氣液兩相流體流量或質(zhì)量含氣率的液體取樣測量方法

1、摘 要:從被測氣液兩相流體中取樣分流出一部分單相液體，通過測 量這部分單相液體的流量確定被測氣液兩相流體的流量或干度。通過將兩 相流體的測量轉(zhuǎn)化為單相液體的測量,避免了兩相流體的波動對測量精度 的影響。分析表明:取樣液相流量與主管路總流量的比值與主管質(zhì)量含氣 率成線性關(guān)系。如果已知質(zhì)量含氣率或質(zhì)量流量其中一個參數(shù)可以確定另 一個參數(shù)。設(shè)計了液體取樣裝置，在氣液兩相流實(shí)驗(yàn)環(huán)道上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié) 果表明:本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi),流量和質(zhì)量含氣率測量最大誤差小于10%。引言氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、核能等許多工業(yè)領(lǐng)域，在兩相流 系統(tǒng)中多相流體的流量測量是難以回避的，也是至今未能很好解決一個難 題。Falco

2、ne，Alvaro,Hewitt，林宗虎等人對多相流量測量進(jìn)展進(jìn)行了回顧 14。與單相流相比,兩相流體的一個顯著特征就是流動具有強(qiáng)烈的波動 性,氣液兩相在管道截面的分布形式即流型隨著氣液相流量的改變不斷 變化,不同流型間的相態(tài)分布特征和流體動力學(xué)特性有很大差別，導(dǎo)致工 作在兩相流體中的儀表輸出信號受流型等參數(shù)的影響波動性大，測量精度 低。有些在線多相流量測量技術(shù)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性信號處理技術(shù) 來預(yù)測多相流量5,缺乏堅實(shí)的理論基礎(chǔ)，嚴(yán)重依賴訓(xùn)練樣本的范圍、數(shù) 量及精度,在使用過程中還需要進(jìn)行頻繁標(biāo)定。另外,基于射線吸收原理的 多相計量方法還存在對環(huán)境和人員潛在的威脅6。為了改善兩相流量測

3、量的可靠性和精度,王棟提出了利用T型三通的相分離特性,從被測氣液兩 相流體中分流出一部分單相氣體，通過測量這部分單相氣體的流量確定被 測氣液兩相流體的流量或干度的計量方法7,由于測量儀表工作在單相 氣體環(huán)境條件下，測量穩(wěn)定性有了很大提高。但由于氣體的密度隨溫度壓 力變化，容易造成取樣氣體質(zhì)量流量的測量精度偏低。為此,本文提出了基 于液體取樣的多相流量測量方法,根據(jù)取樣液體流量確定主管被測兩相流 體流量或質(zhì)量含氣率。1流量和質(zhì)量含氣率測量原理上游來的氣液兩相流體經(jīng)過特殊設(shè)計的液體取樣器后，被分成兩部分, 一部分液相進(jìn)入液體取樣回路;另一部分兩相流體沿原來路線流入直通回 路。在直通回路和分流回路上

4、各設(shè)置一個阻力調(diào)節(jié)孔板，用于調(diào)節(jié)兩回路 間的流量分配。如果確定了進(jìn)入取樣回路的液相質(zhì)量流量與主管路質(zhì)量流 量或質(zhì)量含氣率的關(guān)系,通過測量取樣回路的液相質(zhì)量流量就可以測量主 管路的流量或干度大小。下面為具體推導(dǎo)過程。進(jìn)入取樣回路的基本全為單相液體,阻力主要集中在節(jié)流孔板上，單 相液體通過取樣孔產(chǎn)生的壓降A(chǔ)P3為：jd _ 博性圮廠（1）對于直通回路,阻力損失也主要集中于孔板上,計算氣液兩相流通過 直通回路產(chǎn)生的壓降A(chǔ)P2可以采用林宗虎孔板公式8:節(jié)流孔板，直通回路JI主回路I ,L_n 華AP.1節(jié)流孔板I取樣回路叫圖1液體取樣式多和流鼠測胃原理處面布?|。+可點(diǎn)TI以上兩式中：P3,AP2取樣

5、回路和直通回路壓力降,Pa;M3取樣 流體質(zhì)量流量,kg/s;M2 直通回路的氣液兩相質(zhì)量流量,kg/s;pL,pG 液、氣相密度,kg/m3;p孔板直徑與管徑之比;7一孔板熱膨脹系數(shù)；C 孔板流出系數(shù)；A2,A3取樣回路和直通回路孔板的孔口截面積,m2;。一 校正系數(shù)，與氣液相密度比有關(guān)。下標(biāo)3表示取樣回路,下標(biāo)2表示直通回 路。由于取樣回路與直通回路呈并聯(lián)關(guān)系，根據(jù)并聯(lián)管路的特性得到:2=敏 3即：式(4可以寫成：M.(a+ 陽二 M.(5). 廠您qg, h一時旺G，L由于氣體不進(jìn)入底部小孔，根據(jù)氣相質(zhì)量守恒 得到：”二 rJi-瑪G曷 M 二 Ji-傍瑪則：MM州忱a 技=Mi = M

6、i- Ms 根據(jù)總質(zhì)量:守恒|M! = 41三+ M ?聯(lián)合式5)、式(7)和式(8)得到,是_ 我 b M 14- a l+(/i由于a,b為常數(shù)，從式(9)可以看出進(jìn)入取樣回路的液相質(zhì)量流量與主 管氣液兩相總流量的比值跟主管質(zhì)量含氣率成線性關(guān)系。取樣液相質(zhì)量流 量M3可以用單相液體流量計測量，如果知道主管路質(zhì)量含氣率X1值就可 以根據(jù)上式計算出主管內(nèi)總質(zhì)量流量M1。相反，如果已知主管液相質(zhì)量流 量M1,也可以根據(jù)此式確定出質(zhì)量含氣率XI。2實(shí)驗(yàn)裝置和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣水，實(shí)驗(yàn)管徑為40 mm。從壓縮機(jī)來的氣相流量(M1G) 及水泵來的液相流量(M1L)經(jīng)計量后在混合器中混合，經(jīng)由發(fā)展段進(jìn)入

7、測 試段。液體取樣器安裝在測試段，在此一小部分液體被分流進(jìn)入液體取樣 回路，由一小型液體質(zhì)量流量計測量取樣液體的質(zhì)量流量。為了增強(qiáng)取樣效果，保證進(jìn)入取樣回路的流體中不含氣體,采用了如 圖2所示的特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于水平管氣液兩相流動,在重力作用下，氣 液會產(chǎn)生自然分離，液相主要在管底部流動。在管壁底部安裝液體收集腔, 此處隨著流通面積的突然擴(kuò)大，氣液相流速降低,大大增強(qiáng)了氣液分離效 果，從而保證了進(jìn)入取樣回路基本全是液相。圖2液體取樣器結(jié)構(gòu)圖在取樣管路上和主管路上各布置有一個節(jié)流孔板，其作用是調(diào)節(jié)取樣 流體與主流體間的阻力匹配,保證式的成立。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果值得注意的是，由于進(jìn)入取樣回路基本全是液體

8、，與文獻(xiàn)7中的T型 三通管一樣，該液相取樣器用于兩相流量測量上也是一種單參數(shù)流量計, 需要知道主管流量或含氣率其中一個參數(shù)才能測量出另一個參數(shù)。圖3、圖4分別為主管流量和質(zhì)量含氣率真實(shí)值與測量值對比。橫坐 標(biāo)為真實(shí)值，對應(yīng)的縱坐標(biāo)表示的是測量值，如果二者相等,實(shí)驗(yàn)點(diǎn)就落在 圖中斜線上。圖3為已知主管質(zhì)量含氣率通過該液體取樣裝置測量得到的主管流量, 最大測量誤差為9.4%。圖4為已知主管流量測量得到的主管質(zhì)量含氣率， 最大誤差為9.95%。IJ.10 ai-2 Olid Ul* (US Q.22 024 026圖3主管流量測量值與真實(shí)值比較技宛含率已知)圖4 主管質(zhì)量含勺率測筮值與真實(shí)值比較主管

9、流耘嘗知J4結(jié)論提出了基于液體取樣測量氣液兩相流流量或干度的方法，克服了 傳統(tǒng)多相流量測量儀表工作在兩相流量環(huán)境中，測量精度易受流動波動的 影響的缺點(diǎn)，同時也避免了單相氣體取樣方法中氣體密度易受壓力變化導(dǎo) 致氣相質(zhì)量流量不易確定問題,測量精度和穩(wěn)定性都得到顯著改善；設(shè)計了特殊的液相取樣器，保證了進(jìn)入取樣回路中為單相液體，分 流取樣回路和主流回路阻力分別集中于調(diào)節(jié)孔板上,根據(jù)阻力平衡分析發(fā) 現(xiàn)取樣流體與主管被測流體總流量的比值與質(zhì)量含氣率成線性關(guān)系；(3)此流量測量方法為單參數(shù)多相流測量方法,知道質(zhì)量含氣率或質(zhì) 量流量其中一個參數(shù)可由式(9)確定另一個參數(shù)。參考文獻(xiàn)：FALCONE G,HEWI

10、TTG F,ALIMONTI C,et al.Multiphase flow me-tering:Current trends and future developmentsJ.Journal of PetroleumTechnology, 2002, 54 (4):77-84.ALVARO R.Developments in multiphase meteringR.SPE 36197,Abu Dhabi:Society of Petroleum Engineers Lnc,1996.HEWITT G F.Multiphase flow metering,in multiphase flow

11、 and heattransferMNewYork:Edited by Hemisphere Publishing Co,1991林宗虎.氣液固多相流測量圍北京：中國計量出版社,1988SHEPPARD C P,RUSSELL D.Application of artificial neural networksto non-intrusivemulti-phasemeteringJ.ControlEngineeringPrac-tice, 1993, 1 (2):299-304.HARTLEY P E,ROACHG J,STEWARTD,et al.Trial of a gamma-ray multiphase flowmeter o