基于能量方程的體積含氣率測量

基于能量方程的體積含氣率測量

總結(jié)1體積含氣率模型相含率根據(jù)兩相流1號穩(wěn)定流動的變量方程出發(fā)，得到兩相流的真實(shí)密度與各相流的含氣量之比。然而，對于兩相流量的測量，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)定流動時的能量方程為可見,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方向相反。實(shí)際中的兩相流動與分相流模型有差別,可以通過實(shí)驗(yàn)予以修正。對于U形管垂直上升段和下降段,當(dāng)流動狀態(tài)為等截面直管內(nèi)的穩(wěn)定流動時,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)量含氣率可通過三相流裝置的標(biāo)準(zhǔn)表獲得。體積含氣率的測量誤差見圖3。從圖3可以看出,體積含氣率測量誤差隨質(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,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,流型為環(huán)霧狀流,質(zhì)量含氣率<0.5時,流型為混塊狀流。環(huán)霧狀流動時,U形管兩管段內(nèi)流型基本一致,因此前面對摩阻壓降的假設(shè)近似成立;而當(dāng)流型為混塊狀流時,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,造成測量誤差增大。所以要準(zhǔn)確測量體積含氣率應(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)行在線流型識別,而準(zhǔn)確的在線流型識別目前仍具有一定困難,對于不同流型的過渡過程的判別則更加困難。因此本文沒有采用這種方法進(jìn)行修正。3.2流動密度誤差的測量通過研究體積含氣率測量誤差與質(zhì)量含氣率、體積含氣率、兩相流體的流動密度等參數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn),體積含氣率測量誤差與流動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量誤差與流動密度的關(guān)系曲線,測量誤差隨流動密度的增加呈負(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,這說明體積含氣率測量誤差與流動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,可近似認(rèn)為是常數(shù)。因此,平均密度測量值[式(8)]與體積含氣率相對誤差[式(9)]都只是體積含氣率測量值的線性函數(shù),故平均密度與體積含氣率測量相對誤差(EGVF)之間也為近似線性關(guān)系。這實(shí)際上提供了一種測量小范圍變化的信號的一種方法。首先選擇一個與被測量有關(guān)的容易測得的量,求出該量與被測量之間的相對誤差。再分析該量與相對誤差之間的關(guān)系,如果是比較固定的線性關(guān)系。則可以通過線性擬合求出相對誤差,反過來修正測量結(jié)果,使測量精度提高。本文即采用這種方法來修正體積含氣率測量值。式(10)即為體積含氣率測量誤差與流動密度的擬合關(guān)系式修正的體積含氣率可通過式(11)求得圖5為修正體積含氣率測量誤差與質(zhì)量含氣率關(guān)系。可見,通過簡單的線性關(guān)系式修正后測量誤差明顯減小,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)證通過流動密度測量值修正體積含氣率測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流動密度測量值與體積含氣率通過以上分析得出,流動密度測量值與體積含氣率測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狀態(tài)下,氣相的流速及實(shí)驗(yàn)流型對這種線性關(guān)系影響很小,體積含氣率測量誤差與流動密度測量值之間是線性單值函數(shù)。利用U形管測量體積含氣率,并通過流動密度測量值進(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——測量段高度,mΔPdown,ΔPup——分別為下降段、上升段測得的壓差,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——體積含氣率測量值,%ρg,ρl——分別為氣相、液相的密度,kg·m-3ρ0——兩相流體流動密度,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),目前國內(nèi)外對兩相流相含率的測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)探針法等。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動態(tài)壓降信號的影響;張宏建等利用氣液兩相流差壓波動信號與空隙率之間的關(guān)系,建立了差壓波動信號均方根與空隙率的關(guān)系式,提供了一種間接測量空隙率的方法。羅毓珊等采用一種簡單的差壓式測量方法進(jìn)行了兩相流相含率測量的研究,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)系來獲得相含率。圖6為體積含氣率測量誤差與流動密度的關(guān)系驗(yàn)證曲線,從圖中可看出體積含氣率測量誤差與流動密度測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,體積含氣率測量誤差與流動密度測量值之間是