可調(diào)壓中壓濕氣實驗裝置的研制

徐 英，尹 存，龍征海

(1. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072；3. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，成都 610051)

可調(diào)壓中壓濕氣實驗裝置的研制

徐 英1,2，尹 存1,2，龍征海3

(1. 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津 300072；3. 中國石油西南油氣田公司川中油氣礦，成都 610051)

為了更好地模擬濕氣兩相流體的流動狀態(tài)，開展基于不同濕氣流量測量原理和方法的實驗室研究，天津大學(xué)流量實驗室設(shè)計和建造了可調(diào)壓中壓濕氣實驗裝置.該裝置設(shè)計壓力為4,MPa，采用標準表法雙閉環(huán)式設(shè)計，包含獨立氣體循環(huán)管路、獨立液體循環(huán)管路和實驗用混合管路.實驗所用介質(zhì)為空氣和水，最高工作壓力1.6,MPa，可實現(xiàn)氣相流量范圍3～1,000,m3/h，液相流量范圍0.05～8.00,m3/h.本研究包括該裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、壓損計算、關(guān)鍵設(shè)備選型、裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)試等，并通過對系統(tǒng)不確定度分析，得到該可調(diào)壓中壓濕氣裝置氣相測量不確定度為1.00%，液相測量不確定度為0.35%.

濕氣兩相流；可調(diào)壓裝置；壓損計算；不確定度分析

目前，國內(nèi)外對氣液兩相流動狀態(tài)及參數(shù)測量做了大量研究，建有不少氣液兩相流實驗裝置，其中規(guī)模與影響力較大的裝置有美國科羅拉多工程實驗室CEESI的濕氣實驗裝置，英國國家工程實驗室NEL的高壓濕氣實驗裝置，挪威海德魯HYDRO公司的高壓多相流實液測試標定裝置，以及中國石油工業(yè)計量測試研究所的油氣水多相流量計現(xiàn)場實液測試裝置等[1-4]．

美國CEESI實驗室的濕氣實驗裝置，專為研究天然氣和碳氫化合物液體組成的兩相流而設(shè)計，可操作壓力范圍介于0.7～9.9,MPa之間，使用DN100管道時氣體流速范圍為2～27,m/s，氣相標準表選用渦輪流量計，液相標準表選用科里奧利質(zhì)量流量計，分離器選用臥式分離器．英國NEL高壓濕氣實驗裝置主要用于高壓工況下高含氣率氣液兩相流研究，最高工作壓力6.3,MPa，實驗介質(zhì)是煤油和氮氣，裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計采取全封閉循環(huán)結(jié)構(gòu)，氣相采用高精度渦輪流量計/高精度超聲波流量計，工況流量范圍120～1,200,m3/h，精度為0.5%；液相采用高精度渦輪流量計，流量范圍0.1～140.0,m3/h，精度為0.2%．中國石油工業(yè)計量測試研究所的油氣水多相流量計現(xiàn)場實液測試裝置，工作壓力為0.15～1.60,MPa，實驗介質(zhì)為凈化油、油田氣、含油污水. 最大油流量：50,m3/h，流量準確度±1%；最大氣流量：1,170 N·m3/h，流量準確度±1.5%；最大水流量：50,m3/h，流量準確度± 1%；含氣率調(diào)節(jié)范圍為0～100%．

天津大學(xué)流量實驗室已建有油氣水三相流實驗裝置，設(shè)計壓力1,MPa，該裝置既可用于三相流體流動實驗研究，也可用于模擬濕氣兩相流體流動實驗研究．不足的是該裝置工作狀態(tài)最大壓力為0.6,MPa，而很多濕氣工業(yè)現(xiàn)場壓力遠高于該壓力值．因此，為提高實驗室模擬實驗水平，分別從實驗[5]和仿真[6]角度加以分析驗證，并于2010年天津大學(xué)流量實驗室開始重新研制了一套設(shè)計壓力為4,MPa，且方便壓力調(diào)節(jié)的中壓濕氣流量實驗裝置．該裝置實現(xiàn)了氣相不確定度1%，液相不確定度實現(xiàn)0.35%．

1 可調(diào)壓中壓濕氣裝置總體設(shè)計

1.1 設(shè)計目標和主要性能指標

建立可調(diào)壓中壓濕氣裝置的目標是模擬更高壓力的濕氣兩相流體流動狀態(tài)，因此需要滿足對流動條件的有效控制，如氣相和液相的工作壓力及其穩(wěn)定性控制，氣相流量和液相流量的穩(wěn)定性控制，另外溫度會對流體的密度造成影響，故需要對溫度進行實時檢測并有效控制在工作范圍內(nèi)．

本裝置的主要性能指標如下，實驗壓力調(diào)節(jié)范圍0～1.6,MPa，氣相介質(zhì)為空氣，流量調(diào)節(jié)范圍3～1,000,m3/h；液相介質(zhì)為水，流量調(diào)節(jié)范圍0.05～8.00,m3/h．兩相均采用標準表法計量，氣相標準表精度1.0級，液相標準表精度0.35級．氣相標準表臺位有DN40、DN100和DN150，液相標準表臺位有DN15和DN25，被檢表水平工作臺位有DN50和DN80. 裝置工作溫度為15～25,℃．

1.2 裝置系統(tǒng)設(shè)計

1.2.1 裝置基本構(gòu)成

天津大學(xué)流量實驗室可調(diào)壓中壓濕氣實驗裝置原理示意如圖1所示，裝置設(shè)計為全封閉雙閉環(huán)式循環(huán)結(jié)構(gòu)．氣相主回路主要由羅茨風(fēng)機、冷凝器、緩沖罐、氣相標準表組、氣液混合器、被檢表、氣液分離器、相應(yīng)的管道和閥門等構(gòu)成．液相主回路主要由增壓水泵、液相標準表組、氣液混合器、被檢表、氣液分離器、儲液罐、相應(yīng)的管道和閥門等構(gòu)成．空壓機可為裝置系統(tǒng)升壓至1.6,MPa．

圖1 可調(diào)壓中壓濕氣實驗裝置原理示意Fig.1Block diagram of wet gas experimental facility with adjustable and intermediate pressure

1.2.2 裝置工作流程

本裝置的流程如圖2所示，可分為調(diào)壓系統(tǒng)、動力設(shè)備、標準表管路、分流回路、氣液混合與分離系統(tǒng)5個部分．調(diào)壓系統(tǒng)包括空壓機、過濾器、補氣閥和泄氣閥，并帶有壓力表，為實驗提供的可調(diào)壓范圍是表壓0～1.6,MPa．動力設(shè)備有羅茨風(fēng)機和增壓水泵，氣相回路由羅茨風(fēng)機進行循環(huán)驅(qū)動，液相回路由增壓水泵進行循環(huán)驅(qū)動．氣路標準表管路設(shè)有DN40、DN100和DN150 3個口徑，液路標準表管路設(shè)有DN15和DN25 2個口徑，分別帶有壓力、流量、溫度的檢測及顯示，每一個標準管路對應(yīng)不同的流量范圍，可覆蓋裝置流量設(shè)計指標．氣相分流回路包括羅茨風(fēng)機、冷凝器、緩沖罐、中間調(diào)節(jié)閥及管道．冷凝器為循環(huán)氣體降溫，使實驗溫度維持在15～25,℃范圍，緩沖罐可減小氣流量的脈動；液相分流回路包括增壓水泵、手閥、儲液罐及管道，調(diào)節(jié)手閥開度可為液路分流以及微調(diào)液路壓力．氣液混合與分離系統(tǒng)包括氣液混合器、被檢表管路和氣液分離罐，氣液混合器由直徑為150,mm的圓直管段及擴縮徑組成，混合器內(nèi)部設(shè)計一個可更換的噴頭，以研究不同的氣液混合效果；被檢表管路口徑分為DN80和DN50，濕氣兩相流研究可利用該混合實驗管段．氣液分離罐用于氣液兩相流體的分離，氣相通過頂部出口回到羅茨風(fēng)機，液相通過下方出口流回儲液罐，氣液分離罐和儲液罐之間設(shè)計有壓力平衡管路連接，保持壓力平衡．

工作流程如下：根據(jù)實驗方案所需流量，可選擇相應(yīng)的標準表管路及被檢表管路；打開所選管路上的閥門，通過調(diào)壓系統(tǒng)使裝置內(nèi)部壓力達到實驗設(shè)定值；通過風(fēng)機變頻器調(diào)節(jié)羅茨風(fēng)機輸出，使氣路流量達到設(shè)定值，調(diào)節(jié)氣相分流回路中間調(diào)節(jié)閥可微調(diào)氣路流量；改變水泵輸出和液相分流回路手閥的開度，可調(diào)節(jié)液路壓力，實際操作中控制在略高于氣路壓力0.1～0.2,MPa，調(diào)節(jié)液路調(diào)節(jié)閥，使液路流量達到設(shè)定值；同時微調(diào)氣路流量，保持氣路流量穩(wěn)定；氣液路流量均穩(wěn)定后，通過工控機采集系統(tǒng)中的變送器信號，如差壓、溫度、壓力等信號．濕氣兩相流實驗研究通常采取的實驗方法為：實驗中管道壓力分為若干種情況，在每一種壓力條件下，控制調(diào)節(jié)若干種不同的氣相流量，在每一個氣相流量下，首先以混合前單相氣體標準表計量結(jié)果作為比較基準，然后從小到大改變液相流量，每組實驗液相流量調(diào)節(jié)20次左右，最終得到不同的實驗數(shù)據(jù)．在每一個實驗點上，連續(xù)采樣15次，并對采樣數(shù)據(jù)作平均處理，完成各參數(shù)的采集.

2 裝置管網(wǎng)壓損分析

2.1 壓損的構(gòu)成

為選擇合適的動力設(shè)備以保證管道內(nèi)流體達到實驗所需流速，需要對裝置管網(wǎng)的壓損進行計算．單相流體的壓損可分成摩擦阻力壓損和局部阻力壓損2部分．摩擦阻力壓損主要由流動介質(zhì)微團與直管段內(nèi)壁摩擦造成．局部阻力壓損主要由流體經(jīng)過彎頭、閥門、擴徑、縮徑等部件產(chǎn)生的附加阻力造成[6-7]，有

式中：TR為管網(wǎng)總壓損，Pa；Rm為單位長度上的摩擦阻力壓損，Pa/m；L為各直管段的長度，m；Rz為局部阻力壓損，Pa．

Rm是由介質(zhì)微團與管壁摩擦引起的摩擦損失或摩擦阻力壓損，計算公式為

式中：λ為摩擦阻力系數(shù)，N·s2/m4；D為圓管直徑，m；ρ為介質(zhì)密度，kg/m3；v為管道中介質(zhì)速度，m/s．

Rz是介質(zhì)經(jīng)過某些局部管段產(chǎn)生渦流引起的局部損失或局部阻力壓損，計算公式為

式中ξ為管件局部阻力損失系數(shù)．

水平管道內(nèi)的氣液兩相流壓損，也包括摩擦阻力壓損和局部阻力壓損，計算方法與單相流體有所不同，在下一節(jié)將分別計算．

2.2 壓損的計算

2.2.1 裝置運行的最大壓損條件

由于本裝置設(shè)計目標是模擬現(xiàn)場實液進行濕氣實驗，因此根據(jù)現(xiàn)場的氣液相流量情況，設(shè)定裝置運行的最大壓損條件如下：工作壓力1.6,MPa，當(dāng)使用DN50被檢表管路時，選取氣相最大流量為70,m3/h，液相最大流量為1.5,m3/h；當(dāng)使用DN80被檢表管路時，選取氣相最大流量為300,m3/h，液相最大流量為8,m3/h．本研究以使用DN50被檢表管路為例來計算裝置運行所需最大壓損，實驗中需要使用標準表管路氣路3和水路1，流體經(jīng)過的管道包括口徑DN150的氣路公共管路，口徑DN100的氣路標準表管路，口徑DN25的液路標準表管路和口徑DN50的氣液混相管路即實驗研究被檢表管路．壓損的計算分為氣路壓損計算、液路壓損計算以及混合管路壓損計算，實驗溫度25,℃，氣體密度18.71,kg/m3，液體密度997.043,kg/m3．

2.2.2 氣液分相管路壓損計算

1) 摩擦阻力壓損

首先確定管材的絕對粗糙度Δ和雷諾數(shù)Re，再根據(jù)雷諾數(shù)選擇相應(yīng)公式計算摩擦阻力系數(shù)λ，最后計算摩擦阻力壓損[7]．

氣路管道口徑包括DN150和DN100，液路管道口徑為DN25．氣路流量70,m3/h，液路流量1.5,m3/h，查得鍍鋅不銹鋼管材的絕對粗糙度Δ為0.15,mm．計算摩擦阻力系數(shù)結(jié)果如表1所示．

口徑DN100管路中流體雷諾數(shù)滿足Re＞250,D/Δ，選擇λ計算公式為

口徑DN150和DN25管路中流體雷諾數(shù)滿足250,D/Δ＞Re＞20,D/Δ，選擇λ計算公式為

氣路摩擦阻力壓損ΔpGm和液路摩擦阻力壓損ΔpLm(下標G代表氣路，L代表液路，m代表摩擦阻力)計算結(jié)果見表2．

表1 直管段摩擦阻力系數(shù)Tab.1 Straight pipe friction factor

表2 氣液分相摩擦阻力壓損計算Tab.2 Gas-liquid single phase frictional resistance pressure loss calculation

由表2可知，ΔpGm=26.57+140.06=166.63 Pa；ΔpLm=8 324.05 Pa．

2)局部阻力壓損

本裝置氣液路分相管路的局部阻力壓損主要由圓形彎頭、圓管道斜接彎頭、擴徑、縮徑、蝶閥和渦輪流量計等引起，氣路局部阻力壓損ΔpGj和液路局部阻力壓損ΔpLj(下標j代表局部阻力)計算結(jié)果見表3，表中所述圓形彎頭的彎角為90°，彎角為180°的圓形彎頭折算成90°時，需要乘以修正系數(shù)1.4，R/D是圓形彎頭轉(zhuǎn)彎半徑R與其所在圓管道直徑D的比值，表中空缺部分是由于該口徑管道不含對應(yīng)的部件.

表3 氣液分相局部阻力壓損計算Tab.3 Gas-liquid single phase local resistance pressure loss calculation

由表3可得，ΔpGj=24.46+27.18+3.06+0.79+ 60.19+15.48+11.47+137.58=280.21,Pa，ΔpLj= 323.27,Pa．

2.2.3 氣液混合實驗管路壓損計算

本裝置氣液混合實驗管路為水平管路，壓損計算[7]可簡化為水平直管段摩擦阻力壓損和局部阻力壓損，選擇口徑DN50的被檢表管路．計算中水密度ρL=997.043,kg/m3，空氣密度ρG=18.71,kg/m3，氣相流量70,m3/h，液相流量1.5,m3/h，混合管路總長LH(下標H代表混合管路)為6.1,m．

1) 水平直管段摩擦阻力壓損計算

水平直管段摩擦阻力壓損ΔpHm采用馬蒂內(nèi)里-納爾遜方法計算[8]．先計算得干度x為0.467，再結(jié)合壓力p為1.6,MPa，對照Φ2,LO=f(x，p)關(guān)系圖[8]，查得Φ2,LO=65，Φ2,LO為ΔpHm與管道中全部為水時的摩擦阻力壓損ΔpO之比．ΔpO=RmLH，Rm由式(2)計算，代入數(shù)據(jù)算得ΔpO=93.88,Pa，ΔpHm=Φ2,LO·ΔpO= 65×93.88=6,102.2,Pa．

2) 局部阻力壓損計算

局部阻力壓損主要包括一個突擴接頭壓損和一個90°彎頭壓損，分別采用均相流模型導(dǎo)出的公式和奇斯霍姆方法計算．突擴接頭壓損公式[8]為

式中：ΔpHj1為突擴接頭壓損；G1為流體進入突擴接頭前質(zhì)量流速；σ為突擴接頭上下游管道截面積之比.

計算得G1=396.86,kg/(m2·s)，代入數(shù)據(jù)σ= 0.111,1，x=0.467，得ΔpHj1=1,586.33,Pa．實際本計算設(shè)定1.6,MPa壓力下，實驗值估算約為0.5ΔpHj1= 793.17,Pa．

彎頭壓損用奇斯霍姆方法[8]計算，計算公式為

式中：ΔpHj2為氣液兩相流體流過彎頭的局部阻力壓損；ΔpBLO為兩相流體全為液體時流過彎頭的摩擦阻力壓損；B′為計算過程中定義的變量．

式中：L/D為彎頭當(dāng)量長度；qm為質(zhì)量流速．

式中ξBLO為兩相流體全為液體時的彎頭阻力系數(shù)，且有

先根據(jù)R/D在L/D與R/D關(guān)系圖[8]中查得L/D值，代入式(10)得到ξBLO；再將ξBLO代入式(8)和式(9)，求出ΔpBLO和B′；最后由式(7)算出ΔpHj2．查得L/D=13，代入已知數(shù)據(jù)算得ΔpHj2=21.22,Pa．

綜上所述，本裝置選用口徑DN50被檢表管路進行現(xiàn)場實液模擬實驗時，氣相循環(huán)管路所需最大壓損Δpgas=ΔpGm+ΔpGj+ΔpHm+0.5ΔpHj1+ΔpHj2= 7.363,kPa，液路循環(huán)管路所需最大壓損Δpliq=ΔpLm+ ΔpLj=8.647,kPa.選用口徑DN80被檢表管路時，計算過程與DN50相同，氣路最大流量300,m3/h，液路最大流量8,m3/h，計算結(jié)果為Δpgas=23.281,kPa，Δpliq= 232.195,kPa．

3 動力設(shè)備現(xiàn)場儀表及閥門選型

3.1 動力設(shè)備選型

在動力設(shè)備選型中，考慮20%的余量，氣路循環(huán)設(shè)計計算最大壓損為28,kPa，液路循環(huán)設(shè)計計算最大壓損為280,kPa．綜合考慮動力設(shè)備升壓能力、實用性和成本要求，本裝置選擇的氣相動力設(shè)備為羅茨風(fēng)機，其型號是RD125,N0，典型功率30,kW，額定升壓50,kPa，由37,kW的變頻器控制運行，機械密封，最大流量可達1,000,m3/h．液相動力設(shè)備為增壓水泵，揚程60,m，出口壓力可達2.2,MPa，流量可達8,m3/h，額定電壓380,V．

3.2 現(xiàn)場儀表選型

氣相標準表選用氣渦輪流量計，口徑分別為DN40、DN100、DN150，精度1.0級，工作壓力0～2.5,MPa，可覆蓋的流量范圍為3～1,000,m3/h．液相標準表選用高精度橫河AXF電磁流量計，口徑分別為DN5和DN25，精度可達0.35%，可覆蓋的流量范圍為0.007,1～17.671,0,m3/h．標準壓力變送器選用橫河EJA530A表壓壓力變送器，其量程為0～2.5,MPa，精度可達0.2%．標準管路溫度變送器精度0.5級，量程-10～100,℃．

3.3 現(xiàn)場閥門選型

每條氣路設(shè)有一個電動開關(guān)蝶閥，每條液路設(shè)有一個電動開關(guān)蝶閥和一個電動調(diào)節(jié)球閥，均采用220,V供電．電動調(diào)節(jié)閥采用4～20,mA控制電流調(diào)節(jié)其開度．緩沖罐、氣液分離罐和儲液罐上分別設(shè)有彈簧式安全閥，壓力等級為4,MPa．

4 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1 控制系統(tǒng)硬件平臺

工控機選擇的是研華工控機，CPU P4-3.0,G，內(nèi)存2,G．根據(jù)I/O點數(shù)量和類型配置，選擇了與工控機配套的5塊研華PCI板卡，包括PCI-1710L 2塊，PCI-1723 1塊，PCI-1750 1塊，PCI-1780 1塊．PCI-1710L是一款PCI總線的多功能數(shù)據(jù)采集卡，支持16路單端或8路差分模擬量輸入，或組合方式輸入；12位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率可達100,kHz，利用它進行標準表和被測表模擬信號的采集．PCI-1723是一款非隔離的多通道PCI模擬量輸出卡，用于輸出4～20,mA電信號，實現(xiàn)調(diào)節(jié)閥的自動控制．PCI-1750是一款PCI總線的半長卡，能夠提供16路隔離輸出通道，用于開關(guān)閥的自動控制．PCI-1780是一款PCI總線的多通道計數(shù)器定時器卡，提供8個獨立的16,bit計數(shù)器，本系統(tǒng)利用其計頻模式采集氣渦輪流量計輸出的頻率信號．

4.2 控制系統(tǒng)軟件平臺設(shè)計及實現(xiàn)功能

軟件平臺運用Visual Basic(VB)開發(fā)，VB提供了豐富的控件及強大的可視化編程能力，可以很好地完成本文中軟件平臺的開發(fā)設(shè)計．同時，研華板卡具有VB環(huán)境下的驅(qū)動模塊，只需在程序中簡單定義，即可方便地使用板卡采集數(shù)據(jù)和控制設(shè)備．為保證軟件平臺的可靠性，軟件平臺設(shè)計參考了軟件工程學(xué)原理，將軟件平臺設(shè)計開發(fā)分為6個階段：問題定義、軟件需求與可行性分析；軟件平臺與對應(yīng)的硬件接口設(shè)計；軟件平臺概要設(shè)計；軟件平臺詳細設(shè)計及編碼；軟件平臺測試分析；項目開發(fā)總結(jié)．

經(jīng)以上階段的設(shè)計開發(fā)，軟件平臺實現(xiàn)了以上功能：對所有儀表信號的采集及在線顯示；對開關(guān)閥、調(diào)節(jié)閥、變頻器實現(xiàn)可靠控制；對流量、壓力的調(diào)節(jié)；對裝置異常進行報警；對實驗數(shù)據(jù)進行保存與查詢；軟件平臺同時開發(fā)了針對氣液兩相流量計檢定的程序，并能同時生成報表等．控制系統(tǒng)軟件平臺完成了可靠性設(shè)計，包括檢查數(shù)據(jù)類型和運算對象，防止程序崩潰；改變軟件設(shè)置時需要點擊執(zhí)行按鈕，防止誤操作；使用按鈕互鎖，防止同時調(diào)用同一板卡等．

5 可調(diào)壓中壓濕氣裝置調(diào)試運行

本裝置調(diào)試主要分為控制系統(tǒng)調(diào)試、氣相循環(huán)調(diào)試、液相循環(huán)調(diào)試和系統(tǒng)整體調(diào)試．控制系統(tǒng)調(diào)試有4個部分：①儀表調(diào)試，包括閥門、壓力變送器、溫度變送器、差壓變送器、液位計、電磁流量計和渦輪流量計的調(diào)試；②控制柜硬件調(diào)試，根據(jù)設(shè)計原理復(fù)現(xiàn)功能調(diào)試、控制柜電源調(diào)試和控制面板調(diào)試；③軟件調(diào)試，主要包括軟件可靠性調(diào)試和軟件功能性調(diào)試；④控制系統(tǒng)整體調(diào)試是指運行軟件和控制柜，進行手動和自動控制裝置時，測試控制信號發(fā)出命令后，對應(yīng)儀表是否響應(yīng)、響應(yīng)是否準確及反應(yīng)靈敏性．氣相循環(huán)調(diào)試步驟是單獨打開氣相循環(huán)回路，通過羅茨風(fēng)機變頻器改變風(fēng)機輸出可調(diào)節(jié)氣相流量，測試氣相循環(huán)各環(huán)節(jié)．液相循環(huán)調(diào)試步驟是單獨打開液相循環(huán)回路，啟動增壓水泵，調(diào)節(jié)水泵變頻器，調(diào)試液相回路各環(huán)節(jié)．各部分單獨調(diào)試后，進行系統(tǒng)整體調(diào)試，測試氣液混合器混合效果，測試氣液分離器分離效果，調(diào)試濕氣工況及流量．經(jīng)過所有的調(diào)試環(huán)節(jié)之后，裝置可以正常運行，壓力可達到1.6,MPa，氣液相流量分別達到設(shè)計要求．

調(diào)試中，對混合管路直管段的設(shè)計計算壓損進行了實驗驗證．選取DN80被檢表管路，實驗壓力為表壓0.8,MPa，氣相流量235,m3/h，液相流量2.47,m3/h，根據(jù)實驗條件，考慮20%余量，計算得出的單位長度摩擦阻力壓損為688.6,Pa/m．根據(jù)實測數(shù)據(jù)得出的單位長度摩擦阻力壓損為712.2,Pa/m．可以得出，在所選實驗條件下，混合管路直管段壓損的計算值與實驗值近似等于700,Pa/m．

6 裝置不確定度分析

標準表法裝置不確定度計算公式為

式中：u為裝置整體不確定度；u1為標準流量計定點使用時A類標準不確定度；u2為計時器的A類標準不確定度；u3為計時器的B類標準不確定度；u4為標準流量計不帶配套儀表一起檢定時引起的流量測量不確定度；u5為標準流量計檢定和使用的流體條件不同時引起的流量測量不確定度；u6為數(shù)據(jù)采集、信號處理、數(shù)據(jù)處理及通訊所引起的流量測量不確定度；u7為檢定標準流量計的流量標準裝置的合成不確定度．

本裝置標準表和被檢表為瞬時流量計，不需要配備計時器，因此u2、u3均為0；標準表采用氣渦輪流量計和電磁流量計，其傳感器及配套轉(zhuǎn)換器是整體一起檢定的，故u4為0；標準表檢定和使用時采用的介質(zhì)都是空氣，因空氣具有壓縮性，故配備了高精度的溫度和壓力變送器，溫度和壓力測量不確定度引起的流量測量不確定度小于裝置擴展不確定度的1/5，因此u5可忽略；對于u6，氣相流量頻率信號采用PCI-1780板卡采集，為16位計數(shù)器，能夠精確采集頻率信號，液相流量模擬信號采用PCI-1710L板卡采集，為12位A/D轉(zhuǎn)換通道，采樣數(shù)率可達100,kHz．?dāng)?shù)據(jù)處理由工控機通過程序內(nèi)置公式計算，故u6= 0．同時，調(diào)試中對數(shù)據(jù)采集顯示進行了測試，把采集到的上百個數(shù)據(jù)代入貝塞爾公式計算得出，其不確定度小于裝置設(shè)計的1/5，驗證了可以忽略數(shù)據(jù)采集和處理帶來的不確定度影響．故式(11)化簡為

實際上，u1是標準流量計定點使用時A類標準不確定度，u7是檢定標準流量計的流量標準裝置的合成不確定度，u1和u7合成后為標準流量計出廠檢定證書中給出的不確定度．本裝置所用氣相標準表精度1.0級，液相標準表精度可達0.35%，所以裝置的氣相不確定度為1.00%，液相不確定度為0.35%．

7 結(jié) 語

本文介紹了可調(diào)壓中壓濕氣裝置的研制，對裝置管網(wǎng)的壓損進行了分析計算，對裝置的整體不確定度進行了分析，對裝置的調(diào)試運行進行了介紹．本裝置的氣相測量精度可達1.0級，液相測量精度優(yōu)于0.5級，可以對低于該精度的濕氣兩相流量計和氣相流量計進行標定和實驗．本裝置的建成使用，對中低壓工況下，改變壓力對兩相流量計濕氣測量特性影響的研究，具有一定的基礎(chǔ)性支持．

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(責(zé)任編輯：孫立華)

Research on Wet Gas Experimental Facility with Adjustable and Intermediate Pressure

Xu Ying1,2，Yin Cun1,2，Long Zhenghai3
(1. School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2. Tianjin Key Laboratory for Process Measurement and Control，Tianjin 300072，China；3. Chuanzhong Division，Southwest Oil & Gas Company，Chengdu 610051，China)

In order to better simulate the flowing condition of wet gas and develop laboratory studies based on different wet-gas flow measurement principles and methods，the flow laboratory of Tianjin University designed and built the wet gas experimental facility with adjustable and intermediate pressure. The designed pressure of the facility is 4,MPa，using the design of standard meter method and dual closed-loop. It includes an independent gas circulation loop，an independent liquid circulation loop and an experimental mixed pipeline. The experimental medium is air and water，and the highest working pressure is 1.6,MPa. The gas flow rate range is 3—1,000,m3/h，and the liquid flow rate range is 0.05—8.00,m3/h. The study includes the structure designing of the facility，the calculation of pressure loss，the selection of key equipment，the facility electrical control system designing and debugging，etc. Based on the uncertainty analysis of the facility，It is concluded that the facility’s gas measurement uncertainty is 1.00% and its liquid measurement uncertainty is 0.35%.

wet gas two-phase flow；adjustable pressure facility；calculation of pressure loss；uncertainty analysis

TH814

A

0493-2137(2014)01-0047-07

10.11784/tdxbz201205042