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(xù)相。在石油和天然氣工業(yè)中,經(jīng)常會(huì)有濕氣產(chǎn)生。石油工業(yè)要求濕氣的測量正確可靠。濕氣計(jì)量的最終目的是實(shí)現(xiàn)濕氣測量儀表或系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)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(biāo)準(zhǔn)儀表進(jìn)行組合對(duì)濕氣進(jìn)行測量,或直接用測量干氣的儀表對(duì)濕氣進(jìn)行測量，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行修正,其中修正值是通過實(shí)驗(yàn)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(jì)有孔板、文丘里管、渦輪、渦街和內(nèi)錐式流量計(jì)。在這些流量計(jì)中,孔板和文丘里管應(yīng)用廣泛，并已經(jīng)用于濕氣的計(jì)量,而對(duì)于其它幾種流量計(jì)在濕氣中應(yīng)用的報(bào)道還較少。
渦街流量計(jì)是--種速度式流量計(jì),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(gè)旋渦發(fā)生體,流體流過旋渦發(fā)生體時(shí)會(huì)在其兩側(cè)產(chǎn)生旋渦,旋渦產(chǎn)生的頻率與流體的流速成正比，通過檢測旋渦產(chǎn)生的頻率來達(dá)到檢測流體流速的目的。渦街流量計(jì)的測量精度--般能達(dá)到1.5%,量程比為10: 1。
渦街流量計(jì)已經(jīng)用于濕氣的測量。一款測量濕氣的儀表,由兩臺(tái)文丘里管與一臺(tái)渦街流量計(jì)組合來測量濕氣。目前提供渦街流量計(jì)在濕氣條件下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的文獻(xiàn)還較少，因此需要更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)渦街流量計(jì)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(huì)加大渦街流量傳感器的測量誤差。目前所查到的文獻(xiàn)主要集中在對(duì)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(duì)渦街流量計(jì)在濕氣條件下的測量值進(jìn)行修正。在油田現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室的濕氣條件下對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明液相含量的增加會(huì)明顯增加渦街流量計(jì)的測量誤差I(lǐng)2);W ashingon( 1991 )在油田現(xiàn)場的高壓條件 下對(duì)渦街流量計(jì)在濕氣中的工作情況進(jìn)行了研 究以水蒸汽作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對(duì)渦街流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,其中蒸汽為氣相，水為液相4;NEL實(shí)驗(yàn)室在不同的壓力下對(duì)渦街流量計(jì)測量濕氣的誤差進(jìn)行了研究。
從已有的文獻(xiàn)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(jì)測量濕氣時(shí)測量誤差的變化情況。本文通過實(shí)驗(yàn)確定了在常壓條件下,不同液相含率時(shí)渦街流量計(jì)對(duì)濕氣的測量誤差,并經(jīng)出了渦街信號(hào)品質(zhì)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(hào)變壞的原因。
2.實(shí)驗(yàn)裝置及方法低，
21實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)介質(zhì)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(shí)驗(yàn)管段。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。實(shí)驗(yàn)裝置由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、蓄水罐、分離罐流量計(jì)、壓力變送器、溫度變送器、工控機(jī)和各種閥門組成。
空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮后送入儲(chǔ)氣罐,流量計(jì)1測量氣液混合前儲(chǔ)氣罐送入管道的氣體流量。蓄水罐距離地面30m,提供實(shí)驗(yàn)所需的液相,其流量由流量計(jì)2測得。氣相和液相經(jīng)混合器混合后送入實(shí)驗(yàn)管段,最后流入分離罐將水和空氣進(jìn)行分離,空氣由放氣閥排出，水由水泵送回蓄水罐循環(huán)使用。工控機(jī)對(duì)所有儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示并對(duì)兩個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制,調(diào)節(jié)氣相和液相的流量。實(shí)驗(yàn)所用的渦街流量傳感器選擇了一臺(tái)應(yīng)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(shí)驗(yàn)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(jì).上游30D 的位置。
22實(shí)驗(yàn)方法.
實(shí)驗(yàn)過程中保持氣相流量為141 m³/h,對(duì)應(yīng)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(duì)不同液相含率下電荷放大器產(chǎn)生的正弦信號(hào)進(jìn)行采樣，,每次采樣10組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)有104個(gè)采樣點(diǎn),將得到的采樣點(diǎn)進(jìn)行傅里葉變換得到不同液相含率下渦街產(chǎn)生的頻譜,如圖2所示.
3液相含率對(duì)測量誤差的影響
31測量誤差分析
為了對(duì)渦街流量計(jì)的測量誤差進(jìn)行分析,首先在標(biāo)準(zhǔn)氣裝置上進(jìn)行標(biāo)定,得到了其斯特勞哈爾數(shù)為0. 291 ,那么流過它的流量值可用下式計(jì)算、
其中，Qt為實(shí)驗(yàn)段渦街流量計(jì)測得的流量值;為渦街脫落頻率; Sr為斯特勞哈爾數(shù); d為旋渦發(fā)生體截流面寬度; D為管道直徑。
渦街流量計(jì)測量誤差可由”下式計(jì)算:
其中:y為測量誤差;Qc.為流量計(jì)1見圖1)測得的.標(biāo)準(zhǔn)流量值。
表1為當(dāng)注入不同的液相流量時(shí)，渦街流量計(jì)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(jié)果其中Test為本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然不同研究者的實(shí)驗(yàn)條件相差較大,但通過表2仍可以總結(jié)出以下幾條規(guī)律:液相含率越大渦街測量誤差越大;管道內(nèi)壓力對(duì)測量結(jié)果影響比較大,壓力越大其測量誤差越小;實(shí)驗(yàn)介質(zhì)對(duì)測量誤差有影響。
3. 2斯特勞哈爾數(shù)的變化
誤差產(chǎn)生的原因是液相的加入使渦街流量計(jì)的斯特勞哈爾數(shù)Srav不再是-T個(gè)常數(shù)，而是隨著液相的增加而變化。將實(shí)驗(yàn)中不同液相含率下得到的Srav進(jìn)行了多項(xiàng)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(shù)平均值，sr的計(jì)算如式(3):
Sr=f.d/v???????????(3)
其中,f渦街脫落頻率;d旋渦發(fā)生體截流面寬度;v為平均流速。
4渦街信號(hào)品質(zhì)分析
4.1渦街信號(hào)的不確定度
采用式(5)對(duì)渦街頻率信號(hào)的不確定度進(jìn)行分析。
式中，f為10次測量結(jié)果的平均值,N為測量次數(shù),σ為不確定度,σ0為相對(duì)不確定度。在每個(gè)液相含率下測量10次。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。結(jié)果表明,液相的增加會(huì)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(dāng)測量干氣的時(shí)候,渦街流量傳感器的不確定度為0. 031%, 當(dāng)液相含率達(dá)到01092 2%時(shí)不確定度已經(jīng)達(dá)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(hào)的不確定度增大,因此對(duì)渦街流量傳感器進(jìn)行誤差修正時(shí)必須考慮液相對(duì)測量不確定度的影響。
4.2渦街信號(hào)質(zhì)量分析
用一個(gè)參數(shù)Sq來描述渦街頻率信號(hào)的品質(zhì)。
Sq定義如下:
式中: Ps為渦街頻率帶0. 96 f到1. 04 f范圍內(nèi)的能量,其中信號(hào)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(duì)Sq的定義有詳細(xì)說明。實(shí)驗(yàn)中利用這種方法得到了渦街頻率信號(hào)品質(zhì)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(fù),渦街頻率帶的能量開始小于其它頻率帶的能量,信號(hào)品質(zhì)將變得很差。
5實(shí)驗(yàn)分析
從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，少量的液相不但會(huì)使測量誤差變大,而且還會(huì)使渦街信號(hào)的品質(zhì)變差。對(duì)于這種現(xiàn)象可以從液滴對(duì)氣相的湍流調(diào)制的角度來解釋。圖6反映了當(dāng)氣相流過液滴時(shí)的情況,可以看出氣相流過液滴時(shí)會(huì)在液滴的后面產(chǎn)生尾流并且在尾流中產(chǎn)生速度梯度。，尾流及其引起的速度梯度會(huì)使流體中擾動(dòng)變大,進(jìn)而影響到渦街的產(chǎn)生, 通過實(shí)驗(yàn)證明擾動(dòng)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(nèi)壓力增加會(huì)抑制湍流度增加,因此提高管道內(nèi)壓力會(huì)降低測量誤差。渦街脫落時(shí)會(huì)帶動(dòng)液滴--起旋轉(zhuǎn),這樣就會(huì)減弱旋渦的強(qiáng)度,使渦街信號(hào)變?nèi)酢?
6結(jié)論
渦街流量計(jì)雖然已經(jīng)在單相流測量中得到了廣泛的應(yīng)用,但在濕氣條件下應(yīng)用時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多新的問題。通過以上的實(shí)驗(yàn)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(duì)于渦街頻率信號(hào)的品質(zhì)也會(huì)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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