摘 要:為了考察渦街流量計(jì)在油水兩相流中的測(cè)量特性,在內(nèi)徑為50 mm的垂直上升管道內(nèi),對(duì)不同混合流量、含油率下的渦街信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,并對(duì)油水兩相儀表系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)予以分析。結(jié)果表明,在含油率5%~40%內(nèi),儀表系數(shù)相對(duì)誤差小于4%,斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差隨含油率增加有變大趨勢(shì)、隨混合流量增加有減小趨勢(shì),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(shí)驗(yàn)說(shuō)明油水兩相流中存在穩(wěn)定的兩相渦街,利用渦街流量計(jì)測(cè)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(huì)遇到油和水兩相混合流動(dòng)的現(xiàn)象[1-3],開展油水兩相流流量的測(cè)量具有重要的理論和工程意義。目前,將成熟的單相流量計(jì)應(yīng)用于兩相流量測(cè)量取得了較大進(jìn)展,如差壓式流量計(jì)、Coriolis流量計(jì)等。渦街流量計(jì)[4]因其具有輸出與流體流量成正比的脈沖信號(hào),對(duì)被測(cè)流體壓力、溫度、黏度和組分變化不敏感,可測(cè)量液體、氣體和蒸汽流量等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。然而渦街流量計(jì)在兩相流量測(cè)量領(lǐng)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(yīng)用多種單相流量計(jì)測(cè)量水平管內(nèi)油水兩相流流量的研究中提及渦街流量計(jì),但未對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。
本文應(yīng)用渦街流量計(jì)對(duì)垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量,分析了不同兩相流量、含油率對(duì)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(jì)測(cè)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(dāng)滿足一定條件時(shí)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(duì)稱的渦街,其頻率與流體平均流速成正比,因此通過檢測(cè)渦街的頻率,再根據(jù)有關(guān)的關(guān)系式就可以獲得流體的流量。設(shè)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(jì)的儀表系數(shù)。式(3)為渦街流量計(jì)測(cè)量的基本關(guān)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(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù),它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān),在雷諾數(shù)為2×10 4~7×10 6范圍內(nèi),可視為常數(shù)。
3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)油氣水三相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的,實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示,由供水和供油回路兩部分組成(氣路關(guān)閉)。流程如下: 15#白油從油罐4由油泵5泵出,經(jīng)油路標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)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(biāo)準(zhǔn)表計(jì)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(jìn)入垂直上升測(cè)量段、渦街流量計(jì)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(biāo)準(zhǔn)表及其參數(shù)見表1。實(shí)驗(yàn)中水路、油路流量調(diào)節(jié)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集控制系統(tǒng)完成。實(shí)驗(yàn)用渦街流量計(jì)內(nèi)徑為50mm,經(jīng)0.1%精度水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校驗(yàn)后其精度為0. 5%。采用NI6009數(shù)據(jù)采集卡對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行采樣并輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ),采樣頻率為1 000Hz,采樣時(shí)間為30 s。
實(shí)驗(yàn)中油水兩相混合流量Qvm=5~11m 3/h,體積含油率β=5%~40%。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng),逐漸增大到40%;然后調(diào)節(jié)油水兩相混合流量到一個(gè)新的固定值,同樣逐步增大含油率重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),直至混合流量從最小值增大到最大值。實(shí)驗(yàn)工質(zhì): 15#白油和自來(lái)水。實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行, 15#白油密度ρo=856 kg/m 3,動(dòng)力黏度μo=14×10 -3 Pa·s;水的密度ρw=998.2 kg/m 3,動(dòng)力黏度μw=1.002×10 -3 Pa·s。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dòng)特性,同時(shí)也影響著流量參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量,因此,在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)流型進(jìn)行了識(shí)別,確定為水包油流型。
為了對(duì)比驗(yàn)證,將實(shí)驗(yàn)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(yīng)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(jī)理性模型轉(zhuǎn)換成的流型辨識(shí)圖(實(shí)線所示)。由圖可知,本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)位于細(xì)油泡區(qū)(水包油)和油泡區(qū)(水包油),說(shuō)明本文識(shí)別出的流型與Flores機(jī)理性模型劃分的結(jié)果相一致,同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著含油率的增加,流型越來(lái)越靠近水包油擾動(dòng)流區(qū)
4.2 油水兩相儀表系數(shù)分析
由于實(shí)驗(yàn)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(cè)量公式,定義渦街流量計(jì)在油水兩相流混合流量測(cè)量時(shí)儀表系數(shù)Km及其相對(duì)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(hào)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(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定,單相流中渦街流量計(jì)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(duì)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(yīng)用渦街流量計(jì)測(cè)量垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量時(shí),測(cè)量誤差較小,具有可行性。特別是,當(dāng)β小于25%時(shí),油水兩相儀表系數(shù)Km幾乎不受β影響,eK小于2%,說(shuō)明渦街流量計(jì)在高含水率的油水兩相流測(cè)量中較為準(zhǔn)確。當(dāng)β在25%~40%范圍內(nèi),隨β增加,eK有變大趨勢(shì),而且eK較大,偏移誤差最大可達(dá)3. 53%;當(dāng)混合流量增大時(shí)(8~11 m 3 /h),eK變化很小,對(duì)油水兩相混合流量測(cè)量準(zhǔn)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(guān)外,還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān),而斯特勞哈爾數(shù)作為判斷渦街穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn),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(dòng)中,對(duì)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(cè)量準(zhǔn)確性的保證,也是油水兩相渦街是否穩(wěn)定的重要標(biāo)準(zhǔn)。
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(duì)誤差eSr如下:
已知研究所用渦街流量計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(dòng)中存在穩(wěn)定的兩相渦街,esr最大偏移為3.36%。當(dāng)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(shì)。這是因?yàn)?當(dāng)β較小時(shí),流型分布較好,油泡對(duì)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(xì)小、均勻分布的油泡逐漸變大,流型逐漸向水包油擾動(dòng)流區(qū)過渡,形狀不規(guī)則且穩(wěn)定性漸差的油泡對(duì)渦街脫落的干擾越來(lái)越強(qiáng)烈,所以Srm隨β增加越來(lái)越偏移Sr,導(dǎo)致e Sr 呈現(xiàn)變大趨勢(shì)。還可看出,e Sr 隨Qvm增大,呈減小趨勢(shì)。例如,Qvm為5 m3/h時(shí),e Sr 最大偏移為3.36%;Qvm為8m3/h時(shí),e Sr最大偏移為1.48%;Qvm為11 m / h時(shí),eSr最大偏移僅為0.83%。這是因?yàn)?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(shuō),當(dāng)兩相混合流速升高時(shí),渦街的升力是以流速的平方倍增長(zhǎng),所以,隨著Qvm增大,渦街信號(hào)迅速增強(qiáng),對(duì)管道中油泡的抗干擾能力增強(qiáng),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(guān)外,還與管道雷諾數(shù)相關(guān)。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(duì)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(jì)算公式如下:
由圖5可知,在Rem為0.5×10 4~5 ×10 4實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),均有油水兩相渦街產(chǎn)生。當(dāng)Rem在2×10 4~5×10 4 范圍內(nèi)時(shí),eSr小于1%,Srm可視為常數(shù),具有穩(wěn)定的兩相旋渦生成。當(dāng)Rem在0.5×10 ~2×10 4范圍內(nèi)時(shí),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(dāng)β增加時(shí),Rem降低,Srm升高呈現(xiàn)出非線性。
5 結(jié) 論
本文應(yīng)用渦街流量計(jì)對(duì)垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(duì)誤差小于4%,表明利用渦街流量計(jì)測(cè)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(dòng)中存在穩(wěn)定的兩相渦街;兩相斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差隨含油率增加有變大趨勢(shì),隨混合流量增大有減小趨勢(shì)。油水兩相雷諾數(shù)為2×10 4~5×10 4內(nèi)時(shí),兩相斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)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(shí),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。