CN108426925A - 多叶片旋流分相电容含水率测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多叶片旋流分相电容含水率测量装置，包括旋流分相段和电容测量段，其特征在于，旋流分相段包括螺旋叶片支撑杆，分布在螺旋叶片支撑杆外周的2个以上的螺旋叶片、和外管壁；电容测量段包括金属内芯，覆盖在金属内芯外周的绝缘层和外金属管壁。

Description

多叶片旋流分相电容含水率测量装置

技术领域

本发明属于气液两相流流量测量技术领域，涉及一种水平安装的多叶片导流式旋流分相电容含水测量装置。

背景技术

气水两相流广泛存在于石油、化工、能源等领域，其含水率的准确测量具有十分重要的意义。目前含水率测量手段主要有射线技术、微波技术、电学(电阻、电容)技术、差压技术等。近年来由于安全管理要求日益严格，国内外非放射性技术的使用逐渐成为主流。

在非放射性含水率测量技术中，电容法历史悠久、原理简单、维护方便，缺点是受流型影响严重。

对于导流式螺旋分离器的研究，2004年周帼彦《螺旋片导流式分离器压力简化计算》应用计算流体力学CFD对湍流状态下不同结构参数的螺旋片导流式气液分离器螺旋结构中的流体流动场进行了数值模拟，通过分析比较螺旋个数和螺距分别对压力降的影响，并建立了理论压损计算公式；2005年王志雅《螺旋分离器的设计计算》通过对螺旋分离器内气体流动性状和颗粒分离过程进行流体力学理论分析，推导出设计螺旋分离器的系列结构参数计算公式；2011年，史仕荧在《导流片型管道式油水分离器的压降特性研究》中提出和试验了一种用于油水分离的新型管道式导流片型分离器，与切向入口旋流器相比结构更紧凑，更适合于井下油水分离。

基于电容传感器分为接触式和非接触式两大类，由于电容传感器响应强烈地依赖于分散相的介质空间分布，为了减小空间灵敏度的不均匀性，研究者们对电容传感器电极结构进行了大量的优化设计，研究了不同流动结构(流型)下相含率的测量特性。

非接触式电容法的含水率测量技术发展现状如下：

1992年清华大学张宝芬等人利用有限元法针对“对壁式非接触电容传感器”的相关参数进行优化，为了克服各相分布对相浓度测量的影响，采用了8电极旋转激励测量方法，并进行了仿真验证。1998年J Tollefsen等人设计了表面螺旋电极的电容传感器，旨在测量原油中的水相和气相浓度。作者利用有限元方法仿真，并将仿真结果与静态测试结果进行了比对。2009年A.Jaworek等人利用对壁式电容传感器的相位移信息测量气液两相流的相含率，实验介质采用蒸馏水和异丙醇，利用不同直径的聚酰胺棒插入管道中心模拟气核，开展了环状流静态模拟实验测试。2012年Min S K等人优化设计了对壁式电容器和环形电容器两种传感器，利用不同直径的机玻璃棒模拟了环状流，开展了静态试验。2014年浙江大学林翀等人提出非接触六电极阵列式电容耦合电导传感器，通过循环激励、接收法降低相分布对含率测量的影响，模拟了不同流型的静态实。2015年Kathleen De Kerpel等人利用对壁式电容器在内径8mm的水平管进行实验，流型包括弹状流，间歇流和环状流，作者利用小波分析的方法研究了流型和相含率。结论是相含率的测量结果不可避免的受到流型的影响。2015年天津大学赵安等人研究了两种电容传感器(对壁式及双螺旋式)测量气液两相流相浓度的适应性，搭建了垂直上升气液两相流电容传感器测量系统。结论是对壁式电容传感器测量分辨率较差，而双螺旋式电容传感器对相浓度具有相对较高的分辨能力。

接触式电容法的含水率测量技术发展现状：

2007年M J Da Silva等人设计电容金属丝网传感器。对竖直管道空气和硅油的泡状流进行实验，实现了对单一气泡的轴向和径向切面的图像重建。2013年天津大学翟路生等人利用平行线电容探针测量水平管油水两相流的互相关速度，发现平行线电容探针的互相关特性受到油水的流动结构的影响。2015年天津大学X.Chen等人利用同轴电容传感器在内径20mm的上升管内进行油水两相流实验。实验结果表明同轴电容器的响应与流型紧密相关。另外，3D电容断层扫描ECT技术被广泛用于可视化流动形态和多相流相含率的分布,但现有系统均存在空间分辨率低的缺点。X射线和伽马射线扫描仪也会应用于多相流

中国专利申请2017 1 0465819.9和中国专利申请2017 1 0465822.0提出了一种能够改善电容传感器受到流型影响导流式旋流分相测量电容含水率的装置，但是由于该装置为单一螺旋叶片设计，且竖直安装，会导致当两相流动流速较低时，起旋效果不理想。

综上所述，根据电容法相含率测量的研究现状分析可知，国内外科研工作者已经在电容器结构方面开展了大量的研究工作，取得了宝贵的经验，然而，电容传感器的响应仍旧强烈地依赖于分散相介质空间分布，导致相含率的测量结果无不受到流动结构的影响。本发明针对这一问题设计一种带有多叶片的特殊旋流分相功能的电容含水率传感器，能够有效的将随机分散的气液两相改变成有良好分布规律的螺旋带状流场，从而打破相含率的测量受湿气流动结构影响的局面。

发明内容

本发明的目的旨在为气水两相流含水率测量提供一种新的测量装置，提出一种水平安装的多叶片导流式旋流分相电容含水测量装置，采用多组螺旋叶片，使得分离更加彻底，有效克服重力影响。起旋后紧接电容测量部分，由于液相惯性较大将在一定长度范围内切向速度仍能维持液相稳定的分布在管壁，实现气水分相分布和电容器对含水率的测量，本发明采用如下技术方案：

一种多叶片旋流分相电容含水率测量装置，包括旋流分相段和电容测量段，其特征在于，旋流分相段包括螺旋叶片支撑杆，分布在螺旋叶片支撑杆外周的2个以上的螺旋叶片、和外管壁；电容测量段包括金属内芯，覆盖在金属内芯外周的绝缘层和外金属管壁。

优选地，螺旋叶片的升角在30°～60°之间。每个螺旋叶片沿圆周均匀分布。螺旋叶片支撑杆的尾部与金属内芯的尺寸相配合并相互连接，外管壁和外金属管壁尺寸相配合并相互连接。设来流管道内径为D，外金属管壁内径为1～3D，螺旋叶片的螺距为0.5D～3D，电容测量段长度为2D～6D，金属内芯直径与外金属管壁直径比为1:2～1:8。螺旋叶片支撑杆的迎水面为流线型。螺旋叶片支撑杆的迎水面为椭球型。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

(1)气水两相流入旋流分相段，螺旋叶片的导流作用改变了流体的流动方向和状态。液相由于密度偏大，在离心力作用下做圆周运动的同时穿过气相甩向管壁。从而实现气相集中在中心区域、液相沿管壁被迫形成液膜的分相流动形态；

(2)本发明采用多组导流式螺旋叶片，加强起旋效果，克服重力对电容测量结果的影响；

(3)本发明水平安装，与通常的水平管线流动方向一致，避免了竖直安装时强制改变流向，体积过于庞大、不好维护等缺点，上下游只需与对应直管段法兰连接即可；

(4)在电容测量段内，气液两相继续保持分相分布，同时外金属管壁和导电液膜共同构成外电极，与金属内芯相互作用形成电容器。液相含率越高，分布在管壁的液膜越厚，气相作为绝缘介质厚度发生变化，导致电容值变化，实现仅与液相体积含率相关的电容含水测量；

(5)本发明利用电容传感器直接测量液相体积含率，电容测量值随着体积含液率单调增加，具有测量可行性；

(6)无需分离，不依赖放射性技术和示踪技术对气液两相流中的含水率进行测量，结构简单、安全可靠，维护费用低。

附图说明

图1本发明的多叶片导流式旋流分相电容含水测量装置结构示意图。

图2旋流分相段螺旋叶片结构图，(a)为旋流分相段起旋叶片--3叶片示意图，(b)为旋流分相段起旋叶片--4叶片示意图

图3电容测量原理示意图。

图4 0.6MPa下水平安装电容含水测量装置的轴向液相分布云图(白色为气相分布，黑色为液相分布)。(a)、(b)、(c)分别为气相表观流速(后面用Usg表示)为20m/s条件下，液相体积含率(后面用LVF表示)分别为10％；Usg＝3m/s,LVF＝10％和Usg＝3m/s,LVF＝50％时对应的数值模拟结果。

图5基于空气水两相流CFD数值模拟结果，0.6MPa下气相表观流速为20m/s，液相体积含率为10％，工况点下气液两相轴向、径向和切向速度分布图，(a)为气相轴向速度分布图，(b)为液相轴向速度分布图，(c)为气相径向速度分布图，(d)为液相径向速度分布图，(e)为气相切向速度分布图，(f)为液相切向速度分布图。

图6 0.6MPa下气相表观流速为3m/s和20m/s空气水两相流，CFD数值模拟的等效液膜厚度与体积含液率LVF的变化关系图。

图7 0.6MPa下气相表观流速为3m/s和20m/s空气水两相流基于CFD数值模拟下体积含液率LVF与测量电容的变化关系图。

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中使用的一种水平安装的含水率测量装置，结构示意图如图1所示。在装置上游可与任意单相差压式仪表组合使用，如孔板、文丘里、V锥等装置组合测量气液两相流量。

本发明的多叶片导流式旋流分相电容含水测量装置，包括旋流分相段1和电容测量段2，旋流分相段1由螺旋叶片1-2、螺旋叶片支撑杆1-1和外管壁2-3构成，电容测量段2由金属内芯2-1，绝缘层2-2和外金属管壁2-3构成。

旋流分相部分，螺旋叶片(如图2)升角30°～60°之间，螺旋叶片至少是两个，也可以是3个、4个或更多，沿圆周均匀分布。支撑杆头部，上部分为半椭球形，下部分为半球形，设来流管道内径为D，外金属管壁内径为1～3D，螺距为0.5D～3D，电容测量段长度为2D～6D，金属内芯直径与外金属管壁直径比为1:2～1:8。

本发明区别于以往的含水率测量装置，在于对气液两相进行旋流分相的同时进行电容的测量。如图1所示，气液两相经上游直管段充分发展后流入旋流分相段，以多组螺旋叶片同时起旋，克服水平安装的重力影响，保证液相能够与气相完全分离至管壁。液相由于密度偏大，在离心力作用下实现气相集中在中心区域、液相沿管壁的分相流动形态，克服了流型对相含率测量的干扰。仿真研究发现，经过螺旋叶片后，气液分布基本稳定。在电容测量段内，金属内芯2-1作为内电极，外金属管壁2-3与分布在管壁的液膜共同构成外电极，气相和绝缘层2-2构成绝缘介质层，进而形成电容器，为提高电容灵敏度，金属内芯直径与外金属管壁直径比为1:2～1:8。

如图2所示，图2(a)为三螺旋叶片示意图，每个叶片夹角为120°，设管道内径为D，螺距为2.5D；图2(b)为四螺旋叶片示意图，每个叶片夹角为90°，设管道内径为D，螺距为,1.5D。

电容测量原理及组成如图3所示，通过对待测电容进行放电，测量被测电容与参考电容的放电时间，实现电容值的测量。

图4为基于CFD数值模拟结果，对比(a)、(b)可知，0.6MPa下气相表观流速3m/s和20m/s时，当LVF均为10％，液相分布差异不大；对比(b)(c)可知，0.6MPa下Usg为3m/s条件下，LVF分别为10％和50％时的液相分布情况。如图4所示在本发明的中心截面上的气液两相分布云图可知，无论在高流速、低流速，还是在不同LVF(10％、50％)情况时，气液两相仍能够较好的分离开，且在测量段分布规则，液相始终分布在管壁，而气相在管道中心，保证了测量的可行性。测量中，水为导体，与外金属管壁共同构成外电极，而空气为绝缘介质，通过改变不同工况条件，使得水在壁面分布厚度发生变化，进而改变绝缘介质层的厚度来改变测量电容值。

图5为0.6MPa-Usg20m/s-LVF10％条件下电容测量段在不同位置速度大小分布图。一共在测量段取了3条等间隔距离的管道中心线(如图5所示)，从数值模拟结果中分别提取这3条线的气相和液相的轴向速度、切向速度和径向速度，以分析流场的稳定性。

图5(a)可以看出对于气相来说，管道中心的气相轴向速度较大，边壁较小，3条线速度分布基本一致，证明流场在整个电容测量段具有良好的稳定性；

图5(b)可以看出对于液相来说，管道边壁和中心的轴向速度差异较小，但仍是中心处液相速度较大；

图5(c)可以看出在管道中心处气相相径向速度几乎为零，证明气相几乎没有径向运动，而在管壁附近，在y为正即管道上部分时，气相径向速度为负，即向下运动，在管道底部，气相的径向速度为正，即向上运动。总体来看，管壁处的气相有向管道中心运动的趋势，而非管壁处的气相无径向运动；

图5(d)可以看出，在y为正即管道上部分时，液相径向速度为正，即向上运动，在管道底部，液相的径向速度为负，即向下运动，整个管道中液相均为向边壁运动的速度方向，line3位置的液相径向速度大小要稍小于line1位置，但仍为向管壁运动的方向；

图5(e)、(f)可以看出气液两相切向速度方向相同，在管壁处大小几乎一致。

图6为0.6MPa下气相表观流速分别为3m/s和20m/s条件下，含水率0-90％，空气水两相流基于CFD数值模拟下等效液膜厚度与体积含液率LVF的变化关系。由图中我们可以看出，在气相流速不变时，液膜厚度随体积含液率在电容测量段一一对应，且最初变化率较大，随后变化率趋于定值，即液膜在电容测量段随着含液率而单调上升。当气相速度变大，液膜会略有减小。

图7为0.6MPa下气相表观流速分别为3m/s和20m/s条件下，空气水两相流基于CFD数值模拟下体积含液率LVF与测量电容的变化关系，本发明数值模拟计算中预测电容值随含液率的增大表现出增加的趋势，可实现一个电容值对应唯一的液相含率值。

Claims (7)

1.一种多叶片旋流分相电容含水率测量装置，包括旋流分相段和电容测量段，其特征在于，旋流分相段包括螺旋叶片支撑杆，分布在螺旋叶片支撑杆外周的2个以上的螺旋叶片、和外管壁；电容测量段包括金属内芯，覆盖在金属内芯外周的绝缘层和外金属管壁。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，螺旋叶片的升角在30°～60°之间。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个螺旋叶片沿圆周均匀分布。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，螺旋叶片支撑杆的尾部与金属内芯的尺寸相配合并相互连接，外管壁和外金属管壁尺寸相配合并相互连接。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，设来流管道内径为D，外金属管壁内径为1～3D，螺旋叶片的螺距为0.5D～3D，电容测量段长度为2D～6D，金属内芯直径与外金属管壁直径比为1:2～1:8。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，螺旋叶片支撑杆的迎水面为流线型。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，螺旋叶片支撑杆的迎水面为椭球型。