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1、第31卷第6期西安交通大学学报Vol.31№61997年6月JOURNALOFXI’ANJIAOTONGUNIVERSITYJun.1997多相流流量的电容相关测试技术研究宋文卫周芳德(西安交通大学,710049,西安)摘要应用电容传感器和相关分析技术,对常温、常压下内径为62mm垂直上升管中的水气两相流、油气两相流、油水两相流以及油2气2水三相流流量进行测试研究.同时考虑物性和流型对流量测试的影响,利用漂移流动模型提出了对以上两相流及三相流流量计算的计算公式.通过实验,证实了电容相关测试方法的可
2、行性和可靠性.关键词相关技术多相流流量测量中国图书资料分类法分类号TK2符号表J折算流速,mösU流速,mös3Q体积流量,mA截面含气率t时间B体积含气率U含油率下标c相关量g气相l液相o油cg相关气相值gD气相漂移速度TBTaylor气泡在油田勘探、原油生产过程中,油、天然气、水混合流体的测量一直是最基本和重要的问题.传统测量方法不仅设备庞大、造价高,而且不能做到在线测量,给产量计算带来误差,影响[1,2]准确性.同时,以传统方法构成的测量系统的检测部件往往直接和被测流体接触,对流体产生阻力,
3、破坏流型,增加能量损失,检测元件易被腐蚀,且现场测量条件常常很恶劣.相关流量测量技术的突出优点表现在解决两相流体、三相流体以及困难流体(高腐蚀性、高粘度流体)的流动参数确定问题上.以相关技术为基础的测量系统,采用不同的传感器来获得流体流动信号,再配以其它测量手段,可构成各种流体流量测量系统,实现非接触式测量,有很强的适应性,适用于气液、气固、液固两相流系统以及油气水三组份混合物流动系统.收到日期:1995208208.宋文卫:女,1971年5月生,能源与动力工程学院动力工程多相流国家重点实验室,硕
4、士生.58西安交通大学学报第31卷1测量原理电容测量的原理在于电容传感器2个极板之间的电容量是随着在极板间流动的两相或多相混合物的介电常数的变化而变化的.假设流体从上游某截面流动到下游某截面时横截面的图形不变,这就是“凝固”图形流[3]动.实际上,这种“凝固”流动是不存在的,但只要上、下游传感器的间距足够小,流体从上游到下游的流动波形变化相对较小,就可以近似地认为系统满足“凝固”图形流动假设.根据这种假设,流体由上游传感器检测到的流动噪声信号经过一段时间将被下游传感器捕捉到,其波形和流经上游传感器
5、时完全相似,只在时间上相差了1个延迟时间值.测试时用2台电容传感器作为上、下游流动噪声传感元件,并使其间距足够小,满足“凝固”流动图形假设.当流体在管内流动时,如果不考虑流体内部的粘性阻力、管道内壁对流体的摩擦作用,则可以认为截面上各处的流体是以同一速度从上游流到下游的.电容传感器在空间发射一电场,流动流体各组分局部浓度的随机变化对传感器所形成的电场产生随机调制作用.电容传感器分别在上、下游检测到这些随机噪声信号,并转换为相应的电压值,经相关分析,得到互相关函数Rxy(S).该图形波峰[3,4]对
6、应的时间位移S就是流体截面从上游传感器到下游传感器的流动时间.在时间域内,随机信号间的相关性用互相关函数表示.设随机信号为X(t),Y(t),其互相关函数定义为T1Rxy(S)=E[x(t)y(t+S)]=limx(t)y(t+S)dt(1)T→0T∫0当系统为线性系统,系统的输入X(t)和输出Y(t)随时间的变化规律相同,只相差1个延迟时间S值.对于离散随机信号,式(1)变为N-11Rxy(KD)=∑x(iD)y(iD+KD)(2)Ni=0设上、下游传感器的间距为L,则流体流动的平均速度(相关速
7、度)为U=LöS(3)管道横截面面积为A,相关速度为U和管道内平均速度的校正因子为k,则体积流量Q=kUA(4)2实验结果与数据分析相关测量系统包括以下3部分:流动噪声信号检测系统、相关分析系统和流动模型.由于具有不同含气率的截面通过上、下游传感器时,所引起的传感器输出会大幅度变化,由此算出的相关速度相差很大,因此单个测量结果对结果分析毫无意义,为找出相关速度和真实量之间的规律性,以下所说的相关流量均是一段时间内统计平均的结果.2.1气水两相流流量的测量2.1.1泡状、弹状流由于液相的浮力,无论是
8、分散在液段中的气泡,还是Taylor气泡,其流动速度都比液相快,即两相之间存在相对速度.因此,选用漂移流动模型来研究气泡、气弹流.第6期宋文卫等:多相流流量的电容相关测试技术研究59泡状流中,气泡的上升速度用下式表示UTB=Ul+UgD(5)对于垂直上升的泡状流和细泡、弹状流,在文献[4]中,Zuber和Hench提出了相应的计算式.流型为弹状流时,Nicklin在文献[5]中也提出了计算式.根据实验数据得到的泡状2弹状流时相关流量和真实流量之间的关系如图1所示.从图1可看到,纵轴
