管內(nèi)相分隔狀態(tài)下電磁流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流的方法

劉明

1.中石化勝利油田分公司石油工程技術(shù)研究院2.山東省稠油開采技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.西安交通大學(xué)多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

在工業(yè)應(yīng)用中,兩相流流量測(cè)量對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用具有重要作用,如石油鉆采工程、石油化工、熱電聯(lián)供等輸送及分配過程中都存在氣液兩相流測(cè)量問題。早期曾對(duì)氣液兩相流的測(cè)量進(jìn)行了廣泛研究,但由于氣液兩相流型的復(fù)雜性及多變性,至今仍無(wú)廣泛認(rèn)可的氣液兩相流在線測(cè)量技術(shù)[1]。

多相流動(dòng)體系通常是由兩種或兩種以上互不相溶的介質(zhì)組成的,具有明顯相界面的混合物流動(dòng)[2]。本研究的氣液兩相流研究對(duì)象分別是空氣和水,在流動(dòng)過程中,由于存在不同流型及流態(tài)的復(fù)雜變化,兩相流各種參數(shù)的測(cè)量都變得極為困難。因此,準(zhǔn)確描述并識(shí)別流型對(duì)于兩相流量測(cè)量具有重要的意義。由于主要研究的是水平管內(nèi)的氣液兩相流流型,在前人的研究基礎(chǔ)之上,對(duì)水平管內(nèi)流型進(jìn)行了總結(jié)和分析,得到水平管內(nèi)的氣液兩相流流型主要為細(xì)泡狀流動(dòng)、彈狀流動(dòng)、分層流動(dòng)、波狀分層流、塞狀流以及環(huán)狀流等[3-4]。

自20世紀(jì)以來(lái),氣液兩相在線測(cè)量一直是工業(yè)生產(chǎn)過程中迫切需要解決的難題,同時(shí)研發(fā)了大量適用于工業(yè)環(huán)境中的兩相測(cè)量技術(shù)。根據(jù)在測(cè)量過程中兩相流是否進(jìn)行分離而分為分離法和非分離法。分離法是將流動(dòng)的混合物分為以氣體為主和以液體為主的流動(dòng),然后進(jìn)行單相測(cè)量,包括重力分離器和導(dǎo)流器等,其優(yōu)點(diǎn)為把兩相流體流量測(cè)量轉(zhuǎn)化成了單相流體的流量測(cè)量,測(cè)量精度高、范圍寬、不受氣液兩相流型變化影響,缺點(diǎn)則為分離設(shè)備體積大、價(jià)格貴、需要建站,增加了測(cè)量成本。非分離法的典型是基于相同原理的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行組合測(cè)量,以及中子射線和文丘里管的組合方式,優(yōu)點(diǎn)為能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量?jī)上嗔黧w的流量及相持率等參數(shù),體積小、測(cè)量速度快,缺點(diǎn)為測(cè)量的流量及各相持率精度偏低,適用工況受限,需重復(fù)標(biāo)定[5-6]。

電磁流量計(jì)廣泛應(yīng)用于單相流體的流量測(cè)量。電磁流量計(jì)是利用法拉第電磁感應(yīng)定律原理測(cè)量導(dǎo)電液體的體積流量的儀表。其優(yōu)點(diǎn)是可測(cè)流量范圍大,流量范圍比值一般為20∶1以上。適用工業(yè)管徑范圍寬,最大可達(dá)3 m,精確度較高,可測(cè)量水、污水、腐蝕性液體等流體流量,不受壓力、密度、溫度和其他物理參數(shù)的影響。因此,采用電磁流量計(jì)測(cè)量連續(xù)相為導(dǎo)電性的兩相流的特性成為研究的熱門。其中,Wyatt[7]、Bevir[8]認(rèn)為只有當(dāng)流體分布既各向同性又均勻時(shí),電磁流量計(jì)測(cè)量準(zhǔn)確,同時(shí)對(duì)電磁流量計(jì)在泡狀流和環(huán)形流等軸對(duì)稱流型下的理論靈敏度進(jìn)行了分析。Krafft等[9]研究了電磁流量計(jì)同時(shí)測(cè)量氣泡和連續(xù)導(dǎo)電相速度的可能性。Krafft[10]建立數(shù)學(xué)模型研究了非導(dǎo)電相分布對(duì)重量函數(shù)對(duì)電磁流量計(jì)輸出的影響。Heineman、Murakamiet等[11]研究了電磁流量計(jì)輸出與導(dǎo)電相的平均速度成正比來(lái)測(cè)量空隙率等成果并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

國(guó)際及國(guó)內(nèi)雖然對(duì)電磁流量計(jì)在兩相流中的應(yīng)用進(jìn)行了大量的理論分析和數(shù)值模擬,但是針對(duì)水平管內(nèi)非導(dǎo)電相在空間位置分布對(duì)電磁流量計(jì)的測(cè)量精度等還未進(jìn)行詳細(xì)地研究。水平管內(nèi)非導(dǎo)電性的空間分布受重力、流體物性等影響嚴(yán)重,進(jìn)而影響了流量計(jì)的準(zhǔn)確測(cè)量。近年來(lái),相關(guān)學(xué)者提出的相分隔方法[12-15],通過對(duì)兩相混合物施加側(cè)向力,將兩相隔離到管內(nèi)的相應(yīng)空間,流動(dòng)過程中兩相之間維持非常清晰界面,這將有利于電磁流量測(cè)量?jī)上嗔鲄?shù)。因此,如果非導(dǎo)電相能在兩相流中均勻?qū)ΨQ分布,電磁流量計(jì)測(cè)量將為兩相流量測(cè)量提供一種有前途的解決方案。同時(shí),在將兩相隔離到管內(nèi)的相應(yīng)空間,流動(dòng)過程中兩相之間維持非常清晰界面的過程中,采用拍攝及圖像處理技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)空隙率的測(cè)量。目前,基于圖像處理技術(shù)已進(jìn)行了大量的研究[16-18],尤其適用于檢測(cè)氣液界面。

本研究采用相分隔法組合電磁流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流量及相持率。在相分隔方法中,采用了旋流器產(chǎn)生離心力,將氣液兩相不同的入口流型轉(zhuǎn)變?yōu)樾骱诵沫h(huán)空流,由于其界面清晰光滑,非常有利于圖像處理法來(lái)測(cè)量空隙率。采用實(shí)驗(yàn)分析的方式研究并驗(yàn)證了電磁流量計(jì)的兩相流工作特性。

1 測(cè)量原理

1.1 管內(nèi)相分隔技術(shù)

利用管道中的相分隔技術(shù)進(jìn)行整流,可以極大地方便電磁流量及空隙率測(cè)量的開展,創(chuàng)造了理想的測(cè)量條件,有利于提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。通過管內(nèi)相分隔,使兩相流體在各種流型下統(tǒng)一轉(zhuǎn)變成兩束在管內(nèi)并行流動(dòng)的單相流體,兩相之間具有相對(duì)清晰的分界面,并能維持足夠長(zhǎng)的距離,如圖1所示。與分離不同,相分隔技術(shù)并非將兩相分“離”后各自單獨(dú)流動(dòng),而是通過一系列技術(shù)僅將兩相分“隔”并未分“離”,兩相依然同時(shí)在一個(gè)管內(nèi)流動(dòng),但是徹底改變了兩相流原有相分布和速度分布的多樣性和隨機(jī)性,使兩相流在管內(nèi)即可保持有“秩序”的流動(dòng),極大地方便了兩相流各個(gè)參數(shù)的測(cè)量。

1.2 氣液兩相流相分隔狀態(tài)下電磁流量計(jì)測(cè)量原理

電磁流量通常用于測(cè)量單相導(dǎo)電流體,計(jì)算公式見式(1)。

式中:U為兩電極間的電位差(與液體的導(dǎo)電性、黏度和壓力無(wú)關(guān)),V;B為磁通強(qiáng)度,T;b為導(dǎo)電相半徑,m;QL為導(dǎo)電液體的體積流量,m3/s。

對(duì)于含有少量非導(dǎo)電介質(zhì)(如氣體或油等)構(gòu)成的導(dǎo)電流體,電磁流量計(jì)仍能繼續(xù)工作。Wyatt[7]考慮了導(dǎo)電相沿管壁在環(huán)形區(qū)域流動(dòng),絕緣相在同軸芯區(qū)流動(dòng)時(shí),采用電磁流量測(cè)量原理,計(jì)算公式見式(2)。

式中:a為不導(dǎo)電相半徑,m;α為絕緣相的空隙率,%。

在電磁流量計(jì)的上游,通過圖2所示的旋流器實(shí)現(xiàn)相分隔。旋流器由4片沿周向均布的導(dǎo)流片構(gòu)成,每個(gè)導(dǎo)流片平面與管道橫截面呈現(xiàn)一定夾角。

Wang等[19]通過研究發(fā)現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)的旋流器更有利于相分隔的形成,它使流體通過改變流動(dòng)方向產(chǎn)生切向速度,從而產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下,氣體一般以連續(xù)氣柱的形式集中在管中心,周圍為連續(xù)液相,液相呈環(huán)形流動(dòng),形成旋流核心環(huán)狀流。管內(nèi)相分隔后電磁流量測(cè)量原理如圖3所示。

理論上,如果切向速度軸對(duì)稱且不衰減,切向速度不影響電極上的電勢(shì),則切向速度不會(huì)影響電磁流量計(jì)的輸出,式(2)也適用于旋轉(zhuǎn)核心環(huán)形。因此,環(huán)狀流中使用電磁流量計(jì)測(cè)量流量的計(jì)算式見式(3)。

式中:Q為流體總的體積流量,m3/s。

2 實(shí)驗(yàn)裝置和方法

實(shí)驗(yàn)在空氣-水兩相流實(shí)驗(yàn)回路中進(jìn)行,以驗(yàn)證所提出的測(cè)量方法的可行性。實(shí)驗(yàn)環(huán)路及實(shí)驗(yàn)段布置如圖4所示,在實(shí)驗(yàn)段安裝了旋流器和電磁流量計(jì)。

利用圖像處理技術(shù),提取環(huán)狀流的相界面,進(jìn)而計(jì)算空隙率,圖像采集原理如圖5所示。圖像采集過程中,采用背光光源照射法,使用高速攝像儀采集照片,高速攝像儀型號(hào)為NAC MEMRECAM fx K3,像素為480×640。在每種工況下,以500 Hz的頻率采集2 s,共1 000張照片取氣柱直徑平均值作為計(jì)算截面相含率的值。在整張圖片中只剪裁包含氣柱的部分進(jìn)行圖像處理,然后對(duì)每張剪裁圖像進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)圖像預(yù)處理,包括去噪、濾波、提高對(duì)比度、背景去除等,最后采用Canny提出的Canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè),得到氣柱直徑。本研究采用相分離法實(shí)現(xiàn)的旋流核心環(huán)空流動(dòng)中氣液界面清晰光滑(結(jié)構(gòu)見圖6),從而降低了圖像處理的難度并減小了空隙率的測(cè)量誤差。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)流型觀察

針對(duì)氣液兩相來(lái)流分別為細(xì)泡狀流、塞狀流和彈狀流時(shí),實(shí)驗(yàn)過程中觀察了旋流器上下游流型的演變,旋流器前后的流型變化如圖7所示。從圖7可以看出,在各入口流型下,都可以形成旋流核心環(huán)空流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)入口流型為細(xì)泡狀流時(shí),旋流器下游的氣柱直徑保持相對(duì)穩(wěn)定值;當(dāng)入口流型為塞狀流時(shí),旋流器下游的氣柱直徑保持相對(duì)穩(wěn)定,與細(xì)泡狀流區(qū)別不大;當(dāng)入口流型為彈狀流時(shí),由于截面內(nèi)氣量的劇烈變化導(dǎo)致旋流后氣柱直徑隨氣體體積的增大而增大,但界面仍然清晰。

3.2 旋流核心環(huán)空流動(dòng)的空隙率

螺旋流狀態(tài)下,截面相含率與直線流相比會(huì)發(fā)生變化,進(jìn)而使得兩者之間的液流速度也會(huì)不同。圖8示出了在相同的氣液進(jìn)口流量下,直流環(huán)狀流和旋流環(huán)狀流之間空隙率的變化。從圖8可以看出,在旋流作用下,會(huì)使得空隙率的變化范圍減小。在彈狀流來(lái)流時(shí),旋流使得空隙率減小,而對(duì)于塞狀流和細(xì)泡狀流,旋流會(huì)使得空隙率變大。

3.3 液體流量測(cè)量

為了研究旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流下電磁流量計(jì)測(cè)量精度,引入了相對(duì)誤差,定義為:

式中:ε為相對(duì)誤差,%;Dmea為液體體積流量測(cè)量值,m3/h;Dref為液體體積流量參比值,m3/h。

為了準(zhǔn)確研究多次測(cè)量下電磁流量計(jì)測(cè)量精度,引入了平均全局相對(duì)誤差,定義為:

式中:εave為平均全局相對(duì)誤差,%;N為取樣個(gè)數(shù)。

圖9顯示了不同空隙率流量測(cè)量的相對(duì)誤差。由圖9可以看出,測(cè)量誤差隨著空隙率增加而增加,且具有很強(qiáng)的規(guī)律性。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是因?yàn)榕c單相流相比,旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流中存在不導(dǎo)電氣芯,使導(dǎo)電相流通截面發(fā)生改變,由單相流中的圓形變?yōu)閮上嗔髦械沫h(huán)形,造成儀表常數(shù)發(fā)生改變。由圖9還可看出,通過關(guān)于截面相含率的校正,可得到更精確的測(cè)量值。計(jì)算式如下:

圖10為按照?qǐng)D9的擬合曲線校正后的測(cè)量結(jié)果圖。由圖10可以看出,測(cè)量值與參比值吻合良好。相對(duì)誤差最大不超過±5%,平均誤差為1.1%。綜上所述,可以利用電磁流量計(jì)測(cè)量旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流中的液體流量。

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

本研究以氣液兩相流為研究對(duì)象,提出了一種管內(nèi)相分隔技術(shù)與電磁流量計(jì)相結(jié)合的水平管內(nèi)流量測(cè)量新方法,該方法對(duì)于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐具有重大的意義。

(1)從理論上分析了管內(nèi)相分隔與電磁流量計(jì)組合測(cè)量?jī)上嗔髦羞B續(xù)導(dǎo)電相流量的方法,采用空氣-水兩相流實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法在一定范圍內(nèi)可準(zhǔn)確測(cè)量出連續(xù)導(dǎo)電相的流量,具有實(shí)用價(jià)值。

(2)針對(duì)兩相流不穩(wěn)定流的特點(diǎn),采用旋流片作為管內(nèi)相分隔裝置,實(shí)驗(yàn)觀察了旋流器前后的流型變化,即將管內(nèi)細(xì)泡狀流、塞狀流和彈狀流整流成單一穩(wěn)定的環(huán)狀流:密度較小的氣相集中于管道中心,而密度較大的液相則圍繞氣相和管壁形成環(huán)狀體,氣液相之間界面清晰,形成管內(nèi)相分隔狀態(tài),為后續(xù)圖像處理測(cè)量空隙率提供條件。

(3)針對(duì)含有少量氣體的連續(xù)水相導(dǎo)電流體,引入空隙率修正了電磁流量計(jì)公式,建立了液相流量測(cè)量模型。為了驗(yàn)證該方法的可行性,在不同的氣液流量范圍內(nèi)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn),在管內(nèi)相分隔狀態(tài)下,利用電磁流量計(jì)的液相測(cè)量相對(duì)誤差在±5%以內(nèi)。