田 季， 方立德， 李小亭， 呂曉暉， 李婷婷

(河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北 保定 071002)

彈狀流工況下的氣液兩相流雙參數(shù)測(cè)量*

田 季， 方立德， 李小亭， 呂曉暉， 李婷婷

(河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定071002)

由于兩相流動(dòng)的復(fù)雜性，利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段實(shí)現(xiàn)兩相流的準(zhǔn)確測(cè)量成為目前研究的熱點(diǎn)。在彈狀流流型的工況條件下選取了30個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，利用新型氣液兩相流檢測(cè)裝置進(jìn)行測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：液相含率測(cè)量相對(duì)誤差在4.3 %以內(nèi)，總流量測(cè)量相對(duì)誤差在1.6 %以內(nèi)，為氣液兩相流雙參數(shù)測(cè)量研究提供了一種新的思路。

氣液兩相流； 彈狀流； 檢測(cè)裝置； 相含率； 流量測(cè)量

0 引 言

在氣液兩相流系統(tǒng)中，由于兩相間的相互作用，存在時(shí)間與空間上隨機(jī)可變，導(dǎo)致兩相流系統(tǒng)具有復(fù)雜的流動(dòng)特性，描述兩相流動(dòng)的參數(shù)也各有不同[1～3]。氣液兩相流參數(shù)的測(cè)量按是否分離，可分為完全分離法、部分分離法、非分離法三類。非分離法是一種理想的檢測(cè)方法，一般采用組合法實(shí)現(xiàn)。用2種或2種以上的傳感器測(cè)得氣液兩相流總流量和相含率，進(jìn)而計(jì)算得到分相參數(shù)，是組合測(cè)量的方法之一。

差壓流量計(jì)是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的適合測(cè)量氣液兩相總流量的傳感器，Murdock用氣水混合物實(shí)驗(yàn)，給出了修正的分相流動(dòng)模型計(jì)算式[4]；Chisholm假設(shè)氣液兩相流流經(jīng)孔板時(shí)做分相流動(dòng)，通過(guò)氣液兩相流動(dòng)量方程式導(dǎo)出孔板分相流測(cè)量模型[5]。天津大學(xué)徐英等人以雙差壓長(zhǎng)喉頸文丘里流量傳感器為測(cè)量手段，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)預(yù)測(cè)了濕氣氣、液兩相流量[6]。

另外，氣液兩相系統(tǒng)中的相含率檢測(cè)方法有多種，利用近紅外光譜學(xué)技術(shù)進(jìn)行測(cè)量相含率是其中一種[7～11]。盧慶華利用近紅外吸收特性根據(jù)向量距離對(duì)氣液兩相系統(tǒng)豎直管道中的泡狀流、彈狀流、環(huán)狀流及乳沫狀流進(jìn)行了流型識(shí)別[12]。李明明提出了將近紅外探頭沿流體流動(dòng)方向安裝的設(shè)計(jì)思路，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了新型氣液兩相流檢測(cè)裝置在利用近紅外測(cè)量相含率上的優(yōu)勢(shì)[13]。而基于新型氣液兩相流檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)相含率與流量的雙參數(shù)測(cè)量需要進(jìn)一步研究。

本文利用豎直方向布置的新型氣液兩相流檢測(cè)裝置測(cè)量流型為彈狀流工況下的30個(gè)工況點(diǎn)并建立了測(cè)量模型，實(shí)現(xiàn)了近紅外測(cè)量相含率與差壓法測(cè)流量相結(jié)合的雙參數(shù)測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

新型氣液兩相流相含率檢測(cè)裝置改變了原有探頭垂直于流體流動(dòng)方向放置的安裝方式，采用探頭沿流體流動(dòng)方向放置的軸向測(cè)量形式，檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 裝置結(jié)構(gòu)示意

檢測(cè)裝置通過(guò)法蘭盤安裝在豎直管道上，待測(cè)流體流經(jīng)前直管段，擴(kuò)張管段后，通過(guò)過(guò)渡彎管流入測(cè)量管道中，測(cè)量管道為沿裝置軸線均布的8個(gè)直管段，內(nèi)徑、長(zhǎng)度均相同，在每個(gè)測(cè)量管段的兩端分別布置有近紅外發(fā)射探頭和接收探頭，待測(cè)流體流經(jīng)測(cè)量管道后通過(guò)過(guò)渡彎管、收縮管段、后直管段后流入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)管道，形成回路，在變徑管段前后設(shè)置取壓孔。

取壓孔連接差壓變送器，測(cè)量對(duì)應(yīng)位置的壓力差。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每改變一個(gè)流量點(diǎn)首先穩(wěn)定2 min，待流體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，開始采集。信號(hào)采集時(shí)間設(shè)置為1 min，隨機(jī)抽取300個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)利用差壓法測(cè)量待測(cè)流體流量。

近紅外發(fā)射和接收探頭連接實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集單元，通過(guò)采集光強(qiáng)信號(hào)測(cè)量待測(cè)流體的相含率。測(cè)量裝置將主測(cè)量管道進(jìn)行分支，使被測(cè)流體平均分配到8根小管道中，在小管道兩側(cè)軸向安裝近紅外探頭，保證近紅外發(fā)射裝置發(fā)出的近紅外光完全被相應(yīng)的接收裝置接收，減少了光路在管道中復(fù)雜傳播對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性與可靠性。

2 相含率檢測(cè)與數(shù)據(jù)分析

在實(shí)驗(yàn)裝置為全氣和全水工況下，利用近紅外測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量檢測(cè)裝置中8個(gè)測(cè)量支管對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)，分別求取通道0～7的采樣信號(hào)平均值得到全氣相的電壓信號(hào)UG0～UG7及全液相的電壓信號(hào)UL0～UL7。對(duì)每個(gè)所設(shè)實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)，采集每個(gè)測(cè)量支管的電壓信號(hào)，求取采樣信號(hào)平均值得到工況點(diǎn)的電壓信號(hào)UN0～UN7。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水路的溫度、壓力和氣路的溫度、壓力等參數(shù)由多相流模擬系統(tǒng)的軟件NI采集系統(tǒng)測(cè)量獲取。

依據(jù)流動(dòng)過(guò)程中設(shè)置的分相流量值及分相溫度、壓力及混合后的溫度、壓力等值，可得到實(shí)際液相含率。液相含率計(jì)算公式如式(1)所示

(1)

式中Ql為水相體積流量，m3/h；Qg為氣相體積流量，m3/h；Pg為氣路壓力，Pa；Tg為氣路溫度，℃；Pb為背景壓力，Pa；Tb為背景溫度，℃。

將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提取平均值，求得每個(gè)工況點(diǎn)下液相體積含率，作為實(shí)際液相含率。利用數(shù)據(jù)處理分析軟件得到通道0～7的采樣電壓值比值UN/UL與相含率之間的回歸曲線，如圖2所示。

圖2 采樣電壓比值與相含率的回歸關(guān)系

觀察每個(gè)采樣通道的光強(qiáng)信號(hào)比值IN/IL及采樣電壓比值UN/UL與相含率之間的關(guān)系，假設(shè)測(cè)得的光強(qiáng)比值與相含率存在的數(shù)學(xué)模型為

(2)

式中a～h為待定系數(shù)。將彈狀流測(cè)量時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入統(tǒng)計(jì)產(chǎn)品與服務(wù)解決方案(statistical product and service solutions,SPSS)中，進(jìn)行參數(shù)迭代分析，得到彈狀流的擬合公式，擬合效果較高。

表1 擬合效果

擬合結(jié)果中

(3)

確定各系數(shù)值, 則得到測(cè)量彈狀流時(shí)的計(jì)算模型

(4)

分別將測(cè)得電壓值對(duì)應(yīng)到該數(shù)學(xué)模型中，得到液相含率，比較計(jì)算液相含率與利用入口參數(shù)所求得的實(shí)際液相含率的絕對(duì)誤差，并求得兩者之間的相對(duì)誤差。彈狀流液相含率計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比如圖3所示，有93 %的點(diǎn)相含率的計(jì)算值與實(shí)際值的相對(duì)誤差在3 %以內(nèi)，全部點(diǎn)的相對(duì)誤差在4.3 %以內(nèi)。

圖3 相含率計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

3 流量測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

基于差壓流量計(jì)的氣液兩相流流量檢測(cè)原理，可知?dú)庖簝上嗔髁髁坑?jì)算為

(5)

式中Qt為氣液兩相流混合體積流量，m3/h；C為流出系數(shù)，無(wú)量綱；D為管道口徑，m；ΔP為兩相流動(dòng)測(cè)得的差壓，Pa；ρm為工作狀況下節(jié)流件上游處混合流體的密度，kg/m3；β為等效直徑比，無(wú)量綱；ε為氣體膨脹系數(shù)，無(wú)量綱。

氣體膨脹系數(shù)為固定值，管道口徑和等效直徑比是由裝置尺寸參數(shù)確定的固定值，混合密度可通過(guò)相含率計(jì)算求得。所以利用公式進(jìn)行流量計(jì)算，需要先求取流出系數(shù)的計(jì)算公式。

采用SPSS軟件中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)彈狀流總流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，以氣液兩相總流量為因變量，將試驗(yàn)過(guò)程中可能影響到測(cè)量結(jié)果的變量如混合溫度、混合壓力、液相含率、差壓、混合密度、佛羅德(Froude)數(shù)等均作為協(xié)變量參與到預(yù)測(cè)模型中。預(yù)測(cè)過(guò)程中，使用多層感知器(multilayer perceptron，MLP)模型，培訓(xùn)與測(cè)試的相對(duì)比例為7︰3。預(yù)測(cè)中止后觀察中止原因，若顯示已達(dá)到培訓(xùn)錯(cuò)誤中止標(biāo)準(zhǔn)，則預(yù)測(cè)有效。本次預(yù)測(cè)結(jié)果中訓(xùn)練相對(duì)錯(cuò)誤為0.004，測(cè)試相對(duì)錯(cuò)誤為0.001。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值關(guān)系對(duì)比，并計(jì)算預(yù)測(cè)值與實(shí)際值相對(duì)誤差，預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的相對(duì)誤差在4 %以內(nèi)，觀察各參量在預(yù)測(cè)過(guò)程中的重要性，發(fā)現(xiàn)液相Froude數(shù)的重要性位居首位，混合密度次之，各參量重要性如圖4所示。

圖4 各變量在預(yù)測(cè)過(guò)程中重要性比例

觀察彈狀流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在固定水流量的狀態(tài)下，隨著氣流量的增加流出系數(shù)呈降低趨勢(shì)，且流出系數(shù)與液相含率呈一次線性關(guān)系。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)過(guò)程中，由于Froude數(shù)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)過(guò)程中占重要性比例較大，因此,引入無(wú)量綱量液相Froude數(shù)Frl，對(duì)彈狀流流量進(jìn)行求解。用一次線性函數(shù)擬合得到流出系數(shù)與液相含率及液相Froude數(shù)存在以下關(guān)系

C=(77.512 48×Frl+0.005 49)×βl+

104.277 23×Frl-0.003 76

(6)

根據(jù)計(jì)算流出系數(shù)值和測(cè)量的差壓值代入式(5)求得計(jì)算流量值，對(duì)比實(shí)際流量與計(jì)算流量的變化趨勢(shì)，并且根據(jù)兩者數(shù)值計(jì)算其相對(duì)誤差，誤差分布在1.6 %以內(nèi)，總流量計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比如圖5所示。

圖5 總流量計(jì)算值與實(shí)際值對(duì)比

在實(shí)際應(yīng)用中，需通過(guò)差壓信號(hào)估算總流量，結(jié)合紅外信號(hào)測(cè)得的含率信息求液相流量值進(jìn)而得到液相Froude數(shù)，利用式(6)求得流出系數(shù)值，代入式(5)求總流量，完成一次迭代運(yùn)算。經(jīng)過(guò)多步迭代運(yùn)算后達(dá)到收斂條件(相鄰兩次迭代運(yùn)算總流量相對(duì)差值小于0.1 %)，得到最終兩相流總流量測(cè)量值，結(jié)合近紅外信號(hào)測(cè)得含率值即可求得各分相流量值。

4 結(jié) 論

針對(duì)彈狀流流型下的30個(gè)工況點(diǎn)，利用新型氣液兩相流檢測(cè)裝置在多相流模擬系統(tǒng)上進(jìn)行了兩相流動(dòng)態(tài)測(cè)試，其中液相流量測(cè)量范圍為0.4～3 m3/h，氣相流量測(cè)量范圍為0.12～0.6 m3/h。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理分析，建立了實(shí)驗(yàn)工況條件下液相含率測(cè)量模型及流量測(cè)量模型，液相含率測(cè)量相對(duì)誤差在4.3 %以內(nèi)，總流量測(cè)量相對(duì)誤差在1.6 %以內(nèi)，新型氣液兩相流檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了雙參數(shù)測(cè)量，測(cè)量方法簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高。

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Two-parametermeasurementofgas-liquidtwo-phaseflowbasedonslugflow*

TIAN Ji, FANG Li-de, LI Xiao-ting, Lü Xiao-hui, LI Ting-ting

(SchoolofQualityandTechnologySupervision，HebeiUniversity,Baoding071002,China)

Due to the complexity of two-phase flow, the accurate measurement of two-phase flow by means of experimental measurement has become a hot research topic.30 experimental points are selected under the condition of slug flow, and the measurement experiment is carried out by the new-type detection device of gas-liquid two-phase flow.The results show that the relative error of liquid phase fractions is less than 4.3 %,and the relative error of total flow measurement is less than 1.6 %.This study provides a new idea for the study of two parameter measurement of gas-liquid two-phase flow.

gas-liquid two-phase flow; slug flow; detection device; phase volume fraction; flow measurement

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0016—03

TH 814; TP 212.9

A

1000—9787(2017)12—0016—03

2017—10—13

國(guó)家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(61475041)； 國(guó)家自然科學(xué)基金專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(61340028)

田 季(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎嘞嗔鲄?shù)檢測(cè)技術(shù)。