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橫河渦街流量計(jì)測量油水兩相流流量
在石油行業(yè)，經(jīng)常會遇到油和水兩相混合流動的現(xiàn)象[1-3]，開展油水兩相流流量的測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)用于兩相流量測量取得了較大進(jìn)展，如差壓式流量計(jì)、Coriolis流量計(jì)等。橫河渦街流量計(jì)[4]因其具有輸出與流體流量成正比的脈沖信號，對被測流體壓力、溫度、黏度和組分變化不敏感，可測量液體、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[5-7]。在油水兩相流方面研究甚少，僅SKEA[8]應(yīng)用多種單相流量計(jì)測量水平管內(nèi)油水兩相流流量的研究中提及渦街流量計(jì)，但未對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

本文應(yīng)用渦街流量計(jì)對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，分析了不同兩相流量、含油率對儀表系數(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 單相橫河流渦街流量計(jì)測量原理

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)生的非對稱的渦街，其頻率與流體平均流速成正比，因此通過檢測渦街的頻率，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f，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[9]：

在石油行業(yè)，經(jīng)常會遇到油和水兩相混合流動的現(xiàn)象[1-3]，開展油水兩相流流量的測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)用于兩相流量測量取得了較大進(jìn)展，如差壓式流量計(jì)、Coriolis流量計(jì)等。橫河渦街流量計(jì)[4]因其具有輸出與流體流量成正比的脈沖信號，對被測流體壓力、溫度、黏度和組分變化不敏感，可測量液體、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[5-7]。在油水兩相流方面研究甚少，僅SKEA[8]應(yīng)用多種單相流量計(jì)測量水平管內(nèi)油水兩相流流量的研究中提及渦街流量計(jì)，但未對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

本文應(yīng)用渦街流量計(jì)對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，分析了不同兩相流量、含油率對儀表系數(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 單相橫河流渦街流量計(jì)測量原理

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)生的非對稱的渦街，其頻率與流體平均流速成正比，因此通過檢測渦街的頻率，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f，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[9]：

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，流入油水混合器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)自動采集控制系統(tǒng)完成。實(shí)驗(yàn)用渦街流量計(jì)內(nèi)徑為50mm，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NI26009數(shù)據(jù)采集卡對渦街信號進(jìn)行采樣并輸入計(jì)算機(jī)存儲，采樣頻率為1000Hz，采樣時(shí)間為30s。

實(shí)驗(yàn)中油水兩相混合流量Qvm=5～11m3/h，體積含油率β=5%～40%。實(shí)驗(yàn)過程為：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%開始，以5%為步長，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#白油和自來水。實(shí)驗(yàn)在常溫下進(jìn)行，15#白油密度ρo=856kg/m3，動力黏度μo=14×10-3Pa·s;水的密度ρw =998.2 kg/m3,動力黏度μw = 1.002 ×10-3 Pa·s。

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特性，同時(shí)也影響著流量參數(shù)的準(zhǔn)確測量，因此，在實(shí)驗(yàn)過程中對流型進(jìn)行了識別，確定為水包油流型。

為了對比驗(yàn)證，將實(shí)驗(yàn)所用油相、水相流量折算為表觀油流速Vso、表觀水流速Vsw，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[10]基于擊碎聚合機(jī)理性模型轉(zhuǎn)換成的流型辨識圖（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），說明本文識別出的流型與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，流型越來越靠近水包油擾動流區(qū)

5 結(jié)論

本文應(yīng)用渦街流量計(jì)對垂直上升管內(nèi)油水兩相流總體積流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測量，流量范圍5～11m3/h，含油率為5%～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)相對誤差小于4%，表明利用渦街流量計(jì)測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)，油水兩相混合流動中存在穩(wěn)定的兩相渦街；兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差隨含油率增加有變大趨勢，隨混合流量增大有減小趨勢。

油水兩相雷諾數(shù)為2×104～5×104內(nèi)時(shí)，兩相斯特勞哈爾數(shù)相對誤差小于1%，可視為常數(shù)；兩相雷諾數(shù)在0.5×104～2×104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。