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    渦街流量傳感器用于濕氣計量的實驗研究
    發布時間:2021-6-30 09:03:24

    1前言
      濕氣是由氣體與液體混合而成的--種兩相流,其中液相體積占一-小部分為離散相,氣相體積占到絕大部分為連續相。在石油和天然氣工業中,經常會有濕氣產生。石油工業要求濕氣的測量準確可靠。濕氣計量的最終目的是實現濕氣測量儀表或系統能夠實時檢測出濕氣中液相和氣相的含量。
      目前濕氣測量的常用方法是將幾種測量干氣的標準儀表進行組合對濕氣進行測量,或直接用測量干氣的儀表對濕氣進行測量,并對測量結果進行修正,其中修正值是通過實驗來確定的。多種儀表者被推薦用于濕氣的測量,目前用到的流量計有孔板、文丘里管、渦輪、渦街和內錐式流量計。在這些流量計中,孔板和文丘里管應用最為廣泛,并已經用于濕氣的計量,而對于其它幾種流量計在濕氣中應用的報道還較少。
      渦街流量計是--種速度式流量計,利用旋渦脫落原理制成。其具體檢測方法是:在流體中放置一個旋渦發生體,流體流過旋渦發生體時會在其兩側產生旋渦,旋渦產生的頻率與流體的流速成正比,通過檢測旋渦產生的頻率來達到檢測流體流速的目的。渦街流量計的測量精度--般能達到1.5%,量程比為10: 1。
      渦街流量計已經用于濕氣的測量。一款測量濕氣的儀表,由兩臺文丘里管與一臺渦街流量計組合來測量濕氣。目前提供渦街流量計在濕氣條件下實驗數據的文獻還較少,因此需要更多的實驗數據對渦街流量計在濕氣條件下的工作情況作深入分析。
    濕氣中液相的存在會加大渦街流量傳感器的測量誤差。目前所查到的文獻主要集中在對測量誤差的研究上,研究者記錄了不同工況條件下不同液相含率造成渦街流量傳感器測量誤差范圍,以便對渦街流量計在濕氣條件下的測量值進行修正。在油田現場和實驗室的濕氣條件下對渦街流量計進行了實驗,實驗結果表明液相含量的增加會明顯增加渦街流量計的測量誤差I2);W ashingon( 1991 )在油田現場的高壓條件 下對渦街流量計在濕氣中的工作情況進行了研 究以水蒸汽作為實驗介質對渦街流量計進行了實驗研究,其中蒸汽為氣相,水為液相4;NEL實驗室在不同的壓力下對渦街流量計測量濕氣的誤差進行了研究。
      從已有的文獻看,以往的研究工作主要集中在觀測不同工況下渦街流量計測量濕氣時測量誤差的變化情況。本文通過實驗確定了在常壓條件下,不同液相含率時渦街流量計對濕氣的測量誤差,并經出了渦街信號品質隨液相含率的變化趨勢,最后討論了造成渦街流量傳感器在濕氣測量中誤差增大和信號變壞的原因。
    2.實驗裝置及方法低,
    21實驗裝置
      實驗介質由已測定流量的空氣和水組成,其中空氣為氣相,水為液相,分別送入管道混合成濕氣送入實驗管段。實驗裝置如圖1所示。實驗裝置由空氣壓縮機、儲氣罐、蓄水罐、分離罐流量計、壓力變送器、溫度變送器、工控機和各種閥門組成。
     
      空氣壓縮機將空氣壓縮后送入儲氣罐,流量計1測量氣液混合前儲氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m,提供實驗所需的液相,其流量由流量計2測得。氣相和液相經混合器混合后送入實驗管段,最后流入分離罐將水和空氣進行分離,空氣由放氣閥排出,水由水泵送回蓄水罐循環使用。工控機對所有儀表數據進行采集和顯示并對兩個電動調節閥進行控制,調節氣相和液相的流量。實驗所用的渦街流量傳感器選擇了一臺應用最多的壓電式渦街流量傳感器,其口徑為50 mm,在普通氣體流量實驗裝置.上測試,其精度為1. 5%。將渦街傳感器放置在水平直管段上,其上、下游直管段長度分別為30D (管道直徑)和20D。 壓力變送器和溫度變送器分別放在渦街流量傳感器上游1D和下游10D的位置。水在渦街流量傳感器.上游70D 處注入,混合器安裝在渦街流量計.上游30D 的位置。
    22實驗方法.
      實驗過程中保持氣相流量為141 m³/h,對應的流速為20 m/s, 管道中液相體積含率分別為:0.0106%、0.0213%、0.0355%、0.0496%、0.0638%、0.0780%、0.0922%。
      以5000 Hz的頻率對不同液相含率下電荷放大器產生的正弦信號進行采樣,,每次采樣10組數據,每組數據有104個采樣點,將得到的采樣點進行傅里葉變換得到不同液相含率下渦街產生的頻譜,如圖2所示.
     
    3液相含率對測量誤差的影響
    31測量誤差分析
      為了對渦街流量計的測量誤差進行分析,首先在標準氣裝置上進行標定,得到了其斯特勞哈爾數為0. 291 ,那么流過它的流量值可用下式計算、
     
      其中,Qt為實驗段渦街流量計測得的流量值;為渦街脫落頻率; Sr為斯特勞哈爾數; d為旋渦發生體截流面寬度; D為管道直徑。
      渦街流量計測量誤差可由”下式計算:
     
      其中:y為測量誤差;Qc.為流量計1見圖1)測得的.標準流量值。
      表1為當注入不同的液相流量時,渦街流量計的測量誤差。Qj,表示注入的液體流量,P、為液相含率,E,為測量誤差。從表中可以很明顯地看出,液相流量的增加,使渦街流量讓的測量誤差增加。
     
      為了更好地比較不同工況下渦街流量傳感器測量誤差的變化,表2列出了不同研究者的研究結果其中Test為本次實驗結果。雖然不同研究者的實驗條件相差較大,但通過表2仍可以總結出以下幾條規律:液相含率越大渦街測量誤差越大;管道內壓力對測量結果影響比較大,壓力越大其測量誤差越小;實驗介質對測量誤差有影響。
     
    3. 2斯特勞哈爾數的變化
      誤差產生的原因是液相的加入使渦街流量計的斯特勞哈爾數Srav不再是-T個常數,而是隨著液相的增加而變化。將實驗中不同液相含率下得到的Srav進行了多項式擬合,擬合曲線如圖3所示,最大擬和誤差為0. 858%。其中Srav為10 次測量得到Si的算術平均值,sr的計算如式(3):
    Sr=f.d/v???????????(3)
      其中,f渦街脫落頻率;d旋渦發生體截流面寬度;v為平均流速。
     
    4渦街信號品質分析
    4.1渦街信號的不確定度
      采用式(5)對渦街頻率信號的不確定度進行分析。
     
      式中,f為10次測量結果的平均值,N為測量次數,σ為不確定度,σ0為相對不確定度。在每個液相含率下測量10次。
      實驗結果如圖4所示。結果表明,液相的增加會影響渦街脫落頻率的不確定度,從圖4可以看出隨著液相含率不斷的增加,渦街脫落頻率的不確定度也隨之變差。當測量干氣的時候,渦街流量傳感器的不確定度為0. 031%, 當液相含率達到01092 2%時不確定度已經達到1. 58% ,增長了將近51倍,可見液相的存在使渦街流量傳感器測量信號的不確定度增大,因此對渦街流量傳感器進行誤差修正時必須考慮液相對測量不確定度的影響。
     
    4.2渦街信號質量分析
      用一個參數Sq來描述渦街頻率信號的品質。
    Sq定義如下:
     
      式中: Ps為渦街頻率帶0. 96 f到1. 04 f范圍內的能量,其中信號能量通過譜分析獲得。R為總能量減去Ps后的能量。如果Sq為正,則渦街頻率帶的能量大于其它頻帶的能量。在M iau's l和Pankan in'的文章中對Sq的定義有詳細說明。實驗中利用這種方法得到了渦街頻率信號品質隨液相含率變化的情況,如圖5所示。Sq總的變化趨勢是隨著液相含率的增加而迅速減小,在液相含率大于0106%后s由正變負,渦街頻率帶的能量開始小于其它頻率帶的能量,信號品質將變得很差。
     
    5實驗分析
      從實驗結果來看,少量的液相不但會使測量誤差變大,而且還會使渦街信號的品質變差。對于這種現象可以從液滴對氣相的湍流調制的角度來解釋。圖6反映了當氣相流過液滴時的情況,可以看出氣相流過液滴時會在液滴的后面產生尾流并且在尾流中產生速度梯度。,尾流及其引起的速度梯度會使流體中擾動變大,進而影響到渦街的產生, 通過實驗證明擾動的增加更有利于渦街的脫落,這樣就增大了測量誤差。管道內壓力增加會抑制湍流度增加,因此提高管道內壓力會降低測量誤差。渦街脫落時會帶動液滴--起旋轉,這樣就會減弱旋渦的強度,使渦街信號變弱。

     
    6結論
      渦街流量計雖然已經在單相流測量中得到了廣泛的應用,但在濕氣條件下應用時會出現許多新的問題。通過以上的實驗研究表明,濕氣條件下,液柞含率的增加不只是影響渦街脫落頻率從而使測量精度下降,而且對于渦街頻率信號的品質也會有直按影響,這種影響隨著液相含率的增加而增加。

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