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多相流體流量測量方法(一)-2
發(fā)布時(shí)間:2024-10-15 08:41:49| 瀏覽次數(shù):

應(yīng)用變液位法測量氣液兩相流量。前面所述的四種方法用來測量氣液兩相流流量都不夠完善,因?yàn)樗麄兡軌驅(qū)崿F(xiàn)的測量同第二節(jié)所提出的測量要求還有很大差距。當(dāng)然,有的測量對象如果只需知道氣液混合物體積流量或質(zhì)量流量,這些方法就可能投入實(shí)際應(yīng)用。但若需進(jìn)一步知道各相質(zhì)量流量或氣相質(zhì)量流量含量,那就需另想辦法。其中將氣液兩相先進(jìn)行分離,然后用測量單相流量的方法分別測量氣液兩相的質(zhì)量流量。

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圖3.94所示為儲液器固定的變液位流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意。常用來測量含氣石油中的石油流量。由圖可見,石油和氣體的混合物由管1切向進(jìn)入分離室2,使氣液分離。氣體經(jīng)分離室后流入儲液器4,再經(jīng)槽縫7流入容器下部6后,和氣體一起經(jīng)管5流出。儲液器中裝有穩(wěn)定液位用的隔板3,儲液器4中的液位可采用差壓計(jì)測出儲液器中液柱靜壓的方法來確定。根據(jù)讀出的差壓可確定液位高度h,再根據(jù)各相應(yīng)計(jì)算式(一種形狀的槽縫對應(yīng)一種計(jì)算式)算出液體體積流量qv。

其實(shí),將僅適用單相流的流量計(jì)與氣液分離器配合用來測量氣液兩相流中的部分參數(shù)應(yīng)用最多的是飽和蒸汽流量測量。飽和水蒸氣經(jīng)長距離輸送,因熱量損失而部分蒸汽變成冷凝水,管道中流體變成氣液兩相流,影響某些原理的流量計(jì)正常工作。常用的做法是在流量計(jì)前裝設(shè)氣液分離器,然后將液體經(jīng)疏水器排放掉。經(jīng)氣液分離后的蒸汽可近似看作為單相流,從而用一般流量計(jì)進(jìn)行測量。

基于螺旋管分離器的多相流計(jì)量裝置。該裝置是為計(jì)量油氣水多相流體而設(shè)計(jì)的。其主體是螺旋管復(fù)合氣液分離器,如圖3.95所示。中部為螺旋分離腔,上部為集氣腔,下部為集液腔。

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氣液混合物進(jìn)入螺旋管流道內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈旋流運(yùn)動(dòng)。通過離心力使氣體和液體進(jìn)行分離。為了適應(yīng)含氣率和總體流量較小的工況,采用重力分離部分進(jìn)行氣液分離,從而縮小分離器體積,增強(qiáng)其適應(yīng)能力,提高氣液分離效果。

集氣腔是空腔,近氣體出口處設(shè)捕霧網(wǎng)。集液腔也是空腔,近液體出口處設(shè)防旋渦擋板。螺旋分離腔由腔體和內(nèi)置多圈螺旋管組成,在螺旋管道內(nèi)上側(cè)開孔,分離出的氣體從開孔處排出進(jìn)入集氣腔。在螺旋管道外下側(cè)開孔,分離出的液體從開孔處排出,沿腔體壁進(jìn)入集液腔。當(dāng)流體含氣量很少或總體流量較小時(shí),流體在螺旋管內(nèi)流速較低,離心加速度較小,主要依靠分離器集氣腔和集液腔進(jìn)行分離。

在圖3.95中,上部的氣體出口管上裝有氣體質(zhì)量流量計(jì)1(1.0級),下部的液體出口管口裝有渦輪流量計(jì)2,經(jīng)計(jì)量的氣體和液體從裝置出口流出。為了將集液腔內(nèi)的液位控制在理想高度,配置了液位調(diào)節(jié)系統(tǒng),調(diào)節(jié)手段是氣體排出量。

測試表明,該裝置對油氣水三相流不同氣液比、不同負(fù)荷,具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。其中液體流量在 20~130m3/d范圍內(nèi)變化,含水量在20%~85%范圍內(nèi)變化,氣體流量在100~500m3/d范圍內(nèi)變化,液流量計(jì)量最大相對誤差1.5%,氣流量計(jì)量最大相對誤差 -2.1%。

四、混合不均勻的雙組分液體及其流量測量

(1)混合不均勻的雙組分液體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)混合不均勻的雙組分液體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣液兩相流相近,但是,由于此時(shí)兩相的黏性、密度以及兩相分界面上的張力和氣液兩相流不同,因而在流動(dòng)結(jié)構(gòu)上也存在一定的差別。

3.96 所示為由密度為851kg/m3的油和水在垂直上升管中混合流動(dòng)時(shí)的各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著油流量的增大,油水兩相流逐漸由圖示的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在圖中呈細(xì)泡及彈狀結(jié)構(gòu)的工質(zhì)為油,在霧狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中,霧滴的工質(zhì)為水。

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3.97 所示是油水混合液在水平管中的各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意。當(dāng)水流量較大而油流量較小時(shí),油和水的流動(dòng)結(jié)構(gòu)為細(xì)泡位于管子上部的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流量和油流量均小時(shí),油和水的流動(dòng)結(jié)構(gòu)為油在上面水在下面的分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流量及油流量增大時(shí),油水分界面發(fā)生波動(dòng),形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流量再增大時(shí),形成彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水及油的流量均較大時(shí),油和水形成混合狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

3.97所示的流動(dòng)結(jié)構(gòu)是油水密度相差較多時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu),當(dāng)兩種液體的密度相近時(shí),混合物流動(dòng)結(jié)構(gòu)中的油和水分布情況要比圖3.97所示的均勻。

(2)混合不均勻的雙組分液體的流量測量方法 從上面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)分析可以看出,混合不均勻的雙組分液體分層流動(dòng)時(shí),對流量測量影響較大,由于上層液體和下層液體之間黏度和密度存在差異,因此,流速也存在差異。于是對以流速測量為基礎(chǔ)的流量計(jì)的測量帶來誤差。

從圖3.96可看出,垂直上升管道中的此類混合物流動(dòng)不存在分層流動(dòng)的情況,而且在流速較高時(shí),流體呈霧狀結(jié)構(gòu),可將其近似看作均相流體,從而可用通用單相流量計(jì)進(jìn)行測量。

五、液固兩相流及其流量測量

(1)液固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)液固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,不僅受到液固兩相密度、固相含量、流速變化以及管道形狀和布置方式的影響,而且還受到固體顆粒尺寸的影響。它和氣固兩相流很相似,在表明垂直上升氣固兩相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的圖3.98中,如將氣體換成液體,即可變?yōu)橐后w流化床和液力輸送固體顆粒的流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)然,在液固兩相流中出現(xiàn)這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的具體工作參數(shù)上是和氣固兩相流不同的。

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水平管道中的液固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3.99 所示。當(dāng)流速低于臨界流速時(shí),固相會發(fā)生沉淀,當(dāng)超過臨界流速時(shí),混合物可成為浮游流動(dòng)。

(2) 液固兩相流的流量測量方法

①差壓式流量計(jì)。差壓式流量計(jì)用于測量各種漿狀流體的流量,例如水煤漿、泥漿等已有幾十年的歷史。為了保證節(jié)流裝置不沉積固相顆粒,一般都采用文丘里管。另外還需注意文丘里管喉部的磨蝕問題以及導(dǎo)壓管被漿狀物質(zhì)堵塞問題。

3.100 所示為一個(gè)用于鋁土礦漿流量測量的文丘里管,圖中所示的文丘里管作水平布置,在喉部裝有用耐磨材料制成的可更換的圓套筒4。試驗(yàn)證明,當(dāng)喉部不裝設(shè)圓套筒,則由一般碳鋼制成的喉部每月磨蝕1mm,裝上防磨蝕圓套筒后,可使文丘里管的運(yùn)行期延長好幾倍。

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另外,3.2.2節(jié)中所述的楔形流量計(jì)也適用于測量液固兩相流量,國內(nèi)有一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。采用帶法蘭膜片隔離的差壓變送器和帶吹洗液的取壓管,能使取壓管有效防堵。

楔形流量計(jì)實(shí)際使用中的困難是楔形節(jié)流件頂部的快速磨蝕,而且一經(jīng)磨蝕就無法用文丘里管中更換套筒的方法恢復(fù)其準(zhǔn)確度,只能整體更新,因此運(yùn)行成本高。

對于應(yīng)用差壓法測量液固兩相流量的研究工作進(jìn)行得還不夠,由于兩相流中輕相的流速要比重相流速快,此兩相之間的滑動(dòng)現(xiàn)象引入一定的誤差,所以這樣的應(yīng)用比測量單相流量時(shí)誤差大,不確定度一般可達(dá)±5%。

②科氏力質(zhì)量流量計(jì)??剖狭|(zhì)量流量計(jì)測量含有少量固體顆粒的液體流量,具有較高的信賴度,測量渣油、重油可長時(shí)間可靠運(yùn)行,有的甚至用來測量熔融狀態(tài)的瀝青石墨糊流量。但當(dāng)固體含量增加和固體粒度較大時(shí),就要考慮防堵問題,尤其是儀表口徑較小時(shí)。最好選用單根直管型,并將其安裝在垂直管道上。

液固兩相流中的固體顆粒形狀多種多樣,硬度差異也很大,因此對流量計(jì)同流體接觸的部分產(chǎn)生磨蝕作用,磨蝕速度不僅與固體顆粒外形及硬度有關(guān),還與流速有關(guān),流速越高,磨蝕速度越快。將流量傳感器安裝在垂直管道上,可以防止管壁因磨損不均而縮短使用壽命。然而管壁厚度變薄會降低測量管剛度而導(dǎo)致誤差增大。當(dāng)然,最嚴(yán)重的情況是測量管被磨穿,因此,遇到這種情況時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

③超聲流量計(jì)。3.3.2節(jié)中的多普勒超聲流量計(jì)同樣適用于液固兩相流量測量。如果采用夾裝式流量傳感器,則管道磨蝕問題和防堵問題全由工藝管道承擔(dān)。若將傳感器安裝在水平管道上,由于重相靠管底流動(dòng)可能會引入較大的測量誤差,因此,應(yīng)盡量安裝在垂直管道上。

④ 電磁流量計(jì)。測量礦漿、煤漿、泥漿、紙漿等一類電導(dǎo)率較高的液體,電磁流量計(jì)具有獨(dú)特的優(yōu)越性。首先,測量準(zhǔn)確度高,可比差壓式流量計(jì)高若干倍;其次,完全用不著考慮堵塞問題,因?yàn)檫x用與工藝管道等直徑的流量傳感器,不增加阻力;至于耐磨蝕問題,也強(qiáng)調(diào)將測量管安裝在垂直管道上,不僅磨蝕一致,而且不易在流速低時(shí)發(fā)生重相沉積現(xiàn)象。

為了對測量管內(nèi)襯的磨損進(jìn)行監(jiān)視,提出了內(nèi)襯磨穿報(bào)警方法,在圖3.101所示的測量管中,件號5、6為報(bào)警電極,當(dāng)內(nèi)襯被磨穿后,兩電極之間經(jīng)流體導(dǎo)通,從而發(fā)出警報(bào)。從現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐看,靠近測量管近法蘭處內(nèi)襯磨損最為嚴(yán)重,所以圖3.101所示的測量管增設(shè)了耐磨性較強(qiáng)的保護(hù)環(huán)7。

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