CN103353319A - 基于直通型气体超声波流量计的湿气流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于两相流量测量技术领域，涉及一种基于直通型气体超声波流量计的湿气流量测量方法，包括下列步骤：（1）在需要进行湿气流量测量的管道上固定直通型气体超声波流量计；（2）利用所述的流量计测量湿气流量，测得虚高流量Q_tp；（3）根据经验模型求得截面含气率α；（4）对虚高流量进行修正，得到修正后的气相流量值

本发明简单易用，具有良好的普适性，适用于对水平圆管中环雾状流条件下的气相流量预测。

Description

基于直通型气体超声波流量计的湿气流量测量方法

技术领域

本发明属于两相流量测量技术领域，涉及一种直通式气体超声波流量计测量湿气的方法。

背景技术

湿气通常是指气相为连续相，液相为离散相的气液两相流。美国机械工程师学会ASME将其界定为Lockhart-Martinelli参数（简称L-M参数）X小于0.3的气液两相流。湿气普遍存在于自然界与工业现场中，如常规天然气田井口产出气（湿天然气）、煤层气、湿饱和蒸汽以及页岩气等均属湿气。随着工业生产的发展，对湿气不分离计量的要求越来越高。然而已有研究表明，湿气流量测量问题非常复杂，检测难度很大，利用传统的单相气体流量计直接测量湿气流量，会因液相的影响而产生一定的误差，甚至无法正常工作。因此湿气测量在相当长的一段时间内都将是流量测量领域的一个重要研究方向和研究热点。

气体超声波流量计的研制起步于二十世纪七十年代中期，近年来在天然气计量领域发展迅速，我国的“西气东输”天然气工程干线上应用了大量的气体超声波流量计。与传统的单相流量计相比，气体超声流量计的优势体现在：量程比大、基本无压损、重复性高、无可动部件、可测双向流和精度较高等方面。上世纪九十年代中后期，国外研究人员和研究机构展开了气体超声波流量计用于湿气流量测量的研究。2000年，Zanker和Brown针对水平安装的多声道气体超声波流量计湿气测量进行研究^[3]。研究结果表明，气体超声波流量计用于湿气测量时，测量结果高于等量气相单独流过时的测量值，即存在虚高现象，且虚高的大小，即测量误差，与湿气中含液率之间的关系表现出一定的规律性。与其他流量计（差压式、涡街）相比，超声波流量计的主要优势是测量误差较小，在体积含气率为1%情况下，误差值小于5%，而文丘里在相同条件下误差达到10%。2007年开始，美国CiDRA、Weatherford、Instromet等公司等开始尝试将气体超声波流量计与节流式流量计进行组合实现湿气的气液两相流量测量。

文献研究表明，超声波流量计用于湿气测量，通常存在以下特点：首先，湿气测量特性受流型的影响较大，在分层流和环雾状流时具有较好的测量特性，目前用于湿气测量的超声波流量计大都是工作在分层流和环雾状流下，显著特征是虚高（即测量误差）值小，虚高与液相含率的关系规律性较好，在一定液相含率范围内，测量结果的重复性较好，因此通常采用实验数据拟合的方法建立虚高与液相的关系模型，进而实现对气相测量结果的修正。尽管如此，与差压类流量计不同，由于不同公司的超声波流量计有不同的结构设计，如探头数目、声道布置形式、插入方式等各不相同，因此进行湿气测量时，采用实流实验拟合方法得到的虚高修正公式形式差异性较大，无可比性，也不具有较好普适性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的上述问题，提供一种简单易用，具有良好的普适性，适用于对水平圆管中环雾状流条件下的气相流量预测的湿气测量方法。本发明利用直通式气体超声波流量计湿气测量的虚高流量值，依据基于截面含气率方法的虚高模型，对直通式气体超声波流量计的测量结果进行修正，采用如下技术方案：

一种基于直通型气体超声波流量计的湿气流量测量方法，包括下列步骤：（1）在需要进行湿气流量测量的水平管道上固定直通型气体超声波流量计；（2）利用所述的流量计测量湿气流量，测得虚高流量Qt_p；（3）根据经验模型求得截面含气率α；（3）对虚高流量进行修正，得到修正后的气相流量值

作为优选实施方式，其中的截面含气率的截面含气率

x为质量含气率；ρ_l，ρ_g分别为液相密度和气相密度；μ_l，μ_g分别为液体粘度和气体粘度。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

在具有一定的物理意义并保证测量精度的前提下合理简化了复杂流场的条件，得到直通式气体超声波流量计测量湿气的虚高与截面含气率的单值对应关系，提出了一种可以直接计算虚高的方法，从而进行湿气测量结果的修正。本发明与现有拟合方案相比，避免了需要大量实流数据拟合公式的工作量，可以利用测量或通过经验公式估算出的截面含气率信息直接计算流量计的测量虚高，并借此修正偏大的气相流量测量结果。

附图说明

图1单声道直通式气体超声波流量计示意图。

图2（a）单声道直通式气体超声波流量计湿气测量俯视图。

图2（b）单声道直通式气体超声波流量计湿气测量左视图。

图3基于Armand-Massina截面含气率模型的单声道直通式气体超声波流量计湿气流量测量误差。

图4利用Armand-Massina截面含气率模型的预测效果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的湿气测量方法，是基于单声道直通式气体超声波流量计而实现的。

单声道直通式气体超声波流量计的结构如图1所示，A和B是一对换能器。按图1所示流体流动方向，超声波信号由A发射，B接收为顺流方向，传播时间为t₁；超声波信号由B发射，A接收为逆流方向，传播时间为t₂。单声道直通式气体超声波流量计通过检测穿过管道内流体的超声波脉冲信号可以得到t₁和t₂。假设换能器间超声波信号的传播距离为L，超声波在单相流体介质中的传播速度为c，流体速度为u（一般u＜c），超声波信号传播路径与管道轴线夹角为θ。

直通式气体超声波流量计通过检测穿过管道内流体的超声波脉冲信号可以得到超声波信号顺流和逆流传播的时间t₁和t₂。假设换能器间超声波信号的传播距离为L，超声波在单相流体介质中的传播速度为c，流体速度为u（一般u＜c），超声波信号传播路径与管道轴线夹角为θ，可以得到流体的体积流量

$Q=K_{c}A\frac{L}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_1})$

其中，K_c是考虑管道中流速分布对声道的流场修正系数，A是管道横截面积。

本发明利用单声道直通式气体超声波流量计湿气测量参见图2（a）和（b），由几何对称性可知管道水平截面处内壁的液膜厚度基本相同；在重力作用下，管道底部的液膜厚度基本大于管道顶部的液膜厚度，所示。为了减小液相波动对超声波信号的影响，设计超声波信号沿水平方向传播，以降低液膜厚度变化对信号传播的干扰。

在湿气条件下，以最常见的环状流为例，因为管道内壁上存在液膜，所以超声波信号在气相介质中的传播距离L′略小于L，如图2（a）所示。在理想环状流湿气条件下采用均匀液膜假设，估算出的液膜平均厚度不超过0.012D，D为管道内径，因此可以忽略超声波信号由于液相存在导致的反射和折射现象带来的影响。假设超声波信号在气相介质中的传播速度为c_g，在液相介质中顺流传播时间和逆流传播时间分别为Δt1和Δt2，管道内气相流速为u_g。由于超声波信号在液相介质中的传播距离远小于L′，且超声波在液相介质中的传播速度远大于c_g，因此Δt1远小于t1，Δt2远小于t2。忽略超声波信号在液相介质中的传播时间，可以得到气相体积流量

$Q_g=K_c{A}_g\frac{L\′}{2\cos \mathrm{\θ}}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

其中，A_g为管道中的气相流通面积。

在湿气条件下若不加修正，直通式气体超声波流量计测量结果为虚高流量Q_tp，将直通式气体超声波流量计测量获得的虚高流量Q_tp与真实气相流量Q_g的比值定义为测量湿气的虚高，公式为：

${\mathrm{\Φ}}_g=\frac{Q_{\mathrm{tp}}}{Q_g}=\frac{A}{A_g}\·\frac{L}{L\′}=\frac{1}{\mathrm{\α}}\·\frac{D}{D-{2\mathrm{\δ}}_0}$

其中，α是截面含气率，α=A_g/A。δ₀为管道内壁上的液膜平均厚度。

利用图2中的几何关系可得

$\mathrm{\α}={(1-\frac{{2\mathrm{\δ}}_0}{D})}^2$

因此得到

${\mathrm{\Φ}}_g={\mathrm{\α}}^{-\frac{3}{2}}$

截面含气率可以通过测量或者经验公式估算得到，从而计算出直通式气体超声波流量计测量湿气的虚高。用虚高流量除以虚高可以得到修正后的气相体积流量：

$Q_{\mathrm{g\α}}=Q_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\Φ}}_g^{-1}=Q_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\α}}^{\frac{3}{2}}$

为利用本发明实施例的测量原理及方法如下：

1、建立直通式气体超声波流量计的虚高Ф_g与截面含气率α的函数关系，即有

${\mathrm{\Φ}}_g={\mathrm{\α}}^{-\frac{3}{2}}---\left(1\right)$

2、利用直通式气体超声波流量计测量虚高流量Q_tp

直通式气体超声波流量计用于湿气测量时，由于存在液相，导致流量计的测量流量（记为Q_tp）大于流过流量计的真实干气体流量（Q_g），即测量结果为虚高流量。

3、建立虚高：将直通式气体超声波流量计测量获得的虚高流量Q_tp与真实气相流量Q_g的比值定义为虚高Ф_g，有

${\mathrm{\Φ}}_g=\frac{Q_{\mathrm{tp}}}{Q_g}---\left(2\right)$

4、求得真实气相流量：根据（1）式、（2）式，获得修正后的气相流量值Q_gα，有

$Q_{\mathrm{a\α}}=Q_{\mathrm{tp}}{\mathrm{\α}}^{\frac{3}{2}}---\left(3\right)$

5、采用截面含气率经验模型计算α：可以选用多种经验模型计算α,文献1【Melkamu A Woldesemayat,Afshin JGhajar.Comparison o fvoid fraction correlations for different flow patterns in horizontal and upward inclined pipes[J].International Journal of MultiphaseFlow,2007,33:347-370】列举了已有的几种截面含气率经验模型研究成果。发明人经过大量的实验研究（在具体实施方式的最后，附上了此项实验研究的部分数据），得到结论：采用文献1里提及的Armand-Massina模型计算压力在0.2～0.6MPa，体积含气率为0.14～0.98范围内的湿气截面含气率，适用性较好，精度较高。其形式为

$\mathrm{\α}=(0.833+0.167x){(1+\frac{1-x}{x}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l})}^{-1}---\left(4\right)$

式中，x为质量含气率；ρ_l，ρ_g分别为液相密度和气相密度。

将式（4）代入式（1），得到基于截面含气α的单声道直通式气体超声波流量计的虚高预测模型

${\mathrm{\Φ}}_g={(0.833+0.167x)}^{-\frac{3}{2}}{(1+\frac{1-x}{x}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l})}^{\frac{3}{2}}---\left(5\right)$

将式（4）代入式（3），可以计算出单声道直通式气体超声波流量计的真实气相流量

$Q_{\mathrm{g\α}}=Q_{\mathrm{tp}}{(0.833+0.167x)}^{\frac{3}{2}}{(1+\frac{1-x}{x}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l})}^{-\frac{3}{1}}---\left(6\right)$

6、以压力0.2MPa，气相流速3m·s^-1为例，采用上述模型时单声道直通式气体超声波流量计测得的气相虚高流量Q_tp和经虚高预测模型修正的气相流量Q_gα与气相真实流量Q_g的结果如图4所示。最大相对误差已由22.53%降低到-3.22%。采用本方法可以直接通过质量含气率信息修正直通式气体超声波流量计偏高的测量值，相较以往采用的公式拟合方法具有更强的物理意义，并避免处理数据时间上的滞后性。在压力为0.2～0.6MPa，气相表观速度为3～10m·_s ^-1，L-M参数为0～0.16的工况范围内，经此模型修正后的气相流量平均相对误差为2.84%。

附：Z法气体超声波流量计湿气测量特性实验在天津大学可调压中压湿气流量实验装置上开展，采用控制变量的方法设定实验的工作状况，选取了工况压力P，气相表观速度U_sg和L-M参数X三个影响湿气流型的参数。考虑实验装置的能力，设计的工况范围是：压力为0.2～0.6MPa，气相表观速度为3～10m·s^-1，L-M参数为0～0.16。根据实验的方式与工作状况选取了如表1所示的五种典型的水平管气液两相流动条件下截面含气率计算模型。

表1水平管气液两相流动条件下截面含气率计算模型

表2以压力0.2MPa，气相流速3m·s^-1为例，说明五种截面含气率经验公式的预测效果，其他工况结果相似，均表明Armand-Massina模型的平均相对误差最小。

表2五种截面含气率计算模型对气相流量修正效果比较（0.2MPa，3m·s^-1）

Claims (2)

1.一种基于直通型气体超声波流量计的湿气流量测量方法，包括下列步骤：（1）在需要进行湿气流量测量的管道上固定直通型气体超声波流量计；（2）利用所述的流量计测量湿气流量，测得虚高流量Q_tp；（3）根据经验模型求得截面含气率α；（3）对虚高流量进行修正，得到修正后的气相流量值

2.基于权利要求1所述的湿气流量测量修正方法，其特征在于，其中的截面含气率

x为质量含气率；ρ_l，ρ_g分别为液相密度和气相密度；μ_l，μ_g分别为液体粘度和气体粘度。

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