（检测技术与自动化装置专业论文）油气水三相流装置的研究与控制.pdf

摘要 摘要 多相流实验装置是研究油气水多相流问题的重要手段，无论是在理论问题 研究还是在工程实际研究中均占有重要的地位。多相流实验装置以小型室内实 验装置为主，它广泛存在于各个多相流研究机构中。 正因为如此，天津大学自动化学院检测技术与自动化装置专业也于2 0 0 3 年 开始筹建小型油气水三相流装置。本着投资少、功能强的思路，本论文对油气 水三相流实验装置各部分设计及控制系统进行了深入的研究。该装置具有0 9 0 度可调角度模拟井筒实验段和d n 5 0 管径4 0 m 长水平环管实验段；可实现水气、 油气、油水、油气水多种多相流；可生成泡状流、弹状流、混状流、环状流、 雾状流等多种流型。装置的单相计量管排采用了组合仪表测量方式，该方式保 证了流量计均在正常流量段工作，提高了计量精度、降低了成本。实验装置建 成后水计量精度在o 5 - - 3 8 0m 3 d 范围内达到0 5 ，油计量精度在0 5 - - 2 1 6 m 3 d 范围内达到0 5 ，气计量精度在6 5 4 0 0m d 范围内达到1 0 ，保证 了实验的要求。油气水三相流实验装置的控制系统采用了p c b a s e d 系统，控 制系统硬件由工控机与数据采集卡组成，这种结构有利于系统数据快速传输， 且易于扩展，为装置的使用带来了方便。控制系统的上位控制软件由组态软件 m c g s 与v i s u a lb a s i c 混合编程实现，m c g s 开发控制软件的界面，v i s u a lb a s i c 处理系统采集的信号，两者通过专用接口完成通讯。这种独特的开发模式缩短 了软件开发周期，降低了开发成本，提高了软件的适用性。油气水三相流实验 系统建成后流量调节精度达到l _ 5 ，压力源的稳定性不确定度小于1 ，且能够 完成长时间连续实验。 油气水三相流实验装置可以在实验室内完成石油开采、输运模拟和多相流 流型的检测、识别与多相流流量计的实验研究和标定等多项工作，是一套小型 多功能、低成本的小型实验装置。 关键词：多相流、装置、p c b a s e d 控制系统、组态 a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i - p h a s ef a c i l i t yi sav e r yi m p o r t a n tm e t h o df o rt h es t u d ya fm u l t i p h a s e f l o wp r o b l e m ，e i t h e rf o rt h e o r e t i c a ls t u d yo rf o rp r a c t i c a ls m d ) ：n o w a d a y sm o s to f m u l t i - p h a s ef a c i l i t i e s a r ei nm i n i a t u r e t h e ya r ew i d e l ye x i s t e di nm u l t i p h a s e r e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s b e c a u s eo ft h e s e ，a no i l - w a t e r - g a sm u l t i - p h a s ef a c i l i t yw a sp l a n n e dt ob u i l da t a u t o m a t i cm e t e s d e v i c e sd e p a r t m e n t s c h o o lo fe l e c t r i c a le n g i n e e r i n g & a u t o m a t i o no ft i a n j i nu n i v e r s i t yi n2 0 0 3 。o nt h ep r e m i s eo fl o w e rc o s ta n dm o r e p o w e r f u lf u n c t i o n ，e v e r yp a r to ft h eo i l w a t e r - g a sm u l t i p h a s ef a c i l i t y a n di t s c o n t r o ls y s t e mw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r t h ef a c i l i t yh a das t i m u l a n to i lw e l l ，w h i c h c 徽i n c l i n ef r o m0 - 9 0d e g r e e ，a n dh a d4 0 mh o r i z o n t a lp i p e ，w h i c hd i a m e t e r 煳 5 0 m m a tt h i sf a c i l i t y , w a t e r g a s ，o i l g a s ，o i l w a t e r , o i l g a s w a t e rm u l t i p h a s ef l o wc a n b eo b t a i n e d ，a n db u b b l e ，s l u g ，a n n u l a r , c h u ma n dm i s tf l o wp a t t e r n sc a l lb ec r e a t e d + i nt h ep r o j e c t ，ac o m b i n a t i o nm e t e ri sc o n t r i v e dt om e a s u r et h es i n g l e - p h a s ef l u x ，b y t h i sm e a n ，e v e r yf l o wm e t e ri nt h ef a c i l i t y sp i p el i n ew o r k e di ni t sn o r m a lf l u xr a n g e ， t h ea c c u r a c yw a sr a i s e da n dt h ec o s tw a sr e d u c e d a f t e rt h ef a c i l i t ya c c o m p l i s h e d ， t h ew a t e rm e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a l lg e tt o o 5 i nt h er a n g eo fo 5 - - 3 8 0m d ； t h eo i lm e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a l lg e tt o o ，5 i nt h er a n g eo fo 。5 - - 3 8 0 珏l j 掰： a n dt h eg a sm e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a ng e tt o 1 略i nt h er a n g eo f6 - - 5 4 0 0 m 3 d i nt h ed e s i g n 。p c * b a s e dc o n t r o ls y s t e mw a su s e dt oc o n t r o lt h em u l t i p h a s e f a c i l i t y i t sh a r d w a r ei si n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ( i p c ) a n dd a t ac o l l e c t i o n b o a r d s t 1 l i sc o n f i g u r a t i o nc o u l dp r o v i d es p e e d yd a t at r a n s f e ra n de x t e n de a s i l y i t s s o f t w a r ei sd e v e l o p e db yg e n e r a lc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em o n i t o ra n dc o n t r o l g e n e r a t e ds y s t e m ( m c g s ) a n dv i s u a lb a s i c ，m c g sp e r f o r m e dt h ei n t e r f a c e sa n d v i s u a lb a s i cp e r f o r m e dd a t ap r o c e s s i n g ，a n dt h e yc o m m u n i c a t ew i t has p e c i a l i n t e r f a c e 。t h i sc o m p o u n d i n gp r o g r a mm e t h o dc a d _ s h o r t e nd e v e l o p m e n tp e r i o da n d r e d u c et h ec o s t a f t e rt h ef a c i l i t ya c c o m p l i s h e d ，i t sf l u xa d j u s t e da c c u r a c yc a ng e tt o 1 5 a n dt h ep r e s s u r es o u r c e ss t a b i l i t yu n c e r t a i n t yl e s st h a nl ，w h a ti sm o r e ，t h e f a c i l i t yc a np r o c e s sl o n gt i m ee x p e r i m e n t s 。 t h eo i l w a t e r - g a sm u l t i p h a s ef a c i l i t yc a ns i m u l a t ep e t r o l e u me x p l o i t a t i o na n d p i p e l i n et r a n s f e r s ，i d e n t i f yt h em u l t i - p h a s em o d a l i t ya n d d e m a r c a t em u l t i p h a s ef l o w a b s t r a c t m e m ri nt h el a b o r a t o r y i ti sam u l t i f u n c t i o nl o w c o s tm i n it y p ef a c i l i t y k e yw o r d s ：m u l t i - p h a s ef l o w f a c i l i t y p c b a s e dc o n t r o ls y s t e m c o n f i g u r a t i o n 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，也禾包含为获得盘鲞盘茔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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：黝 签字f 1 期：伽护年h 月i 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁生盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘注盘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爨a ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明广 学位论文作者签名：恐 签字同期：删年n 月目 导师躲乡长汤 签字日期：7 倒峰年乙月日 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 多相流体流动和石油工业有着密不可分的关系，它存在于石油工业的许多 领域，如油藏工程、采油工程、油气集输工程、石油炼制工程等。由于石油工 业的发展，尤其是海洋油田、沙漠油田、极地油田等的开发，使得多相流体流 动机理的研究和应用、多相流流型的识别与控制、多相流流量计的研制与开发 等已经成为近代石油工业技术及其交叉学科的重要研究方向，并取得了大量的 研究成果。这些成果已经应用在实际的工程中并显现出明显的经济效益。例如， 在海洋石油开发工程中，多相流技术的应用可减少井口物流的回压，增加采收 率，也可减少海洋平台的建造、操作费用，降低海底管道的铺设费用和海上油 气处理设备的安装、经营费用“，。 多相流实验装置是研究油气水多相流问题的重要手段，尤其是在理论问题 的研究中占有重要地位。多相流实验装置就其功能而言大致可以分为三类。第 一类是大规模模拟实验装景，这类实验装置规模庞大、管路复杂，可模拟管路 启动、停输、泄露、堵塞等工况，并且可模拟管道长距离输送过程中的实际工 况。第二类是实验室小型实验装置，这类实验装置规模较小，一般可进彳亍油、 气、水三相或任意组合相的水平段或者垂直段的变质量或不变质量流动，某些 装置还可以完成o 9 0 度倾角的井筒流动模拟实验。在这些实验装置中流型及 其对应的流动参数能够方便地采集和处理。小型实验装置主要用来完成多相流 的模拟实验。第三类是多相流标定装置，它具有功能齐全、测量范围宽、推确 度高、仪器设备先进等优点，是油气水多相流量计标定和多相流测试研究的综 合性实验装置。在这三类实验装置中以实验室小型实验装置最为普遍，它广泛 存在于各个多相流研究机构中。这些多相流实验装置与原型管线工况相比，其 管径较小，管内运行压力较低，多采用空气、水、柴油作为实验介质。尽管如 此，小型实验装置的实验结果将会得出一些重要参数的变化趋势，并在以后的 大型管线实验中得以验证。 正因为如此，为配合本学科的多相流研究工作，天津大学自动化学院检测 技术与自动化装置专业也于2 0 0 3 年开始筹建油气水三相流实验装置。该装置是 一套集多相流研究实验与多相流流量计标定功能为一体的小型实验装置。它不 仅可以完成水平环管、垂真上升管、垂直下降管，以及0 。9 0 。内任意角度的 第一章绪论 上升管和下降管内水气、油气、油水、油气水等多相流实验，还可 以作为标准装置完成多相流流量计的标定工作，是一套功能比较完备的实验装 置。 1 2 国内外研究现状 为了研究多相流问题，世界上已经建立了数百套多相流实验装置，这些大 大小小的实验装置为多相流的研究作出了巨大的贡献。 国外著名的大型实验装置 1 9 7 4 年法国两家石油公司和法国石油研究所为观察两相流流动和取得精确 数据联合建立了布桑实验环道；1 9 7 5 年a g a 投资，t u l s a 大学在大规模实验环 道上评价了天然气、凝析液环雾流中压降减少的效果：1 9 8 0 年在e s s 公司倡议 下，几大石油公司联合投资兴建了现场规模的实验环道，即s i n t e f 两相流实验 环道，这是目前世界上最大的两相流实验装置；1 9 9 2 年日本国家石油公司建立 了一个大规模多种目的的实验环道。 国外一些小型实验装嚣 j k o l n e s 在他的硕士论文中详细介绍了他设计、安装、调试的一套研究气 液两相流在管道分支处流动特性的实验环道，并详细介绍了调试环道的过程和 试验注意事项。该环道水平段总长度约5 0 m ，内径为4 2 6 m m ，均为透明p v c 管。为确保在进入测试段之前空气水两相流流型已充分发展，加长了测试段 ( 即在t 型管接头) 前的水平直管段的长度，为2 5 m ( l d = 5 8 0 ) 。为确保管夹 处的管子内表面光滑以防止对正在形成的流型的扰动作用，j k o l n e s 专门设计 了三种类型的管夹，经仔细安装后可使得多相流体平稳穿过管夹，保证实验效 果“。 s i r i s a k t w a s e r t 在研究“倾斜管线一垂直管线系统中的气液两相流动”时， 设计建造了一套倾斜管线垂直管线系统，其中倾斜管线长3 0 m ，垂直管线长 1 5 m ，均为5 0 m m 内径的l e x a n 透明管。倾斜管和垂直管上均有两个相距7 6 m 的 取压孔，引压管中充满空气。为使两相流流型得以充分发展后进入测试段，作 者留出了足够长的稳定段。其中，倾斜管线稳定段长径比l d = 3 3 0 ，垂直管l d = 9 5 。当倾斜管线的倾角为一5 。时，出现入口效应：即由于从混合点到倾斜管 线入口的入口管与水平倾斜2 5 。，导致在入口管产生了段塞并进入倾斜管线。 为了消除入口效应，空气和水先经过各自的管线，然后在倾斜管线入口前0 9 m 处混合”1 。 第一章绪论 m j k a le s p e d a l 在进行“小倾角倾斜管线中的两相分层流试验研究”时， 设计建造了套实验装置。e s p e d a l 仔细设计了气液两相混合段：混合段长4 0 e v a ， 内径6 0 哪，为透明有机玻璃管，管中间平行于流动方向上安装了一块4 0 c m 长的 钢板，该钢板是在空气、水混合之前起对空气和水的整流作用。通过调节钢板 的倾角使两相分别通过一定的管横截面流动，该横截面面积接近气相和水相在 测试段中流动时各自所占的横截面积，以尽可能的缩短分层流发展段0 3 。 国外的标定装置”1 由英国n e l 国家工程试验室建造的油气水三相流量测试和标定装置是世界 上唯一一个具有国家标准的多相流量计标定装嚣，在世界上具有一定知名度和 权威性。它是油气水多相流量计标定和多相流测试研究的综合性试验装置。该 装置和油流量标准装置建在同一个试验室内，该试验室于1 9 9 1 年开始建设，1 9 9 4 年建成。试验室长8 0 m ，宽2 0 m ，高1l m 。油气水单相计量、测试标定及分离设 备在室内，氮气设备在室外。另外在试验室地面以下建有一个4 5 m 深的地下室， 用于放置储罐和油水泵。该装置的管路、分离器、泵、阀等部件都为不锈钢材 料，还配备了伽马射线密度计、x 射线分析仪、高速摄录仪等流态测试仪器，以 及长3 0 m 、耐压1m p a 的水平透明管路和5 m 长的垂直透明管路，用于观察流态， 可对多相流量计进行水平、垂直测试标定，并由计算机完成数据的采集、计算 和对系统的控制。 挪威h y d r o 石油公司研究中心的高压多相流实液测试标定装置是目前世界 上唯一一套高压多相标定装置，具有压力高、规模较大、量程较宽等特点。所 用油介质为采油田的原油，水为产出水，天然气为某油田的产出气。油泵、水 泵、天然气压缩机、分离器和油气水各单相仪表放在同一试验室内，分上下两 层，使用面积约7 2 r n 2 ( 6 m 1 2 m ) ，试验管段放在室外长度1 2 0 m ( 6 0 m x2 m ) 。所有 管道、容器、阀门等都为复合钢材料，可耐c o 。、h 。s 的腐蚀，并且有保温层， 加不锈钢护罩可对试验介质进行温控。多相流量计可水平或垂直安装，也可 5 。调节。由于是实液，无透明管段观察流型，所以使用伽马射线仪测气液组 分( 流型) ，用电导仪测量油水流型。安装了粘度计、差压计、防腐测量仪( 挂 片式) 和1 3 个探头温度变送器，用于测量介质的粘度、管道压差、介质腐蚀性 和整个截面积上( 管壁、管内) 的温度。 国内的大型实验装置 石油大学( 华东) 的多相流环道是国内著名的大型实验装置。它的实验环 道长度为3 ”x3 5 0 m ，工作压力0 8 m p a ，可倾斜管段1 7 m ，倾角可变化范围为 第一章绪论 一3 0 。+ 3 0 。环道起点有气、液供应和计量调节系统，终点有分离和段塞 捕集系统，测试管段有收发清管球装置和液体分离计量罐。环道占地3 0 0 0 m 2 ：其 气液供应系统的供液量为2 l o o m 3 h 供气量 1 3 8 0 m 。h ，供给压力1 2 m p a 。 可进行水平管、倾斜管多相流流型、截面含液率、压降等研究，清管及管路内 集液量研究，管路启动、停输、泄露、堵塞等工况的瞬变多相流的研究，立管 诱发强烈段塞流研究和段塞捕集器动态模拟研究。 国内的小型实验装置 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室建有油气水三相流实验台， 该实验系统主要包括油路、气路、水路三部分，油和水分别被放置在油箱和水 箱中，空气由空气压缩机提供。油路和水路分别用齿轮油泵和离心水泵将工质 泵入实验系统。为了使系统压力稳定，在水泵后安装了稳压罐，利用稳压罐上 部的可压缩空气使系统的压力保持稳定。实验装置中的油气水分相计量。另外 水路还用来标定流量孔板，在标定流量孔板时，可以从各路的预留出口处将水 导入水桶，并计时称重，计算出实际的平均流量。通过在水泵出口处的阀组切 换，可以用水来标定各路流量孔板。在进行实验时，工质经过标准流量孔板分 别被测量之后，经过混合器混合后进入实验段装置。从实验段出来的油气水混 合物先经过气液旋风分离器，分离出的气体排入大气，液体工质进入油水分离 箱进行分离引入油箱和水箱循环使用”1 。 石油大学( 华东) 多相流小型实验装置包括空气水环道系统和油气水三 相流环道系统，在该装置上可进行气液两相流实验( 包括油气、水气、非 牛顿液气) 、液液两相流实验( 包括油水、油非牛顿水溶液) 及油水气 三相流实验。多相流实验装置由桁架、环道系统、供气系统、供水系统、供油 系统、和数据采集监控系统组成”1 。 国内的标定装置 大庆油田建有一套油气水多相流流量计现场实液校验装置。该装黄由介质 分离处理系统、介质调配输送稳压系统、单相流量计量混合系统、流动稳定部 分、多相流量计试验单元和用后介质外输系统构成，可用于在原油、产出水、 伴生气现场实际介质条件下，对多相流量计进行全量程的性能测试校验。其技 术原理为：将油井产出的油气水混合液经分离、净化后，制成油、水、气单相 介质，给这些单相介质增压，进行标准流量调节和计量，经过混合、发展后进 入多相流量计，通过将装置的油、气、水单相标准流量值与被测多相流量计测 得的油、气、水单相流量值的比对，来确定多相流量计的计量准确度、复现性 及有关性能参数“1 。 第一章绪论 1 3 论文完成的工作及创额点 论文完成的工作 1 、本着投资少、功能强的思路，完成油气水三相流实验装置控制系统的方 案设计工作。 2 、根据油气水三相流实验装置的实验要求，通过对比和筛选，确定装_ ! 瞢! 的 压力源与过程参数测量手段。 3 、分析油气水三相流装置的控制特点，根据控制方案选择工控机、数据采 集卡和执行机构。 4 、用通用组态软件m c c - s 与v b 混合编程完成装置的控制软件，实现油气水 三相流实验装置的计算机控制。 5 、油气水三相流实验装置的调试。 6 、利用油气水三相流实验装置做一些验证性的实验，对该装曼做出一个客 观的评定。 论文的创新点 创新点一：油气水三相流装置是一套小型多功能、低成本的实验装置。它 可阻在实验室内完成石油采集、输运模拟，多相流流型的检测、识别与多相流 流量计的实验研究和标定等多项工作。 创新点二：油气水三相流实验装置控制系统的上位控制软件采用通用组态 软件m c g s 与v b 混合编程，既提高了开发效率，又增强了控制软件的适用性， 且扩充方便。 创新点三：油气水三相流实验装置的计量管捧采用组合式测量。该方案使 得流量仪表均在正常流量段工作，提高计量的精度和稳定性，同时该方案拓宽 了油、气、水流量的测量范围，增强了装置的实用性。 1 4 论文的章节安排 论文各章节安排如下： 第一章绪论。说明了多相流实验装黄是研究多相流的重要手段，大多数 多相流的成果都是在实验室内的小型实验装置上完成的。简要介绍了当前世界 上多相流实验装置的类型和基本情况。最后概括介绍了本论文完成的主要内容、 创新点和组织结构。 第二章装置设计。根据多相流实验的要求，完成了油、气、水单相计量 第二章装置设计。根据多相流实验的要求，完成了油、气、水单相计量 第一章绪论 管排的设计及过程参数测量仪表的研究与选型工作。并设计了压力源及油、气、 水单相调节管排。 第三章控制系统。按照系统控制需要，本章分析了油气水三相流装置控 制系统的特点，并以此为根据组建了实验装置的控制系统。具体工作包括控制 方案的选择，控制系统硬件的选型，控制系统软件的编写以及m c g s 与v b 混合 编写软件与硬件接口。 第四章控制系统调试。本章介绍了油气水三相流实验装置数据采集系统、 流量调节系统和泵控制系统的调试工作。通过调试、分析保证了实验装置的正 常运行。 第五章装置运行评估。本章主要通过实验来评定装置。这包括压力源的 评估，连续运行评估和流型控制评估 第六章结论与建议根据油气水三相流实验装置投入使用后的运行结 果，结合装置建造与调试过程中的一些闯题，给本装置下了一个客观的评定， 并为今后使用和改造油气水多相流装置提出了一些建议。 第二章装置设计 第二章装置设计 油气水三相流实验装置设计方案的确定是一个反复研究、不断修改的过程， 其设计思路为整体一局部一整体。首先对装置进行概要设计，通过分析用户提 出的功能、工艺要求，结合实验室的具体情况，完成装置运行的主要流程设计， 并根据实验流程图将实验装置分成独立的几个部分。然后分析各个部分的功能 和所要求的性能指标，经过研究计算，完成各部分的设计和设备选型。最后将 各个部分的设计汇总，完成整个系统的流程图和设计图。 2 1 装置分析 2 1 1 实验装置设计参数 油气水三相流实验装置的主要设计技术指标如下： 工作介质：柴油、自来水、空气 流量计量范围和精度： 油和水均为：0 5 2 4 一d 1 5 2 4 3 8 4 一d1 0 3 8 4 3 8 0m 3 do 5 空气：6 2 0 甜d3 2 0 5 4 0 0 一d1 5 实验水平管：d n 5 0 ，不少于2 0 m 实验井筒：有效高度6 m ，可倾斜0 。一9 0 。，实验管道口径为o n l 2 5 、d n s o 和d n 5 0 。 21 2 实验装置概要设计。”“州。”“” 油气水三相流实验装置是一套集油井模拟、多相流管道运输模拟和多相流 实验研究为一体的室内小型实验装置。根据实验要完成的内容，装置概要流程 图如图2 1 所示。按照图示实验流程，经过分析论证，油气水三相流实验装罱 大致可以分为压力源、竖直井筒实验段、水平环管实验段、过程参数测量仪表、 混合器、分离装置、调节阀、辅助器件及管路几个部分，在这几部分中单相流 第二章装置设计 量计量、混合器与调节阀的设计选型是设计任务的关键，它们直接关系到装置 的精度和实用性。 混和嚣 平环管 直井筒 二工_ 厂一 l 计算机控制系统 图2 1 装置概要流程图 表2 - 1 常用仪表的性能和使用范围”1 分离装置 适用介质准确度适用管径( m r f l ) 类型类型代表 量程范围价格 蒸汽才(空气 ( ) 最大最小 孔板，文氏 3 ：l 差压型 21 0 0 02低 咎 5 ： l 变面积型转子流量计 21 0 ：1 2 0 0 5 0 较低 震荡型涡街流量计 o 52 0 ：13 0 0 2 5 较高 电磁型电磁流鼙计 0 51 0 0 ：l3 0 0 02 较高 多普勒流量 超声波型 11 0 ：l2 0 0 01 0较低 1 ，t 一一 动量矩型涡轮流量计 x0 5l o ：l6 0 01 较低 椭圆齿轮流 正位移型 0 52 0 ：13 0 0 5 适中 量计 注：表示适用，表示不适用，兰表示通常不适用 第二章裟置设计 2 ，2 计量管排设计川1 8 ” 要正确和有效地选择流量测量方法和仪表，必须熟悉仪表和计量的流体特 性这两方面，同时还要考虑经济因素。归纳起来要综合考虑以下五个方面，即 性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和费用。即使经验丰富的工程师， 综合这些因素提出最优方案亦非易事。表2 一l 列出了一些常用仪表的性能和使 用范围，可以作为仪表选型的参考。 2 2 1 水计量管排设计 水计量管排的设计目标是：水流量在0 0 2 0 8 - - 0 1 【t 1 3 h 范围内精度达到 1 5 ：水流量在o 1 1 6f i r h 范围内计量精度达到1 o ；水流量在 1 6 一1 5 8 3i n 3 h 范围内计量精度达到1 5 。 根据设计要求，水计量要求流量计量程比在1 0 ：l 以上。参考表2 2 中流 量计的精度和量程比，水计量管排可选择电磁流量计、涡街流量计、涡轮流量 计和罗茨流量计来完成流量计量任务。水计量管排的计量介质是循环使用的自 来水，且计量是连续的。由于涡轮流量计存在可动部件，难以长期保持校准特 性，不适于作为实验室流量计量仪表。罗茨流量计则是因为体积庞大，结构复 杂，易堵卡，也被设计方案排除。 表2 2 流量计保证精度的测量范围 口径 d n l 5d n 2 5d n 4 0d n 5 0 流量计 0 5 级 0 5 级0 5 级0 5 级 涡街流量计0 9 4 - - 6 m 3 h1 7 1 8 m 3 h 2 6 4 4 m h 3 3 - - 7 3 0 h 电磁流量计0 0 7 2 3 m 。h0 2 6 3 m h0 5 一i 5 3 m h0 8 2 5 2 m h 受实验室场地限制，计量管排的管道口径不能大于5 0 m m 。表2 2 列出了横 河涡街流量计与电磁流量计5 0 m n l 以下口径的保证精度的计量范围。从表中可以 看出选用d n l 5 、d n 2 5 和d n 5 0 口径的电磁流量计可以满足测量精度要求。但是 大口径电磁流量计价格昂贵，为降低系统造价，水计量管排采用了组合测量的 方案，优先选用价格低的涡街流量计，当涡街流量计不能满足计量要求时再选 第二章装置设计 用电磁流量计。设计方案最终选用了d n 4 0 和d n 2 5 涡街流量计各台，d n l 5 电 磁流量计一台，设计方案如图2 2 所示。 2 2 2 油计量管排设计 0 0 2 2 5 m 3 h 电磁流量计 ! ! ! ! ml 1 9 9 m 3 h 涡街流量计 2 8 1 6 m 3 h 涡街流量计 d n 4 0 l ， 卜一叫；卜一 l二 一j 图2 2 水计量管排设计图 油计量管排的设计目标是：油流量在0 0 2 0 8 0 1m 3 h 范围内精度达到 1 5 ；油流量在0 1 1 6d h 范围内计量精度达到1 0 ；油流量在 1 6 一1 5 8 3m 3 h 范围内计量精度达到0 5 。 根据油气水三相流实验装置的实验要求，实验用油选用柴油。由于柴油粘 度不高、温度不高、流体比较清洁，所以对油计量管排中流量仪表无特殊要求。 参照水计量管排的设计方案，油计量管排也采用了组合仪表测量。因为柴油是 电的不良导体，所以电磁流量计无法进行计量，而容积式流量计在柴油计量方 面有着悠久的使用历史，同时柴油本身就有自润滑作用，可以使容积式流量计 长期稳定运行，所以柴油的小流量计量选择了罗茨流量计作为计量仪表。按照 建筑防火规范要求，室内储油不得多于5m 3 ，柴油的流量上限被迫修改为9 m 1 h 。 根据表2 2 ，油计量管排最终选用横河公司d n 2 5 涡街流量计一台，并选用天津 职业技术师范学院仪表厂生产的d n 2 5 罗茨流量计一台，计量精度为o 5 级。油 计量管排的设计如图2 3 所示。 籍二章装鼗设计 2 。2 3 鼍诗爨警鬟 设计 0 0 2 2 5 m v h 罗淡流量计 1 9 9 m 3 h 满衡流量诗 d i 2 5 一一! 一一一一” l 一一 图2 3 油计激管摊设计图 气计爨管排的设计目标是：气体流量在0 2 5 一o 8 3m 3 b 的范匿内糍度达副 主3 ，溅；气镩流量在0 8 3 2 0 5 戳3 擂豹范黉肉诗爨精度达到l 。繇。 气计量管排的计照介质是聪缩空气，流量计的煅太工作胍力为0 8 m p a ，工 鏊温度必警涯。由予气源敲了蟓漫、除尘稳稳压姓理，诗量分质除了鼹力较亳 外与普通警气已无太大差异。参考水计璧管排与油计量管排的设计，气计量管 排采用了满街流量计与罗茨、瀛爨计组合计量的方寨。气计量镣排最终选择了横 浮公司气髂嗣径羹d n 2 5 豹满餐流量诗一螽，诗耋糖度秀o 。5 籍；美莺德莱塞公 嗣口径为d n 2 5 的气体罗茨流爨计一台，计量精度为1 io n 。气体计量瞥排的设 计如图2 4 所示。 0 15 1 7 m 3 h 罗蒎流量计 8 4 0 m 3 h 涡袋滚量诗 蹋2 5：；1 i 一ip “一 匿2 4 气计爨管接设计图 一 第二章装置设讨 从上面油、气、水计量管排的设计可以看出，每组计量管排中不同口径仪 表的计量范围均有很大程度的交叉。这样做的好处是，当一组计量管排中某台 流量仪表发生故障时，可用该组其它管路的仪表暂时取代故障仪表的计量工作， 使得计量管排仍能够测量大部分流量范围，保障实验装置的可靠性。整个计量 管排的设计体现了低投资，高实用性的设计理念。 2 ，3 其它过程参数测量仪表选择 油气水三相流实验装置中除了流量的计量外，还有温度和压力的测量，这 两个参量是进行气体温压修j 下和研究多相流流动特性时必不可少的参数。因此 必须认真选择温度传感器和压力传感器，以保证系统可以获得这两个参量的精 确数值。 2 3 1 温度传感器选择 油气水三相流实验装置中所测量的温度信号主要用于对气体的温压补偿计 算，且测温范围仅限于室温。热电阻具有测量准确度高，测量范围广，便于远 距离、多点、集中检测和自动控制的特点，是理想的温度传感器。根据现场安 装的不同要求，本设计共选用天津中环仪表厂的普通型热电阻5 个，用来测量 计量管排与水平环管进出口处流体的温度；分体型热电阻两个，用来测量竖直 井筒内多相流温度。这些熟电阻均可直接向控制系统提供4 2 0 1 1 1 a 的工业标准 信号，方便控制系统的采集。 2 3 2 压力传感器选择 压力是装置所需采集的过程参数之一。在本装置中压力信号有两种，一种 是安全指示信号，如泵出口的压力信号，这类信号对精度要求不是很高，但必 须稳定可靠；一类是实验采集信号，如井筒上的压力传感器信号，这类信号要 求动态性能好，测量精度高，抗干扰性强。根据表2 3 中所列出的压力传感器 类型，本设计最终采用诺金的1 5 4 n 型压力传感器。这是一种压阻式压力传感器， 它准确度等级高、重复性好、性能稳定可靠、结构简单，且能够满足一般压力 信号的动态相应( 可测量数千赫兹的脉动压力) 。为方便压力信号的采集，压力 传感器配装了天大泰和公司生产的变送器，可直接向控制系统提供4 2 0 f 【i a 的 工业标准信号。 第二章装置设计 表2 3 压力传感器分类及性能特点“7 压力表形式测压范围k p a准确度等级输出信号性能特点 电容式0 1 0 4 0 0 5 0 5 伏、毫安动态相应快、灵敏度高、易受干扰 压阻式 0 1 0 50 0 2 02 毫伏、毫安性能稳定可靠，结构简单 压电式0 1 0 1ol 1 o伏相应速度快，多用于测量脉动压力 应变式 一1 0 2 1 0 4o 1 一o 5 毫伏冲击、温湿度影响小，电路复杂 振荡式 0 一1 0 40 0 5 05 频率 性能稳定，准确度高 霍尔式 o l o 0 5 一l _ 5毫伏灵敏度高，易受外界干扰 2 ，4 压力源 2 4 1 压力源设计捌 油气水三相流实验装置既用来研究多相流，又用来作为多相流流量计的标 定装置，因此要求实验过程中油气水流量恒定。压力源的稳定与否直接影流体 流量稳定性，为了能够在实验过程中获得稳定的流量，就必须为油气水提供稳 定的压力源。对液体来说压力源一般由水塔或者稳压容器提供，实验室原来有 一个高3 2 米的高位农塔，本装置因地制宜，在其顶部增建了两个体积均为1 m 3 的开口溢流容器作为水和油的压力源，其液面分别由水泵和油泵维持。气体的 压力一般由稳压容器提供，本装置根据设计指标制造了两个体积由两个体积为 8 m 3 的稳压容器，稳压容器的设计压力为4 m p a ，工作压力为0 8 m p a ，稳压容器 入口处串连一台冷干机，用来去除压缩空气中的灰尘和凝结水。稳压容器的压 力通过两台螺杆空气压缩机维持。 24 2 压力校核“ 压力源确定后，要对其进行压力校核，验算压力源提供的压力是否能够满 足实验需要。由于实验装置的完整方案尚未完全确定，验算采用了式2 1 “进 行估算，式中沿程阻力系数可根据莫迪图呻1 查得，局部阻力损失包括油气水三 相流实验装置中的管道变径、弯头、阀门、流量计与混合器，这些部件的局部 阻力损失系数由生产厂家提供。根据这些参数计算出实验装置的阻力，为保证 系统的可靠性，计算结果乘上1 5 的保险系数作为最终计算结果。根据文献“”， 第一章装置设计 验算时只对装置中管径最大和最小的管路在最大流量工况下就进行校核，结果 如表2 1 中所示。 p = ( 五i l + 厶5 ，百p c 式中：1 ， d e p 一沿程阻力系数 一管道长度m 一管道直径m 一局部阻力系数 一流体密度k g m 3 一流速m s 表2 4 压力验算表 ( 2 1 ) 淤 油水气 最大管路最小管路最大管路最小管路最大管路最小管路 设定压力( k p a ) 2 4 02 4 02 7 02 7 08 0 08 0 0 计算压力( k p a ) 1 7 2 6 22 0 8 3 71 7 0 4 12 1 6 7 54 1 3 6 95 2 83 3 压力裕度( ) 2 8 2 01 3 1 83 6 8 91 9 7 24 8 2 93 3 9 6 ，= 警圳。 式中：y 一压力裕度 只一计算压力值 p 一设计压力值 ( 2 2 ) 为评价压力源的性能，本设计引入压力裕度“来表示压力的冗余程度，按 照式2 2 计算。压力裕度越大，表明压力源可提供的冗余压力越高，油气水实 验装置管路中流体实际最大流速比设计最大流速高出的部分就越多。从表2 4 中可以看出选择的压力源完全可以满足实验的需要，而且最大管径管路的压力 裕度均在2 5 以上，这表明装臀可达到的最大流速远高于设计流速，为以后实 验装置的扩展提供了方便。 第二章装置没计 2 5 调节阀选择阱1 出m 胡 根据国际电工委员会i e c 的定义，调节阀是工业过程控制系统中由动力操 作装置形成的终端元件，它包括一个阀体部件，内部有一个改变过程液体流过 率的组件，阀体部件又与一个或多个执行机构相连接。执行机构用来响应控制 元件送来的信号。简言之，调节阀等于阀体部件加执行机构。按阀门的结构形 式来分，阀体部件可分为单座阀、双座阀、套筒阀、角形阀、三通阀、隔膜阀、 蝶阀、球阀、偏心旋转阀、全功能超轻型调节阀十大类。按执行机构的能源方 式来分，执行机构可分为气动执行机构( 压缩空气) 、电动执行机构( 电能) 、 液动执行机构( 高压液体) 三类。 在选择调节阀时从阀体部件和执行机构两方面入手，选择一种合适的调节 阀是一个多方面因素平衡考虑的过程，在选择调节阀时要兼顾以下几个方面的 内容：调节功能、切断功能、克服压差功能、防堵功能、 耐腐蚀功能、耐压功 能、耐高温功能、外观、重量和价格。在本设计中油气水三相流实验装置的实 验介质为纯净的柴油、空气和水，调节管路小于5 0 r a m 且无特殊安装要求，因此 阀体部件可采用单座阀、球阀和全功能超轻型调节阀。考虑到价格因素，球阀 和全功能超轻型调节阀的价格昂贵，不适于作为实验装置的调节阀。所以设计 方案中的阀体部分最终采用了单座阀。在选择执行机构时考虑到实验装置本身 可以提供压力气源且气动执行机构具有本质安全、技术成熟、价格便宜的特点， 设计方案中的调节阀确定为气动薄膜调节阀。 调节阀的选型计算包括估算阀前、阀后压力，计算理论流量系数，查表确 定阀门口径，下限流量验算四个步骤。下面就以某水流量调节支路为例介绍一 下调节阀的选型过程。 l 、估算阀前、阀后的压力 介质：水 管径：d n 4 0 流量；2 8 1 6 m 3 h 水压：2 7 r a i l 2 0 根据流体力学知识，管路的压力损失可按照2 1 式计算。根据油气水三相 流实验装置的流程图估算得当流量为1 6 m 。h 时，阀前的压力为2 1 3 6 k p a ，阀后 的压力为6 0 4 k p a 。 2 、计算理论流量系数 k v 是国际单位的流量系数。它定义为：温度为5 c 至4 0 c 的水，在压降1 0 5 p a 下，每小时流过调节阀的立方米数。一般液体的k v 值按式2 3 计算。 第二章装置设计 k ，= l 。；q 、 p l p p o ： ( 2 3 ) 式中：q 一液体流量m h p 一阀前后差压k p a p p 。一相对密度( 规定温度范围内水p p 。= 1 ) 1 l ，一粘度修正系数 根据l 中估算的差压可计算出k v = 1 2 9 。 3 、查表确定阀门口径 2 03 05 0 8 01o2 03 05 0800 0 额定流量系数 图2 5z m a p 型直通单座等百分比流量特性 悼湖 0 7 刊_ 】 卜艘 调节阀口径的确定