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涡街流量传感器用于湿气计量的实验研究
发布时间:2021-6-30 09:03:24

1前言
  湿气是由气体与液体混合而成的--种两相流,其中液相体积占一-小部分为离散相,气相体积占到绝大部分为连续相。在石油和天然气工业中,经常会有湿气产生。石油工业要求湿气的测量准确可靠。湿气计量的最终目的是实现湿气测量仪表或系统能够实时检测出湿气中液相和气相的含量。
  目前湿气测量的常用方法是将几种测量干气的标准仪表进行组合对湿气进行测量,或直接用测量干气的仪表对湿气进行测量,并对测量结果进行修正,其中修正值是通过实验来确定的。多种仪表者被推荐用于湿气的测量,目前用到的流量计有孔板、文丘里管、涡轮、涡街和内锥式流量计。在这些流量计中,孔板和文丘里管应用最为广泛,并已经用于湿气的计量,而对于其它几种流量计在湿气中应用的报道还较少。
  涡街流量计是--种速度式流量计,利用旋涡脱落原理制成。其具体检测方法是:在流体中放置一个旋涡发生体,流体流过旋涡发生体时会在其两侧产生旋涡,旋涡产生的频率与流体的流速成正比,通过检测旋涡产生的频率来达到检测流体流速的目的。涡街流量计的测量精度--般能达到1.5%,量程比为10: 1。
  涡街流量计已经用于湿气的测量。一款测量湿气的仪表,由两台文丘里管与一台涡街流量计组合来测量湿气。目前提供涡街流量计在湿气条件下实验数据的文献还较少,因此需要更多的实验数据对涡街流量计在湿气条件下的工作情况作深入分析。
湿气中液相的存在会加大涡街流量传感器的测量误差。目前所查到的文献主要集中在对测量误差的研究上,研究者记录了不同工况条件下不同液相含率造成涡街流量传感器测量误差范围,以便对涡街流量计在湿气条件下的测量值进行修正。在油田现场和实验室的湿气条件下对涡街流量计进行了实验,实验结果表明液相含量的增加会明显增加涡街流量计的测量误差I2);W ashingon( 1991 )在油田现场的高压条件 下对涡街流量计在湿气中的工作情况进行了研 究以水蒸汽作为实验介质对涡街流量计进行了实验研究,其中蒸汽为气相,水为液相4;NEL实验室在不同的压力下对涡街流量计测量湿气的误差进行了研究。
  从已有的文献看,以往的研究工作主要集中在观测不同工况下涡街流量计测量湿气时测量误差的变化情况。本文通过实验确定了在常压条件下,不同液相含率时涡街流量计对湿气的测量误差,并经出了涡街信号品质随液相含率的变化趋势,最后讨论了造成涡街流量传感器在湿气测量中误差增大和信号变坏的原因。
2.实验装置及方法低,
21实验装置
  实验介质由已测定流量的空气和水组成,其中空气为气相,水为液相,分别送入管道混合成湿气送入实验管段。实验装置如图1所示。实验装置由空气压缩机、储气罐、蓄水罐、分离罐流量计、压力变送器温度变送器、工控机和各种阀门组成。
 
  空气压缩机将空气压缩后送入储气罐,流量计1测量气液混合前储气罐送入管道的气体流量。蓄水罐距离地面30m,提供实验所需的液相,其流量由流量计2测得。气相和液相经混合器混合后送入实验管段,最后流入分离罐将水和空气进行分离,空气由放气阀排出,水由水泵送回蓄水罐循环使用。工控机对所有仪表数据进行采集和显示并对两个电动调节阀进行控制,调节气相和液相的流量。实验所用的涡街流量传感器选择了一台应用最多的压电式涡街流量传感器,其口径为50 mm,在普通气体流量实验装置.上测试,其精度为1. 5%。将涡街传感器放置在水平直管段上,其上、下游直管段长度分别为30D (管道直径)和20D。 压力变送器和温度变送器分别放在涡街流量传感器上游1D和下游10D的位置。水在涡街流量传感器.上游70D 处注入,混合器安装在涡街流量计.上游30D 的位置。
22实验方法.
  实验过程中保持气相流量为141 m³/h,对应的流速为20 m/s, 管道中液相体积含率分别为:0.0106%、0.0213%、0.0355%、0.0496%、0.0638%、0.0780%、0.0922%。
  以5000 Hz的频率对不同液相含率下电荷放大器产生的正弦信号进行采样,,每次采样10组数据,每组数据有104个采样点,将得到的采样点进行傅里叶变换得到不同液相含率下涡街产生的频谱,如图2所示.
 
3液相含率对测量误差的影响
31测量误差分析
  为了对涡街流量计的测量误差进行分析,首先在标准气装置上进行标定,得到了其斯特劳哈尔数为0. 291 ,那么流过它的流量值可用下式计算、
 
  其中,Qt为实验段涡街流量计测得的流量值;为涡街脱落频率; Sr为斯特劳哈尔数; d为旋涡发生体截流面宽度; D为管道直径。
  涡街流量计测量误差可由”下式计算:
 
  其中:y为测量误差;Qc.为流量计1见图1)测得的.标准流量值。
  表1为当注入不同的液相流量时,涡街流量计的测量误差。Qj,表示注入的液体流量,P、为液相含率,E,为测量误差。从表中可以很明显地看出,液相流量的增加,使涡街流量让的测量误差增加。
 
  为了更好地比较不同工况下涡街流量传感器测量误差的变化,表2列出了不同研究者的研究结果其中Test为本次实验结果。虽然不同研究者的实验条件相差较大,但通过表2仍可以总结出以下几条规律:液相含率越大涡街测量误差越大;管道内压力对测量结果影响比较大,压力越大其测量误差越小;实验介质对测量误差有影响。
 
3. 2斯特劳哈尔数的变化
  误差产生的原因是液相的加入使涡街流量计的斯特劳哈尔数Srav不再是-T个常数,而是随着液相的增加而变化。将实验中不同液相含率下得到的Srav进行了多项式拟合,拟合曲线如图3所示,最大拟和误差为0. 858%。其中Srav为10 次测量得到Si的算术平均值,sr的计算如式(3):
Sr=f.d/v???????????(3)
  其中,f涡街脱落频率;d旋涡发生体截流面宽度;v为平均流速。
 
4涡街信号品质分析
4.1涡街信号的不确定度
  采用式(5)对涡街频率信号的不确定度进行分析。
 
  式中,f为10次测量结果的平均值,N为测量次数,σ为不确定度,σ0为相对不确定度。在每个液相含率下测量10次。
  实验结果如图4所示。结果表明,液相的增加会影响涡街脱落频率的不确定度,从图4可以看出随着液相含率不断的增加,涡街脱落频率的不确定度也随之变差。当测量干气的时候,涡街流量传感器的不确定度为0. 031%, 当液相含率达到01092 2%时不确定度已经达到1. 58% ,增长了将近51倍,可见液相的存在使涡街流量传感器测量信号的不确定度增大,因此对涡街流量传感器进行误差修正时必须考虑液相对测量不确定度的影响。
 
4.2涡街信号质量分析
  用一个参数Sq来描述涡街频率信号的品质。
Sq定义如下:
 
  式中: Ps为涡街频率带0. 96 f到1. 04 f范围内的能量,其中信号能量通过谱分析获得。R为总能量减去Ps后的能量。如果Sq为正,则涡街频率带的能量大于其它频带的能量。在M iaus l和Pankan in的文章中对Sq的定义有详细说明。实验中利用这种方法得到了涡街频率信号品质随液相含率变化的情况,如图5所示。Sq总的变化趋势是随着液相含率的增加而迅速减小,在液相含率大于0106%后s由正变负,涡街频率带的能量开始小于其它频率带的能量,信号品质将变得很差。
 
5实验分析
  从实验结果来看,少量的液相不但会使测量误差变大,而且还会使涡街信号的品质变差。对于这种现象可以从液滴对气相的湍流调制的角度来说明。图6反映了当气相流过液滴时的情况,可以看出气相流过液滴时会在液滴的后面产生尾流并且在尾流中产生速度梯度。,尾流及其引起的速度梯度会使流体中扰动变大,进而影响到涡街的产生, 通过实验证明扰动的增加更有利于涡街的脱落,这样就增大了测量误差。管道内压力增加会抑制湍流度增加,因此提高管道内压力会降低测量误差。涡街脱落时会带动液滴--起旋转,这样就会减弱旋涡的强度,使涡街信号变弱。

 
6结论
  涡街流量计虽然已经在单相流测量中得到了广泛的应用,但在湿气条件下应用时会出现许多新的问题。通过以上的实验研究表明,湿气条件下,液柞含率的增加不只是影响涡街脱落频率从而使测量精度下降,而且对于涡街频率信号的品质也会有直按影响,这种影响随着液相含率的增加而增加。

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