摘要：为了考察涡街流量计在油水两相流中的测量特性，在内径为50 mm的垂直上升管道内，对不同混合流量、含油率下的涡街信号进行了实验测量，并对油水两相仪表系数和斯特劳哈尔数予以分析。结果表明，在含油率5％～40％内，仪表系数相对误差小于4％，斯特劳哈尔数相对误差随含油率增加有变大趋势、随混合流鼍增加有减小趋势，而且在两相雷诺数2×104。5×104内可视为常数，并随雷诺数降低而升高。实验说明油水两相流中存在稳定的两相涡街，利用涡街流量计测量油水两相混合流量具有可行性。

关键词：涡街流鼍计；油水两相流；混合流量；含油率；斯特劳哈尔数

1 引言

在石油行业，经常会遇到油和水两相混合流动的现象∽3，开展油水两相流流量的测量具有重要的理论和工程意义。目前，将成熟的单相流量计应用于两相流量测量取得了较大进展，如差压式流量计、Coriolis流量计等。涡街流量计H1因其具有输出与流体流量成正比的脉冲信号，对被测流体压力、温度、黏度和组分变化不敏感，可测量液体、气体和蒸汽流量等优点，广泛应用于石油、化工、冶金、机械等工业领域。然而涡街流量计在两相流量测量领域的研究还处于探索阶段，目前主要集中在气液两相流方面，包括总流量、组分、斯特劳哈尔数及稳定性等"引。在油水两相流方面研究甚少，仅SKEA坤1应用多种单相流量计测量水平管内油水两相流流量的研究中提及涡街流量计，但未对实验结果进行分析。本文应用涡街流量计对垂直上升管内油水两相流总体积流量进行了实验测量，分析了不同两相流量、含油率对仪表系数误差产生的影响，以及两相斯特劳哈尔数随含油率和两相雷诺数的变化情况。

2单相流涡街流量计测量原理在单相流体中垂直于流向插入一根非流线型旋涡发生体，当满足一定条件时旋涡发生体的两侧将出现两排旋转方向相反、交替产生的非对称的涡街，其频率与流体平均流速成正比，因此通过检测涡街的频率，再根据有关的关系式就可以获得流体的流量。设涡街频率为／，流体平均速度为u，旋涡发生体迎面宽度为d，管道内径为D，则有一1：r Sru_，2而m=l一2--E d飞／1一（吾）2+arc$in吾] （2）式中：Sr为斯特劳哈尔数，m为旋涡发生体两侧弓形面积与管道横截面积之比。管道内流体的体积流量为：Q，=边=,irD42sm，df_4 =舌（3） 。4Sr K 、。7K=舌=面4S丽r （4）式中：K称为涡街流量计的仪表系数。式（3）为涡街流量计测量的基本关系式，其中仪表系数除了与旋涡发生体、管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关。斯特劳哈尔数为无量纲参数，它与旋涡发生体形状及雷诺数有关，在雷诺数为2×104-7×106范围内，可视为常数。

3实验系统实验是在天津大学油气水三相流实验装置上进行的，实验回路如图1所示，由供水和供油回路两部分组成（气路关闭）。流程如下：15#白油从油罐4由油泵5泵出，经油路标准表计量后，流人油水混合器14；水从水罐6由水泵7泵出，经水路标准表计量后流入油水混合器。在混合器内油水两相混合后，流经水平、垂直下降段进入垂直上升测量段、涡街流量计15及流型观察段16后，zui后油水两相流体经分离器1分离后，油、水分别返回油罐和水罐。其中，水路和油路标准表及其参数见表1。实验中水路、油路流量调节由计算机自动采集控制系统完成。实验用涡街流量计内径为50 mm，经0．1％精度水流量标准装置校验后其精度为0．5％。采用NI-6009数据采集卡对涡街信号进行采样并输入计算机存储，采样频率为1 000 Hz，采样时间为30 s。实验中油水两相混合流量Q。=5～11 m3／h，体积含油率』B=5％～40％。实验过程为：调节油水两相流量使其混合流量保持不变情况下，含油率从5％开始，以5％为步长，逐渐增大到40％；然后调节油水两相混合流量到一个新的固定值，同样逐步增大含油率重复进行实验，直至混合流量从zui小值增大到zui大值。实验工质：15#白油和自来水。实验在常温下进行，15#白油密度P。=856 ks／m3，动力黏度地=14×10’3 Pa·s；水的密度P。=998．2 ks／m’，动力黏度肛。=1．002×10。Pa·s。l油水分离罐；2单流阀；3球阀；4油罐；5油泵；6水罐；7水泵；8过滤网；9压力变送器；10温度变送器；11水路标准表；12油路标准表；13气动调节阀；14油水混合器；15涡街流量计；16有机玻璃管图1 油水两相流实验系统图Fi品l 0il．water two．phase flow experiment system表1水、油两路标准表Table 1 Standard flowmeter of water／oil loop

4实验结果分析

4．1流型分析由于两相流流型极大地影响着油水两相流的流动特性，同时也影响着流量参数的准确测量，因此，在实验过程中对流型进行了识别，确定为水包油流型。为了对比验证，将实验所用油相、水相流量折算为表观油流速K。、表观水流速吃，绘出相应的流速分布图，如图2所示。图中还给出了Flores等人¨驯基于击碎聚合机理性模型转换成的流型辨识图（实线所示）。由图可知，本文实验数据位于细油泡区（水包油）和油泡区（水包油），说明本文识别出的流型与Flores机理性模型划分的结果相一致，同时也发现随着含油率的增加，流型越来越靠近水包油扰动流区。本文实验数据与Flores等流型辨识图Fig．2 Experimental data in this study vs．flow patternidentification by Flores et al

4．2油水两相仪表系数分析由于实验范围流型为水包油，且垂直上升管中流型分布较均匀，故可将油水两相混合流量视为均相流。参照单相流中测量公式，定义涡街流量计在油水两相流混合流量测量时仪表系数k及其相对误差e置为代表油水两相涡街频率，可由涡街采样信号经频谱分析求得，Q。代表油水两相混合流量，为入口油相、水相体积流量之和。经水流量标准装置标定，单相流中涡街流量计仪表系数K为9 223．04 111。。图3不同Q。下，％母曲线Fig．3 Relative elTol'5 ofⅡ疑懈coefficient in oil-water two—phaseflow at different oil volume fractions and mixture flowrate图3给出了不同油水两相混合流量Q。下，仪表系数相对误差e。随含油率卢的变化曲线。由图可知，在卢为5％一40％范围内，e。小于4％。这表明，应用涡街流量计测鼍垂直上升管内油水两相流总体积流量时，测量误差较小，具有可行性。特别是，当口小于25％时，油水两相仪表系数k几乎不受芦影响，e。小于2％，说明涡街流量计在高含水率的油水两相流测量中较为准确。当口在25％一40％范围内，随卢增加，e。有变大趋势，而且受Q。影响较大，在油水混合流鼍较小时（5—8 m3／h），e。较大，偏移误差zui大可达3．53％；当混合流量增大时（8～11 m3／h），e。变化很小，对油水两相混合流量测量准确。由式（4）可知，单相流中仪表系数K除了与旋涡发生体，管道的几何尺寸有关外，还与斯特劳哈尔数有关，而斯特劳哈尔数作为判断涡街稳定性的标准，在一定雷诺数范围内可视为常数。因此，在油水两相混合流动中，对两相斯特劳哈尔数的研究很有必要，它既是油水混合流量测量准确性的保证，也是油水两相涡街是否稳定的重要标准。4．3油水两相斯特劳哈尔数分析参照式（1），定义油水两相斯特劳哈尔数sr爪及其相对误差e曲如下：Srm=警㈣e。=生≥=×100％ （8）已知研究所用涡街流量计旋涡发生体为梯形，迎面宽度d=14 mnl，管道内径D=50 mm，则m=0．648 1，单相流中斯特劳哈尔数Sr=0．164 5。由实验数据可绘出图4所示不同油水混合流量Q。下，两相斯特劳哈尔数相对误差e舟随含油率卢的变化曲线。图4不同口。下，e所田曲线Fig．4 Stmuhal Relative errors in oil·water two-phase flow atdifferent oil volume h∞商ons and mixture flowrate由图4可知，在卢为5％一加I％范围内，油水两相混合流动中存在稳定的两相涡街，e，，zui大偏移为3．36％。当p在5％～25％范围内，e野小于2％，两相涡街稳定性好，随口增加（25％～加％），e所有变大趋势。这是因为，当p较小时，流型分布较好，油泡对正常的涡街脱落影响很小，Sr=稳定性好；随口增加，管道中细小、均匀分布的油泡逐渐变大，流型逐渐向水包油扰动流区过渡，形状不规则且稳定性渐差的油泡对涡街脱落的干扰越来越强烈，所以Srm随JB增加越来越偏移Sr，导致e。呈现变大趋势。还可看出，e。，随Q。增大，呈减小趋势。例如，Q。为5 m3／h时，％zui大偏移为3．36％；Q。为8m3／h时，％zui大偏移为1．48％；Q。为1l m3／h时，e野zui大偏移仅为0．83％。这是因为，涡街脱落产生的升力与管内平均流速的平方成正比，也就是说，当两相混合流速升高时，涡街的升力是以流速的平方倍增长，所以，随着Q。增大，涡街信号迅速增强，对管道中油泡的抗*力增强，涡街稳定性变好，e野逐渐减小。斯特劳哈尔数除了与发生体形状有关外，还与管道雷诺数相关。图5给出了不同含油率口下，油水两相斯特劳哈尔数相对误差e蜥随两相管道雷诺数＆。的变化曲线。其中，两相管道雷诺数尺e。计算公式如下：Re。：—Du,—,,pm （9）p。P。=届p。+（1一P）p。（10）肛。=陬。+（1一卢）肛。（11）式中：P。为油水两相流密度，‰为油水两相流粘度。

5结论本文应用涡街流营计对垂直上升管内油水两相流总体积流量进行实验测量，流镀范围5—1l m3／h，含油率为5％一40％，流型为水包油，将油水两相流视为均相流。含油率5％～40％范围内，两相仪表系数相对误差小于4％，表明利用涡街流量计测量油水两相混合流量的误差较小，具有可行性。含油率5％～40％范围内，油水两相混合流动中存在稳定的两相涡街；两相斯特劳哈尔数相对误差随含油率增加有变大趋势，随混合流量增大有减小趋势。油水两相雷诺数为2 X 104—5×104内时，两相斯特劳哈尔数相对误差小于1％，可视为常数；两相雷诺数在0．5 X 104～2 X 104内时，两相斯特劳哈尔数随雷诺数降低而升高，呈现非线性。