（油气储运工程专业论文）旋流型管壁取样分配器技术研究.pdf

s t u d yo ns w i r l e rs a m p l e ra l o n gt h ec i r c u m f e r e n c e l i uy u m e i ( o i l & g a ss t o r a g ea n d t r a n s p o r t a t i o ne n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yc a ox u e w e n l i a n gf a c h u n a b s t r a c t g a s - l i q u i dt w o p h a s ef l o wh a si t se x t e n s i v ee x i s t e n c ei nav a r i e t yo fi n d u s t r i e si n c l u d i n g p e t r o l e u m ，c h e m i c a l ，e n e r g y , e t c a sm o r er e q u i r e m e n t sh a v eb e e np r e s e n t e di nm e t e r i n g ， e n e r g ys a v i n g ，a n dc o n t r o lb yi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，t h e r eh a sb e e na ni n c r e a s i n gd e m a n do f p a r a m e t e r sm e a s u r e m e n t o ft w o - p h a s ef l o w m e t e r i n ga n dd i s t r i b u t i n go fg a s l i q u i d t w o - p h a s ef l o wh a sb e e nap r o b l e md u et oc o m p l e x i t yo ft w o - p h a s ef l o w s w i r l e rs a m p l e r a l o n gt h ec i r c u m f e r e n c ep r o v i d e san e w s o l u t i o nf o rt h ep r o b l e m c e r t a i np r o g r e s sh a sb e e n m a d ef o rt h et e c h n i q u e t h e o r e t i c a lm e t h o dt h a ti su s e dt od e t e r m i n es a m p l i n gh o l es i z e ， p o s i t i o n ，s t r u c t u r a ld e s i g no fs w i r l e ra n dr e c t i f i e rw a sp r e s e n t e d i nt h ep a p e r f u r t h e rs t u d yo n s w i r l e rs a m p l e ra l o n gt h ec i r c u m f e r e n c ew a sm a d ew i t l lc o m b i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n de x p e r i m e n tb a s e du p o ns e l f - d e s i g n t w od i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fp i n - h o l ef l o wf i e l di nl i q u i d - - g a st w op h a s ef l o w t h a ti sa r o u n dp i p ew a l lw a s f i r s t l yp e r f o r m e di nt h ep a p e rw i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r e c h a r a c t e r i s t i ca s a m p l i n gh o l ew i t had e s i g ni n s i d ed i a m e t e ro f5 m m i so b t a i n e d f l o wf i l e d o fl i q u i d - g a st w op h a s ef l o wu n d e rd i f f e r e n tb o r ed i a m e t e ra n de f f e c to fl i q u i d g a si n l e tf l o w r a t ev a r i a t i o no ne x t r a c t i o nr a t i oo fd i s t r i b u t i o nb r a n c hp i p ew i t ht h es a m eb o r ed i a m e t e r r e c t i f i e ra n ds w i r l e ra r ef a b r i c a t e d t h r e es e t so fe x p e r i m e n t a ld e v i c et h a ti su s e dt o m e a s u r el i q u i dm e m b r a n et h i c k n e s so fa n n u l a rf l o wa f t e rf l o wr e c t i f i c a t i o na r ea r r a n g e db y m e a n so fl e a k a g em e a s u r e m e n tm e t h o d s a m p l i n gh o l ew i t ht h eo p t i m i z e dp o s i t i o nf o r a n n u l a rf l o ws h a l lb el o c a t e da tw h e r ei s3 0d i s t a n c ef r o mt h er e c t i f i e r n o r m a lw o r k i n gr a n g e o fs w i r l e ra n dr e c t i f i e ra r ec o n v e r s i o ns p e e do fg a sp h a s ei sh i g h e rt h a n3 0 5 0 r n s ，a n dl i q u i d p h a s eh i g h e rt h a n0 0 8 m s s a m p l i n gd e v i c ef o rs w i r l i n gf l o wd i s t r i b u t i o nw e r ed e s i g n e d ，i n c l u d i n gs w i r l e r , r e c t i f i e r , s e p a r a t o r , m e t e r i n gd e v i c e ，e t c s i z eo fs a m p l i n gh o l ea n de f f e c to fr e s i s t a n c ef o r c ee x e r t e db y s i d eb r a n c hp i p eo nl i q u i d - g a se x t r a c t i o nr a t i oo ft h es w i r l i n gf l o wd i s t r i b u t i o nd e v i c eu n d e r v a r i a t i o no fl i q u i d g a sf l o wr a t ew e r es t u d i e di nd e t a i l c o m p a r i s o nw a sm a d eb e t w e e n c a l c u l a t i o nv a l u ea n dm e a s u r e m e n tv a l u eo fl i q u i d - g a ss p l i tf a c t o r u n d e rc o n d i t i o no ft h e e x p e r i m e n t ，m a x i m u mr e l a t i v ee r r o ro fl i q u i dp h a s ef l o wr a t eb ym e a n so fe s mi s2 0 3 5 ， n w h i l e2 0 9 4 f o rg a sp h a s e f l o wp a t t e r si n v o l v e di ne x p e r i m e n ti n c l u d es t r a t i f i e df l o w , w a v e f l o w , a n ds l u gf l o w k e y w o r d ：t w op h a s ef l o w , d i s t r i b u t i o nd e v i c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e x t r a c t i o nr a t i o 主要符号表 主要符号表 主要符号 i 湍流强度 a 管道截面积，m 2 m 质量流量，k g s d 管线直径，m d d , ：f l 直径，m l 管道长度，m 甲 热膨胀系数 p 压力，p ac 孔板流量系数 t 时间，sp密度，k g m 3 t 温度， p 压力，p a u 速度，m s 谩 差压，p a k 分流比 k l 液相分流系数 矽 分配角，t a dk气相分流系数 护小孔方位角，r a d“动力粘度，p a s w 订液相折算速度，m s气相折算速度，m s 下标 d l i水利直径，m g 气相 l 液相 1 主管 2 直通支管 3 分配侧支管 5 8 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他入已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：盘l 垂煎日期： 腓厂月o 日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：盏l 墨盛 指导教师签名：j 萼蓬- l 日期：砂净厂月日 日期：学年j - 月i ) - f 7 1 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第一章前言 1 1 课题研究的意义 多相流动是一种复杂的流动现象，广泛存在于能源工业的许多领域，遍布于化工、 冶金、能源、环保、轻工和军工等领域【l 】，随着工业生产对计量、节能和控制等方面均 提出了更高的要求，对多相流参数进行测量的需求也越来越迫切。多相流的计量对于在 油井监测、油藏管理、配产和过程控制以及海底卫星油田开发工程中，精确的测量未分 离油井物流量的应用等也至关重要 2 1 。在多相流计量中，关于气液两相流的分配和计量 问题一直是难以回避，也是多相流系统中未能很好解决一个难题。 在分配过程中，为了保证设备的正常运行，一般总是希望分配器下游各支路内的多 相流能保持相同的成分，并且流量相等或成定的比例。但实际上气液两相流通过三通、 分叉管、集箱、球罐等分配器时会发生相分离，即各支管出口气相与液相质量比互不相 同，与主管也有很大的差别。这种相分离现象对实际工业生产有很大的影响，甚至造成 严重的事故。例如在油田热采中利用注蒸汽开采稠油，即注入油井内的蒸汽为蒸汽一水 两相流体混合物。注蒸汽开采稠油一般由注汽站向若干井口集中供汽，湿蒸汽两相流通 过三通时由于相分离的发生，气液相按不同比例进入各支管，导致各井口干度差别很大。 如果某些井口接收到的大部分是饱和水，就会大大降低油井的开采效果【3 】。另外在其它 工业和民用管道中也常常出现各种气液两相流体的流动工况，只有使用两相流量计才能 准确计量其流量和组分。 由于气液两相流体流动的复杂性，流动过程中常伴有强烈的波动现象，流型也随流 量和组分不断变化，因此其流量测量要比单相流体困难得多。从而也使得工作在两相流 体中的仪表输出信号受流型等参数的影响波动性大，测量精度低。同时基于力学原理与 传热学原理的测量方法易受物性影响，电容、阻抗等电学原理的测量方法易受流体矿化 度的影响，在某些条件下测量准确度较高并不能表明其通用性，所以对于多相流量计的 选型需要综合考虑其经济性、准确度、稳定性、适用性、免维护以及环保要求等因素。 随着海上和沙漠油田的开发，世界各国都在投入巨资竞相开发两( 多) 相流体流量 计，以取代笨重的分离设备。实际对比分析表明，采用两( 多) 相流量计，并且通过对 油井产量的实时连续在线测量，能够为科学合理的开发油气资源提供重要的依据，并可 延长油田的稳产期，但目前研制的各种两相流体流量计在测量精度和可靠性上仍不能完 全达到商用仪表的要求。分流分相方法为解决这- - n 量难题提供了希望。分流分相方法 通过成比例的从两相流体中分流出一股两相混合物，并将其分离成单相流体后，应用单 第一章前占 相流量计测量出各相流量的大小，然后根据比例确定被测两相流体各相总流量。分流取 样法可以用体积比较小的装置测量多相流体的各相含量和总流量，且不受流体波动的影 响，能在很宽广的流型范围内工作。为了保证总流量测量的精度，要求经过分配器的分 流体必须和主流体保持稳定的比例关系( 分流比) 分流比越稳定，总流量测量精度越 高。能够将两相流体的流量测量转化成单相流体的流量测量，可有效地克服流动不稳定 性及流型变化对测量过程的影响，显著地提高了测量精度，扩大了测量范围，同时其体 积较小便于制成自动化仪表，从而可得到广泛的应用。该技术可省去笨重的分离器，太 大节约投资降低开发费用。 1 2 国内外研究现状 进入2 1 世纪以来油气资源开益短缺，特别是近年柬随着石油价格上涨能源紧 缺问题开盏突出，必将促使各大石油公司加强技术研发的投入，以期通过实施一系列高 新技术生产能及管理品质【4 j 。多相流量计可以满足现有油气产的增产增效和海上油阳、 陆上边际油田生产管理的潜在需求。在一些新油田的开发中，多帽流量计被作为首选的 计量技术来考虑，因为传统的计量手段已不再适用油田开发新形势的要求”】。对多相流 体计量的需求更加迫切，多帽流量计的需求增长速度很快，见图i - i 。 1 j 7 l 1 m 圉i - i 多相流景计的增长速率” f i 9 1 - 1g r o w t h n t e o f m u l t i p h a s e f l o w m e i e r f a l c o n e 6 i ，a l v a r o i ”，h e w i t t i ”林宗虎1 ”，t h o r n 1 “，王栋i ”1 等人对多相流量技术 近几年来的发展进行了综述。多相流量测量方法按照是否分离以及分离的程度一般可分 4 种：不分离，完全分离，部分分离，以及分流分相方法，见图1 - 2 。下面对这些流量 计量方法的特点及近年来的进展进行回顾。 中国“油 学( 毕末) i 学位论女 l2 1 多相流量测量研究进展 多相流量测量方法按照是否分离以及分离的程度一般可分4 种：不分离，完全分离 部分分离，以及分流分相方法，见图l 一2 。 图1 - 2 多相流计晕方法分类 f i g l - 2c a t e g o r y o f m u l t i p h a s e f l o w m e a s u r e m e n t m e t h o d s 1 不分离法 采用不分离法在线测量多相流各相流量必须获得各分相速度和截面份额。如果各分 相流体混合均匀，气液相速度将基本相同，从而大大降低了测量的难度。应用这种均匀 化处理的测量方法主要为节流式测量方法，常采用两种节流装置进行组合测量【1 3 1 4 1 。 近年来又出现了利用差压信号的波动特征，通过单个节流原件同时获得两相流流量和质 量含气率的新方法5 】。节流式方法的缺点是阻力损失较大，测量范围有限，而且受流型 影响较大。 随着核技术以及成像技术的发展，使直接测量多相流体截面相分率和各相速度成为 可能。成像方法测量多相流流量具有不接触流体，对流动无干扰，无阻力损失的特点。 主要有c t 成像方法( 包括电容成像，电导成像，热中子成像核磁共振成像等) ，高速 摄影方法，以及伽玛射线技术与常规流量计组合测量方法等。但目自u 这种直接测量方法 还很不成熟，如成像方法目前还很难直接测出多相流体各相流速，只能通过相关法日j 接 测量。对于分层和环状流这种流动平稳的多相流型，相关测速方法误差很大。另外尽 管核磁共振方法能够给出流体在通道内各组分的三维分柿图像，但由于气体对核磁共振 测量方法来说相当于透明体，不能直接测量气相的流速和体积流量。而高速摄影法由于 只能从侧面进行图像采集，不能直接测量截面各相分布。采用放射性元素的测量方法对 流体介质物性非常敏感，测量精度与流型有关，放射性物质还容易对人体和环境产生威 胁。 近年来还出现了利用真实质量流量计直接测量多相流体质量流量的报道在工作 第一口前言 原理上，真实质量流量计能够直接测量出流体的质量流量而与流体的密度无关，利用这 一点，许多学者尝试用真实质量流量计直接测量气渡两相流体的质量流量目前较为成 功的是角动量式质量流量计高速旋转，锭子上设有扭矩测量机构。流体首先流经转子， 受转子作用而获得一定的角动量然后冲击锭子，在锭子上产生与角动量成比例的扭矩。 角动量的大小值与流体的质量流量有关，与流体密度无关。该流量计对于液液流动以 及低含气多相流动取得了一定的进展，流量测量均方根误差小于1 0 。但是角动量式质 量流量计的虽明显的缺点是流动阻力损失大，一般达i m p a 左右。实验结果也表明转子 的叶轮效率与两相流体的组分有关。因此流型和各相组成对测量精度还是有影响的。 2 完全分离法 完全分离法是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体后，再通过普 通单相流量计进行计量。从而把两相流量的测量转化为单相流量测量，具有工作可靠、 测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响等优点。g l c c 就是近年来出 现的用于多相流体分离和流量测量的处理系统【”“】，见图l 一3 。完全分离方法最大的缺 点是分离设备体积庞大( 见图1 - 4 ) ，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线。 这在很大程度上增加了油f f 的开发成本。 图1 - 3g l c c 原理图 f i g l - 3 g l c cp r i n c i p l e d i a g r a m 中田油大学( 牛东) 顿l 学位论文 嘲l - 4g l c c 实物照片 f i g l 4g l c c p h y s i c a l p h o t o 3 部分分离法 ；f 【分分离方法的原理是 1 9 】：首先采用预分离装置将气液两相分离成以气相为主( 高 含气率) 和以液相为主( 高含液率) 的两股流体，然后再利用较成熟的两相流仪表分别 测量，最后将两股流体重新混和。以气相为主的两相流中，气体能够接近于单相气流： 在以液相为主的两相流体中，液相成连续相，残余气体只以分散相的形式散布于液相中 流动过程完全有液相控制。因此该方法最大限度的缩小了流过测量仪表的两相流组分变 化范围同时也降低了流动的不稳定性和测量信号的波动性。这虽然在一定程度上缩小 了计量分离器的体积，并降低了两相流测量的难度，但因未能将气液混合物完全分离， 故实际上对提高测量精度的作用是有限的。 4 分流分相法 分流分相技术测量多相流体的方法，简称分流分相法是近年柬出现的一种新型多相 流体流量测量方法。图1 5 是分流分相法的原理图，被测两相流体流经分配器时被分成 两部分：一部分沿原通道继续向下游流动，称这部分流体为主流体，这一回路为主流回 路；另一部分两相流体则进入了分离器，称这部分流体为分流体，这一支路为分流体回 路。分流体经分离器分离，气体和液体分别采用气体流量计和液体流量计测量，最后又 重新与主流体汇合。被测两相流体的气相流量m 。和液相流量吖。根掘它们与分流体气 液相流量的比例关系进行计算： 第一章前言 g i g - = i m 3 g ( 1 一1 ) 吮= 孥 ( 1 2 ) 式中m ，g 为被测主管气相流量；m ，为被测主管液相流量；k g 为气相分流系数；k l 为液相分流系数：m ，g 表示分流体的气相流量，由气体流量计测量；m ，。为分流体的 液相流量，由液体流量计测量。 分流分相两相流体测量方法由于进行了分流，因此所需分离器的体积要远小于传统 完全分离时的分离器体积，同时由于又进行了分相，所有测量仪表都在单相介质环境下 工作，测量精度不受流型影响，精度远大于不分离或部分分离流量测量方法，具有体积 小、精度高的优点。分流分相法是一种适合工程多相流量计量的方法。 图1 5 分流分相式流量计原理图 1 主管道；2 两相分配器；3 分流体回路；4 分离器； 5 液体流量计；6 气体流量计；7 主流体回路 f i g l 一5e x t r a c t i n ga n ds e p a r a t i n gm e t h o df l o wm e t e rp r i n c i p l ed i a g r a m 1 m a i np i p i n g ；2 t w o p h a s ed i s p a t c h e r ；3 b r a n c h i n gp i p i n g ；4 s e g r e g a t o r ； 5 1 i q u i df l o w m e t e r ；6 g a sf l o w m e t e r ；7 m a i ns t r e a mp i p i n g 分流分相法这种方法可以用来测量单相流体流量，也可以用来测量两相流体流量和 相分率，也可以推广到油气水三相流量测量中去。对于单相流量测量无需分离器。在两 相流量测量中，由于进行了分相，流量测量仪表都工作在单相环境中，测量结果不受流 型波动的影响，在波浪流、弹状流、环状流型下均取得了较好的结果，能够在宽广的流 型范围下工作。 这种方法能够用于不同物性的流体的测量。目前在实验室内用空气水作为实验介 6 中田“油 学( 毕东) 顿l 学位论立 质已经取得了非常好的效果，在现场用于注蒸汽丌采稠油中的蒸汽水两相流的流量测 量也取得了非常满意的效果。 在亚临界蒸汽水两相流管线上进行了实验，见图1 - 6 。实验压力范围1 s 2 04 m p a 干度范围6 0 8 0 。结果证明，分流量能准确地反映主流体的流量和干度变化根据分 流量测量总流量的偏差在2 4 左右。 因此这种流量测量方法是一种使用范围宽广，可适用于多种流型，多种流体介质的 流量测量，是一种比较稳定和可靠的流量测量方法。 图l - 6 用j ：注蒸气开采稠油的蒸c 一水分流分相武多相流量讣 f i g l j os t e a m - w a t a r e x t r a c l f o ga n ds e p a r a t i n g m e t h o d f l o w m e t e f o re x p l o i t a t i o no f h e a v yo i ls t e a m 12 2 分配器结构研究进展 分流分相方法在两相流体流量测量中有很大的优势，用于完成流体分配的分配器是 分流分相式两相流量计虽核心的部件。分配器的结构直接关系到多相流量测量的精度以 及所适用的范围。为了实现稳定的分流比和适应工业生产中恶劣的现场环境，分配器的 结构也需要进行不断完善和改进。 目日u 有4 种不同结构的配器【“i 即三通管型、取样管型、转鼓型以及旋漉型分配器。 三通管型分配器由3 个并联的三通管组成，见图1 7 。侧支管垂直布置并具有足够的高 度，利用t 型三通本身的相分离特性完成分流分相，进入分流回路的全为气体，气相分 流系数随主管路中的两相流质量含气率变化而变化但有确定的变化规律。三通管型分 配器是一种单参数分配器，如果知道流量或质量含气率其中一个参数，可以利用该分配 第一章前言 器测量另一个参数【1 6 】。 图1 7 三通管型分配器 1 主管；2 直通支管；3 侧支管：4 小孔：5 集气管；6 气体测量管路；7 气体流量计： 8 汇合三通；9 节流孔板 f i g l 一7t - j u n c t i o nd i s t r i b u t o r 1 m a i np i p i n g ；2 d i r e c tp i p i n g ；3 s i d ep i p i n g ；4 h o l e ；5 g a sc o l l e c t i n gp i p e ：6 g a sp i p e ； 7 g a sf l o w m e t e r ：8 t - j u n c t i o n ；9 t h r o t t l i n go r i f i c ep l a t e 取样管型分配器结构如图1 8 所示，由混合装置和取样装置两部分组成，取样管深入 主管内部，取样口正对来流方向。气液两相流体首先在混合器内进行加速、混合，然后 在混合器出口分成两部分，一部分( 分流体) 直接进入取样管，另一部分( 主流体) 则 流入下游管道。在一定的流量范围内，气相分流系数和液相分流系数都能保持不变。 图1 - 8 取样管型分流分相式气液两相流体流量计 1 管道；2 混合器；3 取样管；4 节流孔板：5 旋风分离器；6 液体测量管路； 7 气体测量管路；8 气体流量计；9 液体流量计；1 0 转换阀门 f i g l - - 8g a s - l i q u i df l o wm e t eo fs a m p l ee x t r a c t i n ga n ds e p a r a t i n gm e t h o d 1 p i p e l i n e ；2 m i x t u r e ；3 s a m p l i n gt u b e ；4 t h r o t t l i n go r i f i c ep l a t e ；5 c y c l o n es e p a r a t o r ；6 1 i q u i dp i p e ； 7 g a sp i p e t8 g a sf l o w m e t e r ：9 1 i q u i df l o w m e t e r ；1 0 c h a r g ev a l v e 图1 - 9 为转鼓分配器原理图。转鼓型分配器的核心部件是一个转鼓，转鼓通过转轴支 撑在轴承座上，可以绕轴自由旋转。转鼓外形为圆柱体，内部用轴流叶片均匀分割成1 1 8 中国石油人学( 华东) 硕：学位论文 个互不相通的通道，各通道的横剖面为扇形，几何尺寸和阻力特性完全相同。当两相流 流过转鼓时会冲击转鼓高速旋转，在转鼓旋转过程中，各通道的入口截面不断掠过上游 流通截面上的每一点，使每一点上的两相流体都能机会均等地流入各通道。这样，流入 分离器的流量仅仅取决于转鼓中通向分离器的通道数( 分流通道数) ，而与两相流体的 流型等因素基本无关，分流系数保持为常数。 图1 - 9 转鼓型分配器原理图 1 外壳；2 、1 0 支座；3 、9 支架；4 、8 转轴； 5 、7 导锥；6 转鼓；1 1 、1 2 凸肩 f i g l 一9p r i n c i p l ed i a g r a mo fr o t a t i o n a lw h e e ls a m p l e r 1 e a p s i d ；2 、1 0 s u p p o r t ；4 、8 r o t a t i n i ga x i s ；5 、7 s t a r t i n gt a p e r ；6 r o t a t i o n a ld r u m ：1 1 、1 2b e a d i n g 旋流型分配器与转鼓型类似，但分配器内部不含运动部件，而是通过几组形状不同 的叶栅让两相流体本身做特定运动实现两相流体在一个多通道元件内的均匀分配。该分 配元件的通道大多数通向分配器下游的两相流管道，只有少数几个通道作为分流通道通 向了分离器。 利用上述几种分流分相式两相流量计测量两相流体流量，在实验范围内，流量的平 均测量误差小于5 ，最好的结果可以达到3 。 分流分相两相流体测量方法由于进行了分流，因此所需分离器的体积要远小于传统 完全分离时的分离器体积，同时由于又进行了分相，所有测量仪表都在单相介质环境下 工作，测量精度不受流型影响，精度远大于不分离或部分分离流量测量方法，具有体积 小、精度高的优点。分流分相法是一种适合工程多相流量计量的方法。 l - 2 3 存在问题 前面提到的4 种分流分相式流量测量装黄中，取样管型、转鼓型以及旋流型流量计 9 第一章前言 均为双参数两相流量计，能够同时测量主管气相和液相流量。这三种流量测量装置的分 流元件均布置在主管路内部，在主管路内部进行取样分配，且取样口迎着来流方向。例 如，取样管分配器的取样口正对着混合器出口( 见图1 8 ) ；转鼓形分配器是由若干结 构相同，互不连通的通道组成，转鼓布置在分配管道中心，各通道的扇形截面也正对着 来流方向( 见图1 - 9 ) ；旋流型分配器由隔离叶片组成的分流通道也布置在主管内部， 通道入口正对着来流方向。由于在主管内部取样，内置的分流元件不可避免地会对流动 产生较大干扰，两相流体通过分配器会产生较大的阻力损失。更为严重的是，由于取样 口正对来流方向，对于比较恶劣的现场条件，流体经常携带有大量沙砾、铁屑以及其他 杂质，分配通道在这些高速运动的杂质颗粒撞击下磨损很快，甚至造成取样口变形，从 而导致测量误差不断增大。另外这些杂质还容易在分配室内沉积，逐渐堵塞分流通道， 此时分配器功能相当于过滤器，随着堵塞加剧，积累的杂质增多，整个装置将完全失去 作用。可见分流元件位于在主管内部的分流取样方式对测量环境要求比较苛刻，不适合 不清洁介质的流量测量。 另外，分流系数的大小也是衡量分流分相流量计的一个重要的参数。分流系数的大 小直接关系到测量装置的体积大小，分流系数越小，分离器和测量管路的体积就越小。 在以往的研究中分流比例大都在2 0 左右，实践证明这一比例偏大，未能充分发挥分流 法测量的优势，如果能将分流比例降到1 0 以下，那么分离器的体积将只有普通仪表的 大小，这样就会使得计量方便，且占用面积小，对于现场实际生产具有极大的应用价值。 对于文献当中提出的在主管内部进行取样分流的分配器，为了获取较小的分流系数，必 须增加互不相通但结构完全对称的分配通道的数目，然后选择其中一个或几个作为分流 通道。然而，随着分配通道的增多，就会更容易造成分配器堵塞。可见对于在主管路内 部进行取样的分配器，分流系数不可避免的会偏大。 鉴于上面取样存在的缺点，因此有必要对分配器的取样结构进行优化，文献研究表 明从管壁进行取样的分配器结构为解决上述问题提供了新思路【3 3 1 。采用旋流型管壁取样 两相流量测量装置，通过在管壁周围开有大小均匀的小孔来完成两相流体的取样分配。 该方法对于管内密度较高，动量较大的机械杂质，可以使其直接流入下游管路，很难改 变方向进入管壁d , ：l ，从而使得流体不会对取样孔产生磨损和造成堵塞。同时由于取样 在管壁进行，不会对流体造成干扰，在很大程度上降低了阻力损失，而且分流比的大小 不受限制。实验研究表明该方法较之主管内部进行取样分流的分配器具有许多的优点， 并且该计量方法已经取得了一定的研究成果。 1 0 中国石油人学( 华东) 硕上学位论文 1 3 主要研究内容 本文是在以往研究的基础上，以模拟和实验相结合，对旋流型管壁取样分配器进行 了整体结构设计并对部分构件参数进行了优化。从取样孔大小、位置、旋流器、整流器 结构以及支管阻力大小对分流系数的影响，进行了更为深入的研究。 ( 1 ) 开展旋流型管壁取样分配器的流场数值模拟研究，分析分配支管内部流场，并 对不同分配支管管径大小对气液分流系数的影响进行模拟对比，确定实验分配器结构。 ( 2 ) 研究在整流器下游不同位置处流型的整改效果。 ( 3 ) 通过对旋流型管壁取样分配器的设计与实验，研究取样分配器气液分流系数的 变化规律及影响因素。 萆市宴验系统 第二章实验系统 为了能够获取准确、可靠的实验数据，本文是在大型多柑流实验环道上进行了相关 的气液两相流流动实验，通过实验设备测得主管与支管的气液两相流量，计算其分流系 数。该套实验装置的特点是：实验装霞规模较大，管线足够长；流动参数测量仪表的精 度高、反应快；数据采集系统的采集速率高。实验装置的这些特点为实验能够进行气液 两相流实验并获墩可靠的数据提供了良好的基础。 2 1 实验系统 2 1 1 实验环道 田z - i 多相流实验环道 f i g , 2 - it e s t l o o p o f m t l l t i p h a s e f l o w 图2 - i 为整个实验环道的布置图，环道采用3 英寸不锈钢管焊接而成，全长3 8 0 m 管道内径为o0 8 m 。实验环道布置在3 0 m x 7 0 m 的场区中，为尽可能减小弯管对气液相 流动的影响，弯管曲率半径尽可能大。根据场地情况，设计的弯管曲率半径不小于 1 0 0 d 。环形管道的设计工作压力为8 k g e m 2 ，从而实现实验所有流型的目的。整个环 道为水平布置实验装置主要是由起点的流动介质供应系统、大型实验环道、终点的分 离系统以及控制和数据采集系统组成。为了便于观察流型，在实验段上布置有透明有机 玻璃管：环道沿程设置了温度、压力、压差、流型等测量点；终点安装了管束式捕集器 和容器式捕集器。整个实验系统基本上实现了微机自动控制及数据采集，利用l a b v i e w 编制的高速数据采集系统对实验管路起点的气液流量、压力、温度、沿线的压力、差压 进行采集。 1 气液相供应系统 实验用气由v 一1 3 1 25 型压缩机供给最大供气压力1 25 k g c m 2 最大供气量为 1 2 中国石油人学( 华东) 硕1 二学位论文 1 3 8 0 m 3 h 。压缩机出口分别连接有li t l 3 和2m 3 的气体储罐，以平衡压缩机排气的波动。 液相采用水，由w 4 1 2 7 z k w 7 3 双螺杆泵供应，双螺杆泵供液量为0 1 0m 3 h 。双螺杆 泵的电源上安装有变频器，通过调节电源频率改变泵的转速，从而调节排量。 2 入口混合器 为了保证气液能够很好的混合均匀，气液混合点前的管路内设置一水平挡板，挡板 长5 0 0 m m 。这种设计减小了两相之间的影响，也使得气体流量的波动大为减小，气体流 量波动在3 5 范围内。 3 气液相控制与计量 实验装置要求液相流量范围1 1 0m 3 h ，气相流量范围1 - - 1 0 0 0m 3 h 。气液两相流量 均采用气动调节阀控制，该调节阀选用的是美国m a s o n e i l a n 系列调节阀。 k 8 0 4 4 、k 3 4 0 为两台用于测量气相流量的金属浮子流量计。现在，一般情况下大环 道已不用k 3 4 0 ，因为它的量程为0 1 0m 3 h ，可能小于闸阀的漏气量。本实验选用的气 相流量计为量程1 0 0 - 1 0 0 0 的k 8 0 4 4 ，气体流量的密度通过测量当地温度和压力间接获 得，温度采用温度传感器采集，压力通过压力传感器测的。f i s h e r - r o s e m o u n tc f m 3 0 0 、 c f m l 0 0 为两台用于测量液相流量的质量流量计，本实验选用了量程0 - 2 0 m 3 h r 的c f m 3 0 0 的质量流量计。流量信号全部送入工控机，可以进行实时监测和控制。对于分流体的气 相流量的测量是采用叶片式浮子流量计，分流体液体流量通过称重法测量。 4 装置的改进 在实验研究准备阶段，根据实验要求，对实验装置进行了改进，主要包括： ( 1 ) 连接了一段长2 米的有机玻璃管，制作了3 组测量管壁平均液膜厚度的装置。 ( 2 ) 连接了管壁取样分配器实验装置以及用于分离与计量气液流量的分离器。 ( 3 ) 在实验段增加了2 个差压传感器和五个压力传感器。 第二章实验系统 2 1 2 整改前实验流程 2 1 3 整改后实验流程 图2 2 多相流实验环道的流程图 f i 9 2 - 2m u l t i p h a s ef l o wc h a r to ft e s tl o o p 图2 - 3 实验流程图 1 水罐：2 螺杆泵；3 调频压缩机；4 缓冲罐；5 、6 气动调节阀；7 金属浮子流量计；8 r o s e m o u n t 质量流量计；9 气液混合器：1 0 测试段；1 1 取样分配器；1 2 测量分离器； 1 3 气体流量计；1 4 水桶； 1 5 卧式分离器 f i 9 2 - 3e x p e r i m e n t a lf l o wc h a r t 1 w a t e rt a n k ：2 s c r e wp u m p ；3 f mc o m p r e s s o r ；4 b u f f e t i n gt a n k ；5 、6 p n e u m a t i cc o n t r o lv a l v e ；7 m e t a lf l o a tt y p ef l o w m e t e r ；8 r o s e m o u n tm a s sf l o w m e t e r s ；9 g a s - l i q u i dm i x e r ；1 0 t e s tt u b e ； 1 1 s a m p l i n gd i s t r i b u t o r ；1 2 s u r v e ys e p a r a t o r ；1 3 g a sf l o w m e t e r ；1 4 b o t t l e ；1 5 h o r i z o n t a ls e p a r a t o r 上图实验管道内经8 0 r a m ，水平布置，实验工质为空气和水，经泵增压，调节阀调压。 经质量流量计计量的液相和气体流量计计量的空气混合进入实验环道。气体流量计量采 用金属浮子流量计，液体流量计量采用r o s e m o u n t 高准质量流量计。为了观察实验流 动情况，加工实验设备均采用有机玻璃管，玻璃管的设计压力o 5 m p a 。 1 4 中闻油大学( 牛东) - j 学位论z 气液两相流体经过取样分配器后，主流体沿原通道继续向下游流动，屉后在卧式分 离器中进行气液分离，分离后的液体进入储罐，气体直接放空。从分配器流出的另一部 分分流体经过管壁上的：j q l 流出进入支管，然后通过测量分离器分离计量。 2 14 数据采集与处理 1 数据采集程序 数据的采集和处理都在l a b v l e w 系统下进行，l a b v i e w 是一种图形化编程语言 非常适合于实验数据的采集和分析，利用该软件的信号处理功能可以实现信号处理和各 种分析，具有强大的数据处理能力，它可以以曲线形式显示气量、液量和压力随时自j 的 变化情况，也能将数据转换为文本格式，便于其它应用软件处理。 装置上配备有两套数据采集系统，第一套采集系统以“i n t e l u t i o n ”公司的工控组 态软件f i x 62 为平台，自行编制软件进行实验装置的控制与数据采集，但采集速率较慢 每2 秒采集一次，只适合于稳态研究。在旋流管壁取样分配实验中用这套系统对实验环 道进行实时监测和控制，读取部分数据。第二套数据采集系统是n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司 的高速采集系统l a b v i e w 。硬件是p c i - 6 0 7 1 e 高速采集卡软件利用l a b v i e w 语占编 制。奉实验测量的参数有：气相流量、液相流量、沿线各特定点的压差、压力以及温度、 气相、液相密度等。数据采集程序的界面如图2 - 4 所示： 口口z = 口e = e j 哪： -1 ：”嚣= ：。一 陶 q “i ：一! ! 搿= = = 2 霉8 譬：= 4 一 图2 一数据采集程序界面 f j 口- 4d a t a a c q u i s i t i o np r o g r a mi n t e r f a c e 2 处理程序 在实验后的数据处理中仍然使用l a b v i e w 编写的程序进行，数据处理程