应用分流分相法测量高压蒸汽-水两相流体的流量

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High Pressure Steam-water Two-phase Flow Measurement by Flow Division and Separation MethodTan Jianping，Sun Jin，Yu Yuzhu，Jing Xinglong(Xinjiang Hualong Oilfield Technology Co.Ltd.，Karamay，834000，China)Abstract：A method for high pressure steam-water two-phase flow measurement by flowdivision and separation is proposed.The flowrate of the steam-water mixture is metered bydiverting a small fraction(about 2 )of tota1 flow to a division loop，and the mixture divertedis separated into single-phase of steam and water flow with a small separator，the flow ismetered by single-phase flow meters respectively，and then the metered values are converted tototal flowrate according to the extraction ratio. The first equation of the extraction ratio isderived from the relation of flow resistances between the main loop and the division loop，andthe second equation of the extraction ratio is established by experiments.Experiments showthat this method is a reliable technique with flowrate measurement error less than±2.5 Y0，andmass quality measurement error less than-4-3.5Y0。

Key words：tWO-phase flow；flowrate measurement；flow division；separation蒸汽-水两相流计量在许多技术领域起着重要的基础作用，如核反应堆的安全研究、蒸汽驱原油生产、地热井操作等。传统的蒸汽-水两相流测量方法需要采用-个庞大的分离系统 ]，首先将蒸汽-水两相流分离成为单相的水和气，然后用传统 的单相流量计分别进行计量 ，最终再将这两股单相流体进行混合，此设备的建设成本以及运行成本都相当高。在近 4O年里 ，人们尝试了多种方法来测量蒸汽-水两相流。差压流量计 由于简单可靠 ，被广泛地应用于两相流计量 叫 ，然而差压流量计对于两相流的响应不但与质量流量有关 ，而且与流体的干度有关。

例如：在-定的流量下，流体干度越高，孔板所受到的差压就越大。因此 ，单相流量计不能够同时测量质量流量和干度，而需要与另-个测量设备联合才能完成此项工作。

文献[5]比较以及评价了四种不同的蒸汽-水两相流体质量流量测量技术：质量流量计、放射性示踪技术、靶式流量计-涡轮流量计组合体，文丘流管与涡轮流量计相结合的方法。文献[6]采用 5孔探针和化学示踪法测量大管径湿蒸汽流量；文献[7]采用伽马射线和皮托管组合方法测量蒸汽-水两相稿件收到日期：2012-10-11。

作者简介：谈建平，2008年毕业于新疆大学机械电子专业，硕士学位，长期从事油田自动化产品的研发以及稠油热采注汽计量分配等领域的研究，任工程师。

石油化工自动化 第 49卷流；文献E83采用放射性示踪法测量汽水两相流；文献E93应用酒精和苯甲酸钠分别作为蒸汽和水的示踪剂测量地热井的两相流流量。文献[10]研究了应用临界流文丘里喷嘴测量湿蒸汽流量；文献 [ -12]提出了临界流喷嘴和标准孔板组合式流量干度测量法 。

上述组合方法可以很好地在其相应的测量范围内工作。然而，如果超出范围，测量误差将急剧增大甚至导致仪器不能正常工作，造成这种较大的测量误差甚至测量失败的重要原因：两相流动-直处于剧烈波动中，波动是两相流固有的特征，它会使测量仪器变得不稳定和不可靠。然而，-些研究者却认为这是-种有用的信息，可用于测量流体的干度或者汽水两相流质量流量。文献[131采用孔板差压噪声法测量蒸汽-水混合物的质量流量。

虽然他们已部分获得了成功，但是还应进-步提高两相流测量技术，找到-种更可靠的测量方法。分流分离法(ESM)是-种新的两相流测量方法 ” ，其中只提韧分离总流量的-小部分(2 )流体，分离出来的单相流体被分别计量，计量后，这些流体重新返回到主管，流体的总流量由分流出来的单相计量结果以及分流系数确定。由于此方法只取出了总流体的-小部分进行分离，与传统分离方法比，分离筒尺寸大幅缩校为了确保提取样流体(或试样)可以充分代表总流体以及在-个广泛的流量条件下取样的稳定性，使用-个特殊的抽样方法 。

笔者的目的是开发-种针对高压蒸汽-水两相流体的新取样方法及相关装置，取样率进-步降低到 0.01～0.04，以便获得更加紧凑的测量装置。

文中详细推导了分流系数的函数关系式，并在稠油热采蒸汽驱直流锅炉上进行-系列的实验，以验证该方法的可靠性。

1 流体分流分离方法该方法已经申请中华人民共和国发明专利，专利号：201210348312.2。如图 1所示，分流和分离系统安装在水平蒸汽-水两相流管线上，在主管壁上有6个分流孔，其外是 1个收集环室，用以收集从分流孔流出来的流体。1个小的分离器与收集环室相连，在分离器顶部和底部分别安装了气体流量计和水流量计。气体流量计与水流量计的出口同时与节流装置相连，最终连接到主回路节流装置的下端。分流孔和收集环室如图 2所示 。

当主管内的蒸汽-水混合流体流过测量装置时，-小部分通过取样孔进入收集环室，将此部分流体在分离器内分离成单相的蒸汽和水。蒸汽从分离器顶部流出并通过蒸汽流量计进行计量，水流从分离器底部流出通过水流量计进行计量。计量后，蒸汽和水重新混合流过节流装置，然后通过主管节流装置的下端流回主回路。

全节流装置图 1 分流和分离系统示意总流量与分流量比例关系式：‰ - (1)式中：q --总蒸汽流量；q，.s-- -通过蒸汽流量计的蒸汽分流量；Ks--蒸汽分流系数。

q～ -式中： --总液相流量； ～ 通过水流量计的液相分流量；K -～液体分流系数。

从式(1)和式(2)可以看到，分流常数 K 和 K代表主回路流进取样回路的比例。如图2所示：主回路的流体是从主回路管壁附近流入取样嘲路的，在这里含水丰富，因而更多的水会进入分流回路，即 K >K ，这有利于在高干度条件下测量水的流量 。

到分回路图 2 分流孔和收集环室示意(A-A剖面)2 分流比例关系式(1)～(2)只是分流系数的定义式，K 与 K的实际值撒于分回路和主回路的相对阻力大校从图1中可以看到：分流回路与主回路呈并联关系口引，因而压力损失相同。

第 1期 谈建平等.应用分流分相法测量高压蒸汽-水两相流体的流量 39Ap -△p (3) 忽略 与 的微小差别，即： ： ，然式中：△ --主回路压力损失；Ap --分流回路压力损失。卸 和△ ∩以采用分相模型计算：/△ -/△ /△ ～ (4)、/△ -/△ 。 、/△ (5)式中：△ ，△ ～--蒸汽，水单独流过主回路时的压力损失；△ △ --蒸汽，水单独流过分流回路时的压力损失；0m， --主回路，分回路根据压力而变化的修正因子L4j。

根据流 体单相流动 时的压力损失计算 方法1 ，可以写出下列方程：： [ ∑ l∑ ]去( ) ㈣‰ ∑ ∑ ]去( )- 去∑ 去 qms， ㈣- 丢∑ ]去(等)㈣式中： ， --主回路、支回路达西摩擦因子；z--管长度；d ，d --主 管、支 管 内径；专m，--主管局部、支管局部损失系数； --水密度；P。--蒸汽密度；S ，S --主管、支管截面面积；q～--主回路蒸汽量；q- --主回路水量。

根据质量守恒定律，可以写出总流量与分流回路的流量关系式：q 。- g- q- (10)qm - g- qm (11)变后将式(4)～式(11)代人式(3)中，可以得到：Ko- 1-o( - )√告(去- )式中：K。--单相流的分流系数；X。--分流回路干度，可由实验或计算以下方程确定：- - 盍 --s √ ∑毒∑毫nSm√ ∑去∑(13)式(12)为阻力平衡方程，因为它从阻力关系中得到，此方程不能单独确定 K 和 K 的值，所以需补充另-个方程：K - - - 1 - (x。)‰ 十 qm A s 1- A s十 - -(1 4)式中：K --总分流系数。

实验装置示意如图3所示，实验装置水平安装在直流炉出口段。直流锅炉的进水量由变频器调节柱塞泵实现流量调节，通过标准孔板进行计量；锅炉输出的蒸汽干度通过微调天然气进入锅炉量取得。

锅炉输出干度计算公式：图3 实验装置示意x -半 ，式中：G--锅炉进水(软化水)电导率；C0--锅炉输出冷凝水的电导率，即采样分离器电导率，G与C0采用便携式电导率仪测量。在实验中，为保证锅炉的安全，最低干度调节到 6o ，最高干度为82%；流量4O 石油化工自动化 第 49卷范围为 2～8 t/h；压力范围为 7.6～l0.0 MPa；从图4可以看到，实验点主要位于段塞流、环状流和波浪流边界上。实验范围的流型如图4所示。

图 4 试验范围的流型示意注： ～ 蒸汽的折算流速；～ 水的折算流速4 结果讨论在开始两相流动实验前，先进行单相水实验，以确定 K。0.013 50。在第 2试验阶段，压力、蒸汽和水的分流系数由计算机自动记录，根据锅炉进水量以及锅炉输出蒸汽干度，分流系数可以根据式(1)和(2)计算得到。分流系数试验结果如图5所示，横轴表示式(12)的右边函数式，垂直轴表示式(12)的左边函数式。从图 5中可以看出，在不同流量条件下水平轴和垂直轴变量之间存在线性关系，所有的实验点都落在同-直线附近，即式(12)是正确的。从这些数据，也可以得到 -1.625 9。

在不同流量条件下 K 与 X 的关系如图 6所示，可以看出他们之间呈直线关系。利用这些数据可以按照式(14)确定 y(x )。

K - 0.022 18- 0.010 42X (16))√ (去 )图 5 取样 系数试验结果O图 6 K 与 X 关 系式蒸汽与水分流系数 K 和 K 可以通过式(12)，式(14)，式(16)确定，只要知道蒸汽分流量 q和水分流量 q 就可以计算出蒸汽与水流量 q 和 q或者总流量与总干度，q卅 和 ‰ ，见表 1所歹U。从表 1可以看到最大流量测量误差小于±2.5 ，最大干度测量误差小于±3.5 。水分流系数 K 是蒸汽分流系数K 的 4～6倍。

表 1 流量与干度测量结果第1期 谈建平等.应用分流分相法测量高压蒸汽-水两相流体的流量 41施耐德电气发布全新-代中压开关设备 PremsetTM近日，全球能效管理专家施耐德电气正式面向中国市场发布-款采用固体绝缘并屏蔽技术(2SIS)的开关设备--PremsetTM ，为中压配电领域带来重大技术革新。PremsetTM集合了 2SIS，三工位(合闸、隔离和接地)-体开关架构、智能通信等多重技术优势，大大提升了开关设备的可靠性、安全性、高效性和便捷性，将推动中压配电网运行管理迈上新台阶。

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