（油气储运工程专业论文）旋流型管壁取样分配器数值模拟和实验研究.pdf

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， 本论文不包含其他人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已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：塞遮丝日期：2 。1 1 年d 乡月3 f 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：羔篡丝 指导教师签名：兰毒三扯 日期：20 1 1 年始月弓1 日 日期：2 0 ，j 年。舌月3j 日 摘要 随着近现代工业化的飞速发展，气液两相流越来越多的出现在各种领域，尤其是在 石油行业，两相流流量的计量是油气田开发开采中不可避免的问题。传统的两相流计量 方法由于设备体积庞大、价格昂贵、无法在线测量等缺点，因此两相流的计量一直是制 约油气田开发开采最大的瓶颈。在这种情况下，分流分相法由于具有设备体积小、便于 加工、测量精度高、能够在线测量和测量结果不受流型影响等特点而备受国内外关注。 分流分相法的计量原理是从主流体中分流出小部分两相流体，分流出的这部分流体 被称为分流体，分流体经过计量分离器分离成单相流体后分别计量，最后根据分流体与 主流体的比例关系便可以计算出主流体各相的流量。取样分配器是分流分相式两相流量 计的关键核心部件，因此本文采用数值模拟和实验相结合的方法对旋流型管壁取样分配 器的结构进行了优化设计和实验研究。 数值模拟采用f l u e n t 软件，并对旋流型管壁取样分配器的结构( 包括旋流叶片 的安装位置，新型圆弧形整流器以及取样孔的形状、大小、个数和开孔位置) 进行了优 化设计，结果表明叶片的安装位置距离整流器入口1 0 0 m m 1 2 5 m m ，新型圆弧形整流器 曲率半径为2 5 m m ，取样孔数目为8 ，孔径为5 m m ，并且在圆周上均匀分布，且开孔位 置距离整流器出口5 0 r a m 时，取样孔分流效果最佳，能保证取样的均匀性和稳定性。 实验研究部分是在中国石油大学( 华东) 青岛校区油气储运实验室的大型多相流实 验环道上完成的，实验过程中采用空气和水作为气液相介质。实验主要研究了气液相分 流系数与主管气液相流量之间的关系，分流回路阻力调节、节流元件阻力大小以及流型 对气液相分流系数稳定性的影响关系，最后对两相流量的测量值与理论计算值进行了对 比分析，得出旋流型管壁取样分配湿气计量装置的液相分流系数基本上稳定在o 11 9 1 ， 气相分流系数与主管液相流量基本上成线性关系，与主管气相流量无关，气液相流量测 量的平均误差分别为2 7 4 和7 6 7 。 关键词：气液两相流，数值模拟，分配器，分流系数 s t u d y o ns w i r l e ds a m p l e ra l o n gt h ec i r c u m f e r e n c e w ul i a n g h o n g ( o i l & g a ss t o r a g ea n dt 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 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 se m e r g e di nm a n yf i e l d se s p e c i a l l yi nt h ep e t r o l e u mf i e l d t h em e a s u r e m e n to ff l o wr a t ei si n e v i t a b l ed u r i n gt h ep r o c e s so fo i la n dg a sf i e l de x p l o r a t i o n t h et w o p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t sh a v ea l w a y sb e e nt h eb i g g e s to b s t a c l et ot h ee x p l o r a t i o n o fo i la n dg a sf i e l db a s e do nt h ef a c tt h a tt h et r a d i t i o n a lt w o - p h a s em e a s u r e m e n t sh a v eag r e a t n u m b e ro fd e f e c t ss u c ha sb u l k y , e x p e n s i v ea n do f f - l i n e ，e t c u n d e rs u c hc i r c u m s t a n c e ，t h e e x t r a c t i n ga n ds e p a r a t i n gm e t h o dh a sb e e np a i dg r e a ta t t e n t i o nc o n s i d e r i n gi t sn u m e r i c a l a d v a n t a g e si n c l u d i n gs m a l lv o l u m eo fd e v i c e ，h i g ha c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t , o l l l i n e m e a s u r e m e n t , e t c t h ep r i n c i p l eo fe m si st h a ts e p a r a t i n gaf r a c t i o no f f l o wi nt h em a i n s t r e a mf i r s t l y , a n d t h e ns e p a r a t i n ga n dm e t e r i n gt h es u b f r a c t i o nu s i n gt h em e t e r i n gs e p a r a t o ra n dt h eo n e - p h a s e f l o wm e t e rr e s p e c t i v e l y , a tl a s tf i g u r i n go u tt h em a i n s t r e a mf l o wr a t ea c c o r d i n gt ot h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i n s t r e a ma n dt h es u b f r a c t i o n s a m p l i n gd i s t r i b u t i o nd e v i c ei st h e k e yp a r to fe m s s ot h i sp a p e rc a r r i e so u to p t i m a ld e s i g na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h e s w i r l i n gs a m p l i n gd i s t r i b u t o rw i t ht h eh e l po fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s t h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sr e a l i z e db yt h ef l u e n ts o f t w a r ea n di m p l e m e n t e dw i t hs w i r l i n g s a m p l i n gd i s t r i b u t i o nd e v i c e ss t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h ep o s i t i o no fs w i r l i n gv a n e ，t h en e wk i n d o f r e c t i f i e r ，t h en u m b e r , t h es i z e ，t h es h a p eo f t h es a m p l i n gh o l e , a n dl o c a t i o no f o p e n i n g so n t h ec i r c u m f e r e n c eo ft h es a m p l i n gh o l e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es a m p l ei su n i f o r m i t ya n d s t a b i l i t yw h e ns w i r l i n gv a n e sa r ei n s t a l l e da tad i s t a n c eo f 7 5 m m - 1 0 0 m ma w a yf r o mt h ei n l e t o f r e c t i f i e ra n dt h ec u r v a t u r er a d i u so f a r c s h a p e dr e c t i f i e ri s2 5 m m ，a tt h es a m et i m et h e r ea r e e i g h ts a m p l i n gr o u n dh o l e so f5m md i a m e t e ra sw e l la st h eh o l e sl o c a t e d5 0 m ma w a yf r o m t h er e c t i f i e ro u t l e t t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta tt h em u l t i p h a s el o o ps y s t e mo ft h ec h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u mq i n d a oc a m p u s t h er e l a t e dm e d i aa r ea i ra n dw a t e r t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e n e x t r a c t i o nr a t i oa n dt h em a i n s t r e a mf l o wr a t eh a v eb e e no b t a i n e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n ta s w e l la st h eb r a n c hr e s i s t a n c e , t h ef l o wp a t t e r na n dt h er e s i s t a n te l e m e n t s i m p a c to nt h e e x t r a c t i o nr a t i o f i n a l l yt h em a i n s t r e a ml i q u i da n dg a sf l o wr a t e sb e t w e e nt r u ev a l u ea n d c a l c u l a t e dv a l u ea r ea l s oc o m p a r e dt h er e s u l t se x p l a i nt h a tt h el i q u i de x t r a c t i o nr a t i oi s r e l a t i v e l ys t a b l ei naw i d er a n g eo ff l o wn e a r0 1191 a n dt h eg a se x t r a c t i o nr a t i oi sl i n e a r w i t l lt h el i q u i df l o wr a t eo f t h em a i n s t r e a ma n dh a sn o t h i n gw i t ht h em a i n s t r e a mg a sf l o wr a t e t h ea v e r a g ee r r o ro f t h el i q u i da n dg a sf l o wr a t em e a s u r e m e n ta p p r o a c ht o2 7 4 a n d7 6 7 r e s p e c t i v e l y k e y w o r d ：g a s - l i q u i dt w o - p h a f l o w , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , d i s t r i b u t i o nd e v i c e ， e x t r a c t i o nr a t i o 1 1 1 目录 第一章前言i 1 1 课题的研究意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 不分离法3 1 2 2 完全分离法3 1 2 3 部分分离法3 1 2 4 分流分相法4 1 2 5 分配器结构存在的问题8 1 3 本文研究的主要内容9 第二章分流分相式旋流型管壁取样器分配器的计量原理1 1 2 1 分流分相式多相流计量原理1 1 2 2 分流系数特性分析1 3 2 2 1 液相分流系数特性1 3 2 2 2 气相分流系数特性1 4 2 2 3 影响分流系数稳定和大小的因素1 5 第三章旋流型分配器的f l u e n t 数值模拟1 7 3 1 几何模型的建立1 7 3 2 多相流模型的选择1 7 3 3 湍流模型的选择1 8 3 4 网格单元划分1 9 3 5 旋流叶片的模拟计算及结果分析2 1 3 6 新型圆弧形整流器曲率半径对流型转化的影响2 3 3 7 取样孔结构数值模拟及其优化2 6 3 7 1 取样孔数对分流特性的影响2 6 3 7 2 取样孔形状对分流特性的影响2 7 3 7 3 取样孔大小对分流特性的影响2 8 3 7 4 取样孔在圆周上的开孔位置对分流特性的影响3 0 3 8 湿气计量装置结构3 1 3 9 本章小结3 2 第四章旋流型管壁取样分流分相式两相流量计实验研究3 3 4 1 实验流程和主要设备3 3 4 1 1 实验流程3 3 4 1 2 主要设备3 4 4 2 数据采集系统3 5 4 2 1 数据采集3 5 4 2 2l a b v i e w 处理软件3 6 4 2 3 数据采集系统的设计3 7 4 3 实验介质参数3 8 4 3 1 空气的物性参数3 8 4 3 2 水的物性参数3 9 4 4 实验方案与步骤3 9 4 4 1 实验方案3 9 4 4 2 实验内容4 0 4 5 实验结果分析4 l 4 5 1 形成均匀环状流的条件4 l 4 5 2 分流系数实验结果分析4 2 4 5 3 分流回路阻力大小对分流系数的影响5 2 4 5 4 节流元件阻力大小对分流系数的影响5 3 4 5 5 流型对取样特性影响5 6 4 5 6 主管气相和液相流量的测量精度和误差5 8 4 6 本章小结6 2 第五章结论与展望6 4 参考文献6 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 9 致谢7 0 v 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题的研究意义 第一章绪论 根据能源发展“十一五”规划，加快油气开发、节能、环保是我国能源发展的重 要措施，天然气作为洁净、高效、优质的燃料将是实现我国经济可持续发展的重要支柱。 根据已探明的天然气资源分布特征，海上天然气特别是深水天然气的开发将是实现能源 供应立足国内战略的重点。井口天然气一般都含有饱和量的水蒸气，有的还含有硫化氢、 二氧化碳等酸性气体，属于湿气范畴。湿气的计量和分离是天然气开发中的重要工艺， 因为井口湿气在满足一定温度压力条件下会有水分、重烃析出，形成气液两相流，由于 气液两相流动复杂，流动过程尤其是在段塞流的情况下常会有非常强烈的波动现象，气 液两相的流量和组分也会不断变化，工作在两相流体中的仪表受流型波动的影响测量精 度很低，无法满足井口流量监测的需要。深海气田的开发迫切需要提出新的湿气计量原 理，开发出结构紧凑、稳定性好，精度高，基本无须维护的模块化设备。 多相流流量的测量问题一直是国内外许多专家和学者的关注的焦点【l 】。目前几乎所 有的多相计量方法一般都要求流体的相关特性，如电导率、介电常数、质量吸收系数等， 才能实现比较精确地计量。这些装置普遍存在的问题是：测量范围窄、测量精度低，测 量精度只有在1 0 左右，测量范围也有限，无法在所有流型下正常工作，尤其是在段塞 流型下，由于其流动的特点，测量精度更低；如果流体特性出现变化或多相流量计用于 多井计量，必须进行频繁的标定；计量装置普遍采用辐射源，存在严重的安全隐患，鉴 于以上多相流量计存在的问题，很有必要研发出一套测量新型的、测量精度高、设备体 积小和能满足油气田开发现场需要的两相流量计，这将对完善和发展天然气集输和加工 处理工艺、降低深水天然气开发成本都具有十分重要的意义。 分流分相法是近些年来西安交通大学的林宗虎、王栋等提出的一种新的多相流量测 量方法【2 】，其原理是将主管中的多相流体成比例( 5 0 o - - - 2 0 ) 地分出一小部分，然后再 使用单相气体和液体流量计分别计量经两相分离器分离出的那一小部分流体，最后根据 气液相分流系数( 分流体与主流体的比例关系) 来确定被测两相流体各相总流量。相比 于以往传统的多相流量计量方法【3 】，由于分流分相法测量的仅仅是来流中的很小部分， 因此分流分相法最大的优势就是可以成十倍以上的减小两相分离器的体积，这对于深海 油气田开发尤其是海上平台的建设具有十分重要的意义，但是分流分相法不可避免的会 第一章绪论 带来流体的相分配问题，从而影响到气液相分流系数的稳定和流量测量的精度。利用分 流分相法计量气液两相流量的关键在于分流系数大小的选择和分流系数的稳定性，分流 系数越小，越稳定，计量分流器的体积就越小，流量的计量精度同时也就越高。因此怎 样保证分流系数的稳定和选择合适的分流系数是能否开发出分流分相式湿气计量装置 的关键所在。本课题依托国家高技术研究发展计划( 国家“8 6 3 ”计划) “深水湿气计量 与分离新技术研究( 课题编号：2 0 0 7 a a 0 9 2 3 0 1 ) 一，研究开发出一套比较适用于深水油 气田开发中低持液率下的湿气计量装置旋流型管壁取样分配器。 1 2 国内外研究进展 j 霉 _ l 一 - | | 萎r 萱” 蔓 l 一 差 i ” i ” - * 酋 ， 瞰昆昆隰獭 - 一 搬l1 髀，l ，朔l ，螂il w1 柳l i 蛳l l 嘞l 越 i d 饷_ b 口104li5l 拉l 神l ， 辑 k o 如r 目t m l 2lt ol ”f 掸i 霜l i 嚣 2 伸 h o 埘科- lil 3iil怕l订lt 盈l 蝴 图1 - 1 国内外对多相流量计需求的增长速率 f i g l - 1 g r o w t hr a t eo fd e m a n d sf o rm u l t i p h a s ef l o wm e t e r i n g 从图1 1 【4 】可以看出，多相流量计的研发和需求速度是相当惊人的，这主要是得意 于世界各国石油战略向深海转移，如果能开发出测量精度较高的多相流量计，就可以大 大降低深水油气田开发的成本，此外地形起伏地区的湿气田开发也同样面临着多相流量 的计量问题，普光气田的开发就是个典型的例子。多相流流量测量方法按照是否分离可 以分为直接测量法和间接测量法；按照分离程度也可以分为部分分离法、分流分相法【5 。9 】 和完全分离法，如图1 2 所示。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 - 2 多相流计量原理分类 f i g l - 2 t h ep r i n c i p a l s c l a s s i f i c a t i o no f t h em u l t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t s 1 2 1 不分离法 不分离法就是对来流的多相流体进行直接测量，无需对来流进行分离。不分离计量 法的优点是计量装置体积小、结构紧凑，但是由于通常采用均相化处理的方法对测量结 果进行处理【1 0 1 ，因此测量精度低，而且测量精度受流体波动影响极大，即装置对流型的 适应性差。此外不分离计量法对软件处理的依赖较大，这样方法在石油行业的多相计量 中已经基本上不再采用。 1 2 2 完全分离法 完全分离法是指将上游来流的气液两相流体完全分离成单相液体和气体，再分别使 用单相流量计计量，这样带来的结果是为了保证分离效果和测量精度，分离器的直径一 般都为管道直径的1 0 - 2 0 倍以上，整个计量装置的体积相当庞大。因此完全分离方法最 大的缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，占地面积大，这在很大的程度上制约了深水 油气田的开发，因为平台的面积相当有限，不适合水下使用，此外完全分离法需要专门 的计量管线计量站。 1 2 3 部分分离法 部分分离法原理：首先上游来流的两相流体被分离成以气相为主( 高含气率) 和以 液相为主( 高含液率) 的两股流体，这一步主要是通过利用气液相分离器来完成的，然 3 第一章绪论 后分别测量两股流体的流量，最后再将其重新混合汇入主流管路。部分分离法可以将流 经仪表的两相流组分范围缩小，在一定程度上压缩计量分离器的体积，同时也降低了流 动的不稳定性和测量信号的波动性以及两相流测量的难度，但是其测量范围窄、测量精 度低，测量精度普遍只有1 0 左右【1 1 】，测量范围也有限，无法在所有流型下正常工作， 尤其是在段塞流型下，由于流动的间歇性，测量精度更低； 1 2 4 分流分相法 分流分相法是近些年来西安交通大学的林宗虎、王栋等提出的一种新的多相流量测 量方法，其分流分相法的原理见图1 3 ： 图l - 3 分流分相式两相流体流量计原理图 f i g l - 3 t h es c h e m a t i co ft h ee x t r a c t i n ga n ds e p a r a t i n gt w o - p h a s ef l o wm e t e r ( 1 ) 利用特殊设计的取样器从主管路的气液两相流中取出5 1 0 具有代表性的多 相流体； ( 2 ) 使用小型计量分离器对取出的多相流体进行单独分离计量； ( 3 ) 根据取样流体与主流体的比例关系确定被测流体的气液相流量。 分流系数等于取样流体质量除以主流流体质量，因此主管路中的气液相总流量m l o 和m l l 分别按照式( 1 1 ) 和式( 1 - 2 ) 计算： g i g 孥 ) m i l 孥 ( 1 2 ) 式中：m l g 和m l l 分别为被测主管气液相质量总流量；m 3 g 和m 3 l 分别为分流体气液相 质量流量；l ( g 和k l 分别为气液相分流系数。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 从上面的原理分析中可以看出分流分相法多相流量计的优势： ( 1 ) 对主管来流进行了分流，分离器体积将远远小于完全分离时所需分离器体积，甚 至可以达到单相计量时流量计的体积； ( 2 ) 对主管来流进行了分相，所有流量测量仪表在单相环境下工作，克服了气液两相 流波动对计量的影响； ( 3 ) 整个测量装置体积小，精度高、便于制成仪表广泛使用。 保障取样流体与主管被测流体具有稳定和确定的比例的关键是设计合适的取样器。 根据取样方式的不同，目前分流分相式多相流量计的开发过程中共有5 种不同结构的分 配器，即三通型切，取样管型13 1 ，转鼓型【1 4 1 ，旋流型嗍和转轮型分配器【16 1 7 1 。 ( 1 ) 三通型分配器 图l - 4 三通管型分配器 f i g l - 4 t h ed i s t r i b u t o rw i t ht - j u n c t i o nf o r m 图l - 4 为三通管型分配器的结构示意图。国内外相关研究表明，三通管型分配器结 构特性的研究虽然近些年来已经取得了一些进展，但是其相分配的问题还远没有解决， 尤其是在多相流动的情况下。三通管型取样器结构简单，但其只适用于单参数测量，无 法同时获得气液相流量。 ( 2 ) 取样管型分配器 5 第一章绪论 图l - 5 取样管型分配器的结构示意图 f i 9 1 - 5t h es c h e m a t i co ft h es a m p l ee x t r a c t i n gd i s t r i b u t o r 图1 5 是取样管型分配器的结构示意图。上游来流的多相流体在混合器内进行充分 混合，然后大部分的流体沿主管继续向下游流动，另一小部分的多相流体经过混合器内 部的取样管进入两相分离器内进行分离，最后使用单相的气体、液体流量计对分离出的 气相和液相进行计量，因此如果能保证取样流体的代表性，主管两相流体的气液相总流 量就可以通过分流系数得到。 ( 3 ) 转鼓型分配器 锤震 梦一燎 亏亏锈p手 ，j r 、，r， l 1恶 。 f 叫 7 多p 、 l i n 琶： i 、。 1、 j l 图l _ 6 转鼓分配器结构示意图 f i g l - 6t h es c h e m a t i co fr o t a t i o n a lw h e e ls a m p l e r 6 座 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 如图l 石为转鼓型分配器的结构示意图所示，分配器的转鼓通过转轴和支架固定在 轴承座上，为了引导来流主管的多相流体，转鼓的上下游都布置了导锥，结果是其内部 被均匀分割为多个互不连通的扇形通道。当来流经由转鼓时，受到气相和液相流体的冲 击，而使得转鼓高速旋转，对于每个通道来说，上游流通截面上每一点的两相流体都可 以均等地流，因此转鼓性分配器取样的效果基本不受上游来流流型的影响，能较好地保 证分流体取样的代表性。 ( 4 ) 旋流型分配器 气体溯景瞥络 图l - 7 分流分相式旋流型分配器结构示意图 f i g l - 7 t h es c h e m a t i co fs w i r l e de s md i s t r i b u t o r 图l - 7 为旋流型分配器的结构示意图，上游两相流经旋流叶片后形成旋流，由气相 携带着两相流中的液相变成沿管道周向分布均匀的液膜，周向均匀分布的液膜紧贴管壁 向下游流动，然后通过整流器减小流体的旋转并可以改了液膜的均匀性、稳定性和对称 性，从而将分层流、弹状流、不均匀的环状流等流型转变为均匀的环状流型，最后将均 匀的环状流进入取样器进行分流取样计量。 ( 5 ) 转轮型分配器 上游管道的来流垂直进入转轮中心入口，如图1 8 转轮型分配器的结构所示，转轮 在流体切向力的作用下被带动高速旋转，然后两相流体从转轮流道喷出，经取样口进入 分流体收集室，汇合后经过两相分离器分别进行单相气液计量。转轮型流量计虽然能较 好地保证分流体取样的代表性，但是存在转动部件，高气量条件下易发生震动，因此转 7 第一章绪论 轮型流量计对测量介质洁净度要求特别高。 一 图l 遗转轮分配器结构示意图 f i g l - 8 t h es c h e m a t i co fr o t a t i n gw h e e ld i s t r i b u t o r 1 2 5 分流分相式湿气计量装置取样方式的选择 分流分相法湿气计量装置在深水和地形高低起伏油气田开发中意义重大，而取样分 配器是分流分相式两相流量计的关键部件，因此气相和液相流量的计量精度、计量范围 以及装置的实用性受取样分配器结构的好坏直接影响，因此有必要对分配器的各种取样 方式的优势和劣势进行对比分析，如下： 虽然三通管型分配器结构相对简单，运行可靠平稳，但只能应用于单参数测量，因 此三通管型的分配器只适用于计量干度较高的气液两相流体，不适于段塞流，因为段塞 流型下两相流体的流量波动较大；取样管型、转鼓型和旋流型这三种分配器比较适用于 两相流体的计量，但它们的取样装置( 取样器) 都设在管道内部，不仅会干扰两相流体 的流动，造成流体的阻力损失的增大，而且还容易引起取样口的磨损和阻塞。此外取样 口一旦变形就会引起分流系数的不稳定和测量误差的增大。因此这三种分配器对测量介 质的清洁度要求很高；转轮型分配器虽然能严格保证取样的代表性，但是不适于高含气 情况的测量，因为在气量比较大的情况下，转轮产生剧烈震动，使其磨损加剧。总的来 说，三通管型取样器结构简单，但其只适用于单参数测量，无法同时获得气液相流量； 取样管型取样器，取样口正对流体方向，易造成取样口的磨损和堵塞；转轮型和轮毂型 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 流量计存在转动部件，高气量条件下易发生震动，对测量介质洁净度要求高。 测量装置的体积也是深水油气田开发开采中必须要考虑的因素之一，因此分流系数 的选取和稳定性也相当关键。因为分流系数的大小直接决定着流量计( 测量装置) 的体 积，分流系数越小，流量计的体积就越小，越有利于深水湿气的开发开采。研究发现， 目前试验得到的气液相分流比例较高，多在1 0 1 5 左右，如果将其制在1 0 以下， 分流分相法的优势便能更好地发挥，即成十倍以上的减小两相分离器的体积。而对于管 内取样的分配器，则必须增加分配通道的数目才能实现分流系数的减小，但是增加分配 器的分配通道也就意味着分配器的磨损和堵塞加剧。相分离直接关系到分流系数的稳定 性，目前的研究表明减小相分离现象只能通过增加取样的代表性来解决。 为使上述问题得到妥善地解决，本人创新性地提出了一种分流取样新思路一旋流 型管壁取样，其特点和优点是：取样口位于管壁，管内气液混合物通过管壁进入取样回 路；管内机械杂质不会对流体取样孔产生磨损或造成堵塞：基本上不会对主管流体的流 场产生干扰，从而可以在很大程度上降低了阻力损失；可以实现多孔取样，能最大程度 地减少相分离现象。 1 3 本文主要的研究内容 本文主要采用实验模拟结合的方法对取样分配器分流分相式多相流量计的核 心部件进行了结构设计和优化，从理论上探讨取样孔分流特性，并在中国石油大学( 华 东) 青岛校区的多相流实验环道系统中进行了深入实验研究，得到了气液相分流系数与 主管气液相流量之间的关系及其影响因素，最后得到湿气计量装置的测量精度和误差， 主要的研究内容如下： 第二章：分析分流分相式多相流量计的计量原理以及气液相分流系数的相关特性， 并从理论上分析影响分流系数稳定和大小的因素。 第三章：建立分流分相式旋流型管壁取样分配器的数学模型，并数值模拟取样分 配器的各个部件( 包括旋流叶片，整流器和取样器，优化分配器的结构，包括旋流叶片 安装的安装位置，整流元件种类和曲率半径，取样孔的个数、大小、形状和在圆周上的 分布位置) 对分流特性的影响； 第四章：对两相流的实验系统进行详细介绍，其中包括多相流实验环道、实验装置、 数据采集处理系统；进行实验，得出计量装置工作的最小气液相流量，即形成均匀环状 流的最小气液量；探究主管气液相流量的变化时气液相分流系数的变化规律，并与气液 9 第一章绪论 相分流系数的理论公式进行对比：分析分流回路阻力的大小和节流元件阻力大小以及流 型对气液相分流系数的影响；对比分析主管气液相流量的实测值和理论计算值，得到取 样分流分相式两相流量计用于两相流流量测量的精度和误差。 第五章：结论与小结，提出了目前湿气计量装置在结构和性能上尚存的不足之处和 问题，并对装置目前存在的问题和改进方向提出建议。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章分流分相式旋流型管壁取样器分配器的计量原理 2 1 分流分相式旋流型多相流计量原理 上游来流经过旋流叶片和整流器后，分层流、段塞流和不均匀环状流将转变为液膜 厚度分布均匀的对称环状流，此时一部分流体在取样装置中由取样孔进入取样腔室和气 液两相分离器，如图2 1 所示，另一部分( 主流体) 则继续沿管道流向下游。取样回路 的两相流体经由计量分离器分离后分别由单相气体涡街流量计和液体质量流量计进行 测量，最后重新汇入主管【1 9 1 。 取样装置 图2 1 分流分相式流量计的两相流量测量原理图 f i g u r e 2t h ep r i n c i p a lo f e x t r a c t i n ga n ds e p a r a t i n gm e t h o dt w o - p h a s ef l o wm e t e r i n g 因此，主管中两相流体的气相和液相总流量分别可以用式( 2 1 ) 和式( 2 - 2 ) 进行 计算。 m i g = m a 3 g g - ( 2 - 1 ) 鸠工= 等 q 彩 式中：m 3 g 和m 3 l 分别为分流体气液相质量流量；m l g 和m 1 l 分别为被测主管气液 相质量总流量；k l 和l g 分别为气液相分流系数。 最理想的情况下k l = k g = 常数，而实际上不可能做到，但是只要能在比较大的流量 范围内保证k l 和k g 的稳定或使其具有确定的变化规律，就基本上能够保证m l g 和m 1 l 的测量精度。此外，正如第一章所提的那样，分流分相法最大的优势就在于它能成倍的 第二章分流分相式旋流型管壁取样器分配器的计量原理 缩小两相分离器的体积 2 0 ，但是如何选取气相和液相分流系数，以及怎样保证分流系数 的稳定性也是必须解决的问题。因为分流分相法计量取样时不可避免地会出现相分离问 题，从而影响到计量的精度，因此很有必要对气相和液相分流系数从理论上做进步的 探讨以得到其影响因素。 从2 1 图中还可以发现，分流回路和主流管路之间呈并联关系，根据两相流动特性 可知，分流系数k l 、k g 的特性应该主要取决于分流回路和主流体回路相对阻力的大小 ( 即阻力匹配关系) 。根据分流分相模型【2 1 1 分流管路的总压降职和主管的总压差必可 以分别表示为： 面，= 压( 警卜压( 警) ( 2 3 ) 应= 压 鼍q + 岛压 半 c 2 4 ) 式中磊、磊分别为主流回路和分流回路的总阻力系数，见、纯分别是气相和液相的 密度，a 2 、a 3 分别为主流回路和分流回路的流通面积，砬、幺分别是主流回路和分流 回路的分相模型修正系数。 由( 2 - 3 ) 和( 2 - 4 ) 可以进一步得到如下的关系式： - + 层睁) 小 唧一心，一岛居睁卜 压( 篆 ( 2 射 式( 2 5 ) 综合反映了气液相分流系数k b 、k l 与取样分配器结构参数、被测气液相流量以 及流体密度之间的关系。两相流体的参数可以通过测量得到，同时结构参数也已知，但 是还必须要找到一个与有关k g 或者k l 的关系式或者方程才能够最后确定出k g 和k l 的 值，因为l 和k l 同为未知数，仅根据式( 2 5 ) 还不能够确定出k g 和k l 的值，经过大 量的实验观察发现气液两相流体在流过旋流叶片和整流器后，速度的提高幅度非常大， 表现在不但位于气核中的液滴会得到加速，而且高速流动的气体也会携带着紧贴壁面的 液膜从整理器出i s l 高速喷出，仅有少量的液膜任会残留在壁面上。由于液滴惯性作用其 运动将具有一定的独立性，因此进入取样孔的液相流量就等于取样孔端口的液体总流 量，即 乱3 = ( 毛一 t ，) 口= a x 气一b ( 2 - - 6 ) 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 式中表示残余液膜流量，b = 口，a 是与取样孔大小、位置、个数和形状以及 液膜在管道流通截面上分布形式及有关的系数。将式( 2 - 5 ) 带入式( 2 - 6 ) 可得到液相 分流系数k l 的计算式： 驷 + 爿1 c 2 刁) 山 _，_ 从式( 2 - 7 ) 可以看出，k l 随着液相流量的增大而逐渐增大，当帆增大到一定值时，吒 将基本不再变化等于常数a ，液相分流系数k ，确定后即可以得到气相分流系数。 2 2 分流系数特性分析 2 2 1 液相分流系数特性 k 。：= k n d ( 2 - 8 )。 2 麒 由公式可知，当旋流型管壁取样分配器的结构确定后，液相分流系数也就基本保持 不变，此时旋流型管壁取样分配器的液相分流系数主要取决于取样小孑l 的直径和数目。 但是公式中系数k 是与装置有关的参数，k 值的大小主要是由分配器中节流元件的阻力 特性来决定：当节流元件节流作用比较强时，由于气体对节流效应比较敏感，会带来主 管阻力损失的增加，两相流体将会更多的通过取样腔室进入分流回路，这样势必造成液 相和气相分流系数的增大；相反当节流元件节流作用较弱时，主管的摩阻相对较小，气 相和水将会相对更多地流经主管，结果是液相和气相分流系数减小。因此节流元件的节 流作用和液相分流系数的关系十分密切，不能单单只用一个系数k 来概况，有必要深入 探讨分流系数和节流阻力之间的关系。 假定取样器中取样孔数和孔径固定，此时k 直接决定着k ，的大小。在气液相折算 速度较大的情况下，气体会将携带着沉积于管道底部的液体到管壁项部，因为两相流体 通过旋流叶片后会形成强烈的旋流，并在管道的分配截面或者周向管壁上形成厚度分布 比较均匀的环状流，此时进入各个取样孔的液量将会基本相等，因此液相分流系数可以 保持恒定；但是当主管路气液相折算速度较小时，液相分流系数随着主管两相流量的变 化而变化，并不能保持常数，原因在于两相流体经过旋流叶片时不能产生有效的旋转作 用，液膜的分布很不均匀，管道上壁液膜量很少，大部分液相仍集中在管道底部。 1 3 第二章分流分相式旋流型管壁取样器分配器的计量原理 2 2 2 气相分流系数特性 进入分流回路气相流量大小对分流回路和主流回路间的阻力变化特别敏感，因为气 相密度远小于液相密度。 主流体回路的总压力变化鸲包括翊：两相流进入取样小孔导致的主回路的压力降 a p 2 1 ，气液两相流通过旋流叶片的压降必2 以及两相流通过节流孔板的压力降必3 。因 从取样孔流入分流回路时，必。一般很小，与节流元件的压降相比，经旋流叶片的压降 也可以忽略不计，因此可以认为节流元件的节流作用主要引起了主管回路的压降。 没有对分流气相回路进行节流时，总的阻力损失必包括：分流体通过取样孔的压 降a p 3 1 ，分离器中的阻力损失嵋2 ，气相沿程损失必3 。分离器中的 压降蝎2 及气相沿程压降a p 3 3 一般很小，可以忽略，因此由取样d q l 弓l 起的 阻力占分流回路的阻力绝大部分。 如果仅用单相气体流经主管路，则分流回路中的也全部为单相气体，那么 在分流回路的压力损失： 在主回路产生的压降： 根据并联回路的特征： 得到： 根据质量守恒： 由( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 得到： 必= 丝2 p g 旦( v 3 c 3 a ) 2 醒：丝! 二丛= 2 p g ( c 2 4 ) 2 必= 必 一m 2 g ：盟丝 2 1 1 3 0 c 3 4 1 一屈4 m 惦= m - 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