双声道直射式气体超声波流量计湿气虚高预测模型研究

李 涛,袁 超,齐锋锋,徐 英,艾克拜尔·麦麦提

(1.天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072;2.天津市过程检测与控制重点实验室,天津 300072;3.新疆维吾尔自治区计量测试研究院,新疆乌鲁木齐 830011)

0 引言

湿气是气液两相流的一种特殊形态,通常气相为连续相,液相为离散相。不同的组织机构对湿气有不同的定义,由ISO/TR 11583技术报告[1]可知,在工况条件下,当气液两相流的体积含气率大于95%时可视为湿气;按照美国机械工程师学会(ASME)的说法,当气液两相流的Lockhart-Martinelli参数(即L-M参数)小于0.3时可视为湿气[2]。

湿气通常存在于自然气开采井口,传统的计量方法是使用分离法,即使用大型分离器将从其中流过的湿气两相流分离成气相和液相2部分流体,然后使用单相流量计分别计量气相和液相的流量。这种方法的缺点是投资高、占用空间大[3-5],而且当现场工况发生较大变化时,分离器并不能保证对各相100%的分离。在线不分离计量作为一种新的技术,与传统分离计量相比,具有实时监测产能信息、简化工艺设计、投资费用低等优点[6],越来越受到人们的重视。因此,研究各种单相流量计测量湿气的特性是湿气在线不分离计量一项十分重要的工作。

20世纪90年代初期,英国天然气公司(British gas)、英国石油公司(British petroleum)、康菲石油公司(Conoco)、挪威国家石油公司(Statoil)、丹尼尔公司(Daniel)等组建了一个联合工业项目(JIP,joint industrial project),来研究超声波流量计测量湿气的性能[7-9],结果表明:超声波流量计可以在一定的湿气环境下工作;超声波流量计比文丘里等差压式流量计测量湿气时的虚高小。近年来,国外的超声波流量计公司,如SICK、Elster、Daniel等[10],对超声波流量计测量湿气进行了深入的实验研究。他们的目的主要是:通过流量计的自我诊断或者优化流量计声道的布置方式,使流量计更适用于湿气测量;为超声波流量计测量湿气流量这一应用寻找统一的修正算法;制定使用超声波流量计测量湿气流量的测试准则等。在国内,张强等[11]研究分析了用V型反射式双声道超声波流量计测量湿气的特性,超声波流量计虚高较小,且L-M参数对虚高有较好的描述,建立了基于“混合相-单相并流”截面含气率模型的虚高模型,在所研究的范围内气相预测误差不高于3%;徐英等[12]以Z法气体超声波流量计为研究对象,得出了测量湿气时虚高与截面含气率的关系,比较了5种水平流动条件下截面含气率模型对湿气测量虚高的修正结果,基于Armand-Massina模型得到了湿气测量虚高预测模型,在压力为0.2～0.6 MPa,L-M参数小于0.16的工况下,该模型预测虚高的相对误差在±6%以内(94.79%的数据点),标准不确定度为0.98%(95%置信区间)。

国内外对于超声波流量计测量湿气的研究,虽然对其测量湿气的虚高有了一些修正方法,但是,不同结构形式的超声波流量计需要使用不同的湿气虚高修正模型。本研究针对水平管内的湿气流态,选用FLOWSIC600双声道平行直射式气体超声波流量计为研究对象,分析其虚高的来源,并通过实流实验,结合L-M截面含气率模型,建立了超声波流量计的虚高预测模型。

1 测量理论

1.1 超声波流量计测量原理

超声波流量计在流体中发射和接收超声波脉冲,超声波脉冲在顺流和逆流传播过程中存在时间差,超声波流量计通过测量上述时间差,可以计算出流体的流速,从而得到流体流量。双声道平行直射式超声波流量计俯视结构简图如图1所示。由于其两个声道平行,所以俯视结构简图中只能表示出一组超声波换能器A和B。

图1 超声波流量计结构简图(俯视图)

按照图1中的流体流动方向,换能器A发射超声波信号,换能器B接收超声波信号,记为顺流传播时间t1;换能器B发射超声波信号,换能器A接收超声波信号,记为逆流传播时间t2。设换能器A和B之间的信号传播距离为L,信号传播路径与管道中心线之间的夹角为θ,超声波在流体中的传播速度为c,流体流速为u,则t1和t2的计算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

那么,管道中的流体速度u如式(3)所示。

(3)

对于双声道平行直射式超声波流量计,其对管道中的流场有一个修正系数Kc,则流体的体积流量Q的计算如式(4)所示。

(4)

式中A为管道横截面积。

1.2 超声波流量计在湿气条件下的测量虚高

本研究以湿气中常见的分层流和环状流工况[12]为主,双声道平行直射式超声波流量计测量湿气分层流原理图如图2所示,其2组超声波换能器分别位于管道水平中心线上方的声道1和管道水平中心线下方的声道2。

图2 超声波流量计测量湿气原理图

在湿气分层流中,液相很少能到达超声波换能器位置,特别是声道1位置,因此在分层流中,超声波信号传播介质主要为气体。在湿气环状流中,由于体积含液率较小,液膜比较薄,液膜厚度远远小于管道内径,因此超声波在液膜中的传播时间可以忽略。同时,假设湿气中少量的液相对气相单相的整体流场的影响可以忽略,那么超声波流量计测量湿气时的流场修正系数,与测量单相时的流场修正系数一样,都为Kc。综合以上几点可知,相比于测量单相气体,超声波流量计在测量湿气时,它的误差主要来源于液相的存在,使得气相在管道中的流通面积小于管道横截面积A,记为AG。那么,超声波流量计测量湿气分层流和环状流时的流量QG的计算公式如式(5)所示。

(5)

超声波流量计测量湿气时,如果不加以修正,仍然使用式(4)计算流体的体积流量,那么测量得到是其虚高流量QOR。因为A>AG,所以QOR大于气体的实际流量。结合湿气测量中虚高的定义[14],超声波流量计测量湿气时的虚高ΦG的表达式如式(6)所示。

(6)

式中α为湿气测量中的截面含气率,α=AG/A。

通过以上理论推导分析可以得到,在一定的假设条件下,可以用截面含气率模型直接修正双声道平行直射式气体超声波流量计测量湿气的虚高。

2 实验设计

2.1 实验样机

本研究选取FLOWSIC600气体超声波流量计为实验对象,其有2个声道,分别为位于管道中心线上方的声道1和位于管道中心线下方的声道2,声道相互平行,为直通式,如图3所示。

(a)外观

该超声波流量计的公称通径为DN50,声道夹角θ为45°,工况气体流量为4～400 m3/h,最大设计压力为10 MPa,设计温度为-40～60 ℃,精度等级为1.0级,重复性小于0.1%。该型号流量计配有专门的诊断和配置软件MEPAFLOW600 CBM,可以实时显示并存储流体测量参数、系统诊断信息等。

2.2 实验装置

在天津大学流量实验室(属于天津市过程检测与控制重点实验室)的可调压中压湿气流量实验装置上进行超声波流量计湿气实验,该装置主要由气相标准管路、液相标准管路、水平实验管路和计算机控制系统组成,实验装置原理图如图4所示。其可调压力范围为0～1.6 MPa;气相介质为空气,可调工况流量范围为10～400 m3/h,气相管路标准表为涡轮流量计,精度1.0级;液相介质为水,可调工况流量范围为0.05～8 m3/h,液相管路标准表为电磁流量计,精度0.35级。

图4 可调压中压湿气流量实验装置原理图

工作原理为:外界空气经过空气压缩机压缩,进入装置闭合回路并达到所需压力;压力稳定后,活塞风机运行,使气相回路中的气体循环流动;水泵运行,使液相回路里的水循环流动;空气经过气相标准表,水经过液相标准表,两者在气液混合器里混合,形成湿气两相流;湿气两相流通过水平实验管道,流经被检表进行测量;而后到达气液分离器,湿气两相流分离为空气和水,分别回到气相和液相回路中。

超声波流量计在实验装置上的的安装位置如图5所示,在流量计的上游安装了由特种玻璃制成的耐压透明视窗,便于观察实际的湿气流型。

图5 FLOWSIC600安装位置图

2.3 实验工况

实验以气相表观流速usg、工况压力p、体积含液率LVF为变量,根据实验需求及装置的能力,确定了132个实验工况点。其中usg为5～20 m/s,p为0.2～0.8 MPa,LVF最大值为5%,具体实验工况点见表1。

表1 实验工况点

实验时,每个工况点采集3次数据,每次采集30组数据,以30组数据的平均值作为有效测量数据,进行后续数据分析。

3 实验结果分析

3.1 实验工况下声道性能的判别

实验中,人员通过透明视窗可以观察到各工况点下的湿气流型,流型以分层流和环状流为主,通过视窗观察到的实验湿气流型如图6所示。

(a)分层流(usg=5 m/s,p=0.4 MPa,LVF=0.5%)

已有的实验研究表明,气体超声波流量计在测量湿气时,液相的存在对超声波信号的传播会产生不利的影响。特别是当液相流量增大到一定程度时,超声波流量计的通道会失效,使流量计不能正常计量流量,这是由于液相淹没了超声波换能器,使换能器与周围管壁之间形成声短路,导致超声波脉冲信号不能正常进行发射和接收。

本研究中,由于双声道平行直射式超声波流量计声道的独特布置方式,在含液率较高的一些实验工况点时,声道2会失效,导致流量计不能正常工作,可以通过MEPAFLOW600 CBM软件对通道的工作性能进行实时监测。

表2为实验工况点下,对超声波流量计工作正常与否的判别,表中粗实线左侧的工况点,表示在此工况点时,超声波流量计声道1和2正常工作,流量计正常计量;粗实线右侧的工况点,表示在此工况点时,超声波流量计声道2失效,流量计不能正常计量。从表2可以看出,在实验工况点下:

表2 超声波流量计工作正常与否判别表

(1)压力一定时,气相表观流速越高,声道2能正常工作的含液率越低;

(2)气相表观流速一定时,压力越高,超声波流量计越容易在较高含液率下正常工作。

文中3.2节和3.3节中所使用的分析数据,都是在通道1和2正常工作时的工况点下所测的数据。

3.2 测量重复性

测量重复性是指在相同测量条件下,对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性,可用δk表示[15]。双声道平行直射式气体超声波流量计湿气流量测量的重复性是反映其在同一工况点多次测量值稳定性的重要指标。测量重复性δk如式(7)所示。

(7)

4个不同压力实验工况点下,所测流量的测量重复性如图7所示。从图7可以得出,在超声波流量计正常测量湿气时,流量测量重复性与压力、气相表观流速、含液率之间没有一定的规律。经过统计计算,有93.6%工况点下的测量重复性小于1%,所有测量重复性的平均值为0.41%。由此可见,在湿气条件下,超声波流量计在正常测量时,一致性很好。

(a)p=0.2 MPa

3.3 虚高预测模型及预测结果分析

由1.2节的理论分析可知,对于双声道平行直射式气体超声波流量计,其测湿气时,可以用截面含气率模型直接进行修正。本文所采用的是Lockhart-Martinelli截面含气率模型(即L-M截面含气率模型)[16],该模型是一种经验模型,它是基于流体的干度、气液两相的密度和黏度建立的,适用于水平管道中流动的两相流,如式(8)所示。

(8)

式中:x为气体的干度;ρg、ρl分别为气体、液体的密度;μg、μl分别为气体、液体的动力黏度。

由式(6)和式(8)可以得到在本研究工况条件下,双声道平行直射式气体超声波流量计湿气虚高的预测模型,如式(9)所示。

(9)

基于L-M截面含气率模型的双声道平行直射式气体超声波流量计湿气虚高预测模型的相对误差如图8所示。从图8可以看出,虚高预测模型的整体相对误差在±6%以内,经过数据统计,约有90.3%的相对误差在±4%以内;随着体积含液率升高,预测模型的误差呈整体上升的趋势,这是因为随着液相增加,管道壁面上的液膜对超声波探头发射和接收信号以及信号的传播过程产生较大的影响,进而影响到信号处理的结果,使流量计测量误差增大。

图8 虚高预测模型相对误差

同时,基于L-M截面含气率模型预测的虚高与实际虚高仍然存在一定的误差,进一步分析如下:

(1)在理论分析超声波流量计虚高产生机理时,忽略了超声波信号在液膜中的传播时间,同时,实际工况中,液膜并不是非常平滑,而是有一定的波动,这种波动会对流量计的测量产生一定影响;

(2)忽略了液相对超声波流量计流场系数Kc的影响。

4 结束语

本文针对双声道平行直射式气体超声波流量计开展研究,通过其结构特点和测量原理,分析了其测量湿气时虚高的产生来源,并基于L-M截面含气率模型为其建立了虚高预测模型。在工况压力为0.2～0.8 MPa、气相表观流速为5～20 m/s的范围内,在超声波流量计能正常工作的情况下:

(1)上述虚高预测模型的整体相对误差在±6%以内,90.3%的相对误差在±4%以内;

(2)93.6%实验工况点下的测量重复性小于1%,整体测量重复性的平均值为0.41%。