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分流分相式多相流量計(jì)研究進(jìn)展 流量計(jì)技術(shù)指標(biāo)

時(shí)間:2020-07-29    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
摘 要: 分流分相多相流量測(cè)量方法是新一代在線多相流量測(cè)量方法,分流分相式多相流量計(jì)具有體積小、精度高等優(yōu)點(diǎn)。通過從被測(cè)主流體取樣分流出一部分氣液混合物,分離后采用單相儀表測(cè)量取樣流體流量,然后根據(jù)取樣流體與主流體的比例關(guān)系獲得被測(cè)流體流量。分流分相測(cè)量方法成功的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的分配器,保證取樣流體和被測(cè)流體之間具有確定的比例關(guān)系。目前已經(jīng)開發(fā)出了三通管型、取樣管型、轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型、旋流型管壁取樣器等取樣分配裝置,其中,旋流型管壁取樣器通過多孔取樣和流型整改保證了取樣的代表性,無運(yùn)動(dòng)部件、取樣孔不易堵塞,非常適合海上油氣田的開發(fā)。
關(guān)鍵字: 分流分相 多相流 流量測(cè)量 分配器

近年來,石油價(jià)格上漲、能源緊缺問題日益突出,各國(guó)都在加大對(duì)海上油氣資源的開發(fā),對(duì)多相流量的計(jì)量需求也更加迫切。傳統(tǒng)的多相計(jì)量裝置價(jià)格昂貴,體積龐大。海上油氣田開發(fā)由于受平臺(tái)空間的限制,要求開發(fā)出體積小、質(zhì)量輕、精度高、可靠性好的多相計(jì)量裝置。本文對(duì)目前采用的多相流量測(cè)量方法進(jìn)行了分析評(píng)價(jià),介紹了分流分相多相計(jì)量這一新型多相流量測(cè)量方法,并對(duì)近年來的研究進(jìn)展進(jìn)行了回顧。

1 多相流量計(jì)量方法分類

多相流量測(cè)量方法按照是否分離以及分離的程度一般可分為完全分離、不分離、部分分離3種類型。完全分離法采用三相分離器將多相流體分離成油相、氣相和水相,分別采用單相流量計(jì)測(cè)量各相流量,氣、液相能實(shí)現(xiàn)完全分離,測(cè)量不受多相流波動(dòng)的影響,精度高,缺點(diǎn)是分離設(shè)備體積龐大,價(jià)格昂貴,在很大程度上增加了油田的開發(fā)成本;不分離式多相流量計(jì)是在對(duì)多相流體不作任何分離的情況下實(shí)現(xiàn)油、氣、水三相計(jì)量,其技術(shù)難度主要體現(xiàn)在油、氣、水三相組分含量及各相流速的測(cè)定,不分離計(jì)量方法不需要分離設(shè)備,體積小,但測(cè)量受流體波動(dòng)的影響,精度低;部分分離方法的原理是首先采用預(yù)分離裝置將氣、液二相分離成以氣相為主(高含氣率)和以液相為主(高含液率)的2股流體,然后再利用較成熟的二相流儀表分別測(cè)量,最后將2股流體重新混和,該方法縮小了流過測(cè)量?jī)x表的二相流組分變化范圍,同時(shí)也降低了流動(dòng)的不穩(wěn)定性和測(cè)量信號(hào)的波動(dòng)性,雖然在一定程度上縮小了計(jì)量分離器的體積,并降低了二相流測(cè)量的難度,但未能將氣液混合物完全分離,故實(shí)際上對(duì)提高測(cè)量精度的作用是有限的。

分流分相方法是最近幾年才提出來的一種多相流量測(cè)量方法[1-2],充分吸收了以上3種多相計(jì)量方法的優(yōu)點(diǎn),可以將氣、液二相流測(cè)量精度提高到小于或等于3%[3]。

2 分流分相方法工作原理

圖1為分流分相流量測(cè)量原理。通過取樣分配器成比例地從二相流體中分流出一小部分二相混合物,將其分離成單相流體后,應(yīng)用單相流量計(jì)測(cè)量出各相流量的大小,然后根據(jù)取樣流體與主流體的比例關(guān)系確定被測(cè)二相流體各相的總流量。

主管路氣、液相流量分別由下式計(jì)算

式中,M1G、M1L分別為主管路氣、液相質(zhì)量流量,kg/s;M3G、M3L分別為取樣流體氣、液相質(zhì)量流量,kg/s,由分流體氣體流量計(jì)和液體流量計(jì)測(cè)出;KG、KL分別為氣、液相分流系數(shù),反映取樣流體中氣、液相流量占主流體流量的比例。


圖1分流分相多相計(jì)量原理

通常取樣流體只占主流體的10%以下,因此分離器體積只有傳統(tǒng)完全分離式計(jì)量設(shè)備的1/10。

為了保證分流分相方法流量測(cè)量的精確性,分流出的分流體與被測(cè)二相流體之間必須具有穩(wěn)定和確定的關(guān)系,分流系數(shù)應(yīng)保持恒定或有確定的變化規(guī)律。因而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)合適的分配器。

3 分流取樣分配器研究進(jìn)展

為了實(shí)現(xiàn)比例取樣,保證分流體具有代表性,目前已經(jīng)開發(fā)出了三通管型、取樣管型、轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型、旋流型等多種取樣分配器。


3.1三通管型[4-6]

三通管型取樣分配器利用T型三通的相分離特性,從被測(cè)氣、液二相流體中分離出一部分單相氣體,通過測(cè)量這部分單相氣體的流量確定被測(cè)氣、液二相流體的流量或干度。這種方法把二相流體的流量測(cè)量轉(zhuǎn)化成了單相流量的測(cè)量,測(cè)量?jī)x表的穩(wěn)定性和可靠性都能得到顯著改善,測(cè)量精度得以大幅度提高。但三通管型取樣分配器是一種單參數(shù)流量計(jì),流量和干度2個(gè)參數(shù)中必須已知其中的一個(gè)參數(shù)才能測(cè)量出另一個(gè)。


3.2取樣管型[7]

取樣管型分配器由混合裝置和取樣裝置2部分組成,取樣管深入主管內(nèi)部,取樣口正對(duì)來流方向,如圖2,氣、液二相流體首先在混合器內(nèi)進(jìn)行加速、混合,然后在混合器出口分成2部分,一部分(分流體)直接進(jìn)入取樣管;另一部分(主流體)流入下游管道。理論分析表明,分流比大小主要由取樣口的大小決定,在一定的流量范圍內(nèi),氣相分流系數(shù)和液相分流系數(shù)都能保持不變。

3.3轉(zhuǎn)鼓型[8]

轉(zhuǎn)鼓型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖3,其核心部件是一個(gè)轉(zhuǎn)鼓,轉(zhuǎn)鼓通過轉(zhuǎn)軸支撐在軸承座上,可以繞軸自由旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)鼓外形為圓柱體,內(nèi)部用軸流葉片均勻分割成n個(gè)互不相通的通道,各通道的橫剖面為扇形,幾何尺寸和阻力特性完全相同。當(dāng)二相流流過轉(zhuǎn)鼓時(shí)會(huì)沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn),在轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)過程中,各通道的入口截面不斷掠過上游流通截面上的每一個(gè)點(diǎn),使每一個(gè)點(diǎn)上的二相流體都能有機(jī)會(huì)均等地流入各通道。這樣,流入分離器的流量?jī)H僅取決于轉(zhuǎn)鼓中通向分離器的通道數(shù)(分流通道數(shù)),而與二相流體的流型等因素基本無關(guān),分流系數(shù)保持為常數(shù)。


圖2取樣管型分配器結(jié)構(gòu)

3.4轉(zhuǎn)輪型[9-10]

轉(zhuǎn)輪型取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖4。由位于中心的轉(zhuǎn)輪以及布置在外緣的分流體收集室2大部分組成。轉(zhuǎn)輪內(nèi)部包含3個(gè)流道,流道的輪廓為螺旋線,多相流體流過流道時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)輪位于中心,圍繞轉(zhuǎn)輪的分別是主流體接收口和分流體取樣口。分流體取樣口有3個(gè),每個(gè)取樣口兩側(cè)布置一組格柵。設(shè)置隔柵的目的是將旋轉(zhuǎn)流道出口噴出的二相流體從取樣口導(dǎo)入收集環(huán)室,防 止進(jìn)入主流回路的流體進(jìn)入分流回路。

多相流體通過轉(zhuǎn)輪分配器在分流體和主流體之間分配時(shí),不是簡(jiǎn)單地從“空間”上一分為二,而是在一定時(shí)間區(qū)間內(nèi)全部流向一個(gè)回路,而在另一時(shí)間區(qū)間內(nèi)又全部導(dǎo)向另一回路,如此周期性的交替循環(huán)完成分配。進(jìn)入分流回路和主流回路流量的大小通過控制進(jìn)入分流回路或主流回路的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)。在分配過程中,只要交替切換的頻率足夠高,分配周期足夠短(完成1次完整的分配循環(huán)的時(shí)間),那么,2個(gè)回路的流動(dòng)過程就接近于連續(xù)流動(dòng),并且在1個(gè)分配周期內(nèi),多相流動(dòng)過程也近似于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。這樣不論遇到何種流型,進(jìn)入各回路的多相流體都具有高度一致的相含量,其流量大小僅與所分配的時(shí)間份額成比例。


圖4轉(zhuǎn)輪型取樣分配器結(jié)構(gòu)

3.5旋流型[9]

旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)如圖6。主要通過多孔取樣和流型整改來保證取樣的代表性。水平管氣、液二相流由于重力的影響,造成管截面上氣、液相分布不均勻,即使在環(huán)狀流型下,液膜沿周向分布也是不一致的,頂部液膜較薄,底部液膜較厚。采用單孔取樣方法很難保證取樣效果,在主管壁四周布置多個(gè)取樣孔,采用多孔取樣,能大大改善取樣的代表性。為了消除氣、液界面波動(dòng)對(duì)取樣穩(wěn)定性的影響,還需對(duì)管路上游流型進(jìn)行調(diào)整。通過在取樣孔上游布置旋流葉片,將分層流、彈狀流以及不對(duì)稱的環(huán)狀流等流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱的環(huán)狀流,那么管壁各個(gè)取樣孔所取流體“樣品”將趨于一致。實(shí)驗(yàn)證明分流比主要取決于管壁取樣孔的數(shù)目和大小[9]。


圖5旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)

4 取樣分配器性能分析比較

上述5種分配器性能比較如表1。

三通管型取樣分配器是一種單參數(shù)二相流量計(jì),如果同時(shí)測(cè)量氣相和液相流量,必須要和其他儀表配合使用;取樣管型分配器結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,但取樣口易被流體中的砂礫等磨損、堵塞,影響測(cè)量精度甚至完全停止工作;轉(zhuǎn)鼓型和轉(zhuǎn)輪型取樣分配器含有運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),不宜長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行,為了避免卡堵,取樣上游一般需要安裝過濾裝置;與轉(zhuǎn)鼓型、轉(zhuǎn)輪型取樣分配器相比,旋流型管壁取樣分配器本身并不旋轉(zhuǎn),而是通過設(shè)置在上游的旋流葉片使流體旋轉(zhuǎn),從而使取樣口和流體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)來保證取樣的代表性,由于旋流型管壁取樣分配器不含運(yùn)動(dòng)部件,穩(wěn)定性好,且取樣孔位于管壁上,不會(huì)被流體中的鐵屑、砂礫等雜質(zhì)堵塞和磨損,能適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)惡劣的環(huán)境,是一種有前途的取樣裝置。

5結(jié)語(yǔ)

分流分相多相流量計(jì)量是一種新型在線多相流量測(cè)量方法,與常規(guī)多相計(jì)量方法相比,分流分相方法由于進(jìn)行了分流取樣,所需分離器的體積遠(yuǎn)小于完全分離方法,同時(shí)由于又進(jìn)行了分相,氣、液相流量測(cè)量都在單相介質(zhì)環(huán)境中完成,因此具有體積小、精度高的優(yōu)點(diǎn),尤其適用于海上油氣田的開發(fā)。保證取樣流體的代表性是分流分相方法成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié),而保證取樣代表性的關(guān)鍵在于選擇合適的取樣分配器。在現(xiàn)有的5種取樣分配器中,旋流型管壁取樣分配器具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定性,有望在海上油田開發(fā)中獲得廣泛應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):
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常見故障

渦街流量計(jì)常見故障九、 一臺(tái)DN50渦街流量計(jì),從說明書查到,其液體用流量范圍是3-50m3/h。我們?cè)谟土鳂?biāo)準(zhǔn)裝置上標(biāo)定的結(jié)果是10-50 m3/h符合精度要求,但10m3/h以下精度不合格,應(yīng)如何評(píng)價(jià)此臺(tái)流量計(jì)?

渦街流量汁說明書中,標(biāo)明的流量范圍是使用于特定參考介質(zhì)的流量范圍,如液體—般指常溫水。用于其他介質(zhì)時(shí),可用流量范圍將隨介質(zhì)的粘度和密度不同而異。由于油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置采用粘度比水大,密度比水小的柴油做標(biāo)定介質(zhì),流量計(jì)的下限流量—般都會(huì)相應(yīng)提高,使可用流量范圍變窄。所以,渦街流量計(jì)在油流量標(biāo)定裝置上標(biāo)定出現(xiàn)小流量性能變差是正常的。由此我們不難推斷,如果用液化石油氣(這種低粘度介質(zhì))標(biāo)定渦街流量汁,將會(huì)得到比水好的相反結(jié)果。

流量計(jì)組合

1、渦街流量計(jì)的測(cè)量范圍較大,一般10∶1,但測(cè)量下限受許多因素限制:Re>10000是渦街流量計(jì)工作的zui基本條件,除此之外,它還受旋渦產(chǎn)生響應(yīng)信號(hào),旋渦頻率f也小,還會(huì)使信號(hào)處理發(fā)生困難。測(cè)量上限則傳感器的頻率響應(yīng)和電路的頻率限制,因此設(shè)計(jì)時(shí)一定要對(duì)流速范圍進(jìn)行計(jì)算、核算,根據(jù)流體的流速進(jìn)行選擇。使用現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件復(fù)雜,選型時(shí)除注意環(huán)境溫度、濕度、氣氛等條件外,還要考慮電磁干擾。

2、振動(dòng)也是該類儀表的一大勁敵。因此在使用時(shí)應(yīng)注意避免機(jī)械振動(dòng),尤其是管道的橫向振動(dòng)(垂直于管道軸線又垂直旋渦發(fā)生體軸線的振動(dòng)),這種影響在流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上是無法抑制和消除的。由于渦街信號(hào)對(duì)流場(chǎng)影響同樣敏感,故直管段長(zhǎng)度不能保證穩(wěn)定渦街所必要的流動(dòng)條件時(shí),是不宜選用的。即使是抗振性較強(qiáng)的電容式、超聲波式,保證流體為充分發(fā)展的單向流,也是不可忽略的。

3、介質(zhì)溫度對(duì)渦街流量計(jì)的使用性能也有很大的影響。如壓力應(yīng)力式渦街流量計(jì)不能長(zhǎng)期使用在300°C狀態(tài),因其絕緣阻抗會(huì)由常溫下的10-100MΩ急降至1-101Ω,輸出信號(hào)也變小,導(dǎo)致測(cè)量特性惡化。在測(cè)量系統(tǒng)中,傳感器與轉(zhuǎn)換器宜采用分離安裝方式,以免長(zhǎng)期高溫影響儀表可靠性和使用壽命。渦街流量計(jì)是一種比較新型的流量計(jì),處于發(fā)展階段,還不很成熟,如果選擇不當(dāng),性能也不能很好發(fā)揮。只有經(jīng)過合理選型、正確安裝后,還需要在使用過程中認(rèn)真定期維護(hù),不斷積累經(jīng)驗(yàn),提高對(duì)系統(tǒng)故障的預(yù)見性以及判斷、處理問題的能力,從而達(dá)到令人滿意的效果。

過熱蒸汽流量計(jì)是根據(jù)卡門(Karman)渦街原理研究生(Postgraduate)產(chǎn)(Produce)的測(cè)量氣體(gases)、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量(Mass)流量的體積流量計(jì)。渦街流量計(jì)其特點(diǎn)是壓力損失小,量程范圍大,精度高,在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響。無可動(dòng)機(jī)械零件,因此可靠性高,維護(hù)量小。



 

 


  過熱蒸汽流量計(jì)主要用于工業(yè)管道(Conduit)介質(zhì)流體的流量測(cè)量,如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。環(huán)境條件要符合要求。渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門(Karman)渦街原理研究生產(chǎn)的測(cè)量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計(jì)。主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量,如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。

  傳感器應(yīng)安裝在水平、垂直或傾斜(流體的流向自下而上)的與其公稱通徑相應(yīng)的管道上。渦街流量計(jì)渦街流量計(jì)是根據(jù)卡門(Karman)渦街原理研究生產(chǎn)的測(cè)量氣體、蒸汽或液體的體積流量、標(biāo)況的體積流量或質(zhì)量流量的體積流量計(jì)。主要用于工業(yè)管道介質(zhì)流體的流量測(cè)量,如氣體、液體、蒸汽等多種介質(zhì)。

  傳感器應(yīng)避免安裝在有機(jī)械振動(dòng)(vibration)的管道上。當(dāng)振動(dòng)不可避免時(shí),應(yīng)考慮(consider)在距傳感器前后約2DN處的直管段上加固定支撐架。

  傳感器應(yīng)避免安裝在有較強(qiáng)電磁場(chǎng)(electromagneticfield)(定義:傳遞實(shí)物間磁力作用的場(chǎng))干擾、有熱輻射、有腐蝕(釋義:指腐爛、消失、侵蝕等)性氣體、空間小和維修(wéixiu)不方便的場(chǎng)所。

  被測(cè)介質(zhì)含有較多雜質(zhì)時(shí),應(yīng)在傳感器上游直管段要求的長(zhǎng)度以外加裝過濾器。

  傳感器的上、下游應(yīng)配置(deploy)一定長(zhǎng)度的直管段,直管段的內(nèi)壁應(yīng)清潔、光滑,無明顯凸凹、積垢和起皮等現(xiàn)象。其長(zhǎng)度應(yīng)符合圖二的要求。安裝液體傳感器的附近管道內(nèi),應(yīng)充滿被測(cè)液體。

  直管段內(nèi)徑盡可能(maybe)與傳感器通徑一致,若不能一致,應(yīng)采用比傳感器通徑略大的管徑,誤差要≤3%并不超過5mm。

  渦街流量計(jì)安裝步驟及要求

  將配備的專用又叫法蘭凸緣盤或突緣分別焊接到上下游直管段上,使專用法蘭和直管段的內(nèi)徑嚴(yán)格垂直與同心。

  將傳感器夾在焊有專用法蘭的上下游直管段上,用螺栓緊固,使上下游直管段與傳感器保持同軸。

  傳感器安裝方式:傳感器應(yīng)朝上或水平(放大器指向)安裝;介質(zhì)溫度超過250℃,傳感器應(yīng)水平安裝。

  傳感器及管道必要時(shí)應(yīng)良好接地,接地電阻≤10Ω。



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