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蒸汽流量计量用差压式涡街质量流量计原理效果可行性分析

时间:2018/01/28来源:未知

  热注蒸汽是目前开采稠油最为经济有效的方法,由于热采多为一炉注多井和多炉注多井的方式,可见合理准确地进行蒸汽流量计量,是油田在稠油井注汽开采过程中一个很重要的依据。稠油热采所注蒸汽为湿饱和蒸汽,由于蒸汽是高温、高压流体,饱和蒸汽又易变为汽、液两相流,其流动规律较复杂,测量难度较大[1],国内一些油田和科研机构纷纷研制了各自的两相流量计,其中主要围绕节流差压原理和卡门涡街理论所设计的流量计居多。其中基于差压原理和涡街理论并用的质量流量计通过其独特的测量元件,能够测量出流体通过涡街发生体后产生的压差信号,在不进行温度、压力补偿的情况下,测量出流体的质量流量。 

1、流量计的测量原理:
  以往的各种涡街质量流量计,如升力式涡街质量流量计、复合信号发生体涡街质量流量计等,它们的共同特点都是通过压电传感器测量涡街频率。而压电传感器的特点是:反应灵敏、信号准确、工艺技术精、与测量介质无接触等,但是它在工业现场使用时,对管道振动较敏感是其主要缺点。针对这个问题黄咏梅根据差压检测技术的优点,提出在涡街发生体下游两侧管壁处设计取压口,并用差压传感器检测涡街频率,再经过数值计算得到流体的质量流量[2],如图 1 所示。 
图 1   管壁取压示意图

图 1   管壁取压示意图 
  通过以前人们对蒸汽流量计的研究,不难发现不管是利用节流压差原理孔板流量计,还是其他涡街蒸汽流量计,都必须通过压力、温度补偿而计算得到蒸汽密度  ,这就不可避免的出现蒸汽计量的误差。鉴于这个问题,结合前面提到的差压式流量计计算模型,
设计出了适用于蒸汽计量的流量计及其数学模型。
  由于很多学者对涡街发生体附近的流场利用数值模拟、分析,发现流体通过涡街发生体后,使得流体发生绕流分离,从而产生一定规律的旋涡,  同时由于流体的阻力特性,在通过涡街发生体时会产生压力损失。利用涡街发生体的这两个特点,蒸汽流过涡街发生体后同样产生涡街、压力损失,再利用上下游差压波动可以得到涡街频率 f  ,并结合卡门涡街理论就可以得到蒸汽的质量流量。 
  下面具体说明适合于蒸汽的差压式涡街质量流量计的结构与测量过程。如图 2 所示,在涡街发生体上下游管壁处各设置一个取压口。上游的取压口
图 2   流量计原理示意图


图 2   流量计原理示意图 
  用于测量蒸汽通过涡街发生体前的静压力,这时的压力值比较稳定;而下游的取压口用于检测蒸汽通过涡街发生体后的压力损失和产生旋涡引起的压力波动,如图 3 所示。管壁上、下游的差压平均值即
图 3   上、下游压力示意图

图 3   上、下游压力示意图 
压力损失,可以表示为:
计算公式
  221UCpp 蒸=Δρ             (1) 式中: Cp  —  压力系数; U  —  蒸汽平均速度。  由卡门涡街理论可知,差压波动的频率 f (涡街频率)与流速 U  成正比,两者之间关系为:   mdUSdUSfttt==           (2) 式(1)除以式(2)可得:  )( USma Cfptp蒸=ρΔ                   (3) 由于雷诺数在一定的范围内,则  S t和  Cp是常数,而 m、d 也是常数(涡街发生体的几何尺寸),
可以直接测量得到,所以  Δfp 与 U蒸ρ 成正比关系。则蒸汽的质量流量 Qm可表示为:     UAQm 蒸=ρ            (4) A 为蒸汽管道截面面积。由于 Δfp 正比于U蒸ρ ,所以 Qm也可以表示为:    fpKQnmΔ=          (5) 则       md CASfpQKpmtn2=Δ=       (6) 
Kn为质量流量计的流量系数,即仪表系数,它是由漩涡发生体的几何尺寸、上下游的取压位置等因素决定的物理参数,要使得蒸汽质量流量测量准确,Kn必须在一定雷诺数范围内是常数。通过测量涡街发生体上、下游的差压,得到蒸汽通过发生体后的平均压降  和涡街频率  的关系,由式(5)和式(6)计算就可以直接得到蒸汽的质量流量,实现了直接测量。

2、流量计的检测特点:
  以往的蒸汽质量流量测量中,不管用节流元件的流量计,还是其他的涡街流量计都是先得到体积流量,再用不同的方法计算出蒸汽的密度,在这一过程中必须进行密度的补偿或其他形式的补偿,这就出现不同程度的误差。而用差压式涡街质量流量计来计量注入稠油井中的蒸汽量,不用将蒸汽的密度计算出来,而仅仅将蒸汽密度作为一个在计算过程中的中间物理量,不参与最终结果的计算。这样就消除了蒸汽密度这个随时变化的量对蒸汽质量流量计量带来的影响,实现了蒸汽的直接测量。 
  差压式涡街流量计原理是利用差压传感器测量蒸汽通过涡街发生体后的压力变化及产生的压损,即为差压波动频率,也就是涡街频率。相比其他传感器,差压传感器检测涡街频率有以下优势:
(1)差压传感器独立于漩涡发生体,位于管道外面,易于维修和更换,具有较强的抗振性。
(2)实现了蒸汽质量流量直接测量,结构简单,不需温度、压力补偿,性能稳定。
(3)由于采用了差压检测技术,因此操作简便,易于实现。 

3、实现的可行性分析:
  依据流体力学原理,流体有旋涡产生的地方就会存在压力的变化,当产生的旋涡有一定的规律出现时,就会引起流场中拟定两点间差压的规则变化,其频率与旋涡频率一致。这一规律在实验中已得到了验证。
  Volker  Hans 等研究人员通过实验[3],利用微小压力探头(探头直径为 1.6  mm)测出了流体通过涡街发生体后,旋涡中心与低压区对应,并且涡街发生体周围压力分布与旋涡分布有对应关系;同时可以发现压力信号随旋涡呈现规律性的变化,如图 4 所示,压力波动频率与涡街频率对应。 
图 4  涡街体附近压力特性

图 4  涡街体附近压力特性 
  MIAU 等研究人员利用差压传感器测量涡街发生体前后的差压波动信号,并通过实验证实差压波动信号的频率与涡街频率存在一定的对应关系。由以上资料,并结合黄咏梅提出的差压检测技术及其他的蒸汽流量测量技术[4],说明用差压式涡街质量流量计对注汽井井口蒸汽进行计量的方法是可行的。 

4、结束语:
  从上面的分析看出,差压式涡街质量流量计克服了其他流量计不能直接测量蒸汽质量、对流体介质严格限制或者价格昂贵(如科里奥利质量流量计)等缺点,能够实现蒸汽质量的直接测量,这对于井口蒸汽质量流量的计量具有重要的意义。但涡街理论的研究多在均匀稳定流场中,但对于蒸汽管道,由于是两相流体,其内部流场存在不均匀的现象,且产生旋涡分离的规律与单相均匀流场中的旋涡分离有一定的差异性[5],因此希望更多的研究人员对两相流的涡街理论做更深入的研究。 

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