新型內(nèi)外管差壓流量計彈狀流雙參數(shù)測量研究

方立德　王配配　王松　曾巧巧　謝辰　李小亭　韋子輝

摘要：為實現(xiàn)氣液兩相流相含率及流量的雙參數(shù)測量，設計新型內(nèi)外管差壓流量計測量裝置。利用該裝置在單相水流量為1～11m3/h，氣流量范圍為0.12～0.6m³/h進行實驗，在已知含率的情況下求得彈狀流的兩相總質(zhì)量流量預測模型，通過分析壓損比與X_LM變化規(guī)律，分段建立壓損比和Fr_g與X_LM的數(shù)學模型，得到分相含率。預測結果表明：彈狀流液相含率相對誤差在±2%以內(nèi)，兩相總質(zhì)量流量相對誤差在±3%以內(nèi)。通過差壓及壓損比實現(xiàn)相含率及流量的雙參數(shù)測量，為氣液兩相流不分離測量提供一種參考方法。

關鍵詞：氣液兩相流;差壓流量計;壓損比;雙參數(shù)測量

中圖分類號：O359+.1;TE645 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0027-07

0 引言

氣液兩相流是一種在生產(chǎn)實際中廣泛存在的混合流動狀態(tài)，如石油工業(yè)中的油汽、油冰兩相流;冶金、電力工業(yè)中各種氣力物料輸送管道中的氣/固兩相流;化工、醫(yī)藥、能源等領域中，干燥過程、混合過程、流態(tài)化過程、擴散過程、反應過程等[1-2]。氣液兩相流在線不分離測量技術對安全生產(chǎn)，節(jié)能減排具有重要意義。

差壓流量計是使用范圍最廣的一種流量計，是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來測量氣、液流量最常用的一種測量儀表2010年馬太義等對多孔板的流出系數(shù)特性、壓力損失和抗旋流性能進行了實驗研究[4] ;2012年龐麗麗提出了一種內(nèi)外管式差壓流量計[5]該流量計具有不改變總的流通面積，對管道內(nèi)流體的流型影響較小的特點;2013年周云龍等在完成對標準孔板改進后，運用單一節(jié)流件完成了氣液兩相流量的雙參數(shù)測量[6];2014年徐英等探索長喉頸文丘里管喉部取壓位置對其濕氣測量模型的影響，從理論上對其各個部分壓力降進行研究[7];2016年賀登輝以V錐流量計作為基礎，通過氣液兩相流實驗運用雙差壓測量方法對兩相參數(shù)進行修正，提出了一種新的濕氣在線測量方法[8];2017年李丹利用內(nèi)外管差壓流量計結合近紅外光譜技術，實現(xiàn)了氣液兩相流流量與相含率的測量[9]。

在氣液兩相流測量中，相含率和流量是兩個極為重要的特征參數(shù)，準確測量這兩個參數(shù)對兩相流理論研究與工業(yè)生產(chǎn)中的計量、控制等意義重大，對兩相流及多相流的技術發(fā)展和實際應用具有積極推動作用[10]。

1 新型測量裝置優(yōu)化設計

內(nèi)外管差壓流量計作為一種提出較晚的流量計，具有較好的測量性能，但在差壓信號的提高、壓力損失的減小方面還有很大的提升空間。本文以近期優(yōu)化設計的新型內(nèi)外管差壓流量計為基礎，在垂直管氣液兩相流動狀態(tài)下研究該流量計的測量特性。選擇在內(nèi)外管流體速度相差最大，即壓力相差最大的中間管段取壓，來取得最大的差壓值。新型內(nèi)外管差壓流量計由外管、內(nèi)管與支架等組成。圖1為新型內(nèi)外管差壓流量結構示意圖。

如圖1所示，該型流量計外管1為水平設置的圓直管結構;在外管的側壁上開有用于測量外管內(nèi)流體壓力的第一測壓孔2，在外管的側壁上還開有第二測壓孔3，第二測壓孔和所述第一測壓孔處于外管的同一橫截面上且兩者關于該橫截面中心呈中心對稱分布。內(nèi)管置于外管內(nèi)，且位于外管的軸心線上;內(nèi)管包括依次連接的進口管4、收縮管5、取壓管6，擴張管7和出口管8;進口管和出口管的端部分別與外管的端部對齊;在內(nèi)管的取壓管上開有第三測壓孔9，第三測壓孔與外管側壁上的第二測壓孔相對設置，且第三測壓孔和第二測壓孔之間通過引壓管相連接;通過引壓管可測量內(nèi)管內(nèi)流體的壓力。最終制作樣機如圖2所示。

本文單相流及氣液兩相流動實驗均在河北大學多相流實驗系統(tǒng)進行，該多相流測試系統(tǒng)可完成水、氣、油的單相流和多相流模擬實驗。本文實驗單相流動介質(zhì)為單相水，兩相流流動介質(zhì)為空氣與水混合的兩相流。氣路流量調(diào)節(jié)通過閥門配合質(zhì)量流量控制器自配的控制系統(tǒng)進行。液路采用DN10以及DN32管徑的電磁流量計，通過變徑的球閥開關改變流量大小。實驗測量差壓所用差壓變送器范圍選用0～30kPa，測量壓損用差壓變送器范圍為-15～15kPa。

2 單相流測量特性分析

單相流量的準確測量對后續(xù)兩相流動態(tài)實驗具有重要的指導意義和參考價值。裝置流出系數(shù)標定采用的液相流量范圍為1～11m³/h，選取11個工況點進行實驗，共進行5組重復性實驗以及一組隨機工況點實驗，分別采集溫度、壓力、差壓以及壓損。

流出系數(shù)定義為實際流量與理論流量之比[11]，按照ISO5167，對于不可壓縮流體，流出系數(shù)C的計算公式可以表示為

式中：qm——流體的質(zhì)量流量，kg/s;

△p——采集到的差壓信號，Pa;

ρ——節(jié)流件的上游流體的密度，kg/m³;

D——內(nèi)外管差壓流量計外管內(nèi)徑，m;

qm-s——標準流量也稱實際流量，實驗中由標

準表讀數(shù)得到，m³/s;

qm-c——計算流量也稱理論流量，根據(jù)裝置測

得的差壓值及相關參數(shù)計算獲得，m³/s;

β——等效節(jié)流比，新型內(nèi)外管等效節(jié)流比為

0.4737。

單相流出系數(shù)C并非定值，為了得到準確的測量流量值，需要對流出系數(shù)C進行擬合。使用3組差壓值均值與流出系數(shù)C數(shù)據(jù)，通過軟件進行擬合，得到擬合公式為

利用計算模型求出實驗過程中的流出系數(shù)，將流出系數(shù)C帶入式（1）中計算擬合質(zhì)量流量。計算擬合質(zhì)量流量與實際質(zhì)量流量的相對誤差分布圖如圖3所示。由圖可知，最大相對誤差在±1.6%以內(nèi)，符合測量要求。

3 彈狀流工況下測量特性分析

在單相流動測量實驗的基礎上，利用該裝置進行新型氣液兩相流雙參數(shù)測量實驗。常壓下，氣路共選取0.12，0.24，0.36，0.48，0.60m³/h 5個氣相點，液相流量范圍為2～6m³/h，選取5個液相點。共選擇25個工況點進行6組重復性實驗，實驗工況點選擇見表1。

4）將Fr₁O，F(xiàn)r_gO代入式（8）得到修正系數(shù)G0;

5）由G0與W_a得到兩相質(zhì)量流量W_tp0;

6）通過W_tp0以及液相質(zhì)量含率1-x得到Fr₁1;

7）比較Fr₁1與Fr₁O的大小，如果相等迭代結束，不相等，則將Fr₁1作為初值重復進行2）～6）。

迭代過程如圖7所示。

將4組驗證實驗數(shù)據(jù)帶入以上迭代過程其最終與真值相對誤差如圖A所示。從圖中可知實驗誤差在±5.5%以內(nèi)。

3.2 相含率測量模型建立

在已知含率情況下得到了彈狀流兩相總質(zhì)量流量預測模型。本實驗在兩實驗過程中同時采集差壓以及內(nèi)外管前后的絕對壓力損失，通過壓力損失和差壓與分相含率建立關系以達到擺脫入口參數(shù)對測量模型的影響。為了區(qū)分這兩個參數(shù)對液相含率的影響差異，將差壓和壓損所有數(shù)據(jù)點進行歸一化處理：

歸一化后差壓以及壓損隨液相含率變化規(guī)律如圖9所示。

由圖可知，由于差壓、壓損都包含氣相與液相兩態(tài)信息，且變化規(guī)律基本相同，因此無法直接使用與分相含率建立關系。在兩相流動測量中常用戈胭表征液相含率變化，圖10為彈狀流整體壓損比與戈洲的關系圖。

如圖所示，在同一氣相流量點下，壓損比隨著戈衛(wèi)增大而增大，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件運用非線性回歸擬合，得到彈狀流戈洲模型為

X_LM=15.747·Fr_g^-0.039·exp（RLP·（-1524.591·

Fr_g+15.747））+ Fr_g^-0.867（13）其中RLP為壓損比。

由于X_LM及修正系數(shù)G中都涉及參數(shù)Fr_g，由上一小節(jié)中可知，可由差壓預測Fr₁，由式（11）可知，X_LM實際上是Fr₁與Fr_g之比，由此得到Fr_g。將得到的Fr_g代入式（8）、式（13）得到修正系數(shù)G以及X_LM，繼而得到相應的兩相總質(zhì)量流量以及分相含率。用4組驗證實驗數(shù)據(jù)進行驗證，得到彈狀流兩相總流量及分相含率相對誤差如圖11、圖12所示。

由圖11、圖12可知，彈狀流整體兩相總質(zhì)量流量相對誤差在±3%以內(nèi)，相含率相對誤差整體在±2%以內(nèi)。圖13、14為分相質(zhì)量流量相對誤差圖。

如圖所示，彈狀流液相流量相對誤差在14%以內(nèi)，氣相相對誤差大部分在士35%以內(nèi)，且整體為負誤差，造成這一誤差分布的主要原因是由于本實驗工況點中氣相含率較小并且修正系數(shù)G與戈徹均為擬合參量，在計算過程中誤差被逐漸放大。

4 結束語

1）出于優(yōu)化系統(tǒng)結構及緊密結合壓損與差壓信息的考慮，設計了新型內(nèi)外管差壓流量計。

2）利用新型測量裝置進行了單相水流量的測量實驗，水流量范圍1～11m³/h，測量相對誤差在11.6%以內(nèi)，裝置流出系數(shù)穩(wěn)定。

3）氣液兩相流流量測量在已知含率的情況下通過Fr₁，F(xiàn)r_g與修正系數(shù)G建立兩相總質(zhì)量流量模型，進行迭代計算后得到彈狀流兩相總質(zhì)量流量模型相對誤差在±5.5%以內(nèi)。運用壓損比和Fr_g與X_LX建立含率預測模型，得到彈狀流液相含率相對誤差在±2%以內(nèi)，兩相總質(zhì)量流量相對誤差在士3%以內(nèi)。

4）本文利用新型內(nèi)外管差壓流量計實現(xiàn)了相含率及流量的雙參數(shù)在線測量。在已知差壓、壓損的情況下可達到預測兩相質(zhì)量流量以及分相含率的目的。

參考文獻

[1]KARGINA T M，RUNOVA V F，MIGUNOV V N，et al.Flowpattern transition，frictional pressure drop，and holdup of gasnon-Newtonian fluid flow in helical tube[J].Asia-PacificJournal of Chemical Engineering，2015，10（3）：422-437.

[2]SHABAN H，TAVOULARIS S.Identification of flow regimein vertical upward air-water pipe flow using differentialpressure signals and elastic maps[J].International Journal ofMultiphase Flow，2014，61（5）：62-72.

[3]BORKAR K，VENUGOPAL A，PRABHU SV.Study on thedesign and performance of a bi-directional cone flowmeter[J].Flow Measurement and Instrumentation，2013，34：151一159.

[4]馬太義，王棟，張炳東，等.多孔板流量測量的實驗研究[J].核動力工程，2010，31（2）：126-130.

[5]龐麗麗.基于內(nèi)外管差壓流量計的氣液兩相流檢測技術研究[D].保定：河北大學，2012.

[6]周云龍，張全厚，孫通，等.錐形孔板在氣液兩相流量測量中的應用[J].流體機械，2013，41（3）：10-14.

[7]徐英，譚晉飛，巴璽麗，等.長喉頸文丘里喉部取壓位置對濕氣測量模型影響的試驗研究[J].機械工程學報，2014，50（12）：157-164.

[8]賀登輝，張鋒，曹洪貴，等.基于單V錐節(jié)流裝置的濕氣氣液流量在線測量[J].機械工程學報，2016，52（8）：191-197.

[9]李丹.內(nèi)外管流道內(nèi)氣液兩相流近紅外吸收光譜特性及流量測量模型研究[D].保定：河北大學，2017.

[10]馮定，徐冠軍，袁詠心，等.多相流量計的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].機械與電子，2012（2）：77-79.

[11]MURDOCK J W.Two-phase flow measurements withorifices[J].Journal of Basic Engineering，1962，84（4）：419-433.

[12]李偉.基于V型內(nèi)錐的水平管多相流流量測量研究ID].天津：天津大學，2008.

[13]JAMES R.Metering of steam-water two-phase flow by sharp-edged orifices[J].Proceedings of the Institution ofMechanical，1965，180（23）：549-566.

[14]LIN Z H.Two-phase flow measurements with sharp-edgedorifices[J].International Journal of Multiphase Flow，1982，8（6）：683-693.

[15]MURDOCK J W.Two-phase flow measurement withorifices[J].Basic Engineering，1962，84（4）：419-433.

[16]CHISHOLM D.Research note：two-phase flow through sharp-edged orifices[J].Journal of Mechanical Engineering Science，1977，19（3）：128-130.

[17]STEVEN R N.Wet gas metering with a horizontally mountedventuri meter[J].Journal of Flow Measurement and Instru-mentation，2002，12（5）：361-372.

[18]呂硯山，張進明.氣液兩相流特征參數(shù)的電子測量[M].濟南：山東科學技術出版社，1992：136-144.