Многофазные испытательные стенды газожидкостных смесей: аппараты, аттестация, воспроизведение

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Казанский национальный исследовательский

технологический университет

МНОГОФАЗНЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ 

СТЕНДЫ ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ:

АППАРАТЫ, АТТЕСТАЦИЯ, 

ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2022

УДК 532.529
ББК 22.253.3

М73

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ф. М. Галимов

директор НПО «Метрология» В. В. Рыжов

М73

Авторы: В. Н. Петров, Ю. К. Евдокимов, К. А. Левин, 
С. Л. Малышев, В. Ф. Сопин, А. Ф. Батталов, Я. В. Денисова
Многофазные испытательные стенды газожидкостных смесей: аппараты, аттестация, воспроизведение : монография / В. Н. Петров, 
Ю. К. Евдокимов, К. А. Левин [и др.] ; Минобрнауки России, Казан. нац. 
исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2022. – 196 с.

ISBN 978-5-7882-3181-5

Рассмотрены физические принципы, лежащие в основе метрологического 

обеспечения расхода многофазных потоков. Освещены вопросы обеспечения 
единства измерений, методологии и применения средств поверки многофазных 
расходомеров и измерительных систем. Рассмотрен широкий круг вопросов по 
расчету потоков различной структуры в конкретных технических условиях.

Предназначена для метрологов, специалистов и научных сотрудников, ас
пирантов и студентов, занимающихся исследованием многофазных потоков и вопросами метрологического обеспечения измерений расхода и количества газожидкостных потоков, а также для конструкторов и инженеров, занимающихся 
проектированием поверочных установок. 

Подготовлена на кафедре аналитической химии, сертификации и менедж
мента качества.

ISBN 978-5-7882-3181-5
© Петров В. Н., Евдокимов Ю. К., Левин К. А.,

Малышев С. Л., Сопин В. Ф., Батталов А. Ф.,
Денисова Я. В., 2022

© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2022

УДК 532.529
ББК 22.253.3

О Г Л А В Л Е Н И Е

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ....................................................................................5

ПРЕДИСЛОВИЕ ...........................................................................................................8

1. ПОВЕРОЧНЫЕ УСТАНОВКИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСХОДА
ОДНОФАЗНЫХ И МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ.................................................13

1.1. Метрологическое обеспечение учета однофазных потоков.......................13
1.2. Вопросы совершенствования установок поверки  и калибровки 

однофазных расходомеров.............................................................................18

1.3. Анализ подобия пары «скважина – эталон» ................................................28
1.4. Конфигурация многофазных испытательных стендов ...............................29
1.5. Аттестация эталонных средств воспроизведения расхода.........................40

2. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СТРУКТУРЫ ТЕЧЕНИЯ
В АППАРАТАХ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ ФАЗ ........................................46

2.1. Аппарат перемешивания жидких компонент ..............................................46
2.2. Расчет равномерной подачи смеси................................................................47
2.3. Расчет равномерного отбора смеси...............................................................52
2.4. Математическое моделирование процесса циркуляционного 

перемешивания................................................................................................57

2.5. Математическое моделирование процесса перемешивания 

двухкомпонентной жидкой смеси.................................................................64

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ГАЗОВОЙ СТРУИ С ПЕРИФЕРИЙНЫМ
ЖИДКИМ ПОТОКОМ В ОСЕСИММЕТРИЧНОМ КАНАЛЕ ..............................69

3.1. Аппарат перемешивания и режимы течения осесимметричного 

газожидкостного потока.................................................................................69

3.2. Математическое моделирование перемешивания газовой струи 

с периферийным жидким потоком................................................................74
3.2.1. Модель газожидкостного потока, развивающегося в пределах 
начального участка газовой струи...............................................................74
3.2.2. Модель газожидкостного потока, развивающегося в пределах 
переходного участка ......................................................................................85
3.2.3. Расчет параметров газовой струи, развивающейся в канале 
при наличии спутного жидкого потока.......................................................91
3.2.4. Модель процесса перемешивания спутных двухфазных потоков ......95

4. ВЛИЯНИЕ ПРИСУТСТВИЯ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ
НА МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОФАЗНЫХ
РАСХОДОМЕРОВ ЖИДКОСТИ............................................................................102

4.1. Вихревой расходомер в многофазном потоке ...........................................102
4.2. Влияние газовой фазы на метрологические характеристики 

кориолисовых массомеров...........................................................................108

5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕРВИЧНОГО
СПЕЦИАЛЬНОГО ЭТАЛОНА ЕДИНИЦЫ МАССОВОГО РАСХОДА
ГАЗОЖИДКОСТНЫХ СМЕСЕЙ............................................................................119

5.1. Сепарация газожидкостного потока .............................................................119

5.1.1. Расслоение газожидкостного потока .............................................119
5.1.2. Конструктивные особенности входного устройства 
сепаратора ....................................................................................................128
5.1.3. Расчет течения смеси во входном устройстве сепаратора ........135

5.2. Воспроизведение капельного и кольцевого режимов течения ..................141

5.2.1. Физика распада струи........................................................................141
5.2.2. Особенности устройств, создающих капельный режим 
течения...........................................................................................................150

6. ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТРЕХФАЗНЫХ ПОТОКОВ ЗАГАЗОВАННОЙ
ПУЛЬПЫ....................................................................................................................159

6.1. Физические свойства загазованной пульпы...............................................161
6.2. Течение загазованной пульпы в канале......................................................162
6.3. Влияние газовой фазы на приборы систем измерений расхода 

загазованной пульпы ....................................................................................167

6.4. Измерение расхода компонент загазованной пульпы...............................173
6.5.
Систематическая погрешность систем измерений расхода 
загазованной пульпы ....................................................................................181

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .........................................................................................................187

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................189

ГЛОССАРИЙ.............................................................................................................194

У с л о в н ы е  о б о з н а ч е н и я

С – концентрация примеси
𝐶𝑃 – коэффициент давления
Q – массовый расход смеси
K – коэффициент
φ – концентрация газовой фазы

G – вектор силы тяжести 

P – вектор силы давления

F – вектор силы трения

L – вектор силы инерции

m = 

𝑈к
𝑈0 – параметр спутности потока

р – статическое давление
𝑅 – радиус канала
𝑟0 – радиус среза сопла
𝑟𝑘 – относительный радиус сопла
d – диаметр
l – длина
V – объем
𝐴𝑟 – число Архимеда
Eu – число Эйлера
Fr – число Фруда
Sc – число Шмидта
St – число Стантона
Re – число Рейнольдса
T – температура
U – составляющая вектора скорости вдоль оси x
UK – начальная скорость спутного потока

𝑈m = 

𝑈𝑚
𝑈0 – относительная скорость на оси канала

𝑈δ = 

𝑈𝛿
𝑈0 – относительная скорость на границе струи

𝑈 = 

𝑈

𝑈0 – относительная скорость

υ – осредненная составляющая вектора скорости вдоль оси y
x, y – прямоугольные координаты
хн – длина начального участка струи
𝑥 = 

𝑥

𝑟0 – относительное расстояние по оси x

yo – координата линии нулевой продольной составляющей скорости
δ – толщина пограничного слоя струи
δп.с – толщина пристенного пограничного слоя
ε – степень турбулентности
S – площадь поперечного сечения канала
Ψ – коэффициент гидравлического сопротивления канала

y


=
– безразмерная поперечная координата

λ – коэффициент гидравлического сопротивления
σ – поверхностное натяжение
 – вязкость

Ò
 – турбулентная вязкость

 – кинематическая вязкость

Ò

– коэффициент турбулентной вязкости

ρ – плотность
τ – касательное напряжение
g – ускорение силы тяжести
α – угол наклона

Индексы

D – диффузионный
m – параметры на оси
o – параметры на срезе сопла
СТ – параметры на стенке
δ – параметры у стенки канала
кр. – критическое
т – турбулентный
п – пузырь
г – газообразная фаза
ж – жидкая фаза
гр. – граница
с – смеси

Сокращения

ВНИИР – филиал ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева» – Всероссийский 
научно-исследовательский институт расходометрии – филиал федерального 

государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии имени Д. И. Менделеева

ГОСТ – Государственный стандарт

ГОСТ Р – Государственный стандарт Российской Федерации

ГСИ – Государственная система обеспечения единства измерений

ИСО (ISO) – Международная организация по стандартизации

МИС – многофазный испытательный стенд

МФР – многофазный расходомер

Р – рекомендации

РД – руководящий документ

СИ – средство измерений

СКО – среднеквадратичное отклонение результата измерений

РМГ – межгосударственные рекомендации по стандартизации

ФВ – физическая величина

7

П р е д и с л о в и е

Цель этой монографии – системное изложение основных проблем, 

возникающих при эксплуатации и совершенствовании эталонных поверочных установок массового и объемного расхода однофазных и многофазных потоков, а также в рассмотрении влияния газовой фазы на 
метрологические характеристики однофазных расходомеров жидкости,
способов повышения точности измерений массового расхода газожидкостных смесей на примере загазованной пульпы. Данное издание является продолжением и развитием направления многофазной расходометрии, научный подход к которой приведен в ранее опубликованной 
монографии «Многофазные испытательные стенды газожидкостных 
смесей: аппараты, аттестация, воспроизведение» [29].

Одной из важных функций государства при осуществлении эконо
мической и научно-технической политики является обеспечение единства измерений, основу которого составляет эталонная база. Федеральный закон № 102–ФЗ от 26 июня 2008 г. «Об обеспечении единства измерений» указывает, что сфера государственного регулирования обеспечения единства измерений распространяется в том числе на измерения при выполнении учетных операций и учете количества энергетических ресурсов. Добыча углеводородов является важнейшей отраслью 
экономики, обеспечивающей энергетическими ресурсами промышленность, жилищно-коммунальную сферу, и составляет экспортный потенциал страны, поэтому к показателям точности измерений количества 
добытой, транспортируемой, перерабатываемой и передаваемой непосредственно потребителю продукции нефтегазовой переработки предъявляются высокие требования.

Вместе с тем измерения расхода и количества многофазных сред, 

к которым, в частности, относится продукция углеводородных скважин, содержащая попутный нефтяной газ (ПНГ), нефть и воду, а также 
нестабильный газовый конденсат (НГК), являются наиболее сложными 
видами измерений. Для повышения эффективности добычи разрабатываемых месторождений важно знать дебит по каждому компоненту 
скважины. При этом используются разнообразные методы, такие как 
традиционная технология сепарации газожидкостной смеси для разделения компонент с последующим измерением их количества, так и с помощью появившихся сравнительно недавно многофазных расходомеров, измерительных систем и установок
без предварительной 

сепарации. В бессепарационных методах измерений применяются способы и устройства, реализующие самые передовые научные достижения и изобретения. Многофазной средой также является влажный пар, 
протекающий в паропроводах ТЭЦ и АЭС, измерения массового расхода которого важны для обеспечения безопасности их эксплуатации.

С целью обеспечения единства в этой сфере измерений, а также 

прослеживаемости при передаче единицы расхода от эталонов к рабочим средствам измерений, проведения испытаний в целях утверждения 
типа, поверки и калибровки многофазных расходомеров и измерительных систем, во ФГУП «ВНИИР» был создан Государственный первичный специальный эталон единицы массового расхода газожидкостных 
смесей ГЭТ 195–2011 (далее – первичный эталон) [36]. Используемый 
в наименовании термин «специальный» означает, что единица измерений воспроизводится в специфических условиях – в данном случае, 
в динамике, при смешивании различных фаз – газовой и двухкомпонентной жидкой. В настоящее время согласно ГОСТ 8.637–2013 первичный эталон возглавляет Государственную поверочную схему 
средств измерений объемного и массового расхода многофазных потоков, а его основные технические характеристики составляют:

– массовый расход жидкой смеси от 2 до 110 т/ч;
– объемный расход газа от 0,1 до 250 м3/ч, приведенный к стан
дартным условиям (далее – ст. м3/ч).

Вместе с тем многофазные расходомеры, применяемые на про
мысловых скважинах, а также рабочие эталоны, с помощью которых 
они поверяются, имеют гораздо более широкий диапазон измерений, 
чем у первичного эталона. К примеру, у первичного эталона отсутствует диапазон измерений так называемого влажного газа, когда доминирующей является газовая фаза, несущая с собой капельную жидкость, по своим физическим свойствам рабочая среда, характерная для 
газоконденсатной смеси, попутного нефтяного газа и влажного пара. 

Следует отметить, что структура течения многофазных потоков 

существенным образом отличается от однофазного потока, что не может не сказываться на метрологических характеристиках средств измерений их расхода, поэтому при измерениях необходимо уделять особое 
внимание на аэрогидродинамику течения измеряемой среды. 

Аэрогидродинамическая картина течения газожидкостной смеси 

в измерительном участке эталона определяется многими факторами: 
соотношением расходов жидкой и газовой фаз, физическими свойствами фаз, способом их смешивания и пр. При этом возможно 

образование различных режимов течения смеси и не существует четких 
границ перехода от одной структуры течения к другой. Сегодня имеются 
теоретические работы, позволяющие с достаточной степенью точности 
исследовать общие задачи гидрогазодинамики однофазных течений, что 
же касается течения газожидкостного трехкомпонентного потока в цилиндрическом канале, присутствующего в первичном эталоне, то результаты теоретических и экспериментальных исследований структуры 
течения различных авторов противоречивы и носят оценочный характер. 
В научно-технической литературе отсутствует надежный метод расчета 
подобных режимов течения. Поэтому сегодня весьма актуальным 
направлением исследований является разработка математических моделей, позволяющих расширить теоретическое представление об особенностях аэрогидродинамических процессов в магистралях многофазных 
эталонов, требующая также проведения соответствующих промысловых 
испытаний для их экспериментального подтверждения. 

Все это, в свою очередь, будет способствовать решению вопроса

обеспечения единства и достоверности измерений расхода и количества 
добываемых энергоресурсов. Вместе с тем к многофазным эталонам 
предъявляются особые требования к качеству воспроизведения эталонной измеряемой среды: неизменность задаваемого соотношения компонент многофазной среды и их расходных параметров. 

Первая глава посвящена обзору современных методов повышения 

точности воспроизведения расхода однофазных потоков жидкости. 
Проведен анализ существующих схем установок и показана роль 
напорного бака. Проведен анализ существующих многофазных испытательных стендов и впервые сделана попытка свести их в одну укрупненную схему, позволяющую выявить отличие, преимущества и недостатки способов воспроизведения газожидкостного потока, смесеобразования и сепарации. Определены параметры газожидкостного потока, 
оказывающие существенное влияние на структуру его течения. Используя принципы физического подобия, показаны возможности обеспечения соответствия эталона единицы массового расхода газожидкостных 
смесей требованиям ГОСТ 8.381–2009 «ГСИ. Эталоны. Способы выражения точности». Приводится описание методов аттестации многофазных эталонов и испытательных стендов.

Во второй главе рассмотрен аппарат циркуляционного перемеши
вания компонент жидкой фазы, позволяющий получить гомогенную 
смесь. С целью создания однородной по составу и устойчивую во времени смесь во всем объеме смесительного аппарата разработана