CN112857481B - 基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号和液膜传感器输出的液膜厚度序列；对涡街流量计的时序信号行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号求平均可得平均液膜厚度；计算过读的表观气相体积流量Qg,apparent；计算涡街过读系数OR；计算实际气相体积流量Qg；根据环雾状流平均液膜厚度建模结果，计算液相韦伯数；结合气液相韦伯数定义式，计算液相表观流速计算液相流量Ql。
Description
技术领域
本发明属于湿气分相流量测量领域，涉及一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法。
背景技术
湿气流动广泛存在于天然气行业，对其进行准确计量对于管道输运、贸易结算有重要影响，直接关系到环境保护、能源管理和充分利用[1]。针对两相流测量，目前主要有两种方法。传统方法是分离之后再分相计量，但设备昂贵、体积庞大、无法实现在线测量[2]。另一种方法是利用传统单相流量仪表进行非分离的在线测量方法，该方法具有传感器体积小、可在线测量等优点。
在湿气气相流量测量中，涡街流量计因其稳健、经济、量程比高、压损小而被广泛应用于湿气气相流量的在线测量[3]。然而，当传统的单相涡街流量计应用到湿气测量时，湿气中的少量液相会影响仪表系数，使测得的气相流量偏高(过读，overreading，OR)，最大可引起20％的测量误差[4]。为了提高涡街流量计在湿气中分相测量的测量精度，需要对过读进行补偿。在湿气流动中，液相一部分以薄液膜形式在管壁附近低速流动，一部分以离散液滴形式被气核所夹带[5]。其中涡街的过读与两相内部流动状态(液滴、液膜)有着密切联系。但由于两相流动的复杂性，目前没有统一的涡街过读预测公式。其中，文献[6]中研究认为液滴直径是影响涡街稳定性的重要因素。文献[3]通过液滴加载量和斯托克斯数建立涡街过读模型。文献[7]中研究根据环状流的液滴沉积和夹带理论，综合了速度滑移、夹带率和液滴直径的影响，计算过读修正因子。上述研究虽然提供了涡街过读的理论公式，但由于液滴参数(夹带率、液滴直径、液滴速度等)难以实时测量，难以直接用于湿气流量的在线测量。目前针对液滴加载量、液滴直径等液滴参数的测量，常用液滴参数测量手段包括电导法、超声法、光学法等，但这些方法仅适用于特定工况，例如：光学法要求管路透明，且管路内部一般为低压。同时，实验设备复杂，成本高，难以实现真正的在线测量。液膜参数同样是表征两相流动内部特征的重要参数，同样会影响涡街湿气测量特性。相比之下液膜参数拥有众多测量手段，其中专利CN201910134650.8中，提供了一种湿气条件下液膜厚度实时测量的方法，对于高压、高温、不透明管道及恶劣环境等，同样便于实现在线测量。结合液膜参数测量方法，结合涡街过读研究基础，可方便地实现涡街过读补偿和湿气气相流量预测分相在线测量。
湿气流动中液相流量测量同样重要，常用的射线法、微波法和等速采样法等，受应用场合和使用方法限制，难以实现在线测量，同时测量成本也会大大增加[3]。综上，针对湿气中气液分相流量测量，还需要一种更为精确、易于实现在线测量的测量方法。
专利201810644726.7设计了一种多参数可调的雾状流实验系统。
参考文献
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[6].Wang C,Liu Q.Influence of droplet diameter on vortex flow meterin steam flowmeasurement[C].2011Second International Conference on MechanicAutomation and Control Engineering.IEEE,2011:4994-4997.
[7].张金晶.涡街流量计在气液两相流中的特性研究[D].天津：天津大学，2015.
发明内容
本发明提供一种更为精确、易于实现在线测量的涡街湿气分相流量测量方法。本发明利用液膜厚度传感器和涡街流量计，通过建立涡街过读系数模型和平均液膜厚度模型，实现湿气分相流量测量。技术方案如下：
一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：
1)采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号s(t)和液膜传感器输出的液膜厚度序列δ(t)；
2)通过工况P和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计的时序信号s(t)进行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号δ(t)求平均可得平均液膜厚度δ；
3)根据式(1)计算过读的表观气相体积流量Qg,apparent
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数；
4)根据公式(2)计算涡街过读系数OR
其中，D为管道直径；k1为常值系数；
5)由式(3)计算实际气相体积流量Qg
6)根据环雾状流平均液膜厚度δ建模结果，计算液相韦伯数，如公式(4)所示
其中，n1、n2为常数幂指数，其具体取值根据公式(4)所述函数形式拟合得到
其中，气相韦伯数为液相韦伯数为/>Usg为气相表观流速；Usl为液相表观流速；ρg为气体密度；ρl为液体密度；σ为液体的表面张力；
7)结合气液相韦伯数定义式，计算液相表观流速Usl如公式(6)所示；
8)由公式(7)求解出液相流量Ql；
根据以上方法，最终实现了涡街流湿气分相流量测量。并且该方法具有以下优点：
(1)可实现湿气分相流量测量。
该方法通过建立了过读系数OR与平均液膜厚度δ之间的关联式，对未修正气相流量进行过读补偿，实现气相流量测量。并建立平均液膜厚度δ与气液相韦伯数之间模型，求解液相流量，最终实现湿气分相流量测量。
(2)简单、低成本、在线测量。
利用涡街流量计、液膜厚度传感器、压力传感器和温度传感器测量相关参数，即可实现湿气分相流量测量。该方法操作简单、成本低，并且可实现在线测量。
(3)预测精度高。
在湿气工况条件下利用该方法进行了气、液相流量的预测。示例中，气相体积流量预测，相对误差在±1.8％以内；液相体积流量预测，相对误差在±8％以内。
附图说明
图1：测量装置总体示意图
图2：信号采集流程图
图3：基于迭代的湿气分相流量测量实施流程图
图4：过读系数OR与气液相韦伯数关系图
图5：气相体积流量预测误差示意图
图6：液膜厚度δ与气液相韦伯数关系图
图7：液相体积流量预测误差示意图
具体实施方式
现结合附图和实施对本发明做进一步说明。
本发明使用液膜厚度传感器和涡街流量计，分别测得平均液膜厚度和未修正气相流量。提取不同入口条件的平均液膜厚度，针对涡街过读问题，建立了过读系数与平均液膜厚度之间的关联式。通过对未修正气相流量进行过读补偿，实现气相流量测量。为求解液相流量，进一步建立平均液膜厚度与气液相韦伯数之间模型，最终实现湿气条件下分相流量测量。具体求解方法如下：
1)采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号s(t)和液膜传感器输出的液膜厚度序列δ(t)。
2)通过工况P和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计的时序信号s(t)进行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号δ(t)求平均可得平均液膜厚度δ。
3)根据式(1)计算过读的表观气相体积流量Qg,apparent
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。
4)根据公式(2)计算涡街过读系数OR。
其中，D为管道直径；δ为平均液膜厚度；k1为常值系数。
5)由式(3)计算实际气相体积流量Qg
6)根据环雾状流平均液膜厚度δ建模结果，计算液相韦伯数，如公式(4)所示
其中，k1为常数系数，n1、n2为常数幂指数，其具体取值根据公式(4)所述函数形式拟合得到
其中，气相韦伯数为液相韦伯数为/>Usg为气相表观流速；Usl为液相表观流速；ρg为气体密度；ρl为液体密度；σ为液体的表面张力。
7)结合气液相韦伯数定义式，计算液相表观流速Usl如公式(6)所示。
8)最终由公式(7)求解出液相流量Ql。
根据以上方法，最终实现了涡街流湿气分相流量测量。
本实例是一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，下面是在湿气测量中的具体实施。利用专利201810644726.7中的多参数可调的雾状流实验系统，调节湿气工况压力为150kPa～350kPa，气相流量12m3/h～24m3/h，液相流量0.55mL/s～4.5mL/s，管道直径为定值D＝15mm，液体的表面张力为定值σ＝0.072N/m。测量装置总体示意图如附图1所示，由液膜厚度传感器1、压力传感器2、涡街流量计3和温度传感器4组成。
信号采集流程图如附图2所示。采集传感器信号，包括由压力传感器输出的工况压力p，温度传感器输出的工况温度T，涡街流量计输出的涡街时序序号s(t)和以及由专利CN201910134650.8中液膜厚度传感器输出的液膜厚度时序信号δ(t)。其中s(t)采样频率为100kHz，每组数据采样时间为10s。δ(t)采样频率为32MHz，在正弦信号(500kHz)激励下，每个周期内采样64次，采样8个周期后交由上位机进行处理。
然后，通过p和T分别计算对应工况下的气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计的时序信号s(t)进行快速傅里叶变换，提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号δ(t)取平均值，得到单个采样周期内的平均液膜厚度δ。
涡街流量计是一种速度式流量计，通过测量漩涡脱落频率fVS即可得到体积流量
其中Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。
在湿气流动中，少量液相的存在使得在应用涡街流量计测量湿气的过程中，测得的气相体积流量Qg,apparent高于实际气体的流量Qg，称为“过读”现象。因此，涡街流量计示值Qg,apparent与实际流量Qg之间关系为
式中，OR称为涡街过读系数。
为提高涡街流量计测量精度，需建立OR预测模型，对涡街流量计示值进行修正。过去研究中，常依据液滴参数建立OR预测模型，但往往难以直接测得液滴参数。液膜参数同样可以表征流体内部流动特征，相比之下液膜参数更易获得。接下来根据平均液膜厚度δ，建立涡街过读系数OR预测模型，并建立平均液膜厚度δ预测模型。
利用最小二乘法将液膜厚度与OR进行拟合，如附图4，建立平均液膜厚度δ与涡街过读系数OR的关系为
其中，δ为平均液膜厚度，D为管路内径。
已知，影响液膜厚度的主要因素是表面张力和惯性力，而气液相韦伯数可以表征湿气流动中的表面张力和惯性力。因此在本实验工况条件下，通过最小二乘法拟合实验数据，得到图4所示的气相和液相韦伯数与平均液膜厚度之间关系，建立平均液膜厚度δ与气液相韦伯数之间关系为
式中，气相韦伯数为液相韦伯数为/>其中Usg为气相表观流速；Usl为液相表观流速；ρg为气体密度；ρl为液体密度；σ为液体的表面张力；D为管路内径。
下面基于上述建模和标定结果，进行湿气分相流量测量，实施流程如附图3所示，方法如下：
1)采集两相压力P、两相温度T、涡街压电传感器输出的时序信号s(t)和液膜厚度传感器输出的液膜厚度序列δ(t)。
2)通过P和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计时序信号s(t)进行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器输出的液膜厚度序列信号δ(t)求平均，得平均液膜厚度δ。
3)由公式(8)计算两相涡街流量计示值Qg,apparent
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数(m-3)。
4)根据公式(9)计算涡街表过读系数OR
其中D为管道直径；δ为平均液膜厚度。
5)根据公式(10)计算实际气相体积流量Qg
6)根据环雾状流平均液膜厚度δ建模结果，计算液相韦伯数Wel，如公式(11)所示
其具体取值根据公式所述函数形式拟合得到
其中，气相韦伯数为液相韦伯数为/>Usg为气相表观流速，Usl为液相表观流速；ρg为气体密度；ρl为液体密度；σ为液体的表面张力。
7)结合气液相韦伯数定义式，计算液相表观流速Usl，如公式所示
8)最终由公式计算液相流量Ql
在本例中，根据以上方法，最终实现了涡街流湿气分相流量测量。
为验证上述提出的液膜厚度传感器和涡街流量计相结合的湿气分相流量测量方法，利用液膜厚度对气相体积流量进行预测，气相体积流量预测，相对误差在±1.8％以内，如附图5，其中相对误差＝(预测值-真实值)/真实值×100。不同工况条件下液相流量的预测，相对误差在±8％以内，如附图7。
本发明通过对湿气中的液膜厚度和涡街流量计过读系数进行建模，提出了一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法。本发明无需其他复杂、昂贵的气、液相测量装置和方法，测量方法，简单、经济且预测精度高。
Claims (1)
1.一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：
1)采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号s(t)和液膜传感器输出的液膜厚度序列δ(t)；
2)通过工况P和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计的时序信号s(t)进行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号δ(t)求平均可得平均液膜厚度δ；
3)根据式(1)计算过读的表观气相体积流量Qg,apparent
其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数；
4)根据公式(2)计算涡街过读系数OR
其中，D为管道直径；k1为常值系数；
5)由式(3)计算实际气相体积流量Qg
6)根据环雾状流平均液膜厚度δ建模结果，计算液相韦伯数，如公式(4)所示
其中，n1、n2为常数幂指数，其具体取值根据公式(4)所述函数形式拟合得到
其中，气相韦伯数为液相韦伯数为/>Usg为气相表观流速；Usl为液相表观流速；ρg为气体密度；ρl为液体密度；σ为液体的表面张力；
7)结合气液相韦伯数定义式，计算液相表观流速Usl如公式(6)所示；
8)由公式(7)求解出液相流量Ql；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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