（油气储运工程专业论文）管内气液两相流持液率波动特性研究.pdf

a b s t r a c t s t u d yo nt h ec h a r a t e r i s t i c so ft h e l i q u i dh o l d u p o f g a s - l i q u i d t w o - p h a s ef l o wi np i p e l i n e s m u l t i p h a s e f l o wm e a s u r e m e n ti st h ee s s e n t i a l p r e r e q u i s i t e o f e n g i n e e r i n gp r e d i c t i o nd e s i g n a n dc o n t r o lt h et w o - p a r a l l e la n dc i r c l e e l e c t r o n i cc o n d u c t a n c ep r o b e sa r ed e s i g n e da n dd e v e l o p e df o rm e a s u r i n g t h el i q u i dh o l du p t h i sd i s s e r t a t i o n g i v e sad e t a i l e de x p e r i m e n t a la n d t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el i q u i dh o l du po fg a s - l i q u i d t w o p h a s ef l o w i nh o r i z o n t a la n dd e c l i n e dp i p e l i n e s t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti nt h em u l t i p h a s et e s tl o o pi nt h e u n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m ( e a s tc h i n a ) s o m ek e yp a r a m e t e r ss u c ha sl i q u i d h o l du pa n dp r e s s u r ed r o pw e r em e a s u r e d t h ec o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n g o fs i g n a l sw e r ec a r r i e do u tb yas e r i e so fs o f t w a r es u c ha sl a b v i e wa n d o r i g i n t h ee x p e r i m e n ta d o p t e dt h el o w - p a s sf i l t e rm e t h o dt o f i l t e rt h e s i g n a l s s e p a r a t e df l o wm o d e lw a sa p p l i e dt op r e d i c tl i q u i dh o l du po f t w o p h a s ef l o w p r e d i c t i o n sw e r ec o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t a ld a t aa n d t h e yh a dag o o da g r e e m e n t a c c o r d i n gt o t h er e g r e s s i o no fe x p e r i m e n t d a t a ，s e v e r a lp r a c t i c a lf o r m u l a sf o rc a l c u l a t i n gl i q u i dh o l du pw e r ea l s o o b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t aw e r ed i s p o s e da n du s e dt oa n a l y z et h e a p p l i c a b i l i t yo f t h et w o - p a r a l l e lm a dc i r c l ee l e c t r o n i cc o n d u c t a n c ep r o b e s l h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h el i q u i dh o l du pa n dp r e s s u r ed r o pi nd i f f e r e n t f l o w p a t t e r n sw e r e e d u c e d i ti sa ne c o n o m i c a la n de x a c tm e t h o df o r a d o p t i n g e l e c t r o n i c c o n d u c t a n c e p r o b e s t o s t u d yl i q u i d h o l d u p t h i s m e t h o dh a s g r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o nt om u l t i p h a s ef l o we n g i n e e r i n g m e a s u r e m e n t k e yw o r d ：e l e c t r o n i cc o n d u c t a n c ep r o b e ，l i q u i d h o l d u p ，g a s l i q u i d t w o - p h a s e f l o w 独创性声明 本人卢明所旱交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文【t l 特别加以标注和致谢的地方外， 论文中1 ；包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我+ 。同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已_ i 竽论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 签名：墨隧俨诲y 月旧 关于论文使用授权的说明 本人完全了解币油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅；学 校t t r 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影e 、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学牛签名 导师签名 显星盗 炒 弘一；年 岁月工同一 彩嘭年r 月廖同 f i 油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 第l 章前言 1 1 课题研究的目的及意义 多相流是一种广泛存在的流动7 肜式，足一fj 新兴学科，对国民经 济发展有十分重要的作用，广泛应用丁i 能源、动力、核反应堆、制冷、 低温、环境保护及航天技术等许多d 渺部门忆随省工业生产的卅i 断 提高，对多相流参数进行测最的需求电越米越迫切，对计量、节能和 控制等方面均提出了更高的要求。存右油工业中，由于从井口采出的 通常是原油、水、气组成的多相流体，同前，大都采用分离器进行分 干h 计量，分相计量设备多、速度慢、结构复杂、造价昂贵。随着陆卜 油气储量的减少，丌发利发展海洋、沙漠油气阳已是油i 开发的主要 方向。多相混输能降低油气阳丌采费用晌1 0 4 0 1 2 i ，混相输送是 油气管输的发展方向，而多拥计黉义是采用混相输送的关键技术之- 。 多相计量可以省掉通向平台的测试管段，测试分离器等设备，减少空 问，提供瞬时流速信息，减少维修等，这将给牛产上带来很大的方便， 在经济上带来很大的节省。因此多相流混输和计量技术的研究具有重 要意义。 在多相混输t 艺中，压力降利持液率都是主要的参数。只有j f 确 的进行压力降计算才能为整个流体系统选择合适的泵或其他动力设备 提供可靠的依据，使整个系统经济安全的运行。压降计算往往又需要 截面持液率数值，高压、高质量流速下实测的截面持液率与根据均相 流模型计算的持液率比较接近，但是一般情况f ，i 均相值有明显的 差别。要得出更为详细利精确的模型必须考虑7 气液两相流的流型】， 冈此，气液多相流的 j 、降、干h 分率等参数都和流型有着密切的联系。 然而日前【一程卜大量的。e 液两相流计算都没有考虑两相流流型的影 响，例如对于环道流动r r | | ! j 爪力降计算、截【i i 含2i 率计算等，误差均 较大，一般为3 0 左右口j 。研究表明：流型对于气液流动特性的计算 是重要的。因此，研究不1 刊流型f 的持液率和压降的特性和计算方法 石油人学( 华东) 颁十论文 第1 章前青 具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 近年来，多相流动参数测量技术得到迅速的发展。白l 世纪6 0 年代以来，国外就建造了各种具有水平、垂直和倾斜测试段的多卡h 流 综合试验环道，并丌展了多相流的研究。存j 一世纪7 0 、8 0 年代，t u l s a 火学在其多相流环道和捌j 戚的s i n f e i ? 环道上就丌始了多相计量研 究。最早的有关多相计量的文章足山b p 和t e x a c o 在8 0 年代中期 发表的。美、英、德等国投入了大量财力、人力进行多相流流量计的 研究和”发。e u r o m a t | c 、t e x a c o 、b p 等人研制了第一代多相流 量计1 4 l 。h e w i t t s 提出了微倾斜管中油、气、水在不同压力下的流型图 并发现压力增大会促使分层流扩人，他还研究了压力降和微倾斜管中 油、气、水三相流持液率问题。 在幽内，西安交通大学、浙江人学、清华大学、大庆油f f i 、石油 大学等先后开展了这方面的研究、，早在1 9 8 6 由浙江大学发起，第一届 全国多相流测试学术讨论会就在杭州召丌_ ：广。此后，又召丌了第二二、 第三、第四届多相流测试学术讨论会。1 9 9 5 年，在东南大学召开了首 届国际多相流测试技术学术讨论会。浙江大学李海青，西安交通大学 的陈学俊、林宗虎、剧芳德等在多相流流型识别、空隙率、流量测量、 信号处理等方面都做了大量的工作。近年来行油大学( 北京) 开展了 油、气、水无分离在线计量研究，还处1 。实验室研究阶段，离工、l k 应 用还有+ 定的距离。 目前多相流计量方法大致如卜- ：一是采用传统的单相流仪表和多 相流测试模型组合的测量方法1 6 】。据报道，将差压式流量计、涡轮流 量计、靶式流量计、容积式流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声 波流量训、科罩奥利力流量讣等多种单相流量讣应用于多相流量的测 试，取得了较大的进展。例如对孔板差压式流量计，建立了基于分相 流模型和均相流模型的两相流模型：对电磁流量计建立了导电液相流 速分布为非轴对称影响的修正模型等。通过这些测量模型，传统的单 i i 汕大学( 华东) 硕十沦文 第1 章前言 相流量计就可以用米测量多相流量了。但在应用时必须考虑到使用条 件和测量精度。单相流中已有的光学、电学、热学等探头和传感器也 广泛的应用于多相流测试中。例如剧单个和多个电导探针测量流型、 局部含。t 率、气泡内速度等；用多电极旋转电场式电导传感器测量管 道平均含气率；采用多传感器组合，进行双( 多) 参数测量确定流量 或含气率等1 7 】。二是运用近现代新技术进行不r 扰流动测量8 。应用 于多相流测试中的近现代新技术字要白：超声波技术、微波技术、辐 割技术、核磁共振技术、光谱技术、光纤技术、过程层析成相技术等。 微波技术可以测量相分率。核磁芙振应用丁两卡h 流的含气率和速度测 量，其应用条件是被测流体中主要成分臼勺原子核具有磁矩，如氢、氟、 氯等，就能产生核磁共振【6 】。光纤传感器用于含气率、气泡速度、气 泡尺寸、液滴分布的测量。基于射线吸收和散射原理的b 一射线、y 射线、x 一射线等是多相流组分浓度测量的重要手段。过程层析技术采 用非接触方式测量，能在线连续地提供两卡h 流体截而状况的二维可视 化信息，并可经过处理得到被测流体的特征参数。三是应用现代信号 处理技术进行多相流参数估计。近年来人们将过程参数辨识、人l 神 经网络、模式识别等引入多相流参数测试领域中来，取得了可喜的成 绩。由概率密度函数和功率谱密度函数确定流型；应用模糊数学理论 进行信息处理，据报道、用概率密度分川j 进行处理，建立流型模糊判 据，使流型在线的判断成为可能：应用人工神经网络系统实现多相流 参数的测量；l a h e y ( 1 9 9 1 ) 较早地将混沌科学中的分形、分叉理论应 用到两相流动，从而表明该数学理论j 以用来揭示两相流动系统的某 些非线性规律。2 0 世纪9 0 年代以束，小波分析技术在多相流领域得 到了广泛的应用。劳力夏等人综述了常用的几种信号处理技术在两桐 流参数榆测中的应用。 综上所述，有关水平管气液两相流参数的测量和研究较多，但是 目前大多数的多相流测试技术仅局限丁实验事研究，为数极少的商品 化的多相计量仪表住工业应用中存在定的局限性，并且造价昂贵， 因此，对多相流参数的测量和特性还有待更进步的研究。 柏油人学( 华东) 硕十论文第1 章前言 1 3 本文研究的主要内容 针对多相混输技术研究的重要性，本文从实验和理论两方面对水 平和倾斜气液两梢流持液率苄u 坻降等参数的波动特性进行了较详细的 研究，实验是在室温、常压下进行的，具体内容包括以卜儿个部分： 1 、通过理论分析，1 殳计并制作_ r 双平彳j _ 电导探针和环状探针 ( 1 )通过理论分析设计并制作了测量气液两相流持液率的双 平行电导探针和环状探针； ( 2 )改进先前课题绍制作的电导探针输出信号处理电路和数 据处理程序； ( 3 )设计出电导探针及系统参数数槲采集系统，编制了数据采 集程序； ( 4 )通过实验研究分析r 温度和杂质对探针输出信号的影响 特点和有关规律。 2 、不同流型下气液两相流持液率计算与实验研究 ( 1 )不同流型f 。气液两相流持液率随时间的变化规律； ( 2 )对比了环状探钊和双平行探针的测量结果，并讨论了两种 探针的溯量特点及适j l j 住： ( 3 )得出了气液两相流截面持液牢随气一液量的变化规律； ( 4 )不同流型r 7t 液两卡h 流持液率实验值与理论值或经验值 进行了对比，并楸据实验值回归山比较简单实用的计算公 式。 ( 5 )不同流型下倾斜f 降管气液两相流持液率与水平管道气 液两相流扮液率的实验值与理论值的刘比结果和变化规 律。 3 、持液率与压降的研究 ( 1 )通过对不同流型下持液率与平均压降、压降信号动态特性 等参数的分析，得出了相应的变化规律。 第1 章前言 ( 2 )段塞流巾持液率与瞬念压力降的变化规律 ( 3 )液塞中压力分布规律和液塞长度对压力降分卸的影响特 点。 “油人学( 华尔) 硕十沦文筇2 章实验系统和实验方法 第2 章实验系统和实验方法 2 1 试验装置 本次试验研究在石油大学小型多相流试验装置卜进行。 2 1 _ l 小型多相流试验装置 剧2l 小型多十i i i i 试验皴臀流程幽 l ：小括缩机；2 ：人雕绵机；3 ：储7l 罐；4 ，e 体涡轮流量i i ；5 ：气液混合器；6 ：试 验段；7 ：气液分离器；8 ：水箱：9 ：离心泉：10 ：i ，o s e m o u n i 胜力变进器；1 l ：热 l u 偶；1 2 ：液休涡轮流量 阁22 小机理试验环道仪器如置图 该试验装置建在储运教研室人试验宦中，它由油罐( i m 3 ) 、离心 油泵、两台压缩机、气体涡轮流量训、液体涡轮流量计、气液混合器、 6 f 瑚人学( 华尔) 硕+ 论文第2 章实验系统和实验方法 试验管段和气液分离器组成。其中试验段为内径5 0 m m 、长2 4 m 的不 锈钢管，其上有四个有机玻璃观察和测量段，并布置有3 个k e l l e r 压 力变送器( 频响为5 k h z ) 。试验段中部是内径为5 0 m m 的半圆形不锈 钢弯管。在气体流量计刚近布置有1 台r o s s m o u n t 电容式压力变送器。 在气液混合器之前各布背有一一个热电偶，在气液分离器之前布置有 个热电偶。详细流程和仪表布置见图2 ，1 和图2 2 。 从压缩机1 或2 来的压缩空气经气罐3 稳定和涡轮流量计4 训量 后进入气液混合器5 ；液罐8 中的水经离心泵9 增压和液体涡轮流量 计1 2 计量后进入气液混合器5 ：7i 液两相在混合器5 中混合后进入试 验段6 ，从试验段流出柬气液混合物经分离器7 分离后，气体排入大 气，液相返回液罐，重复使用。 2 1 2 数据采集和数据处理 试验装置的数据采集系统为n a t i o n a li n s t r u m e n t 公司的n i d a q c a r d 6 0 6 2 e 高速采集卡，陔采集系统可以采集1 6 路模拟信号，单通 道采集频率5 0 0 k i t z ，完伞可以满足试验需要。温度采集采用s o l t r o n 3 5 9 5 1 h 采集板，试验中采集了气相入口、液相入u 和管线出n 的温 度。 试验过程中数据采集和数据处理都是在l a b v i e w 系统下进行的， 利用该软件的信号处理功能，可以实现常规的信号处理( 滤波、时域 分析和频域分析等) 以及联合时频分析、小波分析等。 为了测量液位高度( 波高) ，并和差压波动分析结果以及压力波 动分析结果进行对比，制作了2 绢环状平行电导探针、2 组线状平行 电导探引和l 组环状参考电导探针。每组环状平行电导探钳的两个环 间隔一定距离稚置存管道内壁上。每组线状平行电导探针的两根探针 线平行布置于同一横截面的管道中心卜。 彳黼人学( 华东) 硕十沦文 第2 章实验系统利实验方法 2 2 试验方法 试验方法如下：在试验装置上进行空气一水两相流试验。先固定 一个液相流量，在此摹础卜改变小同的气相流量，每次都是在流动稳 定后进行记录：然后存另个液相流量下再记录一组不同气相流量的 数据。 2 3 试验各参数的测量方法 实验中需要测量的参数主要有持液率、压力、温度、流量和压筹 卜面给以简要晓h 月。 2 3 1 持液率的测量 本文中持液率是利用电导法来测量的。电导法的基本原理是：管 道某一位置处的液面高度与其周削某区域的电阻存在一定的关系， 因此只要用适当的方法测量该位置处的电导，则通过事先对探针的标 定曲线，就可以得到液面高度，进而求出持液率。 2 3 2 压力测量 试验l | _ | 采用了k e l l e rp a 2 5 e ；力变送器测量压力，量程为1 0 b a r ， 输出电流为4 2 0 m a ，精度为0 1 。输出电流信号经过2 5 0 q 标准电 阻转化成1 5 v 的电压信号，通过美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司的 n i d a qc a r d 6 0 6 2 e 数据采集板输入计算机，转换板的精度为o 1 2 。 2 3 3 温度测量 温度测量采用热电偶，温度采集采用s o l t r o n3 5 9 5 1 h 采集板。 t i 汕大学( 华东) 硕十论文 第2 章实验系统莆 实验方法 2 3 4 流量测量 试验中液体流量测量采用l w g y - 2 5 型涡轮流量计，量程为 o 一1 2 m 3 ，h ，精度等级为1 。气体流量采用的是大小两种涡轮流量计， 大流量讨为l w g5 0 ，量程3 0 2 0 0 m 1 t , ，小流量计为i 。w q2 5 ，量程为 8 - 4 0 m 3 k ，精度均为2 5 。压力变送器输出的电流信号经过2 5 0 q 标准 电阻转化成1 5 v 的电压信号。 2 3 5 压差测量 本文中压差信号由两组压力信号相减获得。 2 3 6 液塞速度的测量 测量液塞速度有多种方法，如激光测速技术、计算机数字图像分 析技术、过程层析成像技术等，本义利用相关测速方法来求。相关测 速的基本原理吟。是，用安装在管道卜的两个午h 同特性传感器( 如电容 传感器) 在管轴线方向上的叫隔距离除以两传感器信号之间的滞后 时间r ，即得到相关速度。 滞后时问r 可用手】：方法从信号曲线倒中真接量出，但误差较大， 也不方便。般采用汁算得出。计算力法有多种，如波形法和相关浊 等。 2 4 试验数据的处理方法 2 4 1l a b v i e w 处理软件与界面3 7 1 由于在整个试验过程中，数据的采集和分析都是在l a b v i e w 系统 4 ( n i 大学( 华东) 硕十论文 第2 章实验系统和实验方法 中进行的，l a b v i e w 是一种图形化编程语言，利用该软件可以实现试 验数据的采集和处理( 包括时域分析、频域分析、滤波器设计、联合 时频分析和小波分析等) r 作，因此是一种非常适合十实验室的数据 采集和分析软件。典型的图形界面如图2 3 所示。其中上图为面板界 面，下图为编程界面。 图2 3l a b v i e w 界面 2 4 2 试验数据的滤波处理 一般来说，数据采集系统采集剑的数据中，往往叠加有噪声。噪 声有两大类：一类为周 l j 性的，爿一类为不规则的。前一类的典型代 表为5 0 h z 的工频干扰，后者的典型代表为随机干扰信号。由于随机 干扰信号的存在，采样中的高频成份比较丰富，为保证试验数据的可 靠，需要进行滤波处理。滤波方法常分为两类：滑动平均法和最佳滤 波方法i r 3 3 1 0 滑动平均浊是种古老而实用的算法，可以抑制动态测试 琴。二一 | 酉礓一 一 酽鬟一 一 嚣二骠塑7| 霭烫攀一 r溺笋；|女 一。雾涉 i，_，一 鳓蘸鬻。罗 蕾巨b气一煮 *嚣qo畦=蟑 翌一一隧壤 ，擎剐象一，篓饕一 型迪盔堂! 华玺! 亟鲨文第2 章实验系统和实验方法 数据中较频繁的随机起伏，其最i = 要的特点在于其简捷性。但是，滑 动平均法存在一定的土删性或任意性，其应用效果在很大程度上取决 于其各种算法中参数的选定。另外，滑动平均法更适于较平稳数据的 处理。最佳滤波方法主要用于滤掉干扰噪卢或抑制随机测量误差。最 佳滤波方法通常分为两类：非递推维纳滤波和递推数字滤波。维纳滤 波仅限丁处理平稳数据。递推数字滤波已进一步发展为自适应滤波， 更适于非平稳数据的滤波。 本文采用低通滤波( 低通截止频率设为4 5 h z ) 对数据进行滤波。 2 5 试验参数和试验介质的物性 2 5 1 试验参数范围 试验介质为水和夺气。 温度：2 0 3 8 ： 液相折算速度为o0 7 l 13 2 m s ； 气相折算速度为i 4 1 5 2 0 m s 。 2 5 2 试验介质的物l 生 l 、空。t 的物性4 8 l 密度：由i 体状态方程可得： p = 志， 其中：气体常数r - 2 8 7 1 j ( k gk ) ，p 是绝对压力p a 。 动力粘度： i t = o 9 8 6 0 1 + 90 8 0 1 2 5 1 02 t l1 7 6 3 5 5 7 5 1 0 。4 t 2 + 1 2 3 4 9 7 0 3 1 0 。7 t 3 5 7 9 7 1 2 9 9 1 0 “7 p a s 其中t = t + 2 7 315 撕油人学( 华东) 硕十论文第2 章实验系统和实验力法 2 、水的物性【4 7 水在2 0 v 、01 m p ar _ j 的物性参数 密度：9 9 82 k g m 3 运动粘度：1 0 0 7 1 0 - 6 m 2 s 表面张力：73 6 1 0 2 n m f i 油人学f 华东) 硕十论文第3 章电导探针测量持液率的研究 第3 章电导探针测量持液率的研究 3 1 相分率测量方法简介 相分率的测量方法很多，主要有：电学法、快关阀法、射线吸收 法( p 和j c 等射线) 、射线散射法( y 射线和中子射线法) 、光学法、 热学法、核磁共振法和微波法等”。 3 1 1 电学法 电学法是测量相分率的重要方法之，通过测量各相分布和电阻 抗关系，来确定平均相分率。根据导电液体在低频 。 ! ：( 三生) ” n、2 7 2 2 一a r + 1 ) ( 2 n + 1 、 式中：a l 一10 9 5 8 ，a 2 = 1 6 5 6 4 。 3 1 5 微波法 9 , 1 8 , 1 9 ( 3 3 1 ( 3 4 ) w e n g e r 1 8 1 通过对微波腔谐振频率的测量来确定气液两相混合物 的空隙率。实验证明，当介质定时，在低空隙率的气泡流下，用微 波法检测到的空隙率与理论值之问的。致性很好。 文献9 1 介绍在微波频率下，可以通过测量混合流体介电性的变 化和测量微波信号通过流体产牛的相位移实现空隙率的测量。穿过油 气水三相混合流体微波信号的相位移p 和衰减值a 叮以近似认为是微 波信号通过油相及水相的相位移及衰减值的函数，其表达式如下： p = l w p w + l o p o f 3 - 5 1 a = l w a w + l o a o( 3 - 6 ) 式中：三w 、三。分别是水相及油相的厚度； 尸w 、尸。一微波信号分别通过水目、油相单位厚度的微波信号相 位移； a w 、a o 一微波信号分别通过水相、油相单位厚度的微波信号衰 减值。 利用公式可以解出水相和油相f | 勺厚度，进而计算水相、油相的相 分率。 在a g a r 流量计中，一个高频( 25 1 0 9 h z ) 微波信号通过油气水 混合物。微波信号的相似和幅度的改变可用来确定含水率。由于该流 量计使用了高频率，它可以在含盐量达2 0 g 上的情况下测量满程含 石油大学( 华东) 硕十论文第3 章屯导探 1 测茸持液率的研究 水率( 0 h 1 0 0 0 6 0 ) 20 。 3 1 6 其他方法 1 、热学法：是利用热线风速仪柬测量气液两相混合物的空隙率 “，其原理是根据气相和液相的传热系数在大部分情况下有比较大的 差异来测量的。 2 、脉冲中子法”“：是使用高能级的中子激活混合流体，被激活 的流体产生y 射线，这种刳线的波谱j 多相流体的化学成分及相分率 有关，利用一定的酵f 数关系，通过测量y 射线值得出相分率。 3 、核磁共振法【9j ：所悄核磁共振就是处在某个静磁场中的物质的 原子核系统受到相应频率的电磁波作用时，在它们的磁能级之问发生 的共振跃迁现象。l v n c h 等( 9 】利用核磁共振原理，通过测量两相流中 液相部分的核磁共振吸收，来测量两相系统的空隙率。 4 、模糊综合评判法：这种方法是通过对多个常规仪表检测信号 的模糊综合评判得到空隙率的测晕：值。张荣跃【2 2 1 、王豪【2 3 1 等用此方法 测量了空隙率。 3 2 电导法测量持液率研究概述 许多研究者在电导法测量持液j 棼方面已经做了大量工作，c o n e y 口4 j 描述了平行电极在液层中的性质，提出了液层厚度和导电性关系的理 论处理方法；h e w i t t f 2 5 1 阐述了这项技术的综合应用前景；m e r i l o 2 6 1 等 用阻抗法测量泡状流空隙率时曾提出了一种补偿式旋转电场电极； a s a l i l 2 7 1 等首次应用了环状探针；同时a n d r e u s s i 2 8 和t s o c h a t z i d i s t 2 9 】等 研究了关于探针结构灵敏度的理论基础。k o s k i e 口u j 等人研究了平行线 状探针测量液膜厚度的应用和标定；k a n g 和k i m 口1 j 通过实验和理论 比较了环状和线状探针的性能确定了探针浸在波动液膜中的空间分 辨率。 文献3 2 i 介绍了双平行探针测黾两相流空隙率的方法，认为体积 “油人学( 华东) 硕+ 论文第3 章i n 导探针测耸持液率的研究 空隙率是两相流混合物中所有气泡体积的总和与混合物总体积之 比，其中还介绍了空隙率可以卣接通过测定混合物的流体静力学水 头柬确定。由丁气泡的存在，流体静压头的减少可以通过测量测试 段的压降变化来确定。 文献“介绍了环状探针和线状平行探针测量管道中气液混合物 导电性的试验结果和理论结果的对照。经比较，环状探针具有很好 的重复性和可用性，线状探针比环状探针具有更高的灵敏度，但其 测量的不确定性比较大，因此环状探针可能更适合于空隙率的测量。 s c h l u m b e r g e r 剑桥研究所研制的高频电阻探针【3 3 据说最适合于 油水相分率的测量该探针的安装如图3 2 所示。 探钊尖探钊安裟 图3 2高频电阻探针安装实例 3 3 电导探针的理论基础 用电导探针法测量持液率的原理口刮是：在气、水两相混合物中， 气相为不良导体，水的导电率则较大。因而，可以利用水、气导电率 的显著差别实现对气、水两相流截而持液率的测量。当电导探针与水 接触时，回路电流较大，输出高电平；当电导探针与气接触时，回路 电流较小，输出低电平。随着气水两相流体交替流过电导探针，仪表 将输出随时间连续变化的电压信号。同样将信号经a d 转换器输入微 机进行采集和数字信号处理，即可得到r n 导探针所在位置的局部截而 彳= i 油人学( 华尔) 硕l 论文第3 章电导探针测量持液率的研究 持液率( 或含气率) 。这种方法响应频率较快、测量精度较高，是最简 单、最方便、最常用的方法，但它只适用于导电液体的测量。 3 4 电导探针的结构与安装 本实验分别制作了两组环状电导! 探针和两组线状双平行电导探 针，选用直径为o 6 m m 的不锈斜坶丝来制作电极，探针两电极之阃的距 离都是5 r a m ，两组环状探针怕：j 距为8 0 0 r a m ，两组平行探针i 刈距为 8 0 0 m m ，其布置如图3 3 所示。 图3 3电导探针的结构与安装示意图 3 5 电导探针的处理电路 电导探针处理电路包括4 部分：( 1 ) 电流一电压转换电路；( 2 ) 全波 整流电路；( 3 ) - - 阶低通滤波电路：( 4 ) 信号放大电路。它的制作参考了 文献和文献。文献1 指出，巾导探针的激励信号频率越高，则 电导探针的测量精度越高；最小的激励频率是l k h z ，小于该数值则探 针的电导会出现“长项漂移”( 1 0 n g t e r md r i f t ) 。文献口们采用了6 k h z 的激励频率，据说在试验和校f 卜过程中几乎没有观察到漂移出现a 本 文将激励信号的频率定为6 k h z 。 i 油人! 学( 华尔) 硕十沦文第3 章电导探针测量持液率的研究 倒3 4探钊处理f n 路 3 6 探针的标定1 3 4 3 。6 1 摄述 为了弄清电导探钊的输出信号与持液率的定量关系，在探针使用 前必须对其标定。目前电导探针的标定方法有两种： ( 1 ) 实验前对探钊进行标定：1 类是利用实际使用的探针结构及 实验段直接进行标定，标定后直接将带有探针的实验段安装到实验系 统中；另一类是利用实际使用的探针结构及实验段安装在实际实验系 统中，将实验段的两端封死，然后进行实地标定；还有一类是标定工 况与实验工况有所刁i 同，即在实验前先对相同结构和几何条件的探针 进行标定，然后在实验段中装加探针进幸j 二实验，这神情况主要用于实 际中不容易实现探钊及实验段直接标定的场合。在实际运行中，这种 方法会由于环境条件与标定条件的小同而带来很大的误差，因此，必 须考虑标定条件和运考j 条件的差别，李广军口4 1 用第一类方法对探针进 行标定，采用了参考探针来消除标定条件和运行条件的不同所带来的 影响。 ( 2 ) 利用液膜在某- 高度存在的概率在。定的流量条件及时间范 围内是唯一确定的这一特点，利用针捌接触探针来测量此概率，将此 概率与从实际探针得到的输出电 i i f f , j 概率分布进行比较，即可得到探 针输出信号与液膜厚度的标定曲线，这是k a n g k i m i a q 用的方法。 石油人学( 华尔) 硕十论文第3 章电导探针测量持液率的研究 但是这种方法计算工作量很大。 3 6 2 标定方法及步骤 由以卜的分析可知，环状探针和1 f 行探针在使用中将受到实验条 件变化的影响，特别是温度的变化。为了尽量减少这种影响，本文采 用了不同温度和参考探针对探针进行了标定。 标定步骤如下： 将带有探针和参考探针的实聆管段分别安装在实际试验系统中， 把实验段两端用胶挚封死： 探针连接到测量电路中，打丌所有电源； 将恒温水浴加满水并将温度控制在2 0 ； 将参考探针实验段加满恒温水； 用量筒从恒温水浴量取l o o m l 的水加入带有探针的试验管段，并 计算出管段截面持液率； 用采集软件采集各探针的输出信号，存入数据文件以各处理； 重复步骤，直至加满试验管段为止。 将恒温水浴分别调到2 5 - - 4 5 ； 熏复一步骤，即得出探针输出与持液率的关系。 3 6 3 探针标定结果及影响因素分析 一、温度对探针输出信号的影 桐 图3 5 为1 4 号探针在不同温度r 持液率与输出电压的关系曲 线： 石油大学( 华尔) 硕十论文第3 章i u 导探针测最持液率的研究 _ 了丁1 丁丁1 1 删k 图3 - - 5不同温度r 探针输电乐与持液率的关系曲线 由上图可以看出： 同一持液率下，输j l j 电压随温度的升高而增大。而在实验过程中 温度随时都在变化，因此要想通过输出电压比较准确的求出持液率就 很困难。为了避免温度的影响，我们采用了参考探针，用各探针的输出 电压除以在同一- 时刻( 即同一温度r ) 参考探针的输出电压即得到无 量纲数，然后将持液率与输出电压的关系曲线转变为持液率与无量纲 数之间的关系曲线，其结果如图3 一b 所示。 习刮酬酬圳驾 t $ 一 l i 油人学( 华东) 硕 论文第3 章电导探针测量持液率的研究 u 口l 竭 “” 。7 “引 dl d 一 一 一 ”# 面百i f f 、 d t 目& 液率与无馘纲数的关系曲线 本消除了温度的影响。 k l r ： 魏嚣嚣 瘦h 鲫 m 0 i 一 臻一 飞鬻懒一 ：_ 一 ，。+ 一 嚣错 ，一 磊 。， 磊 - 。彩谳 ，一，。一 。，毒豢 石油大学( 华东) 硕十论文第3 章电导探针测量持液率的研究 ：蒜4 十 电j f i 之间的关系曲线 持液率的电导率有影 【之间的关系曲线。 响，但是影响不 圈 删2 _ 幽3 - - 8 持液率与无量纲数之问的关系曲线 石油人学( 华尔) 硕f 一论文第3 章电导探针测量持液率的研究 由图3 8 可以看出：采用参考探针基本消除了杂质的影响。 三、探针最终标定结果： 从以上的分析可以看出，参考探针基本上能消除温度和杂质等影 响，所以本文直接在常温下利用参考探针对探针进行了详细的标定， 最终的标定结果如下： ： | ：凿型脚j 1 一z ；r 。酬i i 1 “- j 。w 。! z ? 一j - i d l，r 。 捌 。- 一j ；习 。 帖1蓦“1。- 。 。j。1 ， “ ”t 删| “3 时 。j 。9 。咖一 n l ：” ： t2 1 匿矗_ l，- 。1，。 止二：? 1 = 二 12 j 一一 j - 槲14 i ，。 l 垦塑! 苎哩堕堡塑坐i 。 特鞭* h l 幽3 - - 9 探钊标定结果 由e 图可以看出：探针的无量纲输出与持液率之间有。一定关系， 环状探针的无量纲输出与持液率呈二次方的关系( 与文献眺1 致) ；双平 行探针的无量纲输出与持液率争一次方的必系。 4 釉人学( 华东) 硕。r 论文第3 章电导探针测量持液率的研究 3 7 本章结论 ( 1 )通过理论分析设计制作了测量。i 液两相流持液率的双平 行电导探针和环状探钊，并对两种探针进行了详细的标定。 ( 2 )改进先前课题组制作的电导探针输出信号处理电路和数 据处理程序； ( 3 )设计出电导探针及系统参数数据采集系统，编制了数据采 集程序： ( 4 )通过实验研究分析了温度和杂质刈探针输出信号的影响。 石油人学( 华尔) 硕 沦文第4 章持液率的汁算与实验研究 第4 章持液率的计算与实验研究 持液率是两相流动中重要的基本参数之，它对确定两相流系统 的流型、气液两相流量以及管道中的摩擦压降、重力压降和惯性压降 起着重要作用。本章对不同流刑下持液率的计算和实验进行了研究， 得出了持液率波动特性及持液牢与气液流量、持液率与气、液折算速 度之间的关系和变化规律。 4 1 不同流型下环状探针和双平行探针测得的持液率随时 问的变化特点 用环状探针和双甲行探针分别测最段塞流、环状流、波状流和分 层流的持液率，结果依次列于图4 一l ( a ) ( d ) 中： ，。 * m _ 。i 1z 。m ”n 。2 ，7 3 fn 二! 二习 。- f i ii il ；i n一 一队、。jnfj s 剖渺刘沁黪j i 凡 。3 二一，一，一 f a ) 段塞流 l目rj 1 12 om ，h0i = 18m3 ，hl ! j 0 1 - ： l t。 。 、 _ 。ni 一 、1 舢j 。一i h 叫| 0 ， ，i o j 、 他) 环状流 石油人学( 华永) 硕十论文第4 章持液率的计算与实验研究 o4o o 3 。3 口 褂。2 5 撄 竖。 d1 5 d l 。 滤一t r n ，。mm 二型 ( d 1 分层流 图4 一】不同流刑的探针测量结果对比 根据图4 1 ( a d ) 的处理结果，作者认为可以得出如下结论： 不同流型下持液率随时问的变化曲线有明显的特征，因此可 以用其来判断流型； 对于环状流，双平行电导探针测得持液率的值比环状探针小， 其原因是环状流时，液膜被吹到管壁四周，双平行探针只能测量 到一部分液体的电导，而环状探针可以测量到全部液体的电导： 双平行电导探针测量持液率效果比环状平行电导探针差一 些。其原因主要足双电导探纠容易缠住流体中的污物，对流动造 成相当大的影响，从而影响测量精度。其次是双平行电导探针测 量结果出现较大的漂移( 即相同波高情况f ，流动时的测量结果 小于静止时的测量结果) 。当然出现较大漂移的更主要原因可能 d 0 o 0 o o o 0 0 口 瓣掰啦 石油大学( 华东) 硕 ：论文第4 章持液率的计算与实验研究 存于双平行电导探针拉得不够紧，被高速液流冲击间距变大，通 过电流变小使输出电乐变小；或者是电导探针被高速液流冲击产 生振颤，使输出电压振荡 3 7 a 4 2 截面持液率随气一液流量的变化规律 幽4 2持液率与气液苗的关系曲线 由图4 2 可以看出： 同一液量“卜，随着气量的增大，平均截面持液率减小；在气量较 d , q iq g 8 0 m 3 h 时，同一气量下，平均截面持液率 随着液量的变化没有明显的规律。 4 3 持液率的计算结果与实验数据对比 4 3 1 分层流： 1 、理论模型 o 0 0 q 0 0 0 0 r l z 雕挺靶 石油火学( 华东) 硕十论文第4 章持液率的计算与实验研究 图43 分坛沆恫搋功端俐 在分层流的管路中，流动的几何结构如图4 - - 3 所示，由于气液界 面上有一个波动的曲面，为了计算方便，本文将波动的相界面平均为 一个平面。持液率为： 且：鱼( 4 1 ) 爿 、 据图中的几何关系： 爿，= ；。2 ( 四一s i n 拶) ( 4 - 2 ) 爿：堑 ( 4 3 ) 4 妣耻百a i = 掣 | _ f f ：9 = 2 a r c c 。s d - 矿2 h ( 4 4 ) ( 4 5 ) 由上式可以看出，只要知道液层高度h ，就可以根据几伺关系求出 圆心角e ，进而町以求出持液率。 分层流属于典型的分离流动模型【4 “，各相的力平衡方程式： 刊。( 氧。熊，”叫i n 肛o ( 4 石) 一4 ( 挈) 一r f p r 5 ，+ 目4 9 s i n f l = 0 ( 4 7 ) 石油大学( 华尔) 硕t 论文 第4 章持液率的计算与实验研究 熙= d ( z c - 罢) p ：d 昙 s ：d s i n 里 2 小扫2 n - - 8 + s i n n 9 ) ( 4 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 1 ( 4 1 1 ) 铲尘堕：盟终 ( 4 _ 1 2 ) 5 2 2 ( 1 一h 、2 、 一! 丛：二五蝉( 4 - 1 3 ) 一 2 2 t i ，2 铲竽 u q ) 一，】2 ( 4 - 1 4 ) 其中：毛、6 、分别是液相、气相和气液界面的范宁系数，根据 周云龙等捌可以表示为： f g = 0 0 4 6 r e - ( j2 = 0 0 4 6 c 者爷2 睁四 俨0 0 7 9 1 ( 等广” ( 4 1 6 ) ：o 0 7 9 1 ( u j ) 一 1 + 3 ( 旦) ，1 ( 4 。1 7 ) ”z联 直接联立方程求解h 值不仪求解过程1 一分复杂币：且求得的h 值不 唯一，本文参照周云龙等口8 1 的计算方法，计算步骤如下： ( 1 ) 根据实验结果估计一个h 值； ( 2 ) 用( 4 一1 ) 一( 4 1 7 ) 式求得( 嘭么) 。干n (