（油气储运工程专业论文）旋流型管壁取样分配器优化设计及应用研究.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：翌盏童! 墨垒 日期：沙加年，月e t 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：! 堑童丝 指导教师签名：z 髦；驻 日期：弘，p 年r 月w 日 日期：7 , , 0 1 0 年t 月e t 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，如石油、 化工、医药、原子能等领域。在两相流系统中流量是最基本的参数之一，因此两相流流 量的计量是不可避免也是亟待解决的一个难题。由于两相流动的复杂性，无法应用单相 流量仪表进行直接测量。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，极大的制约了油田的开采和管理。分流分相法为解决这一难题提供了希 望，它的原理是从主流体中分流出一小部分两相流体，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。分流分相法具有设备体积小、测量精度高、能 够在线测量等优点。分流分相法测量两相流量的关键在于设计出合适的分配器，本文主 要研究旋流型管壁取样分配器的结构，并在自行设计搭建的实验装置上进行了气液两相 流流量测量的实验研究。 本文应用f l u e n t 软件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，模拟部分主要包括旋流叶片的安装角度的模拟、取样孔的位置的选择。 确定了叶片的最佳安装角度为3 0 。；设计了8 个直径为5 m m 的圆孔，均匀布置在管周， 根据模拟结果得出：取样孔布置在距离整流器下游3 0 m m 位置处时，取样效果最佳。 本文的实验部分在中国石油大学( 华东) 油气储运实验室的大型多相流实验环道中 进行。实验过程中采用空气和水作为气液相介质。实验中主要研究了气液相分流系数与 主管气液相流量的关系、有无旋流装置以及分流回路阻力调节对气液相分流系数的影 响、两相流量测量值与真实值的对比。在本实验范围内，液相分流系数稳定在0 0 7 9 ， 气相分流系数与主管液相流量基本成线性关系，不随主管气相流量的变化而变化。气液 相流量测量的平均误差分别为9 5 和8 4 。 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 r a l o n gt h ec i r c u m f e r e n c e z h a n gw e n j i 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 ss u c ha sp e t r o l e u m ，c h e m i c a l i n d u s t r y , m e d i c i n e ，a t o m i ce n e r g y , e t c t h ef l o wr a t ei so n ep a r a m e t e rw h i c hi sf u n d a m e n t a li n t h et w o - p h a s ef l o ws y s t e m s ot 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 ea n du r g e n t t h e t w o p h a s ef l o wr a t ec a l ln o tb em e a s u r e dd i r e c t l yb yo n e - p h a s ef l o wm e t e rb e c a u s eo ft h e c o m p l e x i t yo ft h et w o - p h a s ef l o w t r a d i t i o n a lt w o - p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t sh a v es om a n y d 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 t h a t t h e y r e s t r i c tt h e d e v e l o p m e n ta n d m a n a g m e n to fm a n yo i lf i e l d s t h 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 ( e s m ) i sap r o m i s i n g m e t h o d t h ep r i n c i p l ei st h a ts e p a r a t i n gaf r a c t i o no ff l o wi nt h em a i n s t r e a mf i r s t l y , a n dt h e n s 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 ef l o w m 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 er a l a t i o n s h i p b 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 e s mh a sal o to fa d v a n t a g e si n c l u d i n gs m a l l v o l u m eo f d 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 n - l i n em e a s u r e m e n t ，e t c t h ed i s t r i b u t o r s s t r c t u r ei si m p o r t a n ti nt h ee s m t h es t r u c t u r eo ft h ed i s t r i b u t o rh a sb e e nd e s i g n e di n t h i s d i s s e r t a t i o na n dt h et w o p h a s ef l o we x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u ta tt h ee x p e r i m e n t a l f a c i l i t yd e s i g n e db yo u r s e l v e s m e t h o do fc o m b i n a t i o nf l u e n tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 、析t l le x p e r i m e n th a sb e e nu s e d o nt h eo p t i m a ld e s i g n m e n to ft h es 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 t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n sw ec a r r i e do u ta r et h ea n g l eo fs w i r lv a n ea n dt h ep o s i t i o no ft h es a m p l eh o l e s a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h eb e s ta n g l eo fs w i r lv a n ei s3 0 。，t h ee i g h ts a m p l eh o l e s ( d i a m e t e r i s5 m m ) s h o u l db eo p e n d3 0 m md o w nt h er e c t i f i e ri no r d e rt oe n s u r et h ee f f e c t i v e n e s so f s a m p l i n g 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 m t h ee x p e r i m e n t a lm 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 ne x t r a c t i o n r a t i oa n dt h em a i n s t r e a mf l o wr a t e ，t h es w i r lv a n ea n dt h er e s i s t a n c eo fs u b f r a c t i o n a ll o o p h 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 t t h er e s u l t si n d i c a t et h el i q u i de x t r a c t i o nr a t i on e a r l l 0 0 7 9w h i c hi ss t a b l ei naw i d er a n g eo ff l o w 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 rw i t ht h e l i q u i df l o wr a t e o ft h em a i n s t r e a m t h ea v e r a g ee r r o ro ft h el i q u i da n dg a sf l o wr a t e m e a s u r e m e ma p p r o a c ht o8 4 a n d9 5 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 s ef 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 n r a t i o 目录 第一章绪论1 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。3 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 第二章旋流型管壁取样分配器结构数值模拟11 2 1 模型的建立1 1 2 2 网格的戈0 分1 l 2 3 多相流模型的选择1 2 2 4 湍流模型的选择1 2 2 5 边界条件的选择1 3 2 6 旋流叶片安装角度的两相流数值模拟结果分析一1 3 2 7 取样孔位置选取的两相数值模拟结果分析1 6 2 8 本章小结2 0 第三章旋流型管壁取样分流分相式两相流量计结构设计2 1 3 1 旋流型管壁取样分配器结构一2 1 3 2 取样孔的选择2 2 3 2 1 取样孔结构2 2 3 2 2 取样孔布置2 2 3 2 3 取样孔分配特性分析2 2 3 3 整流装置的设计2 3 3 3 1 旋流叶片结构2 3 3 3 2 整流器结构2 4 3 3 3 流型整改后两相流流型的变化2 6 3 4 节流元件的结构2 6 3 5 计量分离器结构2 8 3 6 分流系数特性分析2 9 3 6 1 液相分流系数特性分析2 9 3 6 2 气相分流系数特性分析3 1 3 7 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 4 4 1 实验装置组成3 4 4 1 1 气液相供应系统3 4 4 1 2 入口混合器3 4 4 1 3 气液两相流量控制与计量3 5 4 1 4 实验操作参数3 7 4 1 5 实验装置的整改3 7 4 2 数据采集及处理系统3 8 4 2 1 数据采集系统3 8 4 2 2 数据处理系统3 9 4 3 实验方法及内容。4 0 4 3 1 实验方法4 0 4 3 2 实验内容4 1 4 4 实验参数和介质物性计算4 4 4 4 1 实验参数一4 4 4 4 2 实验介质物性计算4 4 4 5 实验结果分析4 5 4 5 1 形成均匀环状流的条件4 5 4 5 2 分流系数实验结果分析4 6 4 5 3 旋流装置与阻力调节对分流系数的影响5 2 4 5 4 两相流量的测量5 6 4 6 本章小结6 0 第五章结论与展望6 2 5 1 全文主要结论6 2 v 5 2 尚待研究的问题6 3 参考文献6 5 攻读硕士学位期间取得的学术成果6 7 致谢。6 8 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 随着近现代工业化的飞速发展，在很多领域中出现了气液两相流，如石油、化工、 医药、原子能等【l 】。在两相流系统中流量是最基本的参数，两相流流量的计量是不可避 免也是亟待解决的一个难题。由于两相流动的复杂性，无法应用单相流量仪表进行直接 测量。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，极 大的制约了油田的开采和管理。近年来，随着海上和沙漠油田的开采，两相流量的计量 问题显得更加突出，世界各国都在投入巨资竞相进行开发研究。 与单相流动相比，两相流动过程要复杂的多，这是由于在两相流动过程中，相界面 的形状和分布即流型随时间、空间的变化而变化，并且两相在流动过程中往往存在速度 差。两相流动的强烈波动性使得工作在两相流体中的仪表受流型等参数的影响较大，稳 定性差，测量精度低。因此，两相流量的测量技术与单相流量的测量相比，在测量精度、 测量范围和稳定性等方面还不能满足工业需要。传统的分离法一直是气液两相流体在工 程上采用的主要测量方法，但由于其分离设备体积庞大、价格昂贵、自动化程度偏低 等原因而逐渐表现出严重的不适应性。因此，开发出一种新型的、设备体积小、测量精 度高、能满足工业需要的两相流量计具有重要的意义。 分流分相法是近年来出现的一种新型多相流量测量方法，它为解决两( 多) 相流体 计量这一难题提供了希望 2 1 。分流分相法的原理是成比例( 5 之0 ) 的从两相流体中 分流出一小部分两相混合物，经过计量分离器分离成单相流体后，应用单相流量计分别 计量分流出的气液相流量的大小，然后根据分流体与主流体的比例关系确定被测两相流 体各相总流量。与传统的两相流量计量方法相比，分流分相法具有分离器体积小、计量 精度高、不受流型影响、可以在线计量等优点【3 】。利用分流分相法计量气液两相流量的 关键在于是否能够保证稳定的分流系数，分流系数越稳定，流量的计量精度越高。分配 器的结构是否合理是分流系数能否稳定的关键因素，因此本文在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 ) 的资助下，优化设计了用于气液两相流流量计量的旋流型管壁取样分配器。 本章首先简要叙述了国内外多相流量计量的研究现状及几种主要的多相流量测量方 法，对几种主要方法进行了对比提出存在的缺点与不足，最后对本文研究的主要内容进 第一章绪论 行了简要的介绍。 1 2 国内外研究现状 o a t -， 囊_， - 精翻 _ _ 藜 雹* ， 鏊 萎 毫船 鼍 兰t 墨， _ 量 盈 圆藿 。删 一 g * - 一嗣：园，墨璺u 。秽 捌篮= 嘲茹= 黝 1 争“l1 9 f o1 7 鲥 l 的： 1 蛾jl 螂 1 螂 l 咖 六 l d 0 ，月：u ； 8005i 22 0 - 1 3 筠 l - ，j f m ，脚 ， ? t 3 ” 拍嚣黼1 1 0 函。甜e 5l5，t弘铝伯 掬嫩 图i - i 多相流量计的增长速率 f i g l - i g r o w t hr a t eo fm u l t i p h a s ef l o wm e t e r 从图1 1 【4 】可以看出，随着沙漠和海上油气田开采速度的增加，多相流量计需求的 增长速率极快。多相流流量测量方法按照是否分离可以分为分离法和不分离法( 也称为 直接测量法) ；按照分离程度又可将分离法分为完全分离法、部分分离法和分流分相法 【5 ，6 7 ，8 1 ，如图1 2 所示。下面对这些方法的原理及优缺点进行简单总结。 图1 - 2 多相流计量方法分类 f i g l 一2 t h ec l a s s i f i c a t i o no fm u i t i p h a s ef l o wm e a s u r e m e n t 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 2 1 不分离法 不分离法的原理是：直接将测量仪表置于两相流体中进行测量，无需对两相流体进 行分离。采用不分离法测量气液两相流流量必须首先测得各相速度和截面份额，再根据 流体各相的密度计算出气液相的质量流量 9 1 。通常采用均相化处理的方法来降低测量的 难度。所谓均相化处理就是将流体在计量前进行均相处理，这样可以认为气液相速度基 本相同，整个截面密度相等【1 0 1 。 1 2 2 完全分离法 完全分离法的原理是：将气液两相流体通过分离器分离成单相气液和单相液体后， 再应用技术成熟的单相流量计进行计量，这样就将两相流量的测量转化为单相流量的测 量，从而极大的降低了测量难度，提高了测量精度。虽然完全分离法具有工作可靠、测 量精度高、测量范围宽广且测量结果不受两相流流型影响等优点，但是随着海上和沙漠 油田的开发，完全分离法由于设备体积庞大，价格昂贵，需要专门的计量站等缺点已经 不能满足石油工业的需要。 1 2 3 部分分离法 部分分离法的原理是：首先用简单的分离装置将气液两相( 或多相) 流体分离成以 气相为主( 高含气率) 和以液相为主( 高含液率) 的两股两相流，然后应用较为成熟的 两相流流量测量仪表分别测量，最后将两股流体重新混合。因为两相流体被分为以气相 为主和以液相为主的两股两相流分别计量，因此该方法大大降低了流过测量仪表的两相 流组分变化范围，而且也降低了流动和测量信号的不稳定性。但是该方法由于没有将气 液两相流分离完全，因此测量精度的提高是有限的1 1 1 】。 1 2 4 分流分相法 分流分相式气液两相流体流量测量法，简称分流分相法，是一种新型的流量测量方 法，该方法由于具有设备体积小、便于加工、测量结果不受流型影响等优点而备受关注。 简单的说，分流分相法就是从被测两相流体中成比例的分流出一部分( 5 2 0 ) 两相 流体，将分流出的这部分两相流体经过分离后单独计量，最后根据分流体与主流体的比 例关系计算出两相流的各相总流量。 分流分相法的原理见图1 3 ，两相流体经过分配器( 2 ) 后，一部分( 8 0 9 5 ) 沿 主管道( 1 ) 继续流动，这部分流体称为主流体，这回路称为主流体回路；另一部分 流体( 5 2 0 ) 则进入计量分离器( 3 ) ，经分离后，气相经流量计( 5 ) 计量，液相经 3 为国家的教育和科研工作服务，在国家科技部的大力支持和越来越多的专家学者 提议下，中国科学技术信息研究所和北京万方数据股份有限公司承担并开发建设 了中国学位论文全文数据库的加工和服务任务，通过对学位论文全文进行数 字化加工处理，建成全国最大的学位论文全文数据库，并进行信息服务。 本人完全了解中国学位论文全文数据库开发建设目的和使用的相关情况， 本人学位论文为非保密论文，现授权中国科学技术信息研究所和北京万方数据股 份有限公司将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服 务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他 媒体发表论文的权利。 论文题目：旌逋型鳘壁亟搓盆鳗墨垡丝遮让丛廑旦婴宜 毕业院校： 生国虿油太堂( 垡丕2 毕业时间：2 0 1 0 年7 月 。 论文类型：博士论文 口 硕士论文 昭 博士后研究报告口同等学力论文 口 授权人签字：乏衫三叔 日期：矽，年r 月弓口日 第一章绪论 流量计( 7 ) 计量后均返回到主管路中，进入计量分离器的这部分流体称为分流体，这 一回路称为分流体回路。 主管路中的气液相总流量m l g 和m l l 分别按照式( 1 - 1 ) 和式( 1 2 ) 计算： m i g = m a z g a ( 1 1 ) m i l = m a 3 ，l - ( 1 - 2 ) a ， 式中：m l g 和m l l 分别为被测主管气液相总流量；m 3 g 和m 3 l 分别为分流体气液相 流量；k l 和k g 分别为气液相分流系数。 l 图l - 3 分流分相式两相流体流量计原理图 1 主管道；2 分配器；3 计量分离器；4 气体测量管路；5 气体流量计；6 液体测量管路；7 液体流量 计；8 阻力元件 f i g l - 3 t h es c h e m a t i co fe x t r a c t i n ga n ds e p a r a t i n gf l o wm e t e r 1 m a i np i p i n g ；2 d i s t r i b u t o r ；3 s e g r e g a t o r ；4 g a sm e a s u r i n gt u b e ；5 g a sf l o wm e t e r ；6 1 i q u i d m e a s u r i n gt u b e ；7 1 i q u i df l o wm e t e r ；8 r e s i s t a n te l e m e n t 目前共有5 种不同结构的分配器，即三通管型【1 2 】，取样管型f 1 3 】，转鼓型1 1 4 1 ，旋流 型【1 5 l 以及转轮型分配器f 1 6 , 1 7 】。 ( 1 ) 三通管型分配器 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一一一一一? 一一一一一一? 一一一一一一? 一一一一一一一一一一一一。一一一一一一l 一一。 图1 4 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 - 4t - 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 wm 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 图1 - 4 为三通管型分配器的结构示意图。在两相流体中三通管的分配特性除了流量 分配外，还存在相分配。研究表明，当侧支管( 3 ) 内的质量流速小于某一临界值时， 侧支管内的干度就能保持为1 ，即进入侧支管的全为气相。因此，可以通过气体测量管 路中的气体流量计( 7 ) 对分流出的气相进行计量。如果已知主管入口干度和气相分流 系数k 。便可计算出被测两相流体的流量。 ( 2 ) 取样管型分配器 图l - 5 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 液体测量管路计；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 - 5g 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 ；8 g a sf l o wm e t e r ；9 1 i q u i df l o wm e t e r ；1 0 c h a r g ev a l v e 5 第一章绪论 图1 5 为取样管型分配器的结构示意图。气液两相流首先进入混合器进行混合，此 时大部分液膜变为液滴进入气相。混合后的两相流体一部分沿管道继续向下游流动，一 部分则通过主管内部的取样管进入旋风分离器进行分离，分离后的单相气体和单相液体 再分别计量。此时可以通过分流系数计算被测两相流体的气液相总流量。 ( 3 ) 转鼓型分配器 图l - 6 转鼓分配器结构示意图 1 外壳；2 、1 0 轴承座；3 、9 支架；4 、8 转轴；5 前导锥；6 转鼓；7 后导锥；1 1 转速测量凸肩；1 2 后凸肩 f i g l - 6 t 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 1 h u l l ；2 、1 0 s h a f tb l o c k ；3 、9 b u c k ；4 、8 s p i n d l e ；5 f r o n ts 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 ；7 b a c k s t a r t i n gt a p e r ；1 1 r o t a t i o n a ls p e e dm e t e rb e a d i n g ；1 2 b a c kb e a d i n g 图1 - 6 为转鼓型分配器的结构示意图。转鼓通过转轴支撑在轴承座上，转鼓上下游 布置了导锥，用于引导流体。转鼓内部被均匀分割为1 1 个互不连通的扇形通道。当两相 流体流过转鼓时，转鼓受到冲击而高速旋转，上游流通截面上每一点的气液两相流都有 可能机会均等的进入转鼓的各个通道，因此保证了取样的代表性，并且分配器的工作不 受上游来流流型的影响。 ( 4 ) 旋流型分配器 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 图1 7 旋流型分流分相式气液两相流体流量计原理图 1 旋流器外壳；2 旋流器；3 混合室；4 连接杆；5 整流网：6 分流器外壳：7 分流器；8 分离器外壳； 9 气水分离元件；1 0 气体测量管路；1 1 气体流量计；1 2 自由液位；1 3 阻力调节孔板；“液体流量 计；1 5 液体测量管路；1 6 分离器外壳；1 7 叶片外缘；1 8 分流通道；1 9 隔离叶片；2 0 旋流叶片外缘； 2 1 旋流通道；2 2 旋流叶片 f i g l - 7 t h es c h e m a t i co fs w i r l e de s m t w o - p h a s ef l o wm e t e r 1 s w i r l e rh u l l ；2 s w i r l e r ；3 m i x i n gc h a m b e r ；4 j o i n tl e v e r ；5 d a m p i n gs c r e e n ；6 s p l i t t e rh u h ；7 s p l i t t e r ； 8 s e p e r a t o rh u l l ；9 a i rw a t e rs e p a r a t i n ge l e m e n t ；1 0 g a sm e t e r i n gt u b e ；1 1 g a sf l o wm e t e r ；1 2 f r e e l i q u i dl e v e l ；1 3 r e s i s t a n c er e g u l a t i o no r i f i c ep l a t e ；1 4 1 i q u i df l o wm e t e r ；1 5 1 i q u i dm e t e r i n gt u b e ； 1 6 s e p e r a t o rh u l l ；1 7 v a n eo u t e re d g e ；1 8 b r a n c hc h a n n e l ；1 9 i n s u l a t ev a n e ；2 0 s w i r lv a n eo u t e rm e t e r ； 2 1 s w i r lc h a n n e l ；2 2 s w i r lv a n e 图1 7 为旋流型分配器的结构示意图。上游两相流体通过几组旋流叶栅后产生旋转 运动，使两相流体中的液相克服重力作用，变成均匀液膜紧贴管壁向下游流动，再经过 整流器的整流作用，使两相流消除旋转，进一步增强液膜的稳定性和对称性，将分层流、 弹状流、不均匀的环状流等流型整改为均匀的环状流型。最后通过一组扇形通道对两相 流体进行切割分流。 ( 5 ) 转轮型分配器 7 第一章 绪论 图l - 8 转轮分配器结构示意图 1 主流体接收窗口：2 格栅；3 取样口；4 来流入口；5 分流回路：6 流道；7 流体出口；8 转轮；9 分流体收集室 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 m a i n s t r e a mr e c e i v ew i n d o w ；2 g r i l l i n g ；3 s a m p l et a p ；4 u p p e rs t r e a me n t r a n c e ；5 b r a n c hl o o p ； 6 c h a n n e l ；7 f l u i do u t l e t ；8 r o t a t i n gw h e e l ；9 b r a n c h i n gs t r e a mc o l l e c t o r 图1 8 为转轮型分配器的结构示意图。来流从上部管道垂直进入转轮中心入口，通 过转轮流道时，在切向力作用下，推动转轮旋转，气液两相流从流道喷出，经取样口进 入分流体收集室，汇合后经过分离器进行气液分离计量。其余的流体则沿转轮与收集室 外壁的间隙向下游继续流动。 1 2 5 分配器结构存在的问题 分流分相法在气液两相流的流量测量中具有重要意义，而分流分相式两相流量计的 核心部件是分配器，因此分配器结构的好坏直接关系到两相流流量的测量精度、流量计 的适用范围以及装置的经济性。 在已经开发出的分配器中，三通管型分配器虽然结构简单，运行可靠，但其只适用 于单参数测量，即必须已知流量和干度之中的一个参数来求另一参数，而且这种分配器 适用于干度较高的气液两相流流量测量，不适于弹状流这种波动较大的流型。取样管型、 转鼓型和旋流型这三种分配器虽然适用于双参数测量，但其取样装置都存在于管道内 部，不仅会对流动产生干扰，造成流体的阻力损失较大，而且取样口容易磨损，易被流 体中的杂质阻塞，另外取样口一旦变形会导致分流系数不稳定，测量误差增大。因此， 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 这三种分配器适用于清洁介质的流量测量。转轮型分配器虽然能严格保证取样的代表 性，但其适用于清洁介质的流量测量，不适于测量高含气工况，否则转轮容易震动，加 速转轮的磨损。 另外，分流系数关系到整个测量装置体积的大小，分流系数越小，计量分离器的体 积就越小。研究发现，现在的分流比例大多在2 0 左右u 引，这一比例偏大，如果分流比 在1 0 以下，便能更好的发挥分流分相法的优势。但是对于管内取样的分配器，必须通 过增加分配通道数目的方法达到减小分流系数的目的。然而，随着分配通道数目的增多， 会加剧分配器磨损和堵塞的问题。 为解决上述问题，本文提出了管壁取样的新思路，在主管管壁开孔取样可以很好的 克服管内取样带来的取样孔易磨损、易堵等缺点。这是因为流体中的机械杂质密度较高， 在随两相流流动的过程中，很难改变方向进入管壁小孔，因此不会造成取样孔的磨损和 堵塞。另外，取样孔不在管道内部，不会对流体产生干扰，极大的降低了阻力损失。 1 3 本文研究的主要内容 本文采用实验和模拟相结合的方法对分流分相式多相流量计的核心部件一分配器 进行了结构设计和优化。自行设计加工了旋流型管壁八孔取样分配器，在石油大学( 华 东) 多相流实验环道系统中搭建了实验架并进行了详细的实验研究，探讨了分配器中气 液相分流系数的特征和影响因素，得出了该计量装置的测量精度。下面对全文的结构作 一简介： 第二章：应用f l u e n t 数值模拟软件对分配器的结构进行了气液两相流的模拟， 包括旋流叶片安装角度的模拟以及取样孔在轴向开孔位置的模拟； 第三章：叙述了旋流型管壁八孔取样分配器的结构，详细介绍了取样孔的选取、布 置形式，整流装置的结构，主管节流元件和计量分离器的结构，并对气液相分流系数进 行了理论推导，分析了分流系数的影响因素； 第四章：介绍了两相流实验系统，包括大型实验环道流程、实验装置组成、数据的 采集和处理系统、实验的方法和内容以及实验介质物性参数的计算方法。进行了实验结 果的分析，得出了形成均匀环状流的最小气液量；得出了气液相分流系数随主管气液相 流量的变化规律，并和气液相分流系数的理论公式进行对比；分析了有无旋流装置以及 分流回路的阻力调节对气液相分流系数的影响；通过对流量的实测值和计算值的对比， 得出了旋流型管壁八孔取样分流分相式两相流量计用于两相流流量测量的误差范围。 9 第一章绪论 第五章：对全文进行回顾，提出了管壁八孔取样分配器在结构和性能上存在的不足 和问题，并对进一步的整改方案提出建议。 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章旋流型管壁取样分配器结构数值模拟 分流分相式两相流量计的核心部件是分配器，分配器结构的好坏直接关系到流量计 测量的精度，因此，本文首先通过数值模拟的方法，对分配器的结构进行优化，然后根 据模拟结果加工分配器进行实验。 本文采用的模拟软件是f l u e n t 软件。f l u e n t 软件是在多相流建模方面的领导 者，是目前功能最全的c f d 软件，其强大的模拟能力可以帮助人们洞察复杂的多相流 动现象。本文对分配器进行了气液两相流的数值模拟，气相采用空气为介质，液相采用 水为介质。 2 1 模型的建立 分配器的模型采用三维绘图软件p r o e 绘制。图2 1 为该分配器模型的三维立体图。 为使模拟更接近于真实情况，模型中建立了单独的气相入口。图中主管左端面为液相入 口，直立支管上端面为气相入口，主管右端面为两相流的出口。 2 2 网格的划分 图2 - 1 分配器模型三维图 f i 9 2 - 1 d i s t r i b u t i o nt h r e e - d i m e n s i o n a ld i a g r a m 在g a m b i t 中对模型进行网格划分，模型中的圆柱部分均采用六面体网格划分， 模型中的叶片位置采用混合网格划分。为提高计算的速度和精度，将模型进行分割，在 第二章旋流型管壁取样分配器结构数值模拟 不同区域采用疏密程度不同的网格【1 9 1 ，分配器模型的网格数在5 5 万左右。图2 2 为局 部放大的整流装置的网格划分示意图。考虑到计算时间的问题，计算中选用三维单精度 解算器。 图2 - 2 整流装置网格划分示意图 f i 9 2 - 2 t h em e s hd i a g r a mo f r e c t i f y