1前言
濕氣是由氣體與液體混合而成的--種兩相流，其中液相體積占一-小部分為離散相，氣相體積占到絕大部分為連續(xù)相。在石油和天然氣工業(yè)中,經(jīng)常會(huì)有濕氣產(chǎn)生。石油工業(yè)要求濕氣的測(cè)量正確可靠。濕氣計(jì)量的最終目的是實(shí)現(xiàn)濕氣測(cè)量?jī)x表或系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)出濕氣中液相和氣相的含量。
目前濕氣測(cè)量的常用方法是將幾種測(cè)量干氣的標(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行組合對(duì)濕氣進(jìn)行測(cè)量,或直接用測(cè)量干氣的儀表對(duì)濕氣進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正,其中修正值是通過實(shí)驗(yàn)來確定的。多種儀表者被推薦用于濕氣的測(cè)量,目前用到的流量計(jì)有孔板、文丘里管、渦輪、渦街和內(nèi)錐式流量計(jì)。在這些流量計(jì)中,孔板和文丘里管應(yīng)用廣泛，并已經(jīng)用于濕氣的計(jì)量,而對(duì)于其它幾種流量計(jì)在濕氣中應(yīng)用的報(bào)道還較少。
渦街流量計(jì)是--種速度式流量計(jì),利用旋渦脫落原理制成。其具體檢測(cè)方法是:在流體中放置一個(gè)旋渦發(fā)生體,流體流過旋渦發(fā)生體時(shí)會(huì)在其兩側(cè)產(chǎn)生旋渦,旋渦產(chǎn)生的頻率與流體的流速成正比，通過檢測(cè)旋渦產(chǎn)生的頻率來達(dá)到檢測(cè)流體流速的目的。渦街流量計(jì)的測(cè)量精度--般能達(dá)到1.5%,量程比為10: 1。
渦街流量計(jì)已經(jīng)用于濕氣的測(cè)量。一款測(cè)量濕氣的儀表,由兩臺(tái)文丘里管與一臺(tái)渦街流量計(jì)組合來測(cè)量濕氣。目前提供渦街流量計(jì)在濕氣條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)還較少，因此需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)渦街流量計(jì)在濕氣條件下的工作情況作深入分析。
濕氣中液相的存在會(huì)加大渦街流量傳感器的測(cè)量誤差。目前所查到的文獻(xiàn)主要集中在對(duì)測(cè)量誤差的研究上,研究者記錄了不同工況條件下不同液相含率造成渦街流量傳感器測(cè)量誤差范圍,以便對(duì)渦街流量計(jì)在濕氣條件下的測(cè)量值進(jìn)行修正。在油田現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室的濕氣條件下對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液相含量的增加會(huì)明顯增加渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差I(lǐng)2);W ashingon( 1991 )在油田現(xiàn)場(chǎng)的高壓條件 下對(duì)渦街流量計(jì)在濕氣中的工作情況進(jìn)行了研 究以水蒸汽作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,其中蒸汽為氣相，水為液相4;NEL實(shí)驗(yàn)室在不同的壓力下對(duì)渦街流量計(jì)測(cè)量濕氣的誤差進(jìn)行了研究。
從已有的文獻(xiàn)看，以往的研究工作主要集中在觀測(cè)不同工況下渦街流量計(jì)測(cè)量濕氣時(shí)測(cè)量誤差的變化情況。本文通過實(shí)驗(yàn)確定了在常壓條件下,不同液相含率時(shí)渦街流量計(jì)對(duì)濕氣的測(cè)量誤差,并經(jīng)出了渦街信號(hào)品質(zhì)隨液相含率的變化趨勢(shì),最后討論了造成渦街流量傳感器在濕氣測(cè)量中誤差增大和信號(hào)變壞的原因。
2.實(shí)驗(yàn)裝置及方法低，
21實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)介質(zhì)由已測(cè)定流量的空氣和水組成,其中空氣為氣相,水為液相,分別送入管道混合成濕氣送入實(shí)驗(yàn)管段。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、蓄水罐、分離罐流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、工控機(jī)和各種閥門組成。
空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入儲(chǔ)氣罐,流量計(jì)1測(cè)量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m,提供實(shí)驗(yàn)所需的液相,其流量由流量計(jì)2測(cè)得。氣相和液相經(jīng)混合器混合后送入實(shí)驗(yàn)管段,最后流入分離罐將水和空氣進(jìn)行分離,空氣由放氣閥排出，水由水泵送回蓄水罐循環(huán)使用。工控機(jī)對(duì)所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對(duì)兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)氣相和液相的流量。實(shí)驗(yàn)所用的渦街流量傳感器選擇了一臺(tái)應(yīng)用最多的壓電式渦街流量傳感器,其口徑為50 mm,在普通氣體流量實(shí)驗(yàn)裝置.上測(cè)試,其精度為1. 5%。將渦街傳感器放置在水平直管段上，其上、下游直管段長(zhǎng)度分別為30D (管道直徑)和20D。 壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳感器上游1D和下游10D的位置。水在渦街流量傳感器.上游70D 處注入,混合器安裝在渦街流量計(jì).上游30D 的位置。
22實(shí)驗(yàn)方法.
實(shí)驗(yàn)過程中保持氣相流量為141 m³/h,對(duì)應(yīng)的流速為20 m/s, 管道中液相體積含率分別為:0.0106%、0.0213%、0.0355%、0.0496%、0.0638%、0.0780%、0.0922%。
以5000 Hz的頻率對(duì)不同液相含率下電荷放大器產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，,每次采樣10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有104個(gè)采樣點(diǎn),將得到的采樣點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換得到不同液相含率下渦街產(chǎn)生的頻譜,如圖2所示.
3液相含率對(duì)測(cè)量誤差的影響
31測(cè)量誤差分析
為了對(duì)渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差進(jìn)行分析,首先在標(biāo)準(zhǔn)氣裝置上進(jìn)行標(biāo)定,得到了其斯特勞哈爾數(shù)為0. 291 ,那么流過它的流量值可用下式計(jì)算、
其中，Qt為實(shí)驗(yàn)段渦街流量計(jì)測(cè)得的流量值;為渦街脫落頻率; Sr為斯特勞哈爾數(shù); d為旋渦發(fā)生體截流面寬度; D為管道直徑。
渦街流量計(jì)測(cè)量誤差可由”下式計(jì)算:
其中:y為測(cè)量誤差;Qc.為流量計(jì)1見圖1)測(cè)得的.標(biāo)準(zhǔn)流量值。
表1為當(dāng)注入不同的液相流量時(shí)，渦街流量計(jì)的測(cè)量誤差。Qj,表示注入的液體流量，P、為液相含率，E,為測(cè)量誤差。從表中可以很明顯地看出,液相流量的增加,使渦街流量讓的測(cè)量誤差增加。
為了更好地比較不同工況下渦街流量傳感器測(cè)量誤差的變化，表2列出了不同研究者的研究結(jié)果其中Test為本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然不同研究者的實(shí)驗(yàn)條件相差較大,但通過表2仍可以總結(jié)出以下幾條規(guī)律:液相含率越大渦街測(cè)量誤差越大;管道內(nèi)壓力對(duì)測(cè)量結(jié)果影響比較大,壓力越大其測(cè)量誤差越小;實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對(duì)測(cè)量誤差有影響。
3. 2斯特勞哈爾數(shù)的變化
誤差產(chǎn)生的原因是液相的加入使渦街流量計(jì)的斯特勞哈爾數(shù)Srav不再是-T個(gè)常數(shù)，而是隨著液相的增加而變化。將實(shí)驗(yàn)中不同液相含率下得到的Srav進(jìn)行了多項(xiàng)式擬合,擬合曲線如圖3所示,最大擬和誤差為0. 858%。其中Srav為10 次測(cè)量得到Si的算術(shù)平均值，sr的計(jì)算如式(3):
Sr=f.d/v???????????(3)
其中,f渦街脫落頻率;d旋渦發(fā)生體截流面寬度;v為平均流速。
4渦街信號(hào)品質(zhì)分析
4.1渦街信號(hào)的不確定度
采用式(5)對(duì)渦街頻率信號(hào)的不確定度進(jìn)行分析。
式中，f為10次測(cè)量結(jié)果的平均值,N為測(cè)量次數(shù),σ為不確定度,σ0為相對(duì)不確定度。在每個(gè)液相含率下測(cè)量10次。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明,液相的增加會(huì)影響渦街脫落頻率的不確定度，從圖4可以看出隨著液相含率不斷的增加,渦街脫落頻率的不確定度也隨之變差。當(dāng)測(cè)量干氣的時(shí)候,渦街流量傳感器的不確定度為0. 031%, 當(dāng)液相含率達(dá)到01092 2%時(shí)不確定度已經(jīng)達(dá)到1. 58% ,增長(zhǎng)了將近51倍,可見液相的存在使渦街流量傳感器測(cè)量信號(hào)的不確定度增大,因此對(duì)渦街流量傳感器進(jìn)行誤差修正時(shí)必須考慮液相對(duì)測(cè)量不確定度的影響。
4.2渦街信號(hào)質(zhì)量分析
用一個(gè)參數(shù)Sq來描述渦街頻率信號(hào)的品質(zhì)。
Sq定義如下:
式中: Ps為渦街頻率帶0. 96 f到1. 04 f范圍內(nèi)的能量,其中信號(hào)能量通過譜分析獲得。R為總能量減去Ps后的能量。如果Sq為正，則渦街頻率帶的能量大于其它頻帶的能量。在M iau's l和Pankan in'的文章中對(duì)Sq的定義有詳細(xì)說明。實(shí)驗(yàn)中利用這種方法得到了渦街頻率信號(hào)品質(zhì)隨液相含率變化的情況,如圖5所示。Sq總的變化趨勢(shì)是隨著液相含率的增加而迅速減小,在液相含率大于0106%后s由正變負(fù),渦街頻率帶的能量開始小于其它頻率帶的能量,信號(hào)品質(zhì)將變得很差。
5實(shí)驗(yàn)分析
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，少量的液相不但會(huì)使測(cè)量誤差變大,而且還會(huì)使渦街信號(hào)的品質(zhì)變差。對(duì)于這種現(xiàn)象可以從液滴對(duì)氣相的湍流調(diào)制的角度來解釋。圖6反映了當(dāng)氣相流過液滴時(shí)的情況,可以看出氣相流過液滴時(shí)會(huì)在液滴的后面產(chǎn)生尾流并且在尾流中產(chǎn)生速度梯度。，尾流及其引起的速度梯度會(huì)使流體中擾動(dòng)變大,進(jìn)而影響到渦街的產(chǎn)生, 通過實(shí)驗(yàn)證明擾動(dòng)的增加更有利于渦街的脫落,這樣就增大了測(cè)量誤差。管道內(nèi)壓力增加會(huì)抑制湍流度增加,因此提高管道內(nèi)壓力會(huì)降低測(cè)量誤差。渦街脫落時(shí)會(huì)帶動(dòng)液滴--起旋轉(zhuǎn),這樣就會(huì)減弱旋渦的強(qiáng)度,使渦街信號(hào)變?nèi)酢?
6結(jié)論
渦街流量計(jì)雖然已經(jīng)在單相流測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用,但在濕氣條件下應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多新的問題。通過以上的實(shí)驗(yàn)研究表明,濕氣條件下,液柞含率的增加不只是影響渦街脫落頻率從而使測(cè)量精度下降,而且對(duì)于渦街頻率信號(hào)的品質(zhì)也會(huì)有直按影響,這種影響隨著液相含率的增加而增加。
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