CN107478278B - 一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于两相流流量测量技术领域，具体涉及一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法，该方法基于旋流离心法制造的管内相分隔技术，选取旋流装置下游某管道横截面上管壁和管中心之间的径向压差和该横截面与另一平行横截面之间的管壁轴向压差的组合，简称径向和轴向压差组合，或者选取旋流装置下游两个不同横截面管壁和管中心之间的径向压差的组合，简称双径向压差组合，来实现两相流的流量和相含率的双参数测量；本发明无转动部件，具有结构简单、实施方便、安全可靠、精度高等特点。

Description

一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法

技术领域

本发明属于两相流流量测量技术领域，具体涉及一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法。

背景技术

在石油化工、能源动力、航空航天、冶金、核能等领域普遍存在着气液和液液两相流的测量问题，在不同状态下两相流的测量方法也一直是国内外研究的热点。在诸多方法中，最简单的当属常规分离法，即把两相流分离后再分别测量，如美国专利US4688418。但常规分离器的体积庞大，一般只适合作为基准设备，而不宜作为流量计来应用。中国专利ZL98113068.2公开了一种分流分相式测量方法，通过采用成比例的分流手段，使实际进入分离器的流量大为减少，从而成倍减小了所需分离器的体积，但是当两相流中的液相或气相的流量很小(高含气率或低含气率)时，由于经过了分流，进入分离器的液相或气相流量就更小，以至于低于现有最小流量计的测量下限，导致测量困难，甚至无法计量。

差压法测量方法不需要对两相流进行分离，而是直接利用两相流的差压信号进行测量。但在两相流的情况下，差压的大小不但与两相流的总质量流量有关，还与两相流的相含率有关。通过一个差压信号只能测量出流量和相含率中的其中一个参数(单参数测量)，另一个参数需要通过其他方式获得。要进行两相流的双参数测量，一般需要至少两种不同特性的差压信号进行组合测量。如专利200810151346.6提出了一种双压差节流湿气测量装置，该装置由直管内嵌有普通锥形芯体和标准文丘里管两个节流装置构成，通过两节流装置边界收缩和中心收缩两种差异性鲜明的设计结构，实现气液两相流的测量。但实践证明，该两节流装置的节流比交叉范围较窄，导致测量精度不高和测量范围较窄。在专利200810151346.6的基础上，专利201210465443.9增加了一级取压，改进了取压方式，又提出了一种双节流三差压湿气两相流测量系统，该方法虽然在一定程度上扩宽了有效测量范围，但由于两相流的复杂性，其测量模型难以摆脱经验的限制，从而会影响测量范围。

专利申请号201510431506.2公开了一种基于旋流原理的差压式流量测量装置及方法，该发明在圆形管道内布置了旋流装置，通过测得旋流装置下游某截面管壁和管中心之间的径向压差与流量的关系，能准确求出单相流的流量。和传统的差压式流量计相比，该方法所需的直管段大大缩短，压差也大为减小，对旋转流动和涡流的情况有极好的适应性，但是该方法仅能用于单相流的测量。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法，当两相流在管内实现相分隔后，相含率和流速的分布具有确定的分布规律，基本克服了两相流的随机性和多样性；此外，不同位置的径向压差和轴向压差具有不同的特性，可以从流体力学的基本关系中直接导出，利用这些差压的组合来实现两相流的流量和相含率双参数的测量。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法，该方法所采用的装置包括圆形管道以及内置的旋流装置，所述旋流装置的作用是制造管内相分隔现象，使两相流体形成“重相环-轻相核”的环状流状态，为压差测量创造条件；在所述旋流装置的下游选取两个截面，分别测量所述两截面的管壁和管中心之间的径向压差即双径向压差组合，或者上述两截面中某一截面管壁和管中心之间的径向压差和两截面管壁之间的轴向压差即径向和轴向压差组合；所述两截面中的第一截面位于旋流装置下游0.5～3.5倍圆形管道管径处，第二截面位于第一截面的下游2～10倍圆形管道管径处，所述第二截面始终位于第一截面的下游；所述径向压差和轴向压差的端部均有引压管与差压变送器相连；

管壁和管中心的径向压差ΔP_r和两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的关系由下式表示：

式(1)中：ΔP_r表示管壁和管中心的径向压差，Q_m表示两相流的总质量流量，λ_q表示轻相流体的体积相含率，α表示流量系数，ρ_z和ρ_q分别代表重相流体和轻相流体的密度，D为管道直径，C是和轻相流体的体积相含率λ_q相关的函数，表示为：

式(2)中k和z均为常数，它们的值与流体介质以及旋流装置的形状有关，能够通过实验进行标定，其中k在靠近旋流装置处为正值，在远离旋流装置处为负值；

旋流装置下游两截面管壁之间的轴向压差ΔP_z和两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的关系由下式表示：

式(3)中：ΔP_z表示旋流装置下游两截面管壁之间的轴向压差，Q_m表示两相流的总质量流量，λ_q表示轻相流体的体积相含率，α表示流量系数，ρ_z和ρ_q分别代表重相流体和轻相流体的密度，D为管道直径，ζ值是轻相流体和重相流体密度比的函数，在两相流粘度一定的情况下，通过不同两相流体的密度比实验进行标定，能够得出ζ＝f(ρ_q/ρ_z)的关系曲线；

第一种测量方式是：采用径向压差和轴向压差相结合的方式，所述径向压差选择旋流装置下游两个截面中的任一个截面，通过差压变送器测量出某截面径向压差和该截面与另一截面管壁之间的轴向压差的值，通过所述的公式(1)和公式(3)分别作出两截面上两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q之间的关系曲线，两条曲线的交点即为两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的理论值；

第二种测量方式是：根据公式(2)中k值的可正可负，采用两个不同截面的径向压差值，通过所述的公式(1)分别作出两截面上两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q之间的关系曲线，两条曲线的交点即为两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的理论值。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图。

图2a和图2b为以油水两相流为例，本发明的第一种测量方式：图2a表示为旋流装置下游0.075m截面径向压差为9990.6Pa，旋流装置下游0.075m与0.115m截面之间的壁面轴向压降为651.7Pa时，油水两相流的总质量流量Q_m与体积含油率λ_o的关系曲线；图2b表示为旋流装置下游0.115m截面径向压差为8150.7Pa，旋流装置下游0.075m与0.115m截面之间的壁面轴向压降为651.7Pa时，油水两相流的总质量流量Q_m与体积含油率λ_o的关系曲线。

图3为以油水两相流为例，本发明的第二种测量方式，当选取旋流装置下游0.075m和0.115m处的双径向压差已知(分别为9990.6Pa和8150.7Pa)时，两相流的总质量流量Q_m与体积含油率λ_o的关系曲线。

图4a和图4b分别为以油水两相流为例，公式(1)和公式(2)中的流量系数α与体积含油率λ_o的关系。

具体实现方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作更详细的说明。

本发明的装置示意图如图1所示，包括圆形管道1以及内置的旋流装置2，所述旋流装置2的作用是制造管内相分隔现象，使两相流体形成“重相环-轻相核”的环状流状态，为压差测量创造条件。在所述旋流装置2的下游选取两个截面(第一截面3和第二截面4)，分别测量所述两截面的管壁和管中心之间的径向压差5(双径向压差组合)，或者上述两截面中某一截面管壁和管中心之间的径向压差5和两截面管壁之间的轴向压差6(径向和轴向压差组合)。上述两截面中的第一截面3位于旋流装置2下游0.5～3.5倍圆形管道管径处，第二截面4位于第一截面的下游2～10倍圆形管道管径处，所述第二截面4始终位于第一截面3的下游。所述径向压差5和轴向压差6的端部均有引压管7与差压变送器相连。

通过研究发现，管壁和管中心的径向压差ΔP_r和两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的关系可由下式表示：

式(1)中ΔP_r表示管壁和管中心的径向压差，Q_m表示两相流的总质量流量，λ_q表示轻相流体的体积相含率，α表示流量系数，ρ_z和ρ_q分别代表重相流体和轻相流体的密度，D为管道直径，C是和轻相流体的体积相含率λ_q相关的函数，可以表示为：

式(2)中k和z均为常数，它们的值与流体介质以及旋流装置的形状有关，可以通过实验进行标定，其中k在靠近旋流装置处为正值，在远离旋流装置处为负值。

旋流装置下游两截面管壁之间的轴向压差ΔP_z和两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的关系由下式表示：

式(3)中ΔP_z表示旋流装置下游两截面管壁之间的轴向压差，Q_m表示两相流的总质量流量，λ_q表示轻相流体的体积相含率，α表示流量系数，ρ_z和ρ_q分别代表重相流体和轻相流体的密度，D为管道直径，ζ值是轻相和重相流体的密度比的函数。在两相流粘度一定的情况下，通过不同两相密度比的实验进行标定，可以得出ζ＝f(ρ_q/ρ_z)的关系曲线。

为了更好地分析本发明的测量方法，接下来以油水两相流为例对该发明的测量方式做进一步的描述。本发明的第一种测量方式采用径向压差和轴向压差相结合的方式，如图1所示，其中径向压差可以选择旋流装置下游两个截面中的任一个截面，通过差压变送器测量出某截面径向压差和该截面与另一截面管壁之间的轴向压差的值，通过公式(1)和(3)分别作出两截面上油水两相流的总质量流量Q_m和体积含油率λ_o之间的关系曲线，两条曲线的交点即为油水两相流的总质量流量Q_m和体积含油率λ_o的理论值，如图2中图2a和图2b所示。

根据公式(2)中k值的可正可负，本发明的第二种测量方式采用两个不同截面的径向压差值，通过公式(1)分别作出两截面上油水两相流的总质量流量Q_m和体积含油率λ_o之间的关系曲线，两条曲线的交点即为油水两相流的总质量流量Q_m和体积含油率λ_o的理论值，如图3所示。

公式(1)和(3)中的流量系数α与体积含油率λ_o的关系如图4a和图4b所示，从图中可以看出，流量系数α均为恒定值。

Claims (1)

1.一种基于管内相分隔技术的差压式两相流测量方法，其特征在于：该方法所采用的装置包括圆形管道以及内置的旋流装置，所述旋流装置的作用是制造管内相分隔现象，使两相流体形成“重相环-轻相核”的环状流状态，为压差测量创造条件；在所述旋流装置的下游选取两个截面，分别测量所述两截面的管壁和管中心之间的径向压差，即双径向压差组合；或者上述两截面中某一截面管壁和管中心之间的径向压差和两截面管壁之间的轴向压差，即径向和轴向压差组合；所述两截面中的第一截面位于旋流装置下游0.5～3.5倍圆形管道管径处，第二截面位于第一截面的下游2～10倍圆形管道管径处，所述第二截面始终位于第一截面的下游；所述径向压差和轴向压差的端部均有引压管与差压变送器相连；

管壁和管中心的径向压差ΔP_r和两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的关系由下式表示：

式(1)中：ΔP_r表示管壁和管中心的径向压差，Q_m表示两相流的总质量流量，λ_q表示轻相流体的体积相含率，α表示流量系数，ρ_z和ρ_q分别代表重相流体和轻相流体的密度，D为管道直径，C是和轻相流体的体积相含率λ_q相关的函数，表示为：

C＝kλ_q ^-z (2)

式(2)中k和z均为常数，它们的值与流体介质以及旋流装置的形状有关，能够通过实验进行标定，其中k在靠近旋流装置处为正值，在远离旋流装置处为负值；

旋流装置下游两截面管壁之间的轴向压差ΔP_z和两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的关系由下式表示：

式(3)中：ΔP_z表示旋流装置下游两截面管壁之间的轴向压差，Q_m表示两相流的总质量流量，λ_q表示轻相流体的体积相含率，α表示流量系数，ρ_z和ρ_q分别代表重相流体和轻相流体的密度，D为管道直径，ζ值是轻相流体和重相流体密度比的函数，在两相流粘度一定的情况下，通过不同两相流体的密度比实验进行标定，能够得出ζ＝f(ρ_q/ρ_z)的关系曲线；

第一种测量方式是：采用径向压差和轴向压差相结合的方式，所述径向压差选择旋流装置下游两个截面中的任一个截面，通过差压变送器测量出某截面径向压差和该截面与另一截面管壁之间的轴向压差的值，通过所述的公式(1)和公式(3)分别作出两截面上两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q之间的关系曲线，两条曲线的交点即为两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的理论值；

第二种测量方式是：根据公式(2)中k值的可正可负，采用两个不同截面的径向压差值，通过所述的公式(1)分别作出两截面上两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q之间的关系曲线，两条曲线的交点即为两相流的总质量流量Q_m以及轻相流体的体积相含率λ_q的理论值。