阅读说明：本技术 一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法 (Gas-liquid section plug flow online measurement method based on vertical Venturi tube ) 是由 贺登辉 赵琳 黄锐 张洁 郭鹏程 于 2020-04-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法,步骤1,竖直设置文丘里管,使气液段塞流竖直向上流经文丘里管,测量文丘里管内上游的段塞流压力、下游的段塞流温度和上游截面含气率；步骤2,由段塞流压力、段塞流温度获得气相和液相密度及液相粘度；步骤3,由截面含气率、气相和液相密度获得气液混合物密度；步骤4,由液相粘度、无量纲单相压降与液相雷诺数的关系、两相流压降乘子与截面含气率的关系得到液相表观流速,进而得到液相质量流量；步骤5,由液相表观流速、无量纲两相压降与气液相表观流速之比的关系,通过迭代获取气相表观流速,进而得到气相质量流量。本发明解决了现有技术中段塞流流量在线测量精度不高的问题。(The invention discloses a gas-liquid slug flow online measurement method based on a vertical Venturi tube, which comprises the following steps that 1, the Venturi tube is vertically arranged, so that gas-liquid slug flow vertically upwards flows through the Venturi tube, and the slug flow pressure at the upstream in the Venturi tube, the slug flow temperature at the downstream and the gas content of the upstream section are measured; step 2, obtaining gas phase and liquid phase density and liquid phase viscosity from slug flow pressure and slug flow temperature; step 3, obtaining the density of the gas-liquid mixture from the gas content of the cross section, the gas phase density and the liquid phase density; step 4, obtaining the apparent flow velocity of the liquid phase according to the relation among the viscosity of the liquid phase, the dimensionless single-phase pressure drop and the Reynolds number of the liquid phase and the relation among the two-phase flow pressure drop multiplier and the section gas fraction, and further obtaining the mass flow of the liquid phase; and 5, obtaining the gas phase apparent flow rate through iteration according to the relation between the liquid phase apparent flow rate, the dimensionless two-phase pressure drop and the gas-liquid phase apparent flow rate, and further obtaining the gas phase mass flow. The invention solves the problem of low accuracy of on-line measurement of the mid-section plug flow in the prior art.)

一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法

技术领域

本发明属于多相流测量技术领域，涉及一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法。

背景技术

段塞流是油气开采和输运过程中存在的一种典型流型。例如，在湿天然气管路和含低液量的气液混输管路中，在地形起伏作用等因素影响下，管道中极易出现气液两相段塞流现象。段塞流中的气泡直径接近于管径，为一段液一段气的流动结构，具有间歇性和不稳定性的特点，往往引起管路强烈的压力和持液率波动，影响流体正常输送和下游处理设备稳定性，同时加剧管路机械损伤和冲刷腐蚀的风险。段塞流的存在不仅不利于系统的正常运行，而且制约了油气的计量精度的提高，严重影响了海上油气资源的开采。传统的段塞流流量测量方法多采用气液分离器进行分离后，对气、液相流量进行单独计量，而已有的多相流流量测量方法也难以实现段塞流流量的在线精确测量，尚缺乏专门针对段塞流流量进行测量的方法。段塞流流量的在线测量已成为多相流测量领域的难点问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法，解决了现有技术中存在的段塞流流量在线测量精度不高的问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤1，竖直设置文丘里管，使气液段塞流竖直向上流经文丘里管，测量文丘里管内上游一端的段塞流压力P_TP、下游一端的段塞流温度T_TP和上游一端的段塞流截面含气率α_G；

步骤2，由段塞流压力P_TP、段塞流温度T_TP计算得到气体密度ρ_G、液体的密度ρ_L及液相粘度μ_L；

步骤3，根据段塞流截面含气率α_G、气体密度ρ_G和液体的密度ρ_L获得气液混合物密度ρ_TP；

步骤4，根据液相粘度μ_L、无量纲单相压降P*与液相雷诺数Re的关系、两相流压降乘子与截面含气率α_G的关系获取液相表观流速U_SL，进而得到液相质量流量m_L；

步骤5，根据液相表观流速U_SL、无量纲两相压降与气液相表观流速之比U^*的关系，通过迭代获取气相表观流速U_SG，进而得到气相质量流量m_G。

本发明的特点还在于，

步骤3中气液混合物密度ρ_TP的计算公式为：

ρ_TP＝ρ_Gα_G+ρ_L(1-α_G) (1)

步骤4中无量纲单相压降P*与液相雷诺数Re的关系为：

式中，ΔP_L0为液相单独流过文丘里管时的压降；U_SL为液相表观流速；a₁和b₁均为常数，液相雷诺数Re定义为Re＝ρ_LU_SLD/μ_L，其中，D为管道内径；

其中两相流压降乘子与截面含气率α_G的关系：

式中，ΔP_TP为气液两相流过文丘里管时的压降；a₂和b₂均为常数；

经联立公式(2)与(3)求解可得液相表观流速U_SL的值，进一步通过公式(4)可求得液相质量流量m_L：

m_L＝πD²ρ_LU_SL/4 (4)

步骤5中无量纲两相压降与气液相表观流速之比U^*的关系为：

式中，U_SG为气相表观流速；U^*为气液相表观流速之比，U^*＝U_SG/U_SL；a₃和b₃均为常数；

将步骤4获得的液相表观流速U_SL代入到公式(5)中，通过迭代即可获得气相表观流速U_SG，进而通过公式(6)得到气相质量流量m_G：

m_G＝πD²ρ_GU_SG/4 (6)

本发明的有益效果是

一、本发明通过竖直布置文丘里管，采集段塞流流过文丘里管的压力、温度和差压，结合截面含气率测量装置获得的截面含气率，即可计算得到段塞流气液两相流量。

二、本发明可通过方程联立直接获得液相流量，无需迭代，且不需与气相方程进行耦合求解，避免了由于误差传递导致的求解误差增大以及多解无解情况的出现，具有计算简便、实时性好、精度高、系统简单等优点。

附图说明

图1是本发明一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法的流程图；

图2是本发明一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法中的气液段塞流流量在线测量系统的示意图。

图中，1.文丘里管，2.截面含气率测量装置，3.压力传感器，4.高压取压孔，5.温度传感器，6.差压传感器，7.低压取压孔，8.信号采集及处理装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于竖直文丘里管的气液段塞流流量在线测量方法，如图1，具体步骤为：

步骤1，竖直设置文丘里管1，使气液段塞流竖直向上流经文丘里管1，测量文丘里管1内上游一端的段塞流压力P_TP、下游一端的段塞流温度T_TP和上游一端的段塞流截面含气率α_G；

步骤2，由段塞流压力P_TP、段塞流温度T_TP计算得到气体密度ρ_G、液体的密度ρ_L及液相粘度μ_L；

步骤3，根据段塞流截面含气率α_G、气体密度ρ_G和液体的密度ρ_L获得气液混合物密度ρ_TP；气液混合物密度ρ_TP的计算公式为：

ρ_TP＝ρ_Gα_G+ρ_L(1-α_G) (1)

步骤4，根据液相粘度μ_L、无量纲单相压降P*与液相雷诺数Re的关系、两相流压降乘子与截面含气率α_G的关系获取液相表观流速U_SL，进而得到液相质量流量m_L；

步骤5，根据液相表观流速U_SL、无量纲两相压降与气液相表观流速之比U^*的关系，通过迭代获取气相表观流速U_SG，进而得到气相质量流量m_G。

步骤4具体的为：

其中无量纲单相压降P*与液相雷诺数Re的关系为：

式中，ΔP_L0为液相单独流过文丘里管时的压降；U_SL为液相表观流速；a₁和b₁均为常数，液相雷诺数Re定义为Re＝ρ_LU_SLD/μ_L，其中，D为管道内径；

其中两相流压降乘子与截面含气率α_G的关系：

式中，ΔP_TP为气液两相流过文丘里管时的压降；a₂和b₂均为常数；

经联立公式(2)与(3)求解可得液相表观流速U_SL的值，进一步通过公式(4)可求得液相质量流量m_L：

m_L＝πD²ρ_LU_SL/4 (4)

步骤5具体的为：

无量纲两相压降与气液相表观流速之比U^*的关系为：

式中，U_SG为气相表观流速；U^*为气、液相表观流速之比，U^*＝U_SG/U_SL；a₃和b₃均为常数；

将步骤4获得的液相表观流速U_SL代入到公式(5)中，通过迭代即可获得气相表观流速U_SG，进而通过公式(6)得到气相质量流量m_G：

m_G＝πD²ρ_GU_SG/4 (6)

上述常数a₁、b₁、a₂、b₂、a₃、b₃均通过气液两相流实验系统标定获得，其取值由文丘里管的结构、来流工况等参数决定，若采用节流比为0.55，管道内径为32的标准文丘里管实现上述方法，通过气液两相流实验系统标定得a₁＝381.3，b₁＝0.51，a₂＝1，b₂＝0.883，a₃＝16.49，b₃＝11.504。

上述方法可以通过气液段塞流流量在线测量系统完成，如图2，气液段塞流流量在线测量系统包括文丘里管1，文丘里管1的上游一端设置有截面含气率测量装置2，文丘里管1的下游一端上设置有压力传感器3，文丘里管1的一端与最小截面之间设置有差压传感器6，文丘里管1的另一端设置有温度传感器5，压力传感器3、差压传感器6和温度传感器5均与信号采集及处理装置8连接；文丘里管1的一端上开有高压取压孔4，高压取压孔4与压力传感器3相连；文丘里管1的最小截面处开有低压取压孔7，差压传感器6的高压端和低压端分别连接高压取压孔4与低压取压孔7；

其中压力传感器3用于测量文丘里管上游一端的段塞流压力P_TP，温度传感器5用于测量文丘里管下游一端段塞流温度T_TP，截面含气率测量装置2用于测量文丘里管上游一端段塞流截面含气率α_G，差压传感器6用于测量流体流经文丘里管的压降。

综上所述，本发明避免了由于误差传递导致的求解误差增大以及多解无解情况的出现，具有计算简便、实时性好、精度高、系统简单等优点。