CN105222831A - 一种气液两相流计量装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种气液两相流计量装置，主要由旋流器、整流器、超声探头、超声多普勒流速仪、皮托管、差压传感器、压力传感器、温度传感器以及数据采集计算机等组成。其流量测量方法是：采用旋流器对气液两相流进行管内分离，形成环状液膜区和中心气体区，利用超声多普勒流速仪测量液膜中液体流量，采用皮托管测量气体流量。与现有多相流量计相比，具有体积小、结构紧凑、阻力损失小、测量范围广、测量精度高等优点。

Description

一种气液两相流计量装置和方法

技术领域:

本发明属于流量测量领域，特别是涉及一种测量管道内气液两相流流量和干度的装置和方法。

背景技术:

气液两相流广泛存在于石油、化工、核能等许多工业领域。存在两相流动的系统中两相流体的流量计量一般是难以回避的，也是一直未能很好解决的一个难题。多相流量测量方法按照是否分离以及分离的程度一般可分3种：完全分离，不分离法，以及分流分相方法。

完全分离法是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体后，再通过普通单相流量计进行计量。从而把两相流量的测量转化为单相流量测量，具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响等优点。完全分离方法最大的缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线，这在很大程度上增加了流量计的开发成本。

不分离方法将测量仪表直接置于两相流体中进行测量，发表在JournalofHarbinInstituteofTechnology(Newseries)(2012年，19卷，第1期)论文“StudyonVenturinozzleforgasliquidtwophaseflowmetering”报道了采用单个文丘里喷嘴同时测量气液两相混合物气、液相流量的方法。其缺点是气液两相流通过节流喷嘴时产生较大的压力降，能量损失大。与单相流相比，两相流的一个显著特征就是流动具有强烈的波动性，气液两相在管道截面上的分布形式即流型随着气液相流量在不断变化，会呈现分层流、波浪流、环状流、段塞流等流型。因此直接工作在两相流体中的仪表受两相流波动影响大，测量精度低，测量范围小。

中国专利98113068.2公开了一种分流分相式两相流体测量方法，其原理是被测两相流体流经分配器时被分成两部分:一部分沿原通道继续向下游流动，称这部分流体为主流体，这一回路为主流回路；另一部分两相流体则进入了分离器,称这部分流体为分流体,这一支路为分流体回路。分流体经分离器分离后,气体和液体分别采用气体流量计和液体流量计测量,最后又重新与主流体汇合。被测两相流体的气相流量和液相流量根据它们与分流体气液相流量的比例关系进行计算。如何保证取样流体与被测流体具有完全一致的相分率以及稳定的比例关系，是该方法成功的关键。但气液两相流在取样过程中往往会发生相分离，导致测量误差增加。

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种新型多相流量计量装置和方法，采用旋流器对气液两相流进行管内分离，形成环状液膜区和中心气体区，利用超声多普勒流速仪测量液体流量，采用皮托管测量气体流量。与现有多相流量计量方法相比，具有体积小、结构紧凑、阻力损失小、测量范围广、测量精度高等优点。

发明内容：

本发明涉及一种气液两相流计量装置，包括旋流器、整流器、超声探头、超声多普勒流速仪、皮托管、差压传感器、压力传感器、温度传感器，以及数据采集计算机，旋流器、整流器、皮托管沿气液两相流体流动方向依次布置在待测管道的内部，超声探头与超声多普勒流速仪通过数据线相连，超声多普勒流速仪、差压传感器、压力传感器以及温度传感器分别通过数据线与数据采集计算机相连。

所述的超声探头位于整流器和皮托管之间的待测管道的外壁上，超声探头与管道中气液两相流来流方向的夹角θ为50°～70°，超声探头的端面与管道的外壁之间的空隙用耦合剂填充。

所述的旋流器由中心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片的外缘与待测管道的内壁保持贴合。

所述的整流器由若干个矩形叶片沿待测管道的中心轴线等角度排列组成，矩形叶片的数目不少于3个，矩形叶片的长度为1-2倍待测管道的内径；矩形叶片的外缘与待测管道的内壁保持贴合，整流器的首端与旋流器的末端间距小于1倍管道内径。

所述的皮托管的入口端位于待测管道的轴心线上，皮托管入口端距整流器的末端的间距小于2倍待测管道的内径。

一种气液两相流计量方法，包括如下步骤:

(a)确定待测管道的直径D,超声波在液相中的传播速度C，液相密度ρ_L，以及气液密度ρ_G随温度、压力变化关系式；

(b)采用超声多普勒流速仪测量所发射超声脉冲与液膜中粒子反射回来的超声回波的频率差f_d，进而获得液膜中液相速度V_L分布曲线；

(c)根据液膜速度分布曲线，确定液膜厚度δ；

(d)根据公式计算气液两相流中液相质量流量；

(e)测量皮托管的总压和静压之差ΔP，以及当地静压P_s，气体温度T_G；

(f)根据气体密度随压力温度变化关系式，计算当地气体密度ρ_G；

(g)根据公式计算气相速度；

(h)根据液膜厚度δ，由公式计算气体流通面积；

(i)由公式M_G＝A_G.V_G.ρ_G计算气液两相流中气体质量流量；

(j)由公式M＝M_G+M_L计算气液两相流总质量流量M；

(k)由公式计算气液两相流干度X。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)在旋流叶片作用下，将不同流型转变为液膜均匀分布的环状流，消除了气液两相流流型波动对测量的影响；

(2)气液混合物在管内分离成液膜区和气心区，将气液两相流测量问题转变为单相流测量问题，测量精度高；

(3)不采用节流装置，阻力损失小。

(4)无运动部件，基本无需维护和标定，具有组成简单，生产和运行成本低、操作方便等有点。

附图说明：

图1为本发明组成示意图；

图2为旋流器结构示意图；

图3为整流器结构示意图；

图4为皮托管测量系统示意图；

图5为本发明工作原理示意图；

图6为气液两相流流型调整示意图；

图7为超声多普勒流速仪测量液膜流速分布示意图；

图8液膜中液相速度分布曲线示意图；

图9液膜中液相流量计算示意图；

图10气液两相流流量和干度测量流程图。

具体实施方式:

如图1所示，本发明所述的一种气液两相流量计量装置，主要包括旋流器1、整流器2、超声探头3、超声多普勒流速仪5、皮托管6、差压传感器7以及数据采集计算机9，旋流器1、整流器2、皮托管6沿气液两相流体流动方向依次布置在待测管道11的内部，超声探头3与超声多普勒流速仪5通过数据线相连，超声多普勒流速仪5和差压传感器7分别通过数据线与数据采集计算机9相连。

所述的超声探头3位于整流器2和皮托管6之间的待测管道11的外壁上，超声探头3与待测管道11中气液两相流来流方向的夹角θ为50°～70°。为增强超声透射效果，超声探头3的端面与待测管道11的外壁之间的空隙中填充有耦合剂4。

如图2可知，所述的旋流器1由中心轴12和螺旋叶片13组成，螺旋叶片13的外缘与待测管道11的内壁保持贴合。

如图3可知，所述的整流器2由若干个矩形叶片14沿待测管道11的中心轴线等角度排列组成，矩形叶片14的数目不少于3个，矩形叶片14的长度为1-2倍待测管道11的内径；矩形叶片14的外缘与待测管道11的内壁保持贴合，整流器2的首端与旋流器1的尾部间距小于1倍待测管道11的内径。

所述的皮托管6是通过测量气流总压和静压以确定气流速度的一种管状装置。如图4所示，皮托管6由一个圆头的双层套管组成，外套管在圆头中心处开设有与内套管相连的总压孔15，总压孔15与总压管17相连通。在外套管侧表面沿周向均匀布置若干与外管壁垂直的静压孔16，静压孔16与静压管18相连通。总压管17和静压管18分别通过引压管19与差压传感器7和压力传感器8相连。使用时将皮托管6的入口端安放在待测管道11中心轴线上，使入口端管轴与气流的方向一致，总压孔15正对着来流。皮托管6入口端距整流器2的尾部的间距小于2倍待测管道11的直径。

如图1所示，所述的皮托管6的入口端位于管道11的轴心线上，

本发明工作原理说明如下：

如图5所示，由于旋流器1和整流器2沿气液两相流动方向依次布置在待测管道11的内部，而旋流器1的中心轴12上绕制有螺旋叶片13，螺旋叶片13的外缘保持和待测管道11的内壁保持贴合。当气液两相流通过旋流器1时，被迫沿着螺旋叶片13与待测管道11的内壁及中心轴12所形成的螺旋流道流动，从而发生旋转。因液相密度远大于气相密度，在旋转产生的离心力作用下液体被甩向管内壁，以液膜形式贴着管壁流动，而气体在管中心流动。

在重力作用下，气液在管截面分布呈现明显的不对称性。对于水平气液两相流管路，底部液相较多，而气相主要集中在待测管道11上部。如图6所示，通过整流器2后，分层流、波浪流、半环状流、不对称环状流等流型都调整为液膜沿管周均匀分布的环状流型。

为了消除液膜的旋转运动，提高多普勒流速仪测量精度，采用整流器2对流场进行调整。如图3所示，整流器2由若干个矩形叶片14沿中心轴线均匀布置而成，矩形叶片14数目应不少于3个，矩形叶片14的外缘与待测管道11内壁保持贴合，旋转气液流体通过整流器2时，由于矩形叶片14的阻碍，旋转流体调整为沿待测管道11轴线方向流动。为了保证整流效果的同时，保证液膜沿管周均匀分布，矩形叶片14的最佳长度为1-2倍待测管道11的内径。

进行气液两相流计量所需要的超声信号、压力信号、压差信号、温度信号等均由数据采集计算机9采集和处理。

为了提高检测精度，超声探头要和管内流体流动方向呈一定夹角θ，实验测试表明夹角θ在50°～70°之间效果最好。超声探头3的端面与待测管道11的外壁之间的空隙用耦合剂4填充，以克服空气对测量的影响，增强超声脉冲的透射性能。

超声多普勒流速仪5测量液膜速度分布的原理如图7所示。其利用脉冲超声波回波技术,通过检测流体中分散的微小颗粒反射的回波相位的变化,来测量流体的速度。与超声多普勒流速仪5相连的超声探头3兼有发射和接受超声波的功能。超声探头3发出周期脉冲超声波,并接受被悬浮在液体中的微小颗粒反射的回波,由于运动颗粒的多普勒效应,两次相邻反射的回波间存在相位差,在运动粒子速度远远小于超声传播速度的条件下,多普勒频率差f_d和运动粒子速度v满足如下的关系式：

$v=\frac{C.f_d}{2f_{e}cos\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

式中，v为流体中颗粒速度；C为超声波在液体中的速度；f_e为超声波发射频率；f_d为超声回波的频率差；θ为超声波束轴线与粒子运动轨迹的夹角。液体中粒子运行速度与液体速度相同，因此通过测量相位差f_d,利用式(1)就可以计算出流体的流速。

在管壁处液膜速度为0，在气体的剪切和携带作用下，随着距离管壁速度的增加，液膜速度逐渐发生变化。可见液相速度是径向方向r的函数：

V_L＝f(r)(2)

在气液界面处，由于气液声阻抗差别巨大，超声脉冲在气液界面处基本发生全反射，超声多普勒测速仪5无法测得气相速度，当距离管壁距离大于液膜厚度δ时，速度即变为0。液膜中液相速度分布如图8所示，根据速度沿径向方向的变化曲线可以确定液膜厚度δ的大小。

如图9所示，由于液相全部以液膜形式贴着管壁流动，两相流中的液相体积流量可以用下式计算：

$Q_L={\∫}_{\frac{D}{2}-\mathrm{\δ}}^{\frac{D}{2}}2{\mathrm{\πrV}}_{L}dr---\left(3\right)$

从而液相质量流量计算公式为：

$M_L={\mathrm{\ρ}}_L{\∫}_{\frac{D}{2}-\mathrm{\δ}}^{\frac{D}{2}}2{\mathrm{\πrV}}_{L}dr---\left(4\right)$

由于液膜沿管周厚度一致，均为δ，则气相所占管截面的面积A_G可以用下式计算：

$A_G=\frac{\mathrm{\π}{(D-2\mathrm{\δ})}^2}{4}---\left(5\right)$

如果获知气体流速V_G即可知道两相流中气相流量。V_G通过皮托管6测量获得。通过差压传感器7测量出总压和静压之差ΔP时，气体流速由伯努利定理确定：

$V_G=\sqrt{\frac{2\mathrm{\Δ}P}{{\mathrm{\ρ}}_G}}---\left(6\right)$

从而气相质量流量由下式计算：

M_G＝A_G.V_G.ρ_G(7)

将方程(5)、(6)带入式(7)可得气液两相流中气相质量流量计算式：

$M_G=\frac{\mathrm{\π}}{4}{(D-2\mathrm{\δ})}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}P/{\mathrm{\ρ}}_G}---\left(8\right)$

气体密度ρ_G可由当地压力及温度的函数。压力传感器8测量出当地静压Ps以及温度传感器10测量出气体温度T_G后，气体密度ρ_G即可根据气体状态方程确定。

由于液膜厚度δ已经通过超声多普勒测速仪5测量的液膜速度分布信息中获得，根据差压传感器7测出的总压和静压差ΔP，按照式(8)求出两相流气体质量流量。

已知气液两相流中液相质量流量和气相质量流量后，总质量流量为：

M＝M_G+M_L(9)

气液两相流中干度X可用下式计算；

$X=\frac{M_G}{M_G+M_L}---\left(10\right)$

如图10所示，为了获得待测管道11内气液两相流流量和干度，可按照如下步骤进行:

(a)确定待测管道11的直径D,超声波在液相中的传播速度C，液相密度ρ_L，以及气液密度ρ_G随当地温度T_G、压力P_S的变化关系式；

(b)采用超声多普勒测速仪5测量所发射超声脉冲与液膜中粒子反射回来的超声回波的频率差f_d，进而获得液膜中液相速度V_L沿径向分布曲线；

(c)根据液膜速度分布曲线，确定液膜厚度δ；

(d)根据公式计算气液两相流中液相质量流量M_L；

(e)测量皮托管6总压和静压之差ΔP，以及静压P_s，气体温度T_G；

(f)根据气体密度随压力温度变化关系式，计算当地气体密度ρ_G；

(g)由公式计算气相速度V_G；

(h)根据液膜厚度δ，由公式计算气体流通面积A_G；

(i)由公式M_G＝A_G.V_G.ρ_G计算气液两相流中气体质量流量M_G；

(j)由公式M＝M_G+M_L计算气液两相流总质量流量M；

(k)由公式计算气液两相流干度X。

Claims (6)

1.一种气液两相流计量装置，其特征在于：包括旋流器(1)、整流器(2)、超声探头(3)、超声多普勒流速仪(5)、皮托管(6)、差压传感器(7)、压力传感器(8)、温度传感器(10)以及数据采集计算机(9)，旋流器(1)、整流器(2)、皮托管(6)沿气液两相流体流动方向依次布置在待测管道(11)的内部，超声探头(3)与超声多普勒流速仪(5)通过数据线相连，超声多普勒流速仪(5)、差压传感器(7)、压力传感器(8)以及温度传感器(10)分别通过数据线与数据采集计算机(9)相连。

2.根据权利要求1所述的一种气液两相流计量装置，其特征在于：所述超声探头(3)位于整流器(2)和皮托管(6)之间的待测管道(11)的外壁上，超声探头(3)与待测管道(11)中气液两相流来流方向的夹角θ为50°～70°，超声探头(3)的端面与管道(11)的外壁之间的空隙中填充有耦合剂(4)。

3.根据权利要求1所述的一种气液两相流计量装置，其特征在于：所述的旋流器(1)由中心轴(12)和螺旋叶片(13)组成，螺旋叶片(13)的外缘与待测管道(11)的内壁保持贴合。

4.根据权利要求1所述的一种气液两相流计量装置，其特征在于：所述的整流器(2)由若干个矩形叶片(14)沿待测管道(11)的中心轴线等角度排列组成，矩形叶片(14)的数目不少于3个，矩形叶片(14)的长度为1-2倍待测管道(11)的内径；矩形叶片(14)的外缘与待测管道(11)的内壁保持贴合，整流器(2)的首端与旋流器(1)的末端间距小于1倍待测管道(11)的内径。

5.根据权利要求1所述的一种气液两相流计量装置，其特征在于：所述的皮托管(6)的入口端位于待测管道(11)的轴心线上，皮托管(6)入口端距整流器(2)的末端的间距小于2倍待测管道(11)的内径。

6.一种气液两相流计量方法：其特征在于包括如下步骤:

(a)确定待测管道直径D,超声波在液相中的传播速度C，液相密度ρ_L，以及气液密度ρ_G随温度、压力变化关系式；

(b)采用超声多普勒流速仪测量所发射超声脉冲与液膜中粒子反射回来的超声回波的频率差f_d，进而获得液膜中液相速度V_L沿径向分布曲线；

(c)根据液膜速度分布曲线，确定液膜厚度δ；

(d)根据公式计算气液两相流中液相质量流量；

(e)测量皮托管总压和静压之差ΔP，以及静压P_s，气体温度T_G；

(f)根据气体密度随压力温度变化关系式，计算当地气体密度ρ_G；

(g)由公式计算计算气相速度；

(h)根据液膜厚度δ，由公式计算气体流通面积；

(i)由公式M_G＝A_G.V_G.ρ_G计算气液两相流中气体质量流量；

(j)由公式M＝M_G+M_L计算气液两相流总质量流量M；

(k)由公式计算气液两相流干度X。