分流分相多相計(jì)量技術(shù).doc

畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 分流分相多相計(jì)量技術(shù) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專業(yè)班級(jí) 指導(dǎo)教師 摘 要 氣液兩相流廣泛存在于石油 化工 能源等許多工業(yè)領(lǐng)域 隨著工業(yè) 生產(chǎn)對(duì)計(jì)量 節(jié)能和控制等方面均提出了更高的要求 對(duì)兩相流參數(shù)進(jìn)行 測(cè)量的需求也越來(lái)越迫切 但由于氣液兩相流體流動(dòng)的復(fù)雜性 氣液兩相 流在計(jì)量和分配方面很久以來(lái)一直是一個(gè)未能很好解決的問(wèn)題 分流分相法是通過(guò)一種分配器從被測(cè)兩相流體中成比例地分流出一部 分 5 20 兩相流體并使用一小型分離器將其分離成單相氣體和單相液 體 然后分別用單相流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量的方法 本文的題目是 分流分相多 相計(jì)量技術(shù) 主要研究了了幾種分流分相式流量計(jì)的測(cè)量方法并通過(guò)實(shí)驗(yàn) 分析了管壁取樣分配器的不同工況下的分流系數(shù)特性 旋流型分配器取樣裝置由旋流器 整流器 分離器 計(jì)量設(shè)備等組成 本文結(jié)合試驗(yàn)研究了不同工況下旋流型管壁取樣分配器分流系數(shù)特性 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 分流分相 多相計(jì)量 分流系數(shù) ABSTRACT Gas liquid two phase flow has its extensive existence in a variety of industries including petroleum chemical energy etc As more requirements have been presented in metering energy saving and control by industrial production there has been an increasing demand of parameters measurement of two phase flow Metering and distributing of gas liquid two phase flow has been a problem due to complexity of two phase flow The detail of the Extracting and Separating Method is that first proportionally extracting a stream of gas liquid mixture 5 20 from the two phase flow to be measured with a distributor then separating it into single phase gas and liquid with a small separator after that measuring each phase with conventional single phase flow meters The subject of this paper is Multiphase Flow Metering of Extracting and Separating Technology which studies the methods of several multiphase flow meters based on extracting and separating method Besides this paper analyzes the extraction ratio properties of the swirled sampler along the circumference The swirled sampler is consist of swirler rectifier separator metering device etc This paper studies the extraction ratio properties of the swirled sampler with combination of experiment Keywords Extracting and Separating Multiphase Flow Metering extraction ratio 目錄 第 1 章 緒論 1 1 1 課題研究的意義 1 1 2 多相流體流量測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展 2 1 2 1 不分離法 2 1 2 2 完全分離法 3 1 2 3 部分分離法 4 1 2 4 分流分相法 4 1 3 主要研究?jī)?nèi)容 4 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 6 2 1 分流分相兩相流量計(jì)工作原理 6 2 2 分流分相式流量計(jì) 7 2 2 1 三通管型分流分相式兩相流體流量計(jì) 7 2 2 2 取樣管型分流分相式兩相流體流量計(jì) 10 2 2 3 鼓型分流分相式兩相流體流量計(jì) 11 2 2 4 轉(zhuǎn)輪型分流分相式兩相流體流量計(jì) 12 2 2 5 旋流型分流分相式兩相流體流量計(jì) 13 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 16 3 1 旋流型管壁取樣多相流量計(jì)結(jié)構(gòu) 16 3 1 1 旋流型罐壁取樣分配器 16 3 1 2 取樣孔結(jié)構(gòu) 16 3 1 3 旋流葉片結(jié)構(gòu) 17 3 2 分流系數(shù)特性分析 18 3 2 1 液相分流系數(shù) 18 3 2 2 氣相分離系數(shù) 19 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 22 4 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 22 4 1 1 實(shí)驗(yàn)環(huán)道 22 4 2 主要實(shí)驗(yàn)裝置 23 4 3 實(shí)驗(yàn)方法 24 4 4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 25 4 5 小結(jié) 26 第 5 章實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析 27 5 1 分流系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 27 5 1 1 液相分流系數(shù)特性分析 27 5 1 2 氣相分流系數(shù)特性分析 28 5 2 小結(jié) 29 第 6 章 總結(jié) 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 32 第 1 章 緒論 1 第 1 章 緒論 1 1 課題研究的意義 多相流動(dòng)是一種復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象 廣泛存在于能源工業(yè)的許多領(lǐng)域 遍布于化工 冶金 能源 環(huán)保 輕工和軍工等領(lǐng)域 1 隨著工業(yè)生產(chǎn)對(duì) 計(jì)量 節(jié)能和控制等方面提出了更高的要求 對(duì)多相流參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的需 求也越來(lái)越迫切 多相流的計(jì)量對(duì)于在油井監(jiān)測(cè) 油藏管理 配產(chǎn)和過(guò)程 控制以及海底衛(wèi)星油田開(kāi)發(fā)工程中 精確的測(cè)量未分離油井物流量的應(yīng)用 等也至關(guān)重要 2 在多相流計(jì)量中 關(guān)于氣液兩相流的分配和計(jì)量問(wèn)題一 直是難以回避 也是多相流系統(tǒng)中未能很好解決一個(gè)難題 與單相流相比 兩相流的一個(gè)顯著特征就是流動(dòng)具有強(qiáng)烈的波動(dòng)性 即氣液兩相在管道截面上的分布形式即流型隨著氣液相流量在不斷變化 工作在兩相流體中的儀表輸出信號(hào)受流型等參數(shù)的影響 波動(dòng)性大 測(cè)量 精度低 分流分相計(jì)量方法為解決這一測(cè)量難題提供了希望 3 分流分相 計(jì)量方法通過(guò)成比例的從兩相流體中分流出小部分的兩相混合物 將其分 離成單相流體后 應(yīng)用單相流量計(jì)測(cè)量出各相流量的大小 然后根據(jù)比例 關(guān)系確定被測(cè)兩相流體各相總流量 分流取樣法可以用體積比較小的裝置 測(cè)量多相流體的各相流量和總流量 且計(jì)量精度不受流體波動(dòng)的影響 能 在很大流型范圍內(nèi)工作 4 應(yīng)用分流分相計(jì)量方法進(jìn)行流量測(cè)量的關(guān)鍵是 要保證分流出的分流體與被測(cè)兩相流體之間保持穩(wěn)定和確定的關(guān)系 而這 一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)在于構(gòu)造合適的分配器 根據(jù)此方法從而提出了一種旋流性 分流取樣的多相流量計(jì)量方法 其原理是通過(guò)管壁取樣孔從主管待測(cè)多相 流體中分流出一小部分多相混合物 通過(guò)小型單相流量計(jì)測(cè)量出各相流量 的大小 然后根據(jù)分流體與被測(cè)兩相流體間比例確定被測(cè)兩相流體各相總 流量 由于進(jìn)行了取樣分流同時(shí)又進(jìn)行了分相 在提高測(cè)量精度的同時(shí) 第 1 章 緒論 2 大大縮小了介質(zhì)的工作環(huán)境 測(cè)量精度不受多相流流動(dòng)的影響 測(cè)量精度 高 整個(gè)裝置具有體積小 精度高的優(yōu)點(diǎn) 本章首先簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外多相流量計(jì)量的研究現(xiàn)狀及各種測(cè)量方法 的優(yōu)缺點(diǎn) 在此基礎(chǔ)上分析了分流分相計(jì)量方法的特點(diǎn) 1 2 多相流體流量測(cè)量技術(shù)研究進(jìn)展 近年來(lái)隨著石油價(jià)格上漲 能源緊缺問(wèn)題日益突出 各國(guó)都在加大對(duì) 海上和沙漠油氣田的開(kāi)發(fā) 對(duì)多相流體的計(jì)量需求也更加迫切 多相流量 計(jì)的需求增長(zhǎng)速度很快 見(jiàn)圖1 1 圖 1 1 多相流量計(jì)安裝的增長(zhǎng)速率 Falcone 3 Alvaro 6 Hewitt 7 林宗虎 8 Thorn 9 王棟 10 等人總結(jié) 了近20年來(lái)多相流測(cè)量技術(shù)的發(fā)展情況 同時(shí)還出現(xiàn)了一些新的技術(shù) 多相流量測(cè)量方法按照是否分離以及分離的程度一般可分 4 種 不分 離 完全分離 部分分離 以及分流分相方法 1 2 1 不分離法 采用不分離法在線測(cè)量多相流各相流量必須獲得各分相的速度和截面 份額 如果各分相流體混合均勻 氣液相速度將基本相同 從而大大降低 第 1 章 緒論 3 了測(cè)量的難度 應(yīng)用這種均勻化處理的測(cè)量方法主要為節(jié)流式測(cè)量方法 常采用兩種節(jié)流裝置進(jìn)行組合測(cè)量 11 12 近年來(lái)又出現(xiàn)了利用單個(gè)節(jié)流原 件由差壓信號(hào)的波動(dòng)特征同時(shí)獲得兩相流流量和質(zhì)量含氣率的新方法 13 14 節(jié)流式方法的缺點(diǎn)是阻力損失較大 測(cè)量范圍有限 而且受流型影響較大 核技術(shù)以及成像技術(shù)的發(fā)展使直接測(cè)量多相流體截面相分率和各相速 度成為可能 成像方法測(cè)量多相流流量具有不接觸流體 對(duì)流動(dòng)無(wú)干擾 無(wú)阻力損失的特點(diǎn) 主要有 CT 成像方法 包括電容成像 15 電導(dǎo)成像 16 熱中子成像 17 核磁共振成像等 18 高速攝影方法 以及伽瑪射線技術(shù) 與常規(guī)流量計(jì)組合測(cè)量方法 19 20 等 但目前這種直接測(cè)量方法還很不成熟 如成像方法目前還很難直接測(cè)出多相流體各相流速 只能通過(guò)相關(guān)方法間 接測(cè)量 對(duì)于分層和環(huán)狀流這種流動(dòng)平穩(wěn)的多相流型 相關(guān)測(cè)速方法誤差 很大 另外 盡管核磁共振方法能夠給出流體在通道內(nèi)各組分的三維分布 圖像 但由于氣體對(duì)核磁共振測(cè)量方法來(lái)說(shuō)相當(dāng)于透明體 不能直接測(cè)量 氣相的流速和體積流量 而高速攝影法由于只能從側(cè)面進(jìn)行圖像采集 不 能直接測(cè)量截面各相分布 采用放射性元素的測(cè)量方法對(duì)流體介質(zhì)物性非 常敏感 測(cè)量精度與流型有關(guān) 放射性物質(zhì)容易對(duì)人體和環(huán)境產(chǎn)生威脅 近年來(lái)還出現(xiàn)了利用真實(shí)質(zhì)量流量計(jì)直接測(cè)量多相流體的質(zhì)量流量的 報(bào)道 21 對(duì)液 液流動(dòng)以及低含氣多相流動(dòng)取得了一定的進(jìn)展 但質(zhì)量流量 計(jì)流動(dòng)阻力損失大 流型和各相組成對(duì)測(cè)量精度有影響 1 2 2 完全分離法 完全分離法是應(yīng)用分離設(shè)備將氣液混合物分離成單相氣體和單相液體 后 再通過(guò)普通單相流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量 把兩相流量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為單相流量 測(cè)量 具有工作可靠 測(cè)量精度高 測(cè)量范圍寬且不受氣液兩相流流型變 化影響等優(yōu)點(diǎn) GLCC 就是今年來(lái)出現(xiàn)的用于多相流體分離和流量測(cè)量的 處理系統(tǒng) 22 23 為了保證分離效果 分離器的直徑通常必須達(dá)到管道直徑 第 1 章 緒論 4 的 5 10 倍以上 壁厚也至少是管道壁厚的 5 10 倍 24 因此完全分離方法 最大的缺點(diǎn)是分離設(shè)備體積龐大 價(jià)格昂貴 并需要建立專門(mén)的計(jì)量站和 測(cè)試管線 在很大程度上增加了油田的開(kāi)發(fā)成本 1 2 3 部分分離法 部分分離方法 25 的原理是 首先采用預(yù)分離裝置將氣液兩相分離成以 氣相為主 高含氣率 和以液相為主 高含液率 的兩股流體 然后再利 用較成熟的兩相流儀表分別測(cè)量 最后將兩股流體重新混和 該方法縮小 了流過(guò)測(cè)量?jī)x表的兩相流組分變化范圍 同時(shí)也降低了流動(dòng)的不穩(wěn)定性和 測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)性 這雖然在一定程度上縮小了計(jì)量分離器的體積 并降 低了兩相流測(cè)量的難度 但因未能將氣液混合物完全分離 故實(shí)際上對(duì)提 高測(cè)量精度的作用是有限的 10 1 2 4 分流分相法 分流分相技術(shù)測(cè)量多相流體的方法 簡(jiǎn)稱分流分相法是近年來(lái)出現(xiàn)的 一種新型多相流體流量測(cè)量方法 這種方法可以用來(lái)測(cè)量單相流體流量 也可以用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔黧w流量和相分率 還可以推廣到油氣水三相流量測(cè) 量中去 在兩相流量測(cè)量中 由于進(jìn)行了分相 流量測(cè)量?jī)x表都工作在單 相環(huán)境中 測(cè)量結(jié)果不受流型波動(dòng)的影響 在波浪流 段塞流 環(huán)狀流型 下均取得了較好的結(jié)果 能夠在寬廣的流型范圍下工作 分流分相方法在兩相流體流量測(cè)量中有很大的優(yōu)勢(shì) 用于完成流體分 配的分配器是分流分相式兩相流量計(jì)最核心的部件 分配器的結(jié)構(gòu)直接關(guān) 系到多相流量測(cè)量的精度以及所適用的范圍 為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的分流比和適 應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)中惡劣的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境 分配器的結(jié)構(gòu)也需要進(jìn)行不斷完善和改進(jìn) 王棟構(gòu)造了4種不同結(jié)構(gòu)的分配器 即三通管型 取樣管型 轉(zhuǎn)鼓型以及旋 流型分配器 這四種分配器能夠很好的得到穩(wěn)定的分流比 并且在實(shí)驗(yàn)研 究中取得了較高的精確度和可靠性 第 1 章 緒論 5 1 3 主要研究?jī)?nèi)容 本文是在以往研究的基礎(chǔ)上 分析研究了幾種分流分相式流量計(jì)的測(cè) 量原理和特點(diǎn) 并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究分析了取樣分配器氣液分流系數(shù)的變化 規(guī)律及影響因素 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 6 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 2 1 分流分相兩相流量計(jì)工作原理 4 6 3 2 1 5 7 圖2 1 分流分相式流量計(jì)原理圖 1 主管道 2 兩相分配器 3 分流體回路 4 分離器 5 液體流量計(jì) 6 氣體流量計(jì) 7 主流體回路 分流分相技術(shù)測(cè)量多相流體的方法簡(jiǎn)稱分流分相法 3 4 10 是近年來(lái)出 現(xiàn)的一種新型多相流體流量測(cè)量方法 圖 2 1 是分流分相法的原理圖 在 分流分相式兩相流體流量計(jì)中 被測(cè)兩相流體流經(jīng)分配器時(shí)被分成兩部分 一部分沿原通道繼續(xù)向下游流動(dòng) 稱這部分流體為主流體 這一回路為主 流回路 另一部分兩相流體則進(jìn)入了分離器 稱這部分流體為分流體 這一 支路為分流體回路 分流體經(jīng)分離器分離后 氣體和液體分別采用氣體流 量計(jì)和液體流量計(jì)測(cè)量 最后又重新與主流體匯合 被測(cè)兩相流體的氣相流 量 M1G 和液相流量 M1L根據(jù)它們與分流體氣液相流量的比例關(guān)系進(jìn)行計(jì)算 2 1 3G 1G G M M K 2 2 3L 1L L M M K 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 7 式中M1G為被測(cè)主管氣相流量 M1L為被測(cè)主管液相流量 KG為氣相分 流系數(shù) KL為液相分流系數(shù) M3G 表示分流體的氣相流量 由氣體流量計(jì) 測(cè)量 M3L為分流體的液相流量 由液體流量計(jì)測(cè)量 2 2 分流分相式流量計(jì) 分流分相式兩相流體流量計(jì)主要包括 三通管型分流分相式兩相流體 流量計(jì) 取樣管型分流分相式兩相流體流量計(jì) 轉(zhuǎn)鼓型分流分相式兩相流 體流量計(jì) 轉(zhuǎn)輪型分流分相式兩相流體流量計(jì)和旋流型分流分相兩相流體 流量計(jì)幾種 分流分相式兩相流的計(jì)量方法是由王棟教授首先提出來(lái)的 這種方法可以用來(lái)測(cè)量單相流體流量 也可以用來(lái)測(cè)量?jī)上嗔黧w流量和相 分率 也可以推廣到油氣水三相流量測(cè)量中去 對(duì)于單相流量測(cè)量無(wú)需分 離器 在兩相流量測(cè)量中 由于進(jìn)行了分相 流量測(cè)量?jī)x表都工作在單相 環(huán)境中 測(cè)量結(jié)果不受流型波動(dòng)的影響 在波浪流 彈狀流 環(huán)狀流型下 均取得了較好的結(jié)果 能夠在寬廣的流型范圍下工作 王棟構(gòu)造了4 種不同結(jié)構(gòu)的配器 即三通管型 26 取樣管型 27 轉(zhuǎn)鼓 型 28 以及旋流型分配器 10 梁法春提出了旋流型管壁取樣分配器 32 和轉(zhuǎn)輪 型分配器 30 31 2 2 1 三通管型分流分相式兩相流體流量計(jì) 1 三通管的相分離特性 圖2 2 T型三通示意圖 林宗虎 29 總結(jié)了80年代以來(lái)各國(guó)學(xué)者關(guān)于三通管的兩相流分配特性和 阻力特性研究結(jié)果 所有結(jié)果都表明 不論三通管是T型 如圖2 2 還是 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 8 Y型 也不論三通管是垂直放置還是水平放置 三通管內(nèi)都存在明顯的相 分離現(xiàn)象 而其中尤以側(cè)支管垂直放置的T型三通相分離最為明顯 當(dāng)側(cè) 支管垂直向上時(shí) 側(cè)支管內(nèi)的干度X3會(huì)高于直通支管內(nèi)的干度X2 而當(dāng)側(cè) 支管垂直向下時(shí) 情況剛好相反 針對(duì)側(cè)支管垂直向上布置的T型三通 Wseeger 33 給出了如下的相分離計(jì)算式 2 3 式中Xl和X3分別為主管入口和側(cè)支管內(nèi)的干度 G3和Gl分別是側(cè)支管 和主管入口質(zhì)量流速 從式中可以看出 T型三通的相分離現(xiàn)象是十分嚴(yán) 重的 側(cè)支管內(nèi)的相對(duì)質(zhì)量流速G3 Gl愈低 側(cè)支管內(nèi)的干度X3就愈高 當(dāng) 側(cè)支管直徑一定時(shí) 如果G3降到某一臨界值 X3會(huì)升高到1 再進(jìn)一步降 低G3 X3將保持等于1 為確定上述G3的臨界值 Wseeger 33 推薦了下面的 計(jì)算式 2 4 5 0 GGL1X 30 gD 23 0 AG 式中G30 X 1為G3的臨界值 小于該值時(shí)X3等于1 A是與流型有關(guān)的系 數(shù) 對(duì)于細(xì)泡狀流A 0 5 其它流型A 1 g為重力加速度 D為側(cè)支管內(nèi)徑 L G分別為液體和氣體的密度 2 三通管型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì)組成原理 根據(jù)三通管的相分離特性 只要側(cè)支管內(nèi)的質(zhì)量流速G3小于G30 X 1 側(cè)支管內(nèi)的干度X3就能保持等于1 這樣 就可以在側(cè)支管回路內(nèi)安裝單相 氣體流量計(jì)測(cè)量這部分氣體的流量 并根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算主管入口的兩相 流體流量和干度 這就是三通管型氣液兩相流體流量計(jì)的基本原理 圖2 3 是三通管型氣液兩相流體流量計(jì)組成原理圖 為擴(kuò)大測(cè)量范圍 提高氣體 流量的測(cè)量精度 采用了三個(gè)相并聯(lián)的三通管來(lái)分離氣體 側(cè)支管垂直布 置并具有足夠的高度 側(cè)支管與集氣管 5 之間通過(guò)一個(gè)小孔 4 相連通 小 孔的作用在于增加阻力控制流量 同時(shí)也可以防止主管中一些尺寸較大的 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 9 液滴沖入集氣管內(nèi) 另外還可以使上升氣流在小孔前形成一個(gè)較強(qiáng)的自然 旋渦 進(jìn)一步分離氣體攜帶的水分 節(jié)流孔板 9 的作用在于改善分流系數(shù) 的特性 以及調(diào)整流量計(jì)的測(cè)量范圍 1 2 3 4 567 89 圖2 3 三通管型分流分相式兩相流體流量計(jì) 1 主管 2 直通支管 3 側(cè)支管 4 小孔 5 集氣管 6 氣體測(cè)量管 7 氣體流量計(jì) 8 匯合三通 9 節(jié)流孔板 為討論方便 定義從側(cè)支管流出的氣體為分流體 流量為M3 這一回 路為分流體回路 流過(guò)直通支管的兩相流體為主流體 流量干度分別為M2 和X2 其回路為主流體回路 主管流入的總流量為Ml 干度為X1 總分流 系數(shù)K和氣相分流系數(shù)KG分別定義為 2 5 1 3 M M K 2 6 111 3 X K XM M KG 測(cè)量出分流體流量M3后 如果已知總分流系數(shù)K和氣相分流系數(shù)KG 就可 以根據(jù)式 2 5 和式 2 6 計(jì)算出流量或干度 3 三通管型分流分相式兩相流體流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn) 利用T型三通的相分離特性可以組成一種兩相流體流量計(jì) 通過(guò)幾 個(gè)三通管的并聯(lián)和增加分離小孔 能夠可靠地分離出單相氣體 通過(guò)在直 通支管內(nèi)安裝孔板 能夠提高測(cè)量精度 合理的孔板開(kāi)孔直徑d應(yīng)小于 20mm 67 0 Dd 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 10 與其它單參數(shù)氣液兩相流體流量計(jì)相比 氣體流量計(jì)完全在單相流 體中工作 因而可靠性高 流量計(jì)選型靈活 可以采用各種高精度寬量程 比的氣體流量計(jì) 從而大幅度提高流量干度的測(cè)量精度和測(cè)量范圍 在本 文實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi) 流量干度測(cè)量精度可以達(dá)到3 以內(nèi) 只能分流出氣體 難以分流出液體 導(dǎo)致該流量計(jì)只能測(cè)量流量或 干度中的一個(gè)參數(shù) 另一個(gè)參數(shù)必須通過(guò)其它方式來(lái)測(cè)量 2 2 2 取樣管型分流分相式兩相流體流量計(jì) 取樣管型分流分相流量計(jì) 如圖2 4所示 由混合裝置和取樣裝置兩 部分組成 取樣管深入主管內(nèi)部 取樣口正對(duì)來(lái)流方向 氣液兩相流體首 先在混合器內(nèi)進(jìn)行加速 混合 然后在混合器出口分成兩部分 一部分 分流體 直接進(jìn)入取樣管 另一部分 主流體 則流入下游管道 在一 定的流量范圍內(nèi) 氣相分流系數(shù)和液相分流系數(shù)都能保持不變 9 8 10 7 6 5 43 21 圖2 4 取樣管型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì) 1 管道 2 混合器 3 取樣管 4 節(jié)流孔板 5 旋風(fēng)分離器 6 液體測(cè)量管路計(jì) 7 氣體測(cè)量管路 8 氣體流量計(jì) 9 液體流量計(jì) 10 轉(zhuǎn)換閥門(mén) 取樣管的出口通向分離器 分流體在分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離后 氣體 和液體分別進(jìn)入氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量 最后重新返回管道中 被測(cè)兩相流體的氣相和液相總流量分別用下式計(jì)算 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 11 2 7 2 8 L L L K M M 3 式中KG KL分別為氣相和液相分流系數(shù) MG3為分流體氣相流量 由 氣體流量計(jì)測(cè)量 ML3為分流體液相流量 有液體流量計(jì)測(cè)量 在理想情況下KG KL 常數(shù) 而實(shí)際上難以做到這一點(diǎn) 事實(shí)上只要 KG和KL能在較寬的測(cè)量范圍內(nèi)分別保持穩(wěn)定或具有確定的變化規(guī)律 就能 保證MG和ML的測(cè)量精度 該流量計(jì)也就具有工程應(yīng)用價(jià)值 2 2 3 鼓型分流分相式兩相流體流量計(jì) 圖2 5 轉(zhuǎn)鼓分配器的原理圖 1外殼 2 10支座 3 9支架 4 8轉(zhuǎn)軸 5 7導(dǎo)錐 6轉(zhuǎn)鼓 如圖2 5所示為轉(zhuǎn)鼓分配器的原理圖 轉(zhuǎn)鼓通過(guò)轉(zhuǎn)軸支撐在軸承座上 可 以繞軸自由旋轉(zhuǎn) 在轉(zhuǎn)鼓的上 下游兩端分別布置了前導(dǎo)錐和后導(dǎo)錐 導(dǎo) 錐的作用在于引導(dǎo)流體 減少流體通過(guò)轉(zhuǎn)鼓運(yùn)動(dòng)間隙的滲漏量 轉(zhuǎn)鼓的外形 為圓柱體 內(nèi)部用軸流葉片均勻分隔成n個(gè)互不相通的通道 各通道的橫剖 面為扇形 且?guī)缀纬叽绾妥枇μ匦酝耆嗤?當(dāng)氣液兩相流體流過(guò)轉(zhuǎn)鼓時(shí)會(huì) 沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn) 在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中 各通道的入口端面不斷掠過(guò)上 游流通截面上的每一點(diǎn) 使每一點(diǎn)上的兩相流體都有機(jī)會(huì)均等地流入各個(gè) 通道 如果每一通道的出口背壓也相同 則各通道都可以看作是一個(gè)等動(dòng) 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 12 能取樣器 兩相流體的流動(dòng)將不受轉(zhuǎn)鼓的影響 2 2 4 轉(zhuǎn)輪型分流分相式兩相流體流量計(jì) 轉(zhuǎn)輪型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖2 6 由位于中心的轉(zhuǎn)輪以及布置在外緣的 分流體收集室2大部分組成 轉(zhuǎn)輪內(nèi)部包含3個(gè)流道 流道的輪廓為螺旋線 多相流體流過(guò)流道時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn)輪位于中心 圍繞 轉(zhuǎn)輪的分別是主流體接收口和分流體取樣口 分流體取樣口有3個(gè) 每個(gè)取 樣口兩側(cè)布置一組格柵 設(shè)置隔柵的目的是將旋轉(zhuǎn)流道出口噴出的二相流 體從取樣口導(dǎo)入收集環(huán)室 防止進(jìn)入主流回路的流體進(jìn)入分流回路 圖2 6 轉(zhuǎn)輪型取樣分配器結(jié)構(gòu) 多相流體通過(guò)轉(zhuǎn)輪分配器在分流體和主流體之間分配時(shí) 不是簡(jiǎn)單地 從 空間 上一分為二 而是在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)全部流向一個(gè)回路 而在 另一時(shí)間區(qū)間內(nèi)又全部導(dǎo)向另一回路 如此周期性的交替循環(huán)完成分配 進(jìn)入分流回路和主流回路流量的大小通過(guò)控制進(jìn)入分流回路或主流進(jìn)入分 流回路和主流回路流量的大小通過(guò)控制進(jìn)入分流回路或主流回路的時(shí)間間 隔來(lái)實(shí)現(xiàn) 在分配過(guò)程中 只要交替切換的頻率足夠高 分配周期足夠短 完 成1次完整的分配循環(huán)的時(shí)間 那么 2個(gè)回路的流動(dòng)過(guò)程就接近于連續(xù)流 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 13 動(dòng) 并且在1個(gè)分配周期內(nèi) 多相流動(dòng)過(guò)程也近似于穩(wěn)態(tài)流動(dòng) 這樣不論遇 到何種流型 進(jìn)入各回路的多相流體都具有高度一致的相含量 其流量大 小僅與所分配的時(shí)間份額成比例 2 2 5 旋流型分流分相式兩相流體流量計(jì) 1 旋流性管內(nèi)取樣分配器 與轉(zhuǎn)鼓型分流分相兩相流體流量計(jì)相反 旋流型分配器內(nèi)不含任何運(yùn) 動(dòng)部件 而是通過(guò)幾組形狀不同的葉柵讓兩相流體本身做特定的流動(dòng)來(lái)實(shí) 現(xiàn)兩相流體在一個(gè)多通道元件內(nèi)的均勻分配 該多通道元件的通道出口大 都通向分配器下游的兩相流體管道 只有少數(shù)幾個(gè)通道作為分流通道通向 了分離器 這樣 流向分離器的流量 僅僅取決于通向分離器的通道數(shù) 分流通道數(shù) 而與兩相流體的流型和其他因素基本無(wú)關(guān) 也就是說(shuō)分流 系數(shù)為常數(shù) 如圖2 7所示為旋流型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì)的原理圖 圖2 7 旋流型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì)的原理圖 1 旋流器外殼 2 旋流器 3 混合室 4 連接桿 5 整流網(wǎng) 6 分流器外殼 7 分流器 8 分離器外殼 9 氣水分離元件 10 氣體測(cè)量管 11 氣體流量計(jì) 12 自由液位 13 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 14 阻力調(diào)節(jié)孔板 14 液體流量計(jì) 15 液體測(cè)量管路 16 分流器外殼 17 葉片外緣 18 分流通道 19 隔離葉片 20 旋流葉片外緣 21 旋流通道 22 旋流葉片 按兩相流體的流動(dòng)方向依次包括旋流器 2 整流器 5 分流器 7 以及 氣體和液體測(cè)量回路等 旋流器的作用在于使兩相流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 通 過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使原來(lái)不對(duì)稱的相分布和速度分布變成關(guān)于軸對(duì)稱的流型 整 流器的作用是消除旋轉(zhuǎn) 進(jìn)一步改善流型的對(duì)稱性 經(jīng)整形后的兩相流體 流過(guò)分流器 7 時(shí) 被均勻?qū)ΨQ地切分為n等分流量和組分完全相同的兩相 流 其中有m份兩相流被分流至分離器 其余的仍然流向下游管道 m份兩 相流分流體 其余為主流體 相應(yīng)的匯入為分流體回路和主流體回路 分 流體在分離器內(nèi)進(jìn)行氣液分離后 氣體從分流器上部流入氣體測(cè)量管路 10 經(jīng)氣體流量計(jì)計(jì)量后與主流體匯合 液體從分離器下部流入液體測(cè)量管路 15 經(jīng)液體流量計(jì)計(jì)量后返回主流體中 2 旋流型管壁取樣分配器 旋流型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì)由于在主管內(nèi)部取樣 內(nèi)置的 分流元件不可避免地會(huì)對(duì)流動(dòng)產(chǎn)生較大干擾 兩相流體通過(guò)分配器會(huì)產(chǎn)生 較大的阻力損失 更為嚴(yán)重的是 由于取樣口正對(duì)來(lái)流方向 對(duì)于比較惡 劣的現(xiàn)場(chǎng)條件 流體經(jīng)常攜帶有大量沙礫 鐵屑以及其他雜質(zhì) 分配通道 在這些高速運(yùn)動(dòng)的雜質(zhì)顆粒撞擊下磨損很快 甚至造成取樣口變形 從而 導(dǎo)致測(cè)量誤差不斷增大 另外這些雜質(zhì)還容易在分配室內(nèi)沉積 逐漸堵塞 分流通道 此時(shí)分配器功能相當(dāng)于過(guò)濾器 隨著堵塞加劇 積累的雜質(zhì)增 多 整個(gè)裝置將完全失去作用 針對(duì)上述存在的缺點(diǎn) 梁法春等提出了一 種旋流型管壁取樣分配器 旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖2 8 主要通過(guò)多孔取樣和流型整改來(lái) 保證取樣的代表性 水平管氣 液二相流由于重力的影響 造成管截面上氣 液相分布不均勻 即使在環(huán)狀流型下 液膜沿周向分布也是不一致的 頂部 液膜較薄 底部液膜較厚 采用單孔取樣方法很難保證取樣效果 在主管壁四 第 2 章 分流分相式多相流量計(jì) 15 周布置多個(gè)取樣孔 采用多孔取樣 能大大改善取樣的代表性 為了消除 氣 液界面波動(dòng)對(duì)取樣穩(wěn)定性的影響 還需對(duì)管路上游流型進(jìn)行調(diào)整 通過(guò) 在取樣孔上游布置旋流葉片 將分層流 彈狀流以及不對(duì)稱的環(huán)狀流等流 型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱的環(huán)狀流 那么管壁各個(gè)取樣孔所取流體 樣品 將趨于一 致 實(shí)驗(yàn)證明分流比主要取決于管壁取樣孔的數(shù)目和大小 圖2 8 旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu) 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 16 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 3 1 旋流型管壁取樣多相流量計(jì)結(jié)構(gòu) 3 1 1 旋流型罐壁取樣分配器 圖 3 1 為旋流型罐壁取樣分配器的結(jié)構(gòu)示意圖 上游法蘭 1 和下游法 蘭 7 分別和兩相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道系統(tǒng)的上游和下游連接以組成一封閉環(huán)路 兩 相流體經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)段時(shí)被分配器分成兩部分 一部分直接流入下游管道 另 一部分兩相流體經(jīng)由管壁上布置的取樣小孔進(jìn)入取樣腔室 最后經(jīng)分流體 回注回路流回主管 1 2 34 5 6 7 910 圖 3 1 旋流型管壁取樣多相流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖 1 上游法蘭 2 旋流葉片 3 整流器 4 取樣腔室 5 取樣孔 6 主回路阻力元件 7 下游法蘭 8 分流回路出口 9 分流體回注回路 3 1 2 取樣孔結(jié)構(gòu) 取樣孔為 8 孔取樣結(jié)構(gòu) 各取樣小孔直徑均為 5mm 見(jiàn)圖 3 2 通過(guò)取樣孔進(jìn)入環(huán)室的兩相流體經(jīng)與環(huán)室相連的側(cè)支管進(jìn)入計(jì)量分離器完 成氣液相分離 分流體液相流量在分離器下部通過(guò)量體積法測(cè)量 時(shí)間用 秒表計(jì)量 測(cè)量時(shí)間一般為 60 300 秒 分流體氣相流量通過(guò)安裝于分離器 氣相支路的渦街流量計(jì)測(cè)量 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 17 圖 3 2 取樣孔結(jié)構(gòu)圖 3 1 3 旋流葉片結(jié)構(gòu) 取樣段前方加設(shè)了旋流葉片和整流器兩個(gè)部件 安裝旋流葉片目的是 使來(lái)流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 將上游來(lái)流的流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱環(huán)狀流 整流器的作 用是將周向液膜的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)整改為沿管壁軸向運(yùn)動(dòng) 同時(shí)還可以使液膜的 分布更加均勻 旋流葉片 34 采用的是2mm厚的不銹鋼板材料 圖3 3為實(shí)驗(yàn)旋流葉片實(shí) 物照片 3 3 a 為側(cè)視圖 3 3 b 為相應(yīng)的俯視圖 a 側(cè)視圖 b 俯視圖 圖 3 3 旋流葉片結(jié)構(gòu)圖 旋流葉片是由兩個(gè)半橢圓片交叉形成的 橢圓半短軸與分配主管直徑 相同 橢圓片外緣與管內(nèi)壁輪廓線重合 在背流面用膠與取樣管粘結(jié) 且 保持緊密接觸 這樣做的目的是當(dāng)來(lái)流經(jīng)過(guò)旋流葉片時(shí) 由于葉片外緣與管壁之間無(wú) 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 18 縫隙 使得流體無(wú)法沿管壁繼續(xù)流動(dòng) 而是被迫沿著葉片表面方向向下游 流動(dòng) 從而使得來(lái)流在葉片的交叉處形成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 將分層流 波浪流 段塞流等轉(zhuǎn)變成對(duì)稱環(huán)狀流 并在下游管路處保持一段時(shí)間的環(huán)狀流型 直至由于重力作用及氣流的擾動(dòng)作用使得流型發(fā)生變化 將來(lái)流整改成均 勻環(huán)狀流是由旋流葉片和整流器來(lái)完成的 這兩種器件對(duì)于完全對(duì)稱環(huán)狀 流的形成以及保證液相分流系數(shù)的穩(wěn)定起著重要作用 3 2 分流系數(shù)特性分析 3 2 1 液相分流系數(shù) 加上旋流裝置后 形成液膜厚度均勻的環(huán)狀流 見(jiàn)圖 3 4 整個(gè)管周的 液膜流量可以用下式計(jì)算 3 1 2 0 LFZ MRd d d i 液膜R 圖 3 4 均勻環(huán)狀流液相分配示意圖 進(jìn)入分流回路的液體的主要來(lái)自于取樣孔處的液膜 認(rèn)為取樣孔正上 方的液膜完全進(jìn)入取樣孔 并采用系數(shù) K 對(duì)分配影響區(qū)進(jìn)行修正 則進(jìn)入 取樣孔的液相流量為 3 2 2 3 1 2 d i d i N LZ i MRKd 式中 為主管半徑 m 為取樣小孔數(shù)目 為取樣小孔方位角 RN i 液膜軸向流量 式中為液相分配影響區(qū)修正系數(shù) Z m kgs K 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 19 由于主管路的液相在旋流葉片的作用下幾乎全部以液膜形式貼著管壁 流動(dòng) 被氣體夾帶的液相很少 液膜流量就等于主管路中的液相流量 即 根據(jù)式 3 1 和 3 2 液相分流系數(shù)可以寫(xiě)作 1LLF MM 3 3 22 1 22 22 00 dd i dd i N ZZ i 3L L 1L ZZ R KdK R Nd M K M RdRd 由式 3 3 可知 3 4 2 2 R d d dd 將式 3 4 代入 3 3 得 3 5 2 L K N d K R 由公式 3 5 可知 旋流型管壁取樣分配器液相分流系數(shù)主要與取樣 小孔的直徑和數(shù)目有關(guān) 當(dāng)取樣分配器結(jié)構(gòu)確定后 液相分流系數(shù)也就基 本保持不變 公式 3 5 在環(huán)狀流液膜均勻分布條件下成立 但當(dāng)主管路氣液相流 量較低時(shí) 來(lái)流經(jīng)過(guò)旋流葉片時(shí)不能產(chǎn)生有效旋轉(zhuǎn) 大部分液相仍集中在 管底部 管上壁液膜量很少 因此 液相分流系數(shù)在主管氣液相流量較小 時(shí)并不是常數(shù) 而是隨著主管兩相流量的變化而變化 當(dāng)氣液相流量較大 時(shí) 通過(guò)旋流葉片產(chǎn)生旋流作用加強(qiáng) 將沉積管底部的液膜攜帶到管壁頂 部 在分配截面上形成液膜厚度均勻分布的環(huán)狀流型 由于在對(duì)稱環(huán)狀流 型下進(jìn)入各個(gè)取樣孔的液量基本相同 液相分流系數(shù)趨向一個(gè)不變常數(shù) 3 2 2 氣相分離系數(shù) 由于氣相密度遠(yuǎn)小于液相密度 進(jìn)入分流回路氣相流量大小對(duì)分流回 路和主流回路間的阻力變化特別敏感 可以通過(guò)阻力關(guān)系對(duì)氣相分流系數(shù) 進(jìn)行分析 分流體氣相回路不安裝節(jié)流孔板時(shí) 分流回路的總阻力損失包括 3 P 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 20 分流體通過(guò)取樣孔的阻力損失 分離器中的損失 氣相沿程損失 31 P 32 P 分離器中的損失和氣相沿程損失通常都很小 可以忽略不 33 P 32 P 33 P 計(jì) 分流回路的阻力主要集中在取樣小孔上 主流體回路的總壓力降包括氣液兩相流進(jìn)入取樣孔引起的主回路 2 P 的壓力變化 兩相流體通過(guò)旋流葉片產(chǎn)生的壓力降 氣液兩相流 21 P 22 P 通過(guò)阻力調(diào)節(jié)孔板引起的壓力損失 由于兩相流從管壁取樣孔進(jìn)入分 23 P 流回路 通常很小 與節(jié)流孔板相比 旋流葉片引起的壓降也較小 21 P 因此認(rèn)為主流回路的壓降主要是由節(jié)流孔板引起的 如果主管路為單相氣體 那么進(jìn)入分流回路的也為單相氣體 單相氣 在分流回路上產(chǎn)生的壓力降 3 6 24 33 32 333 1 2 G G M P C A 在主回路產(chǎn)生的壓降 3 7 24 22 22 222 1 2 G G M P C A 根據(jù)并聯(lián)回路的特征 3 8 32 PP 得到 3 9 4 2 222 4 333 3 1 1 2G 3G MC A MC A 根據(jù)質(zhì)量守恒 3 10 132GGG MMM 由 3 9 和 3 10 得到 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 21 3 11 31 4 2 222 4 333 3 1 1 1 1 GG MM C A C A 由式 3 11 知 當(dāng)主管路為單相氣體時(shí) 氣相分流系數(shù)可以寫(xiě)為 G0 K 3 12 4 2 222 4 333 3 1 1 1 1 G0 K C A C A 如果此時(shí)主管中有液相加入 會(huì)引起主流回路和分流回路的阻力變化 進(jìn)而引起氣相和液相的重新分配 液相的增加會(huì)導(dǎo)致進(jìn)入分流回路的氣量 增加 假設(shè)增加數(shù)值為主管氣量的倍 即 G K 3 13 3GG1G MK M 此時(shí) 分流回路的氣量為 從而氣相分流系數(shù) GG MM 33 3 14 3 1 G3G GG0G G MM KKK M 反映了沒(méi)有液相時(shí)單相氣體通過(guò)分配器時(shí)的分流系數(shù) 從式 3 0G K 12 知其值是一個(gè)常數(shù) 反映了由于主管中液相存在而導(dǎo)致的氣相分 G K 流系數(shù)的增加量 與主管液相流量大小有關(guān) 因此 為了方便起見(jiàn) 氣相 分流系數(shù)可以寫(xiě)成 3 15 1GL KCDM 上式顯示 氣相分流系數(shù)隨液相流量變化而變化 這是由于隨著液相 的加入 兩回路的阻力失去對(duì)稱性引起的 這種不對(duì)稱性越大 氣相分流 系數(shù)的變化幅度越大 因此在分配器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該盡量使兩回路阻力特性 G K 接近對(duì)稱 第 3 章 旋流型管壁取樣分配器 22 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 23 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 4 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 為了能夠獲取準(zhǔn)確 可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 本文是在大型多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道 上進(jìn)行了相關(guān)的氣液兩相流流動(dòng)實(shí)驗(yàn) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)備測(cè)得主管與支管的氣 液兩相流量 計(jì)算其分流系數(shù) 4 1 1 實(shí)驗(yàn)環(huán)道 圖 4 1 多相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道 圖 4 1 為整個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)道的布置圖 環(huán)道采用 3 英寸不銹鋼管焊接而成 全長(zhǎng) 380m 管道內(nèi)徑為 0 08m 實(shí)驗(yàn)環(huán)道布置在 30m 70m 的場(chǎng)區(qū)中 為 盡可能減小彎管對(duì)氣液相流動(dòng)的影響 彎管曲率半徑盡可能大 根據(jù)場(chǎng)地 情況 設(shè)計(jì)的彎管曲率半徑不小于 100D 環(huán)形管道的設(shè)計(jì)工作壓力為 8kg cm2 從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所有流型的目的 1 氣液相供應(yīng)系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)用氣由 V 13 12 5 型壓縮機(jī)供給 最大供氣壓力 12 5kg cm2 最 大供氣量為 1380m3 h 壓縮機(jī)出口分別連接有 1m3和 2m3的氣體儲(chǔ)罐 以 平衡壓縮機(jī)排氣的波動(dòng) 液相采用水 由 TS50 32 250 清水離心泵供應(yīng) 清水離心泵供液量為 0 12 5m3 h 離心泵的電源上安裝有變頻器 通過(guò)調(diào) 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 24 節(jié)電源頻率改變泵的轉(zhuǎn)速 從而調(diào)節(jié)排量 2 入口混合器 為了保證氣液能夠很好的混合均勻 氣液混合點(diǎn)前的管路內(nèi)設(shè)置一水 平擋板 擋板長(zhǎng) 500mm 這種設(shè)計(jì)減小了兩相之間的影響 也使得氣體流 量的波動(dòng)大為減小 氣體流量波動(dòng)在 3 5 范圍內(nèi) 3 氣液相控制與計(jì)量 實(shí)驗(yàn)裝置要求液相流量范圍 1 12 5m3 h 氣相流量范圍 1 1000m3 h 氣液兩相流量均采用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥控制 該調(diào)節(jié)閥選用的是美 國(guó) Masoneilan 系列調(diào)節(jié)閥 本實(shí)驗(yàn)選用的氣相流量計(jì)為量程 100 1000 的 K80 44 氣體流量的密 度通過(guò)測(cè)量當(dāng)?shù)販囟群蛪毫﹂g接獲得 溫度采用溫度傳感器采集 壓力通 過(guò)壓力傳感器測(cè)的 本實(shí)驗(yàn)選用量程 0 8m3 hr 的 CFM300 的質(zhì)量流量計(jì) 標(biāo)況下的氣體流量通過(guò)測(cè)量當(dāng)?shù)販囟群蛪毫﹂g接獲得 溫度采用溫度傳感 器采集 壓力通過(guò)壓力傳感器 測(cè)的流量信號(hào)全部送入工控機(jī) 可以進(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制 對(duì)于分流體的氣相流量的測(cè)量是采用渦街流量計(jì)測(cè)量 分流體液體流量通過(guò)體積法法測(cè)量 4 2 主要實(shí)驗(yàn)裝置 本實(shí)驗(yàn)采用的是旋流型管壁取樣分配器 如圖 3 1 所示 計(jì)量分流體氣 相和液相流量采用了如圖 4 2 的計(jì)量分離器 為使氣液初步分離 分離器入口傾角設(shè)計(jì)為 70 度 分離器長(zhǎng) 290mm 直徑 214mm 并在氣體出口管線連接處增加了一層濾網(wǎng) 用來(lái)捕 集沒(méi)有分離出的小液滴 測(cè)量分流體氣體流量通過(guò)渦街流量計(jì)測(cè)量 液體 流量采用體積法 氣 液 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 25 圖 4 2 測(cè)量分離器結(jié)構(gòu)圖 4 3 實(shí)驗(yàn)方法 本實(shí)驗(yàn)主要研究不同氣液流量下對(duì)旋流型管壁取樣分配器的分配特性進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)方法如下 1 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前 對(duì)設(shè)備進(jìn)行試壓 檢查 標(biāo)定和校核 使其性能達(dá)到 要求后接入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 調(diào)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及所有的測(cè)試儀器 如調(diào)節(jié)差壓變送 器和壓力傳感器的量程 2 實(shí)驗(yàn)時(shí)啟動(dòng)工控機(jī) 設(shè)置 Fix 6 02 平臺(tái)必需的一些參數(shù) 選擇氣量 和液量 設(shè)置終端捕集器的液位 啟動(dòng) LabVIEW 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 待 流動(dòng)穩(wěn)定后開(kāi)始采集數(shù)據(jù) 3 利用氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥通過(guò)工況機(jī)將氣 液兩相的流量調(diào)節(jié)到工況設(shè)定值 保證旋流葉片后的取樣段為環(huán)狀流 同時(shí)確保整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn) 4 每種工況穩(wěn)定后 利用 LabVIEW 采集所需的數(shù)據(jù) 采集時(shí)間為 5 10 分鐘 同時(shí)采用體積法測(cè)量分流出液體的流量 方法為每隔 1 5 分鐘記 錄一次進(jìn)入分離器液體的液位高度 5 在相同的工況下 旋轉(zhuǎn)分流回路上的閥門(mén)增加分流回路阻力 工況 穩(wěn)定后開(kāi)始采集數(shù)據(jù) 保持閥門(mén)開(kāi)度不變 利用同樣的方法測(cè)量多組數(shù)據(jù) 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 26 分析分流回路分流系數(shù)特性 4 4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 表 4 1 分配器分流系數(shù)實(shí)驗(yàn)工況 氣體流量 m3 h 分相液體流量 m3 h 300400500600 25 閥門(mén)開(kāi)度0 0022001680 0021401020 0023990720 002402669 35 閥門(mén)開(kāi)度0 0031173550 0031184340 0032371280 003327049 50 閥門(mén)開(kāi)度0 0053952140 0054851340 0055930390 005799855 表 4 2 LabVIEW 采集數(shù)據(jù) 主夜量 采集值 v 換算后液體體 積流量值 m3 h 分氣量采集值 v 換算后分氣流量 m3 h 工況 1 30 63 8585 5gas300 25 1 490 983 9688 5gas300 35 1 771 543 1100 8gas300 50 1 30 64 0390 9gas400 25 1 470 944 0691 8gas400 35 1 731 463 3814 24gas400 50 1 30 64 1795 1gas500 25 1 470 944 34100 2gas500 35 1 721 443 4115 2gas500 50 1 290 584 35100 5gas600 25 1 440 883 23107 04gas600 35 1 711 423 39114 72gas600 50 本次實(shí)驗(yàn)液相介質(zhì)選用的是水 氣相選用空氣 實(shí)驗(yàn)中主要進(jìn)行了以 下內(nèi)容 具體的實(shí)驗(yàn)工況參考表 4 1 和表 4 2 第 4 章 旋流型管壁取樣分配器實(shí)驗(yàn) 27 1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的調(diào)整 2 不同工況下分配器的分流回路中 氣體分流量和液體分流量的測(cè)量 3 不同工況下對(duì)分流系數(shù)的對(duì)比分析 4 5 小結(jié) 1 本章針對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 主要實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)方法做了詳細(xì)介紹 2 對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容作了詳細(xì)介紹 并列出了實(shí)驗(yàn)工況表和 Labview 采集的 數(shù)據(jù) 第 5 章 實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果與分析 28 第 5 章實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理與分析 本文通過(guò)設(shè)定不同的氣液流量 測(cè)定了分流體氣體和液體的流量 根 據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了分流系數(shù)隨工況變化的特點(diǎn) 5 1 分流系數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 5 1 1 液相分流系數(shù)特性分析 從下圖 5 1 可以看出分流體液相流量隨主管液相總流量的變大而變大 成近似的線性關(guān)系 圖中不同氣體流量下斜率近似相等 說(shuō)明兩者之間的 線性關(guān)系不隨主管當(dāng)中氣體流量的變化而變化 0 60 81 01 21 41 6 0 0020 0 0025 0 0030 0 0035 0 0040 0 0045 0 0050 0 0055 0 0060 Y 分流體液相流量300m3 h X 主管液相流量300m3 h Qg 300m3 h 400m3 h 500m3 h 600m3 h 圖 5 1 分流體液相流量與主管總液相流量的關(guān)系 圖 5 2 示出了旋流型分流分相式氣液兩相流體流量計(jì)的液相分流系數(shù) 特性曲線 上述實(shí)驗(yàn)氣相流量為 300m3 h 400 m3 h 500 m3 h 和 600 m3 h 液量閥門(mén)開(kāi)度分別為 25 35 和 50 因此測(cè)量了 12 種工況的分 流系數(shù) 第 5 章 實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果與分析 29 由圖 5 2 可以看出 同一氣相流量下 分流系數(shù)與主管流量的關(guān)系近 似為水平直線 說(shuō)明不同的主管液相流量下 分流系數(shù)不受主管液相流量 的影響 圖 5 2 中最大的分離系數(shù)與最小的分流系數(shù)的差為 0 0474 液相 分流系數(shù)與主管氣體流量關(guān)系較小 0 60 81 01 21 41 6 0 20 0 22 0 24 0 26 0 28 0 30 0 32 0 34 0 36 0 38 0 40 液相分離系數(shù)Kl Qg 300m3 h 400m3 h 500m3 h 600m3 h 主管液相流量m3 h 圖 5 2 液相分流系數(shù)與主管氣液相流量的關(guān)系 5 1 2 氣相分流系數(shù)特性分析 圖 5 3 為氣相分流系數(shù)隨主管氣液流量變化曲線 從圖中看出 氣相 流量對(duì)氣體分流系數(shù)的影響不太明顯 隨氣體流量的增大稍有減小 但是 影響不大 而隨主管液相流量的增大而增大 基本上成線性變化 這是因 為當(dāng)分流體在通過(guò)小孔時(shí) 在分配處造成了兩回路的阻力特性的不對(duì)稱性 不對(duì)稱性越大 造成的氣體分流系數(shù)的變化就會(huì)越來(lái)越大 與氣相分離系 數(shù)的公式相吻合 1GL KCDM 第 5 章 實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果與分析 30 0 60 81 01 21 41 6 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 08 Qg 300m3 h 400m3 h 500m3 h 600m3 h 氣相分離系數(shù)Kg 主管液相流量m3 h 圖 5 3 氣相分流系數(shù)與主管氣液相流量的關(guān)系 5 2 小結(jié) 本章對(duì)旋流型管壁八孔取樣分配裝置的分流系數(shù)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)性的 研究 通過(guò)研究得出以下結(jié)論 1 取樣段在環(huán)狀流條件下 分流體液相流量隨主管液相總流量的變大 而變大 成近似的線性關(guān)系 分流系數(shù)不受主管液相流量的影響 氣相流 量對(duì)液相分流系數(shù)的影響不大 2 取樣段在環(huán)狀流條件下 氣相分離系數(shù)隨液相流量的增大而增大 基本上成線性關(guān)系 氣體流量對(duì)氣相分離系數(shù)的影響不大 第 6 章 總結(jié) 31 第 6 章 總結(jié) 分流分相多相流量計(jì)量是一種新型在線多相流量測(cè)量方法 與常規(guī)多相 計(jì)量方法相比 分流分相方法由于進(jìn)行了分流取樣 所需分離器的體積遠(yuǎn)小于 完全分離方法 同時(shí)由于又進(jìn)行了分相 氣 液相流量測(cè)量都在單相介質(zhì)環(huán)境 中完成 因此具有體積小 精度高的優(yōu)點(diǎn) 尤其適用于海上油氣田的開(kāi)發(fā) 保 證取樣流體的代表性是分流分相方法成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 而保證取樣代表性的 關(guān)鍵在于選擇合適的取樣分配器 在現(xiàn)有的5種取樣分配器中 旋流型管壁 取樣分配器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性 有望在海上油田開(kāi)發(fā)中獲得廣 泛應(yīng)用 本文中提出的旋流型管壁取樣法通過(guò)管壁取樣孔從主管待測(cè)多相流體 中分流出一小部分 5 20 多