基于黏性流體的氣泡模型，以空氣－水為介質(zhì)，對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用于空氣－水兩相流流量計(jì)量的方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。根據(jù)密度降對(duì)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的混合密度進(jìn)行修正，得到兩相流的含氣率；根據(jù)氣泡模型對(duì)測(cè)得的質(zhì)量流量進(jìn)行修正。當(dāng)含氣率小于８％時(shí)，修正后氣液兩相混合流體的密度相對(duì)誤差在２％以內(nèi)。修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差小于修正前的相對(duì)誤差。該方法避開了對(duì)滑脫速度、干度等復(fù)雜關(guān)系的分析，為含氣率較低時(shí)兩相流質(zhì)量流量的準(zhǔn)確測(cè)量提供了一種較好的解決方法。

0.引 言

石油石化氣、液兩相在流動(dòng)過程中相互作用，分相流量的檢測(cè)難度很大。大多油田采用分離計(jì)量法計(jì)量原油的分相流量。這種方法氣液分離效果較差，往往在液相中混有一定量的氣體；混有的氣體對(duì)液相流量的計(jì)量精度有很大影響，也影響氣體流量的準(zhǔn)確測(cè)量。氣液兩相流的動(dòng)態(tài)特性比較復(fù)雜，導(dǎo)致氣液兩相流流量的準(zhǔn)確計(jì)量存在很大難度。

科氏流量計(jì)能夠測(cè)量單相流體的質(zhì)量流量，在測(cè)量氣液兩相流時(shí)不準(zhǔn)確，產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，在很大程度上限制了科氏流量計(jì)在石油等行業(yè)中的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，但科氏流量計(jì)測(cè)量氣液兩相介質(zhì)參數(shù)時(shí)誤差仍然較大，中國(guó)還沒有成熟的應(yīng)用于兩相流參數(shù)計(jì)量的流量計(jì)。本文利用黏性流體氣泡模型對(duì)科氏流量計(jì)測(cè)得的質(zhì)量流量和密度進(jìn)行修正，以減小科氏流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流的誤差。

１.實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)石油大學(xué)（華東）多相流試驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為水、壓縮空氣。實(shí)驗(yàn)裝置如圖１所示。１號(hào)質(zhì)量流量計(jì)為高準(zhǔn)１００Ｍ３２９型科氏流量計(jì)，氣體流量計(jì)為孔板流量計(jì)；２號(hào)（科氏）質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量不同含氣率下氣液兩相流的質(zhì)量流量、密度等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)中，液相流量３．５～１６ｍ３／ｈ，氣相流量０．０７～２．５ｍ３／ｈ，表壓０．２５～０．４ＭＰａ。

在實(shí)驗(yàn)介質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)中，水由泵泵送，經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后，經(jīng)１號(hào)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量后送入混合器。單相氣體經(jīng)空氣壓縮機(jī)壓縮，再經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)壓后，經(jīng)氣體流量計(jì)計(jì)量后送入混合器。氣體流量計(jì)為不同口徑的孔板流量計(jì)，針對(duì)不同實(shí)驗(yàn)工況采用不同口徑孔板流量計(jì)計(jì)量氣體流量。氣液兩相經(jīng)混合器均勻混合后，沿一段長(zhǎng)約３５４ｍ，直徑約８１ｍｍ 的管道流動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)道測(cè)試。實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)置了末點(diǎn)處理系統(tǒng)，以測(cè)量流體是否進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。在實(shí)驗(yàn)環(huán)道，由２號(hào)質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量氣液兩相流瞬時(shí)質(zhì)量流量、混合密度和溫度。在實(shí)驗(yàn)環(huán)道內(nèi)，環(huán)道水平安裝，２號(hào)科氏質(zhì)量流量計(jì)垂直于環(huán)道安裝。***后，氣液兩相流經(jīng)氣液分離器分離，氣體排空，水返回水箱。

圖２為氣液兩相流混合液流經(jīng)科氏傳感器的示意圖。在圖２中，驅(qū)動(dòng)裝置使科氏力傳感器測(cè)量管以固定頻率進(jìn)行振動(dòng)。測(cè)量管的兩側(cè)有檢測(cè)線圈及其磁鐵構(gòu)成的左右檢測(cè)器。當(dāng)測(cè)量管中有介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，檢測(cè)器檢測(cè)到流動(dòng)與振動(dòng)耦合作用導(dǎo)致的附加位移，此附加位移與測(cè)量管中介質(zhì)的質(zhì)量流量有關(guān)，因此可通過測(cè)量此附加位移計(jì)算測(cè)量管中介質(zhì)的質(zhì)量流量。當(dāng)含氣介質(zhì)在測(cè)量管中流動(dòng)時(shí)，測(cè)得的質(zhì)量流量瞬時(shí)變化。

２.氣泡模型

Ｈｅｍｐ等提出了黏性流體的氣泡模型，該模型綜合考慮氣相速度和流體黏性，指出：

（１）對(duì)于黏度為０的流體質(zhì)量流量測(cè)量誤差為

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在大部分兩相流工況下，氣相的存在使得科氏流量計(jì)不能準(zhǔn)確測(cè)量液相質(zhì)量流量。本文對(duì)質(zhì)量流量計(jì)測(cè)得的混合密度進(jìn)行修正，再結(jié)合兩相流的含氣率，根據(jù)氣泡模型對(duì)測(cè)得的質(zhì)量流量進(jìn)行修正。

氣液兩相流混合密度為修正前后的兩相流密度相對(duì)誤差見圖４。圖４中，修正后氣液兩相混合流體的密度相對(duì)誤差明顯變小，且保持在２％以內(nèi)；密度降小于６％的氣液兩相流基本為泡狀流型，氣體呈細(xì)小的泡沫狀流動(dòng)，且較均勻分布在測(cè)量管中，細(xì)小氣泡的存在使得氣液兩相流的密度略小于液相密度。當(dāng)泡狀流態(tài)的兩相流流經(jīng)科氏傳感器檢測(cè)元件時(shí)，產(chǎn)生的力矩偏小，傳感器左右檢測(cè)信號(hào)的相位差也偏小，導(dǎo)致科氏質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量流量和密度測(cè)量出現(xiàn)誤差。但由于氣泡較小且分布均勻，因此該誤差較小。當(dāng)密度降大于６％時(shí)，出現(xiàn)較大的非均勻分布的大氣泡，當(dāng)密度降大于１０％時(shí)，出現(xiàn)段塞流型，氣液兩相流密度減小，此時(shí)，流體作用在傳感器檢測(cè)元件處的力矩變化較大，導(dǎo)致質(zhì)量流量和密度測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。將測(cè)量密度修正為真實(shí)密度有助于改善質(zhì)量流量的測(cè)

4.結(jié) 論

（１）利用黏性流體氣泡模型對(duì)科氏流量計(jì)應(yīng)用于氣水兩相流計(jì)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。泡狀流態(tài)的兩相流流經(jīng)科氏傳感器檢測(cè)元件時(shí)，科氏質(zhì)量流量計(jì)的質(zhì)量流量和密度測(cè)量誤差較小，段塞流型的氣液兩相流密度偏小，質(zhì)量流量和密度測(cè)量出現(xiàn)較大誤差。

（２）修正后氣液兩相混合流體的密度相對(duì)誤差明顯變小，誤差在２％以內(nèi)。當(dāng)空隙率較小時(shí)，修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差主要分布在２％以內(nèi)，修正效果較好。當(dāng)空隙率較大時(shí)，科氏流量計(jì)測(cè)量管拾振信號(hào)小，噪聲大，對(duì)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，修正效果較差。

（３）在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，修正后的質(zhì)量流量相對(duì)誤差均好于修正前的相對(duì)誤差。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本文密度修正關(guān)系適用的工況有限。