分流分相多相计量技术.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 分流分相多相计量技术 学生姓名 学 号 专业班级 指导教师 摘 要 气液两相流广泛存在于石油 化工 能源等许多工业领域 随着工业 生产对计量 节能和控制等方面均提出了更高的要求 对两相流参数进行 测量的需求也越来越迫切 但由于气液两相流体流动的复杂性 气液两相 流在计量和分配方面很久以来一直是一个未能很好解决的问题 分流分相法是通过一种分配器从被测两相流体中成比例地分流出一部 分 5 20 两相流体并使用一小型分离器将其分离成单相气体和单相液 体 然后分别用单相流量计进行测量的方法 本文的题目是 分流分相多 相计量技术 主要研究了了几种分流分相式流量计的测量方法并通过实验 分析了管壁取样分配器的不同工况下的分流系数特性 旋流型分配器取样装置由旋流器 整流器 分离器 计量设备等组成 本文结合试验研究了不同工况下旋流型管壁取样分配器分流系数特性 关键词关键词 分流分相 多相计量 分流系数 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 目录 第 1 章 绪论 1 1 1 课题研究的意义 1 1 2 多相流体流量测量技术研究进展 2 1 2 1 不分离法 2 1 2 2 完全分离法 3 1 2 3 部分分离法 4 1 2 4 分流分相法 4 1 3 主要研究内容 4 第 2 章 分流分相式多相流量计 6 2 1 分流分相两相流量计工作原理 6 2 2 分流分相式流量计 7 2 2 1 三通管型分流分相式两相流体流量计 7 2 2 2 取样管型分流分相式两相流体流量计 10 2 2 3 鼓型分流分相式两相流体流量计 11 2 2 4 转轮型分流分相式两相流体流量计 12 2 2 5 旋流型分流分相式两相流体流量计 13 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 16 3 1 旋流型管壁取样多相流量计结构 16 3 1 1 旋流型罐壁取样分配器 16 3 1 2 取样孔结构 16 3 1 3 旋流叶片结构 17 3 2 分流系数特性分析 18 3 2 1 液相分流系数 18 3 2 2 气相分离系数 19 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 22 4 1 实验系统 22 4 1 1 实验环道 22 4 2 主要实验装置 23 4 3 实验方法 24 4 4 实验内容 25 4 5 小结 26 第 5 章实验结果处理与分析 27 5 1 分流系数实验结果与分析 27 5 1 1 液相分流系数特性分析 27 5 1 2 气相分流系数特性分析 28 5 2 小结 29 第 6 章 总结 30 致谢 31 参考文献 32 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1 1 课题研究的意义 多相流动是一种复杂的流动现象 广泛存在于能源工业的许多领域 遍布于化工 冶金 能源 环保 轻工和军工等领域 1 随着工业生产对 计量 节能和控制等方面提出了更高的要求 对多相流参数进行测量的需 求也越来越迫切 多相流的计量对于在油井监测 油藏管理 配产和过程 控制以及海底卫星油田开发工程中 精确的测量未分离油井物流量的应用 等也至关重要 2 在多相流计量中 关于气液两相流的分配和计量问题一 直是难以回避 也是多相流系统中未能很好解决一个难题 与单相流相比 两相流的一个显著特征就是流动具有强烈的波动性 即气液两相在管道截面上的分布形式即流型随着气液相流量在不断变化 工作在两相流体中的仪表输出信号受流型等参数的影响 波动性大 测量 精度低 分流分相计量方法为解决这一测量难题提供了希望 3 分流分相 计量方法通过成比例的从两相流体中分流出小部分的两相混合物 将其分 离成单相流体后 应用单相流量计测量出各相流量的大小 然后根据比例 关系确定被测两相流体各相总流量 分流取样法可以用体积比较小的装置 测量多相流体的各相流量和总流量 且计量精度不受流体波动的影响 能 在很大流型范围内工作 4 应用分流分相计量方法进行流量测量的关键是 要保证分流出的分流体与被测两相流体之间保持稳定和确定的关系 而这 一目标的实现在于构造合适的分配器 根据此方法从而提出了一种旋流性 分流取样的多相流量计量方法 其原理是通过管壁取样孔从主管待测多相 流体中分流出一小部分多相混合物 通过小型单相流量计测量出各相流量 的大小 然后根据分流体与被测两相流体间比例确定被测两相流体各相总 流量 由于进行了取样分流同时又进行了分相 在提高测量精度的同时 第 1 章 绪论 2 大大缩小了介质的工作环境 测量精度不受多相流流动的影响 测量精度 高 整个装置具有体积小 精度高的优点 本章首先简要介绍了国内外多相流量计量的研究现状及各种测量方法 的优缺点 在此基础上分析了分流分相计量方法的特点 1 2 多相流体流量测量技术研究进展 近年来随着石油价格上涨 能源紧缺问题日益突出 各国都在加大对 海上和沙漠油气田的开发 对多相流体的计量需求也更加迫切 多相流量 计的需求增长速度很快 见图1 1 图 1 1 多相流量计安装的增长速率 Falcone 3 Alvaro 6 Hewitt 7 林宗虎 8 Thorn 9 王栋 10 等人总结 了近20年来多相流测量技术的发展情况 同时还出现了一些新的技术 多相流量测量方法按照是否分离以及分离的程度一般可分 4 种 不分 离 完全分离 部分分离 以及分流分相方法 1 2 1 不分离法 采用不分离法在线测量多相流各相流量必须获得各分相的速度和截面 份额 如果各分相流体混合均匀 气液相速度将基本相同 从而大大降低 第 1 章 绪论 3 了测量的难度 应用这种均匀化处理的测量方法主要为节流式测量方法 常采用两种节流装置进行组合测量 11 12 近年来又出现了利用单个节流原 件由差压信号的波动特征同时获得两相流流量和质量含气率的新方法 13 14 节流式方法的缺点是阻力损失较大 测量范围有限 而且受流型影响较大 核技术以及成像技术的发展使直接测量多相流体截面相分率和各相速 度成为可能 成像方法测量多相流流量具有不接触流体 对流动无干扰 无阻力损失的特点 主要有 CT 成像方法 包括电容成像 15 电导成像 16 热中子成像 17 核磁共振成像等 18 高速摄影方法 以及伽玛射线技术 与常规流量计组合测量方法 19 20 等 但目前这种直接测量方法还很不成熟 如成像方法目前还很难直接测出多相流体各相流速 只能通过相关方法间 接测量 对于分层和环状流这种流动平稳的多相流型 相关测速方法误差 很大 另外 尽管核磁共振方法能够给出流体在通道内各组分的三维分布 图像 但由于气体对核磁共振测量方法来说相当于透明体 不能直接测量 气相的流速和体积流量 而高速摄影法由于只能从侧面进行图像采集 不 能直接测量截面各相分布 采用放射性元素的测量方法对流体介质物性非 常敏感 测量精度与流型有关 放射性物质容易对人体和环境产生威胁 近年来还出现了利用真实质量流量计直接测量多相流体的质量流量的 报道 21 对液 液流动以及低含气多相流动取得了一定的进展 但质量流量 计流动阻力损失大 流型和各相组成对测量精度有影响 1 2 2 完全分离法 完全分离法是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体 后 再通过普通单相流量计进行计量 把两相流量的测量转化为单相流量 测量 具有工作可靠 测量精度高 测量范围宽且不受气液两相流流型变 化影响等优点 GLCC 就是今年来出现的用于多相流体分离和流量测量的 处理系统 22 23 为了保证分离效果 分离器的直径通常必须达到管道直径 第 1 章 绪论 4 的 5 10 倍以上 壁厚也至少是管道壁厚的 5 10 倍 24 因此完全分离方法 最大的缺点是分离设备体积庞大 价格昂贵 并需要建立专门的计量站和 测试管线 在很大程度上增加了油田的开发成本 1 2 3 部分分离法 部分分离方法 25 的原理是 首先采用预分离装置将气液两相分离成以 气相为主 高含气率 和以液相为主 高含液率 的两股流体 然后再利 用较成熟的两相流仪表分别测量 最后将两股流体重新混和 该方法缩小 了流过测量仪表的两相流组分变化范围 同时也降低了流动的不稳定性和 测量信号的波动性 这虽然在一定程度上缩小了计量分离器的体积 并降 低了两相流测量的难度 但因未能将气液混合物完全分离 故实际上对提 高测量精度的作用是有限的 10 1 2 4 分流分相法 分流分相技术测量多相流体的方法 简称分流分相法是近年来出现的 一种新型多相流体流量测量方法 这种方法可以用来测量单相流体流量 也可以用来测量两相流体流量和相分率 还可以推广到油气水三相流量测 量中去 在两相流量测量中 由于进行了分相 流量测量仪表都工作在单 相环境中 测量结果不受流型波动的影响 在波浪流 段塞流 环状流型 下均取得了较好的结果 能够在宽广的流型范围下工作 分流分相方法在两相流体流量测量中有很大的优势 用于完成流体分 配的分配器是分流分相式两相流量计最核心的部件 分配器的结构直接关 系到多相流量测量的精度以及所适用的范围 为了实现稳定的分流比和适 应工业生产中恶劣的现场环境 分配器的结构也需要进行不断完善和改进 王栋构造了4种不同结构的分配器 即三通管型 取样管型 转鼓型以及旋 流型分配器 这四种分配器能够很好的得到稳定的分流比 并且在实验研 究中取得了较高的精确度和可靠性 第 1 章 绪论 5 1 3 主要研究内容 本文是在以往研究的基础上 分析研究了几种分流分相式流量计的测 量原理和特点 并且通过实验研究分析了取样分配器气液分流系数的变化 规律及影响因素 第 2 章 分流分相式多相流量计 6 第 2 章 分流分相式多相流量计 2 1 分流分相两相流量计工作原理 4 6 3 2 1 5 7 图2 1 分流分相式流量计原理图 1 主管道 2 两相分配器 3 分流体回路 4 分离器 5 液体流量计 6 气体流量计 7 主流体回路 分流分相技术测量多相流体的方法简称分流分相法 3 4 10 是近年来出 现的一种新型多相流体流量测量方法 图 2 1 是分流分相法的原理图 在 分流分相式两相流体流量计中 被测两相流体流经分配器时被分成两部分 一部分沿原通道继续向下游流动 称这部分流体为主流体 这一回路为主 流回路 另一部分两相流体则进入了分离器 称这部分流体为分流体 这一 支路为分流体回路 分流体经分离器分离后 气体和液体分别采用气体流 量计和液体流量计测量 最后又重新与主流体汇合 被测两相流体的气相流 量 M1G 和液相流量 M1L根据它们与分流体气液相流量的比例关系进行计算 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计 7 式中M1G为被测主管气相流量 M1L为被测主管液相流量 KG为气相分 流系数 KL为液相分流系数 M3G 表示分流体的气相流量 由气体流量计 测量 M3L为分流体的液相流量 由液体流量计测量 2 2 分流分相式流量计 分流分相式两相流体流量计主要包括 三通管型分流分相式两相流体 流量计 取样管型分流分相式两相流体流量计 转鼓型分流分相式两相流 体流量计 转轮型分流分相式两相流体流量计和旋流型分流分相两相流体 流量计几种 分流分相式两相流的计量方法是由王栋教授首先提出来的 这种方法可以用来测量单相流体流量 也可以用来测量两相流体流量和相 分率 也可以推广到油气水三相流量测量中去 对于单相流量测量无需分 离器 在两相流量测量中 由于进行了分相 流量测量仪表都工作在单相 环境中 测量结果不受流型波动的影响 在波浪流 弹状流 环状流型下 均取得了较好的结果 能够在宽广的流型范围下工作 王栋构造了4 种不同结构的配器 即三通管型 26 取样管型 27 转鼓 型 28 以及旋流型分配器 10 梁法春提出了旋流型管壁取样分配器 32 和转轮 型分配器 30 31 2 2 1 三通管型分流分相式两相流体流量计 1 三通管的相分离特性 图2 2 T型三通示意图 林宗虎 29 总结了80年代以来各国学者关于三通管的两相流分配特性和 阻力特性研究结果 所有结果都表明 不论三通管是T型 如图2 2 还是 第 2 章 分流分相式多相流量计 8 Y型 也不论三通管是垂直放置还是水平放置 三通管内都存在明显的相 分离现象 而其中尤以侧支管垂直放置的T型三通相分离最为明显 当侧 支管垂直向上时 侧支管内的干度X3会高于直通支管内的干度X2 而当侧 支管垂直向下时 情况刚好相反 针对侧支管垂直向上布置的T型三通 Wseeger 33 给出了如下的相分离计算式 2 3 式中Xl和X3分别为主管入口和侧支管内的干度 G3和Gl分别是侧支管 和主管入口质量流速 从式中可以看出 T型三通的相分离现象是十分严 重的 侧支管内的相对质量流速G3 Gl愈低 侧支管内的干度X3就愈高 当 侧支管直径一定时 如果G3降到某一临界值 X3会升高到1 再进一步降 低G3 X3将保持等于1 为确定上述G3的临界值 Wseeger 33 推荐了下面的 计算式 2 4 5 0 GGL1X 30 gD 23 0 AG 式中G30 X 1为G3的临界值 小于该值时X3等于1 A是与流型有关的系 数 对于细泡状流A 0 5 其它流型A 1 g为重力加速度 D为侧支管内径 L G分别为液体和气体的密度 2 三通管型分流分相式气液两相流体流量计组成原理 根据三通管的相分离特性 只要侧支管内的质量流速G3小于G30 X 1 侧支管内的干度X3就能保持等于1 这样 就可以在侧支管回路内安装单相 气体流量计测量这部分气体的流量 并根据测量结果计算主管入口的两相 流体流量和干度 这就是三通管型气液两相流体流量计的基本原理 图2 3 是三通管型气液两相流体流量计组成原理图 为扩大测量范围 提高气体 流量的测量精度 采用了三个相并联的三通管来分离气体 侧支管垂直布 置并具有足够的高度 侧支管与集气管 5 之间通过一个小孔 4 相连通 小 孔的作用在于增加阻力控制流量 同时也可以防止主管中一些尺寸较大的 第 2 章 分流分相式多相流量计 9 液滴冲入集气管内 另外还可以使上升气流在小孔前形成一个较强的自然 旋涡 进一步分离气体携带的水分 节流孔板 9 的作用在于改善分流系数 的特性 以及调整流量计的测量范围 1 2 3 4 567 89 图2 3 三通管型分流分相式两相流体流量计 1 主管 2 直通支管 3 侧支管 4 小孔 5 集气管 6 气体测量管 7 气体流量计 8 汇合三通 9 节流孔板 为讨论方便 定义从侧支管流出的气体为分流体 流量为M3 这一回 路为分流体回路 流过直通支管的两相流体为主流体 流量干度分别为M2 和X2 其回路为主流体回路 主管流入的总流量为Ml 干度为X1 总分流 系数K和气相分流系数KG分别定义为 2 5 1 3 M M K 2 6 111 3 X K XM M KG 测量出分流体流量M3后 如果已知总分流系数K和气相分流系数KG 就可 以根据式 2 5 和式 2 6 计算出流量或干度 3 三通管型分流分相式两相流体流量计的优缺点 利用T型三通的相分离特性可以组成一种两相流体流量计 通过几 个三通管的并联和增加分离小孔 能够可靠地分离出单相气体 通过在直 通支管内安装孔板 能够提高测量精度 合理的孔板开孔直径d应小于 20mm 67 0 Dd 第 2 章 分流分相式多相流量计 10 与其它单参数气液两相流体流量计相比 气体流量计完全在单相流 体中工作 因而可靠性高 流量计选型灵活 可以采用各种高精度宽量程 比的气体流量计 从而大幅度提高流量干度的测量精度和测量范围 在本 文实验范围内 流量干度测量精度可以达到3 以内 只能分流出气体 难以分流出液体 导致该流量计只能测量流量或 干度中的一个参数 另一个参数必须通过其它方式来测量 2 2 2 取样管型分流分相式两相流体流量计 取样管型分流分相流量计 如图2 4所示 由混合装置和取样装置两 部分组成 取样管深入主管内部 取样口正对来流方向 气液两相流体首 先在混合器内进行加速 混合 然后在混合器出口分成两部分 一部分 分流体 直接进入取样管 另一部分 主流体 则流入下游管道 在一 定的流量范围内 气相分流系数和液相分流系数都能保持不变 9 8 10 7 6 5 43 21 图2 4 取样管型分流分相式气液两相流体流量计 1 管道 2 混合器 3 取样管 4 节流孔板 5 旋风分离器 6 液体测量管路计 7 气体测量管路 8 气体流量计 9 液体流量计 10 转换阀门 取样管的出口通向分离器 分流体在分离器内进行气液分离后 气体 和液体分别进入气体流量计和液体流量计进行测量 最后重新返回管道中 被测两相流体的气相和液相总流量分别用下式计算 第 2 章 分流分相式多相流量计 11 2 7 2 8 L L L K M M 3 式中KG KL分别为气相和液相分流系数 MG3为分流体气相流量 由 气体流量计测量 ML3为分流体液相流量 有液体流量计测量 在理想情况下KG KL 常数 而实际上难以做到这一点 事实上只要 KG和KL能在较宽的测量范围内分别保持稳定或具有确定的变化规律 就能 保证MG和ML的测量精度 该流量计也就具有工程应用价值 2 2 3 鼓型分流分相式两相流体流量计 图2 5 转鼓分配器的原理图 1外壳 2 10支座 3 9支架 4 8转轴 5 7导锥 6转鼓 如图2 5所示为转鼓分配器的原理图 转鼓通过转轴支撑在轴承座上 可 以绕轴自由旋转 在转鼓的上 下游两端分别布置了前导锥和后导锥 导 锥的作用在于引导流体 减少流体通过转鼓运动间隙的渗漏量 转鼓的外形 为圆柱体 内部用轴流叶片均匀分隔成n个互不相通的通道 各通道的横剖 面为扇形 且几何尺寸和阻力特性完全相同 当气液两相流体流过转鼓时会 冲击转鼓高速旋转 在转鼓旋转的过程中 各通道的入口端面不断掠过上 游流通截面上的每一点 使每一点上的两相流体都有机会均等地流入各个 通道 如果每一通道的出口背压也相同 则各通道都可以看作是一个等动 第 2 章 分流分相式多相流量计 12 能取样器 两相流体的流动将不受转鼓的影响 2 2 4 转轮型分流分相式两相流体流量计 转轮型取样分配器结构如图2 6 由位于中心的转轮以及布置在外缘的 分流体收集室2大部分组成 转轮内部包含3个流道 流道的轮廓为螺旋线 多相流体流过流道时产生旋转力矩 驱动转轮旋转 转轮位于中心 围绕 转轮的分别是主流体接收口和分流体取样口 分流体取样口有3个 每个取 样口两侧布置一组格栅 设置隔栅的目的是将旋转流道出口喷出的二相流 体从取样口导入收集环室 防止进入主流回路的流体进入分流回路 图2 6 转轮型取样分配器结构 多相流体通过转轮分配器在分流体和主流体之间分配时 不是简单地 从 空间 上一分为二 而是在一定时间区间内全部流向一个回路 而在 另一时间区间内又全部导向另一回路 如此周期性的交替循环完成分配 进入分流回路和主流回路流量的大小通过控制进入分流回路或主流进入分 流回路和主流回路流量的大小通过控制进入分流回路或主流回路的时间间 隔来实现 在分配过程中 只要交替切换的频率足够高 分配周期足够短 完 成1次完整的分配循环的时间 那么 2个回路的流动过程就接近于连续流 第 2 章 分流分相式多相流量计 13 动 并且在1个分配周期内 多相流动过程也近似于稳态流动 这样不论遇 到何种流型 进入各回路的多相流体都具有高度一致的相含量 其流量大 小仅与所分配的时间份额成比例 2 2 5 旋流型分流分相式两相流体流量计 1 旋流性管内取样分配器 与转鼓型分流分相两相流体流量计相反 旋流型分配器内不含任何运 动部件 而是通过几组形状不同的叶栅让两相流体本身做特定的流动来实 现两相流体在一个多通道元件内的均匀分配 该多通道元件的通道出口大 都通向分配器下游的两相流体管道 只有少数几个通道作为分流通道通向 了分离器 这样 流向分离器的流量 仅仅取决于通向分离器的通道数 分流通道数 而与两相流体的流型和其他因素基本无关 也就是说分流 系数为常数 如图2 7所示为旋流型分流分相式气液两相流体流量计的原理图 图2 7 旋流型分流分相式气液两相流体流量计的原理图 1 旋流器外壳 2 旋流器 3 混合室 4 连接杆 5 整流网 6 分流器外壳 7 分流器 8 分离器外壳 9 气水分离元件 10 气体测量管 11 气体流量计 12 自由液位 13 第 2 章 分流分相式多相流量计 14 阻力调节孔板 14 液体流量计 15 液体测量管路 16 分流器外壳 17 叶片外缘 18 分流通道 19 隔离叶片 20 旋流叶片外缘 21 旋流通道 22 旋流叶片 按两相流体的流动方向依次包括旋流器 2 整流器 5 分流器 7 以及 气体和液体测量回路等 旋流器的作用在于使两相流体产生旋转运动 通 过旋转运动使原来不对称的相分布和速度分布变成关于轴对称的流型 整 流器的作用是消除旋转 进一步改善流型的对称性 经整形后的两相流体 流过分流器 7 时 被均匀对称地切分为n等分流量和组分完全相同的两相 流 其中有m份两相流被分流至分离器 其余的仍然流向下游管道 m份两 相流分流体 其余为主流体 相应的汇入为分流体回路和主流体回路 分 流体在分离器内进行气液分离后 气体从分流器上部流入气体测量管路 10 经气体流量计计量后与主流体汇合 液体从分离器下部流入液体测量管路 15 经液体流量计计量后返回主流体中 2 旋流型管壁取样分配器 旋流型分流分相式气液两相流体流量计由于在主管内部取样 内置的 分流元件不可避免地会对流动产生较大干扰 两相流体通过分配器会产生 较大的阻力损失 更为严重的是 由于取样口正对来流方向 对于比较恶 劣的现场条件 流体经常携带有大量沙砾 铁屑以及其他杂质 分配通道 在这些高速运动的杂质颗粒撞击下磨损很快 甚至造成取样口变形 从而 导致测量误差不断增大 另外这些杂质还容易在分配室内沉积 逐渐堵塞 分流通道 此时分配器功能相当于过滤器 随着堵塞加剧 积累的杂质增 多 整个装置将完全失去作用 针对上述存在的缺点 梁法春等提出了一 种旋流型管壁取样分配器 旋流型管壁取样分配器结构如图2 8 主要通过多孔取样和流型整改来 保证取样的代表性 水平管气 液二相流由于重力的影响 造成管截面上气 液相分布不均匀 即使在环状流型下 液膜沿周向分布也是不一致的 顶部 液膜较薄 底部液膜较厚 采用单孔取样方法很难保证取样效果 在主管壁四 第 2 章 分流分相式多相流量计 15 周布置多个取样孔 采用多孔取样 能大大改善取样的代表性 为了消除 气 液界面波动对取样稳定性的影响 还需对管路上游流型进行调整 通过 在取样孔上游布置旋流叶片 将分层流 弹状流以及不对称的环状流等流 型转变为对称的环状流 那么管壁各个取样孔所取流体 样品 将趋于一 致 实验证明分流比主要取决于管壁取样孔的数目和大小 图2 8 旋流型管壁取样分配器结构 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 16 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 3 1 旋流型管壁取样多相流量计结构 3 1 1 旋流型罐壁取样分配器 图 3 1 为旋流型罐壁取样分配器的结构示意图 上游法兰 1 和下游法 兰 7 分别和两相流实验环道系统的上游和下游连接以组成一封闭环路 两 相流体经过实验段时被分配器分成两部分 一部分直接流入下游管道 另 一部分两相流体经由管壁上布置的取样小孔进入取样腔室 最后经分流体 回注回路流回主管 1 2 34 5 6 7 910 图 3 1 旋流型管壁取样多相流量计结构示意图 1 上游法兰 2 旋流叶片 3 整流器 4 取样腔室 5 取样孔 6 主回路阻力元件 7 下游法兰 8 分流回路出口 9 分流体回注回路 3 1 2 取样孔结构 取样孔为 8 孔取样结构 各取样小孔直径均为 5mm 见图 3 2 通过取样孔进入环室的两相流体经与环室相连的侧支管进入计量分离器完 成气液相分离 分流体液相流量在分离器下部通过量体积法测量 时间用 秒表计量 测量时间一般为 60 300 秒 分流体气相流量通过安装于分离器 气相支路的涡街流量计测量 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 17 图 3 2 取样孔结构图 3 1 3 旋流叶片结构 取样段前方加设了旋流叶片和整流器两个部件 安装旋流叶片目的是 使来流产生旋转运动 将上游来流的流型转变为对称环状流 整流器的作 用是将周向液膜的旋转运动整改为沿管壁轴向运动 同时还可以使液膜的 分布更加均匀 旋流叶片 34 采用的是2mm厚的不锈钢板材料 图3 3为实验旋流叶片实 物照片 3 3 a 为侧视图 3 3 b 为相应的俯视图 a 侧视图 b 俯视图 图 3 3 旋流叶片结构图 旋流叶片是由两个半椭圆片交叉形成的 椭圆半短轴与分配主管直径 相同 椭圆片外缘与管内壁轮廓线重合 在背流面用胶与取样管粘结 且 保持紧密接触 这样做的目的是当来流经过旋流叶片时 由于叶片外缘与管壁之间无 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 18 缝隙 使得流体无法沿管壁继续流动 而是被迫沿着叶片表面方向向下游 流动 从而使得来流在叶片的交叉处形成旋转运动 将分层流 波浪流 段塞流等转变成对称环状流 并在下游管路处保持一段时间的环状流型 直至由于重力作用及气流的扰动作用使得流型发生变化 将来流整改成均 匀环状流是由旋流叶片和整流器来完成的 这两种器件对于完全对称环状 流的形成以及保证液相分流系数的稳定起着重要作用 3 2 分流系数特性分析 3 2 1 液相分流系数 加上旋流装置后 形成液膜厚度均匀的环状流 见图 3 4 整个管周的 液膜流量可以用下式计算 3 1 2 0 LFZ MRd d d i 液膜R 图 3 4 均匀环状流液相分配示意图 进入分流回路的液体的主要来自于取样孔处的液膜 认为取样孔正上 方的液膜完全进入取样孔 并采用系数 K 对分配影响区进行修正 则进入 取样孔的液相流量为 3 2 2 3 1 2 d i d i N LZ i MRKd 式中 为主管半径 m 为取样小孔数目 为取样小孔方位角 RN i 液膜轴向流量 式中为液相分配影响区修正系数 Z m kgs K 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 19 由于主管路的液相在旋流叶片的作用下几乎全部以液膜形式贴着管壁 流动 被气体夹带的液相很少 液膜流量就等于主管路中的液相流量 即 根据式 3 1 和 3 2 液相分流系数可以写作 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 将式 3 4 代入 3 3 得 3 5 2 L K N d K R 由公式 3 5 可知 旋流型管壁取样分配器液相分流系数主要与取样 小孔的直径和数目有关 当取样分配器结构确定后 液相分流系数也就基 本保持不变 公式 3 5 在环状流液膜均匀分布条件下成立 但当主管路气液相流 量较低时 来流经过旋流叶片时不能产生有效旋转 大部分液相仍集中在 管底部 管上壁液膜量很少 因此 液相分流系数在主管气液相流量较小 时并不是常数 而是随着主管两相流量的变化而变化 当气液相流量较大 时 通过旋流叶片产生旋流作用加强 将沉积管底部的液膜携带到管壁顶 部 在分配截面上形成液膜厚度均匀分布的环状流型 由于在对称环状流 型下进入各个取样孔的液量基本相同 液相分流系数趋向一个不变常数 3 2 2 气相分离系数 由于气相密度远小于液相密度 进入分流回路气相流量大小对分流回 路和主流回路间的阻力变化特别敏感 可以通过阻力关系对气相分流系数 进行分析 分流体气相回路不安装节流孔板时 分流回路的总阻力损失包括 3 P 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 20 分流体通过取样孔的阻力损失 分离器中的损失 气相沿程损失 31 P 32 P 分离器中的损失和气相沿程损失通常都很小 可以忽略不 33 P 32 P 33 P 计 分流回路的阻力主要集中在取样小孔上 主流体回路的总压力降包括气液两相流进入取样孔引起的主回路 2 P 的压力变化 两相流体通过旋流叶片产生的压力降 气液两相流 21 P 22 P 通过阻力调节孔板引起的压力损失 由于两相流从管壁取样孔进入分 23 P 流回路 通常很小 与节流孔板相比 旋流叶片引起的压降也较小 21 P 因此认为主流回路的压降主要是由节流孔板引起的 如果主管路为单相气体 那么进入分流回路的也为单相气体 单相气 在分流回路上产生的压力降 3 6 24 33 32 333 1 2 G G M P C A 在主回路产生的压降 3 7 24 22 22 222 1 2 G G M P C A 根据并联回路的特征 3 8 32 PP 得到 3 9 4 2 222 4 333 3 1 1 2G 3G MC A MC A 根据质量守恒 3 10 132GGG MMM 由 3 9 和 3 10 得到 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 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 当主管路为单相气体时 气相分流系数可以写为 G0 K 3 12 4 2 222 4 333 3 1 1 1 1 G0 K C A C A 如果此时主管中有液相加入 会引起主流回路和分流回路的阻力变化 进而引起气相和液相的重新分配 液相的增加会导致进入分流回路的气量 增加 假设增加数值为主管气量的倍 即 G K 3 13 3GG1G MK M 此时 分流回路的气量为 从而气相分流系数 GG MM 33 3 14 3 1 G3G GG0G G MM KKK M 反映了没有液相时单相气体通过分配器时的分流系数 从式 3 0G K 12 知其值是一个常数 反映了由于主管中液相存在而导致的气相分 G K 流系数的增加量 与主管液相流量大小有关 因此 为了方便起见 气相 分流系数可以写成 3 15 1GL KCDM 上式显示 气相分流系数随液相流量变化而变化 这是由于随着液相 的加入 两回路的阻力失去对称性引起的 这种不对称性越大 气相分流 系数的变化幅度越大 因此在分配器设计时应该尽量使两回路阻力特性 G K 接近对称 第 3 章 旋流型管壁取样分配器 22 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 23 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 4 1 实验系统 为了能够获取准确 可靠的实验数据 本文是在大型多相流实验环道 上进行了相关的气液两相流流动实验 通过实验设备测得主管与支管的气 液两相流量 计算其分流系数 4 1 1 实验环道 图 4 1 多相流实验环道 图 4 1 为整个实验环道的布置图 环道采用 3 英寸不锈钢管焊接而成 全长 380m 管道内径为 0 08m 实验环道布置在 30m 70m 的场区中 为 尽可能减小弯管对气液相流动的影响 弯管曲率半径尽可能大 根据场地 情况 设计的弯管曲率半径不小于 100D 环形管道的设计工作压力为 8kg cm2 从而实现实验所有流型的目的 1 气液相供应系统 实验用气由 V 13 12 5 型压缩机供给 最大供气压力 12 5kg cm2 最 大供气量为 1380m3 h 压缩机出口分别连接有 1m3和 2m3的气体储罐 以 平衡压缩机排气的波动 液相采用水 由 TS50 32 250 清水离心泵供应 清水离心泵供液量为 0 12 5m3 h 离心泵的电源上安装有变频器 通过调 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 24 节电源频率改变泵的转速 从而调节排量 2 入口混合器 为了保证气液能够很好的混合均匀 气液混合点前的管路内设置一水 平挡板 挡板长 500mm 这种设计减小了两相之间的影响 也使得气体流 量的波动大为减小 气体流量波动在 3 5 范围内 3 气液相控制与计量 实验装置要求液相流量范围 1 12 5m3 h 气相流量范围 1 1000m3 h 气液两相流量均采用气动调节阀控制 该调节阀选用的是美 国 Masoneilan 系列调节阀 本实验选用的气相流量计为量程 100 1000 的 K80 44 气体流量的密 度通过测量当地温度和压力间接获得 温度采用温度传感器采集 压力通 过压力传感器测的 本实验选用量程 0 8m3 hr 的 CFM300 的质量流量计 标况下的气体流量通过测量当地温度和压力间接获得 温度采用温度传感 器采集 压力通过压力传感器 测的流量信号全部送入工控机 可以进行 实时监测和控制 对于分流体的气相流量的测量是采用涡街流量计测量 分流体液体流量通过体积法法测量 4 2 主要实验装置 本实验采用的是旋流型管壁取样分配器 如图 3 1 所示 计量分流体气 相和液相流量采用了如图 4 2 的计量分离器 为使气液初步分离 分离器入口倾角设计为 70 度 分离器长 290mm 直径 214mm 并在气体出口管线连接处增加了一层滤网 用来捕 集没有分离出的小液滴 测量分流体气体流量通过涡街流量计测量 液体 流量采用体积法 气 液 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 25 图 4 2 测量分离器结构图 4 3 实验方法 本实验主要研究不同气液流量下对旋流型管壁取样分配器的分配特性进 行实验研究 实验方法如下 1 实验开始前 对设备进行试压 检查 标定和校核 使其性能达到 要求后接入实验系统 调试实验系统及所有的测试仪器 如调节差压变送 器和压力传感器的量程 2 实验时启动工控机 设置 Fix 6 02 平台必需的一些参数 选择气量 和液量 设置终端捕集器的液位 启动 LabVIEW 高速数据采集系统 待 流动稳定后开始采集数据 3 利用气动调节阀通过工况机将气 液两相的流量调节到工况设定值 保证旋流叶片后的取样段为环状流 同时确保整个实验系统的正常运转 4 每种工况稳定后 利用 LabVIEW 采集所需的数据 采集时间为 5 10 分钟 同时采用体积法测量分流出液体的流量 方法为每隔 1 5 分钟记 录一次进入分离器液体的液位高度 5 在相同的工况下 旋转分流回路上的阀门增加分流回路阻力 工况 稳定后开始采集数据 保持阀门开度不变 利用同样的方法测量多组数据 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 26 分析分流回路分流系数特性 4 4 实验内容 表 4 1 分配器分流系数实验工况 气体流量 m3 h 分相液体流量 m3 h 300400500600 25 阀门开度0 0022001680 0021401020 0023990720 002402669 35 阀门开度0 0031173550 0031184340 0032371280 003327049 50 阀门开度0 0053952140 0054851340 0055930390 005799855 表 4 2 LabVIEW 采集数据 主夜量 采集值 v 换算后液体体 积流量值 m3 h 分气量采集值 v 换算后分气流量 m3 h 工况 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 本次实验液相介质选用的是水 气相选用空气 实验中主要进行了以 下内容 具体的实验工况参考表 4 1 和表 4 2 第 4 章 旋流型管壁取样分配器实验 27 1 实验设备的调整 2 不同工况下分配器的分流回路中 气体分流量和液体分流量的测量 3 不同工况下对分流系数的对比分析 4 5 小结 1 本章针对实验对实验系统 主要实验装置和实验方法做了详细介绍 2 对实验内容作了详细介绍 并列出了实验工况表和 Labview 采集的 数据 第 5 章 实验处理结果与分析 28 第 5 章实验结果处理与分析 本文通过设定不同的气液流量 测定了分流体气体和液体的流量 根 据实验结果分析了分流系数随工况变化的特点 5 1 分流系数实验结果与分析 5 1 1 液相分流系数特性分析 从下图 5 1 可以看出分流体液相流量随主管液相总流量的变大而变大 成近似的线性关系 图中不同气体流量下斜率近似相等 说明两者之间的 线性关系不随主管当中气体流量的变化而变化 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 分流体液相流量300m3 h X 主管液相流量300m3 h Qg 300m3 h 400m3 h 500m3 h 600m3 h 图 5 1 分流体液相流量与主管总液相流量的关系 图 5 2 示出了旋流型分流分相式气液两相流体流量计的液相分流系数 特性曲线 上述实验气相流量为 300m3 h 400 m3 h 500 m3 h 和 600 m3 h 液量阀门开度分别为 25 35 和 50 因此测量了 12 种工况的分 流系数 第 5 章 实验处理结果与分析 29 由图 5 2 可以看出 同一气相流量下 分流系数与主管流量的关系近 似为水平直线 说明不同的主管液相流量下 分流系数不受主管液相流量 的影响 图 5 2 中最大的分离系数与最小的分流系数的差为 0 0474 液相 分流系数与主管气体流量关系较小 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 液相分离系数Kl Qg 300m3 h 400m3 h 500m3 h 600m3 h 主管液相流量m3 h 图 5 2 液相分流系数与主管气液相流量的关系 5 1 2 气相分流系数特性分析 图 5 3 为气相分流系数随主管气液流量变化曲线 从图中看出 气相 流量对气体分流系数的影响不太明显 随气体流量的增大稍有减小 但是 影响不大 而随主管液相流量的增大而增大 基本上成线性变化 这是因 为当分流体在通过小孔时 在分配处造成了两回路的阻力特性的不对称性 不对称性越大 造成的气体分流系数的变化就会越来越大 与气相分离系 数的公式相吻合 1GL KCDM 第 5 章 实验处理结果与分析 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 气相分离系数Kg 主管液相流量m3 h 图 5 3 气相分流系数与主管气液相流量的关系 5 2 小结 本章对旋流型管壁八孔取样分配装置的分流系数特性进行了实验性的 研究 通过研究得出以下结论 1 取样段在环状流条件下 分流体液相流量随主管液相总流量的变大 而变大 成近似的线性关系 分流系数不受主管液相流量的影响 气相流 量对液相分流系数的影响不大 2 取样段在环状流条件下 气相分离系数随液相流量的增大而增大 基本上成线性关系 气体流量对气相分离系数的影响不大 第 6 章 总结 31 第 6 章 总结 分流分相多相流量计量是一种新型在线多相流量测量方法 与常规多相 计量方法相比 分流分相方法由于进行了分流取样 所需分离器的体积远小于 完全分离方法 同时由于又进行了分相 气 液相流量测量都在单相介质环境 中完成 因此具有体积小 精度高的优点 尤其适用于海上油气田的开发 保 证取样流体的代表性是分流分相方法成功的关键环节 而保证取样代表性的 关键在于选择合适的取样分配器 在现有的5种取样分配器中 旋流型管壁 取样分配器具有良好的环境适应性和稳定性 有望在海上油田开发中获得广 泛应用 本文中提出的旋流型管壁取样法通过管壁取样孔从主管待测多相流体 中分流出一小部分 5 20 多