氣液兩相流多噴嘴分流取樣計(jì)量研究

梁法春,楊桂云,王金龍,于 皓,曹學(xué)文

(中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580)

氣液兩相流多噴嘴分流取樣計(jì)量研究

梁法春,楊桂云,王金龍,于 皓,曹學(xué)文

(中國石油大學(xué)儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院,山東青島 266580)

提出一種具有4個(gè)分流噴嘴的新型取樣器結(jié)構(gòu),根據(jù)分流比和取樣流體氣、液流量確定主管路氣液相流量。為保證取樣流體的代表性,采用“流型調(diào)整”與“阻力控制”兩種方法抑制相分離的發(fā)生。建立氣液兩相流數(shù)值模型,模擬氣液兩相流在取樣器中的流動(dòng)特性。在氣液兩相流試驗(yàn)環(huán)道上開展試驗(yàn)測試,流型包括波浪流、段塞流及環(huán)狀流。結(jié)果表明:在試驗(yàn)范圍內(nèi)氣、液相分流系數(shù)接近理論值0.25,其主要取決于分流噴嘴的數(shù)目,不受流型、氣液流速等參數(shù)波動(dòng)的影響,流量測量誤差小于±6.0%。該取樣計(jì)量裝置具有體積小、精度高、維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn),可代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)量分離器,實(shí)現(xiàn)氣液流量的實(shí)時(shí)測量。

兩相流;流量測量;取樣;試驗(yàn)

由于多相流動(dòng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性,其流量計(jì)量一直是難題。取樣式多相計(jì)量方法融合了傳統(tǒng)分離式計(jì)量方法和不分離在線計(jì)量方法的優(yōu)點(diǎn),近年來引起廣泛關(guān)注[1-4]。取樣式計(jì)量成功的關(guān)鍵在于保證取樣流體與被測主流體具有高度一致的相分率和穩(wěn)定的流量比例,即要進(jìn)行等比例取樣。然而取樣流體氣液相比例與上游主管路通常會出現(xiàn)差異,這就是所謂的相分離現(xiàn)象[5-8]。實(shí)現(xiàn)比例取樣的關(guān)鍵在于取樣器,因此探索新型取樣結(jié)構(gòu),提高取樣流體的代表性,一直是研究者追求的目標(biāo)。王棟等[9-10]采用三通管作為取樣器進(jìn)行了流量測量試驗(yàn),無法實(shí)現(xiàn)氣、液相流量的同時(shí)測量。Stoisits等[11]采用混合器將氣、液兩相混合均勻,然后再進(jìn)行取樣。其缺點(diǎn)是壓力損失大,且當(dāng)氣液相流量較小時(shí),混合效果差,影響取樣的代表性。梁法春等[12-13]基于分時(shí)原理的轉(zhuǎn)輪型分配器提高了取樣精度,但轉(zhuǎn)輪為運(yùn)動(dòng)部件,在氣相流量較大的工況下工作容易發(fā)生卡堵。有研究表明兩相流取樣特性不但取決于上游入口參數(shù)還受取樣回路和主流回路下游壓力波動(dòng)的影響[14]。筆者提出一種具有多個(gè)噴嘴的新型取樣結(jié)構(gòu),通過流型調(diào)整和噴嘴阻力調(diào)節(jié)來控制相分離,實(shí)現(xiàn)氣液兩相流流量的準(zhǔn)確測量。

1 氣液兩相流多噴嘴分流器結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 分流取樣計(jì)量原理

圖1為取樣計(jì)量原理圖。氣液兩相流體流經(jīng)取樣器時(shí)被分成分流體和主流體兩部分,分流體經(jīng)計(jì)量分離器分離計(jì)量后,重新與主流體匯合。被測兩相流體的氣相和液相流量計(jì)算為

式中,M1G、M1L分別為被測主管真實(shí)氣、液相流量;KG、KL分別為氣、液相分流系數(shù);M3G、M3L分別為分流體的氣、液相流量。

圖1 氣、液兩相流分流取樣計(jì)量原理Fig.1 Gas-liquid flow rate metering principle of sampling method

1.2 多噴嘴分流取樣器結(jié)構(gòu)

圖2為分流取樣器結(jié)構(gòu)示意圖,主要由旋流葉片、整流器、分流噴嘴、流體收集室等組成。上游氣、液兩相流首先通過旋流葉片和整流裝置進(jìn)行流型調(diào)整,將分層流、波浪流、半環(huán)狀流等不對稱流型調(diào)整為液膜沿管周均勻分布的環(huán)狀流型。因下游通道由盲板密封,上游流體完全進(jìn)入4個(gè)分流噴嘴并在流體收集室匯集。流體收集室由隔板分離成主流體室和取樣流體室。4個(gè)分流噴嘴中1個(gè)與取樣流體室相連通,其余3個(gè)與主流體室相連通。取樣流體室與取樣流體計(jì)量回路相連,通過分離方式計(jì)量氣、液相流量后,重新混合返回主管路。

圖2 分流取樣器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of sampler structure

1.3 取樣過程相分離控制

消除相分離,保證進(jìn)入4個(gè)取樣噴嘴的氣、液相流量一致,是實(shí)現(xiàn)精確計(jì)量的前提。進(jìn)入分流噴嘴的氣、液相流量取決于噴嘴入口處氣液相分布及噴嘴前后差壓。為此,提出了“流型調(diào)整”和“噴嘴阻力調(diào)節(jié)”的相分離控制方案。

流型調(diào)整:通過在取樣噴嘴上游安裝旋流葉片和整流器(圖2(a)),將上游不對稱流型調(diào)整為均勻環(huán)狀流,從而保證了各個(gè)分流噴嘴接觸氣、液相的幾率相等。

噴嘴阻力調(diào)節(jié):因各個(gè)分流噴嘴入口在同一截面上,同時(shí)取樣流體經(jīng)計(jì)量后又重新返回主流體回路(圖1),故取樣管路與主管路構(gòu)成并聯(lián)管路。根據(jù)并聯(lián)管路特性,其起、終點(diǎn)壓降相等,即Δp13+Δp30=Δp12+Δp20。Δp13、Δp12分別為取樣噴嘴和非取樣噴嘴兩側(cè)差壓,Δp30、Δp20分別為取樣回路與主回路噴嘴下游壓降。氣、液兩相流通過分流噴嘴時(shí)由于流通面積急劇減少,流速很高,產(chǎn)生的阻力損失遠(yuǎn)大于噴嘴下游管件的,即Δp13?Δp30,Δp12?Δp20。因此取樣回路和主回路壓降主要取決于噴嘴兩側(cè)壓差,而兩回路壓降相等,從而各分流噴嘴前后壓差也基本相同。

通過流型調(diào)整和噴嘴阻力調(diào)節(jié),各個(gè)分流噴嘴流動(dòng)特性基本一致。取樣流體占被測流體的比例只取決于分流噴嘴的數(shù)目,而不受上游流型等參數(shù)變化的影響。理論上取樣噴嘴的氣、液流量分別為主管路氣液流量的1/N(N為分流噴嘴數(shù)目)。本分配器周向均勻分布4個(gè)噴嘴,氣、液相的理論分流系數(shù)均為0.25。

2 氣、液兩相流多噴嘴分流特性數(shù)值模擬

2.1 多相流模型

采用FLUENT軟件進(jìn)行取樣過程數(shù)值模擬。氣、液兩相混合物經(jīng)過旋流葉片后在離心力作用下發(fā)生氣、液分離,液相將以液膜形式貼著管壁流動(dòng),在通過管壁分流噴嘴處氣、液發(fā)生分流,流場將發(fā)生突變。為準(zhǔn)確捕捉每一相的速度、相含率等參數(shù),選取Euler多相流模型。湍流模型采用雷諾應(yīng)力模型以提高流線彎曲、漩渦、旋轉(zhuǎn)預(yù)測精確性。

2.2 邊界條件確定

(1)入口邊界:速度入口(velocity-inlet)邊界條件。

(2)出口邊界:出口采用壓力出口(pressureoutlet)邊界條件。

(3)壁面條件:管道壁面、葉片表面、整流元件及密封盲板表面均采用無滑移壁面(wall)邊界條件。

氣、液兩相流分流模型見圖3。

圖3 氣、液兩相流分流模型Fig.3 Gas-liquid splitting model

2.3 模擬結(jié)果

圖4為氣液兩相流通過管壁4個(gè)分流噴嘴的氣相分率分布特性(氣相折算速度USG=20.0 m/s,液相折算速度USL=0.1 m/s,x表示x軸向上距離原點(diǎn)的長度,mm)。由圖4可見,氣液兩相流通過旋流葉片后,液相在離心力作用下被甩向壁面,通過多級旋流后最終形成均勻環(huán)狀流型。到達(dá)分流截面時(shí),在內(nèi)外差壓作用下氣、液相加速流入分流噴嘴。圖5為氣、液相速度分布矢量圖。由圖5可以看出,各個(gè)分流噴嘴流動(dòng)特性基本一致。

圖4 取樣器內(nèi)氣液相分布Fig.4 Gas and liquid distribution in sampler

圖5 取樣截面氣、液相速度矢量分布Fig.5 Velocity vector distribution in splitting section of sampler

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在中國石油大學(xué)(華東)多相流試驗(yàn)環(huán)道上進(jìn)行,氣、液介質(zhì)采用空氣和水。測試段管道內(nèi)徑為40 mm,試驗(yàn)取樣器水平布置。取樣器上游安裝了由透明機(jī)玻璃管制成的流型觀察段。氣相折算速度范圍:5.0～25.0 m/s,液相折算速度范圍:0.012～0.23 m/s,出現(xiàn)的流型包括波浪流、段塞流以及環(huán)狀流。

氣液兩相流體經(jīng)過試驗(yàn)取樣器時(shí)通過分流噴嘴后來流被分成兩部分,其中大部分直接流入下游的主回路,另一小部分混合物進(jìn)入取樣計(jì)量回路,計(jì)量分離器將這部分兩相流體分離成單相氣體和單相液體后分別計(jì)量各自流量。分流體液相流量M3L采用高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)測量,分流體氣相體積流量采用YOKOGAWA氣體旋渦流量計(jì)測量,為獲得質(zhì)量流量M3G還同時(shí)測量了當(dāng)?shù)販囟取毫Α?/p>

為了獲得氣、液相分流系數(shù),試驗(yàn)中還測量了主管氣相質(zhì)量流量M1G和液相質(zhì)量流量M1L,其詳細(xì)試驗(yàn)過程可參考文獻(xiàn)[14]。

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 流型對氣、液相分流系數(shù)的影響

圖6顯示了流型對氣、液相分流系數(shù)的影響。從圖6中可以看出段塞流、環(huán)狀流流量下氣相分流系數(shù)基本維持0.25不變。而對于波浪流,當(dāng)液相折算速度較小時(shí),KG隨著液相折算速度的增大而減小,且當(dāng)液相折算速度大于0.04 m/s時(shí),氣相分流系數(shù)接近理論值。主要原因是在波浪流型下,氣液相流速較小,沒有足夠的動(dòng)量形成均勻環(huán)狀流,各個(gè)取樣噴嘴接觸氣液相的幾率不同,從而氣相分流系數(shù)與理論值出現(xiàn)偏差。液相分流系數(shù)基本穩(wěn)定在0.25左右,不受流型的影響。液相折算速度小于0.04 m/s時(shí),稍微偏離理論值。優(yōu)化旋流葉片結(jié)構(gòu),將有助于在低氣、液流速條件下形成環(huán)狀流,從而提高分流系數(shù)的穩(wěn)定范圍。

圖6 流型對分流系數(shù)的影響Fig.6 Effect of flow patterns on extraction ratio

4.2 氣、液流量測量結(jié)果

圖7為氣、液相流量計(jì)量誤差隨質(zhì)量含氣率關(guān)系。計(jì)算公式為

式中,EG和EL分別為氣、液相質(zhì)量流量測量誤差;M1GM、M1LM分別為測量的主管氣、液相流量。

從圖7中可以看出,在入口質(zhì)量含氣率0.1～0.6內(nèi)氣、液相流量計(jì)量誤差基本在±6.0%以內(nèi),取得了良好的計(jì)量效果。需要指出的是本文中采用4個(gè)分流噴嘴進(jìn)行取樣計(jì)量,體積約為傳統(tǒng)的完全分離計(jì)量方法分離器體積的1/4。若增加分流取樣噴嘴的數(shù)目,將進(jìn)一步縮小計(jì)量裝置體積。

圖7 氣、液相流量誤差測量結(jié)果Fig.7 Measurement error of gas and liquid flow rate

5 結(jié) 論

(1)當(dāng)出口壓力一致時(shí)新型取樣分流結(jié)構(gòu)的各個(gè)分流噴嘴具有相同的流動(dòng)特性。

(2)基于“流型調(diào)整+噴嘴阻力控制”的取樣相分離控制方法保證了各分流噴嘴具有相同的阻力特性,分流比只取決于分流噴嘴的數(shù)目,不受上下游參數(shù)波動(dòng)的影響,實(shí)現(xiàn)了比例取樣。

(3)通過取樣分流,克服了兩相流波動(dòng)對計(jì)量的影響。所提出的取樣計(jì)量裝置無運(yùn)動(dòng)部件、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊,既可水平布置又可垂直布置,具有良好的環(huán)境適應(yīng)性,可代替?zhèn)鹘y(tǒng)計(jì)量分離器,實(shí)現(xiàn)氣液兩相流流量的實(shí)時(shí)測量。

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(編輯 沈玉英)

Gas-liquid two-phase flow metering using multi-nozzle sampler

LIANG Fachun,YANG Guiyun,WANG Jinlong,YU Hao,CAO Xuewen
(College of Pipeline and Civil Engineering in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China)

A novel sampler with four nozzles was proposed to extract a small fraction of gas liquid mixture from the main stream.The total gas and liquid flow rate was determined according to the flow rate of the sampled fluid and the extraction ratio.A gas-liquid two-phase flow numerical model was developed to simulate flow characteristics of gas-liquid two-phase flow in the sampler.Experiments were carried out in an air-water two-phase flow loop.The flow patterns observed during the tests includes wavy flow,annular flow and slug flow.The experimental results show that the gas and liquid flow is close to the theoretical value of 0.25 and is independent of inlet quality,flow pattern,gas and liquid velocity.The measurement error of flow rates is less than±6.0%.The metering device proposed has the merits of small size,low cost and high accuracy and can replace conventional metering separator for online measurement of gas-liquid two-phase flow.

two-phase flow;flow rate measurement;sampling;experiment

O 362

A

1673-5005(2014)04-0143-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.04.021

2014-02-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51006123);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(14CX05028A)

梁法春(1977-),男,副教授,博士,主要從事多相流體分離與計(jì)量研究。E-mail:Liangfch@upc.edu.cn。

梁法春,楊桂云,王金龍,等.氣液兩相流多噴嘴分流取樣計(jì)量研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2014,38(4):143-147.

LIANG Fachun,YANG Guiyun,WANG Jinlong,et al.Gas-liquid two-phase flow metering using multi-nozzle sampler[J]. Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2014,38(4):143-147.