CN106323365A - 基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置包括：测量管道(1)、空间敏感阵列(2)、敏感电场激励单元(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)、控制计算机(5)、压差流量计(7)。

Description

基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置

技术领域

本发明涉及流体测量领域，具体是一种基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

背景技术

工程上广泛存在着两相流的流动现象，其中以气液两相流最为普遍。例如石油输运管道内、水轮机转子周围、大气云层内的对流等，都属于气液两相流流动。通过两相流流动流动参数进行测量，了解其特性及变化规律，对于相关科研、设计以及生产具有十分重要的意义。与单相流相比，两相流由于在相界面各相间存在传质，甚至化学反应，而且在时间、空间上随机可变，使得诸如各相含量、流速、流量以及总体速度、流量等流动参数的检测更具复杂性，难度很大。迄今为止，已有的检测技术和方法大多是建立在单相传感器基础上的检测手段，获得的信息量小，而且无法对两相流的整体特性进行实时观测描述。气液两相流的测量涉及的参数以及表现形式如下：

1.流量

(1)气液两相流的质量流量：

G＝G_g+G_l，

其中，G总质量流量；G_g和G_l分别为气相和液相质量流量。

(2)气液两相流的体积流量：

Q＝Q_g+Q_l，

其中，Q总体积流量；Q_g和Q_l分别为气相和液相体积流量。

2.流速

(1)气液分相速度

$w_g=\frac{Q_g}{A_g};w_l=\frac{Q_l}{A_l},$

其中，w_g和w_l分别为气相和液相分速度；A_g和A_l分别为气相和液相流体通过的截面积。

(2)气液分相表观速度

$w_{sg}=\frac{Q_g}{A};w_{sl}=\frac{Q_l}{A},$

w_sg和w_sl分别为气相和液相表观速度；流通截面积

A＝A_g+A_l。

3.密度

(1)流动密度

${\mathrm{\ρ}}_f=\frac{G}{Q}.$

(2)真实密度

ρ＝αρ_g+(1-α)ρ_l，

其中，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相流体密度；α是截面含气率，也称空隙率。

4.分相含率

(1)截面含气率(空隙率)

$\mathrm{\α}=\frac{A_g}{A}.$

(2)容积含气率

$\mathrm{\β}=\frac{Q_g}{Q}.$

(3)质量含气率

$\mathrm{\χ}=\frac{{\mathrm{\β\ρ}}_g}{{\mathrm{\β\ρ}}_g+(1-\mathrm{\β}){\mathrm{\ρ}}_l}.$

随着工业生产中对于两相流流动的计量、控制方面的更高要求，需要开发一种能够同时测量获得气液两相流中各相含量、流速和流量，以及总体平均速度、流量的装置。

电阻层析成像技术(ERT，Electrical Resistance Tomography)成为气液两相流测量的新方法，具有可视化、非接触、无辐射、低成本等优点。具体在气液两相流测量中的应用原理是：在管道着容器的周边布置空间敏感电极阵列，在一处加上激励电流，形成敏感电场。由于气液两相的导电率不同，在流动时，各相含量和分布的不断变化，引起两相流体复合电导率的变化，使电流场的分布也随之变化，导致场内电势分布的变化，从而场域边界上的测量电压也要发生变化。从空间敏感电极阵列上获得的测量数据反映出整个管道截面上电导率的变化信息，这些数据输入计算机并通过某种图像重建算法，就可以重建出场内的电导率分布，得到两相含量的分布。连续的测量还可以得到前述气液两相流的分相各相速度和流量，如果配以多个其他类型的传感器，实现组合测量，则可以获得完整的气液两相流的流动参数。

本发明提供一种基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置，可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。

发明内容

本发明提供一种基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置。该方法和装置可以识别气液两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。图1是基于电阻层析成像技术的气液两相流测量装置的布局图。图中所示，该装置包括：测量管道(1)、空间敏感阵列(2)、敏感电场激励单元(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)、控制计算机(5)、压差流量计(7)。其连接关系是：

空间敏感阵列(2)均匀分布在被测气液两相流流动的测量管道(1)的周边；

敏感电场激励单元(3)连接空间敏感阵列(2)；

空间敏感阵列(2)连接数据采集与处理系统(4)；

数据采集与处理系统(4)连接图像重建系统(5)；

压差流量计(7)位于测量管道(1)上，在测量管道(1)的下游；

控制计算机(5)连接空间敏感阵列(2)、敏感电场激励单元(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)。

图2是电阻层析成像技术测量气液两相流的各相含量的原理图。图中表示，测量管道(1)是管状，其截面呈圆形，沿着测量管道壁面(8)的圆周均匀安置由多个金属电极(9)组成空间敏感阵列。测量的过程中，敏感电场激励单元(3)给金属电极(9)施加激励电流，空间敏感阵列在交流电流的激励下，形成一个可以从不同的观测角度扫描整个圆形截面的空间敏感电场。测量管道内气液两相流流动时，各相含量和分布的不断变化，即气泡(10)和液体(11)的大小、位置不断变化，引起两相流体复合电导率的变化，使电流场的分布也随之变化，内部电导率的分布和变化对空间敏感场产生调制作用，使空间敏感阵列输出相应的信号。数据采集与处理系统(4)测量其他电极上的电压，输入到图像重建系统(6)，利用图像重建算法，根据计算敏感电场内部电导率的分布，进行数据处理，获得两相流流场的二维或三维不同电导率分布以及变化的时间历程，进而获得测量管道某个截面上不同电导率的分布得出流场内的各相含量。以还原的图像(12)显示出来。

附图说明

图1是基于电阻层析成像技术的气液两相流测量装置的布局图；图中，1测量管道、2空间敏感阵列、3敏感电场激励单元、4数据采集与处理系统、5控制计算机、6图像重建系统、7压差流量计。

图2是电阻层析成像技术测量气液两相流的各相含量的原理图；图中，3敏感电场激励单元、4数据采集与处理系统、5控制计算机、6图像重建系统、8测量管道壁面、9金属电极、10气泡、11液体、12还原的图像。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置的原理和结构。该方法和装置用于测量空气-水两相流的各相含量、速度和流量，以及总体平均速度、流量。该装置中的部件组成和连接关系与图1相同。

具体实施方式中，

测量管道(1)的截面为圆形、为长度为1m、内径为50mm、壁厚10mm、材料为有机玻璃。水平放置。沿着圆周方向由16个安装孔，孔径3mm；

空间敏感阵列(2)由16个金属钛电极构成，电极呈圆柱形，直径3mm，均匀安装在测量管道(1)沿圆周方向的16个安装孔内。金属钛电极不穿透测量管道壁厚；

敏感电场激励单元(3)的工作模式为相邻正弦电流激励。对空间敏感阵列(2)中的一对电极施加激励电流；

数据采集与处理系统(4)测量空间敏感阵列(2)其他电极上的电压，输入到图像重建系统(6)；

图像重建系统(6)利用图像重建算法，根据计算敏感电场内部电导率的分布，进行数据处理，获得气-水两相流流场的二维截面上的不同电导率分布，同时输出还原的图像空气-水成分在二维圆形截面上的分布图像；

控制计算机(5)连接、控制空间敏感阵列(2)、敏感电场激励单元(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)的运行，同时规定数据采集与处理系统(4)的连续的采样间隔，从而获得空气-水的分相速度；

压差流量计(7)在测量管道(1)的下游，测量总流量。

Claims (2)

1.一种基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置，该装置包括

测量管道(1)、空间敏感阵列(2)、敏感电场激励单元(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)、控制计算机(5)、压差流量计(7)，上述部件的连接关系是：

空间敏感阵列(2)连接测量管道(1)；

敏感电场激励单元(3)连接空间敏感阵列(2)；

空间敏感阵列(2)连接数据采集与处理系统(4)；

数据采集与处理系统(4)连接图像重建系统(5)；

压差流量计(7)位于测量管道(1)上，在测量管道(1)的下游；

控制计算机(5)连接空间敏感阵列(2)、敏感电场激励单元(3)、数据采集与处理系统(4)、图像重建系统(6)。

2.根据权利要求l所述的一种基于电阻层析成像技术的气液两相流测量方法和装置，其特征在于，所述的空间敏感阵列(2)由多个金属电极构成，均匀分布在被测气液两相流流动的测量管道(1)的周边。