摘要:設(shè)計(jì)了等效內(nèi)徑比分別為0.424、0.586的雙錐流量計(jì),并采用該流量計(jì)在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上開展了氣水兩相流參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)雙錐流量計(jì)上的差壓波動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行分析,采用其特征值建立氣水兩相流分相含率測量模型;在分相流模型的基礎(chǔ)上,通過分析準(zhǔn)氣相流量比和Lockhart-Martinelli常數(shù)的關(guān)系建立氣水兩相流流量測量模型。在多相流實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行了氣水兩相流參數(shù)測量系列實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),所建立的體積含氣率測量模型測量相對(duì)誤差在5%以內(nèi);氣液兩相流總流量和液相流量測量誤差在6%以內(nèi)。氣相流量的測量結(jié)果表明,在以空氣和水為介質(zhì)、干度很小的工況下,氣相流量的測量相對(duì)誤差明顯大于總流量和液相流量的相對(duì)誤差。
0引言
氣液兩相流常見于冶金、石油、動(dòng)力、化工、能源、管道運(yùn)輸及制冷制藥等領(lǐng)域,在工業(yè)生產(chǎn)與科學(xué)研究中具有重要作用,在工業(yè)過程中也伴隨著許多經(jīng)濟(jì)與安全問題，因此對(duì)兩相流活動(dòng)過程機(jī)理狀態(tài)的描述、解釋以及流動(dòng)過程中相關(guān)參數(shù)的正確測量具有重要意義,也是現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中亟待解決的一道難題。隨.著工業(yè)水平的不斷提高，兩相流涉及的領(lǐng)域越來越廣泛,對(duì)工業(yè)過程控制精度的要求也在不斷提高。在目前工業(yè)生產(chǎn)中,由于一些傳統(tǒng)的流量測量方式及模型無法適用于兩相流特有的波動(dòng)性和復(fù)雜的流動(dòng)形態(tài)，使得其相關(guān)參數(shù)的測量方法多處于研究階段,離實(shí)際應(yīng)用尚有一定距離。
氣液兩相流過程參數(shù)的檢測策略隨工況與對(duì)象屬性的變化而變化,可以利用的物理現(xiàn)象與關(guān)系有很多,因此檢測方法也多種多樣。從測量形式上講，目前常見的檢測方法大致可分為直接法和間接法2類，前者可以通過采用傳統(tǒng)單相流儀表等方法直接測得待測對(duì)象的相關(guān)參數(shù),后者則多采用一定的輔助測量值建立待測參數(shù)與特征值的關(guān)系式,通過模型計(jì)算得到[2。利用傳統(tǒng)單相流量計(jì)測量氣液兩相流參數(shù)是多相流測量研究與應(yīng)用的一個(gè)重要方向,雖然這類儀表在檢測混合流量時(shí)的性能良好,但由于工況和模型的差異，在檢測相含率時(shí)誤差較大531J。從測量原理上講,氣液兩相流相關(guān)參數(shù)的測量方法可以分為分離法和非分離法,前者是將兩相流流體分離,利用單相流的測量方法分別獲得相關(guān)參數(shù),但此類方法受測量設(shè)備龐大、系統(tǒng)復(fù)雜等因素的限制,需要對(duì)取樣設(shè)備進(jìn)行更進(jìn)一步的研究,后者直接利用傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)對(duì)混合的兩相流流體進(jìn)行測量,傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)由于結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠等特點(diǎn),一直以來在多相流參數(shù)測量中倍受關(guān)注。
傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)是將流向管道中心收縮,通過測量節(jié)流件(如孔板和文丘里管)前后的壓力降來得到流量數(shù)據(jù)。近20年出現(xiàn)了一種新型V型內(nèi)錐流量計(jì),它將原本利用流體進(jìn)行節(jié)流而后收縮到管道中心軸線附近的概念從根本.上改變?yōu)槔猛S安裝在管道中的V形錐體將流體慢慢地進(jìn)行節(jié)流而后收縮到管道的內(nèi)邊壁。與其他傳統(tǒng)差壓式流量計(jì)相比,V錐流量計(jì)在壓損、重復(fù)性、量程比和長期工作穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢,實(shí)驗(yàn)分析表明其可用于兩相流的流型識(shí)別和參數(shù)測量[15-18],但由于V錐流量計(jì)的內(nèi)錐形狀較為復(fù)雜且節(jié)流件尾部鈍體會(huì)使流體產(chǎn)生流動(dòng)分離,產(chǎn)生旋渦并造成較大壓力損失等問題使其應(yīng)用受到一定的限制。本文作者在V錐流量計(jì)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙錐流量計(jì)([9,利用理論模型較成熟的差壓原理開展氣液兩相流參數(shù)的測量,并根據(jù)氣液兩相流固有的波動(dòng)特性提取相關(guān)特征值,分析其與分相含率等參數(shù)的關(guān)系(20-22,探尋氣液兩相流的參數(shù)測量新型測量方法并開展實(shí)驗(yàn)分析和研究,為氣液兩相流在工業(yè)過程參數(shù)正確檢測及新型流量計(jì)商業(yè)化奠定基礎(chǔ)。
1測量原理
1.1流量計(jì)結(jié)構(gòu)
雙錐流量計(jì)為--新型內(nèi)錐流量計(jì),節(jié)流單元基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,包括測量管段、取壓口和節(jié)流錐體。.圖1(b)為雙錐流量計(jì)剖面圖，P1、P2、P3分別為3個(gè)取壓口,P1為上游流體收縮前取壓口,P2為節(jié)流件喉部最小流通面積處取壓口,P3為下游流束穩(wěn)定時(shí)的取壓口。本實(shí)驗(yàn)研究所需的雙錐流量計(jì)差壓信號(hào)是從P1與P2口獲得的前差壓。利用P2與P3可獲得雙錐流量計(jì)的后差壓。節(jié)流錐體是雙錐流量計(jì)的核心部件,主要包括錐體和錐體支架結(jié)構(gòu)2部分，如圖2所示。雙錐流量計(jì)的錐體由前后2個(gè)錐角相等的對(duì)稱錐體構(gòu)成,3個(gè)片狀支架和1個(gè)管環(huán)構(gòu)成錐體支架結(jié)構(gòu)，節(jié)流錐體可通過支架結(jié)構(gòu)固定在管道中心并與管道同軸,將與管道內(nèi)徑相同的管環(huán)安裝在實(shí)驗(yàn)管道中。
本次研究所設(shè)計(jì)的雙錐流量計(jì)錐體前后錐角均為45°,中部圓柱體長度20mm。D為管道內(nèi)徑,d為節(jié)流錐體在喉部處直徑，ɑ為對(duì)稱錐體的錐角。
圖1(a)為管道最小流通面積處的截面圖，雙錐體采用三角結(jié)構(gòu)固定于管道內(nèi)，既能使雙錐承受較大的沖擊又可以保證雙錐與管道內(nèi)圓的同軸度,同時(shí)足夠薄度的支撐葉片也可以最大程度減小對(duì)流體的擾動(dòng)。
1.2基本測量模型
雙錐流量計(jì)的工作原理是基于流體在一密封管道中的能量守恒原理(伯努利方程)和流動(dòng)連續(xù)性原理。根據(jù)流體力學(xué)的相關(guān)理論可以推出單相流流量的基本測量模型:
2實(shí)驗(yàn)裝置
圖3和4分別為雙錐流量計(jì)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖和結(jié)構(gòu)簡圖,實(shí)驗(yàn)對(duì)象為水平管道內(nèi)的氣/水混合流體。實(shí)驗(yàn)設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)管路2大部分:數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器及采集控制界面;實(shí)驗(yàn)管路包括雙錐流量計(jì)、壓力變送器、差壓變送器、溫度計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)表以及管道和閥門等設(shè)備。
裝置的工作流程為:水經(jīng)過穩(wěn)壓罐后,通過標(biāo)準(zhǔn)水表讀取其體積流量,進(jìn)入混相器;空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮到穩(wěn)壓罐,通過標(biāo)準(zhǔn)氣表讀取其體積流量,并用溫度計(jì)和壓力表測量此時(shí)的氣相溫度(T)和壓力(p加:),最后進(jìn)人混相器與液相混合;氣液兩相流經(jīng)過8m長的直管段,充分混合后進(jìn)入氣液兩相實(shí)驗(yàn)管段,在此處安裝雙錐流量計(jì)并測量氣液兩相的混合差壓,同時(shí)測量雙錐流量計(jì)前的壓力(p2)和溫度(T2),采用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄各測量值。
實(shí)驗(yàn)中,液體穩(wěn)壓罐和氣體穩(wěn)壓罐的穩(wěn)壓范圍分別為0.2~0.21MPa和0.39~0.41MPa,標(biāo)準(zhǔn)水表和標(biāo)準(zhǔn)氣表參數(shù)如表1,直管段以及實(shí)驗(yàn)管段管徑為50mm。.
考慮到不同等效直徑比的雙錐流量計(jì)具有不同的測量特性，選擇不同的直徑比可分析雙錐流量計(jì)各自不同特性,從而獲得與直徑比相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，因此選用2個(gè)不同等效直徑比(0.424、0.586)的雙錐流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其流出系數(shù)分別為0.9672和0.9685。雙錐流量計(jì)的差壓信號(hào)由應(yīng)變式差壓變送器進(jìn)行測量,其量程為0~64kPa,輸出電流信號(hào)4~20mA,精度等級(jí)為0.25%FS.
3分相含率測量模型
在氣液兩相流的測量中,分相含率是一個(gè)重要的參數(shù),重點(diǎn)測量對(duì)象為氣相的相含率,包括體積含氣率、截面含氣率(空隙率)和質(zhì)量流量含氣率(干度)。其中體積含氣率和干度的關(guān)系如下式:
式中:μ為體積含氣率;pz為氣相密度;ρn為液相密度。
氣液兩相流在流動(dòng)過程中存在波動(dòng)性,根據(jù)前人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,此波動(dòng)信號(hào)與氣液兩相流的流型、分相含率等重要測量參數(shù)具有一定的相關(guān)性,因此可以通過分析從差壓波動(dòng)信號(hào)中提取的特征值建立氣液兩相流分相含率的測量模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣相含率等參數(shù)的在線測量。
氣液兩相流通過差壓式流量計(jì)時(shí)的瞬時(shí)差壓和瞬時(shí)流量之間也符合時(shí)間平均值的關(guān)系式,因此:
式中:i為某個(gè)瞬時(shí)時(shí)刻;△ppo為瞬時(shí)差壓;μi;為瞬時(shí)體積含氣率;qi為瞬時(shí)流量;k、b是與節(jié)流元.件結(jié)構(gòu)和兩相流流體物性有關(guān)的系數(shù)。
定義脈動(dòng)振幅為差壓瞬時(shí)值和時(shí)均值之差,其均方根為:
理論上R是μ的單值函數(shù),可通過實(shí)驗(yàn)差壓時(shí)均值和差壓脈動(dòng)幅值計(jì)算出氣相體積含率μo.
實(shí)驗(yàn)所用水平管道管徑為50mm,進(jìn)行氣液兩相流實(shí)驗(yàn)并采集差壓波動(dòng)信號(hào),圖5和6為等效直徑比為0.424和0.586的雙錐流量計(jì)無量綱參數(shù)R與體積含氣率μ的數(shù)值點(diǎn)分布
由圖5和6可知,對(duì)于雙錐流量計(jì),波動(dòng)幅度參數(shù)R隨著體積含氣率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。當(dāng)體積含氣率小于0.3時(shí),差壓的波動(dòng)幅度參數(shù)很小;然后隨著體積含氣率的增大,差壓的波動(dòng)幅度值增!大,并在0.85左右達(dá)到最大值。根據(jù)流體在管道中流動(dòng)的實(shí)際情況,當(dāng)流體為單相(即全為液相μ=0,全為氣相μ=1)時(shí)，流動(dòng)是較為平穩(wěn)的,應(yīng)有R≈0,因此可假設(shè)R與μ符合如下關(guān)系:
4流量測量模型
雙錐流量計(jì)作為-種新型差壓式流量計(jì),在結(jié)構(gòu)上與傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)具有一-定的差異,現(xiàn)有模型，的一些關(guān)鍵參數(shù)無法適用,需尋求新的模型參數(shù)。
用汽水、氣水和天然氣水混合物經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)并對(duì)理想分相流模型進(jìn)行修正后得到孔板氣液兩相流流量計(jì)算模型:
5實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析
5.1氣相含率測量
實(shí)驗(yàn)在體積含氣率為0.32~0.96范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)流體流經(jīng)雙錐流量計(jì)時(shí)所產(chǎn)生的前差壓進(jìn)行了采集,提取差壓波動(dòng)信號(hào)中的特征值R',通過模型式(7)計(jì)算得出體積含氣率值,模型測量誤差如圖8和9所示,體積含氣率的相對(duì)誤差基本在±5%以內(nèi)。
5.2流量測量
氣液兩相流流量實(shí)驗(yàn)測量以水和空氣為介質(zhì),其中水和空氣的質(zhì)量流量范圍分別為1.233~6.581kg/s和0.006~0.04kg/s.水穩(wěn)壓為0.2MPa,氣源穩(wěn)壓0.4MPa,干度范圍0.001~0.03,環(huán)境溫度20.5℃.。NI數(shù)據(jù)采集卡采集差壓波動(dòng)信號(hào),提取其特征值并通過公式(7)和(2)計(jì)算得到質(zhì)量流量含氣率x,流量值可通過公式(12)計(jì)算得到。
實(shí)驗(yàn)測量了氣液兩相流的總流量及液相、氣相的分相流量,在圖10和11中給出了總流量的測量誤差,總質(zhì)量流量的參考值為氣相和液相混合前的流量值之和。測量誤差結(jié)果顯示,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)所采用的體積含氣率測量模型和改進(jìn)的流量測量模型對(duì)氣液兩相流總流量測量具有較好的適用效果,測量結(jié)果相對(duì)誤差基本可以控制在±6%以內(nèi)。值得提出的是，當(dāng)氣相體積含率大于0.8時(shí),兩相流處于塞狀流向環(huán)狀流的過渡段,流型變化較為復(fù)雜，使得測量精度有所下降。
總流量測量相對(duì)誤差圖中可看出,對(duì)于氣液兩相流,其分相流的參數(shù)測量具有重要的工程意義。可以根據(jù)公式(7)和測量出的體積含氣率值由公式(2)得到干度值,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液兩相流的分相流測量。液相流量測量誤差如圖12和13所示,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)的相對(duì)誤差基本在±6%以內(nèi)，說明該測量模型在該工況下具有較好的測量效果。因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)所用氣液兩相流中，氣體在總流量中所占的比例較小，所以液相流量測量誤差分布結(jié)果與總流量相似。
實(shí)驗(yàn)對(duì)氣相流量進(jìn)行了測量,其測量結(jié)果如圖14和15所示。測量誤差結(jié)果顯示,忽略粗大誤差后的氣相流量測量誤差在±20%以內(nèi)，該誤差遠(yuǎn)大于液相和總流量的測量誤差,分析認(rèn)為在本實(shí)驗(yàn)中的兩相流干度僅在0.001~0.03范圍內(nèi),不同于濕蒸氣和高干度的實(shí)驗(yàn)工況,對(duì)體積含氣率或干度的微小測量誤差會(huì)導(dǎo)致對(duì)氣相流量測量結(jié)果的較大偏差。
6結(jié)論
本文將一種新型的雙錐流量計(jì)用于氣水兩相流的測量,研究了2個(gè)不同等效直徑比的雙錐流量計(jì)對(duì)氣相體積含率、總流量及分相流量的測量性能。對(duì)雙錐流量計(jì)上的差壓波動(dòng)信號(hào)時(shí)間序列進(jìn)行了分析,利用其特征值建立了氣水兩相流氣相含率的關(guān)系模型。應(yīng)用該模型對(duì)氣相體積含率進(jìn)行測量,在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),氣相體積含率測量相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。利用常數(shù)建立了雙錐流量計(jì)氣液兩相流總流量測量模型,可對(duì)總流量和液相流量進(jìn)行有效的測量,測量結(jié)果的相對(duì)誤差在±6%以內(nèi)。在干度很小的情況下,氣相流量的測量相對(duì)誤差較大。與V錐流量計(jì)在氣液兩相流相關(guān)參數(shù)的測量結(jié)果(氣相體積含率已確定的條件下,兩相流總質(zhì)量流量的相對(duì)誤差基本在土5%內(nèi))相對(duì)比表明[1]，雙錐流量計(jì)可獲得與V錐流量計(jì)相當(dāng)?shù)木?且在減小流體擾動(dòng)、降低壓力損失和抗壓力沖擊等方面更具有優(yōu)勢。
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