摘要：為了考察渦街流量計(jì)在油水兩相流中的測(cè)量特性，在內(nèi)徑為50 mm的垂直上升管道內(nèi)，對(duì)不同混合流量、含油率下的渦街信號(hào)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并對(duì)油水兩相儀表系數(shù)和斯特勞哈爾數(shù)予以分析。結(jié)果表明，在含油率5％～40％內(nèi)，儀表系數(shù)相對(duì)誤差小于4％，斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差隨含油率增加有變大趨勢(shì)、隨混合流鼉?cè)黾佑袦p小趨勢(shì)，而且在兩相雷諾數(shù)2×104。5×104內(nèi)可視為常數(shù)，并隨雷諾數(shù)降低而升高。實(shí)驗(yàn)說(shuō)明油水兩相流中存在穩(wěn)定的兩相渦街，利用渦街流量計(jì)測(cè)量油水兩相混合流量具有可行性。

關(guān)鍵詞：渦街流鼉計(jì)；油水兩相流；混合流量；含油率；斯特勞哈爾數(shù)

1 引言

在石油行業(yè)，經(jīng)常會(huì)遇到油和水兩相混合流動(dòng)的現(xiàn)象∽3，開(kāi)展油水兩相流流量的測(cè)量具有重要的理論和工程意義。目前，將成熟的單相流量計(jì)應(yīng)用于兩相流量測(cè)量取得了較大進(jìn)展，如差壓式流量計(jì)、Coriolis流量計(jì)等。渦街流量計(jì)H1因其具有輸出與流體流量成正比的脈沖信號(hào)，對(duì)被測(cè)流體壓力、溫度、黏度和組分變化不敏感，可測(cè)量液體、氣體和蒸汽流量等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)域。然而渦街流量計(jì)在兩相流量測(cè)量領(lǐng)域的研究還處于探索階段，目前主要集中在氣液兩相流方面，包括總流量、組分、斯特勞哈爾數(shù)及穩(wěn)定性等"引。在油水兩相流方面研究甚少，僅SKEA坤1應(yīng)用多種單相流量計(jì)測(cè)量水平管內(nèi)油水兩相流流量的研究中提及渦街流量計(jì)，但未對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。本文應(yīng)用渦街流量計(jì)對(duì)垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，分析了不同兩相流量、含油率對(duì)儀表系數(shù)誤差產(chǎn)生的影響，以及兩相斯特勞哈爾數(shù)隨含油率和兩相雷諾數(shù)的變化情況。

2單相流渦街流量計(jì)測(cè)量原理在單相流體中垂直于流向插入一根非流線型旋渦發(fā)生體，當(dāng)滿足一定條件時(shí)旋渦發(fā)生體的兩側(cè)將出現(xiàn)兩排旋轉(zhuǎn)方向相反、交替產(chǎn)生的非對(duì)稱的渦街，其頻率與流體平均流速成正比，因此通過(guò)檢測(cè)渦街的頻率，再根據(jù)有關(guān)的關(guān)系式就可以獲得流體的流量。設(shè)渦街頻率為／，流體平均速度為u，旋渦發(fā)生體迎面寬度為d，管道內(nèi)徑為D，則有一1：r Sru_，2而m=l一2--E d飛／1一（吾）2+arc$in吾] （2）式中：Sr為斯特勞哈爾數(shù)，m為旋渦發(fā)生體兩側(cè)弓形面積與管道橫截面積之比。管道內(nèi)流體的體積流量為：Q，=邊=,irD42sm，df_4 =舌（3） 。4Sr K 、。7K=舌=面4S麗r （4）式中：K稱為渦街流量計(jì)的儀表系數(shù)。式（3）為渦街流量計(jì)測(cè)量的基本關(guān)系式，其中儀表系數(shù)除了與旋渦發(fā)生體、管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)。斯特勞哈爾數(shù)為無(wú)量綱參數(shù)，它與旋渦發(fā)生體形狀及雷諾數(shù)有關(guān)，在雷諾數(shù)為2×104-7×106范圍內(nèi)，可視為常數(shù)。

3實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是在天津大學(xué)油氣水三相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示，由供水和供油回路兩部分組成（氣路關(guān)閉）。流程如下：15#白油從油罐4由油泵5泵出，經(jīng)油路標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量后，流人油水混合器14；水從水罐6由水泵7泵出，經(jīng)水路標(biāo)準(zhǔn)表計(jì)量后流入油水混合器。在混合器內(nèi)油水兩相混合后，流經(jīng)水平、垂直下降段進(jìn)入垂直上升測(cè)量段、渦街流量計(jì)15及流型觀察段16后，zui后油水兩相流體經(jīng)分離器1分離后，油、水分別返回油罐和水罐。其中，水路和油路標(biāo)準(zhǔn)表及其參數(shù)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)中水路、油路流量調(diào)節(jié)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集控制系統(tǒng)完成。實(shí)驗(yàn)用渦街流量計(jì)內(nèi)徑為50 mm，經(jīng)0．1％精度水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置校驗(yàn)后其精度為0．5％。采用NI-6009數(shù)據(jù)采集卡對(duì)渦街信號(hào)進(jìn)行采樣并輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，采樣頻率為1 000 Hz，采樣時(shí)間為30 s。實(shí)驗(yàn)中油水兩相混合流量Q。=5～11 m3／h，體積含油率』B=5％～40％。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：調(diào)節(jié)油水兩相流量使其混合流量保持不變情況下，含油率從5％開(kāi)始，以5％為步長(zhǎng)，逐漸增大到40％；然后調(diào)節(jié)油水兩相混合流量到一個(gè)新的固定值，同樣逐步增大含油率重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，直至混合流量從zui小值增大到zui大值。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)：15#白油和自來(lái)水。實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，15#白油密度P。=856 ks／m3，動(dòng)力黏度地=14×10’3 Pa·s；水的密度P。=998．2 ks／m’，動(dòng)力黏度肛。=1．002×10。Pa·s。l油水分離罐；2單流閥；3球閥；4油罐；5油泵；6水罐；7水泵；8過(guò)濾網(wǎng)；9壓力變送器；10溫度變送器；11水路標(biāo)準(zhǔn)表；12油路標(biāo)準(zhǔn)表；13氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥；14油水混合器；15渦街流量計(jì)；16有機(jī)玻璃管圖1 油水兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fi品l 0il．water two．phase flow experiment system表1水、油兩路標(biāo)準(zhǔn)表Table 1 Standard flowmeter of water／oil loop

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4．1流型分析由于兩相流流型極大地影響著油水兩相流的流動(dòng)特性，同時(shí)也影響著流量參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量，因此，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)流型進(jìn)行了識(shí)別，確定為水包油流型。為了對(duì)比驗(yàn)證，將實(shí)驗(yàn)所用油相、水相流量折算為表觀油流速K。、表觀水流速吃，繪出相應(yīng)的流速分布圖，如圖2所示。圖中還給出了Flores等人¨馴基于擊碎聚合機(jī)理性模型轉(zhuǎn)換成的流型辨識(shí)圖（實(shí)線所示）。由圖可知，本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)位于細(xì)油泡區(qū)（水包油）和油泡區(qū)（水包油），說(shuō)明本文識(shí)別出的流型與Flores機(jī)理性模型劃分的結(jié)果相一致，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)隨著含油率的增加，流型越來(lái)越靠近水包油擾動(dòng)流區(qū)。本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與Flores等流型辨識(shí)圖Fig．2 Experimental data in this study vs．flow patternidentification by Flores et al

4．2油水兩相儀表系數(shù)分析由于實(shí)驗(yàn)范圍流型為水包油，且垂直上升管中流型分布較均勻，故可將油水兩相混合流量視為均相流。參照單相流中測(cè)量公式，定義渦街流量計(jì)在油水兩相流混合流量測(cè)量時(shí)儀表系數(shù)k及其相對(duì)誤差e置為代表油水兩相渦街頻率，可由渦街采樣信號(hào)經(jīng)頻譜分析求得，Q。代表油水兩相混合流量，為入口油相、水相體積流量之和。經(jīng)水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置標(biāo)定，單相流中渦街流量計(jì)儀表系數(shù)K為9 223．04 111。。圖3不同Q。下，％母曲線Fig．3 Relative elTol'5 ofⅡ疑懈coefficient in oil-water two—phaseflow at different oil volume fractions and mixture flowrate圖3給出了不同油水兩相混合流量Q。下，儀表系數(shù)相對(duì)誤差e。隨含油率盧的變化曲線。由圖可知，在盧為5％一40％范圍內(nèi)，e。小于4％。這表明，應(yīng)用渦街流量計(jì)測(cè)鼉垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量時(shí)，測(cè)量誤差較小，具有可行性。特別是，當(dāng)口小于25％時(shí)，油水兩相儀表系數(shù)k幾乎不受蘆影響，e。小于2％，說(shuō)明渦街流量計(jì)在高含水率的油水兩相流測(cè)量中較為準(zhǔn)確。當(dāng)口在25％一40％范圍內(nèi)，隨盧增加，e。有變大趨勢(shì)，而且受Q。影響較大，在油水混合流鼉較小時(shí)（5—8 m3／h），e。較大，偏移誤差zui大可達(dá)3．53％；當(dāng)混合流量增大時(shí)（8～11 m3／h），e。變化很小，對(duì)油水兩相混合流量測(cè)量準(zhǔn)確。由式（4）可知，單相流中儀表系數(shù)K除了與旋渦發(fā)生體，管道的幾何尺寸有關(guān)外，還與斯特勞哈爾數(shù)有關(guān)，而斯特勞哈爾數(shù)作為判斷渦街穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)，在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)可視為常數(shù)。因此，在油水兩相混合流動(dòng)中，對(duì)兩相斯特勞哈爾數(shù)的研究很有必要，它既是油水混合流量測(cè)量準(zhǔn)確性的保證，也是油水兩相渦街是否穩(wěn)定的重要標(biāo)準(zhǔn)。4．3油水兩相斯特勞哈爾數(shù)分析參照式（1），定義油水兩相斯特勞哈爾數(shù)sr爪及其相對(duì)誤差e曲如下：Srm=警㈣e。=生≥=×100％ （8）已知研究所用渦街流量計(jì)旋渦發(fā)生體為梯形，迎面寬度d=14 mnl，管道內(nèi)徑D=50 mm，則m=0．648 1，單相流中斯特勞哈爾數(shù)Sr=0．164 5。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可繪出圖4所示不同油水混合流量Q。下，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差e舟隨含油率盧的變化曲線。圖4不同口。下，e所田曲線Fig．4 Stmuhal Relative errors in oil·water two-phase flow atdifferent oil volume h∞商ons and mixture flowrate由圖4可知，在盧為5％一加I％范圍內(nèi)，油水兩相混合流動(dòng)中存在穩(wěn)定的兩相渦街，e，，zui大偏移為3．36％。當(dāng)p在5％～25％范圍內(nèi)，e野小于2％，兩相渦街穩(wěn)定性好，隨口增加（25％～加％），e所有變大趨勢(shì)。這是因?yàn)?，?dāng)p較小時(shí)，流型分布較好，油泡對(duì)正常的渦街脫落影響很小，Sr=穩(wěn)定性好；隨口增加，管道中細(xì)小、均勻分布的油泡逐漸變大，流型逐漸向水包油擾動(dòng)流區(qū)過(guò)渡，形狀不規(guī)則且穩(wěn)定性漸差的油泡對(duì)渦街脫落的干擾越來(lái)越強(qiáng)烈，所以Srm隨JB增加越來(lái)越偏移Sr，導(dǎo)致e。呈現(xiàn)變大趨勢(shì)。還可看出，e。，隨Q。增大，呈減小趨勢(shì)。例如，Q。為5 m3／h時(shí)，％zui大偏移為3．36％；Q。為8m3／h時(shí)，％zui大偏移為1．48％；Q。為1l m3／h時(shí)，e野zui大偏移僅為0．83％。這是因?yàn)?，渦街脫落產(chǎn)生的升力與管內(nèi)平均流速的平方成正比，也就是說(shuō)，當(dāng)兩相混合流速升高時(shí)，渦街的升力是以流速的平方倍增長(zhǎng)，所以，隨著Q。增大，渦街信號(hào)迅速增強(qiáng)，對(duì)管道中油泡的抗*力增強(qiáng)，渦街穩(wěn)定性變好，e野逐漸減小。斯特勞哈爾數(shù)除了與發(fā)生體形狀有關(guān)外，還與管道雷諾數(shù)相關(guān)。圖5給出了不同含油率口下，油水兩相斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差e蜥隨兩相管道雷諾數(shù)＆。的變化曲線。其中，兩相管道雷諾數(shù)尺e。計(jì)算公式如下：Re。：—Du,—,,pm （9）p。P。=屆p。+（1一P）p。（10）肛。=陬。+（1一盧）肛。（11）式中：P。為油水兩相流密度，‰為油水兩相流粘度。

5結(jié)論本文應(yīng)用渦街流營(yíng)計(jì)對(duì)垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，流鍍范圍5—1l m3／h，含油率為5％一40％，流型為水包油，將油水兩相流視為均相流。含油率5％～40％范圍內(nèi)，兩相儀表系數(shù)相對(duì)誤差小于4％，表明利用渦街流量計(jì)測(cè)量油水兩相混合流量的誤差較小，具有可行性。含油率5％～40％范圍內(nèi)，油水兩相混合流動(dòng)中存在穩(wěn)定的兩相渦街；兩相斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差隨含油率增加有變大趨勢(shì)，隨混合流量增大有減小趨勢(shì)。油水兩相雷諾數(shù)為2 X 104—5×104內(nèi)時(shí)，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對(duì)誤差小于1％，可視為常數(shù)；兩相雷諾數(shù)在0．5 X 104～2 X 104內(nèi)時(shí)，兩相斯特勞哈爾數(shù)隨雷諾數(shù)降低而升高，呈現(xiàn)非線性。