（检测技术与自动化装置专业论文）文丘里管在湿气测量中的应用研究.pdf

摘要 当今，无论在自然界，还是工程界，两相流课题的重要性早已人所共知。湿 气作为气液两相流动的一种特殊形态，广泛存在于油气开采、蒸汽发电等多种重 要场合。气液两相流基础研究始于上世纪中叶，在上世纪末本世纪初，a g a r 、 i s a 等公司首次推出了商用的在线湿气流量计，并迅速在英国的北海、美洲的墨 西哥湾等油气开采现场获得了成功的应用。 本课题以低压工况为背景，对文丘里管的湿气测量特性展开研究，所做的工 作大致包括原理研究与分析、实验装置建设、实流实验和半经验模型研究四个部 分。 首先，介绍了湿气测量的基本参数和“虚高”理论，对经典的文丘里管湿气 测量模型进行了比较和分析，并以两相流体动力学为基础，从动量方程出发，推 导了文丘里管湿气测量的分相理论模型。 其次，对三相流综合实验装置进行了改造。设计了水平湿气实验管段以及相 关辅助实验设备，建立和完善了计算机数据采集、控制系统，硬件上以工控机为 平台，用多块p c i 数据采集卡搭建数据i o 通道，软件上采用v i s u a lb a s i c6 0 和 m c g s 组态软件混合编程，初步适应了湿气实验的要求。 再次，通过大量实流实验，验证了气相流速、压力、液相含率及文丘里管尺 寸对虚高特性的影响，对经典的文丘里管湿气模型在低压下的虚高修正特性作了 比较实验研究，并发现大部分基于中高压工况的湿气模型不能适应低压测量，且 无法很好的克服虚高液相含率曲线在低压区的非线性。 最后，根据低压工况的特点，发现液相含率是影响虚高的主导因素，而乐力 和气相流速在很大范围内对虚高影响不大，同时，通过对三种不同管径比文丘里 管的实验，发现口值为0 5 5 时信号分散性最小。基于此，结合前面推导的分相 理论计算式，提出了新的半经验文丘里管湿气测量模型，并分析了新模型的误差 水平。 关键词： 湿气 文丘里管 数学模型 虚高 两相流 a b s t r a c t n o w a d a y s , t h em e a s u r e m e n to f t h et w o - p h a s of l o wh a sb e e nw e l l - k n o w n , n o m a t t e ri n n a t u r eo ri ni n d u s t r i a lf i e l d w e tg a s ，a so n es p e c i a lt y p e so ft h et w o - p h a s ef l o w , c 观 b es ni nm a n yi m p o r t a n ta p p l i c a t i o n ss u c ha so i l - g a se x p l o r a t i o n , e l e c t r i c i t yp o w e r g e n e r a t i o na n ds oo n t h ee l e m e n t a r yr e s e a r c ho nw a t e r - g a st w o - p h a s ef l o ws t a r t e di n t h em i d d l eo f t h ep a s s e dc e n t u r y , d u r i n gt h ee n do f t h el a s tc e n t u r ya n dt h eb e g i n n i n g o f t h i sc e n t u r y , c o m m e r c i a lw e tg a sm e t e r sw e r ep r o d u c e do u tb ys e v e r a lc o r p o r a t i o n s s u c ha sa g a r i s ae t c a n dl a t e ra p p l i e ds u c c e s s f u l l y , n o r t hs e ao f e n # a n d , g u l f o f m e x i c ol o c a t i n gi na m e r i c aa r eg o o de x a m p l e s i nt h eb a c k g r o u n do f l o wp r e s s u r ec o n d i t i o n , t h ew e t g a sm e a s u r e m e n tu s i n gav e n t u r i t u b ew a ss t u d i e d t h ew o r ki n v o l v e di nt h i sd i s s e r t a t i o nc a l lb ec u ti n t o4p a r t s ， i n c l u d i n gp r i n c i p l ea n a l y s i s ，d e s i g no fe x p e r i m e n tf a c i l i t y , r e a lf l o we x p e r i m e n ta n d h a l f - e x p e r i e n t i a lm o d e ld e d u c i n g f i r s t l y ，s o m eb a s i cp a r a m e t e r so fw e tg a sm e a s u r e m e n ta n d o v e r r c a d i n gt h e o r y w e r ei n t r o d u c e d ，b e s i d e s ，s o m ec l a s s i c a lw e tg a sm o d e l so nv e n t u r it u b ew e r e c o m p a r e dt oe a c ho t h e r s ，f u r t h e r m o r e ，b a s e do nt h et w o - p h a s ef l o wh y d r o d y n a n l i c $ ，a s t r a t i f i e df l o wm o d e lw a sd e d u c e df r o mt h em o m e n t u me q u a t i o n s e c o n d l y , t h r e e - p h a s ef l o we x p e r i m e n tf a e i l i t yw a su p g r a d e d a nh o r i z o n t a ll o c a t e d w e tg a se x p e r i m e n t p i p ew a sd e s i g n e da n di t sa c c e s s o r i a l e q u i p m e n t sw e r e c o n s t r u c t e d ，b e s i d e s ，t h ec o m p u t e r i z e dd a t ec o l l e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mw a s b u i l tu p ，u s i n gai n d u s t r i a lc o m p u t e ra n ds o m ed a t ec o l l e c t i n gc a r d sb a s e do np c ib u s i nh a r d w a r e , m c g s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ea n dv i s u a lb a s i c6 0i ns o f t w a r e t h i r d l y , l o t so fr e a lf l o we x p e r i m e n t sw e r ed o n et os t u d yh o wg a sv e l o c i t y , p i p e p r e s s u r e ，l i q u i df r a c t i o na n ds i z eo fv e n t u r it u b ea f f e c to nt h eo v e r r e a d i n go fv e n t u r i t u b e ，b e s i d e s ，m a n yc l a s s i c a lw e tg a sm e a s u r e m e n tm o d e l so nv e n t u r it u b ew e r e p r o v e dt ob eu n s u i t a b l ef o rl o wp r e s s u r ec o n d i t i o n ，a n dc o u l d n to v e r c o m et h e n o n l i n e a ro f o v e r r e a d i n g - l i q u i df r a c t i o nf i g u r ew h e nt h ep r e s s u r ew a sl o w b yt h ee n d , a c c o r d i n gt ot h ep a r t i c u l a r i t yo fl o wp r e s s u r e ，i tw a sf o u n dt h a tt h e o v e r r e a d i n gw a sm a i n l yc a u s e db y t h el i q u i df r a c t i o n , p r e s s u r ea n dg a sv e l o c i t y c o u l d n td og r e a te f f e c to no v e r r e a d i n gi nal a r g ea r r a n g e a tt h es a m et i m e ，a n e x p e r i m e n tw a sd o n eo nt h r e ed i f f e r e n tv e n t u r it u b e sw h i c hd i f f e ri n8 ，a sar e s u l t , t h es i g n a lo fv e n t a r it u b ew i t h 卢i no 5 5s c a t t e r e dl e a s t t h e r e f o r e ，b a s e do nt h e t h e o r e t i cc o r r e l a t i o nd e d u c e da b o v e ，an e w h a l f - e x p e r i e n t i a lm o d e lo f v e n t u r it u b eo n w e tg a sm e a s u r e m e n tw a sg o t , a n di t se r r o rl e v e lw a sa l s os t u d i e d k e yw o r d s ：“ w e to a s ”， v e n t u r i t u b e ”， m a t h e m a t i c a lm o d e l ”， “ o v e r r e a d i n g ”“ t w o - p h a s ef l o w 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：歹曩 签字日期： 少步年矿月吵日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤壅盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅苤鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 罗裴 签字日期：枷痧年1 月) 7 日 ， 名：张所 掷期：砝月椤日 第一章绪论 1 1 湿气的基本概念 第一章绪论 两相流是多相流的一种，而湿气又是一种特殊的气液两相流，本节从两相流 的一般概念出发。介绍了湿气的定义，在流型、流速、介质上的特点，以及湿气 测量中常用的一些基本参数。 1 1 1 什么是两相流动 “相”即指具有相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相间有明显可分的 界面。两相可以是不同物质，如油水混合物煤粉和空气混合物；也可以是同一 物质的不同形态，如过饱和蒸汽，从宏观的角度，通常将物质分成固液气三相。 所谓两相流动即是同时存在两种或多种不同“相”的物质流动。两相流动普 遍存在于自然界中，如雾，雨、沙尘、泥浆、沸腾的水等；而在化工、动力、核 能等工农业生产实际领域，两相流动更是广泛存在，如火力发电厂的煤粉和空气 混合流，核电厂反应堆冷却系统，蒸汽轮机，油气井口的油水、气水两相流等。 在不同的压力、流速、两相流体比率的情况下，气液两相流动会呈现出不同 的流动形态，简称流型。流型是影响两相流压力损失和传热特性的重要因素。对 两相流各种参数的准确测量往往也依赖于对流型的了解1 4 。对气液两相流动结构 的大量实验表明，两相流型大致有4 种：分层流、间歇流、环状流、泡状流 5 1 【6 】， 如图1 1 所示， 对两相流动规律的研究。为安全生产提供保障。如锅炉、蒸汽轮机、再沸器、 冷凝器、核反应堆等设备中，有关两相流动的热负荷、传热恶化、疲劳损坏已成 为普遍的课题，1 9 7 9 年美国三哩岛核电站事故和1 9 8 6 年原苏联契尔诺贝利核电 站事故，更是促使各主要工业国对与核反应堆安全问题关系密切的热力、水力状 况进行了大量研究，进一步推动了气液两相流学科的发展。 对两相流动规律的研究，为过程优化提供依据。在锅炉、汽车发动机、涡轮 喷气发动机等燃烧控制方面，无例外的都包含了两相或多相流动过程，燃烧效 率的提高，需要研究混相流动规律。 对两相流动规律的研究，为贸易计量提供依据。两相流或多相流测量是当今 第一章绪论 的世界性难题之一，如在油气田开采中，更快速、更准确、更经济的两相或多相 流计的不断出现，大大提高了生产效率。本文相关研究即是以湿天然气流量测量 为背景的。 匡三三i 分层流 睡雾器霎雾 l _ ：= = = 二= = 乙，；= = 阃歇流 匡霎茎婴 泡状流 匿萋蓊t 匹三兰董主曼茎童委至鲫 环状流 图1 1 ( a ) 水平管内气液两相流流型 图1 j ( ”垂直上升管内气液两相流流型 1 1 2 湿气的定义及特点 通常认为：当气液两相流中气相体积不断增加，液相体积不断减小，最后气 相成为连续相，液相离散于其中，此时的气液两相流动形态则为湿气。理想的湿 气呈雾状，小液滴完全离散于气流之中；但在传输管路中，随着液相质量含率的 增加，由于液滴重力及气体表面张力的作用，一部分大的液滴便沉积在管壁，形 成连续的环状液膜。所以，湿气通常包括雾状和环雾状两种流动情况。 对于湿气的定义，不同的研究人员、仪表制造商有着不同的理解。按照壳牌 公司对湿气的定义，气液两相流的体积含气率大于9 5 即为湿气【2 4 】。但是这样 一个定义也是覆盖的范围仍然很大，尤其是在系统压力及被测介质不同的情况 下，如英国北海油田，在典型工况下，按照这一定义，质量含气率大于o 5 才算 作湿气；本课题中，对于空气一水介质而言，在常温、系统压力为0 3 m p a 的条 件下，体积含气率低于9 8 时的流型就已经发生了明显的转变，出现较为剧烈的 周期性波动现象，呈现出问歇流型的特点。， 总的来说，湿气是气相为多数相，液相为少数相的两相流动，气相流速很高， 较其它两相流型，湿气的结构比较稳定，流量脉动较小，这就使得传统的差压式 2 忍礓蝴旷旷竹n8科 商圈 问蚓豳2 2 丽阏僦 圉h 蹦丽吲吲 囝旧流囝斟斟洲 a叫翌 一 第一章绪论 流量计测量成为可能。 1 1 3 湿气的特性参数 描述流体流动的常用参数有速度、压力、温度、质量流量、容积流量等，在 表征气液两相流时，除用到这些常用的参数外，还有一些两相流所特有的参数， 这些参数都适用于湿气的研究，将本文中常用的两相流特性参数介绍如下【1 1 1 4 ： 1 气相和液相实际速度 若气体的容积流量为皱气相的流通截面积为4 那么气相的实际速度为 吱。 同理，液相的实际速度q 为： = 9 1 4 q = q 1 4 ( 1 2 ) 式中：4 为液相的实际流通截面积： q 为液相的容积流量。 上述速度常称为各相的实际速度，但事实上是各相所占流通截面的平均速 度，真正的实际速度应当是各点的实际速度。 2 气相和液相折算速度 假定各相占满整个流通截面，进而计算出的速度即为折算速度。因此，气相 和液相的折算速度k 、d f 0 分别为： 咯o = 9 1 , 4 o i o = q f i a ( i - 3 ) 0 - 4 ) 式中：4 为总流通截面积。 由于各相流体的实际流速很难直接测量得到，故在气液两相流研究中常常采 用折算速度来表征各相流速，显然，各相折算速度小于其实际速度。 3 滑差 第一章绪论 一般来说，由于气液两相的比容存在明显差别，惯性力不同，其实际速度也 会不同，气相与液相实际速度的比值即为滑差s ，也称作滑动比，其定义为： 4 空隙率 s 2 i o l ( 1 - 5 ) 空隙率又称为截面含气率，它表示某一流动截面上，气相所占的面积份额。 其定义为： 5 容积含气率 口= 4 i a ( 1 6 ) 容积含气率( g v f ) 表示单位时问内流过某一流通截面的两相流总容积中气 相所占的份额，一般用来表示，本文为将其与文丘里管管径比区分开，用愿来 表示，其定义为： p g = q s | q ( 1 - 7 ) 式中：瓯为两相流体总容积流量 值得注意的是容积含气率和空隙率的区别，一般情况下，由于气相流速高于 液相流速，此时厦 口；只有当两相流动为均相流动时，即气相流速等于液相流 速时，尻= 瑾。 6 质量含气率( 干度) 质量含气率表示单位时间内流过某一流通截面的两相流总质量中气相质量 所占的份额，也称作干度，其定义为： z = ( 1 8 ) 式中：睨为气相质量流量； 为两相流总质量流量。 以上是一些两相流测量中的基本参数，其它相关参数在各章用到时再作介 绍。 4 第一章绪论 1 2 湿气测量的发展及现状 1 2 1 湿气测量的手段 现阶段存在的两相流的测量方法如1 2 所示： 两相流的 测量方法 分离法 差压式 速度式 容积式 质量式 传统单相流量计+ 两相流测量模型 现代新技术 图1 2 两相流的测量方法分类图 按是否进行两相分离，可将气液两相流的测量方法分为分离法和菲分离法， 目前陆地油气田多采用分离的方法，但其设备体积庞大，且因不能在线测量而大 大制约了生产效率。 2 0 0 1 年，西安交通大学的王栋、林宗虎等人提出了一种介于分离和非分离 法之间的方法一分流分相法”。该方法将两相混合流体的5 - 2 0 取出，使用一 种小型的分离器将其分离，用单相流量计分别测出各相流量，然后按照分流比例 将测量值换算成整个两相流中各相流量。此法较分离法设备体积、成本都大大减 小，较非分离法原理简单易于实现，但存在两个问题： 取样部分的两相流体气液比率是否同原流动中的比率一致； 取样比率( 常数) 本身是否受流型、流量波动等影响小。 若能很好解决这两个问题，该方法不失为一种实用的测量手段。 非分离法可在线的实时测量两相流中各相含率和分相流量，其仪表体积小、 安装方便，而最重要的是可在线测量，大大提高了效率，是种具有极高应用价 值和广阔前景的新技术，本文以下有关两相流测量都是针对非分离法来说的，按 测量原理，简要概述如下： 厂，、；l广，_、l 分 分 理 臣 原 手 量 书 i 雾 毖 删 l 鬟 ，、【 法相 法 分 离 流 分 分 非 第一章绪论 1 差压式 差压式是两相流测量中应用最为广泛的原理之一。又多以分相或均相模型为 基础，建立流量与压力降的关系式，该方法可体现在三个方面：一是节流式仪表 模型，以孔板、文丘里管、内锥流量计为代表，其研究历史最长、参与的人数最 多、成果也最为丰富：二是直接利用两相流体流过不变径管道时，因摩擦、加速、 重力势能变化产生压力降来建立测量模型【i s l 【1 6 l ；三是利用流体流过弯头、u 型管 等设备时，由于动量矩、离心力等产生的动压来测流量 3 1 1 4 1 。后两种方法本属于 力学法测量范畴，由于差压同流体速度相关，这里将其划归为差压式测量。 除以上由乐降大小得出流量的方法外，还有基于差压脉动噪声的两相流模 型。m u r d o e k 早在1 9 6 2 年就进行过相关研究【埘，国内相关研究可见于文献【1 7 】 【2 1 1 。 差压式的方法基本都见于传统节流式流量计，它有两个非常突出的优点： 结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又具有一定的准确度，能满 足工程测量的需要； 有很长的使用历史，有丰富、可靠的实验数据和成熟的国际标准，设计 已经标准化，新的仪表不需耍进行实际标定就可以进行流量测量。 因此，节流式流量计是工业生产领域中应用最为广泛的仪表，据统计占流量 仪表总数的一半以上。人们将其推广到两相流测量中，并进行了大量的理论研究、 实验验证及修正工作，本文也主要就差压式流量计的应用展开研究。 2 速度式 速度法是基于测量两相流的流速来得到两相流量的方法，具体测量手段非 常多，也是新技术应用最为广泛的方法，速度式测量方法及其原理如表1 1 所示。 表1 1 速度式两相流流量测量方法 测量方法基本原理 力学法利用流体的动压、动力矩和离心力等测流速 相关法通过两点的相关函数测流速 光学法 利用激光多普勒效应或光导纤维等技术测流速 声学法利用超声波原理测流速 热学法利用热线风速仪和热量计测流速 电磁法利用电磁感应原理测流速 示踪法利用脉冲中子触发新型示踪技术测流速 核磁共振法利用核磁共振原理测流速 6 第一章绪论 3 容积式 客积法又称为p v t 法【4 】。p v t 法是建立在气相和液相一个基本特性的差异上， 即：气相的体积流量与流动状态下的压力密切相关，而液相的体积流量则与流动 状态下的压力基本无关，根据总体积流量、压力、温度三个参数及被测介质的热 力学性质即可精确计算出各相体积流量。 4 质量式 在两相流体的温度、压力频繁波动情况下，密度变化致使单纯的体积流量不 能满足要求，故更希望测量流体的质量流量。目前科里奥利式质量和角动量式流 量计f l 4 l 在两相流测量中应用较广。 1 2 2 节流式湿气测量的发展历程 基于差压式的湿气测量研究始于上世纪中期，1 9 4 9 年。l o c k h a r t 和m a r t i n e l l i 依据分相模型提出管内摩阻压降的经验关系式，并依此推出l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 参数x ( 以下简称l m 参数) ，作为衡量液相含量的重要指标，1 9 6 2 年至 1 9 7 7 年间，m u r d o c k 、b i z o n 、c o l l i n s 、c h i s h o l m 等先后提出的湿气测量经验或 半经验模型中f 2 j f 3 1 1 1 0 】1 1 “，均采用了这参数。 1 9 7 0 年，w a l l i s 基于动量方程和连续性方程，建立了环雾状流的液膜厚度、 液膜流速、压力梯度之间以及液膜厚度与气相修正系数之问的解析关系式【7 】。但 存在三方面局限性：一是这种基于分相流动的模型，相问摩擦系数并不是常值， 而是流速、压力的函数，必需经验修正；其二，气流中离散的雾状液滴质量含量 仍然需要经验修正；其三，实际工况下，液膜厚度并不规则，如水平管中为上壁 较薄、下壁较厚，流速较高时液膜有起伏，这些均会对理想模型计算结果引入较 大误差。所以该方法并没有得到广泛应用。 1 9 7 2 年，克列姆莱夫斯基又从能量方程和连续性方程出发，推出低压工况 时的湿蒸汽计量半经验模型1 2 1 ，1 9 7 5 年，s m i t h 、l e a n g 的湿气经验公式则基于液 相对气相的阻塞作用提出l l “。 国内的湿气研究起步于上世纪七十年代，西安交大的林宗虎院士于1 9 7 9 年 提出了林宗虎模型吲。 上述模型的推出，其研究对象多为孑l 板流量计，工质也以水蒸汽为主。由于 这些结果所基于的实验条件、修正角度不| 一，误差水平各异，且在不同应用场合 的移植性并不好。如：m u r d o e k 模型中的m u r d o c k 系数为1 2 6 ，1 9 9 8 年，在p h i l l i p s 公司测井现场中修正为1 5 ，而2 0 0 0 年i s a 公司的湿气流量计d u a l s t r e a m l i 中仍 7 第一章绪论 沿用1 2 6 ；n e l 和i p f 的一项联合实验显示，用相同的文丘里管在各自的装置上 的结果迥异1 5 1 ：s t e v e n 在n e l 上的比较实验结果与林宗虎在西安交大实验室的结 果也有较大差别等【2 l 【1 3 】。这说明：当前的模型受被测介质、工况等因素有较大影 响。所以，在实际应用中，只能使用在气液组分比较固定的油田或气田上，且需 要定期检查气液组分情况，并根据实测数据对各湿气模型进行不同程度的修正。 近年来对节流式仪表湿气测量的研究有：1 9 9 3 年v c t i n g 对安装方式为水 平、垂直向上和垂直向下三种不同方式的孔板的湿气测量精度进行了研究【2 5 1 ； e h j o n e s 和v c t i n g 于1 9 9 6 年对湿气测量中涡轮流量计和孔板的测量精度进 行了比较，得出了湿气测量中涡轮的测量精确度高于孔板的结论【2 6 】；2 0 0 2 年 d a v i dg s t e w a r t ，( 3 r e g o rb r o w n 和d a v i dh o d g e s 对湿气测量中使用的文丘里管和 孔板进行了讨论t 2 t ；2 0 0 3 年英国的m v a nw e r v e n 和h r e v a nm a a n e n 等人将 湿气看作雾状流，对它流经文丘里管的流动模型进行了研究1 2 8 1 。 文丘里管在湿气测量上的应用晚于孔板，且很多是由孔板的结果推论而得。 相对于孔板，文丘里管倾向于更小的压力损失，更宽的流量范围，对流型也具有 很好的调整作用，不易积污，所以，文丘里管在湿气测量中的应用有了迅速的发 展。1 9 9 4 年，d el e e u w 提出了专门的文丘里管湿气测量模型【1 4 】，最近的文丘里 管湿气模型则是由s t e v e n 于2 0 0 2 年提出的【”】。 除了孔板和文丘里管，一些学者还提出了使用新型的差压式流量计一内锥式流 量计来进行湿气测量的概念。n e l 的d a v i ds t e w a r t 和d a v i dh o d g e s 以及 m e c r o m e t e ri n c 的r i c h a r d s t e v e n 和r j w p e t e r s 于2 0 0 2 年发表了应用内锥式流 量计测量湿气的论文，并将内锥式流量计与文丘里管做了对比，得出了内锥式流 量计精度更高的结论1 2 9 ；内锥流量计的研究历史不长，目前还没有通行的国际标 准，所以在湿气测量上的应用还并不多。 有关差压式流量计湿气测量数学模型将在第二章集中介绍。 1 2 3 文丘里管在湿气流量计中的应用 湿气在线测量研究可追溯到上世纪中期，但商业开发于上世纪九十年代才广 泛兴起，并于上世纪末不断推出产品，到2 0 0 0 年左右，英国的i s a 公司、意大利 的t e a s i s t e m i 公司、美国的a g a r 公司、挪威的r o x a s 公司先后推出了自己的湿气 流量计，打破了传统分离法一统的局面。目前，在3 0 0 0 多米的海底、陆上气田、 海上油气平台，在英国的北海、美洲的墨西哥湾、沙特阿拉伯，均可以看到湿气 流量计的身影。差压式流量计在其中的应用如表1 2 所示i s 】【1 8 l 【1 9 1 1 2 0 l ： 表1 2 部分湿气流量计览 8 第一章绪论 l s ai s a 公司名称 s i s t e m i j o a g a r r o x a r d u a l s t r e a mld u a l s t r e a mi i 示踪剂+ 文丘 混合器+ 文丘由三部分组两台文丘里 微波技术+ 文 所用技术里管+ 差压装成，包含孔板管+ 一台涡街丘里管( 或内 里管 置 和文丘里管流量计锥流量计) 测量范围 9 5 一1 0 0 g v f8 0 - 1 0 0 g v f8 8 1 0 0 g 、r f8 0 1 0 0 g v f9 5 1 0 0 g v f 气相精度 5 5 5 5 5 液相精度 2 0 1 0 - 2 0 5 5 5 i s a 公司的d u a l s t r e a mi 利用示踪技术来测量液相含量，体积流量则通过文 丘里管得出，文丘里管湿气模型采用m u r d o c k 模型。而d u a l s t r e a mi i 则在文丘里 管上游加装静态混合器，以使两相充分混合，流动稳定，并能有效的降低两相滑 差。然后，利用双差压装置不同的虚高特性，得到流量及干度，湿气模型仍然采 用m u r d o e k 模型。 s i s t e m i 公司的产品结构比较复杂，利用等动力原理，由采样部分、多相喷 嘴和分离腔组成。其中文丘里管仅用于测量气相流速，但在孔板和多相喷嘴上用 到了c h i s h o l m 模型。 a g a r 公司利用涡街流量计测量体积流量，双文丘里管用于测量g v f 。但是 当干度小于5 0 时，涡街流量计不能满足测量要求，系统自动切换到双文丘里管 测量模式。 r o x a r 公司利用微波技术来测量液相含量，而体积流量由文丘里管或内锥来 测出，其思路类似于i s a 公司的d u a l s t r e a mi 。 除了上述几种流量计外，挪威的f r a m o 公司和k o n g s b e r g 公司也推出了多相 流量计，该流量计可计量各种流态的多相流，工作环境含气率o - 1 0 0 ，含水率 0 - 1 0 0 ，其中都用到了文丘里流量计来测量总质量流量，多相流体经特殊处理 后由，射线密度计测出平均密度。 总的来说，当前的湿气流量计存在以下几个突出特点： 湿气流量计一般还需要根据实际工况进行参数修正，对工况变化的适应 性不强； 湿气流量计的结构各异，数学模型也各不相同，测量机理复杂； 湿气研究对实验装置要求高，投资大，起步不容易； 在无国产湿气流量计的情况下，引进的成本仍然很高，一台就达数十万 美元。 随着近年国内油气资源的不断发掘，湿气流量计的国产化、通用性和低成本 9 第一章绪论 将是未来研究的主题。 1 3 本课题的基本思路和主要工作 本课题的基本思想是：通过两相流体动力学基本原理同实流实验相结合，研 究文丘里管在湿气测量中的一般规律，以及在低压高流速工况下的特殊规律；通 过对湿气模型的理论和实验研究，提出一种新的文丘里管湿气测量模型，使其能 在低压高流速工况下广泛适用。 在本课题的研究中，作者主要完成了以下几个方面的工作： 通过对油、气、水三相流装置的改造，建立和完善了水平段湿气实验平 台，设计了三种不同管径比的文丘里管，并改进了计算机数据采集、控制系统以 及操作界面； 在比较研究众多湿气测量模型的基础上，结合本课题特点，从分相模型 出发，理论上推导了文丘里管湿气测量模型； 通过大量实流实验，验证了文丘里管的管径比、管内压力、气相流速、 液相含率同两相流量的内在关系；并论证了低压高流速工况下几者对测量影响的 主次关系： 在对三种管径比的文丘里管比较实验之后，得出了管径比为0 5 5 的文丘 里管信号具有较小分散性的结论： 实流实验结合理论推导，提出了一种新的适用于低压高流速工况的文丘 里管湿气测量半经验模型，其精度在2 5 以内。 1 4 本课题的创新点 以两相流体动力学为基础，从动量方程出发。推导了文丘里管湿气测量 的分相理论模型； 理论推导结合实流实验，提出了一种新的文丘里管湿气测量半经验模型， 适应了低压高流速工况下的测量，并达到了较高精度； 首次在低压高流速工况下，对文丘里管湿气测量特性的影响因素进行了 比较系统的研究，并发现了一些该工况下的特殊规律； 自行设计了湿气实验系统，包括：水平湿气实验管段和计算机数据采集 与控制系统。 1 0 第一章绪论 1 5 论文内容安排 第一章绪论。介绍气液两相流测量的基本知识，包括概念、应用场合、常 用参数、常用测量方法，重点介绍了特殊的气液两相流湿气的特点、节流式 湿气测量的发展历程和现状。在此基础上，提出了本课题的研究目的和思路。 第二章文丘里管湿气测量的基本原理和模型综述。阐述了文丘里管湿气测 量基本原理，对现有的常用文丘里管湿气模型进行了比较研究。 第三章文丘里管气液两相压力降的理论研究。阐述了管内流动的三大基本 方程以及造成管内压力降的三大影响因素。在分相模型的基础上，从动量方程出 发推导了文丘里管湿气测量的理论模型。 第四章实验装置改进与实验方法设计。概述了三相流实验装置的基本原理 和作者对实验段、数据采集软硬件的改进，在数据处理上采取的一些方法等。 第五章文丘里管湿气模型的实验研究。通过实验，对文丘里管在湿气测量 中的般规律进行了验证，特殊规律进行了归纳和总结，最后，提出了种新的 文丘里管湿气测量半经验模型。 第六章总结与建议。对全文进行总结，对下一步研究和需要改进之处提出 了建议。 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 2 1文丘里管湿气测量的基本原理 节流式流量计单相流测量的基本原理同实验两相流体力学相结合，构成了文 丘里管湿气测量理论的基础。本节介绍了文丘里管单相流测量原理和湿气测量的 虚高理论。 2 1 1 文丘里管流量测量原理 节流式流量仪表是一种典型的差压式流量计，是目前工业生产中用来测量气 体、液体和蒸汽流量的最常用的一种仪表，包括文丘里管、孔板、文丘里喷嘴， 内锥流量计等。 图2 1 所示为古典文丘里管，其流量测量的基本原理是：流体流经管道内 的节流件( b 段) 时，流束将在节流件处形成局部收缩，因而流速增加，静压力 降低，于是在节流件前( a 段) 后( c 段) 便产生了压差，压差的大小l 司流量大 小存在着一定的函数关系，从而可以通过测量节流件前后的差压来测量流量。 耐蛐取压后* b 职压 缆蚴隧缢缢线缓绻缁黝幽2 4 一 。嘲缓缀缓笏笏笏笏笏笏缓及现劢。一，。， 矛。上。j1。潮 图2 i 古典文丘里管示意图 按照伯努利定律和连续性方程可建立起单相流体流过文丘里管的质量流量 与其压力降的关系式，如( 2 - 1 ) 式所示。 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 矿= 尚洒l 一 式中：为质量流量： p 为文丘里管差压； 4 为喉部截面积； p 为流体密度： c 为文丘里管的流出系数； 为流体热膨胀系数； 为喉部内径d 与管道内径d 之比，即管径比。 2 1 2 湿气测量中的虚高理论 ( 2 - 1 ) 差压式流量计用于般测量，只适用于牛顿流体，其流体在组成和热力学上 是均匀的、单相的，符合牛顿内摩擦定律。当被测流体夹杂少量的其它相介质时， 差压值就会发生显著变化。差压式湿气测量就是要研究多数的气相中夹杂少数液 相后，差压值的变化同哪些因素有关，并能比较精确的计算出变化量的大小。 研究表明：气相中夹带液相之后流过差压式流量计时的差压值，会比夹带前 显著偏高，在湿气测量中把这种现象称为“虚高”，定义虚高修正系数m 。如下： m 2 。：堡 8 嵋 式中：圪为两相流体流过文丘里管时的差压； 0 为气相单独流过同一管段时的差压一 气相的真实质量流量可等效的表示为： 伍，c 峨妒p g 峨 呢2 i 荡pv - 一p ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 将文丘里管测得的两相流体差压值直接代入节流式流量计计算式，流体密度 为气相密度，得到气相的虚高质量流量为： 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 k( 2 棚 联立( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) 式，则气相质量流量就可以通过修正得到了，如( 2 - 7 ) 式 所示； 形：型 ”8 g ( 2 5 ) 造成虚高主要有两个方面的原因；一是液相在管道中对气相的阻塞造成的加 速压力降；二是气相对液相的加速造成的摩阻压力降9 1 】。研究显示，虚高随以 下四种变化呈上升趋势【9 1 【1 7 2 2 1 ： 1 液相质量含率的升高 液相质量含量越大，一方面加大了对气相流通面积的阻塞；另方面，是气 相在对液相的加速过程中造成了更大的压力降，从而造成虚高的增加。液相质量 含率用l o c k h a r t m a r t i n e u i 参数( 以下简称l m 参数) x 表示： 小鹰2 老，撸、必n 日 ( 2 6 ) 式中：日、名分别为等量的液相、气相单独流过同一管段时的差压； 嵋、呢分别为等量的液相、气相单独流过同一管段时的质量流量； 岛、色分别为等量的液相、气相单独流过同一管段时的密度。 2 气相速度的升高 气相速度的升高，使得气液两相间的摩擦力增加，除同单相流体一样损失的 摩擦压降外，由于对液相的加速所用，还会附加造成同液相的动量交换损失，而 且这种损失随着流速的升高而增加，从而对虚高造成影响。由于气液两相流的相 间滑差不易通过实验的手段直接测得，在两相流的研究中，多用气相流速来代替 它的影响，进而使用修正的弗劳德数以，其表达式为： 4 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 以2 南惫 r ( 2 - 7 ) 式中： 为气相表观速度； g 为重力加速度； d 为上游直管段内径。 n e l 斥j 为0 6 0 的文丘里管，在1 5 b a r 压力下的实验显示以数对西。影响 如图2 2 所示【3 4 l 。 士f 嵋。1 6 f 一廿f 嵋= 2 _ o * f 喝。2 , 5 名乡夕 + f 叼。3 0 乡夕+ f r 3 1 5 z夕夕多 笼 乡 谚 多 l 3 压力的降低 l o c k h a r t - m a r t i n e l l i ，xf ) 图2 , 2 吸数对虚离啦影响 举一个极限情况的例子，当压力足够高使得气液两相密度相等时，虚高就主 要来自于液相占据一定管道流通截面积，从而造成的对气相的阻塞作用，而不存 在气相对液相加速造成的附加压降损失了。那么，一旦压力降低，气相密度减小， 气相惯性力减小，速度必然比液相大，而且压力越低滑差越大，对于气液相间摩 擦力来说，气相密度减小带来的摩擦力减小( 线性关系) 幅度不及速度增加带来 1 5 】明三pb心_llj口，o_|q苗暑 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 的摩擦力增加( 平方关系) 的幅度，从而使得整体的相问摩擦增加，进而对虚高 造成影响。 n e l , q 声为0 7 5 的文丘里管，在以数为3 5 时的实验显示压力对西g 影响如 图2 3 所示1 3 4 。 白一1 5 时 o - - 3 0 b i 8 0 瞳 7 卢 j 7。 啦 ， 乞夕 夕。 舻7 o 0 50 00 1 50 2 0o 2 5 l o c k h a r t m a t r t l n e l l l ，x ( - ) 图2 3 压力对虚高中。影响 n 3 0 4 - 管径比的降低 管径比的减小，使得两相流体流过文丘里管喉部的有效流通截面积减少，气 相流速升高造成相间作用的变化，从而呈现出不同的虚高特性。 n e l 在1 5 b a r 压力下，f t 数为1 5 时的文丘里管湿气实验显示对m 。影响 如图2 4 所示0 4 1 。 对虚高西。的研究显示：孔板的虚高值范围在1 1 4 ，内锥为1 - 1 5 ，文丘里 管最高，为1 1 7 p 2 。内锥流量计因尚没有正式的国际标准而应用受到一定限制； 而对于文丘里管和孔板，1 9 8 0 年推出了i s 0 5 1 6 7 国际标准，并于2 0 0 3 年修订为 5 1 6 7 i ；同时，相对于孔板，文丘里管倾向于更小的压力损失，更宽的流量范围， 对流型也具有较好的调整作用，不易积污，大量的文丘里管湿气试验也为其推广 作了很好的保证。所以，尽管文丘里管在这三种差压装置中的虚高水平最高，还 是获得了最为广泛的应用。 1 6 工 了 一 f t i j 上 j 柚 ， ， ，一-)掣口duo，o”-q至， ， ， 第二章文丘里管湿气测量基本原理和模型综述 + 妯0 + b o 鼻 一b e 曩o 7 5 夕 j么 多 彳彩 冽髟 r 。夕 。 l o c k h a r t - m a r t l n e l l | ，xi ) 图2 4 对虚高中g 影响 2 2 节流式湿气测量模型综述 从上一节可以看出，若用差压式节流装置的单相流计算式去计算流过文丘里 管的气相质量流量，所得的值会比实际流量“虚高”；那么，只要能找出这个虚