摘要：槽式孔板用于湿气计量时，差压值会因气液相间作用而产生“过读”,而采用旋进漩涡流量计时,旋进频率会因液相增大而产生“欠读”。通过分析槽式孔板“过读”和旋进漩涡流量计“欠读”的影响因素,以空气-水为介质开展了一系列两相流量计量实验，建立了各自的两相流量计量模型。将2种模型相结合建立了稳态计量模型。测试结果表明,在本文实验条件下,当液相流量小于1.0m³/h时,利用本文模型计算得到的气相流量相对误差在5%以内。
湿气是一种特殊的气液两相流形态,一般指气相体积含率大于90%,液相与其他组分体积含率小于10%的气井产出物口。对于湿气计量,国内一般采用测试分离器进行分相计量,但分离设备一般比较昂贵且占地面积较大,不适应于海洋石油平台。目前，国外仅有少数可以生产多相流流量计的厂家，价格非常昂贵,而且各产品仅在实验范围内保持精度。
由于差压式流量计具有结构简单、使用方便、运行可靠、对湿气比较敏感等优点,被广泛用于湿气计量研究[川]。通过改进孔板结构,采用槽式孔板为节流元件进行气液两相流计量,分别在中国石油大学(华东).大港油田、大庆油田进行了室内和现场实验,获取了大量的实验数据,提出了基于双槽式孔板的湿气计量模型,通过在大港油田第四采油厂进行测试,其计量精度与国内外相当(47]。由于双槽式孔板计量模型求解过程中可能会出现无解的情况,通过研究2种不同特性的流量计(槽式孔板和旋进漩涡流量计)的计量特性,建立了各自的两相流量计量模型,并在此基础上建立了湿气稳态计量模型。实验结果表明,对于液相流量小于1.0m³/h的工况，利用本文模型计算得到的气相流量相对误差在5%以内。
1槽式孔板与旋进漩涡流量计两相计量特性分析
1.1槽式孔板
槽式孔板由若干圈径向分布的小孔组成[],能使液相成分自由通过,差压波动较小,其流量方程见式(1)~(2)
式(1)~(2)中:Gg为气体质量流量,kg/s;C为流出系数;D为管道内径,m;β为节流元件孔径比;ɛ为气体可膨胀性系数;△p为节流元件产生的差压，Pa;ρ为流体密度,kg/m³;Asoe表示所有槽孔面积总和,mm2;A为管道的横截面积,mm2。
差压式流量计用于单相气体计量时精度较高，但当用于湿气计量时，由于液相对气相阻塞造成的加速压降及气相对液相加速造成的摩阻压降造成差压值偏高,从而计算得到的气相质量流量也会增大[!,这种现象称为“过读”。对于槽式孔板,表观气体质量流量由式(3)定义,过读由式(4)定义。本文的目的是通过实验研究建立“过读"相关式,然后利.用式(5)可以计算出实际气体流量。
式(3)中:Geperen为表观气体质量流量,kg/s;Op。为两相流时的差压,Pa;φg。为“过读”参数。
前期研究表明，影响“过读”的主要因素有Lockhart-Martinelli参数XLu,气液密度比Dg、气体Froude数Frg。相关参数计算式如下:
式(6)~(8)中:Xlm与气液两相质量流量之比、密度之比有关,反映了气液两相流速相对大小;Frg与气.相折算速度ʋrg、气液密度相关,可以反映气相流速、压力、密度等因素的内在联系;气液密度比Dg可以反映压力变化.
1.2旋进漩涡流量计
旋进漩涡流量计是一种流体振荡性流量计，应用强迫振动的漩涡旋进原理测量流量,其特点是管道内无可动部件,几乎不受温度、压力、密度、粘度等变化影响,仪表输出的脉动信号与体积流量成正比,其单相流量计算公式为
式(9)中:Q为瞬时流量,kg/s;K为单相流量特性曲线斜率，由仪表本身决定;f为瞬时旋进频率,Hz。
当管内为气液两相流时,旋进频率会减小,从而引起计算所得流量低于真实流量,这主要是由气液间相互作用造成的[0],本文将其定义为“欠读”。当液相流量继续增大(至1.0m'/h)时,旋进频率会被噪声淹没。定义“欠读"Lg计算公式为
式(10)中:ƒtf为两相流时的旋进频率;ƒg为单相气体时的旋进频率。
2槽式孔板与旋进漩涡流量计湿气计量模型建立
2.1实验条件
在中国石油大学大型多相流实验环道[]上进行空气水两相流实验。实验条件为:孔径比β取0.5和0.6、气相流量150~650m³/h、液相流量0.2~5.0m/h.表压0.25~0.34MPa。实验环道可控制气液流量稳定,混合均匀,经过足够的流型发展后进人测试段,气液流量分别采用金属转子流量计和质量流量计进行测量,精度为1.5%和0.2%。温度变送器精度为0.5%,压力、差压变送器精度为0.2%,漩涡流量计精度为1.5%,数据采集系统采用NI公司虚拟仪器采集系统。湿气计量测试系统示意图见图1.
2.2槽式孔板湿气计量模型
基于标准差压式节流元件,前人总结了影响孔板和文丘里管φg的主要因素,如压力、Lockhart-Martinelli参数等。在前人基础上,进一步对影响槽式孔板φg的因素进行了研究,现有的槽式孔板中。.计算式中仅包含Dg和Xlm两个变量,而孔径比β及气体Froude数Fr。未考虑在内,但研究发现孔径.比β和Frg都对φg有着显著的影响。
图2为β=0.6、表压0.25MPa时φg与XLm、Frg的三维曲面图。由图2可以看出:当Frg相同时，φg随XLm增大而增大,主要原因是液相流量增大，导致气体流通面积减小,增大了气相对液相的加速作用,使得压降增加。φg与Frg、XLm近似分布在--光滑平面上,当Fr.g>1.5时,平面比较光滑;而当Frg<1.5时,平面比较陡峭。根水平管气液两相流型图，Frg=1.5位于分层流和环状流的分界线上,因此平面出现陡峭是由于流型变化造成的。对孔径比为0.5的孔板也进行了研究,结论也是如此。
因此,本文引人孔径比β和Frg参数，同时对多年不同实验条件下的数据进行分析,建立的槽式孔板过读φg相关式为
利用式(1)和实际气体质量流量计算可得单相气体差压△pe,代入式(4)可得中。;利用压力、温度、气液两相流量计算可得Xuu、Fr、Dg。
利用TableCurve3D软件对孔径比为0.5和0.6的实验数据进行曲面拟合并通过线性回归,得到φg计算式为.
式(12)即为槽式孔板湿气计量模型。图3是利用本文模型对气体实际流量预测的相对误差绝对值,可.以看出效果较好,气体流量总体平均误差仅为2.09%,且在92%的置信概率下气相流量相对误差均小于5%，
2.3旋进漩涡流量计湿气计量模型
前期研究表明,气液两相流量与旋进频率有关,但并未给出流量计算模型。通过对两相流旋进频率数据进行分析,研究XLm、Frg对“欠读”的影响,最后利用非线性回归方法建立了“欠读"L计算式。
利用式(9)和实际气体质量流量计算可得单相气体频率ƒg,代人式(10)可得Lg利用压力、温度、气液两相流量可得Xlm、Frg.由于液相流量大于1.0m³/h时旋进频率会被噪声淹没,故实验时液相流量控制在1.0m³/h之内。
图4为表压0.25MPa、液相流量小于1.0m³/h时Lg随XLm的变化规律。从图4可以看出:Lg随XLm的增大而减小;相同XLu条件下,Frg越大,“欠.读"Lg越小,这主要是由液相流量增大,旋进频率信号减弱造成的。
值,可以看出当液相流量小于1.0m³/h时,气体流量总体平均误差小于2.7%,且在95%的置信概率下气相流量相对误差均小于5%。
3稳态计量模型建立
利用单相气体流量计,通过湿气计量修正模型计量时,必须测得XLm参数,且必须在现场工作条件下基本稳定。当现场XLm参数可测的情况下,利用本文槽式孔板或旋进漩涡相关式可得到较高的计量精度,但一般情况下该参数不易测量且频繁变化,在这种情况下仅采用一种单相气体流量计进行计量是不切实际的。因此,考虑采用2种或多种不同特性的流量计同时计量,通过迭代计算,消去未知参数影响,进行湿气流量计量。其基本思路是:将基于槽式孔板差压、旋进频率建立的两相流量修正计算式构成方程组，即建立稳态计量模型,然后通过迭代求解计算气液相流量及质量含气率。稳态计量模型求解流程图见图6,图中下标“1"表示槽式孔板相应参数,下标“2”表示旋进漩涡相应参数。迭代分为内外2个循环。给定XLm=XLmin,分别由2个方程迭代计算质量流量Gg1.Gg2,通过内循环使Gg1.Gg2收敛。然后通过判断2个质量流量是否足够小，如果满足精度,则记录该值;否则,增加XLM重新进入内循环进行计算,直到满足精度为止或者XLM超出最大值，结束该点计算,选取Gg=(Gg1+Gg2)/2。
上述稳态计量模型是在均值数据上建立的。为了分析模型对瞬时数据测量结果,通过对原始数据进行预处理,再由稳态计量模型,利用LabVIEW软件进行气相流量测量。选取气相流量分别为680、600.550、500、450.400、350、300m³/h,液量流量分别为0.2、0.4、0.6.0.8、1.0m³/h进行实验,结果表明,对液相流量小于1.0m³/h的工况,气相流量计算相对误差在5%以内。由于数据量较大,本文仅对液相流量分别为0.2和0.4m³/h工况下的实验数据进行处理分析,每个工况时间长度取2min,每.隔1s对温度、压力、差压和实际气体流量进行滤波及取平均,并计算每秒的旋进频率。对1920个实验点进行处理,结果见图7。
从图7可以看出,在液相流量为0.2和0.4m³/h条件下,利用稳态模型计算气体瞬时流量的相对误差均在5%以内。同时可以看出，此方法比单独采用修正计算式误差较大，主要原因是迭代计算所得到的XLM存在一定偏差。
4结论
(1)建立了槽式孔板湿气计量模型,在测试条件范围内,气相流量总体平均误差2.09%，且在92%的置信概率下相对误差均小于5%。对旋进漩涡流量计两相测量特性做了探索性研究,定义了“欠读”因子Lg,研究表明,L。随XLm的增大而减小，在相同XLM条件下,Frg越大,Lg越小。通过分区间拟合,建立了旋进漩涡流量计湿气计量模型,在液相流量小于1.0m³/h范围内,气体流量总体平均误差小于2.7%,且在95%的置信概率下气相流量相对误差均小于5%。
(2)槽式孔板结合旋进频率相关式建立了稳态计量模型,通过LabVIEW软件进行了瞬时流量测试,结果表明在本文实验条件下,对于液相流量小于1.0m³/h的工况,气相流量计算相对误差均在5%以内,可为后续计量软件开发提供参考依据。本文.研究是在多年实验数据基础上进行的,与生产现场.的工况(包括压力,温度、介质属性、管径)有较大差.别,所以本文提出的稳态计量模型还需要大量的现场试验研究.
(3)国内外尚无基于旋进漩涡流量计的湿气计量研究,对于大液量条件下的漩涡特性,仍须做进一步研究。另外,基于单相差压式流量计(孔板、文丘里管)的湿气计量修正模型均在实验条件下精度较.高,所以建立计算式系数可随现场实际情况变化的计量模型,也是下一步的研究方向。
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