CN109870201B - 一种组合式环雾状流分相流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组合式环雾状流分相流量测量方法，包括下列步骤：利用两对电导环形贴壁式传感器实现对环雾状流平均液膜厚度的实时测量；根据相关测速法对前后两对环形电导传感器测得的信号进行相关分析得出平均液膜界面流速，结合平均液膜厚度和液膜界面流速，求得液膜的质量流量；利用涡街传感器获得气相密度；计算得到过读的气相流量；将上述测得的液膜流量、过读的气相流速、过读的气相流量作为已知量，利用上述公式对夹带率E和过读系数OR进行迭代求解，直至夹带率收敛，最后根据夹带率计算出液相总流量，从而实现环雾状流分相流量的测量目标。

Description

一种组合式环雾状流分相流量测量方法

技术领域

本发明属于气液两相流参数测量领域，涉及一种环雾状流分相流量测量技术，可用于工业应用中环雾状流的气液分相流量测量。

背景技术

湿气一种以气(汽)相为连续相、液相为离散相的两相流型，在流速较高时表现为雾状流，其气流核心为气流和液滴的混合物。雾状流作为重要的两相流型，广泛存在工业领域，如锅炉、核反应堆蒸汽发生器等汽化装置，石油、天然气的输送管道，各种蒸发器、冷凝器、反应器等化工设备以及气液混合器、热交换器、灭火器、各种发动机燃烧室以及水下推进装置中等。涡街流量计是一种重要的湿气流量测量仪表，其中39.1％的涡街流量计被用于进行湿气流量的测量[1]，涡街流量计在湿气测量中有重要地位。

湿气经输送后，随工况的变化，会因热量损失、温度降低而进入饱和或过饱和状态，常常形成环雾状流，液相对蒸汽流量仪表的测量精度有显著影响。为了减小涡街流量计在用于测量环雾状流流量时的误差，研究者们进行了大量的探索，首先被提出的方案是采用温度、压力补偿等办法弥合液相的影响，以减小误差[2][3][4]，然而这种方法缺乏理论基础，只能被经验性地用于特定工况条件下。之后以涡街流量计为基础的组合式仪表的方案被大量提出，如双涡街联合式[5]、涡街与靶式流量计组合式[6]、涡街与孔板组合式[7]、涡街与V锥组合式[8][9]等，这些方案都是利用不同流量计得出的信号，结合相关理论、经验方程，推导出两相流量或干度，然而在这些方案中，都是依据入口条件与流量仪表信号拟合依赖关系，没有环雾状流液膜与液滴夹带理论支持，因而广泛适用性仍然得不到保证。这也是传统流量仪表的局限性决定的，传统流量仪表都是为单相流体测量设计的，更关注可靠性和泛用性，缺乏针对性，把它们组合起来并不能完全满足环雾状流的测量要求。

本发明在涡街流量计原理基础上结合环雾状流液膜速度分布[10][11]、液滴夹带[12]、涡街过读系数[13]相关理论，设计了电导环与涡街的组合式传感器，根据传感器测量信号，建立了封闭的环雾状流理论模型，进而得出环雾状流气液两相分相流量，其中液相流量分为液膜流量与夹带液滴流量。

参考文献

[1]Jesse Yoder,What is so great about vortex flowmeters Flow Control,2009,June:42-44.

[2]卢嘉,史云肖,郑永辉.用涡街流量计测量蒸汽的质量流量[J].石油化工自动化,2006(4):79-80.

[3]Masahiro Ishibashi,Tatsuya Funaki,Noriyuki Furuichi,Measurement ofGas-Phase Flowrate of Wet Steam with Low Wetness,8th ISFFM,June 2012.

[4]梅沢修一,島田寛之,森田良,et al.渦流量計を用いた湿り蒸気の流量測定における湿り度の影響[J].日本機械学会論文集b編,2013,79.

[5]杜义朋,王为民,周立峰,等.双涡街法测量饱和蒸汽干度研究[J].当代化工,2013(1):44-46.

[6]李世武,气液多相流流量测量装置与测量方法,CN101672676A,2010.

[7]张金晶.涡街流量计在气液两相流中的特性研究[D].天津大学,2015.

[8]Li J,Wang C,Ding H,et al.Mass flowrate measurement of wet steamusing combined V-cone and vortex flowmeters[C]//IEEE InternationalInstrumentation and Measurement Technology Conference.IEEE,2017:1-6.

[9]李世武,陈安成，一种湿蒸汽流量测量装置和测量方法，CN101526380A,2009.

[10]Whalley P B.Boiling condensation and gas-liquid flow[M].ClarendonPress,1987.

[11]Ashwood A C,Hogen S J V,Rodarte M A,et al.A multiphase,micro-scale PIV measurement technique for liquid film velocity measurements inannular two-phase flow[J].International Journal of Multiphase Flow,2015,68:27-39.

[12]Dallman,J.C.,Laurinat,J.E.,Hanratty,T.J.Entrainment forhorizontal annular gas-liquid flow.International Journal of Multiphase Flow,1984(10):677-689.

[13]Li J,Wang C,DingH,et al.EMD and Spectrum-Centrobaric-Correction-Based Analysis of Vortex Street Characteristics in Mist Annular Flow of WetGas[J].IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement,PP(99):1-11.

发明内容

本发明的目的是提供一种湿气分相流量测量技术。该技术可对湿气形成的环雾状流气液两相流量信息解耦，并能实现实时在线测量，输出气液的分相流量。本发明采用如下的技术方案：

一种组合式环雾状流分相流量测量方法，包括下列步骤：

1)利用两对电导环形贴壁式传感器实现对环雾状流平均液膜厚度δ的实时测量；

2)根据相关测速法对前后两对环形电导传感器测得的信号进行相关分析得出平均液膜界面流速u_li，结合平均液膜厚度δ和液膜界面流速u_li，求得液膜的质量流量；

3)利用涡街传感器测得过读的气相流速u_g0，压力传感器测得管道内的实时压力P，进而得到气相密度ρ_g，利用下面公式计算得到过读的气相流量m_g0：

m_g0＝0.25π(D-2δ)²u_g0ρ_g

4)设u_g为真实气相流速，过读定义式如下

其中，OR为过读系数，u_g0为过读的气相流速，u_g为真实气相流速；

过读系数OR的与夹带率E的关系式如下：

m_f+m_e＝m_l

其中，m_e为液滴的质量流量，m_g为真实气相流量，m_f为液膜的质量流量，m_l为液相总质量流量，E为夹带率；

夹带率E与气相流速u_g的关系式如下：

其中，W_lfc为临界液膜流量，E_m为临界夹带率，D为管道直径，μ_l为液相动力粘度，ρ_l为液相密度、ρ_g为气相密度；

将上述测得的液膜流量m_f、过读的气相流速u_g0、过读的气相流量m_g0作为已知量，设定初始夹带率E为0.5，利用过读系数OR与夹带率E的关系式求出当前过读系数OR，根据过读定义式，求出过读补偿后的气相流速u_g和气相流量m_g，然后利用夹带率E与气相流速u_g的关系式更新夹带率E，循环此过程直到夹带率收敛，可得出夹带率E和修正后的气相流量m_g，最后根据夹带率定义计算出液相总流量，从而实现环雾状流分相流量的测量目标。

附图说明

图1：环雾状流分相流量测量装置结构图

图2：环形电导测量电路图

图3：迭代计算流程图

具体实施方式

为了能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明的测量过程通过以下结构(见图1)实现：1交流激励电源、3环形电导传感器、4涡街传感器、2压力传感器以及5工控机。交流激励电源为环形电极提供载波信号，驱动环形电极间产生电压信号，将液膜厚度信息转化为电压大小。涡街传感器测量用于测量含有液滴的气相流量，压力传感器用于测量管路中的实时压力P。

本发明采用的电导传感器采用直接的电压激励，电压检测的方案，测量电路图见图2，其中R_li为液膜电阻，为防止极化现象，需采用交流激励，本发明采用激励电压为1000Hz，峰值15V的方波电压信号，测量电路由分压电路和电流放大电路构成，电压信号经数据采集卡输入工控机。电路参数根据仿真结果确定，当液膜厚度为1mm时待测液膜电阻值为59.1MΩ，该阻值随电极间距线性增加，随液膜厚度反比例下降，依据该测量电路，液膜厚度在0.1mm-5mm之间变化时，输出电压为±(0.5V-10V)，经采集卡采集后输入工控机。由于电流较小，为减小辐射干扰，需在测量电路外增加金属壳进行静电屏蔽，同时引出线需采用屏蔽线。

测得的液膜厚度δ(单位：mm)可由式(1)确定。

同时根据两组电导传感器测得间距d的两处液膜厚度，根据相关测速法，可以得出液膜界面流速u_int。通用速度分布式(UVP)是描述液膜中流速分布的重要关系式，该关系式依托大量实验数据建立，可靠性好。

该关系式需要将液膜厚度和流速无量纲化，涉及一个与界面剪切力有关的速度标准量u_τ，传统上该量由剪切力相关理论推导得出，但这些理论十分复杂，许多重要问题上仍存在争议，应用性差。本发明提出一种直接根据液膜厚度和液膜界面流速反推u_τ的方法。该方法说明如下：

在界面处，y值为δ，而u值为u_int,根据此关系，将这两个值分别带入通用速度分布式UVP的三个子式，该方程组可由Matlab程序直接求解，求出三种条件下对应的u_τ，将求得的三个u_τ依次代入式(4)，直到求出的y+值符合对应区间，则u_τ、u⁺和y⁺的值可以确定。根据这些值计算式(2)的积分，可以得出液膜流量m_f。

涡街流量计可以直接测出气相流速u_g0，由于过读现象，该值偏高。可以用过读系数进行修正，OR为过读系数，可定义为：

根据压力传感器信号可以得出气相压强，由此可以计算出过读的气相质量流量m_g0，其中液膜的影响也被考虑在内：

m_g＝0.25π(D-2δ)²u_gρ_g (6)

依据现有资料，涡街流量计过读系数与液滴夹带有关，该关系近似为：

根据夹带率E的相关理论，可以推导出以下公式：

其中W_lfc为临界液膜流量，与管道结构以及液相的物理性质相关，在本设计中为常值。

本发明通过前置电导环、涡街、压力传感器可以得到液膜厚度δ、界面流速u_li、气相流速u_g0、压力P，将这些值输入工控机进行计算，由液膜分布理论可计算得液膜流量m_f，由公式(6)可计算出过读的气相流量m_g0。然后对公式(5)(6)(7)(8)构成的方程组进行迭代求解，夹带率E初值取为0.5，代入式(7)求出当前过读系数OR，代入式(5)，可以求出过读补偿后的u_g，最后代入式(6)和式(8)，求出更新的气相流量m_g和夹带率E，循环此过程直到收敛，可得出夹带率E和修正后的气相流量m_g，由夹带率的定义：

可以求出液相流量m_l，进而可以得出气液两相的分相流量，实现测量目标，具体迭代过程见图3。结合这些理论推导，可以实现由上述测量装置测得环雾状流的气液两相流量，同时液相可以区分出液膜流量和气芯中的夹带液滴流量。

Claims (1)

1.一种组合式环雾状流分相流量测量方法，包括下列步骤：

1)利用两对电导环形贴壁式传感器实现对环雾状流平均液膜厚度δ的实时测量；

2)根据相关测速法对前后两对环形电导传感器测得的信号进行相关分析得出平均液膜界面流速u_li，结合平均液膜厚度δ和液膜界面流速u_li，求得液膜的质量流量；

3)利用涡街传感器测得过读的气相流速u_g0，压力传感器测得管道内的实时压力P，进而得到气相密度ρ_g，利用下面公式计算得到过读的气相流量m_g0：

m_g0＝0.25π(D-2δ)²u_g0ρ_g

4)设u_g为真实气相流速，过读定义式如下

其中，OR为过读系数；

过读系数OR的与夹带率E的关系式如下：

m_f+m_e＝m_l

其中，m_e为液滴的质量流量，m_g为真实气相流量，m_f为液膜的质量流量，m_l为液相总质量流量，E为夹带率；

夹带率E与真实气相流速u_g的关系式如下：

其中，W_lfc为临界液膜流量，E_m为临界夹带率，D为管道直径，μ_l为液相动力粘度，ρ_l为液相密度、ρ_g为气相密度；

将上述测得的液膜流量m_f、过读的气相流速u_g0、过读的气相流量m_g0作为已知量，设定初始夹带率E为0.5，利用过读系数OR与夹带率E的关系式求出当前过读系数OR，根据过读定义式，求出真实气相流速u_g和气相流量m_g，然后利用夹带率E与真实气相流速u_g的关系式更新夹带率E，循环此过程直到夹带率收敛，可得出夹带率E和修正后的气相流量m_g，最后根据夹带率定义计算出液相总流量，从而实现环雾状流分相流量的测量目标。

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