（信号与信息处理专业论文）基于cfd的槽式孔板结构设计.pdf

基于c f d 的槽式孔板结构设计 孙静( 信号与信息处理) 指导教师：郑金吾( 教授) ，耿艳峰( 副教授) 摘要 为了提高凝析天然气计量的准确性，开发一种新型的节流元件一槽 式孔板。借助c f d 计算流体动力学软件f l u e n t ，对比分析流经标 准孔板与不同结构槽式孔板的静压、速度等参数的空间分布，比较标准孔 板和槽式孔板流量计对不同上游流体分布的响应，计算结果表明槽式孔板 与标准孔板相比显示良好的响应特性。论文分析了具有不同槽长、槽宽、 槽孔形状、槽孑l 位置、槽板厚度和不同入口分布的槽式孔板盘对上游流体 的响应特性，进而优化槽式孔板的结构。计算过程中使用空气水两相流 作为被测介质，在不同的雷诺数下，改变上游气体的质量分数，分析它对 槽式孔板差压和流量系数的影响，摸索槽式孔板的结构参数对测量信号的 影响、对两相流流动结构的影响等规律，最终为槽式孔板的结构设计提供 依据。本文对槽式孔板流量计结构的设计及优化有助于进一步提高两相流 测量的精确度。 关键词：凝析天然气，流量计，槽式孔板，f l u e n t s t r u c t u r a ld e s i g no ft h es l o t t e do r i f i c eu s i n gc f d s u nj i n g ( s i g n a la n di n f o r m m i o np r o c e s s i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rz h e n gj i n w u ，a s s o c i a t ep r o f e s m rg e n gy a n f e n g a b s t r a e t i no r d e rt oe n h a n c et h ea c c u r a c yo fw e tg a sm e a s u r e m e m ，an e wt y p eo f d i 能r e n t i a lp r e s s u r em e t e rh a sd e v e l o p e da san o v e lr e p l a c e m e mf o rt h e s t a n d a r dp l a t ei na l lo r i f i c ef l o wm e t e r w i t ht h eh e l po fc o m p u t a t i o n a lf l u i d d y n a m i c s ( c f d ) t e c h n o l o g y ，t h es t a t i cp r e s s u r e ，v e l o c i t yc o n t o u r sa c f o s st h e s t a n d a r do r i f i c ef l o wm e t e ra n dt h es l o t t e do r i f i c ef l o wm e t e rh a v eb e e n c o m p a r e da n da n a l y z e d t h es l o t t e dp l a t ef l o wm e t e ri sb e t t e ri np e r f o r m a n c e a n da c c u r a c yt h a nt h es t a n d a r do r i f i c ep l a t ef l o wm e t e ra sa l es h o w nb yt h e r e s u l t ss h o w l a t e r , a n a l y s i si sp e r f o r m e do nt h er e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c so f s l o t t e do r i f i c ep l a t e si m p l e m e n t e dw i t hd i f f e r e n ts l o tw i d t h s ，s l o tl e n g t h s ，s l o t s h a p e s ，s l o tp l a c e m e n t s ，p l a t et h i c k n e s sa n ds l o ti n l e t t h er e s u l t sa l eu s e dt o o p t i m i z et h ed e s i g no fs l o t t e do r i f i c ep l a t e as l o t t e d o r i f i c ef l o wm e t e ri s s u b j e c t e dt oat w op h a s ef l o wc o n s i s t i n go fa i r a n dw a t e r a td i f f e r e n t r e y n o l d sn u m b e r , t h ee f f e c t s o f v a r y i n gu p s t r e a m c h a r a c t e r i s t i c so fa t w o p h a s ef l o wo nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e a c r o s st h es l o t t e d p l a t ea n dt h e c o e f f i c i e n to fs l o t t e do r i r i c ef l o wm e t e rw i l lb ee v a l u a t e d r u l e so fs e l e c t i n g d e s i g np a r a m e t e r sa l ef o u n dt op r o v i d ea t e c h n i c a lb a s i sf o rt h es l o t t e do r i f i c e s t r u c t u r a ld e s i g n t h ed e s i g na n dt h eo p t i m i z a t i o no nt h es t r u c t u r eo ft h e s l o t t e do r i f i c ef l o wm e t e rp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa l ev e r yh e l p f u lt oa c c u r a t e l y m e a s u r et h ef l o wr a t eo fat w o - p h a s ef l o w k e yw o r d s ：w e tg a s ，f l o wm e t e r ，s l o t t e do r i f i c e ，f l u e n t 独创性声明 本人声明所呈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，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国石油 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。 签名： 璋 司年，月才日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、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；学校可 以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、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) 学生签名： 导师签名： 垫：聋 卯 纱7 年j - 月) ，日 年r 月z - 3 - 日 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 1 研究背景及目的 第1 章前言 凝析天然气的测量是以气相为主，液相含率( 体积含率) 小于1 0 条件下的气液相流量测量。其计量可以看成是多相流计量的一个分支，它 通常指气体体积分数大于9 0 的气井产出物的计量。这种流体一般被认 为是气液两相流，它们的流型通常是环状流、雾状流或分层波浪流。 天然气的开采、集输和应用均需对其流量进行计量。当前，国家“十 五”能源开发规划、“西气东输”工程以及油气生产管理水平与国际接轨 等方面都对天然气资源的合理开发和利用提出了更高的要求。天然气的计 量处于天然气开发的最前端，人们对天然气流量的准确计量十分关心，因 为它对生产成本的核算、气井管理、操作决策的最优化等方面都具有直接 的参考价值，它直接关系到产品的质量、成本和经济效益。 传统的凝析天然气计量主要通过体积大、价格昂贵的分离器，将若干 口井产物集中到计量站，控制各井产物分时通过计量分离器，对分离后的 气相和液相分别进行单相计量。这种方法的缺点是生产流程复杂、造价高 并且是断续计量，并非实时的，而且气井产出物的成分发生变化以后，以 前设计的计量分离器装置计量的精度就会明显的下降，要达到较高的精度 就必须重新设计计量分离器，而计量分离器的造价高、工艺复杂，如果要 跟踪测量液体的变化，就需要人为的干预，显然这样做会提高成本、浪费 时间”1 。要解决这个问题我们就必须采用在线多相流量计对每口气井进行 计量，它对多相流中油、水和气各相的进行不分离计量，这样能够及时地 得到气液流量。 1 8 0 0 年起，孔板流量计广泛用于对流体流量的测量，它结构简单、 安装容易、性能可靠、耐用，价格低廉而且维护方便，主要用于天然气和 石油工业，成为主流的测量设备。1 。然而每年由于孔板流量计的计量误差 而产生的花费相当大，因此开发低价格、高准确性的现有流量计的替代品 很有必要。理想的替代品应该具有以下特点：成本和维护费用低，升级时 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 硬件和软件修改量小，流量误差在5 范围内，总水头损失较低。当前， 在流体计量工业，可以使用的流量计种类如下：涡轮流量计、超声波流量 计和最近使用最多的v - c o n e 差压流量计。这三种流量计与孔板相比都 在准确性和水头损失等方面做了改进，但考虑到成本、维护费用和升级改 进，它们均不够理想。因此为了提高经济效益开发一个新型流量计十分必 要。 1 2 多相计量技术简介 1 2 1 产生背景 国外的多相计量技术被是为了适应欧洲北海地区油田开发的需要而 产生和发展起来的。进入8 0 年代，该地区的主要油田包括f o r t i e s 和b r e n t 的产量开始逐渐下降，于是操作者考虑利用已有的生产处理平台来降低操 作费用。这样，一些较小的卫星油田被“捆绑”到已有的永久性平台上， 而在早些时候孤立地开发这些油田是不经济的。大量的卫星油田，虽然它 们的原油物性、含水率和含气率各异，但都要通过早年为单井生产模式设 计的处理平台来进行生产，而且，含水率和含气率开始上升，这种情况进 一步加剧了生产矛盾。因此，操作者对于操作方式更加灵活方便的多相流 技术的需求日益迫切。对于已有的平台，这种新技术可以提高生产处理的 灵活性；对于新建造的平台，可以彻底取消体积庞大、造价昂贵的处理平 台。 8 0 年代末和9 0 年代初，随着我国陆上石油开发重点向西部转移，塔 里木盆地等地区的沙漠油田开始大规模的开发。在塔克拉玛干大沙漠的腹 地和边缘地区，由于自然环境条件极其恶劣，地面生产设施的建造、运行 和维护等费用都非常昂贵。在内陆油田造价仅数十万元人民币的单井计量 站，在该地区却高达数百万元人民币。在这种情况下，造价低廉、操作方 便的多相计量技术成为取代计量站、大幅度削减操作人员的理想选择。我 国多相计量技术的开发和应用正是在这样的背景下兴起和发展的0 1 。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 1 2 2 基本原理和测量技术 现在的多相计量技术主要是通过测量各相的相分率，通过相分率得到 各相所占的管道截面的面积，然后测量出流体的流速，流速和各相面积的 乘积给出各相在实际状态下的体积流量，再利用温度和压力的测量值计算 出各相在实际状态下的密度，各相的体积流量和密度的乘积给出各相的质 量流量，这就是多相计量的基本原理。多相计量中的测量技术主要包括两 个方面：一方面是流速或总流量的测量技术；另一方面是相分率的测量技 术。相分率的测量主要使用伽马射线传感器、电容传感器、电导电感传 感器、微波相分率传感器等，流速和总流量的测量采用互相关测量技术、 文丘里流量计和正排量流量计等。1 。 1 2 3 多相流量计在技术上的优点 多相流量计的优点有：可以连续监测和计量；可以省去测试分离器、 计量管线、管汇和阀组；由于其连续的、在线的计量方式，总的测量精度 和测量代表性优于测试分离器；在海洋平台上减少油井计量所需的空间和 质量；允许新开发的油井捆绑到现有的平台上，并可以将现有的计量分离 器改作生产分离器使用；减少测量油井的时间和费用；提供更加实时的信 息，改善油藏管理。在海洋、沙漠和极地等自然条件恶劣的地区油田，多 相流量计与基于测试分离器的油井计量设施相比在经济上具有较大优势。 它正在成为新油田开发中首选的油井计量技术，主要用于油井计量和生产 优化。虽然目前它的测量精度还未达到分配计量的要求，有待于进一步发 展，但未来的应用前景却十分广阔”1 。 1 3 槽式孑l 板的背景 槽式孔板的想法是由t e x a sa & m 大学化学工程系的k e n n e t hh a l l 和 j a m e sh o l s t e 博士提出的。开始他们的目的是设计一个流体分离器，将管 线中的流体分成不同的分支，由此产生了将它作为流体调节器或流量计的 想法。t e x a sa & m 大学机械工程系的m o r r i s o n 博士将槽式孔板盘做为流 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 体调节器进行了数字和实验研究。槽式孔板是用一系列径向分布的槽孔来 取代标准孔板中心的圆孔。他发现使用槽式孔板作为节流流量计，与标准 孔板相比，具有更小的压力损失而且对上游流体条件更不敏感，显示了良 好的操作特性“1 。 本文主要是利用f l u e n t 软件对各种结构的槽式孔板特性进行分 析，进而选择最优的槽式孔板的结构。 1 4 c f d 简介 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 是通过 计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象 的系统所作的分析。c f d 的基本思想可以归结为：把原来在时间域及空 间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上 的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上 场变量之间关系的代数方程，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。 c f d 可以看做是在流动基本方程( 质量守恒方程、动量守恒方程、 能量守恒方程) 控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，我们可以 得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基础物理量( 如速度、压力、温 度、浓度等) 的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定旋涡分布 特性、水力损失和效率等。此外，与c a d 联合还可进行结构优化设计等。 c f d 的优点是实用性强、应用面广。首先，流体力学的方程一般是 非线性的，自变量多，计算域的几何形状和边界条件复杂，而c f d 方法 则有可能找出满足工程需要的数值解。其次，可利用计算机进行各种数值 试验，例如选择不同流动参数进行物理方程中各项有效性和敏感性试验， 从而进行方案比较。再者，它不受物理模型和试验模型的限制，省钱省时， 具有较多的灵活性，能给出详细和完整的资料，很容易模拟特殊尺寸、高 温、有毒、易燃等真实条件和试验中只能接近而无法达到的理想条件。 c f d 也具有一定的局限性。首先，数值解法是一种离散近似的计算 方法，依赖于物理上合理、数学上适用、适用于在计算机上进行计算的离 散的有限数学模型，且最终结果不能提供任何形式的解析表达式，只是有 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 限个离散点上的数值解，并有一定的计算误差。第二，它不像物理模型试 验一开始就能给出流动现象并定性地描述，往往需要由原始观测或物理模 型试验提供某些流动参数，并需要对建立的数学模型进行验证。第三，程 序的编制及资料的收集整理与正确应用，在很大程度上依赖于经验与技 巧。此外，因数值处理方法等原因有可能导致计算结果的不真实，例如产 生数值粘性和频散等伪物理效应。当然，某些缺点或局限性可以通过某种 方式克服或弥补。 自1 9 8 1 年以来，出现了如p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 、f i d i p 、 f u j e n t 等多个商用c f d 软件，这些软件的显著特点是： 功能比较全面、适用性强，几乎可以求解工程界的各种复杂问题。 具有比较易用的前后处理系统和与其他c a d 及c f d 软件的接口能 力，便于用户快速完成造型、网格划分等工作。同时，还可以让用户扩展 自己的开发模块。 具有比较完备的容错机制和操作界面，稳定性高。 可在多种计算机、多种操作系统，包括并行环境下运行。 随着计算机技术的快速发展，这些商用软件在工程界正发挥着越来越 大的作用0 1 。 1 5f l u e n t 简介 本文计算所用的软件是目前国内外常用的流体力学计算软件 f l u e n t 。该软件由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出，是继p h o e n i c s 软件之后的第二个投放市场的基于有限容积法的软件。它包含结构化及非 结构化网格两个版本。在结构化网格版本中有适体坐标的前处理软件，同 时也可以纳入p a t r a n ，a n s y s ，i - d e a s 及i c e m c f d 等专门生成网格 的软件。速度与压力耦合采用同位网格上的s i m p l e c 算法。对流项差分 格式纳入了一阶迎风、中心差分以及q u i c k 等格式。代数方程求解可以 采用多重网格及最小残差法。湍流模型有标准k 一模型、r n g k 一模型 及雷诺压力模型等，在辐射换热计算方面纳入了射线跟踪法。可以计算的 物理问题类型有：定常与非定常流动、不可压缩与可压缩流动、含有粒子、 中国石油大学( 华东) 硕士论文第1 章前言 液滴蒸发及燃烧的过程以及多组分介质的化学反应过程等。在其非结构化 网格的版本中采用控制容积有限元方法( c v f e m ) ，该方法采用类似于 控制容积积分方法来离散方程，因而可以保证数值计算结果的守恒特性， 同时采用了非结构网格上的多重网格方法求解代数方程。1 9 9 8 年 f l u e n t 公司推出了自己研制的新的前处理网格生成软件g a m b i t ，并 将f l u e n 删s 与r a m p a n t 合并为f l u e n t 5 “1 。 对于每一种物理问题的流动特点，f l u e n t 具有多种求解方法可供 选择，主要有基于压力修正的非耦合求解算法和耦合求解算法，包括 s i m p l e 、s i m p l e c 和p i s o 等。离散格式有对流项一阶迎风格式、幂律 格式、二阶迎风格式和q u i c k 格式以及p r e s t o 线性插值、二次插值和 体积力加权插值的压力插值格式。并采用v 形、w 形、f 形和拐折循环 求解线性代数多重网格方程。 由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而f l u e n t 能 达到最佳的收敛精度。它又是基于完全并行平台的计算工具，既可应用在 超级并行计算机上，又可实现高速网络的分布式并行计算，大大增强了计 算能力，具有广阔的应用前景”】。 本论文计算所用的是f l u e n t 6 0 版本，该版本与以前的f l u e n t 版 本相比，又增加了一些新特点：在处理器方面，非稳态计算增加了自适应 时间步长功能，可以在计算非稳态流动时改变时间步长的长短；所有非稳 态计算都可以对其数据进行统计分析；增加了p r e s t o 算法，用来计算 三角形、四面体形、混合型网格。在计算模型方面，f l u e n t 6 0 增加了 混合平板模型，流体通过混合平板时可以在质量守恒和紊流守恒之间选择 守恒公式；k g 紊流模型新增剪切修正和非稳态流动两种修正方法，改 进了紊流计算中壁函数所包含的增强壁面函数法，规范紊流模型和亚规格 粘度求法；热传递的计算方面，无中间介质的辐射模型里增加了面面辐射 模型；而在物质运移、反应和燃烧类计算模型中，有限化学反应速度模型 ( g e n e r a lf i n i t e r a t ec h e m i s t r y ) 增加了用于计算紊流化学反应的e d c ( e d d yd i s s i p a t i o nc o n c e p t ) 模型，预混燃烧和非预混燃烧模型可用来计 算可压缩流体，p d f 预处理过程中改进了p d f 产生表格。另外，多相流 中国石油大学( 华东) 硕士论文第l 章前言 模型中，v o f 模型新增加了考虑辐射在内的热传递、可压缩流动、多种 参考坐标相互兼容，可模拟溶解和固化问题的相关计算。混合物模型计算 介质增加到n 种，同样在热传递中考虑了辐射换热，可计算可压缩流动， 还可模拟各相均匀的多相流流动。e u l e r i a n 模型增加了滑移网格和多种参 考坐标系的兼容性，气一固、液一固、气一液固流动问题中增加了颗粒度理 论的计算，相间耦合计算方程增加了动量计算公式。除此之外，边界条件、 物质特性、网格处理、并行计算、图形后处理和总结，以及数据的输入输 出等方面都比以前的f l u e n t 版本得到了改进。 g a m b i t 软件是面向c f d 的前处理器软件( 几何体网格生成) ，借 助功能灵活，完全集成和易于操作的界面，g a m b i t 可以显著减少c f d 应用中的前置处理时间。复杂的模型可直接采用g a m b i t 生成几何模块， 或由c a d c a e 构型系统输入。g a m b i t 根据几何形状及c f d 计算可生 成结构化、非结构化、多块或混合网格。包括以下五种网格划分方法：映 射方法、子映射方法、c o o p e r 方法、t g n a 方法、混合网格。对于二维流 动，可以生成三角形和矩形网格，对于三维流动，则可以生成四面体、六 面体、三角柱和金字塔等网格，对于复杂几何体，可以生成混合网格并且 可对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。 值得注意的是c f d 计算对壁面处的计算网格有特殊的要求：一是考 虑到近壁粘性效应需采用较密的贴体网格；二是网格的疏密程度要与流场 参数的变化梯度大体一致。利用g a m b i t 软件可以设置给定边或壁面处 的边界层网格，从而划分出高质量的贴体网格，解决了这个特殊要求。 本文的后处理软件采用的是t e c p l o t ，它是a m t e e 公司推出的一个功 能强大的科学汇图软件，对于进行数值模拟、数据分析和测试是理想的工 具。作为功能强大的数据显示工具，t e c p l o t 通过绘制x y ，2 - d 和3 d 数 据图以显示工程和科学数据。它提供了丰富的绘图格式，包括x y 曲线图， 多种格式的2 d 和3 d 面绘图，和3 一d 体绘图格式。而且针对于f l u e n t 软件有专门的数据接口，可以直接读入g a s 和d a t 文件，也可以在 f l u e n t 软件中选择输出的面和变量，然后直接输出t e c p l o t 格式文档。 随着功能的扩展和完善，在工程和科学研究中t e c p l o t 的应用日益广泛， 中国石油大学( 华东) 硕士论文第】章前言 用户遍及航空航天、国防、汽车、石油等工业以及流体力学、传热学、地 球科学等科研机构“3 。 1 6 主要研究内容 ( 1 ) 创建几何模型和网格模型：研究节流元件的结构，对系统进行 抽象概括，找出计算域，使用g a m b i t 软件创建系统的几何模型，并选 择适当的网格拓扑结构。 ( 2 ) 选择计算模型：研究凝析天然气的流型和流动状态，根据其特 点选择恰当的计算模型。 ( 3 ) 设置材料特性、边界条件并初始化流场：掌握凝析天然气的流 动资料，设定各相的特性，输入准确、真实的边界条件与初始条件，并考 虑分析各种因素，选择求解方式及运行环境，使求解过程更快速地收敛。 ( 4 ) 后处理：利用其他一些软件，对f l u e n t 计算的结果进行后处 理。 ( 5 ) 分析结果：根据仿真结果确定评价标准，选择最优的槽式孔板， 优化传感器的结构。 1 7 本章小结 这一章主要介绍了本课题的来源与课题研究的意义，课题主要研究槽 式孔板结构参数的选择。本章还简单介绍了研究过程中采用的关键技术一 一多相计量技术，概述本课题所采用的c f d 工具软件f l u e n t 及槽式 孔板的背景和发展现状，在此基础上确定了课题的主要研究内容。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 第2 章流量计结构及原理 针对目前国内外研制的各种凝析天然气流量计计量的准确度低、造价 昂贵、现场应用水平低等缺点，研制一种适合于凝析气藏的在线流量计。 依托现有的成熟的流量测量技术，课题方案选择了目前使用最为广泛的差 压式流量计，传统的差压式流量计一般是指测量单相流体的差压式流量 计，其技术已相当成熟，测量精度高，有大量的经验和数据可以参考，并 且已具备一套完整的流量测量理论。凝析气属于多相流动的范畴，其流动 特性比较复杂，标准孔板由于气液分离、液体堵塞等现象，两相流测量精 度低、波动大。对其进行改进，提出新的检测方法，以实现对凝析气各相 流量的准确测量。 2 1差压式流量计及其使用研究 差压式流量计又可称为节流式流量计，其操作原理是在管线中安装一 个阻流器，则阻流器附近沿管线方向会产生压力变化。流体在流动过程中， 一定条件下，流体的动能和静压能( 压力能) 可以相互转换，并可以利用 这种转换关系来测量流体的流量。例如在管道中安装阻力件，流体通过阻 力件所在的截面时，由于流通面积突然缩小，促使流束产生局部收缩，流 速加快，静压力下降，因而在阻力件前后产生压力差( 简称差压) 。可以 通过测量出的差压的大小，按一定的函数关系，计算出流量值。我们所测 量的流体是在管内流动的流体，实验研究表明，管内流动的流体存在两种 状态：层流状态和紊流状态。层流状态下流体只有轴向的运动，而紊流状 态下流体还有径向的运动。在层流流动状态下，流量与差压成正比；在紊 流流动状态下，流量与差压开方成正比。在流量测量仪表中，一般称管道 中安装的阻力件为节流件，并称节流件和取出差压信号的整个装置为节流 装置，节流式流量计由四个部分组成：( 1 ) 将被测流体的流量信号转换成 差压信号的节流装置，其中包括节流件、取压装置和测量所需要的直管段； ( 2 ) 传送差压信号的引压管路；( 3 ) 测量差压信号的差压变送器；( 4 ) 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 二次仪表，完成流量的计算与显示。节流件是节流式流量计中的核心部件， 节流件的类型较多，严格的说，在管道中装入任何的节流件都能产生节流 作用，并且节流件前后两侧的差压与流体的流量都会有相应的关系，但是， 它们并不都是可以找到差压与流量之间稳定的关系，只有差压与流量之间 存在着稳定的关系，并且重复性好，适于应用的节流件才有实用价值。目 前应用较多的节流件主要有：孔板、喷嘴、文丘里管和文丘里喷嘴等，其 中孔板的n i 难度最小，文丘里管加工难度大，但测量精度高0 3 。 为了保证测量结果的准确性，国内外相继制定了一系列的标准，使某 些节流装置用于流量测量时能够标准化，以方便使用。国际化标准组织 ( i s o ) 分别于1 9 6 7 年和1 9 6 8 年制定出i s 0 瓜5 4 1 和i s o h l7 8 1 ，在国际 上将几种类型的节流装置标准化。1 9 8 0 年又制定了i s o5 1 6 7 。我国于1 9 9 3 年出版了流量测量节流装置的国家标准g b 厂r2 6 2 4 9 3 ，以下简称为“标 准”。 下面对各组成部分进行简要介绍“”： ( 1 ) 国家标准规定的标准节流元件主要有：标准孔板、i s a l 9 3 2 喷 嘴、长径喷嘴、经典文丘里管和文丘里喷嘴。孔板式流量计是差压式流量 计中应用最广泛的一种类型，孔板的加工在节流件中较为简单，技术也相 当成熟，只要加工达到标准所规定的技术指标，就可以得到好的测量效果； 目前使用较多的两种取压法是角接取压法和法兰取压法，取压装置是差压 式流量计的一个重要的组成部分，其设计和选择的不同极大的影响着差压 测量的准确性，进而影响到流量测量的准确性。 ( 2 ) 为了利用流量基本方程进行流量计算，必须要使得流体处于典 型的紊流速度分布条件下，并在到达节流件前充分发展，这些是靠节流件 前后的测量直管段来保证的。一般情况下，节流装置应具备上游直管段的 长度为1 0 d ，下游直管段的长度为5 d 。在不同的管道配备条件下，上下 游直管段分别由不同的要求。 ( 3 ) 敷设信号管路的总原则是应该使所传送的差压信号不因管路而 发生额外误差，而且能保证节流装置的安全运行；变送器是将差压、压力、 温度信号转换为电信号的仪表。 0 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 2 2 孔板流量计 孑l 板流量计在2 0 世纪初用于天然气流量测量，经过一个世纪漫长的 发展过程，它已成为全世界最主要的天然气流量计。 标准孔板主要由一块具有与管道轴线同心的圆形开孔的金属薄板构 成。它的入口边是平的，出口边是倾斜的。标准孔板是旋转对称的，上游 侧孔板端面上任意两点间连线应垂直于轴线。假设管流已经完全发展，靠 近管壁的流体产生径向动量来克服孔板的固体部分，从而通过孔板。沿着 管中心的上游流体和拥有径向动量的靠近管壁的流体结合，继续加速流 动。当流体到达孔板盘的下游面时，流体分离，在靠近盘的下游面产生再 流通区域。流体流过孔板的截面在孔板下游的某点达到最小值。该处称为 射流缩，它的特点是具有最小的喷射半径，它是由于流体穿过孑l 板所需要 的很大的向内的径向速度而产生的。该点之后，流体速度开始下降，而且 在下游侧发生重新附着。一旦流体已经附着管壁，流体速度变为主要是轴 向的速度，径向速度下降。 穿过孔板流体的质量流量由贝努力方程得出。流体假设是稳定、均匀、 无摩擦、不可压缩而且没有质量力。在孔板的上游侧选择点1 ，在束缩界 面位置选择点2 ，该处压力最小。贝努力方程写成： 旦+ 车+ g h ：墨+ 车+ 如( 2 - 1 ) p二pz 其中墨( 只) 和e ( 只) 是点1 和点2 的压力，k ( r e ，s ) 和( r e ，s ) 是分别是 点1 和点2 处流体的平均速度，h 。( m ) 和h 2 ( m ) 是点1 和点2 的垂直位 置，p ( 培m 3 ) 是流体的密度，g ( m s2 ) 是重力加速度。假设1 和点2 高 度相同，则： h l = h 2( 2 - 2 ) 使用连续性方程，穿过管子流体的质量流量为： m = p a l k = p a 2 f 2 3 1 其中m ( 培i s ) 是穿过管子流体的质量流量，a 。( m2 ) 和a ：( 埘2 ) 是点1 和点 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 2 截面积。联立方程( 2 1 ) 和( 2 3 ) 得： k = 代入方程( 2 3 ) 得： m = 剧l k = 2 ( 2 - 4 ) 1 2 p a p ( 2 - 5 ) 点2 的截面积面积很难测量，因此用孔板的截面来代替。这样产生了一个 修正因子c 。 孔径比定义为： 口= d o ： d p p ( 2 - 6 ) 其中是孔板的孔径比，a o 帆( 朋2 ) 是孔板部分的截面积，d 。( 研) 是孔 板的直径，d 。( 肌) 是管子的直径。流体在孔板处和点2 处的速度不同通 过引入另一个修正系数来修正，称为速度系数c ，。则方程( 2 5 ) 中的流量 公式可以写为： 肛e q 一班了号) 2 衅 q 刁 方程( 2 7 ) 进一步简化为： 一叫啦丽号) 2 衅 q 8 其中c 。称为孔板流量计的流量系数“。 2 2 1 流量系数的确定 流量系数。受许多因素的影响，从理论上很难对其进行准确计算， 一般是通过实验的方法来标定，全部结构方面的影响己包括在实验数据 内，很大程度上消除了各种因素对流量系数的影响，因此这种方法所得到 阵 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第2 章流量计结构及原理 的流出系数是比较准确的。 在进行流量系数c 。标定时，一般选择在气体或者液体流量标准装置 上进行实验。所谓流量标准装置是指可以向被测流量计输出标准气流量或 液流量的装置，待测流量计对输出流体进行测量获得测量参数，用于标定 流量系数c 。 将流量基本方程式( 2 8 ) 变换可得： c 。：等等竺 ( 2 - 9 ) o d2 7 = 【2 一功 s 兰d 20 2 p p 4 其中m 是通过标准流量计获得已知流量，而其它的参数、d 可以在实验 前测得，厶a p 、p 通过待测流量计的测量值获得。可以在不同的气量或 液量下进行多组实验，每组实验可以求得一个c 。值，最终可以获得在一 定流量范围内的流出系数。的平均值作为节流件的流出系数使用脚。 2 2 2 膨胀系数的确定 在测量可压缩流体的流量时，必须要获得可膨胀性系数的值。前人 所做的实验研究表明，喷嘴和文丘里管的可膨胀性系数理论公式与实验结 果基本一致，但对于孔板而言，由于流束收缩的最小截面的数值是未知的， 气体经过节流件的膨胀情况也与文丘里等不同，所以膨胀性系数不能通过 理论公式计算，而必须通过实验来确定，即对给定的节流装置利用可压缩 流体进行标定1 。目前国内外已经形成了一些用来计算可膨胀性系数的经 验公式，这些经验公式在一定条件下计算可膨胀性系数占是准确的，具有 较高的工程应用价值。 可膨胀性系数的经验公式按照节流装置的取压方式不同而变化，这里 给出孔板流量计角接环室取压和法兰取压的可膨胀性系数的经验公式。 角接环室取压方式下的可膨胀性系数的经验公式1 为： ，、 ”5 f = 1 一( o ，3 7 0 7 + 0 3 1 8 4 f 1 4 ) i1 - 1 丝r |( 2 - l o ) l ”j 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 其中p ：是孔板下游侧的压力，p 是孔板上游侧的压力，k 为绝热指数， 式( 2 - 1 0 ) 的适用范围为p 2 p 1 - 0 7 5 ，5 0 d 1 0 0 0 m m 及o 2 2 0 8 0 。 法兰取压方式下的可膨胀性系数的经验公式1 为： ：1 一( o 4 l + o 3 5 ) 竺( 2 1 1 ) 其中p 是孔板两侧的差压，p 是孔板上游侧的压力，k 为绝热指数，式 ( 2 1 1 ) 适用范围为p 2 p , o 7 5 ，5 0 d 7 5 0 m m 及o 1 0 兰0 7 5 。 目前，新的国家标准又给出了计算孔板可膨胀性系数的通用公式“”， 如下： 删一( 0 3 5 1 + 0 2 5 6 4 + 0 9 3 内( 一刳i 仁旧 其中为孔径比，p ：是孔板下游侧的压力，p ，是孔板上游侧的压力，k 为 绝热指数嘲。 2 2 3 流体密度的确定 这里所指的流体是可压缩流体( 例如空气) ，气体状态方程为 p v ：n r r ：m _ _ r t m 根据上式得到： ，”m p 矿r r ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 其中m 为气体的摩尔常数，p 为气体的压力，月为常数，7 1 为气体的绝 对温度。对空气而言，m = 2 8 9 7 6 5 6 1 ，r = 8 3 1 4 ，p 和r 通过测量获得。 至此确定了流量基本方程中的所有参数的计算和测量方法，通过这些 参数即可求得最终的流体流量。 2 3 槽式子l 板流量计 槽式孔板的结构如图2 1 所示“，选用槽式孔板的原因是上游流速分 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 布对v - c o n e 影响最小、槽式孔板次之、文丘里管最大；而加工要求 v - c o n e 最高、文丘里管次之、槽式孔板最低，综合考虑，选择槽式孔板 是合适的。 图2 1 槽式孔板结构图 槽式孔板在整个板盘横截面上均匀分布一些小孔，这就减少了液体穿 过障碍物所需的径向移动，从而产生了更低的径向压力梯度。与标准孔板 相比，它拥有更小的差压和再流通区域，更快的压力恢复，以及在相同流 场区域里与相同值的标准孔板相比，对上游扰动更低的敏感度。 g l m o r r i s o n 等人用单个槽式孔板实现空气水混合物的测量，发现了槽式 孔板良好的流量特性。他用动量二阶矩作为自由变量计算流量系数的变 化，如图2 2 所示“”。 一j 州“n 卿“ ，_ i b i - q ，t “ o j o3 6o 4 uj _憾0 。5 l s e e 口m d o r d m o 柚i l ln f 抽4 i t i i l l l l 图2 - 2 槽式孔板流量特性图 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 数据表明，槽式孔板流量计只需要非常短的上游管长，并且在没有流 体调节器时，准确性范围在o 2 5 以内。另外，与标准孔板相比，槽式孔 板的永久水头损失小于相同值的标准孔板。标准孔板的流量系数从基值 的变化范围为1 6 ，而槽式孔板变化仅为o ，2 5 。当上游存在涡流 时，标准孔板流量系数变化为3 5 ，而槽式孔板对涡流角到3 0 0 的流量系 数变化低于o 7 5 “”1 。 槽孔的总面积4 。为每个小孔的面积之和，槽式孔板的等效直径定 义为n 3 1 ： ：j 鳖 “ v万 槽式孔板的孔径比定义为 8 = d 卿| 。 d p i x ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 槽式孔板的孔隙度影响槽式孔板的特性，它定义为每圈槽孔的开口面积与 它们所在圆环的面积之比，即： 、，；h r i n g a r e a o , y i a 。l 。： 印删旷r i n g a r e a i2 蔬 ( 2 1 7 ) 其中n 是槽孔数量，和分别描述圆环内径和外径的径向距离。和，0 的 长度是槽式孔板盘中心和槽孔两头弧线中心的连线。 2 4 多相流及多相计量技术 2 4 1 多相流及两相流 相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理化学性质的 均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。多相流是指同时存在多种不 同相的物质流动。 本课题研究的对象是凝析天然气，凝析天然气中包含多种介质，因此 它的流动属于多相流的研究范畴，要用多相流的理论进行研究。可以将液 6 虿 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 态烃和水作为一相( 液相) 对待，从而将凝析天然气的流动归结为两相流 的流动。两相流是具有两种不同相的物质流动，是多相流的一个分支，是 多相流中最为广泛的研究领域“”。 2 4 2 多相流参数检测及多相计量技术 ( 1 ) 多相流参数检测“” 多相流动或两相流动比单相流动特性要复杂的多，由于相问存在着界 面效应和相对速度，致使参数检测的难度大。经过数十年的发展，单相流 参数检测技术己相当成熟，如何根据现有单相流参数检测技术进行多相流 参数的检测受到普遍重视的研究方向。多相流动是一种复杂的多变量随机 过程，随着随机过程理论和信号处理技术的不断完善，应用统计的方法和 过程辨识理论与技术，进行多相流参数估计己成为一个重要的研究方法。 ( 2 ) 多相计量技术 多相计量中存在着许多的技术困难，主要有： 1 ) 各成分并非均匀混合。各成分的流速不同。气相与液相以很不相 同的速率流动： 2 ) 混合异常。各成分混合时，其流动参数与物性参数难以确定，这 些参数对流量计输出都有影响。 3 ) 各成分之间的相互作用和转化。气体从溶液中逸出，或者被液体 吸收，蜡和水合物可以从流体中沉淀出来等等； 4 ) 流型的影响。可以出现非常复杂的流动形态，这取决于各成分之 间的相对速度、流体性质、管道形状以及流动方向等。 由于多相流存在上述的特点，对多相流做精确计量时，多相流的流动 复杂性将会对多相计量造成很大的影响。它在理论研究与现场实际应用当 中都会碰到许多问题需要解决。 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 2 4 3 两相流计量参数计算 在管线中，气体雷诺数定义为 r e a i r2 磊4 m a l r 死u 一“ ( 2 1 8 ) 其中m 。，是气体的质量流率，d p , p , ( m ) 是管子的内径，。，( k g m s ) 是气体的粘性。气体的质量流量由下式给出。“： m a t r = q , 0 0 ( 2 - 1 9 ) 其中见，( k g l m 3 ) 是气体的密度，q 0 ( 矾3 s ) 是气体的体积流量。 气体质量分数x ( q u a l i t y ) 是两相流很重要的一个概念，它反应气体 流量的变化。它定义为： x ：旦： 研舯 m m m mm o 口+ m * m r 这样，两相流的密度可以用下式计算 ( 2 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) 折算速度用来定义流型。气体折算速度是假设两相流中的气体单独穿 过管线，定义为： v s g a ，- - ，m 。g a s = p 阻s m 嘴 液相折算速度定义为 殆旷! ： 矾q a h q ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 气体体积分数( g v f ) 是气象占据管线体积的时间平均分数。在某个 位置气相体积流量为： 中国石油大学( 华东) 硕士论文第2 章流量计结构及原理 矿等 ( 2 _ 2 4 ) 在该位置，混合物的体积流量为： g ，h ：r a g , + m 1 4(