CN101413817B - 双差压节流湿气测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于多相流量测量领域，涉及一种利用双节流装置实现的湿气测量方法，首先进行实验室标定，获取双节流装置的简单虚高模型和精确虚高模型，然后再利用两节流差压湿气测量装置进行在线测量，获得两节流装置的差压信号，然后进行多参数迭代计算实现湿气测量。本发明提出的测量方法能够实现在线测量，实施简单、方便，具有较高的测量精度，完全符合工业现场的需要，可广泛应用于石油天然气工业现场。

Description

双差压节流湿气测量方法

技术领域

本发明属于多相流量测量技术领域，涉及一种湿气测量方法。

背景技术

气液两相流是指在管道流体流动过程中有两个不同的相，分别是气相和液相，因为两相间有可变形的界面，以及气相可压缩、两相之间存在速度滑移，两相间的物理、化学性质存在较大差异，因而流动过程十分复杂。国内外关于这类流动的研究甚多，但由于其难度较大，一直发展不快。湿气是气液两相流动的一种特殊形态，相当普遍地存在于工业生产过程中，如石油、天然气工业。为满足工业现场的应用要求，需要对湿气的流量进行较为准确的计量。

目前，工业现场对湿气的测量方法可分为两种：分离法和非分离法。传统的分离法通常用于计量站，设备庞大，成本高，并且不能连续的在线计量。近些年，在传统分离法的基础上，又发展了分流分离法及简单分离器法。

中国专利98113068.2提出一种测量两相流的分流分相法，其方法为，首先通过分配器分流出一部分两相流体，接着使用分离器将被分流的两相流体分离成单相气体和单相液体，再分别用单相气体流量计和单相液体流量计进行计量，并根据比例关系换算成被测两相流体的流量及组分，最后将分流分相后的流体返回两相流体流动的管道中。该方法存在的问题是取样部分的两相流体气液比率是否同原流动中的比率一致；取样比率本身是否受流型、流量波动等影响。

简单分离器法是利用小型分离器将气液两相流进行预分离，得到以气相为主的一路和以液相为主的一路，每一路分别用组合仪表及修正关联式进行计量，计量后的流体再混合到一起送回原管道，这种装置体积也较大，通常要做成车载的计量撬装设备，不利于在线测量。

非分离法是指不需要对两相流进行任何程度的分离，由测量系统直接测量两相流量。为了提高测量精度，其前端通常要加混合器。非分离法通常采用常规仪表组合或过程层析成像等技术来实现。层析成像技术虽发展几十年，但大都处在实验室研究阶段，很少能在现场应用。常规仪表组合法是实现非分离测量的有效途径。差压式节流装置很早就用于两相流的测量，是工业界及学术界公认的在两相流的各种流态下都能稳定工作的一种节流装置，是非分离测量装置的首选。差压式节流装置作为单相仪表用于湿气测量时，由于液相的引入而存在读数偏高，即虚高。目前对虚高修正的方式通常采用经验法，或是通过示踪技术，确定湿气中液相的含率，进而对虚高值予以修正。靠经验法对虚高值进行修正，只适用于气液组分以及流动情况比较稳定，且液相含率已知的工况条件，对于工况条件变化范围较宽的情况则很难有适应性。采用示踪技术需要在差压式节流装置的上游，以一个已知的流量将化学示踪物注射到湿气体的气流中，在节流装置的下游约150D(D——管道直径)处采样，再将采出的液体样本与示踪物本身进行对比，以确定液相流量。通常是在10分钟内采出10个液体样本，将采出的样品放置一夜后再进行荧光分析，针对每一个样品都测定液体流量。而现场的情况通常是有间歇性的液塞出现，因此，这种方法无法保证实时性，对间歇性的变化无法作出准确及时的判断，且对安装条件及安全性要求较高。专利CN86207384提出了以文丘里与孔板的组合法实现气液双参数测量，由于孔板流动死角处有液体被截留，会导致流动的不稳定，即有相当强烈的压力脉动时，液体会以团状流的流动形式流过孔板，会导致不稳定的差压读数，并因为截留液体的存在，测量管段处的液相含率与管道中实际含率有较大偏差，对测量有较大影响，只适用于混合较均匀的两相流体。

英国的Solartron公司提出的“混合器+双文丘利管”的湿气测量装置，混合器的作用是使气液两相之间的速度差尽可能小，管道截面的气液相分布尽可能均匀，利用多相流体力学的均相流模型，对不同流量系数的文丘里管上得到的差压信号进行处理，获得气相质量含率；然后，由所测混合物总的质量流量计算得到气液分相流量；同时，对气液流量进行温度、压力补偿。该流量计的局限在于：采用文丘里之间的相互组合，差压装置结构相似，测量特性相近，对液相含率以及虚高修正值的分辨较低，外加混合器，压损较大，降低了测量范围。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述问题，提出的一种适用于湿气流量在线测量湿气测量方法，采用此种湿气测量方法，不需对两相流进行分离，不需混合器，根据不同节流装置差压信号的比较实现对液相含率进行识别，根据对液相含率的识别实现对虚高值的修正。

本发明采用如下的技术方案：

一种双差压节流湿气测量方法，采用的测量系统包括安装在测量管路里的锥形节流装置和文丘里节流装置，在测量管路里安装有压力变送器，在锥形节流装置的首尾处安装有第一压差变送器，在文丘里节流装置的节流管路内外安装有第二压差变送器，在其测量管路下游内还安装有温度变送器，按照下列步骤实现湿气测量：

(1)对于锥形节流装置，通过对实验数据进行曲线拟合，求得锥形节流装置的湿气虚高模型式，即其与L-M参数和Froude数之间的关系式： ${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{cone}}=b_1+b_2\·X+b_3\·X\·F_{\mathrm{rg}}+b_4\·F_{\mathrm{rg}}+b_5\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right),$ 其中的L-M参数与Froude数分别为 $X=\frac{W_l}{W_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 和 $F_{\mathrm{rg}}=\frac{U_{\mathrm{sg}}}{\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}},$ 式中，U_sg为气相表观速度，W_g为气体质量流量，W_l为液体质量流量，C为仪表流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比，D为管道直径，ρ_g为气相流体密度，ρ_l为液相流体密度，⊿P为通过实验测得的锥形节流装置的压差信号；

(2)对于文丘里节流装置，通过对实验数据进行曲线拟合，求得文丘里节流装置的湿气虚高模型式，即其与L-M参数和Froude数之间的关系式： ${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2},$ 式中， $C={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right)}^n+{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^n,$ $n=a_1\·F_{\mathrm{rg}}+a_2\·\sqrt{F_{\mathrm{rg}}}+a_3..........0.5\≤{\mathrm{Fr}}_g\≤1.5;$

(3)对于两个节流装置，分别通过对实验数据进行曲线拟合，求得锥形和文丘里节流装置的简单虚高模型式分别为：Φ_g-cone＝a+b·X、 ${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2};$

(4)由压力变送器和温度变送器获取管道内流体的压力和温度，计算管道内气相流体的密度ρ_g；

(5)利用在锥形节流装置和文丘里节流装置上安装的两个压差变送器获得的压差信号，根据下列公式，分别计算两个节流装置的虚高质量流量W_TP1和W_TP2： $W_{\mathrm{tpk}}=\frac{C\·\mathrm{\ϵ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\×\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\β}}^2{D}^2\×\sqrt{2\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{tpk}}\·{\mathrm{\ρ}}_g},$ 式中k＝1，2；

(6)根据公式Ф_g＝Ф_g(X)， $K=\frac{W_{\mathrm{tp}1}/W_g}{W_{\mathrm{tp}2}/W_g}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{g1}}{{\mathrm{\Φ}}_{g2}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{g1}\left(X\right)}{{\mathrm{\Φ}}_{g2}\left(X\right)}=f\left(X\right)$ 以及简单虚高模型式Ф_g-cone＝a+b·X、 ${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2},$ 获得X参数的初值与气相质量流量的初值X₀、W_g0，将气相质量流量的初值W_g0带入Froude数公式，获得Froude数的迭代初值F_rg0。；

(7)将X参数，Froude数的初值X₀和F_rg0带入文丘里节流装置的虚高模型式，实现对X参数的第一次修正，得到X₁；

(8)将修正的X参数即X₁与Froude数F_rg0带入到锥形节流装置的虚高模型式中，对气相质量流量进行修正，得到W_g1，利用W_g1计算气相表观速度U_sg1，并代入式Froude数公式，修正F_rg0，得到F_rg1；

(9)如此重复执行步骤(7)和(8)，实现对X参数、Froude数和气相质量流量W_g的迭代修正，当W_g的迭代值的相对变化小于设定值，则认为迭代结果收敛，结束迭代。

上述的湿气测量方法，步骤(9)中的设定值可以为0.1％。

本发明利用内锥与文丘里两种不同节流特色的节流装置进行有机结合，确保两节流装置形成显著的测量特性差异。实践证明，由两个节流装置组合而成的湿气测量装置里，两个节流装置湿气测量特性的差异越大，越有利于湿气中气液两相的分相计量。本发明所提供算法的突出优点在于通过两节流件不同的虚高特性Ф_g的有机组合，实现对L-M参数和Froude数的测量，进而实现湿气的在线分相计量。测量算法充分体现了内锥节流装置和文丘里节流装置的湿气测量特点，实现了两种不同节流装置测量优势的组合，通过迭代修正实现了各工况参数对测量值的修正，可获得精度较高的测量结果。

附图说明

图1 本发明的双差压湿气测量装置的主视图。

图2 本发明的双差压湿气测量装置的左视图。

图3 锥形节流装置的安装示意图。

图4 湿气测量虚高模型标定装置示意图。

图5 计算流程图。

图6 (a)(b)(c)分别为0.2MPa、0.15Mpa、0.11Mpa下，0.75锥形节流装置和0.4文丘里节流装置虚高特性示意图。

图7 0.75锥形节流装置虚高模型预测误差。

图8 0.4文丘里节流装置虚高模型预测误差。

图9 “0.75cone+0.4venturi”迭代初值气相相对误差。

图10 “0.75cone+0.4venturi”第一步迭代气相相对误差。

图11 “0.75cone+0.4venturi”第二步迭代气相相对误差。

图12 “0.75cone+0.4venturi”第三步迭代气相相对误差。

图13 “0.75cone+0.4venturi”第四步迭代气相相对误差。

图14 “0.75cone+0.4venturi”液相相对误差。

图15 “0.75cone+0.4venturi”液相满度误差。

附图标记说明如下：

1 压力变送器，2 差压变送器，3 差压变送器，4 温度变送器，5 直管段，6 文丘里节流装置，7 锥形节流装置，8 气液分离器，9 引压管，11 水平引压管，12 竖直引压管，13 管道取压口，14 排污阀，15 锥体，16 锥体尾部支持，17 锥体安装支架，18 焊接处

具体实施方式

下面从几个方面详述本发明的测量方法。

一、本发明的湿气测量方法所采用的双差压节流装置。

本发明采用的双差压节流装置包括位于前端的锥形节流装置和位于后端的文丘里节流装置，参见图1和图2，其中，锥形芯体7依靠后端支架焊接固定在直流段管道5中心，并保证同轴。本发明采用的装置是一种常规节流件组合的节流装置。结构差异显著的节流装置和配对设计使用的节流比，使得本发明的双差压节流装置在湿气测量时的测量特性存在较大的差异，即表现出两种差异较强的虚高特性。

压力变送器1、两个差压变送器采用隔离取压方式，取压口12位于管道上方，从取压口12到气液分离器8取压联通面积逐级增大，典型连接为管壁取压口12直径为6至8mm，竖直取压连接段12直径为10至12mm，水平取压连接段11直径为20至24mm，本设计可有效实现取压时对液体的隔离。气液分离器8的底端设置有排污阀14，气液分离器8与各变送器之间通过引压管13连通。

在锥形节流装置7的首尾处分别取压，连接到第一差压变送器2；在文丘里节流装置6的入口处和文丘里节流管路内分别取压，连接到第二差压变送器3；温度变送器4固定在装置后端，用于测量管路内的温度。

锥形节流装置的安装示意图如图3所示，锥体15，通过锥体尾部支撑16固定在锥体安装支架17上，18为支架17与管壁的焊接处。

作为优选实施例，本发明的锥型节流体前端的直管段在5D至7D之间(D为直管段的管道内径)，确保锥形节流体测量段有较为稳定的气液两相流型。锥体尾部支撑与文丘里入口距离在3D至6D之间，确保锥形节流体对进入文丘里测量段前的流型有一定的混合、调整的作用，同时可避免锥形节流装置对文丘里节流装置的测量造成干扰，具体的距离根据锥形节流体和文丘里的等效节流比确定。

锥形节流件前锥角在35°到45°之间，对流型的破坏较小，有很好的调整混合作用，利于后端文丘里节流装置的测量。锥形节流装置的等效节流比应当在0.65至0.85之间。

二、本发明的湿气测量方法的提出

通常，差压式流量计用于单相气体测量时采用公式(1)，其中W_g为气体质量流量，C为仪表流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比，D为管道直径，ρ_g为气体密度，

$W_g=\frac{C\·\mathrm{\ϵ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\×\frac{\mathrm{\π}}{4}{\mathrm{\β}}^2{D}^2\×\sqrt{2\mathrm{\Δ}P\·{\mathrm{\ρ}}_g}---\left(1\right)$

当差压式流量计用于湿气测量时，需要在式(1)的基础上对液相的引入作修正。由于液相的引入，两相流体通过节流装置时，一方面气相的加速作用增强，另一方面气相对液相的加速作用造成了气相能量的额外损失，与单相气体测量相比测量结果偏高，即虚高现象。虚高Ф_g的定义如下，其中ΔP_tp为实际测量的差压值，ΔP_g为假定等量气体单独流通时产生的差压值。

${\mathrm{\Φ}}_g=\sqrt{\frac{\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{tp}}}{\mathrm{\Δ}{P}_g}}---\left(2\right)$

研究表明虚高值与液相含率的大小、流体的流速以及流体的物理性质有关。通常定义为L-M(Lockhart-Martinelli)参数，通常用X表示，Froude数，气液密度比的函数，如(3)式所示。L-M参数与Froude数分别为(4)、(5)式所示。

${\mathrm{\Φ}}_g={\mathrm{\Φ}}_g(X,F_{\mathrm{rg}},\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(3\right)$

$X=\frac{W_l}{W_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(4\right)$

$F_{\mathrm{rg}}=\frac{4W_g}{{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\π}{D}^2\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(5\right)$

要实现湿气虚高的修正，就必须获得L-M参数，Froude数以及气液密度比。两相流体的气液密度比可以通过压力的测量进行折算，而L-M参数和Froude数是随流动情况而变化的，很难直接测量。

为了实现测量，就要忽略Froude数对虚高值的影响，使得最终的测量精度有所下降。针对这一弊端，本发明提供了一种多参数迭代修正的测量算法，可有效提高系统气液两相的在线测量精度。

湿气测量中，气相和液相的测量精度是相辅相成的，液相测量精度的提高会使得气相的测量精度提高，气相测量精度的提高反过来也会使得液相精度进一步提高。这样就提供了一个迭代求解，提高测量精度的思路，利用两不同节流件的测量特性，相互修正来提高最终的测量精度。实现本发明的测量方法，需要进行三个方面的工作：(1)采用离线方式，分别对两个节流装置的虚高模型进行实验标定；(2)利用在线测量的方式，求得进行多参数迭代修正的初值；(3)迭代运算，实现湿气测量。

三、本发明采用的虚高模型的标定

虚高模型的标定在湿气实验装置上进行，实验装置示意图如图4。实验使用的两相介质为压缩空气和水。空气由两台空气压缩机机经冷干机降温除湿后送入储气罐。储气罐和计量管段间用稳压阀分隔，以保证实验期间的气相的压力稳定。水由一台离心式输泵送入稳压水塔，采用水塔溢流的方式为系统提供稳定的液相压力。空气和水经过计量管排后，经引射器混合后进入实验管段。并最终流入分离罐做气液分离。空气由放气阀排出；水流入储水罐中循环使用。

虚高模型标定方法：

●在实验过程中根据气相与液相的变化，实现L-M参数，Froude数的变化；

●实验的过程中，管道的压力保持一定。参考湿气测量装置，确定气相实验的量程比，按照气相流量设计最大值q_max和最小值q_min，在q_max～q_min之间(包括q_max和q_min)，选取q_min、q_max×25％、q_max×50％、q_max×75％、q_max共5个气相流量测量点；

●每种固定气相流量下对应5种不同液相流量测试点，保证每一气相流量测试点覆盖所要求的液相测试范围；5种气相流量分别配以7～10种不同含液率，构成若干个个标定实验点。

●分别记录计量管排的标准气相流量、标准液相流量；同时记录双差压节流装置的两个差压值以及测量管道以及管道压力、管道温度。

实验数据处理方法：

●测量管道的压力、温度用于折算管道气体密度ρ_g；

●将实验记录的差压值ΔP_tp代入差压式流量计单相测量公式，即可获得节流装置在工况条件下的虚高质量流量W_tp，有

$W_{\mathrm{tp}}=\frac{\mathrm{C\ϵ}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}\·\frac{\mathrm{\π}}{4}\·D^2{\mathrm{\β}}^2\·\sqrt{2\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{tp}}\·{\mathrm{\ρ}}_g}---\left(6\right)$

●管道中的气相标准流量W_g由湿气实验装置的气相标准表给定，由此可获得对应此工况条件下的虚高值，即

${\mathrm{\Φ}}_g=\frac{W_{\mathrm{tp}}}{W_g}---\left(7\right)$

●实验管段的X参数与Froude数由标准气相流量W_g和标准液相流量W_l以及实验管段处气体密度ρ_g予以确定，即

$X=\frac{W_l}{W_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(8\right)$

$F_{\mathrm{rg}}=\frac{U_{\mathrm{sg}}}{\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(9\right)$

●以多元函数非线性拟合的方法对实验数据进行处理，建立一定工况范围下的虚高模型。模型质量根据气相流量的求解误差作为评判尺度，当气相流量求解误差≤±2％时，认为获得了比较理想的虚高模型。气相流量误差计算公式为(6)式。

$\mathrm{\δ}=\frac{(W_{\mathrm{tp}}/{\mathrm{\Φ}\′}_g-W_g)}{W_g}\×100\%---\left(10\right)$

式中，Ф′_g为拟合虚高模型给出的虚高值。

●高精度锥形节流装置虚高模型为式(11)；

${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{cone}}=b_1+b_2\·X+b_3\·X\·F_{\mathrm{rg}}+b_4\·F_{\mathrm{rg}}+b_5\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right)---\left(11\right)$

●高精度文丘里节流装置虚高模型为式(12)

${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2}---\left(12\right)$

(12)式中

$C={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right)}^n+{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}\right)}^n$

$n=a_1\·F_{\mathrm{rg}}+a_2\·\sqrt{F_{\mathrm{rg}}}+a_3$

本发明在初值计算中采用的简单虚高模型为：

Ф_g-cone＝a+b·X   (13)

${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2}---\left(14\right)$

四、多参数迭代修正的初值的确定

利用两节流差压湿气测量装置进行在线测量，可以获得两节流装置的差压信号，压力信号和温度信号，温度和压力用于对密度的折算，通过式(1)转化可获得两节流件的虚高质量流量，共两个信息量，即W_tp1，W_tp2。

而需要测量的未知参数共有三个，即W_g、X、F_rg。为了实现测量，直接的做法是忽略F_rg数的影响，将虚高值简化为X的单值函数，即式(15)，通过虚高的比值，即式(16)，以及简单虚高模型，即式(13)和(14)联合求解，获得X参数的初值与气相质量流量的初值X₀、W_g。

Ф_g＝Ф_g(X)   (15)

$K=\frac{W_{\mathrm{tp}1}/W_g}{W_{\mathrm{tp}2}/W_g}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{g1}}{{\mathrm{\Φ}}_{g2}}=\frac{{\mathrm{\Φ}}_{g1}\left(X\right)}{{\mathrm{\Φ}}_{g2}\left(X\right)}=f\left(X\right)---\left(16\right)$

五、多参数迭代修正计算流程

利用上面求得的双虚高模型求解湿气的计算流程如图5所示。

①由式(13)和(14)，获得了反映液相含率的Lockhart-Martinelli参数即X参数的初值与气相质量流量的初值X₀、W_g0，将气相质量流量的初值W_g0代入式(9)获得Froude数的迭代初值F_rg0；

②将X参数，Froude数的初值F_rg0代入文丘里节流装置的虚高模型式(12)，实现对X参数的第一次修正，得到X₁；

③将修正的X参数即X₁与F_rg0代入内锥节流装置的虚高模型式(11)中，对气相质量流量进行修正，得到W_g1，利用W_g1计算气相表观速度为U_sg1，代入式(9)，修正F_rg0，得到F_rg1；

④反复进行步骤②和③的计算过程，实现对X参数、Froude数和气相质量流量W_g的迭代修正，当W_g的迭代值的相对变化小于0.1％，迭代结果收敛。

下面以节流比0.75的锥形节流装置和节流比0.4的文丘里节流装置组合为例具体说明本发明提出的湿气测量方法。

图6为节流比0.75的锥形节流装置和节流比0.4的文丘里节流装置在工况压力0.1MPa、0.15MPa和0.2MPa，Froude数0.8～1.4，L-M参数0～0.1条件下湿气测量的虚高特性。从中可以看出，锥形节流装置和文丘里节流装置的湿气测量特性表现出了各自的特点，可针对其各自的虚高特点采取相应的数学模型以体现虚高的规律。图7、12分别为0.75锥形节流装置和0.4文丘里节流装置虚高模型的预测误差，其中锥形节流装置和文丘里节流装置的虚高模型的平均预测误差在±1％以内。

对于锥形节流装置，各参数对虚高的影响表现出了明显的线性，可采用式(11)的形式对锥形节流装置的虚高模型予以拟合。

对于文丘里节流装置，其虚高模型在实验的基础上通过对Deleeuw模型修正获得，即采用式(12)的形式予以拟合。

通过实验数据的拟合，最终确定等效节流比0.75的锥形节流装置和0.4的文丘里节流装置的虚高模型式(19)、(20)。

${\mathrm{\Φ}}_{g-\mathrm{vone}}=1.1184+0.96161\·X-0.016892\·X\·F_{\mathrm{rg}}$

$-0.083739\·F_{\mathrm{rg}}+0.357\×{10}^{-4}\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}\right)---\left(19\right)$

其中， $\left\{\begin{array}{c}0<X\&le;0.1\\ 0.7<F_{\mathrm{rg}}<1.4\end{array}\right.$

${\mathrm{\&Phi;}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2}---\left(20\right)$

式中

$C={\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_l}{{\mathrm{\&rho;}}_g}\right)}^n+{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}\right)}^n$

$n=0.011611F_{\mathrm{rg}}+0.1106\sqrt{F_{\mathrm{rg}}}+0.27528............0.5\&le;{\mathrm{Fr}}_g\&le;1.5$

另一方面，通过对虚高模型予以简化，忽略Froude数对虚高值的影响，可分别获得两节流装置的简单虚高模型式(21)、(22)

Ф_g-cone＝1.0423+1.2427·X   (21)

${\mathrm{\&Phi;}}_{g-\mathrm{venturi}}=\sqrt{1+\mathrm{CX}+X^2}---\left(22\right)$

式中， $C={\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_l}{{\mathrm{\&rho;}}_g}\right)}^n+{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_g}{{\mathrm{\&rho;}}_l}\right)}^n---\left(21\right)$

n＝0.3971

将内锥和文丘里节流装置的差压信号带入式(13)、(14)并结合式(19)、(20)可获得气相流量和液相流量的初步修正值，气相初值的相对误差见图9；利用文丘里节流装置和内锥节流装置的高精度虚高模型式(19)、(20)采用图5所述的迭代方式对气相流量和液相流量进行迭代修正，图10～图13为气相测量误差迭代收敛的情况。可以看出以该装置和方法进行湿气测量可获得较高的气相测量精度，经过4次迭代后测量值基本收敛，气相测量的相对误差在±2％以内，平均误差在1％以内。以满度误差衡量，该装置和测量方法对液相也具有较高的测量精度，完全符合工业现场的需要，可广泛应用于石油天然气工业现场。

Claims (2)

1.一种湿气测量方法，采用的测量系统包括安装在测量管路里的锥形节流装置和文丘里节流装置，在测量管路里安装有压力变送器，在锥形节流装置的首尾处安装有第一压差变送器，在文丘里节流装置的节流管路内外安装有第二压差变送器，在其测量管路下游内还安装有温度变送器，进行湿气测量的步骤包括：

(1)对于锥形节流装置，通过对实验数据进行曲线拟合，求得锥形节流装置的湿气虚高模型式，即其与L-M参数和Froude数之间的关系式：

其中的L-M参数与Froude数分别为

和

式中，U_sg为气相表观速度，W_g为气体质量流量，W_l为液体质量流量，D为管道直径，ρ_g为气相流体密度，ρ_l为液相流体密度；

(2)对于文丘里节流装置，通过对实验数据进行曲线拟合，求得文丘里节流装置的湿气虚高模型式，即其与L-M参数和Froude数之间的关系式：式中，

$n=a_1\&CenterDot;F_{\mathrm{rg}}+a_2\&CenterDot;\sqrt{F_{\mathrm{rg}}}+a_3...0.5\&le;{\mathrm{Fr}}_g\&le;1.5;$

(3)对于两个节流装置，分别通过对实验数据进行曲线拟合，求得锥形和文丘里节流装置的简单虚高模型式分别为：Φ_g-cone＝a+b·X、

(4)由压力变送器和温度变送器获取管道内流体的压力和温度，计算管道内气相流体的密度ρ_g；

(5)利用在锥形节流装置和文丘里节流装置上安装的两个压差变送器获得的压差信号，根据下列公式，分别计算两个节流装置的虚高质量流量W_tp1和W_tp2：

式中k＝1，2，C为仪表流出系数，ε为气体的可膨胀系数，β为节流比；

(6)根据公式

以及简单虚高模型式Φ_g-cone＝a+b·X、

获得X参数的初值与气相质量流量的初值X₀、W_g0，将气相质量流量的初值W_g0带入Froude数公式，获得Froude数的迭代初值F_rg0；

(7)将X参数，Froude数的初值X₀和F_rg0带入文丘里节流装置的湿气虚高模型式，实现对X参数的第一次修正，得到X₁；

(8)将修正的X参数即X₁与Froude数F_rg0带入到锥形节流装置的湿气虚高模型式中，对气相质量流量进行修正，得到W_g1，利用W_g1计算气相表观速度U_sg1，并代入式Froude数公式，修正F_rg0，得到F_rg1；

(9)如此重复执行步骤(7)和(8)，实现对X参数、Froude数和气相质量流量W_g的迭代修正，当W_g的迭代值的相对变化小于设定值，则认为迭代结果收敛，结束迭代。

2.根据权利要求1所述的湿气测量方法，其特征在于，步骤(9)中的设定值为0.1％。

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