CN109557113A - 一种用于气/汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于气/汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置及方法，包括：固定平台，固定平台上固定的步进电机驱动装置，步进电机驱动装置的滑台通过螺栓固定连接移动平台，移动平台底部通过滚轮接触连接固定平台上，移动平台上固定带屏蔽铅罐的伽马射线源和放射源接收装置，伽马射线源与放射源接收装置之间设置有测试管，放射源接收装置前端与和伽马射线源放射端分别设置有准直器，放射源接收装置信号输出端连接射线采集器的输入端；所述的测试管连接气液两相流的产生与控制系统；本发明具有能够测量截面内空泡份额分布特征的优点，且适应于高温高压条件下截面含气率测量。

Description

一种用于气/汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装 置及方法

技术领域

本发明涉及气/汽液两相流测量技术、反应堆热工水力技术领域，特别涉及一种用于气液两项流截面含气率测量的伽马射线扫描装置及方法。

背景技术

气/汽液两相流广泛存在于石油、化工、核能、制冷、冶金等工业生产过程中。空泡份额作为气/汽液两相流的重要过程参数，无法通过理论计算获得，实验测量是获得空泡份额数据的唯一可靠途径。由于气/汽液两相流流型的多样性以及流动的复杂性，空泡份额测量技术是两相流测量技术的难点；同时，空泡份额测量的准确与否关系着其他参数计算结果的正确性和整个设备运行的可靠性。因此，空泡份额测量技术是两相流测量技术的重点与难点。

空泡份额测量方式按测量内容分为两类：其一是管道截面平均空泡份额测量方法，包括快关阀门法、高速摄像法、压差法、电容层析成像法、射线法等；其二是管道截面上局部空泡份额测量方法，典型的有光纤探针法、电导探针法、微型热电偶法、热线(热膜)法等。在反应堆热工水力技术领域，空泡份额的测量还伴随着高温高压这样苛刻的工作环境，以及管道内复杂的管束布置情况。

传统的空泡份额测量方法各有利弊。压差法的操作最为简单，但测量结果受摩擦压降的影响很大，对于复杂的管内两相流流动情况，难以准确地评估摩擦压降的占比，导致空泡份额的测量结果有很大的不确定度。快关阀门法是测量空泡份额的经典方法，重复性高且结果精确，但一般应用于常温常压的气液两相流，在高温高压的条件下，操作具有一定的危险性；快关阀门法也难以实现实时在线测量。电容层析成像技术利用气液两相不同的介电常数和份额，得到不同的等价介电常数，将测量得到的信息进行图像重建来测得空泡份额，可以在不干扰流场的情况下获得管道截面的相分布信息，具有很好的应用前景；现阶段的研究可满足于流场信息的定性分析，如流型显示等粗略图像的获取，对于空泡份额等需要量化的测量参数还需要进一步提高测量精度。高速摄像法是测量空泡份额最直观的一种方法，可以实时监测并获取海量数据，通过图像处理来得到空泡份额，由于需要可视化的测量窗口，难以在工业设备中实现，更多的是用于气液两相流的实验研究。

以上空泡份额的测量方法都是通过直接或间接的方法得到管道内截面平均空泡份额。在某些应用场合，截面上特定位置的空泡份额需要格外关注。探针法是测量局部空泡份额最常用的方式，主要有光纤探针、电导探针等。光纤探针法抗干扰性强、信号传输速度快，能够实时地识别气液两相界面，除获得局部空泡份额外，还可以测量气泡速度、气泡大小、界面面积浓度等重要的两相流参数。但是探针法在测量时，需要介入流体，不可避免地会对流场产生干扰，尤其是在狭窄的流通通道内，而且在气液两相高速流动的状态下，探针尖端对于相界面的准确识别也存在一定误差。这些是局部测量方法所共有的弊端。

射线法是测量空泡份额常用的方法之一，主要包括伽马射线、X射线、中子射线等。射线法是一种非接触式的测量方式，由于射线衰减不受外界条件干扰，具有较高的稳定性，适合高温高压条件下汽液两相流空泡份额的测量。射线法的主要弊端体现在两点，在操作性上，需要对射线辐射进行一定的防护，以保障人员安全；在测量精度上，射线的发射有一定的涨落，会带来统计上的误差。

另外，受限于放射源屏蔽装置的影响，传统的射线法测量空泡份额难以应用到大管径条件下；对于管道内部有复杂布置的情况也难以区分对待。

根据上述各种空泡份额的测量方法，可以发现，每种测量方法都有其局限性。在反应堆热工水力技术领域，空泡份额的测量涉及高温高压、沸腾换热，管道流通截面也非传统的圆形截面，平均空泡份额难以获得。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于气液两项流截面含气率测量的伽马射线扫描装置及方法，既能够得到管道截面特定弦长上的空泡份额分布，这样对于截面内部有复杂布置情况的管道，能够获得局部空泡份额；又能在已知管道截面尺寸的情况下，根据扫描获得的每一弦长的空泡份额，可以通过面积加权计算出截面平均空泡份额。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，包括固定平台1，固定平台1上固定步进电机驱动装置2，步进电机驱动装置2的滑台通过螺栓固定连接移动平台3，移动平台3底部通过滚轮4接触连接固定平台1上，移动平台3上固定伽马射线源和屏蔽铅罐5和放射源接收装置6，射线源5与接收装置6之间设置有测试管7，放射源接收装置前端与和射线源5出口分别设置有准直器8，放射源接收装置6信号输出端连接射线采集器28的输入端；所述的测试管7连接气液两相流的产生与控制系统。

所述的汽液两相流的产生与控制系统包括循环水箱9，循环水箱9的下端出口通过球阀10连接高压柱塞泵11的进口，高压柱塞泵11的出口通过旁路回到循环水箱9，高压柱塞泵11的出口通过主阀12连接管壳式回热器13的壳侧进口，回热器13的壳侧出口连接预热器14的进口，预热器14的出口连接测试管7的下端，测试管7的上端连接管壳式回热器13的管侧进口，回热器13的管侧出口连接管壳式冷凝器15的管侧进口，冷凝器15的管侧出口通过第二主阀16回到循环水箱9。

所述的管壳式冷凝器15的壳侧出口连接冷却塔17的进口，冷却塔17的出口连接通过冷凝水泵18连接冷凝器15的壳侧出口。

所述的第一主阀12与回热器13之间设置有质量流量计19，第二主阀16与循环水箱9之间设置有转子流量计20，测试管7的进口设置有热电偶21和压力变送器22。质量流量计19、热电偶21和压力变送器22的信号输出端接入采集板23。

所述的射线采集器8和采集板23的数据采集信号输出端与工控机24和显示器25连接。

一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置的安装和测量方法，其步骤为：

步骤一：调整移动平台3，使移动平台3的移动测量平面与测试管7的管道轴向垂直，保证能够扫描测试管7的横截面；

步骤二：在移动平台3的一侧布置带屏蔽铅罐的伽马射线源5、另一侧布置射线接收装置6，使射线发射与接收方向与移动平台3移动方向垂直；

步骤三：根据测试管7横截面大小与测量精细程度选取合适孔隙的准直器8，分别放置于放射源5出口和接收装置6前端；

步骤四：步进电机驱动装置2驱动移动平台3将射线源5、接收装置6移到测量起始点，设定步进电机程序，确定射线扫描长度与移动速度；

步骤五：测试管7产生稳定的气液两相流后，打开射线源5和接收装置6，开始对测量截面的空泡份额进行扫描测量。

射线源5和接收装置6扫描过测试管7截面的每一弦长，设在第i条弦长上的空泡份额为α_i，则α_i的计算公式由如下步骤得到：

首先由射线法得到两相流体的混合密度ρ_m：

其中：Φ_l—液相本底计数率；Φ_g—气相本底计数率；Φ—射线穿透气/汽液两相流后的计数率；ρ_l1—液相本底密度；ρ_g1—气相本底密度。本文中所有计数率都是去掉环境本底后的计数率。

然后根据两相流平均密度模型有：ρ_m＝ρ_g2α_i+(1-α_i)ρ_l2。其中，ρ_l2—测量工况下的饱和液密度；ρ_g2—测量工况下的饱和汽密度；则α_i的计算公式为：

对管道截面任意弦长上的空泡份额进行分析，通过每段弦长上的空泡份额计算出整个截面的平均空泡份额α，计算公式如下：其中：A_i—第i条弦长所对应的截面积。

进一步的，所述的测试管7产生稳定的气液两相流后，打开伽马射线源和屏蔽铅罐5、放射源接收装置6，其具体步骤为：

1)排空测试管7的流体，使其充满空气，通过热电偶21和压力变送器22测量此时的温度与压力，确定气相密度，打开射线源5，从测量起始点开始对测试管7截面的气相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置2运行方向，反向完成第二次扫描测量，射线源5和接收装置6回归起始位置、采集完成后关闭放射源5；

2)开启高压柱塞泵11，调整流量与压力到预设值，使测试管7中充满流动液体，通过热电偶21和压力变送器22测量此时的温度与压力，确定液相密度，打开射线源5，从测量起始点开始对截面的液相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置2运行方向，反向完成第二次扫描测量，射线源5和接收装置6回归起始位置、采集完成后关闭放射源5；

3)通过质量流量计19、转子流量计20将测试管7内的流量与压力调到预设值，打开预热器14的电加热装置，对流经预热器14的流体进行加热，当加热到预设干度值时，维持此两相流动状态；测量此时流体的温度和压力，打开放射源5，从测量起始点开始对截面的两相流计数率进行采集，待扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置2运行方向，反向完成第二次扫描测量，射线源5和接收装置6回归起始位置、采集完成后关闭放射源5；

4)调整加热功率，进行下一个干度值的测量，重复上述步骤3)，直至完成不同干度下的两相流计数率的采集；

5)逐步降低加热功率，待流体冷却到常温，调整压力至常压，关闭柱塞泵，停止实验系统的运行；将射线源5按照射线源的使用和操作规程移动至源库保存。

本发明的有益效果：

使用射线扫描法测量截面空泡份额，其一可以得到管道截面特定弦长上的空泡份额分布，这样对于截面内部有复杂结构的管道，能够获得局部空泡份额；其二，在已知管道截面尺寸的情况下，根据扫描获得的每一弦长的空泡份额，可以通过面积加权计算出截面平均空泡份额。因此，在一次测量中可以得到截面平均空泡份额和弦空泡份额的分布趋势，能够全面地了解截面空泡份额的分布特征。

附图说明

图1为本发明射线扫描装置的结构示意图；

图2为本发明气/汽液两相流产生与控制系统示意图；

图3为本发明射线扫描法示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1、图2所示，一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，包括固定平台1，固定平台1上固定步进电机驱动装置2，步进电机驱动装置2的滑台通过螺栓固定连接移动平台3，移动平台3底部通过滚轮4接触连接固定平台1上，移动平台3上固定伽马射线源和屏蔽铅罐5和放射源接收装置6，射线源5与接收装置6之间设置有测试管7，放射源接收装置前端与和射线源5出口分别设置有准直器8，放射源接收装置6信号输出端连接射线采集器28的输入端；所述的测试管7连接气液两相流的产生与控制系统。

参照图2所示，所述的汽液两相流的产生与控制系统包括：循环水箱9，循环水箱9的下端出口通过球阀10连接高压柱塞泵11的进口，高压柱塞泵11的出口通过旁路回到循环水箱9，高压柱塞泵11的出口通过主阀12连接管壳式回热器13的壳侧进口，回热器13的壳侧出口连接预热器14的进口，预热器14的出口连接测试管7的下端，测试管7的上端连接管壳式回热器13的管侧进口，回热器13的管侧出口连接管壳式冷凝器15的管侧进口，冷凝器15的管侧出口通过第二主阀16回到循环水箱9。所述的管壳式冷凝器15的壳侧出口连接冷却塔17的进口，冷却塔17的出口连接通过冷凝水泵18连接冷凝器15的壳侧出口。所述的第一主阀12与回热器13之间设置有质量流量计19，第二主阀16与循环水箱9之间设置有转子流量计20，测试管7的进口设置有热电偶21和压力变送器22。质量流量计19、热电偶21和压力变送器22的信号输出端接入采集板23。所述的射线采集器8和采集板23的数据采集信号输出端与工控机24和显示器25连接。

使用时，去离子水从循环水箱9流出，经过高压柱塞泵11升压分为两路，旁路流体直接返回循环水箱9，主路流体通过第一主阀12和第二主阀16调整到预设压力，通过回热器13与预热器14吸收热量，形成汽液两相流动，在测试段测量空泡份额后，经回热器14和冷凝器15放出热量，返回从循环水箱9形成一个循环；或者在测试段测量空泡份额后，经回热器14、冷凝器15、冷却塔17以及冷凝水泵18冷却后返回从循环水箱9形成一个循环。

伽马射线扫描装置的安装与使用方法，其步骤为：

步骤一：调整移动平台3，使得移动平台3的移动测量平面与测试管7的管道方向垂直，保证能够扫描测试管7的横截面；

步骤二：移动平台3一侧布置伽马射线源和屏蔽铅罐5、另一侧布置放射源接收装置6，使射线发射与接收方向与移动平台3移动方向垂直，如图3所示；

步骤三：根据测试管7横截面大小与测量精细程度选取合适孔隙的准直器8，分别放置于伽马射线源和屏蔽铅罐5的放射源出口处和放射源接收装置6前端；

步骤四：通过步进电机驱动装置2驱动移动平台3将伽马射线源和屏蔽铅罐5、放射源接收装置6移到测量起始点，设定步进电机程序，确定扫描长度与行进速度；

步骤五：测试管7产生稳定的气/汽液两相流后，打开伽马射线源5，开始对测量截面的空泡份额进行扫描测量。

气/汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描法，其测量过程主要分为三个部分：1)全气相计数率测量；2)全液相计数率测量；3)两相流计数率测量。

1)全气相计数率测量过程：

排空测试管7使其充满空气，通过热电偶21和压力变送器22测量测试管7内的温度与压力，确定气相密度，打开伽马射线源，从测量起始点开始对测试管7截面的气相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置2运行方向，反向完成第二次扫描测量，射线源5和接收装置6回归起始位置、采集完成后关闭放射源5。

2)全液相计数率测量过程：

开启高压柱塞泵11，调整流量与压力到预设值，使测试管7中充满液体，通过热电偶21和压力变送器22测量管内温度与压力，确定液相密度，打开伽马射线源5，从测量起始点开始对截面的液相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置2运行方向，反向完成第二次扫描测量，射线源5和接收装置6回归起始位置、采集完成后关闭放射源5。

3)两相流计数率测量过程：

将测试管7内的流量与压力调到预设值，打开预热器14的电加热装置，对流经预热器14的流体进行加热，当加热到预设干度值时，维持此两相流动状态；测量此时流体的温度和压力，打开放射源5，从测量起始点开始对截面的汽液两相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置2运行方向，反向完成第二次扫描测量，射线源5和接收装置6回归起始位置、采集完成后关闭放射源5；

调整加热功率，进行下一个干度值的测量，重复上述过程，直至完成不同干度下的两相流计数率的采集。关闭射线源5，逐步降低加热功率，待流体冷却到常温，调整压力至常压，关闭柱塞泵，停止实验系统的运行。

完成以上测量过程后，空泡份额测量值的计算过程如下。

射线源5和接收装置6扫描测量测试管7截面的每一弦长，设在第i条弦长上的弦空泡份额为α_i。弦空泡份额α_i的计算步骤如下。

首先由射线法得到两相流体的混合密度ρ_m：

其中Φ_l—液相本底计数率；Φ_g—气相本底计数率；Φ—伽马射线透过汽液两相计数率；ρ_l1—液相本底密度；ρ_g1—气相本底密度。

然后根据两相流平均密度模型有：ρ_m＝ρ_g2α_i+(1-α_i)ρ_l2。ρ_l2—测量工况下的饱和液密度；ρ_g2—测量工况下的饱和汽密度；则α_i的计算公式为：

对管道截面任意弦长上的空泡份额进行分析，通过每段弦长上的空泡份额计算出整个截面的平均空泡份额α，计算公式如下：其中：A_i—第i条弦长所对应的截面积。

Claims (8)

1.一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其特征在于，包括固定平台(1)，固定平台(1)上固定的步进电机驱动装置(2)，步进电机驱动装置(2)的滑台通过螺栓固定连接移动平台(3)，移动平台(3)底部通过滚轮(4)接触连接固定平台(1)上，移动平台(3)上固定的伽马射线源和屏蔽铅罐(5)和放射源接收装置(6)；伽马射线源和屏蔽铅罐(5)与放射源接收装置(6)之间设置有测试管(7)，接收装置(6)前端和射线源(5)出口分别设置有准直器(8)，放射源接收装置(6)信号输出端连接射线采集器(28)的输入端；所述的测试管(7)的连接气液两相流的产生与控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其特征在于，所述的汽液两相流的产生与控制系统包括循环水箱(9)，循环水箱(9)的下端出口通过球阀(10)连接高压柱塞泵(11)的进口，高压柱塞泵(11)的出口通过旁路回到循环水箱(9)，高压柱塞泵(11)的出口通过第一主阀(12)连接回热器(13)的壳侧进口，回热器(13)的壳侧出口连接预热器(14)的进口，预热器(14)的出口连接测试管(7)的下端，测试管(7)的上端连接回热器(13)的管侧进口，回热器13的管侧出口连接冷凝器(15)的进口，冷凝器(15)的管侧出口通过第二主阀(16)回到循环水箱(9)。

3.根据权利要求2所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其特征在于，所述的冷凝器(15)壳侧出口连接冷却塔(17)的进口，冷却塔(17)的出口连接通过冷凝水泵18连接冷凝器(15)的壳侧进口。

4.根据权利要求2所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其特征在于，所述的第一主阀(12)与回热器(13)之间设置有质量流量计(19)，第二主阀16与循环水箱9的第二进口之间设置有转子流量计(20)，测试管(7)的进口设置有热电偶(21)的和压力变送器(22)；质量流量计(19)、热电偶(21)和压力变送器(22)的信号输出端接入采集板(23)。

5.根据权利要求2所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其特征在于，所述的射线采集器(28)和采集板(23)分别与工控机(24)和显示器(25)连接。

6.基于权利要去2所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其使用方法，其特征在于，包括其步骤为：

步骤一：调整移动平台(3)，使得移动平台(3)的移动测量平面与测试管(7)的管道方向垂直，保证能够扫描测试管(7)的一个横截面；

步骤二：移动平台(3)一侧布置伽马射线源和屏蔽铅罐(5),另一侧布置放射源接收装置(6)，使射线发射与接收方向与移动平台(3)移动方向垂直；

步骤三：根据测试管(7)横截面大小与测量精细程度选取合适孔隙的准直器(8)，分别放置于伽马射线源和屏蔽铅罐(5)的放射源出口处和放射源接收装置(6)前端；

步骤四：通过步进电机驱动装置(2)驱动移动平台(3)将伽马射线源和屏蔽铅罐(5)、放射源接收装置(6)移到测量起始点，设定步进电机程序，确定扫描长度与行进速度；

步骤五：测试管(7)产生稳定的气液两相流后，打开伽马射线源(5)，开始对测量截面的空泡份额进行扫描测量。

7.基于权利要去2所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置，其两相流截面含气率测量值的计算方法，其特征在于：

伽马射线源和屏蔽铅罐(5)、放射源接收装置(6)，扫描过测试管(7)截面的每一弦长，设在第i条弦长上的空泡份额为α_i，则α_i的计算公式由如下步骤得到：

首先由射线法得到两相流体的混合密度ρ_m：

其中：Φ_l—液相本底计数率；Φ_g—气相本底计数率；Φ—伽马射线透过汽液两相计数率；ρ_l1—液相本底密度；ρ_g1—气相本底密度；

然后根据两相流平均密度模型有：ρ_m＝ρ_g2α_i+(1-α_i)ρ_l2。其中：ρ_l2—测量工况下的饱和液密度；ρ_g2—测量工况下的饱和汽密度；则α_i的计算公式为：

对管道截面任意弦长上的空泡份额进行分析，通过每段弦长上的空泡份额计算出整个截面的平均空泡份额α，计算公式如下：其中：A_i—第i条弦长所对应的截面积。

8.根据权利要求7所述的一种用于汽液两相流截面含气率测量的伽马射线扫描装置的方法，其射线扫描法测量过程的特征在于：

1)排空测试管(7)使其充满空气，通过热电偶(21)和压力变送器(22)测量此时的温度与压力，确定气相密度，打开伽马射线源和屏蔽铅罐(5)，从测量起始点开始对测试管(7)截面的气相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置(2)运行方向，反向完成第二次扫描测量，伽马射线源和屏蔽铅罐(5)和放射源接收装置(6)回归起始位置、采集完成后关闭放射源；

2)开启高压柱塞泵(11)，调整流量与压力到预设值，使测试管(7)中充满流动液体，通过热电偶(21)和压力变送器(22)测量此时的温度与压力，确定液相密度，打开伽马射线源和屏蔽铅罐(5)，从测量起始点开始对截面的液相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置(2)运行方向，反向完成第二次扫描测量，伽马射线源和屏蔽铅罐(5)和放射源接收装置(6)回归起始位置、采集完成后关闭放射源；

3)通过质量流量计(19)、转子流量计(20)将测试管(7)内的流量与压力调到预设值，打开预热器(14)的电加热装置，对流经预热器(14)的流体进行加热，当加热到预设干度值时，维持此两相流动状态；测量此时流体的温度和压力，打开放射源(5)，从测量起始点开始对截面的汽液两相计数率进行采集，待射线源扫描完整个截面后，调整步进电机驱动装置(2)运行方向，反向完成第二次扫描测量，伽马射线源和屏蔽铅罐(5)和放射源接收装置(6)回归起始位置、采集完成后关闭放射源；

4)调整加热功率，进行下一个干度值的测量，重复上述步骤3)，直至完成不同干度下的两相流计数率的采集；

5)关闭伽马射线源和屏蔽铅罐(5)，逐步降低加热功率，待流体冷却到常温，调整压力至常压，关闭柱塞泵，停止实验系统的运行。