CN104614029A - 一种基于pvt法的小通道气液两相流流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。该装置由两相流控制系统与两相流参数测量系统两部分组成。在参数测量系统中采用两组温度、压力传感器对小通道上下游位置进行压力温度测量，同时利用两组光电传感器测量两相流流速,气液两相流参数信号由NI采集模块采集后输入微型计算机。将测得的参数进行处理便可求解出各相流体的流量。本发明稳定性好,结构简单，具有较高的检测精度,为小通道气液两相流流量测量提供了一种新的方法,也为小通道气液两相流其它参数的测量提供了一种借鉴。

Description

一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法

技术领域

本发明属于多相流流量测量领域,涉及一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。

背景技术

气液两相流在自然界与工业生产中涉及范围十分广泛,例如,工业中的湿蒸汽传输、石油分离、蒸汽压缩等。同时，随着微化工技术的发展，微化工工程在工业生产中受到了广泛重视。因此,微小通道气液两相流流动特性研究受到国内外学者重视，微小管道气液两相流参数测量也成为一个重要的研究方向。

常规管道测量气液两相流流量的方法和理论对于管径尺寸小，表面张力、粘度作用显著的小通道两相流系统并不适用,这使得小管道两相流参数测量始终是一个较为困难的问题,对此国内外众多研究人员多年来已经进行了大量的研究工作。小通道气液两相流的参数有流型、流速、相含率以及流量，其中流量作为描述流动特性比较重要的参数，一直受到国内外学者的重视。然而，关于小管道气液两相流流量的测量，现有的报道还很少。

发明内容

本发明的目的是针对小管道气液两相流流量的测量技术缺乏的问题，提供一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。

基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置包括两相流控制系统与两相流参数测量系统两部分，两相流控制系统包括水罐、氮气罐、液体转子流量计、气体转子流量计、第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、混相器；水罐、液体转子流量计、第一压力传感器、第一温度传感器、混相器第一入口顺次相连，氮气罐、气体转子流量计、第二压力传感器、第二温度传感器、混相器第二入口顺次相连，两相流参数测量系统包括第一光电传感器组、第一光学仪器组、第一激光源、第一压力传感器、第一温度传感器、NI采集模块、微型计算机、透明小通道、第二光电传感器组、第二光学仪器组、第二激光源、第二压力传感器、第二温度传感器；混相器出口、第一光电传感器组、第一压力传感器、第一温度传感器、透明小通道、第二光电传感器组、第二压力传感器、第二温度传感器顺次相连，第一激光源经第一光学仪器组与第一光电传感器组相连，第二激光源经第二光学仪器组与第二光电传感器组相连，传感器的信号经NI采集模块采集后输入到微型计算机。

基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法的步骤如下:

(1)让氮气和水流入传输管道，并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17)；

(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)分别对氮气和水进行测量，得到它们混相前的流量、压力和温度参数Q_g,P_g,T_g,Q_l,P_l,T_l；

(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光，经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上，穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收，第二激光源(20)发出激光，经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上，穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收，用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16)，获得两个检测点的两组电信号S₁(t),S₂(t)；S₃(t),S₄(t)；

(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速，公式如下：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }{\∫}_0^T{S}_1\left(t\right)S_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中S₁(t),S₂(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号，光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得，当τ＝τ₀时,R(τ)最大，由公式:

v₁＝L/τ₀

便算出气液两相流流速，其中，v₁为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速，L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离，τ₀为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间，同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v₂；

(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下：

Q_g1+Q_l1＝V₁＝v₁A

Q_g2+Q_l2＝V₂＝v₂A

其中Q_g1,Q_g2,Q_l1,Q_l2分别为上下游两相流的气相和液相流量，V₁，V₂为上下游总体积流量，v₁,v₂为上下游流体速度，A为小通道截面面积；

(6)用第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量，得到它们的压力和温度参数P₁,T₁,P₂,T₂；

(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程，因此将测得的上下游两相流参数代入方程，便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示：

$\frac{P_1{Q}_{g1}}{T_1}=\frac{P_2{Q}_{g2}}{T_2}=\frac{P_g{Q}_g}{T_g}$

其中P₁,P₂,T₁,T₂分别为上下两个检测点的压力与温度，Q_g1,Q_g2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量，P_g,Q_g,T_g分别为该气相混相前的压力、流量、温度，由于液体的不可压缩性，并且忽略他的热膨胀性，在本实验中可以认为：

Q_l1＝Q_l2＝Q_l

其中，Q_l1,Q_l2分别为两个检测点处的液相流量，Q_l为该液相混相前的流量，

从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为：

$Q_{g1}=\frac{(v_2-v_1){\mathrm{AT}}_1{P}_2}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

$Q_{g2}=\frac{(v_2-v_1){\mathrm{AT}}_2{P}_1}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

$Q_{l1}=\frac{v_1{\mathrm{AP}}_1{T}_2-v_2{\mathrm{AT}}_1{P}_2}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

由于气液两相流在上下游距离接近，流体摩擦引起的温度变化可以忽略，因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近，假设气液两相流温度不发生变化，即：

T_g＝T_l＝T₁＝T₂

其中，T_g,T_l分别为气体和液体混相前的温度，

则气液两相流流量可以简化为：

$Q_{g1}=\frac{(v_2-v_1)A{P}_2}{P_1-P_2}$

$Q_{l1}=\frac{v_1{\mathrm{AP}}_1-v_2{\mathrm{AP}}_2}{P_1-P_2}.$

本发明设计了一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法，不仅稳定性好,结构简单，而且具有较高的检测精度,为小通道气液两相流流量测量提供了一种新的方法,也为小通道气液两相流其它参数的测量提供了一种借鉴。

附图说明

图1是基于PVT的小通道气液两相流流量测量装置结构示意图；

图2是用小通道气液两相流流量测量装置测量两相流流量的流程图；

图3(a)是上游光电传感器电压信号示意图；

图3(b)是电压信号互相关参数示意图；

图4是PVT法测量液相流量结果示意图。

具体实施方式

如图1所示,基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置包括两相流控制系统与两相流参数测量系统两部分，两相流控制系统包括水罐1、氮气罐2、液体转子流量计3、气体转子流量计4、第一压力传感器5、第二压力传感器6、第一温度传感器7、第二温度传感器8、混相器9；水罐1、液体转子流量计3、第一压力传感器5、第一温度传感器7、混相器9第一入口顺次相连，氮气罐2、气体转子流量计4、第二压力传感器6、第二温度传感器8、混相器9第二入口顺次相连，两相流参数测量系统包括第一光电传感器组10、第一光学仪器组11、第一激光源12、第一压力传感器13、第一温度传感器14、NI采集模块15、微型计算机16、透明小通道17、第二光电传感器组18、第二光学仪器组19、第二激光源20、第二压力传感器21、第二温度传感器22；混相器9出口、第一光电传感器组10、第一压力传感器13、第一温度传感器14、透明小通道17、第二光电传感器组18、第二压力传感器21、第二温度传感器22顺次相连，第一激光源12经第一光学仪器组11与第一光电传感器组10相连，第二激光源20经第二光学仪器组19与第二光电传感器组18相连，传感器的信号经NI采集模块15采集后传输到微型计算机16。

本发明测量的是小通道内气液两相流中各相的流量，氮气罐与水罐中的氮气和水分别进入传输管道，各相流经过混相器9混合后形成均匀的两相流，再进入透明小管道17进行检测，最后流进水槽。

在氮气和水经过混相器9之前，在传输管道上分别用压力传感器5、6和温度传感器7、8对其进行测量，得到氮气和水的压力和温度,用液体流量计3和气体流量计4测量它们的流量。当它们经混相器9混合均匀形成多相流后，在透明小通道的上下游设置两个检测点,激光源12、20发出的激光进入光学仪器11、19，它是由分光棱镜和平面镜组成，可将进来的激光分成两束平行的相干光照射到透明小通道上，透过小通道的激光分别用光电传感器10、18对其进行检测，并对得出的电信号进行处理求出多相流的流速，进而可以求出流体的流量。同时，在检测点分别用压力传感器13、21和温度传感器14、22对其进行检测，得到多相流的压力和温度参数。最后利用PVT法可以分别得到气相和液相的流量。

如图2所示,基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法的步骤如下:

(1)让氮气和水流入传输管道，并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17)；

(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)分别对氮气和水进行测量，得到它们混相前的流量、压力和温度参数Q_g,P_g,T_g,Q_l,P_l,T_l；

(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光，经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上，穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收，第二激光源(20)发出激光，经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上，穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收，用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16)，获得两个检测点的两组电信号S₁(t),S₂(t)；S₃(t),S₄(t)；

(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速，公式如下：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }{\∫}_0^T{S}_1\left(t\right)S_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中S₁(t),S₂(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号，光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得，当τ＝τ₀时,R(τ)最大，由公式:

v₁＝L/τ₀

便算出气液两相流流速，其中，v₁为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速，L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离，τ₀为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间，同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v₂；

(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下：

Q_g1+Q_l1＝V₁＝v₁A

Q_g2+Q_l2＝V₂＝v₂A

其中Q_g1,Q_g2,Q_l1,Q_l2分别为上下游两相流的气相和液相流量，V₁，V₂为上下游总体积流量，v₁,v₂为上下游流体速度，A为小通道截面面积；

(6)用第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量，得到它们的压力和温度参数P₁,T₁,P₂,T₂；

(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程，因此将测得的上下游两相流参数代入方程，便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示：

$\frac{P_1{Q}_{g1}}{T_1}=\frac{P_2{Q}_{g2}}{T_2}=\frac{P_g{Q}_g}{T_g}$

其中P₁,P₂,T₁,T₂分别为上下两个检测点的压力与温度，Q_g1,Q_g2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量，P_g,Q_g,T_g分别为该气相混相前的压力、流量、温度，由于液体的不可压缩性，并且忽略他的热膨胀性，在本实验中可以认为：

Q_l1＝Q_l2＝Q_l

其中，Q_l1,Q_l2分别为两个检测点处的液相流量，Q_l为该液相混相前的流量，

从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为：

$Q_{g1}=\frac{(v_2-v_1){\mathrm{AT}}_1{P}_2}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

$Q_{g2}=\frac{(v_2-v_1){\mathrm{AT}}_2{P}_1}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

$Q_{l1}=\frac{v_1{\mathrm{AP}}_1{T}_2-v_2{\mathrm{AT}}_1{P}_2}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

由于气液两相流在上下游距离接近，流体摩擦引起的温度变化可以忽略，因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近，假设气液两相流温度不发生变化，即：

T_g＝T_l＝T₁＝T₂

其中，T_g,T_l分别为气体和液体混相前的温度，

则气液两相流流量可以简化为：

$Q_{g1}=\frac{(v_2-v_1)A{P}_2}{P_1-P_2}$

$Q_{l1}=\frac{v_1{\mathrm{AP}}_1-v_2{\mathrm{AP}}_2}{P_1-P_2}.$

如图3所示，上游光电传感器获得的两个电压信号以及互相关参数示意图。从图3(a)可以看到，而且两组信号具有很明显的相关性，从图3(b)中可以看到，所选的两个光电池电压信号渡越时间为0.039ms，根据渡越时间可以计算出气液两相流流速。

如图4所示，PVT法测量液相流量测量值与参考值关系示意图。在本实验中，由于液相流量控制比气相流量更稳定、精确，因此采用液相转子流量计测量的流量作为实验测量的参考值。其中气相流量变化范围为30ml/min～60ml/min，液相流量变化范围为40ml/～100ml/min。从图4可以看出，在气相流量为60ml/min条件下，利用PVT法测量小管道气液两相流液相流量最大误差均在10％以内。而且，当液相流量低于80ml/min时，液相流量测量相对误差较小；当液相流量高于80ml/min时，相对误差较大。

实验结果表明本发明所提出的基于PVT的小通道气液两相流流量测量装置及方法是有效的，其测量两相流液相流量最大误差在10％左右。

Claims (2)

1.一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置，其特征在于:包括两相流控制系统与两相流参数测量系统两部分，两相流控制系统包括水罐(1)、氮气罐(2)、液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)、混相器(9)；水罐(1)、液体转子流量计(3)、第一压力传感器(5)、第一温度传感器(7)、混相器(9)第一入口顺次相连，氮气罐(2)、气体转子流量计(4)、第二压力传感器(6)、第二温度传感器(8)、混相器(9)第二入口顺次相连，两相流参数测量系统包括第一光电传感器组(10)、第一光学仪器组(11)、第一激光源(12)、第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、NI采集模块(15)、微型计算机(16)、透明小通道(17)、第二光电传感器组(18)、第二光学仪器组(19)、第二激光源(20)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)；混相器(9)出口、第一光电传感器组(10)、第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、透明小通道(17)、第二光电传感器组(18)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)顺次相连，第一激光源(12)经第一光学仪器组(11)与第一光电传感器组(10)相连，第二激光源(20)经第二光学仪器组(19)与第二光电传感器组(18)相连，传感器的信号经NI采集模块(15)采集后传输到微型计算机(16)。

2.一种使用如权利要求1所述装置的基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法,其特征在于，方法的步骤如下:

(1)让氮气和水流入传输管道，并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17)；

(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)分别对氮气和水进行测量，得到它们混相前的流量、压力和温度参数Q_g,P_g,T_g,Q_l,P_l,T_l；

(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光，经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上，穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收，第二激光源(20)发出激光，经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上，穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收，用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16)，获得两个检测点的两组电信号S₁(t),S₂(t)；S₃(t),S₄(t)；

(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速，公式如下：

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{T\→\∞}{\lim }{\∫}_0^T{S}_1\left(t\right)S_2(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

其中S₁(t),S₂(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号，光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得，当τ＝τ₀时,R(τ)最大，由公式:

v₁＝L/τ₀

便算出气液两相流流速，其中，v₁为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速，L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离，τ₀为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间，同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v₂；

(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下：

Q_g1+Q_l1＝V₁＝v₁A

Q_g2+Q_l2＝V₂＝v₂A

其中Q_g1,Q_g2,Q_l1,Q_l2分别为上下游两相流的气相和液相流量，V₁，V₂为上下游总体积流量，v₁,v₂为上下游流体速度，A为小通道截面面积；

(6)用第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量，得到它们的压力和温度参数P₁,T₁,P₂,T₂；

(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程，因此将测得的上下游两相流参数代入方程，便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示：

$\frac{P_1{Q}_{g1}}{T_1}=\frac{P_2{Q}_{g2}}{T_2}=\frac{P_g{Q}_g}{T_g}$

其中P₁,P₂,T₁,T₂分别为上下两个检测点的压力与温度，Q_g1,Q_g2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量，P_g,Q_g,T_g分别为该气相混相前的压力、流量、温度，由于液体的不可压缩性，并且忽略他的热膨胀性，在本实验中可以认为：

Q_l1＝Q_l2＝Q_l

其中，Q_l1,Q_l2分别为两个检测点处的液相流量，Q_l为该液相混相前的流量，

从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为：

$Q_{g1}=\frac{(v_2-v_1)A{T}_1{P}_2}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

$Q_{g2}=\frac{(v_2-v_1)A{T}_2{P}_1}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

$Q_{l1}=\frac{v_{1}A{P}_1{T}_2-v_{2}A{T}_1{P}_2}{P_1{T}_2-T_1{P}_2}$

由于气液两相流在上下游距离接近，流体摩擦引起的温度变化可以忽略，因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近，假设气液两相流温度不发生变化，即：

T_g＝T_l＝T₁＝T₂

其中，T_g,T_l分别为气体和液体混相前的温度，

则气液两相流流量可以简化为：

$Q_{g1}=\frac{(v_2-v_1)A{P}_2}{P_1-P_2}$

$Q_{l1}=\frac{v_{1}A{P}_1-v_{2}A{P}_2}{P_1-P_2}.$