基于能量方程的體積含氣率測(cè)量

基于能量方程的體積含氣率測(cè)量

總結(jié)1體積含氣率模型相含率根據(jù)兩相流1號(hào)穩(wěn)定流動(dòng)的變量方程出發(fā)，得到兩相流的真實(shí)密度與各相流的含氣量之比。然而，對(duì)于兩相流量的測(cè)量，體積含氣量或質(zhì)量含氣量是必要的。在獲得剖面含氣量后，應(yīng)計(jì)算體積含氣量或質(zhì)量含氣量的關(guān)系。本文選用能量方程進(jìn)行分析,可以直接獲得體積含氣率。兩相流體一元穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的能量方程為可見(jiàn),壓力降由3部分構(gòu)成:摩阻壓降、重位壓降、加速壓降,即理想情況下可以認(rèn)為,摩阻壓降的方向與流動(dòng)方向相反。實(shí)際中的兩相流動(dòng)與分相流模型有差別,可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)予以修正。對(duì)于U形管垂直上升段和下降段,當(dāng)流動(dòng)狀態(tài)為等截面直管內(nèi)的穩(wěn)定流動(dòng)時(shí),加速壓降可以忽略,摩阻壓降在U形管垂直上升段和下降段方向是相反的,假設(shè)其大小相等,則可以通過(guò)代數(shù)運(yùn)算將摩阻壓降消去,從而獲得重位壓降。如圖1所示。取流動(dòng)方向?yàn)閴航档恼较?得假設(shè)兩側(cè)的摩阻壓降及重位壓降大小相等,并忽略加速壓降,則則體積含氣率為2側(cè)管段流程特性實(shí)驗(yàn)在天津大學(xué)低壓油氣水三相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行(圖2)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:U形管兩側(cè)管段的取壓距離為0.5m;實(shí)驗(yàn)壓力為0.02～0.2MPa;工質(zhì)溫度為20～30℃;質(zhì)量含氣率為0.15～1;體積含氣率為0.95～1;氣相表觀速度為10～35m·s-1;液相表觀速度為0.002～0.2m·s-1。3結(jié)果與分析3.1流型分析的總復(fù)常使用根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的壓差,由式(7)可求得體積含氣率,標(biāo)準(zhǔn)體積含氣率與質(zhì)量含氣率可通過(guò)三相流裝置的標(biāo)準(zhǔn)表獲得。體積含氣率的測(cè)量誤差見(jiàn)圖3。從圖3可以看出,體積含氣率測(cè)量誤差隨質(zhì)量含氣率(GMF)增加而減小,誤差曲線近似由兩條直線組成,質(zhì)量含氣率在0.4～0.5范圍內(nèi),曲線有拐點(diǎn),當(dāng)質(zhì)量含氣率>0.5時(shí),體積含氣率誤差較小,反之則較大。結(jié)合實(shí)驗(yàn)流型分析發(fā)現(xiàn),在質(zhì)量含氣率>0.5時(shí),流型為環(huán)霧狀流,質(zhì)量含氣率<0.5時(shí),流型為混塊狀流。環(huán)霧狀流動(dòng)時(shí),U形管兩管段內(nèi)流型基本一致,因此前面對(duì)摩阻壓降的假設(shè)近似成立;而當(dāng)流型為混塊狀流時(shí),U形管垂直上升段與垂直下降段內(nèi)流型差別較大,摩阻壓降大小不等,造成測(cè)量誤差增大。所以要準(zhǔn)確測(cè)量體積含氣率應(yīng)該根據(jù)不同流型確定U形管垂直上升段與垂直下降段摩阻壓降的關(guān)聯(lián)式,進(jìn)而修正式(7)。羅毓珊等采用這種方法取得了一定的效果。但采用這種方法需要先進(jìn)行在線流型識(shí)別,而準(zhǔn)確的在線流型識(shí)別目前仍具有一定困難,對(duì)于不同流型的過(guò)渡過(guò)程的判別則更加困難。因此本文沒(méi)有采用這種方法進(jìn)行修正。3.2流動(dòng)密度誤差的測(cè)量通過(guò)研究體積含氣率測(cè)量誤差與質(zhì)量含氣率、體積含氣率、兩相流體的流動(dòng)密度等參數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度之間有較好的線性關(guān)系(圖4)。圖4所示為體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度的關(guān)系曲線,測(cè)量誤差隨流動(dòng)密度的增加呈負(fù)線性增加,其線性度近似為1,并且在不同的流速下及兩種不同的實(shí)驗(yàn)流型下,曲線互相重合,這說(shuō)明體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度之間是線性單值函數(shù)。這種線性關(guān)系產(chǎn)生的原因主要是因?yàn)樵诘蛪合?環(huán)霧狀流動(dòng)中體積含氣率都很高,通常都在95%以上,即標(biāo)準(zhǔn)體積含氣率變化很小,這時(shí),可近似認(rèn)為是常數(shù)。因此,平均密度測(cè)量值[式(8)]與體積含氣率相對(duì)誤差[式(9)]都只是體積含氣率測(cè)量值的線性函數(shù),故平均密度與體積含氣率測(cè)量相對(duì)誤差(EGVF)之間也為近似線性關(guān)系。這實(shí)際上提供了一種測(cè)量小范圍變化的信號(hào)的一種方法。首先選擇一個(gè)與被測(cè)量有關(guān)的容易測(cè)得的量,求出該量與被測(cè)量之間的相對(duì)誤差。再分析該量與相對(duì)誤差之間的關(guān)系,如果是比較固定的線性關(guān)系。則可以通過(guò)線性擬合求出相對(duì)誤差,反過(guò)來(lái)修正測(cè)量結(jié)果,使測(cè)量精度提高。本文即采用這種方法來(lái)修正體積含氣率測(cè)量值。式(10)即為體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度的擬合關(guān)系式修正的體積含氣率可通過(guò)式(11)求得圖5為修正體積含氣率測(cè)量誤差與質(zhì)量含氣率關(guān)系?？梢?jiàn),通過(guò)簡(jiǎn)單的線性關(guān)系式修正后測(cè)量誤差明顯減小,都在±0.35%以內(nèi)。3.3流式水文水平實(shí)驗(yàn)裝置為了驗(yàn)證通過(guò)流動(dòng)密度測(cè)量值修正體積含氣率測(cè)量值的方法是否具有通用性,在實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了獨(dú)立實(shí)驗(yàn),該次實(shí)驗(yàn)選取壓力分別為0.02、0.05、0.10、0.20MPa,每個(gè)壓力下調(diào)節(jié)不同的氣相流速及液相含率,實(shí)驗(yàn)流型為環(huán)霧狀流、液束環(huán)狀流、混塊狀流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。4流動(dòng)密度測(cè)量值與體積含氣率通過(guò)以上分析得出,流動(dòng)密度測(cè)量值與體積含氣率測(cè)量誤差之間有較好的線性關(guān)系,在氣相為連續(xù)相、液相為離散相的流動(dòng)狀態(tài)下,氣相的流速及實(shí)驗(yàn)流型對(duì)這種線性關(guān)系影響很小,體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度測(cè)量值之間是線性單值函數(shù)。利用U形管測(cè)量體積含氣率,并通過(guò)流動(dòng)密度測(cè)量值進(jìn)行修正,可以獲得較高的精度,誤差在-0.65%～+0.5%之間。該方法適用于體積含氣率較高,且變化范圍較小的工況條件。兩相流含率測(cè)量G——混合物的質(zhì)量流速,kg·m-2·s-1F——摩擦消耗的能量,Jh——測(cè)量段高度,mΔPdown,ΔPup——分別為下降段、上升段測(cè)得的壓差,Pax——質(zhì)量含氣率(GMF),%α——截面含氣率,%β——體積含氣率(GVF),%βc——體積含氣率修正值,%βm——體積含氣率測(cè)量值,%ρg,ρl——分別為氣相、液相的密度,kg·m-3ρ0——兩相流體流動(dòng)密度,kg·m-3氣液兩相流的含氣率和含水率是兩相流研究中的重要參數(shù),目前國(guó)內(nèi)外對(duì)兩相流相含率的測(cè)量多采用射線衰減法、電容法、電導(dǎo)法、微波法、光纖探針及電導(dǎo)探針?lè)ǖ?。研究表明射線衰減法是確定兩相流相含率比較有效的方法,但由于射線的輻射而使這種技術(shù)的應(yīng)用受到一定限制。勞力云等7]分析了水平管道氣液兩相流中空隙率對(duì)動(dòng)態(tài)壓降信號(hào)的影響;張宏建等利用氣液兩相流差壓波動(dòng)信號(hào)與空隙率之間的關(guān)系,建立了差壓波動(dòng)信號(hào)均方根與空隙率的關(guān)系式,提供了一種間接測(cè)量空隙率的方法。羅毓珊等采用一種簡(jiǎn)單的差壓式測(cè)量方法進(jìn)行了兩相流相含率測(cè)量的研究,該方法利用垂直管重位壓降與相含率的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量,其關(guān)鍵是根據(jù)不同流型擬合水平管與垂直管摩阻壓降的關(guān)聯(lián)式,以消去垂直管的摩阻壓降,獲得垂直管重位壓降,進(jìn)而獲得相含率。本文也采用差壓式測(cè)量方法,利用U形管垂直上升段與垂直下降段壓力降與重位及摩阻壓降的關(guān)系來(lái)獲得相含率。圖6為體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度的關(guān)系驗(yàn)證曲線,從圖中可看出體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度測(cè)量值之間呈明顯的線性關(guān)系,并且在不同的壓力、流速及不同的實(shí)驗(yàn)流型下曲線互相重合,體積含氣率測(cè)量誤差與流動(dòng)密度測(cè)量值之間是