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應(yīng)用Coriolis流量計計測量油水兩相流質(zhì)量流量和含水率

來源:昆山科爾源儀器儀表有限公司   2025年07月06日 07:12  
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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V、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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