（测试计量技术及仪器专业论文）多相流标准试验装置的设计及试验研究.pdf

中国计量科学研究院硕士学位论文 摘要 多相流动系统在自然界和工业过程中涉及的范围日趋广泛，应用也越来越熏要，目前已 成为国内外给予极大关注的前沿学誊 。多相流系统应用范围的广泛性健进了多相沆领域磷究 工作的迅速发展，也使得多相流参数检测技术的研究其有重大意义。 多相流系统是一个复杂的 线性系统，由于多楣滚动中各相闻存在着爨瑟效应和楣对速 度，相界面在时间上和空间上都是随机可变的，所以其流动特性远比单相流系统复杂，其特 惩参数也魄单媚流要多。蠹予多棚流的睫机性和复杂性，致使多相漉参数检测的难度缀大， 为此国内外均做了大量的研究工作。多相流参数测试技术在国际上属于一个急待发展的探索 研究领域。 本课题是油气水多相流标准试验装置的设计及试验研究，在油气水多相流标准试验装置 上完成对多耪流量计豹不确定度评价及其性能浏试工作。该装置既可| l 于油气水多相滚，也 可用于气水两相流，也可用于油、气、水各单相流。旨在通过大量实验，用多相流标准试验 装霆来实现各种多楣演流戮调节和多胡滤滤量量值的复现等润逡，以便彳寻翻毒关多耜流魏更 多的规律性的东荫，在检测多相流的领域中做出一些有意义的工作。 本文主要完成了以下工作： 1 多相流标准试验装置的设计。 我 f 确定了浦气承多撩流标漆试验装爨的设诗方案，并将方寨付诸实麓，建成了多相沆 实验室。其中我们搭建了两个实验台，一个用于气水两相流试验，另一个用于油气水多相流试 验。这是因为杰做气水藤棚流试验辩，当气本分离时气俗可壹接放空，水可以循繇利蹋：葡在做 油气水多相流试骏时，油水分离出的油相和水相必须经过处理，并且不能循环利用以免造成污 染。 2 装置的流通能力计算。 通遮对气媚和承稿滤体豹警路的蓬力计算，褥知出滤鲎标准装蠢的瓣时流量可达到 4 0 m3 ，气体( 空气) 流量标准装置的瞬时流量可达到为1 2 0 m 3 自。 3 对装鬟不确定艘豹浮终。 流量标准装最( 容积法) 的不确定度可达到0 1 ；油、气装置( 标准表法) 的不确定度 可达到o 。5 。通过试验结累和计算褥知，水流量标准装要( 容积法) 的不确定发可达到o 。1 ， 气流量标准装置( 标准表法) 的不确定度可达到1 。 关键词：多相流，标准试验装置，流通能力，不确定度，流墅 1 中国计量科学研究院硕士学位论文 a b s t r a c t t h c 盯o fm u l t i p l l a s cn o w s y s e mi sm o r e 纽dm o r ee x t e 璐i v ei i lt l l en a t u r ea i l di n d i l s 埘a 王 p r o c e s sa n d 也ea p p l i c a t i o n sa r em o r e 柚dm o r ei n l p o r t a n t n o wt h cm u m p h 船ef l o ws y s t e mh 船 a l r e a d yb e c o m eap r e c e d i n gs u b j e c t m a n yc x p e n sa l lo v e rt 1 1 ew o r l da r ek e 印i n g 龇e y eo ni t t h e 砌v e r 鼢1 i 够o ft 1 1 e 置p p l j c a t i d 璐o ft 1 1 em u l l j p l l a n o ws ) ，s e mh a sp r o m o t e dt h e 瑚【p i dd e v e l o p m e n t o f 廿l er e s e a r c h w o r k o f t h e m u h i p h a s e n o w a n d m ：l l s b r i n g s a g r e a ts i g n j f i c a n c e t o t h es 嘣yo f 龇 m l l l t i p h a s en o wp a 黜l e t e rm e 鹤u r e m e n tt e c h m q u e t h em l i l t i p h 鹊en o w s y s t e mi sac o m p l i c 删觚dn o m i n e 盯s y s t 锄b e c a l l s et l l e a r e 抽t e r f 犯e e 舭c t s 锄dar c l a t i v cv e l o c 时锄o n gc a c hp h 船e ，t h ei n t e m c co f t h ep h 弱ei sr a l l d o m 锄da l t e r a b l e i nt c m l so f t i m ea i l ds p a c e s oi t sf l o wc h a r a c t e r i s t i ci sm o r cc o m p l e xt l l a l lt 1 1 a to f t t l es i n g l ep h a s e s y s t e m ，a l l dt h i ss y s t e mh a sm o r ec h a m c t c r i s t i cp a 姐m e t e r s 也a nt h es i i l g l ep h 嬲es y s t e m d u et om e r a n d o i i l i c i t ya n dc o m p l e x i t yo ft h cm u h i p h 硒en o w ，m e r ei sa g r e a td i 蚯c u l t ymm e a s u r i n gt l l e p a r a m e t e ro f t l l em u l t i p h a s en o w m a l l ye x p e r t sa l lo v e rt h e 、v o r l dh a v ed o n eal o to f 豫s e a c hw o r k t h ep a 彻e t e rm e a s l l r e m e mt e c h i l i q u eo ft l l e m u l t i p h a s en o wh a sb e c o m ea ni n l p o r t a m i 1 1 t e m a t i o n a lr e s e a r c hf i e l dw l l i c hd e s e r v e sm o r eu 玛e n te f f b r t s 。 t h ep r o b l 锄i st 1 1 ed e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e 甜c ho fs t 锄d a r de q u i p m e n to fo i 卜二g a r w a t e rm u h i p h a s en o w b a s e do nt h e e q u i p m e n t ，t l l e 髂s e s s m e n to f u n c e 妇i n 够a n d c a p a b i l i t yt e s to f m em l l l t i p h a s ef l o wn o w m e t e rc 锄b ec a r r i e do m t h ee q u i p m e n tc a i ln o to n l yb ea p p l i e dmo i 卜 g a s 1 l ，a t e rm u l t i p h a s en o w ，b u ta l s oi i lg 舶_ - 。w a t e rt v ，o p h 髂ef l o w t h ea i mi st or e a i i z ct h e a d j u s n i l e mo fn o wp a n e m so f 也em u l t i p l l a 船n o wa n dt l l er e p e a t a b i l 时o f n o wv a l u eo f q u a m i t y ， s ow ec o u l dg a i nm o r em l e sa b o u tt 1 1 em u l t i p h a s ef l o wa n dd os o m es i g n i f i c a n tw o r ki i lt h ef i e l di n m e a s u r i n g 也er n u l t i p h 丑s ef l o w t h em a i l lc o m r i b u t i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 t h ed c s i 驴o fs t a i l d a r dc q u i p m e mo f1 h em u l t i p h 船en o w w ed e s i g i l e dt i 抡s c h c m eo ft l l e 眺l d a r de q u i p m e n to ft l l em l l l t i p h 髂en o w 趾dp u t “i n t oe 恐c t n em 洲p i l a s e 虹o wl a b o m t o r y h a sb e e ns c tu p w es e tu pt w oe x p e r i l e n t a l 诅b l c - b o 矾s 0 n ei sl l s e df o rg a 曲琵似r 0 卞h a s e f i o w ，m eo 也e ri su s e df o ro i l 。g 勰1 】l ，a t e rm u l t i p h a s ef l o w b e c a u s ew h e n w ed ot h ce x p e r i m e mo f g a s 唧a t e r 押，o p 1 1 a s en o w ，t 1 1 eg 踮c a i lb er e l e 鹪e ds t l 葡g h tt o 也ea i r ，a i l dt l l ew a t e rc 她b e r e c y c l e d ；h o 、e v e r ，w h e nw ed ot l l ee x p e 痂n e n to fo i l 屯髂钾a t c rm u h i p h a n o 、v ，t h ew a t e ra n d 2 中国计量科学研究院硕士学位论文 s o l i dm l l s tb et r c a t e d f u n l l e n i l o r c ，t l l e y 咖n o tb e 麟y c l e d t oa v o i d p o l i l n i o n 2 t h ec a l c u l a l i o no fc u l a t i n gc 印a c i t yo f1 h ce 删p m e n t a c c o r d m g t o1 l l er e s i s t a l l c ec a l c u l a t i o n o f m ep i p e l mo f t l l eg a s 孤dw a t c r ，w cb a v e 挑a c o n c i u s i o nm a t t l l e i l l 咖眦o u s n o w o f 也c n o ws t a n d a r de q u i p m e n tf o rw a t e rc a i lr c a c h4 0 坍3 ， a 1 1 d 也ei n 咖衄l e o i l sn o wo f 岫n o w s t a n d a r de q u i p m c n tf o rg 船( a 埘c 锄r e a c h1 2 0 m ， 3 1 1 1 e 鼬s s m e mo fu n c e n a i n 哆o ft l l ec q u i p m e n t t h eu n c e r t a i l y i y o ft h en o ws 锄d a r d e q u i p m e n t ( t l l em e t h o df o rd i m e n s i o n ) i sf o r e s e e nt oa c i l i e v eo 1 ；t h eu n c e r t a i n t yo ft h en o w g t a n d a r de q u i p m e n tf o ro i l 、g a s ( m em e t h o df o rs t 锄d a r dn o w m e t e r ) i sf o r e s e e n t oa c l l i e v e0 5 w 色 c a l id m wac o n c l u s i o n 五mt 1 1 ee x p e r i m e n t a l 此姐l tm a tt h eu n c c r t a i n t yo ft h cn o ws t a i l 枷 e q u i p m e n tf o rw a t e r ( 也em e m o d f o rd i i n c n s i o n ) c a na c h i e v eo 1 ；m c e n a 脚o f t l l en o w s t a n d a r de q u i p m e mf o rg a s ( t h em 劬o df o rs t 她d a r df l o w m e t e r ) c a n a c l l i e v el k e yw o r d s ：m u m p h 邪en o w ，也es t 锄d a f de x p 舐m e n t a le q u i p m e 鸲c i r c u l a t i n gc 印a c i 咄 1 c e r t a i n t y f l o wp a t t e m s 3 第一章绪论 摘要 第一章绪论 本章介绍了多相流的基本概念，多相流检测中的主要参数以及多相流检测技术 研究的重要意义。对多相流检测技术的发展现状进行了简要的回顾，并简单展望了 多相流检测技术的发展趋势。最后说明了本文的主要研究内容和工作意义。 主要内容 多相流基本概念 多相流主要检测参数 多相流检测技术研究的主要意义 多相流参数检测技术的发展现状与趋势 本文的主要工作和意义 第一章绪论 1 1 多相流概述 相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分， 各相之间有明显可分的界面。所谓多相流，通常是指同时存在两种或多种相的物质流动， 包括气、液两相流，气、固两相流，液、固两相流，液、液两相流以及气、液、固多相流【3 1 。 工业中常见的多相流有：气液两相流、气固两相流、液固两相流、气液液、气液固和 液液固等多相流。 气体、液体和固体颗粒混合在一起的流动称气液固三相流；气体与两种不能均匀混合、 互不相溶的液体混合物在一起的共同流动称为气液液三相流；两种不能均匀混合、互不相 溶的液体与固体颗粒混合在一起的共同流动称为液液固三相流。 多相流系统遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工业和军工等各个工业领域【5 5 1 ，煤粉 输送、原油开采、污水排放、浆料输送、粉尘测量、气力输送等生产过程测试均属于多相 流的测量问题。在油田油井及井口内的原油一水气砂粒的三种以上相态物质的混合物 流动，油品加氢和精制中的滴流床，淤浆反应器以及化学合成和生化反应器中的悬浮床等 均存在气液固、液液固、气液液等多种多相流。 1 2 多相流参数检测 1 2 1 多相流主要检测参数 由于多相流动中各相间存在着界面效应和相对速度，相界面在时间上和空间上都是随 机可变的，所以其流动特性远比单相流系统复杂，其特征参数也比单相流要多。现在将常 用的多相流主要参数介绍如下【3 0 】： 一截面分相含率1 2 】 某相的流动在任意流通截面上所占通道截面积与总的流通截面积之比称做该相的真 实相含率或截面相含率。对气液两相流，气相的真实相含率又称截面含气率、真实含气率 或空隙率，用口表示。而液相所占截面积与总的流通截面积之比称做截面含液率。用( 1 一口) 表示。 二速度【3 】 由于两相流动中存在相对速度，所以除了以混合流体的平均描述外，还必须采用分相 流速来表示。两个分相流速可以用与平均流速的差值表示相对速度，也可以用两个分相流 速之比表示流速滑移比。 第一章绪论 三流量 采用不同的单位制，可分别用容积流量或质量流量表示。对于各相，可用分相容积流 量、分相质量流量描述，对于两相混合物的流量，可用平均容积流量和平均质量流量来描 述。 四压力降 压力降也是油气水多相流动中的基本参数之一多相流的压力降与各分相压力降之间 已建立了许多可供工程应用的理论的、实验的和半经验的关联式。 五流型 流型是流体流动的形式或结构。多相流存在随机可变相界面使多相流动形式多种多 样，十分复杂。多相流流型不同，不但影响多相流的流动特性和传热传质性能，而且多相 流其他参数的准确测量也往往依赖于对流型的了解。 ( 一) 气液两相流流型分类 1 垂直上升管中绝热两相流的流型 图1 1 示出了垂直上升管中的几种典型的气液两相流流型嘲。垂直下降管中的流 型与垂直上升管中的流型相似。 气泡流 弹状流 乳沫状漉 ( 塞状流) 图1 1 垂直上升管中的气液两相流流型 ( 1 ) 气泡流：在连续的液相中含有分散的小气泡，气泡较多时形成沫状流动。 ( 2 ) 弹状流或塞状流：液相中含有头部呈弹头状、尾部是平的大气泡( 气弹) ，且一个大 气泡后面跟随着许多小气泡。 ( 3 ) 乳沫状流：气液两相以强烈的湍动的非均匀混合物形式流动，并伴有液相的激烈搅动。 对于小口径管道，这种脉动形式可能不发生，而从弹状流平滑地过渡到环状流。 ( 4 ) 环状流：液体沿管壁流动，形成一层液膜，而气相则在管道中心流动，其中夹带有一 3 、d蛆1叶h蛆疆hhqh嵋jl、鼬 1 0 效果好，工艺成熟占地面积大，浮油难处理 化学凝聚 乳化油 1 0 效果好，工艺成熟占地面积大，药剂用量多，污泥 难处理 电解乳化油 l o 除油率高。连续操作装置复杂，耗电量大，消耗大量 铝材，难大型化 电磁吸附乳化油 l o 设备小型化，操作简单滤料易堵，存在表面活性剂时效 果差 活性污泥 溶解油 1 0 适应性强，运行费用低基建费用高 吸附溶解油 1 0 出水水质好，设备占地吸附剂再生困难，投资较高 面积小 油水分离技术是当前处理石油污染水的关键技术之一，应根据不同种类油的性质和不同 的水质要求，采用不同的方法。 3 2 4 3 油水分离装置的实际应用 一井下油水分离系统结构【7 3 1 井下油水分离系统是将油井产出液在井下分离并将分离出的水回注地层的装置，双流泵， 和旋流器是其主要部件。其中双流泵由原液泵和浓液泵组成，原液泵将分离出的水回注到注 入层，浓液泵将分离出的油举升至地面。按传动部件和动力的不同，双流泵分为旋转式容积 泵、往复式容积泵、电潜离心泵和水力涡轮离心泵根据旋流器与油、水管牲连接和排列方 式的不同，井下油水分离系统可分为常规型、并列型及组合型三种。现场试用证明，使用井 下油水分离系统后，举升至地面的油液含水量呈数量级减少，采油成本降低，油井开采期限 延长，环境污染减少，从根本上解决了油田开发中高含水油井开采难的问题。 双流泵由低排量浓液泵和高排量原液泵及动力装置组成。动力装置可位于地面或井下， 两泵由同一动力驱动。原液泵向旋流器供液并提供旋流动力和注水压力，即将产出液泵入旋 流器，经此旋流器实施油水分离后，将分离出的水回注到注入层，故原液泵有时又叫注水泵： 浓液泵则把从旋流器中分离出的含水量较低的油液举升至地面，浓液泵有时也叫产油泵。 旋流器是利用密度不同，又不互溶的油水两相混合介质在高速旋转时产生不同的离心力 进行油水分离的。旋流器中没有运动部件，不需要动力操作，可靠性相对较高。 第三苹多相沉标准试验装置的设计 在同井回注的情况下，经旋流器分离后的水直接回注到注入层时，应准确了解注入地层 的水量。因此，需在旋流器出口或处理水流导管中安装压力流量测量仪和回压控制装置， 从而根据泵特性反馈的信息确定回注量。可采用各种方法控制回压，如单流阀或节流孔板。 回压控制装置还可避免停泵时注入层液体发生倒流。 使用井下油水分离系统时，油井通常采用单根管柱进行双层完井，即用可回收式封隔器 将采油层和注水层封隔开。在单根管柱底部设有开关装置，用以锁定和密封可回收式封隔器。 井下油水分离系统可在地面完成组装后再下入并中。为便于定位和回收，组装结构的两 端带有接箍，其螺纹应与标准的生产管柱螺纹相配合 二滩海油田高效油水分离装置【7 4 】 辽河滩海油田部分区块开始进入中高含水期，产出液大部分为油层水和油水乳化液，对 这种混相液进行油水分离已成为滩海油田生产中急需解决的关键问题之一。尤其是对未建技 术管网靠车船运油的区块，问题更加突出。为解决滩海油田油水分离问题，实现原油外运、 污水就地处理( 回注地层) ，辽河油田研制了适用于滩海油田的高效采出液处理装置v 系列 液一液动态旋流分离器。 ( 一) 动态旋流器相对于静态旋流器，具有压降小、效率高、操作弹性大等优点，且工作适应 性很强，可用于污水旋流除油，也可用于原油的旋流脱水净化。缺点是存在动平衡及动密封 问题，且设备结构复杂。 ( 二) 动态旋流器主要由电源输入装置、电动机、调频器、外筒、工作筒、导向叶轮、分离叶 轮、集流环等组成。 ( 三) 工作原理。多相混合液体沿入口螺旋槽进入( 见图3 5 ) ，在由电动机带动的分离叶轮驱 动下，靠粘性剪切作用，在工作筒内产生高速旋流，建立实现分离所需的离心力场，然后分 别由集流环的集油口和集水口排出，调整分离叶轮的转速即可调控内离心场的强度，从而达 到不同的分离质量要求，同时调整重相集流环尺寸来适应不同工况。 3 7 第三章多相流标准试验装置的设计 油承攫音波 一 轻质艘帽抽， - - - - - 羹质菠相t 承 图3 5v 系列液一液动态分离器结构 3 2 4 4 本装置的油水分离系统 一原设计方案一分离桶 通过实验和查阅有关资料，我们在设计油水一次分离箱时计划使用的结构如图3 ，6 所示， 由密闭桶、出油阀、出水阀、安全阀、浮子、挡板、消能结构和油水分离界面控制器等组成。 其结构特点如下：分离桶被一打满小孔的挡板隔开，混合流体通过消能结构流入左半部分， 右半部分为分离区，由于挡板有小孔，左右两部分流体相通，但右半部分( 即分离区) 不会 因有流体注入而对分离界面扰动过大。 第三章多相流标准试验装置的设计 图3 6 油水分离桶 1 进液口2 安全阀3 出油口4 出水口5 浮子6 、7 霍尔元件 分离桶工作过程是：开始时分离桶出水阀关闭，出油阀打开，从试验段流出的油气水三 相混合均匀的流体以一定的流速经进口消能装置流入分离桶左半部分，这时，油气水随时分 离，气体由出油阀放掉，油水初步分离但分离界面不清晰。由于分离桶挡板小孔连同左右两 半部分，流体同时流入右半部分，由于消能作用，流体己较平稳，油水分离界砸比较清晰， 正是由于分离桶的这一消能特殊结构，流体的注入对分离区的分离界面扰动已变的很小。随 着流体的不断流入，油水分离界面不断上升，油面到达出油阀后经出油阀流出到油分离箱， 这时水面继续上升，当分离界面上升到出油阀下面的上临界面时，处在分离界面上的浮子( 特 制的浮子刚好可以浮在油水界面上，这样浮子的位置就代表着油水分离界面的位置，浮子中 装有磁铁) 送出一信号给油水分离界面控制器，控制器使出油阀关闭，出水阀打开，水流出 到水分离箱，分离界面因此下降。当下降到出水阀上面的下临界面时，浮子送出一信号给油 水界面控制器，控制器使出水阀关闭，出油阀打开，如此循环，直至试验结束。 二改进后的油水分离装置 在和厂家合作实际操作制造多相流标准试验装置时，我们通过综合许多专家的意见，对 油水分离的装置做了一些改进，使之从实际上达到了更好的试验效果。 3 9 第三章多相流标准试验装置的设计 油水分离要达到更好的效果，除了混合液进口和油出口高度按两种液体密度差设计之外， 更主要的是要增加油水分离距离，使油水有足够的时间分离。同时在混合液流入分离装置时， 应尽量减少液体流动对油水分离产生的冲击、搅动等影响。所以在混合液进口和浮油出口之 间加上隔板，可以延长油水分离时间，减小液体流动对油水分离的影响。 使混合充分的油水混合物先流入上方的油水次分离箱，由于油水密度不同，采用沉降 原理进行粗分离，油相在上面，水相在下面，当油相的高度超过出油口时，油便会通过出油 口进入下面的油二次分离箱。水相则通过油水一次分离箱下面的出水阀进入下方的水二次分 离箱。见图3 7 。 1 广一 g j ，j 山油水笥 油水次分离箱一 a l j 水二次分离箱一 8 _ j i 太 一醇术口i l 出油口 图3 7 油水分离装置的示意图1 油水分离界面控制器 出水口 4 0 第三章多相流标准试验装置的设计 上面油水一欢分离箱的剖面圈h 图3 8 油水分离装置的示意图2 上面油水一次分膏箱的俯视图 有孔挡板 挡板 ， 图3 9 油水分离装置的示意图3 上面油水一次分离箱的剖面图e 上面油水一次分离箱的翩面圈f 有孔挡板 图3 1 0 油水分离装置的示意图4 上面油水一次分离箱的削面圈g 浮子运动轨迹 - 置 霞 图3 1 l 油水分离装置的示意图5 透明视窗 4 l 第三章多相流标准试验装置的设计 下面油= 次分膏箱和术二次分离糟的俯视圈 此处水二次分赢箱和油二欢分离箱相通 图3 1 2 油水分离装置的示意图6 油二扶分离箱的剖面圈c 油二次分离箱的剖面图d 图3 1 3 油水分离装置的示意图7 油二次分离箱的剖面圈l 图3 1 4 油水分离装置的示意图8 通往储油箱的出油口 第三章多相流标准试验装置的设计 水二款分离箱的剖面圈a 永二次分离籍的削面圈b 出水口 图3 1 5 油水分离装置的示意图9 水二次分离籍的剖面圈j 有孔挡板 图3 1 6 油水分离装置的示意图1 0 首先介绍一下上面的油水一次分离箱的结构。我们原来设计时，油水一次分离箱上面有 一个出油阀，下面有一个出水阀，都通过油水分离界面控制器用来控制出油阀、出水阀的开 关以分离水和油。现在我们仍然利用油和水的密度不同的原理采取沉降分离的方法。所不同 的是，油水一次分离箱上面的出油阀不通过油水分离界面控制器控制，分离箱的最高点比出 油口高出一定的距离。而出水阀还是由油水分离界面控制器控制的( 见图3 7 ) 。 当流体不断地流入油水一次分离箱时，通过里面的消能结构( 两层挡板，一个上面均匀 地打着小孔，另一个没有打小孔，起着消能的作用) ，流体逐步变的平稳( 见图3 8 、图3 9 、 图3 1 0 ) 。油水分离界面不断上升，这时下面的出水阀是关的。在油水一次分离箱上装有透 明视窗，来观察油水分离界面的位置( 见图3 1 1 ) 。并且还装有固定放置霍尔元件的通道， 当浮子达到此位置时，便可送出信号来控制出水阀的开关。油面上升到出油口的高度后，油 相经出油口流出到下方的油二次分离箱，这时油水混合物继续注入到油水一次分离箱中，油 水混合物的分离界面不断上升，当浮子上升到霍尔元件所在的上临界面的位置时，处在分离 界面上的浮子送出一信号给油水分离界面控制器，控制器使位于油水一次分离箱下边的出水 阀打开，水流出到下方的水二次分离箱，分离界面因此下降，以防止水流进出油口。当油水 4 3 o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 。 第三章多相流标准试验装置的设计 混合物的分离界面下降到霍尔元件所在的下临界面的位置时，浮子送出一信号给油水界面控 制器，控制器使出水阀关闭，以防止油进入水分离箱，如此循环，直至试验结束。 下面再介绍一下位于油水一次分离箱下方的油二次分离箱和水二次分离箱的结构。当油 从油水一次分离箱的出油口流入油二次分离箱后( 见图3 1 2 、图3 1 3 、图3 1 4 ) ，通过类似 的消能结构，流体逐渐平稳，油二次分离箱与储油箱通过出油口相连，当油面高度超过油二 次分离箱的出油口时，油就会通过出油口流入储油箱。水从油水一次分离箱的出水口流入水 二次分离箱( 见图3 1 2 、图3 1 5 、图3 1 6 ) ，通过类似的消能结构，流体逐渐平稳。由于油 水第一次分离不够充分，水二次分离箱里的流体也是油水混合物。油水分层后，当水二次分 离箱油面的高度超过油二次分离箱和水二次分离箱之间挡板时，油通过高度差流入油二次分 离箱。我们采取同样的方法，在水二次分离箱上也装有透明视窗和固定放置霍尔元件的通道， 利用油水分离界面控制器来控制水二次分离箱下方出水阀的开关，既防止水流入油二次分离 箱，又防止油流入出水口。 油二次分离箱中的油进入储油箱，油二次分离箱中的水通过升压泵再次进入油水一次分 离箱，水二次分离箱中的油定期回油，送到油二次分离箱中，水二次分离箱中的水由于受到 油污染，要进行处理，不能直接送入水池。在做油气水多相流试验时，油水分离出的油相和 水相必须经过处理，分离出来的水不能循环利用以免对环境造成污染。 三油水分离界面控制器 油水分离界面控制器用来控制出油阀、出水阀的开关从而达到控制油水分离界面的目 的，由霍尔元件、r s 触发器( 7 4 l s o o ) 、u l n 2 0 0 3 a 接口芯片、继电器及电源组成见图3 1 7 。 a 2 4 v 电源b 7 8 1 2c 7 8 0 5d 7 4 l s o oe u l n 2 0 0 3 接口芯片f 、g 继电器 h 、i 、j 、k 霍尔元件 图3 1 7 油水分离界面控制器电路图 第三苹多相梳标准试验装置的设计 工作原理：h 、i 通过由两个与非门组成的触发器( 7 4 l s o o 【5 刀) ，所以h 和i 通过7 4 l s 0 0 的信号如有一个为高电平，另一个则为低电平，不可能同时为高电平或同时为低电平，同理 见霍尔元件j 和k 。其中霍尔元件h 和i 控制的是上面的油水一次分离箱的出水阀的开关， 霍尔元件j 和k 控制的是下面的水二次分离箱的的出水阀的开关。把霍尔元件h 安装在油水 次分离箱出油口下面的上l 临界面上，当浮子靠近霍尔元件h 时，其输出端输出一低电平， u l n 2 0 0 3 a 接口芯片的1 端为高电平，2 端为低电平，这时，其1 6 输出端输出低电平，继电器 f 闭合，由它所控制的电磁阀打开，即出水阀打开；与此同时，2 0 0 3 的1 5 输出端输出高电平， 继电器g 断开，由它控制的电磁阀关闭，即出水阀关闭。 ( 一) 霍尔元件闻 若在金属的两端通以控制电流i ，并在薄片的垂直方向上施加磁感应强度为b 的磁场， 那么，在垂直于电流和磁场的方向上( 即霍尔输出端之间) 将产生电动势( 霍尔电势或霍 尔电压) ，这种现象成为霍尔效应。霍尔元件一般采用具有n 型的锗、锑化铟和砷化铟等半导 体单晶材料造成。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。锗元件的输出虽然较小， 但它的温度性能和线性度却比较好。砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度 的影响却锑化铟要小，而且线性度也较好，因此，采用砷化铟做霍尔元件的材料受到普遍重 视。般地，在高精度测量中，大多采用锗和砷化铟元件；作为敏感元件时，一般采用锑化 铟元件。 霍尔元件的结构很简单，它由霍尔片、引线和壳体组成。霍尔片是一块矩形半导体，在 长边的两个端面上焊上两根控制电流引线，在元件短边的中间以点的形式焊上两根霍尔输出 端引线，在焊接处要求接触电阻小，而且呈纯电阻性质( 欧姆接触) 。霍尔片一般用非磁性金 属、陶瓷或环氧树脂封装。 2 2 图3 1 8 霍尔元件示意图 ( 二) u l n 2 0 0 3 a u l n 2 0 0 3 a 是一种用途广、性能优异、负载能力强的通用接口芯片。它可以用作t t l 、c m 0 s 集成电路与外设的接口，取代分立元件驱动电路。该芯片在一个集成块内集成了完全相同的 。 4 5 第三章多相流标准试验装置的设计 7 个驱动单元；每路负载能力最大为5 0 0 l l l a 、5 0 v 。可驱动一般的直流继电器小功率指示灯、 l e d 发光二极管等。集成块内还有继流二极管，保证与电感性负载连接使用的安全。 图3 1 9 是u l n 2 0 0 3 a 内部电路方框图，图3 2 0 是其中一个驱动单元的实际线路图，由图可见， 它实际上是由二个三极管组成的达林顿驱动管再加几只二极管和电阻构成。 图3 1 9u l n 2 0 0 3 a 内部电路方框图 一 ：乱浊3 k 心 l 2 图3 2 0 一个驱动单元的实际线路图 3 2 5 量值检定系统 水流量标准试验装置的量值检定系统采用静态容积法与标准流量计相结合的方式，这样 在一套装置上同时采用标准量器与标准流量计主要考虑标准流量计在被校准与作为传递标准 时其工作条件完全相同，这样有利于装置工作精度的保证。 气流量标准试验装置和油流量标准试验装置的量值检定系统均采用标准流量计的方式。 详细介绍见第五章。 3 。3 小结 本章对油气水多相流标准试验装置的设计过程进行了详细的阐述。对稳压装置、混合器 第三章多相流标准试验装置的设计 的设计、油气水分离系统的设计等关键技术都做了详细的介绍。稳压稳流系统在稳压源上采 用稳压容器，并应用变频调速系统与自然空气稳压来建立工作压力混合器的设计上我们设 计了气水两相混合装置和油气水三相混合装置，在这两种混合装置中油路和气路的管道分别 与水相管道成4 5 度角斜插入水相管道中，这样有助于气水两相流体和油气水三相流体充分混 合。在油气水分离系统中，我们利用油水的密度不同，采用沉降分离。分离步骤具体分两步， 第一步为油水一次分离箱的粗分离，第二步为油二次分离箱和水二次分离箱里的二次细分离。 从试验段流出的油气水混合流体进入油水一次分离箱进行第一次粗分离，分离后的油水两相 分别进入油分离箱和水分离箱进行第二次细分离。油二次分离箱中的油进入储油箱，油二次 分离箱中的水通过升压泵再次进入油水一次分离箱，水二次分离箱中的油定期回油，送到油 二次分离箱中，水二次分离箱中的水由于受到油污染，要进行处理，不能直接送入水池。在 做油气水多相流试验时，油水分离出的油相和水相必须经过处理，分离出来的水不能循环利 用以免对环境造成污染。 4 7 第三章多相流标准试验装置的设计 摘要 第四章油气水多相流标准装置管路计算 本章分别介绍了油气水多相流标准装置中水路、气路、油路、气水两相流的管路计 算。其中水路管道中设定流量为4 0 辨3 ，知，将计算得来的水头损失与我们所选的泵的扬 程相比较。可以得知水流量装置完全可以达到预定要求；气路管道中设定流量为 1 2 0 州3 办，按照试验管道口径分别为5 0 m m 和2 5 m m 两种情况进行计算，结果发现空压 机与稳压罐之间连接所用的软管的压力损失较大，所以我们改选用大口径的管子，从而 大幅度地减少了压力损失，通过改进，气体流量标准装置的瞬时流量完全可以达到 1 2 0 m 3 ，h ( 管道口径为5 0 咖。在做气水两相试验时，气水可以以任意比例混合 ( q 承s 4 0 m 3 ，q 气3 6 1 m 3 矗) ；油路管道中设定流量为2 5 m 3 ，将计算得来的能量 损失与我们所选的油泵的扬程相比较，可以得知油流量装置完全可以达到预定要求。 主要内容 油气水多相流标准装置的水路管道计算 油气水多相流标准装置的气路管道计算 油气水多相流标准装置气水两相流的管道计算 油气水多相流标准装置的油路管道计算 第四章油气水多相流标准试验装置管路计算 4 1 油气水多相流标准装置的水路管道计算 缶氕矗。 图4 1 水相管路的简单示意图 水相管路中，口径为1 2 0 姗的管道长儿o 咖，口径为8 0 岫的管道长9 4 8 0 咖，口径为6 0 哪 的管道长7 0 0 咖，口径为5 0 m 的管道长1 1 0 5 5 咖。9 0o 弯头1 1 个，阀门7 个 设流量q = 4 0 肼3 则 一沿程阻力系数【2 3 】1 2 8 】“2 】1 4 3 】 = 1 1 7 1 3 2 4 = 1 1 7 l 1 0 5 ( 4 1 ) = 笔= 丽丽矗篇丽丽圳s s 呱s 乩，s 枷 ( t 2 ) = 象= 丽而高篙嗝蕊瑙t z e 4 8 = 2 h 3 枷 ( t 3 ) = 瓮= 丽而高篙= 丽瑙，s z 嬲- 圳5 ( t a ) a m 2 忑2 石石赢丽丽两庐再丽2 2 8 1 1 17 82 2 8 l l 。1 0 7 ( 4 4 ) 试验系统的管路选用不锈钢无缝钢管，取其绝对粗糙度：o 1 枷( z k 揣“7 4 ) = o - 吣s k = ( z s 罴“，4 ) 4 乩蝴 ( 4 5 ) 丽 一3 = 蚍桃 裁 黼 嗍 剽 张 n 獬l 圭 得 要丝酗 g 薹至孵姐 弑 见 由 第四章油气水多相流标准试验装置管路计算 k = ( 2 s 羔扎7 一们娩s 厶= ( z ，g 翥扎，4 ) 4 - o 吻t 二局部阻力系数m j 【4 1 j 【5 2 h 州 ( 1 ) 厶9 0 0 的弯头的阻力系数，取= o 4 8 ； ( 2 ) 厶8 0 5 0 同心异径渐缩管，由 f = 州+ 卦 取护4 0 0 ，可以计算出f s o 1 ，因此取乞= o 1 ； ( 3 ) 参9 0 0 三通，同径直角转向厶= 1 - 5 ； ( 4 ) 六庐5 0 6 0 同心异径渐扩管，由 f = 氆一t 2 + 丧陋) 2 一t 丸：三( o 0 2 2 3 + o 0 2 3 4 ) ：0 0 2 2 9 鲁= ( 黝2 乩甜 取口= l o o ，孝三o 1 6 ，贝0 = o 0 6 6 ( 5 ) 厶妒6 0 一5 0 同心异径渐缩管，同上? 取厶= o 1 ； ( 6 ) 氕全开阀门，取六= o 1 ； ( 7 ) 厶被检表，取厶= 1 5 9 ： ( 8 ) 矢喷嘴，取炙= 1 o ； ( 9 ) 白矿8 0 加2 0 突然扩大，取厶= 1 5 6 2 5 ： ( 4 6 ) ( 4 7 ) 第四章油气水多相流标准试验装置管路计算 矢= 滢一j 卜2 一 2 = 1 蹴s 他s ， ( 1 0 ) 卣o 妒1 2 0 d l 突然扩大( 设d i 为水稳压罐的直径，d i 1 2 0 ) ，取氕= 1 ； 舻( - 一轳 1 - 冽2 乩 ( 1 1 ) 卣- d l 。妒8 0 突然缩小( d l 8 0 ) 和毒+ ( 剁2 “。， e = 鲁为流体的收缩系数 当d l 8 0 时，幺= 0 5 ；e = 0 6 1 7 ，代入式( 4 9 ) 得缶l = 1 3 1 3 ； 取六l ：1 3 1 3 。 在水路计算中，管路的沿程阻力损失 鲁丢和局部阻力损失矢等的和，我们把它称为 k = 丑毒丢毋差 为水头损失 4 1 1 试验管道口径为5 0 舢的管路计算： 由式( 4 1 0 ) ，得 ”( 等咖矢。) 等 + b 丢蝴s 蝴z 墙) 善 + 卜等+ 六 善 5 l 第四章油气水多相流标准试验装置管路计算 + ( k 丢蝴s 蜘白蝴纠蝴旬善 = ( o o 啪啬“s s z s + ，) 丽普l 1 2 0 ，3 6 0 0 。万2 o 1 2 4 9 8 + ( o o z 叭等+ o 4 s m 叭讲) 丽害 l8 03 6 0 0 2 万2 o 0 8 4 9 8 + ( o 0 2 2 3 ! 塑+ o ，0 6 6 ) 6 0 8 4 0 2 蟊丽i 而瓦丐菇 ( 4 1 1 ) + ( o 0 2 3 4 x 坚霉+ 0 4 8 5 + o 1 + 1 5 + 0 1 + o 1 5 + 1 5 9 + 1 ) 了掣生了一 5 03 6 0 0 2x 刀- 2x o 0 5 4 9 8 = 0 1 2 8 3 十1 7 0 8 4 + o 2 5 7 2 + 2 0 2 2 0 4 = 2 2 3 1 4 3 ( m 日2 d ) 我们所选的水泵的扬程为5 0 米，由上面所求得的水头损失可知，所选的泵符合要求。 4 1 2 水相管路所能达到的最大流量q 眦 设水相管路在流通过程中的水头损失为5 0 m 日：d ，由式( 4 1 1 ) 得 = 5 9 8 8 脚3 而 水相管路所能达到的最大流量为5 9 8 8 m 3 。 4 2 油气水多相流标准装置的气路管道计算 图4 2 气相管路的示意简图 第四章油气水多相流标准试验装置管路计算 气相管路中，试验管径为5 0 咖的管路中：口径为5 0 咖的管道长2 3 6 0 5 啪，口径为4 0 眦 的管道长3 4 0 姗，口径为1