Определение расходов в горизонтальных двухфазных потоках вода‒газ и особенности работы конического сужающего устройства в мультифазном расходомере с гамма-плотномером

DOI: 10.34759/tpt-2021-13-3-98-110

Авторы

Филиппов Ю. П.¹, Филиппов А. Ю.²

1. Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна, Московская обл., 141980, Россия
2. Национальный исследовательский университет «МЭИ», Красноказарменная ул., 14, Москва, 111250, Россия

Аннотация

На основе расчетной методики и экспериментальных данных проанализирована работа конического сужающего устройства в горизонтальных двухфазных потоках вода‒газ, являющихся частным случаем работы трехфазного расходомера нефть‒вода‒газ на базе двухизотопного гамма-плотномера и сужающего устройства. Предложены два метода оценки основных факторов, влияющих на характеристики сужающего устройства, таких как потери давления за счет трения и возможный кризис гидравлического сопротивления. Для реального сужающего устройства с диаметрами 98 и 70 мм показана взаимосвязь объемных расходов, перепадов давления через сужающее устройство, теплофизических свойств компонентов, объемных газосодержаний, факторов трения и найденного корректирующего фактора в использованной гомогенной модели, который учитывает кризис гидравлического сопротивления. Экспериментальные данные получены для объемных расходов воды от 24 до 48 м3/ч и объемных газосодержаний от 0 до 70% при температуре около 20°С на Государственном эталоне многофазных потоков ГЭТ195-2011 в г. Казани. Показано, что наибольший вклад в характеристики сужающего устройства вносит корректирующий фактор, который слабо зависит от объемных расходов воды и существенно меняется с ростом газосодержания. Газосодержание потока находится посредством гамма-плотномера. Определены количественные показатели корректирующего фактора в зависимости от объемного газосодержания, что позволяет определять расход двухфазного потока с максимальными отклонениями около ±5% при максимальных газосодержаниях. Это довольно оптимистично с учетом особенностей проведенных экспериментов. Обсуждены условия существования и отсутствия кризиса гидравлического сопротивления в сужающем устройстве.

Ключевые слова:

гамма-плотномер, двухфазный поток, сужающее устройство, нефть, вода, газ, фактор трения, кризис гидравлического сопротивления

Библиографический список

1. Babelli I.M.M. Development of multiphase meter using gamma densitometer concept // International Nuclear Conference Proceedings. 1997. P. 371‒389.

2. Filippov Yu.P., Filippov A.Yu. Operation features of a narrowing device in separationless three-phase flowmeter // Flow Measurement and Instrumentation. 2019. V. 68. 101578.

3. Murdock J.W. Measuring the flow rate of a two-phase flow with orifice plate // Technical Mechanics. 1968. V. 84. N 4. P. 8‒22.

4. Filippov Y.P., Panferov K.S. Two-phase cryogenic flow meters. Part II — how to realize the two-phase pressure drop method // Cryogenics. 2011. V. 51. P. 640‒645.

5. Zivi S.M. Estimation of steady state steam void fraction by means of the principle of minimum entropy production // Journal of Heat Transfer. 1964. V. 86. P. 247‒252.

6. Filippov Yu.P. Characteristics of horizontal two-phase helium flows: Part II — pressure drop and transient heat transfer // Cryogenics. 1999. V. 39. P. 69‒75.

7. Filippov Y.P., Panferov K.S. Diagnostics of salty water-in-oil two-phase flow // International Journal of Multiphase Flow. 2012. V. 41. P. 36‒43.

8. Хьюитт Г., Баттерворс Д. Теплопередача в двухфазном потоке / Под ред. Д.А. Лабунцова. М.: Энергия, 1980. 326 с.

9. Лабунцов Д.А., Ягов В.В. Механика двухфазных систем. М.: Издательский дом МЭИ, 2007. 320 с.

10. Subbotin V.I., Deev V.I., Gordeev A.I., Pridantsev A.I., Savin A.N., Andreev V.K. Heat transfer and hydrodynamics in cooling channel of superconducting devices // Cryogenics. 1985. V. 25. P. 261‒266.

11. Кутепов А.М., Стерман Л.С., Стюшин Н.Г. Гидродинамика и теплопередача при парообразовании, М.: Высшая школа, 1986. 448 с.

12. Свешников Б.Н., Смирнов С.Н., Филиппов А.Ю., Филиппов Ю.П. Двухизотопный спектрометрический гамма-плотномер для диагностики трехфазных потоков нефть‒вода‒газ // Физика ЭЧАЯ. Письма. 2021. Т. 18. № 1(233). C. 58–72.

13. Filippov Yu.P., Kakorin I.D., Kovrizhnykh A.M., Miklayev V.M. Monitoring of multiphase flows for superconducting accelerators and others applications // Physics of Particles and Nuclei Letters. 2017. V. 14. N 4. P. 602‒614.

14. Premoli A., Francesco F., Prina A. A dimensionless correlation for determining the density of two-phase mixtures // Termotecnica. 1971. V. 25. N 1. P. 17‒26.

15. Alexeyev A.I., Filippov Yu.P., Mamedov I.S. Flow patterns of two-phase helium flows in horizontal channels // Cryogenics. 1991. V. 31. P. 330–337.