可调压中压湿气实验装置的研制

徐 英，尹 存，龙征海

(1. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2. 天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072；3. 中国石油西南油气田公司川中油气矿，成都 610051)

可调压中压湿气实验装置的研制

徐 英1,2，尹 存1,2，龙征海3

(1. 天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072；2. 天津市过程检测与控制重点实验室，天津 300072；3. 中国石油西南油气田公司川中油气矿，成都 610051)

为了更好地模拟湿气两相流体的流动状态，开展基于不同湿气流量测量原理和方法的实验室研究，天津大学流量实验室设计和建造了可调压中压湿气实验装置.该装置设计压力为4,MPa，采用标准表法双闭环式设计，包含独立气体循环管路、独立液体循环管路和实验用混合管路.实验所用介质为空气和水，最高工作压力1.6,MPa，可实现气相流量范围3～1,000,m3/h，液相流量范围0.05～8.00,m3/h.本研究包括该装置结构设计、压损计算、关键设备选型、装置电气控制系统设计和调试等，并通过对系统不确定度分析，得到该可调压中压湿气装置气相测量不确定度为1.00%，液相测量不确定度为0.35%.

湿气两相流；可调压装置；压损计算；不确定度分析

目前，国内外对气液两相流动状态及参数测量做了大量研究，建有不少气液两相流实验装置，其中规模与影响力较大的装置有美国科罗拉多工程实验室CEESI的湿气实验装置，英国国家工程实验室NEL的高压湿气实验装置，挪威海德鲁HYDRO公司的高压多相流实液测试标定装置，以及中国石油工业计量测试研究所的油气水多相流量计现场实液测试装置等[1-4]．

美国CEESI实验室的湿气实验装置，专为研究天然气和碳氢化合物液体组成的两相流而设计，可操作压力范围介于0.7～9.9,MPa之间，使用DN100管道时气体流速范围为2～27,m/s，气相标准表选用涡轮流量计，液相标准表选用科里奥利质量流量计，分离器选用卧式分离器．英国NEL高压湿气实验装置主要用于高压工况下高含气率气液两相流研究，最高工作压力6.3,MPa，实验介质是煤油和氮气，装置结构的设计采取全封闭循环结构，气相采用高精度涡轮流量计/高精度超声波流量计，工况流量范围120～1,200,m3/h，精度为0.5%；液相采用高精度涡轮流量计，流量范围0.1～140.0,m3/h，精度为0.2%．中国石油工业计量测试研究所的油气水多相流量计现场实液测试装置，工作压力为0.15～1.60,MPa，实验介质为净化油、油田气、含油污水. 最大油流量：50,m3/h，流量准确度±1%；最大气流量：1,170 N·m3/h，流量准确度±1.5%；最大水流量：50,m3/h，流量准确度± 1%；含气率调节范围为0～100%．

天津大学流量实验室已建有油气水三相流实验装置，设计压力1,MPa，该装置既可用于三相流体流动实验研究，也可用于模拟湿气两相流体流动实验研究．不足的是该装置工作状态最大压力为0.6,MPa，而很多湿气工业现场压力远高于该压力值．因此，为提高实验室模拟实验水平，分别从实验[5]和仿真[6]角度加以分析验证，并于2010年天津大学流量实验室开始重新研制了一套设计压力为4,MPa，且方便压力调节的中压湿气流量实验装置．该装置实现了气相不确定度1%，液相不确定度实现0.35%．

1 可调压中压湿气装置总体设计

1.1 设计目标和主要性能指标

建立可调压中压湿气装置的目标是模拟更高压力的湿气两相流体流动状态，因此需要满足对流动条件的有效控制，如气相和液相的工作压力及其稳定性控制，气相流量和液相流量的稳定性控制，另外温度会对流体的密度造成影响，故需要对温度进行实时检测并有效控制在工作范围内．

本装置的主要性能指标如下，实验压力调节范围0～1.6,MPa，气相介质为空气，流量调节范围3～1,000,m3/h；液相介质为水，流量调节范围0.05～8.00,m3/h．两相均采用标准表法计量，气相标准表精度1.0级，液相标准表精度0.35级．气相标准表台位有DN40、DN100和DN150，液相标准表台位有DN15和DN25，被检表水平工作台位有DN50和DN80. 装置工作温度为15～25,℃．

1.2 装置系统设计

1.2.1 装置基本构成

天津大学流量实验室可调压中压湿气实验装置原理示意如图1所示，装置设计为全封闭双闭环式循环结构．气相主回路主要由罗茨风机、冷凝器、缓冲罐、气相标准表组、气液混合器、被检表、气液分离器、相应的管道和阀门等构成．液相主回路主要由增压水泵、液相标准表组、气液混合器、被检表、气液分离器、储液罐、相应的管道和阀门等构成．空压机可为装置系统升压至1.6,MPa．

图1 可调压中压湿气实验装置原理示意Fig.1Block diagram of wet gas experimental facility with adjustable and intermediate pressure

1.2.2 装置工作流程

本装置的流程如图2所示，可分为调压系统、动力设备、标准表管路、分流回路、气液混合与分离系统5个部分．调压系统包括空压机、过滤器、补气阀和泄气阀，并带有压力表，为实验提供的可调压范围是表压0～1.6,MPa．动力设备有罗茨风机和增压水泵，气相回路由罗茨风机进行循环驱动，液相回路由增压水泵进行循环驱动．气路标准表管路设有DN40、DN100和DN150 3个口径，液路标准表管路设有DN15和DN25 2个口径，分别带有压力、流量、温度的检测及显示，每一个标准管路对应不同的流量范围，可覆盖装置流量设计指标．气相分流回路包括罗茨风机、冷凝器、缓冲罐、中间调节阀及管道．冷凝器为循环气体降温，使实验温度维持在15～25,℃范围，缓冲罐可减小气流量的脉动；液相分流回路包括增压水泵、手阀、储液罐及管道，调节手阀开度可为液路分流以及微调液路压力．气液混合与分离系统包括气液混合器、被检表管路和气液分离罐，气液混合器由直径为150,mm的圆直管段及扩缩径组成，混合器内部设计一个可更换的喷头，以研究不同的气液混合效果；被检表管路口径分为DN80和DN50，湿气两相流研究可利用该混合实验管段．气液分离罐用于气液两相流体的分离，气相通过顶部出口回到罗茨风机，液相通过下方出口流回储液罐，气液分离罐和储液罐之间设计有压力平衡管路连接，保持压力平衡．

工作流程如下：根据实验方案所需流量，可选择相应的标准表管路及被检表管路；打开所选管路上的阀门，通过调压系统使装置内部压力达到实验设定值；通过风机变频器调节罗茨风机输出，使气路流量达到设定值，调节气相分流回路中间调节阀可微调气路流量；改变水泵输出和液相分流回路手阀的开度，可调节液路压力，实际操作中控制在略高于气路压力0.1～0.2,MPa，调节液路调节阀，使液路流量达到设定值；同时微调气路流量，保持气路流量稳定；气液路流量均稳定后，通过工控机采集系统中的变送器信号，如差压、温度、压力等信号．湿气两相流实验研究通常采取的实验方法为：实验中管道压力分为若干种情况，在每一种压力条件下，控制调节若干种不同的气相流量，在每一个气相流量下，首先以混合前单相气体标准表计量结果作为比较基准，然后从小到大改变液相流量，每组实验液相流量调节20次左右，最终得到不同的实验数据．在每一个实验点上，连续采样15次，并对采样数据作平均处理，完成各参数的采集.

2 装置管网压损分析

2.1 压损的构成

为选择合适的动力设备以保证管道内流体达到实验所需流速，需要对装置管网的压损进行计算．单相流体的压损可分成摩擦阻力压损和局部阻力压损2部分．摩擦阻力压损主要由流动介质微团与直管段内壁摩擦造成．局部阻力压损主要由流体经过弯头、阀门、扩径、缩径等部件产生的附加阻力造成[6-7]，有

式中：TR为管网总压损，Pa；Rm为单位长度上的摩擦阻力压损，Pa/m；L为各直管段的长度，m；Rz为局部阻力压损，Pa．

Rm是由介质微团与管壁摩擦引起的摩擦损失或摩擦阻力压损，计算公式为

式中：λ为摩擦阻力系数，N·s2/m4；D为圆管直径，m；ρ为介质密度，kg/m3；v为管道中介质速度，m/s．

Rz是介质经过某些局部管段产生涡流引起的局部损失或局部阻力压损，计算公式为

式中ξ为管件局部阻力损失系数．

水平管道内的气液两相流压损，也包括摩擦阻力压损和局部阻力压损，计算方法与单相流体有所不同，在下一节将分别计算．

2.2 压损的计算

2.2.1 装置运行的最大压损条件

由于本装置设计目标是模拟现场实液进行湿气实验，因此根据现场的气液相流量情况，设定装置运行的最大压损条件如下：工作压力1.6,MPa，当使用DN50被检表管路时，选取气相最大流量为70,m3/h，液相最大流量为1.5,m3/h；当使用DN80被检表管路时，选取气相最大流量为300,m3/h，液相最大流量为8,m3/h．本研究以使用DN50被检表管路为例来计算装置运行所需最大压损，实验中需要使用标准表管路气路3和水路1，流体经过的管道包括口径DN150的气路公共管路，口径DN100的气路标准表管路，口径DN25的液路标准表管路和口径DN50的气液混相管路即实验研究被检表管路．压损的计算分为气路压损计算、液路压损计算以及混合管路压损计算，实验温度25,℃，气体密度18.71,kg/m3，液体密度997.043,kg/m3．

2.2.2 气液分相管路压损计算

1) 摩擦阻力压损

首先确定管材的绝对粗糙度Δ和雷诺数Re，再根据雷诺数选择相应公式计算摩擦阻力系数λ，最后计算摩擦阻力压损[7]．

气路管道口径包括DN150和DN100，液路管道口径为DN25．气路流量70,m3/h，液路流量1.5,m3/h，查得镀锌不锈钢管材的绝对粗糙度Δ为0.15,mm．计算摩擦阻力系数结果如表1所示．

口径DN100管路中流体雷诺数满足Re＞250,D/Δ，选择λ计算公式为

口径DN150和DN25管路中流体雷诺数满足250,D/Δ＞Re＞20,D/Δ，选择λ计算公式为

气路摩擦阻力压损ΔpGm和液路摩擦阻力压损ΔpLm(下标G代表气路，L代表液路，m代表摩擦阻力)计算结果见表2．

表1 直管段摩擦阻力系数Tab.1 Straight pipe friction factor

表2 气液分相摩擦阻力压损计算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)局部阻力压损

本装置气液路分相管路的局部阻力压损主要由圆形弯头、圆管道斜接弯头、扩径、缩径、蝶阀和涡轮流量计等引起，气路局部阻力压损ΔpGj和液路局部阻力压损ΔpLj(下标j代表局部阻力)计算结果见表3，表中所述圆形弯头的弯角为90°，弯角为180°的圆形弯头折算成90°时，需要乘以修正系数1.4，R/D是圆形弯头转弯半径R与其所在圆管道直径D的比值，表中空缺部分是由于该口径管道不含对应的部件.

表3 气液分相局部阻力压损计算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 气液混合实验管路压损计算

本装置气液混合实验管路为水平管路，压损计算[7]可简化为水平直管段摩擦阻力压损和局部阻力压损，选择口径DN50的被检表管路．计算中水密度ρL=997.043,kg/m3，空气密度ρG=18.71,kg/m3，气相流量70,m3/h，液相流量1.5,m3/h，混合管路总长LH(下标H代表混合管路)为6.1,m．

1) 水平直管段摩擦阻力压损计算

水平直管段摩擦阻力压损ΔpHm采用马蒂内里-纳尔逊方法计算[8]．先计算得干度x为0.467，再结合压力p为1.6,MPa，对照Φ2,LO=f(x，p)关系图[8]，查得Φ2,LO=65，Φ2,LO为ΔpHm与管道中全部为水时的摩擦阻力压损ΔpO之比．ΔpO=RmLH，Rm由式(2)计算，代入数据算得ΔpO=93.88,Pa，ΔpHm=Φ2,LO·ΔpO= 65×93.88=6,102.2,Pa．

2) 局部阻力压损计算

局部阻力压损主要包括一个突扩接头压损和一个90°弯头压损，分别采用均相流模型导出的公式和奇斯霍姆方法计算．突扩接头压损公式[8]为

式中：ΔpHj1为突扩接头压损；G1为流体进入突扩接头前质量流速；σ为突扩接头上下游管道截面积之比.

计算得G1=396.86,kg/(m2·s)，代入数据σ= 0.111,1，x=0.467，得ΔpHj1=1,586.33,Pa．实际本计算设定1.6,MPa压力下，实验值估算约为0.5ΔpHj1= 793.17,Pa．

弯头压损用奇斯霍姆方法[8]计算，计算公式为

式中：ΔpHj2为气液两相流体流过弯头的局部阻力压损；ΔpBLO为两相流体全为液体时流过弯头的摩擦阻力压损；B′为计算过程中定义的变量．

式中：L/D为弯头当量长度；qm为质量流速．

式中ξBLO为两相流体全为液体时的弯头阻力系数，且有

先根据R/D在L/D与R/D关系图[8]中查得L/D值，代入式(10)得到ξBLO；再将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，代入已知数据算得ΔpHj2=21.22,Pa．

综上所述，本装置选用口径DN50被检表管路进行现场实液模拟实验时，气相循环管路所需最大压损Δpgas=ΔpGm+ΔpGj+ΔpHm+0.5ΔpHj1+ΔpHj2= 7.363,kPa，液路循环管路所需最大压损Δpliq=ΔpLm+ ΔpLj=8.647,kPa.选用口径DN80被检表管路时，计算过程与DN50相同，气路最大流量300,m3/h，液路最大流量8,m3/h，计算结果为Δpgas=23.281,kPa，Δpliq= 232.195,kPa．

3 动力设备现场仪表及阀门选型

3.1 动力设备选型

在动力设备选型中，考虑20%的余量，气路循环设计计算最大压损为28,kPa，液路循环设计计算最大压损为280,kPa．综合考虑动力设备升压能力、实用性和成本要求，本装置选择的气相动力设备为罗茨风机，其型号是RD125,N0，典型功率30,kW，额定升压50,kPa，由37,kW的变频器控制运行，机械密封，最大流量可达1,000,m3/h．液相动力设备为增压水泵，扬程60,m，出口压力可达2.2,MPa，流量可达8,m3/h，额定电压380,V．

3.2 现场仪表选型

气相标准表选用气涡轮流量计，口径分别为DN40、DN100、DN150，精度1.0级，工作压力0～2.5,MPa，可覆盖的流量范围为3～1,000,m3/h．液相标准表选用高精度横河AXF电磁流量计，口径分别为DN5和DN25，精度可达0.35%，可覆盖的流量范围为0.007,1～17.671,0,m3/h．标准压力变送器选用横河EJA530A表压压力变送器，其量程为0～2.5,MPa，精度可达0.2%．标准管路温度变送器精度0.5级，量程-10～100,℃．

3.3 现场阀门选型

每条气路设有一个电动开关蝶阀，每条液路设有一个电动开关蝶阀和一个电动调节球阀，均采用220,V供电．电动调节阀采用4～20,mA控制电流调节其开度．缓冲罐、气液分离罐和储液罐上分别设有弹簧式安全阀，压力等级为4,MPa．

4 电气控制系统设计

4.1 控制系统硬件平台

工控机选择的是研华工控机，CPU P4-3.0,G，内存2,G．根据I/O点数量和类型配置，选择了与工控机配套的5块研华PCI板卡，包括PCI-1710L 2块，PCI-1723 1块，PCI-1750 1块，PCI-1780 1块．PCI-1710L是一款PCI总线的多功能数据采集卡，支持16路单端或8路差分模拟量输入，或组合方式输入；12位A/D转换器，采样速率可达100,kHz，利用它进行标准表和被测表模拟信号的采集．PCI-1723是一款非隔离的多通道PCI模拟量输出卡，用于输出4～20,mA电信号，实现调节阀的自动控制．PCI-1750是一款PCI总线的半长卡，能够提供16路隔离输出通道，用于开关阀的自动控制．PCI-1780是一款PCI总线的多通道计数器定时器卡，提供8个独立的16,bit计数器，本系统利用其计频模式采集气涡轮流量计输出的频率信号．

4.2 控制系统软件平台设计及实现功能

软件平台运用Visual Basic(VB)开发，VB提供了丰富的控件及强大的可视化编程能力，可以很好地完成本文中软件平台的开发设计．同时，研华板卡具有VB环境下的驱动模块，只需在程序中简单定义，即可方便地使用板卡采集数据和控制设备．为保证软件平台的可靠性，软件平台设计参考了软件工程学原理，将软件平台设计开发分为6个阶段：问题定义、软件需求与可行性分析；软件平台与对应的硬件接口设计；软件平台概要设计；软件平台详细设计及编码；软件平台测试分析；项目开发总结．

经以上阶段的设计开发，软件平台实现了以上功能：对所有仪表信号的采集及在线显示；对开关阀、调节阀、变频器实现可靠控制；对流量、压力的调节；对装置异常进行报警；对实验数据进行保存与查询；软件平台同时开发了针对气液两相流量计检定的程序，并能同时生成报表等．控制系统软件平台完成了可靠性设计，包括检查数据类型和运算对象，防止程序崩溃；改变软件设置时需要点击执行按钮，防止误操作；使用按钮互锁，防止同时调用同一板卡等．

5 可调压中压湿气装置调试运行

本装置调试主要分为控制系统调试、气相循环调试、液相循环调试和系统整体调试．控制系统调试有4个部分：①仪表调试，包括阀门、压力变送器、温度变送器、差压变送器、液位计、电磁流量计和涡轮流量计的调试；②控制柜硬件调试，根据设计原理复现功能调试、控制柜电源调试和控制面板调试；③软件调试，主要包括软件可靠性调试和软件功能性调试；④控制系统整体调试是指运行软件和控制柜，进行手动和自动控制装置时，测试控制信号发出命令后，对应仪表是否响应、响应是否准确及反应灵敏性．气相循环调试步骤是单独打开气相循环回路，通过罗茨风机变频器改变风机输出可调节气相流量，测试气相循环各环节．液相循环调试步骤是单独打开液相循环回路，启动增压水泵，调节水泵变频器，调试液相回路各环节．各部分单独调试后，进行系统整体调试，测试气液混合器混合效果，测试气液分离器分离效果，调试湿气工况及流量．经过所有的调试环节之后，装置可以正常运行，压力可达到1.6,MPa，气液相流量分别达到设计要求．

调试中，对混合管路直管段的设计计算压损进行了实验验证．选取DN80被检表管路，实验压力为表压0.8,MPa，气相流量235,m3/h，液相流量2.47,m3/h，根据实验条件，考虑20%余量，计算得出的单位长度摩擦阻力压损为688.6,Pa/m．根据实测数据得出的单位长度摩擦阻力压损为712.2,Pa/m．可以得出，在所选实验条件下，混合管路直管段压损的计算值与实验值近似等于700,Pa/m．

6 装置不确定度分析

标准表法装置不确定度计算公式为

式中：u为装置整体不确定度；u1为标准流量计定点使用时A类标准不确定度；u2为计时器的A类标准不确定度；u3为计时器的B类标准不确定度；u4为标准流量计不带配套仪表一起检定时引起的流量测量不确定度；u5为标准流量计检定和使用的流体条件不同时引起的流量测量不确定度；u6为数据采集、信号处理、数据处理及通讯所引起的流量测量不确定度；u7为检定标准流量计的流量标准装置的合成不确定度．

本装置标准表和被检表为瞬时流量计，不需要配备计时器，因此u2、u3均为0；标准表采用气涡轮流量计和电磁流量计，其传感器及配套转换器是整体一起检定的，故u4为0；标准表检定和使用时采用的介质都是空气，因空气具有压缩性，故配备了高精度的温度和压力变送器，温度和压力测量不确定度引起的流量测量不确定度小于装置扩展不确定度的1/5，因此u5可忽略；对于u6，气相流量频率信号采用PCI-1780板卡采集，为16位计数器，能够精确采集频率信号，液相流量模拟信号采用PCI-1710L板卡采集，为12位A/D转换通道，采样数率可达100,kHz．数据处理由工控机通过程序内置公式计算，故u6= 0．同时，调试中对数据采集显示进行了测试，把采集到的上百个数据代入贝塞尔公式计算得出，其不确定度小于装置设计的1/5，验证了可以忽略数据采集和处理带来的不确定度影响．故式(11)化简为

实际上，u1是标准流量计定点使用时A类标准不确定度，u7是检定标准流量计的流量标准装置的合成不确定度，u1和u7合成后为标准流量计出厂检定证书中给出的不确定度．本装置所用气相标准表精度1.0级，液相标准表精度可达0.35%，所以装置的气相不确定度为1.00%，液相不确定度为0.35%．

7 结 语

本文介绍了可调压中压湿气装置的研制，对装置管网的压损进行了分析计算，对装置的整体不确定度进行了分析，对装置的调试运行进行了介绍．本装置的气相测量精度可达1.0级，液相测量精度优于0.5级，可以对低于该精度的湿气两相流量计和气相流量计进行标定和实验．本装置的建成使用，对中低压工况下，改变压力对两相流量计湿气测量特性影响的研究，具有一定的基础性支持．

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(责任编辑：孙立华)

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