1 前言

      油水兩相流廣泛存在于石油、化學(xué)等工業(yè)中，兩種互不相溶的流體在管線中流動(dòng)時(shí)，其流動(dòng)機(jī)理相當(dāng)復(fù)雜。一般說來，每相的真實(shí)速度并不相同，通常也不對應(yīng)于入口時(shí)的速度。這種各相之間速度的差異，就會(huì)導(dǎo)致一相的積聚，使得持水率與含水率之間并不相同。利用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)對油水混合物的流量、含水率進(jìn)行測量及分析，國內(nèi)外部分研究者^[1-3]等為此進(jìn)行過這方面的研究，但還不成熟和完善，特別是是針對含水率與持水率之間的變化關(guān)系只是進(jìn)行了定性的分析，所以有待進(jìn)一步研究。

      本文通過實(shí)驗(yàn)與分析相結(jié)合的方法，力求在不同流量下，對含水率與持水率之間做定量的分析。

      2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

      實(shí)驗(yàn)回路如圖1所示，主要由供水回路、供油回路兩部分組成（供氣回路已關(guān)閉）。實(shí)驗(yàn)流程如下：20#機(jī)油從油箱2由油泵3抽出，經(jīng)橢圓齒輪流量計(jì)及Coriolis質(zhì)量流量計(jì)13計(jì)量后，流入油水混合器14；水從水箱6中由潛水泵7抽出并經(jīng)渦街流量計(jì)11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)長約10m的發(fā)展段，然后進(jìn)入測量段中的Coriolis質(zhì)量流量計(jì)15及流型觀察段，最后油水兩相流體經(jīng)分離器5分離后，水、油分別返回水箱和油箱。

      在實(shí)驗(yàn)中，油路中是相對穩(wěn)定的W/O乳化物，用SYD-260石油水分測定儀對其含水率進(jìn)行測定，并與通過質(zhì)量流量計(jì)所測得的密度而換算出來的含水率進(jìn)行對比，證明兩者能很好地吻合。為了消除氣泡給測量帶來的影響，回路中使用潛水泵給水，水路中使用的渦街流量計(jì)在使用前也用稱重法進(jìn)行了標(biāo)定。

      實(shí)驗(yàn)中水路、油路的流量及密度、測量段中油水混合物的流量及密度采用EVOC812PG數(shù)據(jù)采集板進(jìn)行采集并輸入計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，采樣頻率為1kHz。實(shí)驗(yàn)工質(zhì)：20#機(jī)油和自來水；實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍：入口含水率X＝0.1～0.9，流量Q_m＝1.2～4.2m³/h。常溫下，利用密度計(jì)測得20#機(jī)油的密度為868.5 kg/m³，水的密度為1000kg/m³。

      3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

      由油泵送入實(shí)驗(yàn)回路的工質(zhì)并非純油，而是相對穩(wěn)定的油包水乳化物，其性質(zhì)穩(wěn)定，即使在靜止?fàn)顟B(tài)下很長時(shí)間也不能分離。所以在數(shù)據(jù)處理過程中，把這種油包水乳化物看成一相處理，把由潛水泵送入到實(shí)驗(yàn)回路的單質(zhì)水看成另一相。

      3.1 油水兩相流質(zhì)量流量的測量分析

      流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)，使振動(dòng)管產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)，結(jié)合在管中流動(dòng)的流體的動(dòng)量，就會(huì)產(chǎn)生Coriolis應(yīng)力，Coriolis應(yīng)力導(dǎo)致每根振動(dòng)管發(fā)生扭曲，這種扭曲正比于流體的質(zhì)量流量。由于在扭曲運(yùn)動(dòng)中，振動(dòng)管的其中一個(gè)管腳滯后于另一個(gè)管腳，利用精密電路及高頻晶體控制時(shí)鐘，變送器測出左右傳感信號(hào)之間的時(shí)間間隔，從而確定質(zhì)量流量。圖2為質(zhì)量流量隨入口含水率的變化關(guān)系，從圖我們可以看出，在入口含水率X_ω＝0.1～0.9、流量Q_m＝1.2～4.2m³/h的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，利用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)測量油水兩相流的質(zhì)量流量的誤差都很小，一般都在±0.5%，最大測量誤差為1%。這說明利用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)測量油水兩相流的質(zhì)量流量可以滿足工程需要，精度較高。

      3.2 含水率的測量分析

      通過如下計(jì)算式求得實(shí)驗(yàn)段中油水兩相流的持水率：

      入口含水率通過如下計(jì)算式求得：

      式（1）、（2）中，a_ω為持水率，X_ω為含水率，ρ_m 為混合物真實(shí)密度，ρ_o為油的密度，ρ_ω為水的密度，Q_ω為水相的體積流量，Q_o為油相的體積流量。

      從圖3可以看出，在含水率為0.1～0.9、流量為1.2～4.2m³/h的范圍內(nèi)，含水率并不等于持水率。同一流量下，隨著持水率的增加，持水率與含水率之間的差值先增大然后減小，可以得出結(jié)論：在水包油（持水率較小時(shí)）或油包水（持水率較大時(shí)）狀態(tài)時(shí)，油水之間的滑脫較小，持水率與含水率近似相等。并且隨著流量的增大，同一持水率下，含水率與持水率之間的差值逐漸減小。

      為了得出不同流量下含水率隨持水率的變化關(guān)系，這里引入一個(gè)無量綱的速度比λ^[4]。定義為油水兩相流的滑脫速度與混合速度之比
     

      即

      式（3）中，V_ω、V_o及V_sω、V_so分別為水相、油相的速度及折算速度，易導(dǎo)出下列關(guān)系式：

      從該式可以看出，當(dāng)含水率為0或1時(shí)，持水率也分別為0或1，滿足理論關(guān)系。利用該式對不同混合流速下的油水兩相流中含水率與持水率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，具體見表1。

表1 不同混合流量下的λ值及計(jì)算誤差比較

      X_i，X_ci分別為實(shí)際的含水率及利用擬合公式計(jì)算的含水率。α_i為質(zhì)量流量計(jì)測出的持水率。從表1我們可以看出，隨著流量的增大，λ逐漸減小，這從式（3）不難分析，流量增大式中分母變大，使得λ減小。而且通過式（4）擬合后求得的含水率比簡單地用持水率等于含水率，其誤差要小很多。對于其他流量下，含水率的計(jì)算可以通過插值的方法求出相應(yīng)流量下的λ值，然后代入式（4）求得含水率。

      4 結(jié)論

      （1）在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，Coriolis質(zhì)量流量計(jì)能精確測量油水兩相流體的質(zhì)量流量，測量誤差在±0.5%以內(nèi)。
      （2）同一流量下，油水兩相流在水包油（持水率較小時(shí)）或油包水（持水率較大時(shí)）狀態(tài)時(shí)，油水之間的滑脫較小，持水率與含水率近似相等。并且隨著流量的增大，同一持水率下，含水率與持水率之間的差值逐漸減小。
      （3）通過引入一個(gè)無量綱的速度比λ，可以得出不同流量下含水率與持水率之間的函數(shù)關(guān)系式，在持水率在10%～90%的范圍內(nèi)，該式的計(jì)算誤差小于3%。

      參考文獻(xiàn)

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