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气液两相流量测量浅议

作者:毛新业2010.04.07阅读 6732

  近几十年来,随着工业现代化的加速,在不少领域中出现了气液两相流控制工程网版权所有,如热电、核电的气化单元;天然气、石油的开采、输送;低沸点液体的输送......,对它的研究已引起了国内外广泛的关注,由于两相流的复杂性、随机性,要认识这些现象进行预测,首先要解决检测问题,流量是最基本的参数CONTROL ENGINEERING China版权所有,首当其冲,迫切有待解决。
  在我国的能源结构中,富气少油,天然气资源较为丰富(如新疆、内蒙、四川、近海),开采中多采用陈旧的工艺,即先用笨重的分离器,将气、液分离后,再分别进行气、液流量计量。分离器不仅昂贵,而且耗费大量耗能的钢材、体积也十分庞大,如海上开采平台,作业区狭窄,难以选用,迫切需要开发、推出气液二相流量计。

  一、两相流的特征及主要参数
  相的定义为在某一系统中,具有相同成分;物理、化学性的均匀物质成分;不同的相具有明显的界面。在自然界的物质一般分为固相、气相与液相三种,本文主要讨论同时存在气相与液相物质的流动,由于多相中存在各相的界面效应及相对速度控制工程网版权所有,相界面在时间及空间上都是随机可变的,所以,其流动特性较单相流复杂得多,特征参数也较单相流多一些,简要介绍如下:
  ■ 流型:亦称流态,即流动的形式或结构,各相界面之间存在随机可变的相界面,使两相流呈现为多种复杂的形式,流型不仅影响两相流的压力损失、传热效果,也影响流量测量。对气、液两相流来说,管道处于不同的位置(水平、垂直)也影响其流态形式,较为典型的如图1所示。  


  图1  气液两相流的各种典型流态

  ■ 分相含率:表述两相流中的分相浓度,说明分相流体占总量中的比例通常表述为:
  ①质量流量含率c,为分相质量流量(气体为qmg、液体为qme)与总质流量qm之比,如气液两相c=qmg / qm=qmg / qmg+qme
  ②容积流量含率b,说明分相容积流量(气体为qvg,液体为qve)与总容积流量qv之比,如气液两相b=qvg / qv=qvg / qvg+qve
  ■ 截面含率ac,说明分相流量在某一截面A上所占的比例,气相为Ag、液相为Ae,如气油两相ac=Vg / V=Vg / Vg+Ve
  ■ 容积含率a,说明分相流体在某一管道长度段容积V所占的容积,气相为Vg、液相为Ve,如气液两相a=Vg / V=Vg / Vg+Ve
  ■ 混合流密度
  ①流动密度ρo,单位时间内控制工程网版权所有,流过某一截面的两相混合物总质量qm与总积qv之比,如气相密度为ρg,液相密度为ρe,则气液相流的流动密度。
  ρo=ρg b+pe (1-b)
  ②真实密度ρm,在管道中取一微元体DV,在某一时间,二相介质的总质量DM与总体积DV之比,对气液两相流,真实密度ρm=ρq a + ρe (1-a)
  $$$$$$$BK-198.jpg
  ■ 流速:二相流中各单相在管道中的流速并不一定相等,常有差异,所以除了描述混合体的平均流速Vm外,还应说明分相流速在气、液两相流中,气相流速为Vg,液相流速为Ve,它们之间的关系为VmA=VgAg+VeAe
  在工程中常以分相流量除以管道截面A来表示分相流速,即:
  Vg=qvg / A,Ve= qve / A
  分相流体的速度差为相对速度,气液两相流的相对流速为Vge
  Vge= Vg - Ve
  分相流体速度之比为速度滑移比S,气液两相流速滑移比为:S=Vg / Ve
  ■ 两相流模型:两相流的流态极为复杂,建立一些典型的模型是研究各种测量方法的基础,常用的有以下几种:
  均相流:气、液两相为均匀的混合物,相间不存在相对速度,S=1,如雾状流
  分相流:两相为完全分离的两种流体,相间存在不同流速,S≠1,如分层流
  漂移通量:基本上是分相流,研究的重点是相间的相对运动,适用于弹性流,环形流
  流型公式,为便于工程应用,对各种流型建立一些半经验公式
  为了便于研究,以上虽列出了一些气、液二相流的基本流型,并描述了主要参数,而实际情况还要复杂得多。经常在同一管段中的不同管段,由于下述原因控制工程网版权所有,如流量的大小;流体物理性质(温度、压力、密度、粘度、表面张力);管道的位置(水平、垂直、倾斜),管道截面或几何形状的变化都可能改变流型,所以即使某种流量仪表成功地解决了某一流率的两相流量测量,而因上述原因引起了流态的变化,仍可能引入较大的测量误差。

  二、常用测量方法
  如图2: 

图2  常用的测量方法
  图2  常用的测量方法

  ■ 完全分离
  这种方法已用了几十年,即将气液二相流通过分离器,完全分离为气、液两相后,再分别用单相流量仪表分别进行计量。分离器体积庞大、笨重,价格昂贵(据称一般需65万美元左右一个)耗费大量耗能钢材,且无法进行在线测量,难以予测气井的生产规律,极大制约了科学地进行开采和管理,而海上开采天然气,因作业平台狭窄,也很难采用这种方法。由于几十年以来没有成功的

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