減壓釋放水中溶解氣對水裝置流量穩(wěn)定性的影響

劉雨豪，徐英，張濤，馮慶華，齊鋒鋒

（1 天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津300072； 2 天津市過程檢測與控制重點實驗室，天津300072； 3 中國石油天然氣股份有限公司西南油氣田分公司，四川成都610051； 4 天津市天大泰和自控儀表技術(shù)有限公司，天津300072）

引 言

流量測量是檢測科學技術(shù)的重要組成部分，而流量標準裝置的研究、建立和應(yīng)用對流量測量和檢測技術(shù)發(fā)展有著重要意義，在國內(nèi)外均引起普遍重視。流量測量裝置的流量穩(wěn)定性、流量測量結(jié)果的不確定度和標準表流量計測量結(jié)果的重復性是判斷流量標準裝置性能和計量精度的三個重要因素[1-3]，其中影響流量穩(wěn)定性的因素有很多，如何提高水流量標準裝置的流量穩(wěn)定性也是近幾年國內(nèi)外一直研究探討的問題。

在以往的研究中[4-5]，提高流量穩(wěn)定性大多是通過穩(wěn)壓環(huán)節(jié)的設(shè)計、調(diào)整管路的布局、優(yōu)化控制方法來實現(xiàn)的。根據(jù)經(jīng)典亨利定律得知，在溫度和水質(zhì)鹽度一定時，水源在不同的壓力條件下，會溶解不同體積的空氣，當上游來水流經(jīng)減壓環(huán)節(jié)，由于壓力的降低會產(chǎn)生前后端壓差，從而會使水中的溶解氣在下游析出并成為游離的氣泡，當這些氣泡和水一同在水流量標準裝置中流動時，會影響裝置的流量穩(wěn)定性和流量的計量精度。

本文針對上述問題，通過理論分析和利用水流量標準裝置為載體進行了減壓釋放水中溶解氣實驗，分析了水中溶解氣析出對水流量標準裝置流量穩(wěn)定性的影響，并引入微泡排氣閥對減壓釋放[6-7]出的游離氣泡[8]進行捕捉分離，以提高水流量標準裝置的流量穩(wěn)定性和計量精度。

1 減壓釋放水中溶解氣實驗理論依據(jù)

對于稀溶液或者難溶性氣體，在一定溫度和總壓較小的情況下，氣體溶質(zhì)在液相中的溶解度與它在氣相中的分壓呈正比，這一關(guān)系被稱為經(jīng)典亨利定律[9-10]，其數(shù)學表達式如下

在水質(zhì)含鹽度一定時，溶解氧氣在水中的含量由壓力和溫度[11-12]兩個因素決定，亨利系數(shù)E的大小反映了氣體組分在該溶劑中的溶解度大小。就溫度而言[13-14]，隨著溫度的升高，亨利系數(shù)E增大，則氣體在水中的溶解度減小。反之，溫度降低，亨利系數(shù)減小，氣體在水中的溶解度增大。在本文的實驗過程中保持蓄水箱溫度恒定為25℃，單獨考慮壓力的變化對溶解氣釋放的影響。

由于氣、液相中溶質(zhì)的組成有各種不同的表示方法，因此亨利定律有各種不同的表達式，其中與溶質(zhì)濃度相關(guān)的表達式如下

從式（1）中可以得知，溫度一定時，當溶解于稀溶液中的氣體溶質(zhì)在氣相中的平衡分壓[15]不同時，其在稀溶液中的溶解度是不同的，因此根據(jù)該理論依據(jù)計算出溫度一定時不同壓力情況下氣體溶質(zhì)在稀溶液中的溶解度，計算并分析了三個不同壓力情況下空氣在1 m3水中的溶解度[16]變化情況。

設(shè)定環(huán)境和水體溫度為25℃，在該條件下，空氣在純水中的亨利系數(shù)E=7.3×106kPa：①當絕對壓力為101.3 kPa，代入式（1）可得XA0=1.39×10-5；②當絕對壓力為201.3 kPa，代入式（1）可得XA100=2.65×10-5；③當絕對壓力為401.3 kPa，代入式（1）可得

XA300=5.49×10-5。

根據(jù)式（2）可以計算出，不同壓力情況下，對應(yīng)的氣相溶質(zhì)空氣在1 m3稀溶液水中的溶解度CA為

通過上述計算并結(jié)合亨利定律，可知氣體溶質(zhì)在高壓條件下會溶解在稀溶液中，經(jīng)過減壓環(huán)節(jié)后，由于溶解度的變化，部分溶解氣體會從稀溶液中析出，從而達到減壓后氣體溶質(zhì)在稀溶液中新的溶解度平衡。

當水經(jīng)水泵進入水流量標準裝置后，流經(jīng)管道彎頭、流量計、調(diào)節(jié)閥等減壓環(huán)節(jié)后，產(chǎn)生壓力損失，由于壓力的減小，勢必會在減壓過后的低壓下游釋放出水中的部分溶解氣，而這些被釋放的溶解氣將會形成微小氣泡隨著水流繼續(xù)前進，繼而會影響水流量標準裝置的流量穩(wěn)定性和計量精度。

2 溶解氣析出對水流量標準裝置流量穩(wěn)定性的影響

流量穩(wěn)定性是指“測量儀器或裝置保持其流量計量特性隨時間恒定的能力”，流量穩(wěn)定是流量標準裝置使用一段時間內(nèi)的平均流量代替不斷變化的瞬時流量的基礎(chǔ)。目前，主要通過JJG 164—2000和JJG 643—2003 規(guī)程[17-18]中規(guī)定的流量穩(wěn)定性計算方法，對流量裝置累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性和累積時間之間流量穩(wěn)定性進行計算檢定。兩種計算方法均通過實驗測試裝置的流量穩(wěn)定性，在實際生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛。

檢定規(guī)程中的累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性計算

檢定規(guī)程中的累積時間之間流量穩(wěn)定性計算

兩種測量方法具體實施時，累積時間內(nèi)流量穩(wěn)定性檢定，是指在一段連續(xù)的時間內(nèi)，頻繁連續(xù)地測量n(n≥60)個流量值，按照式（3）和式（4）進行計算；累積時間之間的流量穩(wěn)定性檢定，是指在連續(xù)的n(n≥10)個周期（累積時間）中，測量每一個周期的平均流量值，按照式（5）計算流量穩(wěn)定性。

2.1 實驗裝置

本次溶解氣析出[19-20]對流量穩(wěn)定性的影響測試實驗主要采用天津大學流量實驗室水流量標準裝置，在原有的浮子裝置基礎(chǔ)上進行了適當改造，由于本次實驗的目的是檢測并分析水中溶解氣析出對水流量標準裝置穩(wěn)定性的影響，所以將原有管路中的一段管路拆下，并在該拆除部位安裝減壓閥進行減壓作用，透明管便于觀察管道內(nèi)部流動，微泡排氣閥進行排氣作用，實驗裝置如圖1所示。

2.2 實驗過程

圖1 溶解氣析出實驗裝置Fig.1 Dissolved gas precipitation experimental device

本次實驗的控制方法采用PLC 和變頻器進行通訊，增加轉(zhuǎn)速閉環(huán)PID 控制環(huán)節(jié)，通過控制水泵的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定從而實現(xiàn)流量的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)[21-23]，再在此基礎(chǔ)上研究水中溶解氣的析出對水流量標準裝置流量穩(wěn)定的影響。

開啟變頻器，水泵從水箱中抽水進入水流量標準裝置，先通水一定時間用來排凈管道中原有空氣，然后調(diào)節(jié)減壓閥，進行局部減壓，觀察減壓閥下游是否有氣泡產(chǎn)生，當水流分別經(jīng)微泡排氣閥和開關(guān)閥后，再利用PLC 數(shù)據(jù)采集模塊對后端流量計示數(shù)進行采集，按照檢定規(guī)程中的流量穩(wěn)定性計算方法[17-18]計算累積時間之間和累積時間之內(nèi)的流量穩(wěn)定性，對比分析了有無微泡排氣閥時的流量穩(wěn)定性。

2.3 實驗現(xiàn)象

在水經(jīng)過減壓閥減壓后，可觀察到減壓閥出水口有肉眼可見的微小氣泡析出，實驗現(xiàn)象如圖2(a)所示，示意圖如圖2(b)所示。

圖2 減壓釋放溶解氣微小氣泡析出Fig.2 Released dissolved gas tiny bubbles during decompression

這些氣泡隨著水流繼續(xù)在管道里流動，當水直接經(jīng)過開關(guān)閥而不經(jīng)過微泡排氣閥時，觀察到后端仍有氣泡排出，采集實時流量值后，計算得累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性在0.19%～0.35%（表1、表2），累積時間之間流量穩(wěn)定性在0.23%～0.27%（表3）；當水經(jīng)過微泡排氣閥后，觀察微泡排氣閥后端無氣泡流出，再通過PLC采集流量計實時流量值，計算得累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性在0.16%～0.25%（表1、表2），累積時間之間流量穩(wěn)定性在0.15%～0.17%（表3）。

表1 水泵頻率27 Hz累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性Table 1 Flow rate stability within cumulative time of pump frequency 27 Hz

表2 水泵頻率38 Hz累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性Table 2 Flow rate stability within the cumulative time of the pump frequency 38 Hz

表3 累積時間之間流量穩(wěn)定性Table 3 Flow stability between accumulated times

3 水流量標準裝置穩(wěn)定性測試實驗結(jié)果分析

3.1 流量穩(wěn)定性與溶解氣的關(guān)系

通過對比是否安裝微泡排氣閥進行排氣可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過減壓閥減壓后，水中原有溶解氣由于壓差而析出，繼而形成游離的微小氣泡，這些游離的微小氣泡隨著水流繼續(xù)在裝置管道內(nèi)流動，這些微小氣泡不可忽略，當經(jīng)過標準表流量計時，會產(chǎn)生流量的波動，從而證明了水中溶解氣析出會影響水流量標準裝置的流量穩(wěn)定性[24-25]。通過圖3、圖4 對比可發(fā)現(xiàn)在無微泡排氣閥時四個頻率下流量穩(wěn)定性基本維持在0.25%左右，考慮溶解氣釋放這一因素后加入微泡排氣閥，此時流量穩(wěn)定性基本維持在0.15%左右，而且隨著頻率的增加，同一頻率下流量穩(wěn)定性的差距更為明顯，這是由于水泵頻率增加，從水箱抽水時壓力增大，水中溶解了更多的溶解氣，當經(jīng)過減壓閥后，前后端壓差更大，會釋放出更多的游離氣泡，從而導致了流量的不穩(wěn)定性加強。

圖3 累積時間之間流量穩(wěn)定性對比Fig.3 Comparison of flow stability between accumulated time

圖4 累積時間內(nèi)流量穩(wěn)定性對比Fig.4 Comparison of flow stability during cumulative time

3.2 實驗結(jié)果與理論依據(jù)吻合

對于經(jīng)典亨利定律所闡述的內(nèi)容，稀溶液或者難溶性氣體，在一定溫度和總壓不大的情況下，氣體溶質(zhì)在液相中的溶解度與它在氣相中的分壓呈正比。其可以在水中溶解氣析出實驗中得到驗證，純水在水箱中通過水泵抽取進入水流量標準裝置，由于水泵抽水時會導致水壓上升，此時水中溶解了更多的空氣，經(jīng)過減壓環(huán)節(jié)后，由于壓力的降低，導致之前溶解的空氣析出形成微小的游離氣泡，直到水中的空氣和下游的低水壓達到一個新的動態(tài)平衡[26]，才停止溶解氣的析出，如圖5所示。

圖5 溶解氣動態(tài)平衡圖Fig.5 Dissolved gas dynamic balance diagram

3.3 微泡排氣閥對提高流量穩(wěn)定性和計量精度的作用

根據(jù)亨利定律計算可得，當絕對壓力PABS1為401.3 kPa，溫度為25℃時，空氣密度約為4.6764 kg/m3，則此工況下溶解氣質(zhì)量M1為88.45 g；當將壓力降低至絕對壓力PABS2為201.3 kPa，溫度為25℃時，空氣密度約為2.3381 kg/m3，則溶解氣質(zhì)量M2為44.37 g。

根據(jù)上述計算，可得將壓力由401.3 kPa 降至201.3 kPa 時，會一共析出溶解氣44.08 g，但由于在減壓過程中，空氣的密度是在不斷變化的，所以在這里可以利用一個范圍來進行釋放氣體占比的計算：假設(shè)在減壓過程中，一直維持壓力為401.3 kPa時的空氣密度4.6764 kg/m3，則析出空氣體積為0.00942 m3，占比為0.94%；假設(shè)在減壓過程中，一直維持壓力為201.3 kPa 時的空氣密度2.3381 kg/m3，則析出空氣體積為0.01885 m3，占比為1.88%。

由此可見，析出氣體所占比例在0.94%～1.88%之間，這些析出溶解氣的影響[27-28]不可忽略，通過引入微泡排氣閥可把液體中的氣泡含率降到0.5%，所以可以利用微泡排氣閥對減壓釋放出的游離氣泡進行捕捉和分離，繼而提高裝置的流量穩(wěn)定性和流量的計量精度[29-30]。

4 結(jié) 論

本文借助天津大學流量實驗室水流量標準裝置進行了水中溶解氣析出對水流量標準裝置流量穩(wěn)定性影響的研究。通過實驗和分析得出結(jié)論如下。

（1）通過設(shè)置減壓環(huán)節(jié)對上游來水進行減壓，觀察到減壓后的低壓下游會出現(xiàn)游離的微小氣泡。

（2）隨著水泵頻率的增加，流量增加，減壓釋放出的氣泡增多，水裝置流量不穩(wěn)定性加強。

（3）通過進行有無微泡排氣閥的對比實驗可以發(fā)現(xiàn)，微泡排氣閥可以捕捉水中的游離氣泡，減小游離微小氣泡對水裝置的流量穩(wěn)定性影響，提高流量穩(wěn)定性和計量精度，可使流量穩(wěn)定性達到0.1%～0.2%。

在實際工程應(yīng)用中，由各種節(jié)流件組成的復雜水流量裝置在工作運行時，勢必會在管路上產(chǎn)生壓力降低，當產(chǎn)生一定的壓差時就會釋放出水中的溶解氣，如果忽略這些溶解氣的影響，就可能會對某些需要精密測量標定的儀表儀器產(chǎn)生誤差，繼而影響后續(xù)的科學研究和實際使用。

符 號 說 明

CA——氣體溶質(zhì)A在液體中的濃度，kmol/m3

CA0,CA100,CA300——分別為氣體溶質(zhì)A 在表面壓力為0、100、300 Pa時在液體中的濃度，kmol/m3

E——亨利常數(shù)，Pa

Eq1——累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性

Eq2——累積時間之間流量穩(wěn)定性

Ei——計算累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性時，單次流量測量值與平均值的相對誤差

H——溶解度系數(shù)

k——檢定規(guī)程中規(guī)定的擴展系數(shù)

M1,M2——分別為減壓前、減壓后水中溶解氣體的質(zhì)量，g

Ms——溶劑的摩爾質(zhì)量，g/mol

Rj——計算累積時間之內(nèi)流量穩(wěn)定性的相關(guān)函數(shù)

PA——溶質(zhì)A在氣相中的平衡分壓，Pa

PABS1,PABS2——分別為減壓前、減壓后絕對壓力，Pa

q2——在計算累積時間之間流量穩(wěn)定性時，計算而得的流量平均值

q2i——連續(xù)測量n次流量，一次內(nèi)連續(xù)取10 個以上瞬時流量值的平均值（i=1，2，…，n；n≥10）

XA——溶質(zhì)A在溶液中的摩爾分數(shù)，%

XA0,XA100,XA300——分別為氣體溶質(zhì)A 在表面壓力為0、100、300 Pa時在液體中的摩爾分數(shù)，%

ρ——溶液密度，kg/m3