基于单v锥节流装置的湿气气液流量在线测量-贺登辉.pdf

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1、 第 52 卷第 8 期 2016 年 4 月 机 械 工 程 学 报 JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING Vo l.52 No.8 Apr. 2016 DOI： 10.3901/JME.2016.08.191 基于单V锥节流装置的湿气气液流量在线测量*贺登辉1张 锋2曹洪贵2杨园园2白博峰1(1. 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室 西安 710049； 2. 中国石油新疆油田分公司采气一厂 克拉玛依 834007) 摘要：提出采用两相质量流量系数 对 V 锥节流装置湿气测量误差进行修正，试验研究洛克哈特 -马蒂内利参数 、气体 密度 弗鲁德数以及气液密

2、度比对 V 锥节流装置两相质量 流量系数的影响规律。V 锥节流装置的节流比为 0.55，试验介质为压缩空气和水， 气液密度比为 0.002 4450. 006 083，气 体密度弗鲁德数为 0.32.0 ， 洛克哈特-马蒂内利参数为 0.010.3 4。结果表明，两相流量系数随洛克哈特 -马蒂内利参数 增加而 线性增大 ，同时还受气体 密度 弗鲁德数和 气液密度比的影响。获得了两相质量流量系数与洛克哈特 -马蒂内利参数、气体密度 弗鲁德数和气液密度比的 定量关系，建立湿气流量测量的半经验关联式。利用 V 锥节流装置前后锥体对湿气具有不同的差压响应特性，获得了其差异性的影响规律，建立单节流元件双

3、差压的湿气气液流量双参数测量方程。在试验范围内，测得的气相质量流量相对误差小于5.0% ，平均误差为 2.2%；液相质量流量相对误差小于20.0% ，平均误差为 9.8%。该方法具有系统简单、成本低廉、精度较高的特点。 关键词：气液两相流；湿气 ； V 锥节流装置；流量测量； 在线 测量 中图分类号：TK313 Online Measurement of Gas and Liquid Flow Rate in Wet Gas Base on Single V-cone Throttle HE Denghui1ZHANG Feng2CAO Honggui2YANG Yuanyuan2BAI Bo

4、feng1(1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049; 2. Frist Gas Production Factory, PetroChina Xinjiang Oilfield Branch Company, Karamay 834007) Abstract：The two-phase mass flow coefficient is proposed to correct the deviation of the V-Cone

5、meter when it is used to measure the wet gas. The effects of the Lockhart-Martinelli parameter, the gas densiometric Froude number and the gas to liquid density ratio on the two-phase flow coefficient are experimentally investigated. The diameter ratio of the V-Cone meter is 0.55. The experimental f

6、luids are air and tap water. The gas to liquid density ratio, the gas densiometric Froude number and the Lockhart-Martinelli parameter range from 0.002 445 to 0.006 083, from 0.3 to 2.0 and from 0.01 to 0.34, respectively. The results show that the two-phase mass flow coefficient linearly increases

7、with the Lockhart-Martinelli parameter and is affected by the gas densiometric Froude number and the gas to liquid density ratio. Then the quantitative relationship between the two-phase mass flow coefficient and the Lockhart-Martinelli parameter, the gas densiometric Froude number and the gas to li

8、quid density ratio is obtained, based on which the correlation for the wet gas flow measurement is developed. The differential pressure response of the front and back cone of the V-Cone to the wet gas is investigated and the parameters affecting the different responses are also discussed, and finall

9、y the wet gas correlation to meter the gas and liquid mass flow rate is concluded. In the present cases, the relative error of the gas mass flow rate predicted by the correlation is within 5.0% and the average relative error is 2.2%; the relative error of the liquid mass flow rate predicted by the c

10、orrelation is within 20.0% and the average relative error is 9.8%. The method proposed in this study possesses some remarkable performances, including simple structure, low cost and high accuracy. Key words：gas-liquid two phase flow； wet gas；V -Cone throttle device； flow metering；o nline measurement

11、 0 前言1“湿气”作为一种特殊的气液两相流， 一般把* 国家自然科学基金资助项目(51276140 )。 20150430 收到初稿， 20151216收到修改稿 Lockhart-Martinelli 参数 (L-M 参数， XLM) 不超过0.3(XLM0.3)的气液两相流称为湿气1。湿 气 广泛存在于石油、化工、核能、制冷及冶金等工业 过程中，其流量的测量对工业生产具有十分重要的意义2-3，例如，在天然气开采过程中，地层中存在游离水以及重碳氢化合物在压力降低时冷凝形成凝析液，因 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 8 期期 192 此，在集输管道中形成了 湿天然气流。气井单井气液在

12、线计量对气田开发和生产管理都具有十分重要的意义。单井的气液流量 是气田开发地质所需录取的重要气井动态资料，是制定气井生产计划和操作要求的依据之一，同时也是气田管理人员和地质研究人员了解气田的气藏分布、 动态特性、产能结构，进行数值分析必需的基础资料4。目前测量湿气流量主要采用分离方法和在线测量法，其中在线测量法由于无须对湿气进行气液 分离而直接测量流量，可以实时测量，效率高，装置相对简单， 是近年来研究的重点。 从 1962 年 MURDOCK5发表了第一个针对孔板流量计的湿气测量模型开始， 经过不断发展6-12，出现了很多针对 差压节流装置的湿气流量测量模 型13。但是，这些测量模型并不能直

13、接用于测量湿气流量，需要通过一些辅助的测量方法 (如示踪法、相含率测量法等 )获得湿气中液相的含量，然后根据模型获得气相的 流量1。因此，要实现实时在线测量必须与其他的传感器 (流量计 )进行组合。目前，绝大多数湿气测量方法都采用了常规仪表组合式测量方法，包括不同差压式流量计 (孔板、文丘里管、V锥等 )的串联组合14-17，差压流量计与其他非差压式流量计 (电容传感器、声纳传感器、微波技术及涡街流量计等 )的组合18等。此外，一些商业化的气液两相流量计，如英国 Solartron ISA公司基于双差压原理的 Dualstream 装置19，挪威的 Roxar公司基于微波技术和差压技术的 Ro

14、xar气液两相流量计20以及美国 Agar公司利用涡街流量计和双文丘里管开发的气液两相测量装置21等，均是采用了组合式的测量方法。但是，上述组合式的湿气测量装置结构复杂，成本太高，制约了其推广应用，尤其是在低产天然气井单井等要求测量设备成本较低的场合。因此，建立更加稳健的湿气在线测量方法，简化测量系统，开发成本低廉、精度较高的湿气测量装置具有重要的理论研究意义和迫切的工业需求。 差压流量计测量湿气的研究主要集中在孔板和文丘里管流量计，而 V锥节流装置具有精度高、重复性好、量程比宽、直管段要求低及信号稳定等优点22， 目前受到了越来越多的关注。由于水平管中的湿气流型多为光滑分层流、波状分层流和环

15、雾状流，其流型特点表现为液相集中在管壁附近，气相分布在水平管的上半部分与管道中心。与孔板和文丘里管相比， V锥节流装置独特的锥形节流结构可以大大降低了对湿气流型的破坏作用，减小了差压测量的波动，使测量更加平稳、准确。因此， V锥节流装置在湿气测量领域具有广阔的应用前景。 本文旨在研究一种基于单个 V锥节流元件的湿气流量在线测量方法及装置。首先，提出 V 锥差压节流装置的两相 质量流量系数，并建立基于该系数的湿气流量测量 模型；之后，试验研究了湿气含液量、气相流量及管线压力对两相质量流量系数的影响，并获得相应的拟合关联式；最后，分析了该方法的气液流量测量效果。 1 测量原理 1.1 湿气气相测量

16、模型 假设流经水平安装节流装置的湿气是无黏的，同时为不可压缩和可逆流动，并将湿气视为准单相流。 由连续性方程和伯努力 (Bernoulli)方程可得湿气的理论质量流量 2www,t421Apm=(1) 式中， 为节流装置的节流比，tAA = ； At和 A分别为最小的流通截面积和管道横截面积； w为湿气的混合密度； pw是湿气流经节流装置时的压差。 由于湿气的混合密度 w与湿气流型、截面含气率等参数密切相关，实际测量中很难准确获得。若采用气相密度 g来代替，此时的表观湿气流量 ma为 2gwa421Apm=(2) 值得注意的是采用气相密度来代替湿气密度会带来额外的测量误差。此外，节流装置 的流

17、出系数 (Cd)以及气体可膨胀 (压缩 )系数 ()也直接影响测量的准确性。因此，本文采用两相质量流量系数 K来修正测量误差23。 K定义为 glwaammmKmm+= =(3) 式中， mw为湿气的真实流量，为湿气中气相质量流量 (mg)和液相质量流量 (ml)之和。 湿气测量中一般用 XLM来表征液相相对含 率 的大小，其定义为 湿气中的 液相单独流过管道时的惯性力与气相单独流过管道内时的惯性力比值的平方根， XLM一般写成式 (4)1gglgl l1LMm xXmx= = (4) 式中， l为液相密度； x为质量含气率， x=mg/mw。 由式 (2) (4)可得气相质量流量测量模型 月

18、 2016 年 4 月 贺登辉等：基于单 V 锥节流装置的湿气气液流量在线测量 193 agLM g l1mKmX =+(5) 式 (5)即为基于两相质量 流量系数 K 的湿气 气相 流量测量模型。 由湿气气相流量测量方程式 (5)可知， K和 XLM是未知参量，在确定 K和 XLM之后，即可获得气相质量流量。然而， K和 XLM均受气和液相流量的影响，在实际测量中这两个参数均是未知的。因此，必须建立辅助的测量关联式来使得测量方程式 (5)封闭，才能获得湿气中气相流量，进而得到液相流量。 1.2 双差压法测量原理 对于如图 1 所示的 V锥节流装置，除了传统的前差压 (p1)外，其后差压 (p

19、2)也包含测量流体的一些流动信息，同时测量前后差压，分别建立它们与流动参数之间的关系，是进行气液流量双参数测量的重要途径之一。根据两相质量流量系数 K的定义 (式 (3)， V锥 节流装置的前差压 p1和后差压 p2对应的两相质量流量系数分别为 K1和 K2。若 K1和K2随参数变化 (如气、液流量、气相密度等 )具有一定的差异性，则该差异性 与其影响参数之间关系可采用式 (6)表示 ( )g lg= ,fmm (6) 通过试验获得式 (6)， 然后 结合式 (5)即可获得气相和液相质量流量。 图 1 V 锥节流装置压差测量示意图 2 试验装置及方法 2.1 V锥试验段 V锥节流装置试验段 如

20、图 2 所示，其节流元件由一对 V形锥 (前锥体和后锥体 )相连，并由 L形支撑杆连接固定到管壁上，该支撑杆位于节流装置高压取压口 (p1)的下游； 低压取压口 (p2)位于 后 锥顶点处，穿过两个锥体经由支撑杆引出至管道 外；恢复 图 2 V 锥试验段及取压示意图 压力取压口 (p3)位于节流元件的下游。该 V锥 试验段内径 D为 50 mm，节流比 =0.55。 2.2 试验系统及方法 试验系统如图 3 所示。试验 介质为压缩空气和自来水。螺杆式空气压缩机提供的压缩空气经过冷干机降温除湿 以及过滤器过滤 后， 由 两台精度为0.5%气相质量流量计进行计量。试验过程中，根据试验参数选择不同量

21、程的流量计。储水罐中的自来水由水泵泵送至液相流量计进行计量，一台电磁流量计 (精度为 0.2%)和两台液体质量流量计 (精度为0.1%)用来测量参考水量，根据试验条件采用不同量程的流量计。经 流量计计量后的气和水进入气液混合器实现充分混合，混合器出口至试验段 进口的直管段为 100D， 以保证气液的充分混合和流 动的充分发展。试验段出口的气液混合物由气液分离器进行分离后，空气直接排入大气中，水进入储水罐进行循环利用。 图 3 试验系统图 V锥试验段上游压力 p1由精度为 0.075%的Rosemount 3051CG型压力传感器测量，前差压 (p1)和后差压 (p2) 由 精度为 0.075%

22、 的 Rosemount 3051CD型差压传感器测量。湿气温度由 Pt100 温度传感器测量，其精度为 0.15 。测量数据由 NI USB-6229 数据采集系统和基于 LabVIEW的测量软件获得。 试验方案如表 1 所示。 由湿气定义可知，有少量试验工况超出了湿气范围 (XLM 0.3)。 表中， R为气液密度比， R=g/l； GVF为体积含气率； Frg为气体密度弗鲁德数，其定义为式 (7)，其中， Usg和 Usl分别为气液表观气速，表示湿气中 气体或液体单独流经管道内的平均流速 (式 (8)、 (9) sg gglgUFrgD=(7) gsg2g4mUD =(8) 机 械 工

23、程 学 报 第 52 卷第 8 期期 194 lsl2l4mUD =(9) 测试的 工况在 Mandhane流型图24上的分布如图 4 所示。可知， 试验工况包含了湿气的主要流态，即分层流、波状分层流和环状流三种流型 ，另外还有少数工况属于弹状流型 。 表1 试验参数表 节流比 压力 p/MPa 气液密度 比 R气体密度 弗鲁德数 FrgL-M参数 XLM体积含气率 GVF (%) 0.55 0.10 0.002 445 0.5 2.0 0.01 0.31 98.48 99.98 0.20 0.003 656 0.5 1.5 0.01 0.31 98.13 99.95 0.30 0.004 8

24、70 0.3 1.2 0.01 0.34 97.66 99.93 0.40 0.006 083 0.3 1.2 0.01 0.33 97.52 99.92 注：表中压力为表压，即相对压力。 图 4 试验工况在 Mandhane 流型图上的分布 3 结果及分析 3.1 两相质量流量系数 试验研究了 L-M参数 XLM、气体密度弗鲁德数Frg和 气液密度比 R对前差压对应的两相质量流量系数 K1的影响规律 。 在一定的 Frg和 R下， K1与 XLM呈良好的线性增加关系 (图 5 和图 6)， 用式 (10)表示 1 LMK kX b= + (10) 式中， k是斜率 ； b是截距。 k受压力和

25、气体密度 弗鲁德数的影响 ， b是干气条件下 (ml=0 和 XLM=0)的气体流量系数，gabmm=。 在一定的 Frg下， K随 R的增大而减小 (图 5)，因此， k也随着 R的增大而减小。而 R不变时， K1也随 Frg的增大而减小 (图 6)。 采用 TableCurve 3D软件拟合，得到 k与 R及 Frg的关系如式 (11)所示 ggl0.505 80.138 6 0.485 5k Fr=+(11) 图 5 气液密度比的影响 图 6 气相密度弗鲁德数的影响 月 2016 年 4 月 贺登辉等：基于单 V 锥节流装置的湿气气液流量在线测量 195 又由图 7 中 b随气体 雷诺数

26、 Reg(Reg=gUgD/g)的变化可知， b可 近似采用 其平均值， b=0.804 9。此时， b的相对偏差为 3.6% 2.9%。故 V锥节流装置前差压对应的两相质量流量系数 1 g LMgl0.505 80.138 6 0.485 5 0.804 9K Fr X=+ +(12) 至此，获得了 K1的主要影响参数及其关联式，下面将探讨 XLM。 图 7 b随气相雷诺数Reg的变化 3.2 XLM的确定 对于本文研究的 V锥试验段 (图 2)，其前差压(p1)和后差压 (p2)对应的两相质量流量系数分别为 K1和 K2。由 图 8 可知， K1和 K2随参数变化测量特性不同，其他条件相同

27、的时， K2K1。该差异特性可表示为 21=KK (13) 研究发现：湿气的质量含气率 x 与 具有单调递减关系，并且受气液密度比和气体密度弗鲁德数的影响较小 (图 9)。该关系可采用式 (14)表示 ( )0.931 40.532 1x = (14) 图 8 V 锥节流装置两相流量系数差异性比较 图 9 质量含气率随两相质量流量系数差的变化 由质量含气率 x与 XLM的关系式 (4)可得 ( )( )0.931 4gLM0.931 4l1 0.532 10.532 1X= (15) 式 (15)即为 XLM的关联式。湿气气、液两相质量流量测量流程图如图 10 所示。 图 10 湿气气、液两相

28、质量流量测量流程图 3.3 误差分析 相对误差 按式 (16)计算 机 械 工 程 学 报 第 52 卷第 8 期期 196 prr100%mmm= (16) 式中， mp为采用本文提出的测量方法获得的质量流量； mr为参考质量流量。 V内锥节流装置在工作压力为 0.10 0.40 MPa下，采用本文的方法测得的气液相质量流量的 相对误差如图 11 所示。 除个别数据点外，气相质量流量相对误差小于 5.0%，平均误差为 2.2%；当 XLM0.025 时，除个别数据点外，液相质量流量相对误差小于 20.0%，平均误差为 9.8%。 图 11 气相和液相质量流量 测量 相对误差 4 结论 (1)

29、 采用两相质量流量系数 对 V 锥节流装置湿气流量测量误差进行校正。试验结果表明，该系数随洛克哈特 -马蒂内利参数 增加而线性增大， 随气体密度弗鲁德数和 气液密度比增大而减小。 (2) 获得了两相 质量 流量系数与 洛克哈特 -马蒂内利参数、气体密度弗鲁德数和气液密度比的定量关系，建立了湿气气相 流量预测关联式 。 (3) 利用 V 锥节流装置前后锥体对对湿气具有不同的差压响应特性，建立了单节流元件双差压的湿气、气液流量双参数测量方程。在本文试验范围内，气相质量流量 相对误差 小于 5.0%，平均误差为 2.2%；当洛克哈特 -马蒂内利参数大于 0.025 时，液相质量流量相对误差小于 20

30、.0%，平均误差为9.8%。 该方法系统简单、成本低廉、精度较高，具有良好的工业应用前景。 参 考 文 献 1 ASME. Wet gas flowmetering guideline ，MFC-19G-2008R. New York： The American Society of Mechanical Engineers， 2008. 2 FALCONE G， HEWITT G F， ALIMONTI C. Multiphase flow meteringJ. Developments in Petroleum Science，2009， 54： 229-237. 3 NFOGM. Han

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