CN109506724A - 一种气液两相流计量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种气液两相流计量装置和方法，装置包括主管段，主管段中布置有旋流器；旋流器下游布置有喷管整流器，喷管整流器喉部的外壁上设置有液膜流量测量装置；喷管整流器连突扩管；突扩管半径突变处布置有雾化喷嘴与副管段相连；文丘里管上连接差压传感器，差压传感器以及液膜流量测量装置与数据采集计算系统连接，其流量测量方法是：采用旋流器对管内气液两相流进行旋流分离，形成液膜环状流，利用液膜流量测量装置测量环状液膜中的液体质量流量，然后将环状液膜雾化，再通过文丘里管测量压降，最后通过计算得到气体质量流量。与现有多相流量计相比，具有结构紧凑、易于管理、操作简单、测量范围广、测量精度高等优点。

Description

一种气液两相流计量装置和方法
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，特别是涉及一种测量管道内气液两相流流量的装置和方法。
背景技术
在工业生产过程中，气液两相流流量计量广泛存在于能源动力、石油、化工等工业领域。由于气液流体的物理性质不同，且在流动过程中气液两相之间存在滑差，流型也在不断发生变化，因此气液两相流流量的高效精准计量一直是一个难点。
目前，按照计量方式的不同，气液两相流流量计量方式可分为：完全分离式计量、部分分离式计量、不分离式计量和取样分离式计量四种。完全分离式计量是先用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体后，再通过普通单相流量计进行计量，从而把两相流量的测量转化为单相流量测量。完全分离式计量的优点是工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响，缺点是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线，增加了流量计的开发和使用成本。部分分离式计量在计量前也将气液两相分离，但与完全分离式不同的是，这种方法在进行气液分离时，只需将两相分离为以气相为主和以液相为主的两部分流体，再分别将这两部分流体用较为成熟的两相流计量计进行计量。计量液相部分中的含气量和计量气相部分中的含液量是此种计量方式的关键。部分分离式计量的优点是占用的空间更小，缺点是由于气液混合物并没有完全分离，计量方法测量精度较低。不分离式多相流计量是无需对多相流进行分离，在不分离的情况下对气液两相进行计量。优点是占用空间小、测量成本低，缺点是技术难度较高。取样分离式计量是将主管中的流体按比例提取，将提取的部分完全分离后计量，再与剩余流体汇集。取样分离式计量优点是测量相对精确，成本相对较低，缺点是须保证取样流体与被测流体之间有确定的比例，样本须对流体有代表性，因此，增加了测量难度。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，提升测量效率，本发明提出一种气液两相流计量装置和方法，采用旋流器对管内气液两相流进行旋流分离，形成液膜环状流，经喷管整流器整流后，利用液膜流量测量装置测量环状液膜中的液体质量流量，然后将环状液膜雾化，再通过文丘里管测量压降，最后通过计算得到气体质量流量，本发明装置具有结构紧凑、易于管理、操作简单、生产和运行成本低、测量范围广、测量精度高等优点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种气液两相流计量装置，包括主管段1，主管段1中布置有旋流器2；旋流器2下游布置有喷管整流器3，喷管整流器3喉部的外壁上设置有超声多普勒流速仪4-1，超声多普勒流速仪4-1的超声探头4-2的端面与喷管整流器3喉部的外壁之间的空隙中填充有耦合剂4-3；喷管整流器3出口端与突扩管7入口端相连；突扩管7半径突变处布置有雾化喷嘴6；突扩管7出口端与文丘里管10的入口端相连，文丘里管10的出口端与副管段11相连；文丘里管10的入口端和喉部通过引压管9连接差压传感器8，差压传感器8以及超声多普勒流速仪4-1均通过数据线与数据采集计算系统5连接。
所述的旋流器2由鱼尾型螺旋纽带组成，螺旋纽带的外缘与主管段1的内壁保持贴合，螺旋角为45°～50°，长度为1～1.5倍螺距。
所述的喷管整流器3布置在旋流器下游，主体呈先收缩后扩张的喷管状，出口端直径与突扩管7入口端直径相等。
一种气液两相流计量方法，包括如下步骤:
(a)确定主管段1直径D，超声波在液相中的传播速度Cult，液相密度ρL，以及气相密度ρG随温度、压力变化关系式；
(b)通过超声多普勒流速仪4-1测量经喷管整流器整流后的液膜流量，经数据采集计算系统5处理后得到气液两相流中液相质量流量ML；
(c)通过文丘里管10上的差压传感器8测量雾化后的流体，经数据采集计算系统5处理后得出压差Δp；
(d)由公式计算得到气体质量流量MG，其中a＝1， D1为文丘里管喉部直径，D2为文丘里管入口端直径，cD为流量系数，取0.984；总质量流量为：M＝ML+MG。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)在旋流纽带作用下，将不同流型都转变为液膜均匀分布的环状流；再经过喷管整流器整流，最大限度的消除了气液两相流流型波动对测量的影响，测量范围广；
(2)利用液膜流量测量装置测量液相质量流量，利用文丘里管测量压降，通过计算获得气相质量流量，测量精度较高；
(3)在测量过程中流体所受阻力损失小，测量精度较高；
(4)整个测量装置结构简单、操作方便、便于维护、生产和运行成本低。
附图说明
图1为本发明组成示意图。
图2为旋流器2鱼尾型螺旋纽带示意图。
图3为喷管整流器3结构示意图。
图4为突扩管7及雾化喷嘴6的连接示意图。
图5为文丘里管10的结构示意图。
图6为气液两相流流型调整示意图。
图7为液膜中液相流量计算示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细叙述。
如图1所示，本发明所述的一种气液两相流量计量装置，包括主管段1，主管段1中布置有旋流器2；旋流器2下游布置有喷管整流器3，喷管整流器3喉部的外壁上设置有超声多普勒流速仪4-1，超声多普勒流速仪4-1的超声探头4-2的端面与喷管整流器3喉部的外壁之间的空隙中填充有耦合剂4-3；喷管整流器3出口端与突扩管7入口端相连；参照图4，突扩管7半径突变处布置有雾化喷嘴6；突扩管7出口端与文丘里管10的入口端相连，文丘里管10的出口端与副管段11相连；文丘里管10的入口端和喉部通过引压管9连接差压传感器8，差压传感器8以及超声多普勒流速仪4-1均通过数据线与数据采集计算系统5连接。
参照图2，所述的旋流器2由鱼尾型螺旋纽带组成，螺旋纽带的外缘与主管段1的内壁保持贴合，螺旋角为45°～50°，长度为1～1.5倍螺距。
参照图3，所述的喷管整流器3布置在旋流器下游，主体呈先收缩后扩张的喷管状，出口端直径与突扩管7入口端直径相等。喷管整流器3用于对旋流器2下游形成的环状流进一步调整，使周向液膜分布更加均匀。
超声多普勒流速仪4-1以及与其通过数据线相连的超声探头4-2构成液膜流量测量装置4，液膜流量测量装置4测量经过整流后喷管整流器喉部的液膜流量。
本发明工作原理说明如下：
如图1所示，旋流器2和喷管整流器3沿气液两相流动方向依次布置，旋流器2的外缘保持和主管段1的内壁保持贴合。当气液两相流通过旋流器2时，被迫沿着鱼尾型螺旋纽带2与主管道1的内壁所形成的螺旋流道流动，从而发生旋转。因液相密度远大于气相密度，在旋转产生的离心力作用下液体被甩向管内壁，以液膜形式贴着管壁流动，而气体在管中心流动。
当该测量装置水平放置时，由于重力作用，气液在管截面分布呈现不对称性，底部液相较多，而气相主要集中在主管段1的上部。如图6所示，当该不均匀环状流与各种不同的流型的流体通过喷管整流器3时，都被调整为液膜周向分布均匀的环状流型。
进行气液两相流计量所需要的超声信号、压差信号等均由数据采集计算系统5采集和处理。
为了提高检测精度，超声探头4-2的端面与喷管整流器3喉部的外壁之间的空隙用耦合剂4-3填充，以克服空气对测量的影响，增强超声脉冲的透射性能。
超声多普勒流速仪4-1测量液膜速度分布的原理为利用脉冲超声波回波技术，通过检测流体中分散的微小颗粒反射的回波相位的变化，来测量流体的速度。与超声多普勒流速仪4-1相连的超声探头4-2兼有发射和接受超声波的功能。超声探头4-2发出周期脉冲超声波，并接受被悬浮在液体中的微小颗粒反射的回波，由于运动颗粒的多普勒效应，两次相邻反射的回波间存在相位差，在运动粒子速度远远小于超声传播速度的条件下，多普勒频率差fd和运动粒子速度v满足如下的关系式：
(1)式中，v为流体中颗粒速度；Cult为超声波在液体中的速度；fe为超声波发射频率；fd为超声波的频率差；θ为超声波束轴线与粒子运动轨迹的夹角。将液体中粒子运行速度视为与液体速度相同，因此可以通过测量相位差fd利用式(1)计算出流体的流速。
在管壁处液膜速度为0，在气体的剪切和携带作用下，随着距离管壁速度的增加，液膜速度逐渐发生变化。液相速度是径向方向r的函数：
VL＝f(r) (2)
在气液界面处，由于气液声阻抗差别巨大，超声脉冲在气液界面处基本发生全反射，超声多普勒测速仪①无法测得气相速度，当距离管壁距离大于液膜厚度δ时，速度即变为0。根据速度沿径向方向的变化关系可以确定液膜厚度δ的大小。
一种气液两相流计量方法，包括如下步骤:
(a)确定主管段1直径D，超声波在液相中的传播速度Cult，液相密度ρL，以及气相密度ρG随温度、压力变化关系式；
(b)通过超声多普勒流速仪4-1测量整流后的液膜流量，经数据采集计算系统5处理后得到气液两相流中液相质量流量ML；
如图7所示，由于液相全部以液膜形式贴着管壁流动，两相流中的液相体积流量可以用下式计算：
从而液相质量流量计算公式为：
(c)通过突扩管和雾化喷嘴将环状流转变为均匀的流态，通过文丘里管10上的差压传感器8测量雾化后的流体，经数据采集计算系统5处理后得出压差Δp；
(d)由公式计算得到气体质量流量MG，其中a＝1， D1为文丘里管喉部直径，D2为文丘里管入口直径，cD为流量系数，通常取0.984。
气体密度ρG可由管道压力及温度根据气体状态方程确定，液相密度ρL可通过测量确定；
已知气液两相流中液相质量流量和气相质量流量后，总质量流量为：
M＝ML+MG (5)。

Claims (4)

1.一种气液两相流计量装置，其特征在于，包括主管段(1)，主管段(1)中布置有旋流器(2)；旋流器(2)下游布置有喷管整流器(3)，喷管整流器(3)喉部的外壁上设置有超声多普勒流速仪(4-1)，超声多普勒流速仪(4-1)的超声探头(4-2)的端面与喷管整流器(3)喉部外壁之间的空隙中填充有耦合剂(4-3)；喷管整流器(3)出口端与突扩管(7)入口端相连；突扩管(7)半径突变处布置有雾化喷嘴(6)；突扩管(7)出口端与文丘里管(10)的入口端相连，文丘里管(10)的出口端与副管段(11)相连；文丘里管(10)的入口端和喉部通过引压管(9)连接差压传感器(8)，差压传感器(8)以及超声多普勒流速仪(4-1)均通过数据线与数据采集计算系统(5)连接。
2.根据权利要求1所述的一种气液两相流计量装置，其特征在于，所述的旋流器(2)由鱼尾型螺旋纽带组成，螺旋纽带的外缘与主管段(1)的内壁保持贴合，螺旋角为45°～50°，长度为1～1.5倍螺距。
3.根据权利要求1所述的一种气液两相流计量装置，其特征在于，所述的喷管整流器(3)布置在旋流器下游，主体呈先收缩后扩张的喷管状，出口端直径与突扩管(7)入口端直径相等。
4.基于权利要求1所述的一种气液两相流计量装置的计量方法，其特征在于，包括如下步骤:
(a)确定主管段(1)直径D，超声波在液相中的传播速度Cult，液相密度ρL，以及气相密度ρG随温度、压力变化关系式；
(b)通过超声多普勒流速仪(4-1)测量整流后的液膜流量，经数据采集计算系统(5)处理后得到气液两相流中液相质量流量ML；
(c)通过文丘里管(10)上的差压传感器(8)测量雾化后的流体，经数据采集计算系统(5)处理后得出压差Δp；
(d)由公式计算得到气体质量流量MG，其中a＝1， D1为文丘里管喉部直径，D2为文丘里管入口端直径，cD为流量系数，取0.984；总质量流量为：M＝ML+MG。
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