高含氣率下V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性 發(fā)布時(shí)間:2019-08-29
摘要:針對高含氣率條件下V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布及對V錐下游壓力恢復(fù)影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,考查了不同流型的來流以及節(jié)流比對氣液相分布的影響,獲得了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長度。研究表明:氣液兩相流流經(jīng)V錐后,其流動(dòng)狀態(tài)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變,節(jié)流比越小,來流的變化越明顯;流態(tài)的變化直接影響V錐流量計(jì)內(nèi)的壓力分布,氣液兩相流條件下V錐流量計(jì)所需的壓力恢復(fù)長度與單相流體相比較短。對于節(jié)流比為0.45的V錐流量計(jì),高含氣率條件下,下游壓力在6D(D為管道內(nèi)徑)處可以恢復(fù),部分工況下,壓力在下游3D處也可恢復(fù),而節(jié)流比為0.55、0.65和0.75的V錐流量計(jì),壓力在下游3D即可恢復(fù)。研究結(jié)果可為開發(fā)基于單V錐節(jié)流元件的氣液兩相流量在線測量方法提供理論指導(dǎo)。 高含氣率氣液兩相流(體積含氣率φ超過95%)廣泛存在于石油、核能、化工、動(dòng)力等工業(yè)過程中,其流量在線測量一直是多相流領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題。例如,在天然氣開采過程中,氣井出口產(chǎn)氣往往為攜帶少量液相的天然氣,屬于典型的高含氣率氣液兩相流。以我國陸上最大的整裝氣田蘇里格氣田為例,其采用了井間串接工藝生產(chǎn)模式,這種生產(chǎn)模式由于國內(nèi)外均沒有在線測量氣液流量的低成本技術(shù),難以獲得單井生產(chǎn)數(shù)據(jù),嚴(yán)重影響到了對氣藏出水的準(zhǔn)確預(yù)測、配產(chǎn)的科學(xué)管理、增產(chǎn)措施的科學(xué)設(shè)計(jì)等[1-2]。 當(dāng)前,采用最多的高含氣率氣液流量在線測量方法為“組合法”,即通過兩個(gè)或多個(gè)單相流量計(jì)(傳感器)串聯(lián)起來,通過求解單相流量計(jì)對應(yīng)的測量方程得到氣液兩相的流量。其中,采用最多的是差壓流量計(jì)(孔板流量計(jì)、文丘里管、V錐流量計(jì)等)和其他傳感器(包括速度式、容積式、質(zhì)量式、伽馬射線、微波以及紅外光譜傳感器等)的組合型式[3]。自20世紀(jì)50年代起,人們就開始探索氣液兩相流在線測量技術(shù),到20世紀(jì)90年代,其商業(yè)應(yīng)用開始興起,許多研究機(jī)構(gòu)和公司相繼推出了一系列的氣液在線測量流量計(jì)此外,這些裝置所用測量模型對工況變化的適應(yīng)性不強(qiáng),多需要進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定,并且其價(jià)格高昂不適于氣井單井計(jì)量等對成本要求較苛刻場合。因此,迫切需要開發(fā)出成本低廉、準(zhǔn)確可靠的氣液流量在線測量技術(shù)和方法。 作為一種新型的差壓式流量計(jì),V錐流量計(jì)因其具有信號穩(wěn)定、壓損低、量程比寬、所需直管段短等優(yōu)點(diǎn)[11-15],近年來在多相流測量領(lǐng)域受到了越來越多的關(guān)注。deLeeuw發(fā)現(xiàn),差壓流量計(jì)測量氣液兩相流時(shí),其壓力損失能夠反映氣液流量、相含率、氣液密度比等參數(shù)的變化,可用進(jìn)行氣液流量在線測量[16]。根據(jù)Steven的研究結(jié)果[17],He等采用節(jié)流比為0.55的V錐流量計(jì),結(jié)合V錐流量計(jì)壓力損失特性,建立了基于單V錐節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測量方法[14]。確定V錐下游壓力恢復(fù)位置,是準(zhǔn)確獲得壓力損失的前提,但是目前尚缺乏針對V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)特性的系統(tǒng)研究。值得注意的是,He等在計(jì)算壓力損失時(shí),認(rèn)為壓力在V錐下游3倍管徑處即可恢復(fù)[14]。因此,研究V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性,獲得下游壓力恢復(fù)位置,對于建立基于單V錐節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測量方法十分關(guān)鍵。 針對V錐流量計(jì),通過實(shí)驗(yàn)對不同節(jié)流比的V錐流量計(jì)壓力恢復(fù)特性進(jìn)行了研究。首先,研究了V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布特性,重點(diǎn)考查了不同流型來流流經(jīng)V錐后的變化,以及節(jié)流比對氣液相分布的影響;其次,分析了V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)特性,對比了單相和氣液兩相條件下V錐下游壓力恢復(fù)位置的變化;最后,給出了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的下游壓力恢復(fù)長度。研究結(jié)果為建立基于單V錐節(jié)流元件的氣液兩相流量在線測量方法提供了技術(shù)支撐。 1實(shí)驗(yàn)裝置及方法 1.1.V錐流量計(jì) V錐流量計(jì)的節(jié)流元件結(jié)構(gòu)如圖1所示,節(jié)流元件由前、后錐角分別為α和θ的兩個(gè)V形錐體組成,并且由支撐桿固定在管道上;高壓取壓口位于V錐元件上游,低壓取壓口位于后錐體的頂點(diǎn)處,穿過錐體由支撐桿引出管外。V錐流量計(jì)水平放置,其前、后錐角分別為45°和135°;趦(nèi)徑D為50mm的管道,通過改變錐體直徑d,設(shè)計(jì)了節(jié)流比β分別為0.45、0.55、0.65和0.75的4個(gè)V錐流量計(jì);同時(shí),為了觀察氣液兩相流的流型特征及流經(jīng)V錐前后的變化,測試管道采用透明的有機(jī)玻璃管。實(shí)驗(yàn)段及錐體實(shí)物圖如圖2所示。 1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 氣、水兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程如圖3所示。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用的是壓縮空氣和自來水。空氣流量由精度為0.5%的科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,水流量由精度為0.2%的電磁流量計(jì)或精度為0.1%的科氏質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行計(jì)量,依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)工況選擇不同的流量計(jì);計(jì)量后的空氣和水在混合器內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣液混合,然后流經(jīng)一定長度的直管段,進(jìn)入實(shí)驗(yàn)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。為了保證氣液充分混合和流動(dòng)充分發(fā)展,從混合器出口到V錐測試段入口的直管段長度約為150D;實(shí)驗(yàn)段出口的氣液混合物由分離器進(jìn)行分離,空氣直接排入大氣中,水進(jìn)入儲(chǔ)水箱進(jìn)行循環(huán)利用。 壓力P由精度為0.075%的Rosemount3051CG型壓力傳感器測量,差壓△P由精度為0.075%的Rosemount3051CD型差壓傳感器測量。溫度由Pt100溫度傳感器測量,其精度為±0.15℃。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由NIUSB-6229數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和基于LabVIEW的測量軟件獲得,采集的數(shù)據(jù)包括氣、液流量、溫度、壓力、差壓等。實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測量儀表的響應(yīng)頻率特性,設(shè)定采樣頻率為500Hz,每個(gè)工況采樣時(shí)間為60s。采用奧林巴斯(Olympus)公司的i-SPEEDTR高速攝像機(jī)記錄V錐流量計(jì)內(nèi)的氣液流動(dòng)狀態(tài)。 1.3測試方法 為了判斷V錐下游的壓力恢復(fù)位置,實(shí)驗(yàn)過程中沿流動(dòng)方向在V錐節(jié)流裝置上布置了P1′、P1、P0、P2、P3和P4共計(jì)6個(gè)取壓點(diǎn),如圖4所示。其中,P1′、P1分別位于V錐上游5D和1D處,P0位于V錐錐尾取壓口處,P2、P3和P4分別位于V錐下游3D、6D和9D處,取壓點(diǎn)之間的距離L0、L1、L2、L3、L4如圖4所示。實(shí)驗(yàn)過程中測量5個(gè)差壓(△P0、△P1、△P2、△P3和△P4)和一個(gè)壓力P4。其中,△P1為前差壓,△P2、△P3和△P4為后差壓。根據(jù)壓力P4與差壓之間的關(guān)系,計(jì)算其余5個(gè)取壓點(diǎn)處的靜壓。取壓點(diǎn)的位置、靜壓和差壓的關(guān)系見表1。 實(shí)驗(yàn)中根據(jù)測量差壓的范圍選擇不同量程的傳感器,采用便攜式375手操器根據(jù)測量工況對儀表的量程范圍進(jìn)行調(diào)校,使測量儀表保持最佳測量范圍。另外,除錐尾低壓取壓點(diǎn)外,其余的取壓點(diǎn)均位于管道上壁面。實(shí)驗(yàn)中過程中并未發(fā)現(xiàn)導(dǎo)壓管中積液現(xiàn)象,僅有少量的液滴進(jìn)入導(dǎo)壓管內(nèi),對壓力和差壓測量基本沒有影響。因此,在氣液兩相流測量范圍內(nèi),壓力、差壓傳感器的導(dǎo)壓管無需加裝過濾器。 1.4實(shí)驗(yàn)工況設(shè)計(jì) 氣液兩相流的氣液分相流量、壓力等流動(dòng)參數(shù)以及節(jié)流比對V錐測量氣液兩相流時(shí)流動(dòng)和壓力分布特性的影響規(guī)律。節(jié)流比為0.45、0.55、0.65與0.75的4個(gè)V錐節(jié)流裝置。對每個(gè)節(jié)流裝置,測量了0.10、0.15、0.20及0.30MPa共計(jì)4組壓力;每組壓力對應(yīng)4組不同的氣相流量,每組氣相流量調(diào)節(jié)10次左右的液相流量。實(shí)驗(yàn)工況參數(shù)如表2所示。 實(shí)驗(yàn)中,不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況基本相同,由于實(shí)驗(yàn)過程中的操作誤差而略有差異。以β=0.75的V錐流量計(jì)為例,其實(shí)驗(yàn)工況在經(jīng)典的Mandhane流型圖[18]上的分布如圖5所示。圖中Usg和Usl分別為氣、液表觀流速,如下式所示 ??? 式中:mg和ml分別為氣、液相質(zhì)量流量;ρg和ρl分別為氣、液相密度。 可知,測試工況位于光滑分層流、波狀分層流、環(huán)狀流以及彈狀流區(qū)域。其中大部分工況點(diǎn)位于波狀分層流和環(huán)狀流區(qū)域。 2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 2.1V錐流量計(jì)內(nèi)相分布特性 氣液兩相流流過V錐后其流動(dòng)的變化主要取決于來流流型和錐體結(jié)構(gòu)。不同流型的來流流過同一V錐節(jié)流元件,可能呈現(xiàn)出不同的相分布特性;同一流型流過不同結(jié)構(gòu)的錐體后,也可能呈現(xiàn)出不同的相分布特性。 當(dāng)來流為光滑分層流時(shí),流體經(jīng)過錐體喉部加速,然后噴出,使得管道下部的分層液體破碎形成液滴,飛濺到管道上壁面(見圖6)。節(jié)流比越。碫錐錐體越大),噴射速度越高,飛濺至管道上壁面的液體也越多。液相的加速和破碎,使錐后的管道下部液體發(fā)生波動(dòng);節(jié)流比越小,波動(dòng)程度越大;在V錐下游一定距離處波動(dòng)逐漸減弱,例如節(jié)流比為0.55的V錐節(jié)流裝置,在V錐下游約3D處,液膜的波動(dòng)逐漸變。ㄒ妶D6b)。 圖7展示了來流為波狀分層流時(shí)的情況。與光滑分層流相比,來流液體的增多,減小了氣體的流通面積,V錐喉部氣液作用劇烈,高速的氣流攜帶更多的液體至管道內(nèi)壁。當(dāng)攜帶的液量足夠多時(shí),會(huì)在管道上部形成連續(xù)液膜(如圖7a所示),使來流轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流。來流工況基本相同時(shí),能否轉(zhuǎn)變成環(huán)狀流則取決于節(jié)流比的大小。如圖7所示,節(jié)流比為0.75的V錐裝置,下游管道上部僅有少量的液滴和液條;隨著節(jié)流比的減小,液滴和液條也逐漸增多,當(dāng)節(jié)流比為0.45時(shí),V錐下游為環(huán)狀流態(tài)。 圖8所示,來流為彈狀流流型時(shí),彈頭部位的大股液體,經(jīng)過V錐之后劇烈破碎,與氣體進(jìn)行混合,形成環(huán)狀流。可以預(yù)測,與來流的彈狀流流型相比,此時(shí)的環(huán)狀流氣核中夾帶更多液體,管道內(nèi)壁上的液膜分布也較為均勻,并且節(jié)流比越小,氣核中夾帶的液量也越多。 環(huán)狀流流過V錐節(jié)流元件時(shí),由于V錐節(jié)流裝置環(huán)形通道特點(diǎn),V錐對環(huán)狀流的破壞較小,下游仍然呈環(huán)狀流型(如圖9所示)。由于喉部的加速,氣液剪切作用強(qiáng)烈,使得液膜破碎成液滴,導(dǎo)致氣核中液滴夾帶量增加;相同工況條件下,節(jié)流比越小,液膜越容易破碎,氣核中液滴夾帶量越大。 如圖10所示:表觀氣速較低時(shí),來流的表觀液量越大,錐后液體被卷吸的高度也越高,卷吸距離越短,同時(shí)飛濺液量越多,越容易在下游管壁上形成液膜(見圖10a~10d);表觀氣速較高時(shí),隨著表觀液量增大,錐后的氣液作用越劇烈,氣核中夾帶的液體越多,氣液分布越均勻(見圖10e~10h)。 2.2壓力恢復(fù)長度 V錐節(jié)流裝置的壓力恢復(fù)長度,是指從V錐錐尾取壓孔到下游壓力基本不再變化位置處的距離[19]。該處流體的動(dòng)能已恢復(fù),從該處往下游,壓力沿流動(dòng)方向降低主要是流體之間以及流體與壁面之間的摩擦造成的。 2.2.1壓力恢復(fù)位置判定圖11所示為氣液兩相流流經(jīng)V錐時(shí)6個(gè)取壓位置處的靜壓力?梢园l(fā)現(xiàn),氣液兩相流流過V錐之后,動(dòng)能迅速恢復(fù),壓力升高,然后趨于穩(wěn)定。壓力恢復(fù)位置可能受到氣、液相流量、節(jié)流比等因素的影響,只有確定了V錐下游的壓力恢復(fù)位置,才能合理布置下游高壓取壓點(diǎn)的位置,得到準(zhǔn)確的壓力損失。這對于利用V錐節(jié)流裝置的壓損特性,建立基于單節(jié)流裝置的氣液兩相流在線測量模型十分關(guān)鍵。 根據(jù)下游壓力的分布特性可知,當(dāng)V錐下游3個(gè)取壓點(diǎn)的壓力滿足P2>P3>P4時(shí),則認(rèn)為V錐下游壓力在P2處(3D)已恢復(fù);當(dāng)滿足P2<P3>P4時(shí),則可認(rèn)為下游壓力在P3處(6D)已恢復(fù)。 定義 按照上述判別方法,若△P3-2<0且△P4-3<0,則在V錐下游3D處壓力已恢復(fù);若△P3-2>0且△P4-3<0,則在V錐下游6D處壓力已恢復(fù)。 2.2.2單相流體壓力恢復(fù)長度實(shí)驗(yàn)研究了空氣和水兩種單相介質(zhì)情況下V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長度。由圖12可知,測量介質(zhì)為空氣時(shí),對于節(jié)流比為0.45和0.55的V錐節(jié)流裝置,其下游壓力在V錐下游3D處并未完全恢復(fù),而6D時(shí)可以認(rèn)為壓力已完全恢復(fù),因此其壓力恢復(fù)長度大于3D;對于節(jié)流比為0.75的V錐節(jié)流裝置,其下游壓力在V錐下游3D處則可以完全恢復(fù);節(jié)流比為0.65的V錐節(jié)流裝置,當(dāng)氣體雷諾數(shù)Reg≥0.6×105時(shí),也可以認(rèn)為其壓力在V錐下游3D處已完全恢復(fù)。當(dāng)流動(dòng)介質(zhì)為水時(shí),如圖13所示為△P3-2和△P4-3隨液體雷諾數(shù)Rel的變化,4個(gè)不同節(jié)流比的V錐節(jié)流裝置下游壓力恢復(fù)處的位置與測量空氣時(shí)所需的恢復(fù)長度基本相同。 2.2.3氣液兩相流時(shí)的壓力恢復(fù)長度如圖14和15所示,測量氣液兩相流時(shí)V錐流量計(jì)下游壓力恢復(fù)長度與測量單相流時(shí)并不完全相同。對于節(jié)流比為0.45的V錐流量計(jì),空氣中引入少量水后,當(dāng)體積含氣率小于99.5%時(shí),部分測試工況所需的壓力恢復(fù)長度與單相空氣相比變短,但仍有一些實(shí)驗(yàn)工況的壓力恢復(fù)長度需要大于3D,而在下游6D處壓力能夠完全恢復(fù)。在圖14中,節(jié)流比為0.55的V錐流量計(jì)測量氣液兩相流時(shí),壓力在下游3D處即能恢復(fù)。這意味著與測量單相空氣相比,液相的加入縮短了V錐流量計(jì)下游所需的壓力恢復(fù)長度。其主要原因如下:①V錐前后流型變化的影響。由圖10可知,在一定表觀氣液流速下,氣液兩相流流經(jīng)V錐后,流型可能發(fā)生變化,如分層流變成環(huán)狀流(見圖10c、10d)等。環(huán)狀流條件下,壁面潤滑效應(yīng)的存在使得摩擦壓降降低,進(jìn)而導(dǎo)致壓力恢復(fù)距離的縮短,并且節(jié)流比越。ㄥF體體積越大),對流型影響越大,流型轉(zhuǎn)變所需的氣液流速越低(見圖7),對下游壓力分布的影響越明顯。②與V錐下游的尾渦對壓力分布特性的影響有關(guān)。尾渦越長,則壓力恢復(fù)所需的距離越長。研究發(fā)現(xiàn),氣液兩相流來流時(shí)的尾渦長度比單相氣體時(shí)的短,因此所需的壓力恢復(fù)長度也小于單相氣體。圖15表明,節(jié)流比為0.65和0.75的V錐節(jié)流裝置測量高含氣率氣液兩相流時(shí),壓力在下游3D處可完全恢復(fù)。 對于4個(gè)不同節(jié)流比的V錐流量計(jì),在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),測量單相流體和氣液兩相流時(shí),所需的壓力恢復(fù)長度如表3所示?芍,V錐節(jié)流裝置測量氣液兩相流時(shí),當(dāng)節(jié)流比為0.45時(shí),建議恢復(fù)壓力測壓點(diǎn)設(shè)在大于3D的位置處;節(jié)流比為0.55、0.65和0.75時(shí),推薦恢復(fù)壓力測壓點(diǎn)設(shè)在下游3D處。此外,在研究范圍內(nèi),壓力恢復(fù)長度受入口壓力影響較小。 3結(jié)論 高含氣率條件下V錐流量計(jì)內(nèi)氣液相分布特性及V錐下游壓力恢復(fù)特性?疾榱瞬煌餍蛠砹饕约肮(jié)流比對氣液相分布的影響,獲得了不同節(jié)流比V錐流量計(jì)的壓力恢復(fù)長度,主要結(jié)論如下: (1)氣液兩相流流經(jīng)V錐后,其流動(dòng)狀態(tài)可能發(fā)生轉(zhuǎn)變,節(jié)流比越小,來流的變化也越明顯;V錐下游的相分布特征與來流流型密切相關(guān)。流態(tài)的變化會(huì)直接影響V錐流量計(jì)內(nèi)的壓力分布。 (2)對于光滑分層流和波狀分層流,在錐體喉部加速的影響下,下游管道上壁面有液滴或液膜出現(xiàn),且在一定條件下,V錐下游可轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)狀流;彈狀流流經(jīng)V錐后,則轉(zhuǎn)變?yōu)闅夂酥袏A帶大量液滴的環(huán)狀流;V錐對環(huán)狀流氣液相分布影響較小。 (3)氣液兩相流條件下V錐流量計(jì)所需的壓力恢復(fù)長度與單相流體相比較短。對于4種節(jié)流比的V錐流量計(jì),節(jié)流比為0.45時(shí),高含氣率條件下,下游壓力在6D處可以恢復(fù),部分工況條件下,下游壓力在3D處即可恢復(fù);節(jié)流比為0.55、0.65和0.75的V錐流量計(jì),壓力在下游3D即可恢復(fù)。
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