（测试计量技术及仪器专业论文）基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究.pdf

博士论文基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 摘要 随着海洋、沙漠及边远油气田的开发，由于开发成本、安装空间和优化管理的要 求，迫切需要开发适应性强、低成本的在线湿气流量计替代昂贵笨重的计量分离器。 把成熟的单相气体流量计用于湿气计量一直是国内外研究的热点。本文将槽式孔板和 旋进漩涡流量计这两种成熟的气体流量计用于湿气计量技术的研究，主要研究成果如 下： ( 1 ) 通过对不同流型的湿气流经管道时诱发的管道振动特性的实验研究，提出 了基于流体诱发振动的非接触式在线湿气流型识别新方法。通过安装于测试管道外壁 的振动传感器测量不同流型下湿气流诱发的振动信号；采用小波包分析提取了表征流 型变化的振动信号的能量特征向量；分别建立了基于径向基函数网络、概率神经网络、 支持向量机的水平管湿气流型识别模型。这三种模型对实验样本都有较高的流型识别 率。 ( 2 ) 对不同孔径比的槽式孔板的湿气流计量性能进行了研究，确定了“虚高 与l m 参数x 、气体富劳德数、密度比和孔径比等无量纲参数显著相关，提出了 两个槽式孔板湿气气相计量修正模型，计算精度优于其它修正模型，可用于湿气气相 流量计量。 ( 3 ) 首次对旋进漩涡流量计的进动频率的湿气流计量性能进行了研究。当 o 1 2 时，由于进动频率失效，不能用于湿气气相流量计量；当0 1 2 时， 进动频率呈现负偏差，并提出了基于进动频率的旋进漩涡流量计湿气气相计量模型， 经该模型修正后的气相质量流量相对误差在9 5 4 的置信度下小于5 ，可用于 x 0 1 2 的湿气气相流量计量。 ( 4 ) 首次对旋进漩涡流量计的差压的湿气流计量性能进行了研究，发现其与“文 丘里具有类似的“虚高特性，并提出了基于差压的旋进漩涡流量计湿气气相计量 模型。经该模型修正后的气相质量流量相对误差在9 6 4 的置信度下小于5 ，可用 于湿气气相流量计量。 ( 5 ) 采用两个不同类型的流量传感器槽式孔板的差压与旋进漩涡流量计的 进动频率组合，进行了湿气两相计量技术的研究，并给出了两相流量迭代求解方法、 步骤。实验结果表明：气相质量流量相对误差在8 9 2 的置信度下小于6 ，液相质 量流量相对误差在1 0 0 的置信度下小于2 0 ，可用于五w 0 1 2 的湿气两相流量计 且 里o ( 6 ) 采用旋进漩涡流量计的两个不同类型的输出信号差压与进动频率组合， 进行了湿气两相计量技术的研究，并给出了两相流量迭代求解方法、步骤。实验结果 l 摘要博士论文 表明：气相质量流量相对误差在9 1 3 的置信度下小于8 ，液相质量流量相对误差 在8 9 2 的置信度下小于2 0 ，可用于o 1 2 的湿气两相流量计量。这种方法 只需要利用一个流量计就可实现湿气两相流量计量，从安装、使用、维护等方面都具 有更高的性价比。 关键词：湿气计量，流型识别，流体诱发振动，槽式孔板，旋进漩涡流量计 博士论文 基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 a b s t r a c t w i t ht h ea d v a n c i n go fe x p l o i t a t i o no fo i la n dn a t u r a lg a sf i e l di n t oo f f s h o r e ， d e s e r ta n dr e m o t ea r e a s ，i te x t r e m e l yd e s i r a b l et oh a v eaw e tg a sm e t e r i n gs y s t e mt h a ti s c a p a b l eo fp r o v i d i n gc o s te f f e c t i v e ， c o m p a c ti ns i z e ，a n do n l i n em e a s u r e m e n to fw e t g a sw i t hs u f f i c i e n ta c c u r a c yt or e p l a c eab u l k ya n dc o s t l yt e s ts e p a r a t o r , i nt e r m so f c o s t s a v i n g s ，p r o d u c t i o no p t i m i z a t i o n , f i e l dm o n i t o r i n ga n dr e s e r v o i rm a n a g e m e n t t h em e t h o d e m p l o y i n gm a t u r eg a sf l o w m e t e r st om e t e rw e tg a sh a db e e na n d s t i l li sah i g h l yf o c u s e d s u b j e c tf o rm a n yr e s e a r c h e r sa r o u n dt h ew o r l d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t w om a t u r eg a s f l o w r n e t e r , n a m e l yas l o t e do r i f i c ea n das w i r l m e t e r , a r ee m p l o y e dt om e t e rw e tg a s t h e m a i nc o n t r i b u t i o n sc a nb ee n u m e r a t e da sf o l l o w s ： f i r s t , an o v e ln o n i n v a s i v ea p p r o a c h , b a s e do nf l o w - i n d u c e dv i b r a t i o n , t ot h eo n l i n e f l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o nf o rw e tg a sf l o wi nah o r i z o n t a lp i p e l i n ei sp r o p o s e d t h e f l o w - i n d u c e dv i b r a t i o ns i g n a l sw e r em e a s u r e db yat r a n s d u c e ri n s t a l l e do no u t s i d ew a l lo f p i p e ，a n dt h e nt h en o r m a l i z e de n e r g yf e a t u r e sf r o md i f f e r e n tf r e q u e n c yb a n d si nt h e v i b r a t i o ns i g n a l sw e r ee x t r a c t e dt h r o u g hw a v e l e tp a c k a g et r a n s f o r m t h et h r e ec l a s s i f i e s ， n a m e l yt h er b fn e u r a ln e t w o r k , t h ep r o b a b i l i s t i cn e u r a ln e t w o r k , a n ds u p p o r tv e c t o r m a c h i n ec l a s s i f i e r s ，a r er e s p e c t i v e l yc o n s t r u c t e dt oi d e n t i f yw e tg a sr e g i m e s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h et h r e ec l a s s i f i e r sc a ni d e n t i f yf l o wr e g i m e se f f e c t i v e l y s e c o n d , r e s e a r c h e si n t ot h ew e tg a sf l o wp e r f o r m a n c eo ft h eh o r i z o n t a l l yi n s t a l l e d s l o t t e do r i f i c em e t e rw e r ep e r f o r m e d a f t e rs t u d y i n go ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e o v e r - r e a d i n ga n dl o c k h a r t m a r t i n e l l ip a r a m e t e rx 嘲，g a sf r o u d en u m b e r , t h eg a s t o l i q u i dd e n s i t yr a t i oa n db e t ar a t i o ，t w on e wm e t e r i n gc o r r e l a t i o n sf o rl o w - p r e s s u r ew e tg a s f l o wa r ep r o p o s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t ea c c u r a c yo ft h ec o r r e l a t i o n sa r e h i g h e rt h a na l lo ft h ep r e v i o u so n e s ，a n dt h e r e f o r et h e yc a l lb eu s e dt om e t e rt h eg a sf l o w r a t ef o rw e tg a sf l o w t h i r d ，t h ew e tg a sf l o wp e r f o r m a n c eo fas w i r l m e t e rb a s e do nv o r t e xp r e c e s s i o n f r e q u e n c yw a su n i q u e l yi n v e s t i g a t e d w h e n 0 12 ，t h ef l o w r n e t e rf a i l e dt om e t e rt h e g a sf l o wr a t ed u et od i s a p p e a r a n c eo fv o r t e xp r e c e s s i o n w h e n o 12 ，t h ee n t r a i n e d l i q u i di nag a ss t r e a mt e n d st oi n d u c ean e g a t i v eb i a si nt h eg a sf l o wr a t er e a d i n go f t h e s w i r l m e t e r , a n dt h e r e f o r eam e t e r i n gc o r r e l a t i o ni sp r o p o s e db yu s i n gt h es u r f a c e f i t t i n g t e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h ec o r r e l a t i o ni m p r o v e st h eg a sf l o wr a t ep r e d i c t i o ne r r o r so f t h ew e tg a sf l o wt ow i t h i n 士5 a tac o n f i d e n c el e v e l9 5 4 ，a n dt h e r e f o r ei tc a nb eu s e dt o m e t e rt h eg a sf l o wr a t ef o rw e tg a sf l o wa tx 嗽s q 1 2 i i i 博士论文 f o u r t h , t h ew e tg a sf l o wp e r f o r m a n c eo fas w i r l m e t e rb a s e do nd i f f e r e n t i a lp r e s s u r e w a su n i q u e l yi n v e s t i g a t e d i ts h o w st h a tt h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r eo fs w i r l m e t e rh a ss i m i l a r m e t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c st ot h a to fv e n t u r it u b e ，a n da n dam e t e r i n gc o r r e l a t i o ni sp r o p o s e db y u s i n g t h es u r f a c e f i t t i n gt e c h n o l o g y t h er e s u l t ss h o wt h ec o r r e l a t i o ni m p r o v e st h eg a sf l o w r a t ep r e d i c t i o ne r r o r so ft h ew e tg a sf l o wt ow i t h i n 士5 a tac o n f i d e n c el e v e l9 6 4 ，a n d t h e r e f o r ei tc a nb eu s e dt om e t e rt h eg a sf l o wr a t ef o rw e tg a sf l o w f i f t h , an o v e la p p r o a c ht om e t e ri n d i v i d u a lf l o wr a t e sf o rw e tg a sb yu s i n gt w o d i s s i m i l a rf l o ws e n s o r s ，i e as l o t e do r i f i c ea n das w i r l m e t e r , i sp r o p o s e d t h es t e p so f i t e r a t i v es o l u t i o no f o b t a i n i n gi n d i v i d u a lf l o wr a t e sa r ea l s og i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a t t h ep r o p o s e da p p r o a c hp r e d i c t st h eg a sm a s sf l o wr a t ew i t h i n 士6 a tac o n f i d e n c el e v e l 8 9 2 ，a n dt h eg a sm a s sf l o wr a t ew i t h i n 士2 0 a tac o n f i d e n c el e v e l10 0 ，a n dt h e r e f o r e i tc a nb eu s e dt om e t e ri n d i v i d u a lf l o wr a t e sf o rw e tg a sf l o wa tx 晰sq 1 2 s i x t h , an o v e la p p r o a c ht om e t e ri n d i v i d u a lf l o wr a t e sf o rw e tg a sb yu s i n gt w o d i s s i m i l a ro u t p u ts i g n a l so fas w i r l m e t e r , i e v o r t e xp r e c e s s i o nf r e q u e n c ya n dd i f f e r e n t i a l p r e s s u r e ，i sp r o p o s e d t h es t e p so fi t e r a t i v es o l u t i o no fo b t a i n i n gi n d i v i d u a lf l o wr a t e sa r e a l s og i v e n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hp r e d i c t st h eg a sm a s sf l o wr a t e w i t h i n 士8 a tac o n f i d e n c el e v e l91 3 ，a n dt h eg a sm a s sf l o wr a t ew i t h i n 士2 0 a ta c o n f i d e n c el e v e l8 9 2 ，a n dt h e r e f o r ei tc a l lb eu s e dt om e t e ri n d i v i d u a lf l o wr a t e sf o rw e t g a sf l o wa tx 嘣s q 1 2 i nv i e wo fi n s t a l l a t i o n , m a i n t e n a n c ea n dc o s t , t h ep r o p o s e d a p p r o a c hi sc o s t - e f f e c t i v ed u et ou s i n go n l yaf l o ws e n s o r k e yw o r d ：w e tg a sm e t e r i n g ，f l o wr e g i m ei d e n t i f i c a t i o n , f l o w i n d u c e dv i b r a t i o n ，s l o t e d o r i f i c e 。s w i r l m e t e r i v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：垒鳞抠玉移年石月彳日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 垒丛拉 鼢乒年月落，日 博士论文基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 1 绪论 1 1 研究背景及意义 二十世纪以来，受核工业、石油天然气工业、动力、航空等工程领域的需求推 动，多相流计量技术得到了迅猛发展i l 彩】。特别是随着海洋、沙漠、极地及其边远地 区油气田的开发建设和老气田的技术改造，对简化工艺流程，降低生产成本，提高气 藏和气井的科学管理水平以及操作决策的最优化等方面都提出了更高的要求，迫切需 要采用在线、实时、不分离的多相流量计替代现在广泛使用的昂贵笨重的多相分离计 量装置【6 d 5 1 。但是，由于多相流的动力学特性极其复杂，多相流计量问题在国际上还 没有得到满意的解决，远不能满足工业的需要，多相流计量技术因此也成为国内外研 究的热点课题，引起越来越多的油气生产者、研究者和流量计生产厂商的关注。 湿气流是一种气相占绝大多数的特殊气液两相流，广泛存在于高压蒸汽、低温 制冷工质、湿天然气等多种工程技术领域中。推动湿气计量技术研究的主要动力源于 以下几方面： ( 1 ) 首先开始湿气计量技术研究和应用的是各种以高温水蒸气作为动力来源或 热能传输手段的工业应用( 湿蒸汽) 3 6 - 3 9 ，包括发电站、冶金、化工行业、地热开采 以及石油行业的稠油热采等，为了保证系统安全运转，提高能源的利用效率，这些应 用大多数都需要对含水水蒸气的含水量和流量进行不同程度的测量。 ( 2 ) 世界天然气工业的发展促进和加快了湿气( 湿天然气) 计量技术的研究和 应用 2 7 - 3 5 j 。近年来，世界天然气工业发展很快，除传统的俄罗斯、中东与欧洲北海地 区以外，中国在塔里木、渤海湾、东海等地相继发现了大型气田。天然气在从单井开 采到多井集输、净化处理、增压输送的过程中，均涉及湿天然气计量。在气田开采过 程中，天然气的产出在大多数情况下总是伴随着液态烃、游离水和饱和水蒸气的产出， 现场实时测得的数据对油气藏、油气井的科学管理和操作决策的优化具有重要意义。 在天然气长输管道( 西气东输等) 中，由于沿途温度、压力的变化会出现相变化( 尤 其是凝析天然气) 而凝析出一些液态烃、水等。 ( 3 ) 空调等致冷设备中的致冷剂( 如氟利昂等) 气液两相流的测量需求。 目前促进湿气计量技术发展的主要动力是世界天然气工业发展，特别是海洋、 沙漠、极地以及其它边远地区油气田的开发，由于开发成本、安装空间和优化管理的 要求，迫切需要采用在线、不分离湿气流量计替代现在广泛使用的昂贵笨重的气液分 离计量装置。本文研究的重点是湿天然气计量技术的研究。 虽然液相成份的体积含量通常不到1 0 ，但是由于液相的存在增加了湿气的流 动不稳定性，其动力学特性极其复杂，使湿气计量问题在国际上还没有得到满意的解 1 l 绪论博士论文 决。目前，主要采用传统的计量分离器对气液两相进行完全分离，然后用单相流量计 分别计量气、液流量，生产流程复杂、造价高，特别不适用于海洋、沙漠、极地及其 边远地区油气田；部分也采用单相气体流量计直接用于湿气气相流量计量，但液相含 量增大时误差很大，甚至不能计量；国内外现有的多相流量计大都只适用于含液率为 1 0 0 o - 9 0 的油气水三相流计量，如果直接用来计量含液率小于1 0 的湿天然气，由 于含液率超出其适用范围，不确定度太大，不能满足工业现场应用要求。国外能够提 供湿气流量计的厂商非常有限，但是由于对工况变化的适应性不强、价格昂贵，至今 还没有一种产品能够占据明显的技术优势与市场优势；而国内的湿气流量计的研制还 处于起步阶段。因此，研究适应性强、低成本的在线湿气流量计成为国内外研究的热 点，特别是研制具有自主知识产权的湿气流量计也是当前我国石油天然气工业生产所 迫切需要的【j 川。 1 2 湿气流及基本参数 1 2 1 湿气流基本参数 在两相流动过程中，由于气液相间存在着复杂的相界面变化和相对速度，并且 相界面在时间和空间上都是随机变化的，同时气体的可压缩性也增加了两相流动的复 杂性，使得其流动特性要比单相流复杂得多，描述其特性的参数也比单相流多，整个 系统是非平衡的，只在某一特定条件下相对稳定，这就给气液两相流动的研究带来很 多困难3 9 。4 2 】。湿气流是一种气相占绝大多数的特殊气液两相流，下面介绍与本文有关 的一些湿气流参数【1 4 2 他9 1 。 ( 1 ) 气相含率 扎气相质量含率x 气相质量含率x ，又称干度，用于描述两相流中气液质量相对含率的一个无量纲 参数，在发电站、冶金、化工行业、地热开采等使用蒸汽的工业中常用于描述湿蒸汽 的气相质量含率，表示气液两相混合流体中气相质量流量与两相总质量流量的比值， 即 x ：旦：l ( 1 1 ) g g 。+ g ， 式中：g 。、g ，、g 分别为气相质量流量、液相质量流量和总质量流量，k g s 。 b 气相体积含率p 气相体积含率卢，用于描述两相流中气液体积相对含率的一个无量纲参数，表 示在工况条件下，气液两相混合流体中气相体积流量与两相总体积流量的比值，即 2 博士论文 基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 卢= q q x1 0 0 = 彘1 0 似 2 ， q 皱+ q 式中：皱、g 、q 分别为气相体积流量、液相体积流量和总体积流量，m 3 s 。 c 气相截面含率口 截面气相含率仅，又称孔隙率，用于描述气液相对含率的一个无量纲参数，表 示在管道的某一流动横截面上气相所占截面面积与总流通面积的比值，即 a ：垒= 垒 ( 1 3 ) 么 以+ 4 式中：么。、4 、a 分别为气相所占截面面积、液相所占截面面积、总流通面积， 时； d l o c k h a r t - m a r t i n e l l i 参数x l m l o c k h a r t m a r t i n e l l i 参数魁m ，用于描述两相流中气液相对含率的一个无量纲参 数，表示液体惯性力与气体惯性力的比值的平方根，与气液两相质量流量、气液相密 度之比有关，在石油天然气工业经常采用这个参数反映气液相对含率，即 x 。：堕堡堡孽李：旦lf 盟 ( 1 4 ) 2 葡薅砑2 虿育 u 一7 式中：以、p t 分别为气、液相密度，k g m 3 。 ( 2 ) 气体富劳德数见 气体富劳德数见，是气体惯性力与液体重力的比值，表征流体动能与位能之间 的关系，在重力条件下用于描述气相流量大小，即 。f 气体惯性力 f r g = 百而2 莎 g 。 = _ a 0g d ( 1 5 ) 式中：为气相折算速度，r n s ；a 为管道横截面积，1 1 2 ；d 为管道内部直径， m ；g 为重力加速度，r w s 2 。 ( 3 ) 气液密度比砩 研究 4 6 鹕1 发现，很多流量计在湿气流中的计量性能与压力有关，由于压力变化 对气相密度的影响显著，而液相密度变化很小，所以通常用一个无量纲的参数气 液密度比d r 来表示压力变化的影响，即 d 。= 丝 ( 1 6 ) “ 矶 l 绪论 博士论文 1 2 2 湿气流的定义及分类 ( 1 ) 湿气的定义 湿气流是一种气相占绝大多数的特殊气液两相流。但是，对于湿气的准确含义 国际上还没有统一的定义，到底气相含率占多少可以认为是湿气，这在不同行业、不 同国家( 或地区) 有不同的解释。根据所采用的气相含率参数的不同，有三种湿气定 义常被国际上采用【1 ，2 2 6 ，2 7 】： 定义一：将o 3 的气液两相流定义为湿气； 定义二：将气相体积含率卢9 0 的气液两相流定义为湿气； 定义三：将气相质量含率x 0 5 的气液两相流定义为湿气。 但是，这三种定义的气相含率并不是等同的。其中，定义一和定义二常用于油 气工业湿天然气的研究，定义三常用于湿蒸汽的研究。其中，、卢、x 的相互关 系为： 2 孚居2 生x v 皿p t 7 ， 卢= 盟 一p g = - _ _ _ ：_ _ 一 旦+ 一1 - x p g x ( 1 8 ) = 硐1 ( 1 ” ( 2 ) 湿气的分类 美国石油学会( a m e r i c a np e t r o l e u mi n s t i t u t e ，a p i ) 2 0 0 4 年发布的一份技术报告 ( r e c o m m e n d e dp r a c t i c ef o rm e a s u r e m e n to fm u l t i p h a s ef l o w ) l l j ，根据x 的不同范 围( 也参考气相体积含率口) 将湿气分为三类： 类型i ：五w 0 0 2 ( 对大多数工业应用条件，相当于卢9 9 8 ) 。一般是液相 ( 水或凝析烃) 体积含率低于0 2 的已处理或未处理过的气体，或是由高气油比、高 温高压的气藏产出。在这个范围内，液相含率相对很小，对于大多数用于湿气计量的 单相气体流量计，液体引入的气相流量测量误差也很小，这个误差通常易被大多数工 业所接受，所以可以将单相气体流量计测得的值直接作为气相流量，而不需要进行修 正。计量这类湿天然气的主要目的是测量湿气中的气相流量。 类型i i ：0 0 2 x ：h 0 3 。凝析气藏的井口产出物一般是这类湿天然气。在这 个范围内，液量已经较大，对于大多数用于湿气计量的单相气体流量计，液体引入的 4 博士论文基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 气相流量测量误差也较大，这个误差对于大多数工业已不能接受。所以，如果采用单 相气体流量计计量湿气气相流量，必须采用湿气气相计量修正模型对气相流量进行修 正( 单参数测量) ；或采用湿气流量计对气液两相流量进行测量( 双参数测量) 。这也 是本文需要研究的重点。 类型i ：z w 0 3 。这类湿天然气的液相含率可能很高，计量的目的是获得液 体和气态烃的流量，这已经超出气体流量计和湿气流量计的测量范围，通常采用多相 流量计测量。美国机械工程师协会的湿气计量指南【l j 和挪威油气测量协会的多 相流计量手册【2 】都认为这是多相流的范围，不将这一类定义为湿气。 1 3 湿气计量技术综述 厂二二二二二厂差压式流量计：孔板、文丘里、 i单相气体流量计直接j v _ c o n e 槽式孔板等 r 仁一结合觥= = 一、 i弋 ll j 差压式流量计的差压与总压掼组合 、两相计量 l 三三_ ：二：三：三二：e ：二：二：三二二二等 图1 1 湿气计量方法分类 完全分离法：先采用气液分离器【2 8 】对气液两相进行完全分离，然后用成熟的单相 流量计分别计量气、液流量。传统的湿气计量方式就属于这一类，是将若干口气井产 出物集中到计量站，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进行 单相计量，生产流程复杂、造价高，并且是断续计量。 部分分离法：先从气液两相流中取出一小部分，然后使用一种小型的分离器将其 分离，用单相流量计分别测出各相流量，然后按照分流比例将测量值换算成整个两相 l 绪论 博士论文 流的各相流量1 2 3 , 3 0 , 1 1 4 】，意大利t e a 的v e g a 流量计【3 0 】就属于这一类。 不分离法：是一种不分离、在线湿气计量方法。由于不分离法成本、体积占有很 大优势，而且易实现在线、实时测量，成为湿气流量计研究的重点。本文主要研究不 分离湿气流量计。不分离湿气流量计的研究主要分为三类： ( 1 ) 单相气体流量计结合湿气气相计量修正模型：用于计量湿气气相流量( 单 参数测量) ； ( 2 ) 组合式湿气流量计：用于计量湿气气、液两相流量( 双参数测量) ； ( 3 ) 利用信号动态波动特征：用于计量湿气气、液两相流量( 双参数测量) 。 1 3 1 单相气体流量计计量湿气气相流量 采用这种方法主要关心的是湿气气相流量的计量，分为两种情况： ( 1 ) 单相气体流量计直接计量湿气气相流量 当湿气属于类型i 时，即置w 0 0 2 ，在这个范围内，由于液相含率相对很小， 对于大多数用于湿气计量的单相气体流量计，液体引入的气相流量测量误差也很小， 这个误差通常易被大多数工业所接受，所以单相气体流量计可以直接计量湿气流的气 相流量，不需要通过修正模型进行修正。 目前可用于这一类湿气计量的单相气体流量计主要有采用节流元件( 标准孔板、 四孔孔板、槽式孔板、文丘里、v - c o n e 等) 的差压式流量计，涡轮、涡街、超声、 科里奥利等非差压型单相气体流量计。其中，对于涡轮流量计，由于液体和脏污物对 涡轮流量计的叶片和可动部件( 轴) 易造成损坏，所以建议涡轮不能用于湿气的长期 计量，可用于短期标定其它流量计。表1 2 为用于i 型湿气相计量的一些主要的单相 气体流量计及修正前的误差1 3 5 1 。 6 表1 2 用于i 型湿气计量的单相气体流量计及修正前的误差 流量计名称 0 0 2 的体积流量误差( ) 标准孔板 1 7 2 文丘里管 0 5 v - c o n e0 1 5 涡轮流量计 0 旬7 5 超声流量计 o 一1 0 涡街流量计 0 石 科里奥利流量计 0 , - 6 ( 2 ) 单相气体流量计结合修正模型计量湿气气相流量 当湿气属于类型i i 时，即o 0 2 0 3 。在这个范围内，液量已经较大，对于 博士论文基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 大多数用于湿气计量的单相气体流量计，液体引入的气相流量测量误差对于大多数工 业已不能接受，单相干气体流量计测得的气相流量必须采用相应的湿气气相计量修正 模型修正后，才能得到实际的气相流量( 气相含率或液相流量作为修正模型的输入， 需要从外部获得) 。对于i 型湿气，如果需要提高气相流量的计量准确度，也可采用 修正模型对湿气气相流量进行修正。 单相干气体流量计与湿气气相计量修正模型相结合的湿气气相计量技术是许多 学者近年来重点研究方向之一。这方面的研究目的主要是：通过实验研究流量计的湿 气流计量性能，确定引起气相流量计量误差( 由少量液相存在而引入的误差) 的影响 因素，进而确定湿气气相计量修正模型。 1 3 1 1 差压式气体流量计计量湿气气相流量 国内外研究人员针对差压式流量计用于两相流和湿气计量，在不同实验介质、不 同实验条件下对各种节流元件的湿气流计量性能进行了大量实验研究，并提出了许多 湿气气相计量。下文介绍一些具有代表性的湿气气相计量修正模型。 由于大多数修正模型是由均相流模型和分相流模型发展而来的，下面先介绍这两 种模型。 均相流模型：假设气液两相之间混合均匀，并以相同的速度流经节流元件，气相 计量修正模型为 g g 2而丽ggapparent2万菰gg,apparent ( 1 1 0 ) 三 c = 环2 + 砍2 ( 1 1 1 ) = 仁+ 竖) 一- ( 1 1 2 ) p g p t 分相流模型：假设气液两相是不可压缩流体，两相的流量系数相同，且气液两相 完全分开地流过节流元件，各相流过孔板时的压力降等于两相流体流过孔板时的压力 降，气相计量修正模型为 g 。= o g , a p p a r e n t ( 1 1 3 ) g 、+ x 嗽 ( 1 ) 标准孔板 a m u r d o c k 模型 标准孔板是最早用于湿气计量研究的气体流量计。s c h u s t e r t 4 4 1 首先发现了标准孔 板的“虚高 现象，但没提出修正模型。1 9 6 2 年，m u r d o c k 根据来源于美国蒸汽研 7 l 绪论博士论文 究机构和油气工业的数据( 6 3 3 5 m m d 1 0 1 6 m m ， 0 1 m p a 尸6 3 m p a ， o 11 x 0 9 8 ，实验介质涉及湿蒸汽、空气水、气盐水、气液态烃等) ，进行分析 研究后，认为“虚高”与有关，过读因子与呈线性关系。基于分相流模型， 提出了m u r d o c k 模型h 5 】： g 。：垒丝 ( 1 1 4 ) 8 1 + 1 2 6 b c h i s h o l m 模型 c h i s h o l m 根据m u r d o c k 的数据，基于分相流模型，提出了c h i s h o l m 模型【4 6 ，4 7 】： g g2而a丽g,apparan ( 1 1 5 ) 三 c = d r 4 + d r4 ( 1 1 6 ) c j a m e s 模型 j a m e s 在实验的基础上，将均相流模型中平均密度计算式x 的指数由1 o 改为 1 5 t 4 8 1 ，即 门一 g g ，伽删 g g2 画意录瓦 ( 1 1 7 ) s m i t h 4 9 和林宗虎【5 0 】等也分别提出了标准孔板的两相流修正模型( 应用范围包括 湿气) 。 ( 2 ) 文丘里管【2 7 , 2 8 , 5 1 - 6 1 】 氖改进的m u r d o c k 模型 n e v e r d e e n 等1 5 1 , 5 2 1 首先将标准孔板的m u r d o c k 和c h i s h o l m 修正模型推广到文丘里 湿气计量研究中，认为这两个模型同样适用于文丘里管湿气计量。j a m i e s o n s 3 , 5 4 1 等认 为m u r d o c k 模型需要改进，将系数1 2 6 改为m 膨需要根据实验数据确定，并推广 到文丘里、v - c o n e 等其它差压流量计，即： g g _ i g 州g , a p p a r = e n t ( 1 1 8 ) 比如，1 9 9 8 年p h i l l i p s 石油公司根据4 5 m p a 的实际生产数据将文丘里修正模型 式( 1 1 8 ) 的系数m 改为1 5 ，即 q ：粤 ( 1 1 9 ) 8 1 + 1 5 x 肼 博士论文基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 b d el e e u w 模型 d el e e u w t 5 5 】分析认为w a s h i n g t o n 等给出的关于m u r d o c k 和c h i s h o l m 模型可以推 广到文丘里的结论只是一个不同压力下的巧合，虽然过读的趋势与标准孔板一致( 随 着z ，增加，过读增加；随着d 足的增加，过读减小) ，但是在同等条件下文丘里比标 准孔板的过读要大。d el e e u w 对口= 0 4 的4 英寸文丘里管分别在科佛登湿天然气现 场( 介质是天然气水，7 8 m p a p 9 8 m p a ，0 1 2 x w 0 3 4 ，0 5 见1 5 ) 和挪威s i n t e f 多相流测试中心( 介质是氮气柴油，1 5 m p a p 9 m p a ，x 0 3 ， o 5 见4 8 ) 进行了实验研究，发现文丘里的过读不但与彳，m 和风有关，而且与 见有关，随着见增加，过读增加，并在c h i s h o l m 标准孔板修正模型的基础上提出 了文丘里管修正模型，即： ，：_ ，：v g , a p p a r e n t 3 9 圈菰。 c = d 对+ d r 4 ( 1 2 0 ) ( 1 2 1 ) ，-0746)n=o6 0 6 ( 1 - e，以1 5 ，乃1 s 。 i 刀= o 4 1 ，0 5 ，1 5 ( 1 2 2 ) c s t e v e n 模型 最新的文丘里管湿气修正模型是s t e v e n 于2 0 0 2 年利用t a b l e c u e v e3 d 软件包拟 合得到的，此模型仍然是基于、么、以来修正过读的，即 gg。瓦g丽g,apparem ( 1 2 3 ) 1 + c x 嘲+ d f r g 其中a 、b 、c 、d 均是喀的函数。 ( 3 ) v - c o n e 有关v - c o n e 湿气计量技术的实验研究主要是s t e v e n 6 2 - 6 8 进行的，研究结果显示 过读的趋势与文丘里一致，与、喀、取有关。 a s t e v e n 模型 s t e v e n 于2 0 0 5 年利用t a b l e c u e v e3 d 软件包拟合提出了修正模型： 9 绪论博士论i q = z + 硒q w + b f r g 一 1 + c x + b f r 。 其中a 、b 、c 分别是以的函数。 h n i 疆t p 矾 图12v - c o n e 流量计 ( i2 4 ) b 改进的d e l e e u w 模型 s t e v e n 于2 0 0 7 年参考式( 12 0 ) ，利用t a n e c u e v e3 d 软件包拟合提出了新的修 c = d 耐+ d r - ( 12 5 ) ( 12 6 ) 器 肇 f r , s 0 5 r 1 2 7 ) ( 4 ) 其它差压流量计 美国r o s e m o t m t 公司删对四孔孔板的湿气流计量性能进行了实验研究，采用了 改进的m u r d o c k 模型。其中系数肘由实验获得。 图i3 四孔孔板流景计 ，l _ l 轧 ，l1 1 2 n = 一一 ” ” ，-t 博士论文 基于槽式孔板与旋进漩涡流量计的湿气计量技术研究 1 3 1 2 非差压式气体流量计计量湿气气相流量 国内外对单相气体流量计湿气流性能的研究主要集中在差压式流量计，对涡轮、 涡街、超声、科里奥利等非差压式单相气体流量计的湿气流性能研究相对要少得多， 也很少提出相应的湿气修正模型。所以，目前非差压式流量计主要用于携带微量液体 的i 类湿气的气相计量( 不需要修正) 。 ( 1 ) 涡轮流量计【7 0 。7 2 】 t i n g 【7 0 1 ( 介质是氮气柴油，0 0 0 0 6 x z 射0 0 0 7 0 ) 和s t e w a r t 7 1 1 ( 介质是空气 水，0 0 0 0 1 2 x 0 0 0 0 2 5 5 ) 分别研究了涡轮流量计在微量液体的湿气流条件下的 性能，发现在实验条件下，微量液体引入的误差小于1 ，所以涡轮流量计能正常计 量。但是，液体和脏污物对涡轮流量计的叶片和可动部件( 轴) 易造成损坏，所以建