方立德　王配配　王松　曾巧巧　謝辰　李小亭　韋子輝

摘要：為實(shí)現(xiàn)氣液兩相流相含率及流量的雙參數(shù)測(cè)量，設(shè)計(jì)新型內(nèi)外管差壓流量計(jì)測(cè)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在已知含率的情況下求得彈狀流的兩相總質(zhì)量流量預(yù)測(cè)模型，通過(guò)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(xué)模型，得到分相含率。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：彈狀流液相含率相對(duì)誤差在±2%以?xún)?nèi)，兩相總質(zhì)量流量相對(duì)誤差在±3%以?xún)?nèi)。通過(guò)差壓及壓損比實(shí)現(xiàn)相含率及流量的雙參數(shù)測(cè)量，為氣液兩相流不分離測(cè)量提供一種參考方法。

關(guān)鍵詞：氣液兩相流;差壓流量計(jì);壓損比;雙參數(shù)測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：O359+.1;TE645 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）01-0027-07

0 引言

氣液兩相流是一種在生產(chǎn)實(shí)際中廣泛存在的混合流動(dòng)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(lǐng)域中，干燥過(guò)程、混合過(guò)程、流態(tài)化過(guò)程、擴(kuò)散過(guò)程、反應(yīng)過(guò)程等[1-2]。氣液兩相流在線(xiàn)不分離測(cè)量技術(shù)對(duì)安全生產(chǎn)，節(jié)能減排具有重要意義。

差壓流量計(jì)是使用范圍最廣的一種流量計(jì)，是目前工業(yè)生產(chǎn)中用來(lái)測(cè)量氣、液流量最常用的一種測(cè)量?jī)x表2010年馬太義等對(duì)多孔板的流出系數(shù)特性、壓力損失和抗旋流性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[4] ;2012年龐麗麗提出了一種內(nèi)外管式差壓流量計(jì)[5]該流量計(jì)具有不改變總的流通面積，對(duì)管道內(nèi)流體的流型影響較小的特點(diǎn);2013年周云龍等在完成對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板改進(jìn)后，運(yùn)用單一節(jié)流件完成了氣液兩相流量的雙參數(shù)測(cè)量[6];2014年徐英等探索長(zhǎng)喉頸文丘里管喉部取壓位置對(duì)其濕氣測(cè)量模型的影響，從理論上對(duì)其各個(gè)部分壓力降進(jìn)行研究[7];2016年賀登輝以V錐流量計(jì)作為基礎(chǔ)，通過(guò)氣液兩相流實(shí)驗(yàn)運(yùn)用雙差壓測(cè)量方法對(duì)兩相參數(shù)進(jìn)行修正，提出了一種新的濕氣在線(xiàn)測(cè)量方法[8];2017年李丹利用內(nèi)外管差壓流量計(jì)結(jié)合近紅外光譜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣液兩相流流量與相含率的測(cè)量[9]。

在氣液兩相流測(cè)量中，相含率和流量是兩個(gè)極為重要的特征參數(shù)，準(zhǔn)確測(cè)量這兩個(gè)參數(shù)對(duì)兩相流理論研究與工業(yè)生產(chǎn)中的計(jì)量、控制等意義重大，對(duì)兩相流及多相流的技術(shù)發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用具有積極推動(dòng)作用[10]。

1 新型測(cè)量裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)外管差壓流量計(jì)作為一種提出較晚的流量計(jì)，具有較好的測(cè)量性能，但在差壓信號(hào)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(shè)計(jì)的新型內(nèi)外管差壓流量計(jì)為基礎(chǔ)，在垂直管氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)下研究該流量計(jì)的測(cè)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(lái)取得最大的差壓值。新型內(nèi)外管差壓流量計(jì)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(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，該型流量計(jì)外管1為水平設(shè)置的圓直管結(jié)構(gòu);在外管的側(cè)壁上開(kāi)有用于測(cè)量外管內(nèi)流體壓力的第一測(cè)壓孔2，在外管的側(cè)壁上還開(kāi)有第二測(cè)壓孔3，第二測(cè)壓孔和所述第一測(cè)壓孔處于外管的同一橫截面上且兩者關(guān)于該橫截面中心呈中心對(duì)稱(chēng)分布。內(nèi)管置于外管內(nèi)，且位于外管的軸心線(xiàn)上;內(nèi)管包括依次連接的進(jìn)口管4、收縮管5、取壓管6，擴(kuò)張管7和出口管8;進(jìn)口管和出口管的端部分別與外管的端部對(duì)齊;在內(nèi)管的取壓管上開(kāi)有第三測(cè)壓孔9，第三測(cè)壓孔與外管側(cè)壁上的第二測(cè)壓孔相對(duì)設(shè)置，且第三測(cè)壓孔和第二測(cè)壓孔之間通過(guò)引壓管相連接;通過(guò)引壓管可測(cè)量?jī)?nèi)管內(nèi)流體的壓力。最終制作樣機(jī)如圖2所示。

本文單相流及氣液兩相流動(dòng)實(shí)驗(yàn)均在河北大學(xué)多相流實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行，該多相流測(cè)試系統(tǒng)可完成水、氣、油的單相流和多相流模擬實(shí)驗(yàn)。本文實(shí)驗(yàn)單相流動(dòng)介質(zhì)為單相水，兩相流流動(dòng)介質(zhì)為空氣與水混合的兩相流。氣路流量調(diào)節(jié)通過(guò)閥門(mén)配合質(zhì)量流量控制器自配的控制系統(tǒng)進(jìn)行。液路采用DN10以及DN32管徑的電磁流量計(jì)，通過(guò)變徑的球閥開(kāi)關(guān)改變流量大小。實(shí)驗(yàn)測(cè)量差壓所用差壓變送器范圍選用0～30kPa，測(cè)量壓損用差壓變送器范圍為-15～15kPa。

2 單相流測(cè)量特性分析

單相流量的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)后續(xù)兩相流動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)具有重要的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值。裝置流出系數(shù)標(biāo)定采用的液相流量范圍為1～11m³/h，選取11個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行5組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)以及一組隨機(jī)工況點(diǎn)實(shí)驗(yàn)，分別采集溫度、壓力、差壓以及壓損。

流出系數(shù)定義為實(shí)際流量與理論流量之比[11]，按照ISO5167，對(duì)于不可壓縮流體，流出系數(shù)C的計(jì)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(hào)，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(jì)外管內(nèi)徑，m;

qm-s——標(biāo)準(zhǔn)流量也稱(chēng)實(shí)際流量，實(shí)驗(yàn)中由標(biāo)

準(zhǔn)表讀數(shù)得到，m³/s;

qm-c——計(jì)算流量也稱(chēng)理論流量，根據(jù)裝置測(cè)

得的差壓值及相關(guān)參數(shù)計(jì)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(zhǔn)確的測(cè)量流量值，需要對(duì)流出系數(shù)C進(jìn)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(guò)軟件進(jìn)行擬合，得到擬合公式為

利用計(jì)算模型求出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的流出系數(shù)，將流出系數(shù)C帶入式（1）中計(jì)算擬合質(zhì)量流量。計(jì)算擬合質(zhì)量流量與實(shí)際質(zhì)量流量的相對(duì)誤差分布圖如圖3所示。由圖可知，最大相對(duì)誤差在±1.6%以?xún)?nèi)，符合測(cè)量要求。

3 彈狀流工況下測(cè)量特性分析

在單相流動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用該裝置進(jìn)行新型氣液兩相流雙參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。常壓下，氣路共選取0.12，0.24，0.36，0.48，0.60m³/h 5個(gè)氣相點(diǎn)，液相流量范圍為2～6m³/h，選取5個(gè)液相點(diǎn)。共選擇25個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行6組重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)選擇見(jiàn)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(guò)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(jié)束，不相等，則將Fr₁1作為初值重復(fù)進(jìn)行2）～6）。

迭代過(guò)程如圖7所示。

將4組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)帶入以上迭代過(guò)程其最終與真值相對(duì)誤差如圖A所示。從圖中可知實(shí)驗(yàn)誤差在±5.5%以?xún)?nèi)。

3.2 相含率測(cè)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(yù)測(cè)模型。本實(shí)驗(yàn)在兩實(shí)驗(yàn)過(guò)程中同時(shí)采集差壓以及內(nèi)外管前后的絕對(duì)壓力損失，通過(guò)壓力損失和差壓與分相含率建立關(guān)系以達(dá)到擺脫入口參數(shù)對(duì)測(cè)量模型的影響。為了區(qū)分這兩個(gè)參數(shù)對(duì)液相含率的影響差異，將差壓和壓損所有數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)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(wú)法直接使用與分相含率建立關(guān)系。在兩相流動(dòng)測(cè)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(guān)系圖。

如圖所示，在同一氣相流量點(diǎn)下，壓損比隨著戈衛(wèi)增大而增大，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件運(yùn)用非線(xiàn)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(yù)測(cè)Fr₁，由式（11）可知，X_LM實(shí)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(yīng)的兩相總質(zhì)量流量以及分相含率。用4組驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到彈狀流兩相總流量及分相含率相對(duì)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(duì)誤差在±3%以?xún)?nèi)，相含率相對(duì)誤差整體在±2%以?xún)?nèi)。圖13、14為分相質(zhì)量流量相對(duì)誤差圖。

如圖所示，彈狀流液相流量相對(duì)誤差在14%以?xún)?nèi)，氣相相對(duì)誤差大部分在士35%以?xún)?nèi)，且整體為負(fù)誤差，造成這一誤差分布的主要原因是由于本實(shí)驗(yàn)工況點(diǎn)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(jì)算過(guò)程中誤差被逐漸放大。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）出于優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及緊密結(jié)合壓損與差壓信息的考慮，設(shè)計(jì)了新型內(nèi)外管差壓流量計(jì)。

2）利用新型測(cè)量裝置進(jìn)行了單相水流量的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，水流量范圍1～11m³/h，測(cè)量相對(duì)誤差在11.6%以?xún)?nèi)，裝置流出系數(shù)穩(wěn)定。

3）氣液兩相流流量測(cè)量在已知含率的情況下通過(guò)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(jìn)行迭代計(jì)算后得到彈狀流兩相總質(zhì)量流量模型相對(duì)誤差在±5.5%以?xún)?nèi)。運(yùn)用壓損比和Fr_g與X_LX建立含率預(yù)測(cè)模型，得到彈狀流液相含率相對(duì)誤差在±2%以?xún)?nèi)，兩相總質(zhì)量流量相對(duì)誤差在士3%以?xún)?nèi)。

4）本文利用新型內(nèi)外管差壓流量計(jì)實(shí)現(xiàn)了相含率及流量的雙參數(shù)在線(xiàn)測(cè)量。在已知差壓、壓損的情況下可達(dá)到預(yù)測(cè)兩相質(zhì)量流量以及分相含率的目的。

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