CN1065724A - 气液两相管流流量测量方法与装置 - Google Patents
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Abstract
一种气、液两相管流流量测量方法与装置，用于
较长气、液两相流管线内气、液体积流量的直接在线
测量。它是用一条上坡后再下坡的特殊管路使上坡
管内产生间歇性流动，阻断液塞后的液膜流动，并且
形成具有一致流速分布的液塞前锋液面。用安装于
上坡管上的两个泡状流空泡份额传感器获得有关参
数，通过信号处理、数据采集及运算系统，进行必要的
计算和修正，则可实现气、液体积流量的测量。本发
明结构简单，测量范围广，其精度完全能满足工程实
际应用。
Description
本发明涉及流体流量测量领域中测量气（汽）液两相管流体积流量的一种方法与装置。
气、液两相流流量测量是化工、能源、石油等工程领域中迫切要解决的问题。现有技术中测量与单相流性质差别较大的气、液流动流量中，被广泛应用的且唯一能满足工程应用要求的方法是分离法。即先利用气、液密度差性质，使它们在大容器或其他形式的分离器内分离，然后用单相流流量测试方法分别单独测量气、液流量。显然这种方法需要分离器，单相气、液流量测试系统，切换流道的管路系统，各种液面控制设备等，整个系统庞大、复杂。如要实现自动化面临一系列困难。为了解决这一问题，在工程实际中，单相流流量测量方法有时也被扩展用于气、液两相流量测量，但是除了极少的流动特性与单相流性质相近的气、液流动之外，绝大部分两相流动流量测量用此方法则无法实现。这是因为，对于比较长的管道（十米以上），气、液两相流动绝大多数是间歇性的，并且长管内的气液流动是非常可压缩的，故间歇性流动在测量元件处产生的压力扰动将导致流动速度的剧烈波动。因此，单相流方法是不适用于这种间歇周期变化极大的流动的。因而也就不能用于实际工程中的长管道的气、液流动。
为了解决这一问题，新发展的气、液两相流测量方法是相关法，即用两个气、液两相流空泡份额传感器获得直管道上，一般是竖直管道上，上、下游两管截面上的各相截面含量（空泡份额或含气率），然后对上、下游空泡份额信号进行相关分析，获得平均速流，根据空泡份额及平均流速获得气、液体积流量。参见徐苓安：《相关流量测量技术》，天津大学出版社 1988年。SCOTT，R·W·W;New Flow Measurement in the mid 80S international conference;a review，Measurement+control，Flow Measurement Special Issue，June 1986，PP.75～79。但是这种方法目前无法测量分离流结构。这种流动结构存在于除完全分散流流型（泡状流或者雾状流）以外的所有其他气、液两相流流型中，即存在于几乎所有的工程实际流动中。这种流动结构中两相之间速度差别极大，相截面份额也很难准确测量。参见：Hagiwara，Y：Simultaneous Measurement of Liguid Film Thickness，Wall Shear Stress and Gas Flow Turbulence of Horizontal Wavy Two-Phase Flow;Int.J.Multiphase Flow;Vol 15，No.3，PP.421～431，1989。另外，相关分析所获得的相关速度一般是两相流中的结构传播速度而不是混合物平均速度，而且这种方法仅适用于竖直管内的流动测量。总之，除了古老的分离法外，现有技术中没有任何更简单，且能满足实际工程应用要求的、比较长管内的气、液两相管流体积流量测量的方法。
本发明的目的和任务是提供一种结构简单，测量精度满足工程应用要求的测量装置与方法，实现比较长的气、液两相流管线的气、液体积流量直接在线测量。
本发明是这样实现的：其测量装置包括测量管路，上、下游空泡份额传感器，信号处理系统和数据采集及运算系统组成。所述的测量管路是一条由上坡管和大坡度下坡管连接而成的特殊管路，所述上、下游空泡份额传感器安装在上、下坡管连接处附近的上坡管上。利用上述测量装置使上坡管内产生间歇性流动，阻断液塞后的液膜流动，并且在上坡管内形成具有一致流速分布的液塞前锋液面;通过检测液塞的存在及其含气率，测出气、液两相流混合物速度，液塞液体截面份额及液塞占据传感器的时间份额;并通过对流过连接处最长液膜长度的限制以及液膜流量计算和气、液平均流速的修正，即可测得气、液两相流体积流量。
本发明与现有技术相比，不仅具有结构简单，系统安全可靠，测量范围广等特点，而且由于利用了特殊形式管路内气、液两相流动特性，从而有效地解决了两相流流型变化、分离流结构难以测量，结构传播速度易与混合物平均流速混淆，速度、压力剧烈波动等困难，有效地实现了比较长的气、液两相流管线的气、液体积流量的直接在线测量。该发明还充分考虑了两相流本身的流动特性及工程应用中气、液两相流流型多变的现象，对所测参数进行了必要的计算和修正，因而与现有技术相比，提高了测量精度，使测量结果完全能满足工程的实际应用。
本发明的具体结构与实施方法由以下的附图、实施例及计算公式给出。
附图为本发明的结构原理示意图。
下面结合附图详细描述该发明的具体实施。
整个测量装置包括一条由上坡管[9]通过连接处[13]和大坡度下坡管[10]形成的特殊管路，安装在连接处附近的上坡管上的上、下游两个空泡份额传感器A[1]和B[2]，以及信号处理系统[11]和数据采集及运算系统[12]。其中，上坡管[9]的坡度最佳为0.25～0.4，其长可为4～8米;下坡管[10]的坡度最佳为0.5～1，管径D与所测流动管线相同。传感器A和B采用泡状流空泡份额传感器，可用任何现有的声、光、电传感器，两个上、下游传感器的距离为4～8D。泡状流空泡份额测试系统，信号处理放大和数据采集及运算系统均为现有技术。
利用上述测量装置及系统，在所需要测的流量范围内，使上坡管内产生间歇性流动，它是由一段段间断的含或不含小气泡的液塞[5]和大气泡[6]组成，大气泡下有液膜[8]流动。当一个液塞经过连接处[13]后，随后的液膜流动在重力作用下将不能继续上坡而使大部分液膜被阻止，不能通过连接处。这使得我们不用测量间歇性流动中的分离流结构，从而避免了现有技术中不能解决的问题。当一个液塞经过连接处后，随后液膜倒流[7]使靠近连接处的。一段上坡管内没有液体存在，使随后到来的液塞经过该段上坡管时，形成了一个具有一致流速分布的液塞前锋液面[3]，它的移动速度就是混合物平均流速UM，并且它与液体的流体力学性质无关。而液塞尾部[4]，即大气泡顶部的移动速度则是间歇流结构传播速度UT。液塞是一个近似于均匀泡状流的含小气泡液柱，在靠近连接处的上坡管上安装两个泡状流空泡份额传感器A[1]和传感器B[2]，检测液塞的存在及其含气率（1-RS），则可测出气、液两相流混合物平均速度UM，液塞液体截面份额RS及液塞占据传感器的时间份额TSi。然后再通过对流过连接处[13]的最长液膜长度的限制以及液膜流量计算和平均流速的修正，则可准确获得气、液体积流量。
即：混合物平均流速：UM＝LAB/（TDB-TDA） （1）
间歇流结构传播速度：UT＝LAB/（TLB-TLA） （2）
液体体积流量： 
气体体积流量：QG＝A（UM+u）-QL（4）
上列式中，LAB是上、下游两传感器之间距离;TD、TL分别是液塞到达和离开某传感器时间;A是管道截面积;Tsi＝TiLA-TiDA是在测量时间T内第i个液塞占据传感器A的时间间隔，QFi是第i个液塞后跟随的液膜流量，u是对平均流速的修正值。
下面是对流过连接处最长液膜长度和液膜流量的计算和平均流速的修正方法。
忽略液膜流动所有摩擦力作用，并用假想的方形管道替代圆形管道考虑管截面上的静水压力项，则液膜流动在x＝UT·t-z动动坐标上（z为管轴向静坐标）的动量方程为：
[（C2R2 S/R3 F）-0.9（Cosβ/Fr）]dRF＝（Sinβ/Fr）·d（x/D） （5）
上式中，C＝UT/UM-1，RF为液膜截面积份额;β是上坡管仰角;Fr＝U2 M/gD，D是管径。积分上式有：
1/2 C2R2 S[（1/R2 F）-（1/R2 S）]＝0.9（Cosβ/Fr）（RS-RF）+（Sinβ/Fr）·（LF/D） （6）
根据液膜流动的连续性：液膜流速UF＝[1+C-（CRs/RF）·UM;在连接处UF＝0，表示液膜流过连接处结束，此时有RF＝CRs/（1+C），对应液膜长度LFO为流过连接处最长液膜长度：
LFO/D＝[1/2（1+2C）Fr-0.9Cosβ·（Rs/1+C）]/Sinβ （7）
液塞经过连接处后，随后流过连接处的液膜截面积和速度是无法探测的。但其占总液流量的份额又是不可忽略的，特别是对高速流动而言。一长度LF＜LFO的液膜流过连接处的液体流量QF应为：
考虑到UTdt＝dx及式（6）得到的RF的近似式，可有：
如果LF＞LFO，则上式中LF应由LFO替代。
当一个液塞通过连接处[13]离开上坡管[9]时，液塞加在上游管线的液柱静水压不断变小使流动加速。而所测液塞前锋液面[3]移动速度是流动加速之前的气、液混合物速度，故液塞[5]流过连接处的平均速度应等于液塞中部流过连接处的速度。
认为整个管线中流动是均匀混合的气、液两相流动，并且认为管线长度大于压力传播长度，则应用简单波区域一维可压缩不定常流动方程组特征线上的关系式，可计算出液塞中部流过连接处的流度等于测速液塞前锋液面速度UM与下面的修正值u之和：
其中：Po为管道系统压力;ρL为液体密度;LS是测速液塞长度，当LS超过上坡管长度时，应用上坡管长度代替。另外，空泡份额αG应相当于所有大气泡总长度与管线总长度之比，可用下式计算：
αG＝QG/（QL+QG） （10）
Claims (6)
1、一种测量气、液两相管流流量的测量装置，它包括测量管道，上、下游空泡份额传感器、信号处理系统[11]及数据采集运算系统[12]，其特征是所述的测量管道是一条由上坡管[9]和大坡度下坡管[10]连接而成，所述上、下游传感器[1]，[2]安装在上、下坡管连接处[13]附近的上坡管上。
2、一种测量气、液两相管流流量的测量方法，其特征是用一条由上坡管[9]和大坡度下坡管[10]连接而成的特殊管路，使上坡管内产生间歇性流动，阻断液塞后的液膜流动，并且形成具有一致流速分布的液塞前锋液面[3];测出气、液两相流混合物平均速度UM，液塞液体截面份额RS及液塞占据传感器的时间份额TSi;并通过对流过连接处最长液膜长度LFO的限制以及液膜流量QF的计算和气、液平均流速的修正，测得气、液两相流体积流量。
3、按照权利要求1所述的测量装置，其特征是所述的上坡管坡度最佳为0.25～0.4;下坡管坡度最佳为0.5～1，上坡管长度最佳为4～8米。
4、按照权利要求1或3所述的测量装置，其特征是所述的上、下游传感器为泡状流空泡份额传感器，其间距为4～8D。
5、按照权利要求2所述的测量方法，其特征是流过连接处的最长液膜长度LFO应为：
LFO＝｛[1/2（1+2C）Fr-0.9Cosβ·（Rs/l+C）]/Sinβ｝·D
其液膜流量QF应为：
6、按照权利要求2或5所述的测量方法，其特征是所述的气、液平均流速的修正值u应为：
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Cited By (5)
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1991
- 1991-04-11 CN CN 91102154 patent/CN1023152C/zh not_active Expired - Fee Related
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| CN1023152C (zh) | 1993-12-15 |
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