CN107422000A - 气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置 - Google Patents

气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置 Download PDF

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    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
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Abstract

本发明属气液两相测量技术领域，涉及一种气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置，包括两个组成部分：其一是位于上部的起旋分相单元，包括外管壁和固定在其中部的螺旋叶片，螺旋叶片和外管壁之间的空间称之为第一两相介质流动空间；其二为位于下部的电容测量单元，包括作为外电极的金属管壁和固定在其中部的内电极，在内电极外覆盖有绝缘层，金属管壁与绝缘层之间的空间称之为第二两相介质流动空间，两个两相介质流动空间相互连通；在外管壁上设有与流体切向入口管路相连的开口，流体切向入口管路的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入起旋分相单元。

Description

气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置
技术领域
本发明属于气液两相流测量技术领域，涉及一种用于含水率测量的测量装置。
背景技术
气液两相流广泛存在于自然界及工业过程中，如石油、化工、冶金、核能、航空航天等领域。近几十年来，人们对气液两相流中的含液率计量提出了越来越高的要求。然而已有的研究成果表明，由于气液两相流的流动复杂性导致流型的多样性，要实现气、液两相流量的准确测量，特别是液相为水时的含水率的测量还具有很大的难度。目前常用的含水率的手段为基于分离器的技术、示踪技术、射线技术和电容技术。基于分离器的测量技术存在体积庞大笨重、造价高、管理及运行成本高的缺点；示踪技术需要在管道在线开孔取样，利用上下游示踪剂浓度的变化反应液相含率，往往在安全性和取样代表性方面存在问题。伽马射线是相对较成熟的含液率测量方法，但由于其具有放射性，安全管理成为其推广使用的一大障碍。电容层析成像被广泛用于可视化流动形态相分布测量，但目前理论上软场问题尚仍未解决，系统在空间分辨率改善方面存在着较大困难。此外，国内外科研工作者已经在多相流相含率的测量展开了大量的工作，在优化电容器结构及其激励模式方面均积累了宝贵的经验，然而在面对相含率测量时，学者们都意识到流动形态的重要性，但受到诸多因素的影响，两相流动呈现复杂性和随机性等特点，电容传感器的响应仍旧强烈的依赖于相介质空间分布，给相含率的测量带来了很大难度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的上述问题，提供一种测量准确度高的含水率测量装置，利用电容变化的原理实现对含水率的测量，且不受气液两相流动型态的影响。本发明采用如下技术方案：
一种气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置，包括两个组成部分：其一是位于上部的起旋分相单元，包括外管壁和固定在其中部的螺旋叶片，螺旋叶片和外管壁之间的空间称之为第一两相介质流动空间；其二为位于下部的电容测量单元，包括作为外电极的金属管壁和固定在其中部的内电极，在内电极外覆盖有绝缘层，金属管壁与绝缘层之间的空间称之为第二两相介质流动空间，两个两相介质流动空间相互连通；在外管壁上设有与流体切向入口管路相连的开口，流体切向入口管路的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入起旋分相单元。
优选地，螺旋升角10°～30°。螺旋叶片的螺旋圈数设计为0.5～10圈。螺旋叶片的内缘半径、外缘半径比例为1:2～1:5。设流体切向入口管路内径为D，外管壁内径设计为1D～6D。电容测量单元的内电极和外电极的直径比为1:2～1:10之间。电容测量单元的长度为2D～8D。起旋分相单元和电容测量单元的长度比例为1:1～1:5。流体切向入口管路的长度大于3D。
与现有电容含水率测量技术相比较，本发明具有以下技术特点：
(1)气液两相流经过水平管段后，切向进入起旋分相单元，利用叶片的连续导向作用，改变气液两相流的流动状态，由于气液两相的密度差别很大，在离心力的作用下，液相受到的离心力远大于气相，故液相更易穿过气相到达管壁，实现气液分相分布流动，即液相沿管壁流动，气相集中在中心区域，使得上游来流随机的气液两相流在起旋器内被强制改变成气液分相分布的规则旋转流。本单元实现了即便来流的气液两相流流型不同，也可实现稳定有效的流型调整，为后续电容测量不受流型影响奠定了基础。
(2)气液两相进入到电容测量单元时，旋转的液相以液膜的形式附着于管壁，与金属管壁共同构成外电极，气、水两相比例的变化直接影响管壁上等效液膜厚度的变化，含水率增加则液膜变厚，反之液膜变薄，从而影响内、外电极的间距，导致电容器的电容值变化。本单元保证了电容与含水率唯一相关性
本发明给出的气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置具有以下的有益效果：
其一，无需分离，不依赖放射性技术和示踪技术、层析成像对气液含水率进行测量，结构简单、安全可靠；
其二，利用电容传感器直接测量含水率，电容测量精度高，含水率测量的准确度好；
其三，也是最大效益，基于起旋分相单元的电容含水率测量传感器不再受气液两相流流型的影响。
附图说明
图1气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置
附图说明如下：1-流体切向入口管路，2-起旋分相单元外管壁，3-起旋螺旋叶片，4-螺旋叶片支撑体， 5-电容传感器内电极，6-绝缘层，7-电容传感器外电极，8-电容检测单元，9-连接法兰
图2电容测量值Cm与体积含水率βl的实验测试关系
(实验条件：0.8MPa；含水率范围0～3％；气相表观流速：10m/s,15m/s,20m/s)
图3电容测量值Cm与体积含水率βl的实验测试
(实验条件：0.1MPa、0.15MPa；含水率范围0～20％；气相表观流速：3.8m/s,4.8m/s)
图4体积含水率的检测值βlm与实验标准值βl的绝对误差分布
(实验条件：0.8MPa；含水率范围0～3％；气相表观流速：10m/s,15m/s,20m/s)
图5体积含水率的检测值βlm与实验标准值βl的绝对误差分布
(实验条件：0.1MPa、0.15MPa；含水率范围0～20％；气相表观流速：3.8m/s,4.8m/s)
具体实施方式
下面参照附图对本发明做进一步详述。
本发明为气液两相流量测量中使用的一种含水率测量装置，结构示意图如图1所示。气液两相流量测量装置的原理不受限制，可以是任何原理的流量测量传感器，如锥形、文丘里、喷嘴与孔板等各种标准与非标准的节流装置，也可以与超声、质量、热式等不同原理的流量计配合使用。
如图1所示。本发明装置在气液两相流动的管路上安装，流体经过入口管路1，切向流入起旋分相单元2，其切向斜角度与起旋螺旋叶片3的螺旋升角相等，确保流体无阻力自然导流，起旋螺旋叶片3与圆柱形螺旋叶片支撑体4牢固连接，3,4安装于起旋分相单元外管壁5内。3,4，5构成的起旋分相单元为本装置重要组成部分，其结构设计对气液分相效果起决定性作用，连续的螺旋需满足分离效率高和压力损失低的双重要求。起旋分相器的螺旋升角越小，流体径向速度分量越大，液相分离效果越好。相反，流体的轴向速度分量越大，速度的损失会越小，管道的压力损失也会越小。理论上正好以100％效率被分离的液滴的直径为全分离直径，本装置全分离直径为5微米，根据液相体积含率的不同，螺旋圈数设计为0.5～10 圈，起旋分相器的外管壁内径设计为1D～6D,即1倍入口管路直径至6倍入口管路内径，螺旋升角10°～30°, 螺旋叶片的内缘半径、外缘半径比例为1:2～1:5。起旋分相单元与电容测量单元的长度比例为1:1～1:5。
本发明装置的另一个最要组成部分为电容测量单元，如图1所示，其结构原理为圆筒电容器，其内、外电极为5和7，绝缘层6附着于内电极外表面。内外电极的直径比为1:2～1:10。气液两相流体经起旋分相单元后进入到测量单元，流体呈现螺旋带状分布，液相密度大，分布于外电级7的内壁，当液相为水时，水与金属管壁共同构成外电极，气水两相比例的变化直接影响管壁上等效液膜厚度的变化，含水率增加使得液膜变厚，改变内外电极的间距即外电极半径，影响电容器的电容值。
如图2-5所示，两个实验验证表明，无论在较高的气相流速还是较低的气相流速下，该设计能起到良好的含水率测量效果。
如图2给出实验介质为空气、水两相流，工作压力0.8MPa，气相流速为10m/s,15m/s,20m/s，含水率为0～3％，电容测量值Cm与体积含水率βl的实验测试关系呈现出良好的单调变化规律，本装置给出的含水率测量值与实验给定的参考标准值误差在-0.1％～+0.5％之间,如图4所示。
图3给出了实验介质仍然为空气、水两相流，工作压力0.1MPa和0.15MPa下，气相流速分别为4.8m/s 和3.8m/s时，含水率为0～20％，电容测量值Cm与体积含水率βl的实验测试关系呈现出良好的单调变化规律，本装置给出的含水率测量值与实验给定的参考标准值βlm与βl误差如图5所示，在-0.2％～+0.2％之间。

Claims (9)

1.一种气液两相流起旋分相式电容含水率测量装置，包括两个组成部分：其一是位于上部的起旋分相单元，包括外管壁和固定在其中部的螺旋叶片，螺旋叶片和外管壁之间的空间称之为第一两相介质流动空间；其二为位于下部的电容测量单元，包括作为外电极的金属管壁和固定在其中部的内电极，在内电极外覆盖有绝缘层，金属管壁与绝缘层之间的空间称之为第二两相介质流动空间，两个两相介质流动空间相互连通；在外管壁上设有与流体切向入口管路相连的开口，流体切向入口管路的切向角度与螺旋叶片的螺旋升角相同，使得流体沿切向角度进入起旋分相单元。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，螺旋升角10°～30°。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，螺旋叶片的螺旋圈数设计为0.5～10圈。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，螺旋叶片的内缘半径、外缘半径比例为1:2～1:5。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，设流体切向入口管路内径为D，外管壁内径设计为1D～6D。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，电容测量单元的内电极和外电极的直径比为1:2～1:10之间。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，电容测量单元的长度为2D～8D。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，起旋分相单元和电容测量单元的长度比例为1:1～1:5。
9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，流体切向入口管路的长度大于3D。
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