摘 要:為了考察渦街流量計在油水兩相流中的測量特性,在內(nèi)徑為50 mm的垂直上升管道內(nèi),對不同混合流量、含油率下的渦街信號進行了實驗測量,并對油水兩相儀表系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)予以分析。結果表明,在含油率5%~40%內(nèi),儀表系數(shù)相對誤差小于4%,斯特勞哈爾數(shù)相對誤差隨含油率增加有變大趨勢、隨混合流量增加有減小趨勢,而且在兩相雷諾數(shù)2×10 4~5×10 4內(nèi)可視為常數(shù),并隨雷諾數(shù)降低而升高。實驗說明油水兩相流中存在穩(wěn)定的兩相渦街,利用渦街流量計測量油水兩相混合流量具有可行性
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,最后油水兩相流體經(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NI6009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1 000Hz,采樣時間為30 s。
實驗中油水兩相混合流量Qvm=5~11m 3/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,直至混合流量從最小值增大到最大值。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=856 kg/m 3,動力黏度μo=14×10 -3 Pa·s;水的密度ρw=998.2 kg/m 3,動力黏度μw=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Vso、表觀水流速Vsw,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)Km及其相對誤差eK為:
式中:fm代表油水兩相渦街頻率,可由渦街采樣信號經(jīng)譜分析求得,Qvm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9 223.04 m -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eK隨含油率β的變化曲線。由圖可知,在β為5%~40%范圍內(nèi),eK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)Km幾乎不受β影響,eK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,eK有變大趨勢,而且eK較大,偏移誤差最大可達3. 53%;當混合流量增大時(8~11 m 3 /h),eK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)Srm及其相對誤差eSr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=14 mm,管道內(nèi)徑D=50 mm,則m=0. 648 1, 單相流中斯特勞哈爾數(shù)Sr=0. 164 5。由實驗數(shù)據(jù)可繪出圖4所示不同油水混合流量Qvm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,esr最大偏移為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%),eSr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,Srm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Srm隨β增加越來越偏移Sr,導致e Sr 呈現(xiàn)變大趨勢。還可看出,e Sr 隨Qvm增大,呈減小趨勢。例如,Qvm為5 m3/h時,e Sr 最大偏移為3.36%;Qvm為8m3/h時,e Sr最大偏移為1.48%;Qvm為11 m / h時,eSr最大偏移僅為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Qvm增大,渦街信號迅速增強,對管道中油泡的抗干擾能力增強,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eSr隨兩相管道雷諾數(shù)Rem的變化曲線。其中,兩相管道雷諾數(shù)Rem計算公式如下:
由圖5可知,在Rem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Rem在2×10 4~5×10 4 范圍內(nèi)時,eSr小于1%,Srm可視為常數(shù),具有穩(wěn)定的兩相旋渦生成。當Rem在0.5×10 ~2×10 4范圍內(nèi)時,Srm隨Rem降低而升高,呈現(xiàn)非線性。Srm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ρo與ρw相差較小,而μo約為μw的14倍,所以當β增加時,Rem降低,Srm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2×10 4~5×10 4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,呈現(xiàn)非線性。