的混合密度进行修正,再结合两相流的含气率,根据气泡模型对测得的质量流量进行修正。

 误差3.jpg

气液两相流混合密度为修正前后的两相流密度相对误差见图4。图4中,修正后气液两相混合流体的密度相对误差明显变小,且保持在2%以内;密度降小于6%的气液两相流基本为泡状流型,气体呈细小的泡沫状流动,且较均匀分布在测量管中,细小气泡的存在使得气液两相流的密度略小于液相密度。当泡状流态的两相流流经科氏传感器检测元件时,产生的力矩偏小,传感器左右检测信号的相位差也偏小,导致科氏质量流量计的质量流量和密度测量出现误差。但由于气泡较小且分布均匀,因此该误差较小。当密度降大于6%时,出现较大的非均匀分布的大气泡,当密度降大于10%时,出现段塞流型,气液两相流密度减小,此时,流体作用在传感器检测元件处的力矩变化较大,导致质量流量和密度测量出现较大误差。将测量密度修正为真实密度有助于改善质量流量的测

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4.结 论

 

(1)利用黏性流体气泡模型对科氏流量计应用于气水两相流计量进行实验研究。泡状流态的两相流流经科氏传感器检测元件时,科氏质量流量计的质量流量和密度测量误差较小,段塞流型的气液两相流密度偏小,质量流量和密度测量出现较大误差。

 

(2)修正后气液两相混合流体的密度相对误差明显变小,误差在2%以内。当空隙率较小时,修正后的质量流量相对误差主要分布在2%以内,修正效果较好。当空隙率较大时,科氏流量计测量管拾振信号小,噪声大,对测量结果的准确性有很大影响,修正效果较差。

 

(3)在实验范围内,修正后的质量流量相对误差均好于修正前的相对误差。由于实验条件所限,本文密度修正关系适用的工况有限。

 

 

 

 

 



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