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1 前言
油水兩相流廣泛存在于石油、化學(xué)等工業(yè)中,兩種互不相溶的流體在管線中流動時,其流動機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。一般說來,每相的真實速度并不相同,通常也不對應(yīng)于入口時的速度。這種各相之間速度的差異,就會導(dǎo)致一相的積聚,使得持水率與含水率之間并不相同。利用Coriolis質(zhì)量流量計對油水混合物的流量、含水率進(jìn)行測量及分析,國內(nèi)外部分研究者[1-3]等為此進(jìn)行過這方面的研究,但還不成熟和完善,特別是是針對含水率與持水率之間的變化關(guān)系只是進(jìn)行了定性的分析,所以有待進(jìn)一步研究。
本文通過實驗與分析相結(jié)合的方法,力求在不同流量下,對含水率與持水率之間做定量的分析。
2 實驗系統(tǒng)
實驗回路如圖1所示,主要由供水回路、供油回路兩部分組成(供氣回路已關(guān)閉)。實驗流程如下:20#機(jī)油從油箱2由油泵3抽出,經(jīng)橢圓齒輪流量計及Coriolis質(zhì)量流量計13計量后,流入油水混合器14;水從水箱6中由潛水泵7抽出并經(jīng)渦街流量計11計量后,流入油水混合器。在混合器內(nèi)油水兩相混合后流經(jīng)長約10m的發(fā)展段,然后進(jìn)入測量段中的Coriolis質(zhì)量流量計15及流型觀察段,最后油水兩相流體經(jīng)分離器5分離后,水、油分別返回水箱和油箱。
在實驗中,油路中是相對穩(wěn)定的W/O乳化物,用SYD-260石油水分測定儀對其含水率進(jìn)行測定,并與通過質(zhì)量流量計所測得的密度而換算出來的含水率進(jìn)行對比,證明兩者能很好地吻合。為了消除氣泡給測量帶來的影響,回路中使用潛水泵給水,水路中使用的渦街流量計在使用前也用稱重法進(jìn)行了標(biāo)定。
實驗中水路、油路的流量及密度、測量段中油水混合物的流量及密度采用EVOC812PG數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行采集并輸入計算機(jī)存儲,采樣頻率為1kHz。實驗工質(zhì):20#機(jī)油和自來水;實驗參數(shù)范圍:入口含水率X=0.1~0.9,流量Qm=1.2~4.2m3/h。常溫下,利用密度計測得20#機(jī)油的密度為868.5 kg/m3,水的密度為1000kg/m3。
3 實驗數(shù)據(jù)分析
由油泵送入實驗回路的工質(zhì)并非純油,而是相對穩(wěn)定的油包水乳化物,其性質(zhì)穩(wěn)定,即使在靜止?fàn)顟B(tài)下很長時間也不能分離。所以在數(shù)據(jù)處理過程中,把這種油包水乳化物看成一相處理,把由潛水泵送入到實驗回路的單質(zhì)水看成另一相。
3.1 油水兩相流質(zhì)量流量的測量分析
流體在振動管中流動時,使振動管產(chǎn)生振蕩運(yùn)動,結(jié)合在管中流動的流體的動量,就會產(chǎn)生Coriolis應(yīng)力,Coriolis應(yīng)力導(dǎo)致每根振動管發(fā)生扭曲,這種扭曲正比于流體的質(zhì)量流量。由于在扭曲運(yùn)動中,振動管的其中一個管腳滯后于另一個管腳,利用精密電路及高頻晶體控制時鐘,變送器測出左右傳感信號之間的時間間隔,從而確定質(zhì)量流量。圖2為質(zhì)量流量隨入口含水率的變化關(guān)系,從圖我們可以看出,在入口含水率Xω=0.1~0.9、流量Qm=1.2~4.2m3/h的實驗范圍內(nèi),利用Coriolis質(zhì)量流量計測量油水兩相流的質(zhì)量流量的誤差都很小,一般都在±0.5%,測量誤差為1%。這說明利用Coriolis質(zhì)量流量計測量油水兩相流的質(zhì)量流量可以滿足工程需要,精度較高。
3.2 含水率的測量分析
通過如下計算式求得實驗段中油水兩相流的持水率:
(1)
入口含水率通過如下計算式求得:
(2)
式(1)、(2)中,aω為持水率,Xω為含水率,ρm 為混合物真實密度,ρo為油的密度,ρω為水的密度,Qω為水相的體積流量,Qo為油相的體積流量。
從圖3可以看出,在含水率為0.1~0.9、流量為1.2~4.2m3/h的范圍內(nèi),含水率并不等于持水率。同量下,隨著持水率的增加,持水率與含水率之間的差值先增大然后減小,可以得出結(jié)論:在水包油(持水率較小時)或油包水(持水率較大時)狀態(tài)時,油水之間的滑脫較小,持水率與含水率近似相等。并且隨著流量的增大,同一持水率下,含水率與持水率之間的差值逐漸減小。
為了得出不同流量下含水率隨持水率的變化關(guān)系,這里引入一個無量綱的速度比λ[4]。定義為油水兩相流的滑脫速度與混合速度之比
即
(3)式(3)中,Vω、Vo及Vsω、Vso分別為水相、油相的速度及折算速度,易導(dǎo)出下列關(guān)系式:
(4)
從該式可以看出,當(dāng)含水率為0或1時,持水率也分別為0或1,滿足理論關(guān)系。利用該式對不同混合流速下的油水兩相流中含水率與持水率實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,具體見表1。
(5)
(6)
表1 不同混合流量下的λ值及計算誤差比較
混合流量(m3/h) | λ | 誤差e(%) | 誤差e’(%) |
1.2 | 0.2263 | 3.0 | 10.7 |
1.5 | 0.13617 | 2.7 | 10.0 |
1.8 | 0.12844 | 1.5 | 8.4 |
2.1 | 0.11363 | 2.4 | 7.2 |
2.4 | 1.10924 | 2.6 | 6.9 |
3.0 | 0.07647 | 0.9 | 4.5 |
3.6 | 0.05957 | 1.4 | 3.6 |
4.2 | 0.0511 | 1.6 | 3.1 |
Xi,Xci分別為實際的含水率及利用擬合公式計算的含水率。αi為質(zhì)量流量計測出的持水率。從表1我們可以看出,隨著流量的增大,λ逐漸減小,這從式(3)不難分析,流量增大式中分母變大,使得λ減小。而且通過式(4)擬合后求得的含水率比簡單地用持水率等于含水率,其誤差要小很多。對于其他流量下,含水率的計算可以通過插值的方法求出相應(yīng)流量下的λ值,然后代入式(4)求得含水率。
4 結(jié)論
(1)在實驗范圍內(nèi),Coriolis質(zhì)量流量計能精確測量油水兩相流體的質(zhì)量流量,測量誤差在±0.5%以內(nèi)。
(2)同量下,油水兩相流在水包油(持水率較小時)或油包水(持水率較大時)狀態(tài)時,油水之間的滑脫較小,持水率與含水率近似相等。并且隨著流量的增大,同一持水率下,含水率與持水率之間的差值逐漸減小。
(3)通過引入一個無量綱的速度比λ,可以得出不同流量下含水率與持水率之間的函數(shù)關(guān)系式,在持水率在10%~90%的范圍內(nèi),該式的計算誤差小于3%。
參考文獻(xiàn)
[1] A F Skea,A W R Hall. Effects of Water in Oil and Oil in Water on Single-Phase Flowmeters.Flow Measurement and Instrumentation,1999,10(3):151-57
[2] 張修剛,蘇新軍,王棟等.Coriolis流量計在油水兩相流中的誤差特性研究.中國工程熱物理學(xué)報,2003,24(3):448-450
[3] 劉磊,胡志華,周芳德.利用振動管的科氏力與諧振特性的兩相流測量.見:中國工程熱物理學(xué)會多相流學(xué)術(shù)會議論文集.大連,2002 663-67
[4] 鐘興福,李海青,趙云鵬等.油水兩相流持水率非線性模型及其數(shù)值解.測井技術(shù),1998,22(6):404-406
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