利用渦街流量計測量油水兩相流流量
更新時間：2010-11-23 點擊次數(shù)：2743次
1 引言
在石油行業(yè)，經(jīng)常會遇到油和水兩相混合流動的現(xiàn)象[1-3]
，開展油水兩相流流量的測量具有重要的理論和工程意義
。目前
，將成熟的單相流量計應用于兩相流量測量取得了較大進展
，如差壓式流量計
、Coriolis流量計等
。渦街流量計
[4]因其具有輸出與流體流量成正比的脈沖信號
，對被測流體壓力
、溫度
、黏度和組分變化不敏感，可測量液體
、氣體和蒸汽流量等優(yōu)點
，廣泛應用于石油
、化工、冶金
、機械等工業(yè)領域
。然而渦街流量計在兩相流量測量領域的研究還處于探索階段，目前主要集中在氣液兩相流方面
，包括總流量
、組分、斯特勞哈爾數(shù)及穩(wěn)定性等
[5-7]。在油水兩相流方面研究甚少
，僅SKEA
[8]應用多種單相流量計測量水平管內(nèi)油水兩相流流量的研究中提及渦街流量計，但未對實驗結果進行分析
。
本文應用渦街流量計對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進行了實驗測量
，分析了不同兩相流量、含油率對儀表系數(shù)誤差產(chǎn)生的影響
，以及兩相斯特勞哈爾數(shù)隨含油率和兩相雷諾數(shù)的變化情況
。
2 單相流渦街流量計測量原理
在單相流體中垂直于流向插入一根非流線型旋渦發(fā)生體，當滿足一定條件時旋渦發(fā)生體的兩側(cè)將出現(xiàn)兩排旋轉(zhuǎn)方向相反
、交替產(chǎn)生的非對稱的渦街
，其頻率與流體平均流速成正比，因此通過檢測渦街的頻率
，再根據(jù)有關的關系式就可以獲得流體的流量
。設渦街頻率為f，流體平均速度為u
，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d
，管道內(nèi)徑為D，則有
[9]：
式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)
，m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比
。
管道內(nèi)流體的體積流量為：
式中：K稱為渦街流量計的儀表系數(shù)。式（3）為渦街流量計測量的基本關系式
，其中儀表系數(shù)除了與旋渦發(fā)生體
、管道的幾何尺寸有關外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關
。斯特勞哈爾數(shù)為無量綱參數(shù)
，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關，在雷諾數(shù)為2×10
4～7×10
6范圍內(nèi)
，可視為常數(shù)
。
3 實驗系統(tǒng)
實驗是在天津大學油氣水三相流實驗裝置上進行的，實驗回路如圖1所示
，由供水和供油回路兩部分組成（氣路關閉）
。流程如下：15#白油從油罐4由油泵5泵出
，經(jīng)油路標準表計量后，流入油水混合器14
；水從水罐6由水泵7泵出
，經(jīng)水路標準表計量后流入油水混合器。在混合器內(nèi)油水兩相混合后
，流經(jīng)水平
、垂直下降段進入垂直上升測量段、渦街流量計15及流型觀察段16后
，zui后油水兩相流體經(jīng)分離器1分離后
，油、水分別返回油罐和水罐
。其中
，水路和油路標準表及其參數(shù)見表1。
實驗中水路
、油路流量調(diào)節(jié)由計算機自動采集控制系統(tǒng)完成
。實驗用渦街流量計內(nèi)徑為50mm，經(jīng)0.1%精度水流量標準裝置校驗后其精度為0.5%
。采用NI26009數(shù)據(jù)采集卡對渦街信號進行采樣并輸入計算機存儲，采樣頻率為1000H
z，采樣時間為30
s。
實驗中油水兩相混合流量Qvm=5～11m3/h，體積含油率β=5%～40%
。實驗過程為：調(diào)節(jié)油水兩相流量使其混合流量保持不變情況下
，含油率從5%開始，以5%為步長
，逐漸增大到40%
；然后調(diào)節(jié)油水兩相混合流量到一個新的固定值，同樣逐步增大含油率重復進行實驗
，直至混合流量從zui小值增大到zui大值
。實驗工質(zhì)：15#白油和自來水。實驗在常溫下進行
，15#白油密度ρo=856kg/m
3，動力黏度μo=14×10
-3Pa·s;水的密度ρ
w =998.2 kg/m
3,動力黏度μ
w = 1.002 ×10
-3 Pa·s。
4 實驗結果分析
4.1 流型分析
由于兩相流流型極大地影響著油水兩相流的流動特性
，同時也影響著流量參數(shù)的準確測量
，因此，在實驗過程中對流型進行了識別
，確定為水包油流型
。
為了對比驗證
，將實驗所用油相、水相流量折算為表觀油流速V
so、表觀水流速V
sw，繪出相應的流速分布圖，如圖2所示
。圖中還給出了Flores等人
[10]基于擊碎聚合機理性模型轉(zhuǎn)換成的流型辨識圖（實線所示）
。由圖可知，本文實驗數(shù)據(jù)位于細油泡區(qū)（水包油）和油泡區(qū)（水包油）
，說明本文識別出的流型與Flores機理性模型劃分的結果相一致
，同時也發(fā)現(xiàn)隨著含油率的增加，流型越來越靠近水包油擾動流區(qū)
。
4.2 油水兩相儀表系數(shù)分析
由于實驗范圍流型為水包油
，且垂直上升管中流型分布較均勻，故可將油水兩相混合流量視為均相流
。參照單相流中測量公式
，定義渦街流量計在油水兩相流混合流量測量時儀表系數(shù)K
m及其相對誤差e
K為：
式中：fm代表油水兩相渦街頻率，可由渦街采樣信號經(jīng)頻譜分析求得
，Q
vm代表油水兩相混合流量
，為入口油相、水相體積流量之和
。經(jīng)水流量標準裝置標定
，單相流中渦街流量計儀表系數(shù)K為9223.04m
-3。
圖3給出了不同油水兩相混合流量Qvm下
，儀表系數(shù)相對誤差e
K隨含油率β的變化曲線
。由圖可知，在β為5%～40%范圍內(nèi)
，e
K小于4%
。這表明，應用渦街流量計測量垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量時
，測量誤差較小
，具有可行性。特別是
，當β小于25%時
，油水兩相儀表系數(shù)K
m幾乎不受β影響，e
K小于2%
，說明渦街流量計在高含水率的油水兩相流測量中較為準確
。當β在25%～40%范圍內(nèi)，隨β增加，e
K有變大趨勢
，而且受Q
vm影響較大
，在油水混合流量較小時（5～8m
3/h），e
K較大
，偏移誤差zui大可達3.53%
；當混合流量增大時（8～11m
3/h），e
K變化很小
，對油水兩相混合流量測量準確
。
由式（4）可知，單相流中儀表系數(shù)K除了與旋渦發(fā)生體
、管道的幾何尺寸有關外
，還與斯特勞哈爾數(shù)有關，而斯特勞哈爾數(shù)作為判斷渦街穩(wěn)定性的標準
，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)可視為常數(shù)
。因此，在油水兩相混合流動中
，對兩相斯特勞哈爾數(shù)的研究很有必要
，它既是油水混合流量測量準確性的保證，也是油水兩相渦街是否穩(wěn)定的重要標準
。
4.3 油水兩相斯特勞哈爾數(shù)分析
參照式（1）
，定義油水兩相斯特勞哈爾數(shù)Sr
m及其相對誤差e
Sr如下：
已知研究所用渦街流量計旋渦發(fā)生體為梯形，迎面寬度d=14mm
，管道內(nèi)徑D=50mm
，則m=0.6481，單相流中斯特勞哈爾數(shù)Sr=0.1645
。由實驗數(shù)據(jù)可繪出圖4所示不同油水混合流量Q
vm下，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差e
Sr隨含油率β的變化曲線
。
由圖4可知
，在β為5%～40%范圍內(nèi)，油水兩相混合流動中存在穩(wěn)定的兩相渦街
，e
srzui大偏移為3.36%
。當β在5%～25%范圍內(nèi)，e
Sr小于2%
，兩相渦街穩(wěn)定性好
，隨β增加（25%～40%），e
Sr有變大趨勢
。這是因為
，當β較小時，流型分布較好，油泡對正常的渦街脫落影響很小
，S
rm穩(wěn)定性好
；隨β增加，管道中細小
、均勻分布的油泡逐漸變大
，流型逐漸向水包油擾動流區(qū)過渡，形狀不規(guī)則且穩(wěn)定性漸差的油泡對渦街脫落的干擾越來越強烈
，所以S
rm隨β增加越來越偏移S
r，導致e
Sr呈現(xiàn)變大趨勢。
還可看出
，e
Sr隨Q
vm增大
，呈減小趨勢。例如
，Q
vm為5m
3/h時
，e
Srzui大偏移為3.36%；Q
vm為8m
3/h時
，e
Srzui大偏移為1.48%
；Q
vm為11m
3/h時，e
Srzui大偏移僅為0.83%
。這是因為
，渦街脫落產(chǎn)生的升力與管內(nèi)平均流速的平方成正比，也就是說
，當兩相混合流速升高時
，渦街的升力是以流速的平方倍增長，所以
，隨著Q
vm增大
，渦街信號迅速增強，對管道中油泡的抗*力增強
，渦街穩(wěn)定性變好
，e
Sr逐漸減小。
斯特勞哈爾數(shù)除了與發(fā)生體形狀有關外
，還與管道雷諾數(shù)相關
。圖5給出了不同含油率β下，油水兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差e
Sr隨兩相管道雷諾數(shù)R
em的變化曲線
。其中
，兩相管道雷諾數(shù)R
em計算公式如下：
式中：ρm為油水兩相流密度，μm為油水兩相流粘度
。
由圖5可知
，在R
em為0.5×10
4～5×10
4實驗范圍內(nèi)
，均有油水兩相渦街產(chǎn)生。當R
em在2×10
4～5×10
4范圍內(nèi)時
，e
Sr小于1%
，S
rm可視為常數(shù)，具有穩(wěn)定的兩相旋渦生成
。當R
em在0.5×10
4～2×10
4范圍內(nèi)時
，S
rm隨R
em降低而升高，呈現(xiàn)非線性
。S
rm出現(xiàn)非線性的區(qū)域也正是β較大的區(qū)域（β為20%～40%）
，這從式（8）～（10）不難看出，由于ρ
o與ρ
w相差較小
，而μ
o約為μ
w的14倍
，所以當β增加時，R
em降低
，S
rm升高呈現(xiàn)出非線性
。
5 結論
本文應用渦街流量計對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進行實驗測量，流量范圍5～11m3/h
，含油率為5%～40%
，流型為水包油，將油水兩相流視為均相流
。
含油率5%～40%范圍內(nèi)
，兩相儀表系數(shù)相對誤差小于4%，表明利用渦街流量計測量油水兩相混合流量的誤差較小
，具有可行性
。
含油率5%～40%范圍內(nèi)，油水兩相混合流動中存在穩(wěn)定的兩相渦街
；兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差隨含油率增加有變大趨勢
，隨混合流量增大有減小趨勢。
油水兩相雷諾數(shù)為2×104～5×104內(nèi)時
，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差小于1%
，可視為常數(shù)；兩相雷諾數(shù)在0.5×10
4～2×10
4內(nèi)時
，兩相斯特勞哈爾數(shù)隨雷諾數(shù)降低而升高
15601403949
15601403949
在線客服