專利名稱：氣液兩相管流流量測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及流體流量測量領(lǐng)域中測量氣(汽)液兩相管流體積流量的一種方法與裝置。
氣、液兩相流流量測量是化工、能源、石油等工程領(lǐng)域中迫切要解決的問題?，F(xiàn)有技術(shù)中測量與單相流性質(zhì)差別較大的氣、液流動(dòng)流量中，被廣泛應(yīng)用的且唯一能滿足工程應(yīng)用要求的方法是分離法。即先利用氣、液密度差性質(zhì)，使它們?cè)诖笕萜骰蚱渌问降姆蛛x器內(nèi)分離，然后用單相流流量測試方法分別單獨(dú)測量氣、液流量。顯然這種方法需要分離器，單相氣、液流量測試系統(tǒng)，切換流道的管路系統(tǒng)，各種液面控制設(shè)備等，整個(gè)系統(tǒng)龐大、復(fù)雜。如要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化面臨一系列困難。為了解決這一問題，在工程實(shí)際中，單相流流量測量方法有時(shí)也被擴(kuò)展用于氣、液兩相流量測量，但是除了極少的流動(dòng)特性與單相流性質(zhì)相近的氣、液流動(dòng)之外，絕大部分兩相流動(dòng)流量測量用此方法則無法實(shí)現(xiàn)。這是因?yàn)?，?duì)于比較長的管道(十米以上)，氣、液兩相流動(dòng)絕大多數(shù)是間歇性的，并且長管內(nèi)的氣液流動(dòng)是非?？蓧嚎s的，故間歇性流動(dòng)在測量元件處產(chǎn)生的壓力擾動(dòng)將導(dǎo)致流動(dòng)速度的劇烈波動(dòng)。因此，單相流方法是不適用于這種間歇周期變化極大的流動(dòng)的。因而也就不能用于實(shí)際工程中的長管道的氣、液流動(dòng)。
為了解決這一問題，新發(fā)展的氣、液兩相流測量方法是相關(guān)法，即用兩個(gè)氣、液兩相流空泡份額傳感器獲得直管道上，一般是豎直管道上，上、下游兩管截面上的各相截面含量(空泡份額或含氣率)，然后對(duì)上、下游空泡份額信號(hào)進(jìn)行相關(guān)分析，獲得平均速流，根據(jù)空泡份額及平均流速獲得氣、液體積流量。參見徐苓安《相關(guān)流量測量技術(shù)》，天津大學(xué)出版社 1988年。SCOTT，R·W·W;New Flow Measurement in the mid 80S international conference;a review，Measurement+control，F(xiàn)low Measurement Special Issue，June 1986，PP.75～79。但是這種方法目前無法測量分離流結(jié)構(gòu)。這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)存在于除完全分散流流型(泡狀流或者霧狀流)以外的所有其他氣、液兩相流流型中，即存在于幾乎所有的工程實(shí)際流動(dòng)中。這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)中兩相之間速度差別極大，相截面份額也很難準(zhǔn)確測量。參見Hagiwara，YSimultaneous Measurement of Liguid Film Thickness，Wall Shear Stress and Gas Flow Turbulence of Horizontal Wavy Two-Phase Flow;Int.J.Multiphase Flow;Vol 15，No.3，PP.421～431，1989。另外，相關(guān)分析所獲得的相關(guān)速度一般是兩相流中的結(jié)構(gòu)傳播速度而不是混合物平均速度，而且這種方法僅適用于豎直管內(nèi)的流動(dòng)測量?？傊?，除了古老的分離法外，現(xiàn)有技術(shù)中沒有任何更簡單，且能滿足實(shí)際工程應(yīng)用要求的、比較長管內(nèi)的氣、液兩相管流體積流量測量的方法。
本發(fā)明的目的和任務(wù)是提供一種結(jié)構(gòu)簡單，測量精度滿足工程應(yīng)用要求的測量裝置與方法，實(shí)現(xiàn)比較長的氣、液兩相流管線的氣、液體積流量直接在線測量。
本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的其測量裝置包括測量管路，上、下游空泡份額傳感器，信號(hào)處理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算系統(tǒng)組成。所述的測量管路是一條由上坡管和大坡度下坡管連接而成的特殊管路，所述上、下游空泡份額傳感器安裝在上、下坡管連接處附近的上坡管上。利用上述測量裝置使上坡管內(nèi)產(chǎn)生間歇性流動(dòng)，阻斷液塞后的液膜流動(dòng)，并且在上坡管內(nèi)形成具有一致流速分布的液塞前鋒液面;通過檢測液塞的存在及其含氣率，測出氣、液兩相流混合物速度，液塞液體截面份額及液塞占據(jù)傳感器的時(shí)間份額;并通過對(duì)流過連接處最長液膜長度的限制以及液膜流量計(jì)算和氣、液平均流速的修正，即可測得氣、液兩相流體積流量。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，不僅具有結(jié)構(gòu)簡單，系統(tǒng)安全可靠，測量范圍廣等特點(diǎn)，而且由于利用了特殊形式管路內(nèi)氣、液兩相流動(dòng)特性，從而有效地解決了兩相流流型變化、分離流結(jié)構(gòu)難以測量，結(jié)構(gòu)傳播速度易與混合物平均流速混淆，速度、壓力劇烈波動(dòng)等困難，有效地實(shí)現(xiàn)了比較長的氣、液兩相流管線的氣、液體積流量的直接在線測量。該發(fā)明還充分考慮了兩相流本身的流動(dòng)特性及工程應(yīng)用中氣、液兩相流流型多變的現(xiàn)象，對(duì)所測參數(shù)進(jìn)行了必要的計(jì)算和修正，因而與現(xiàn)有技術(shù)相比，提高了測量精度，使測量結(jié)果完全能滿足工程的實(shí)際應(yīng)用。
本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)與實(shí)施方法由以下的附圖
、實(shí)施例及計(jì)算公式給出。
附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述該發(fā)明的具體實(shí)施。
整個(gè)測量裝置包括一條由上坡管[9]通過連接處[13]和大坡度下坡管[10]形成的特殊管路，安裝在連接處附近的上坡管上的上、下游兩個(gè)空泡份額傳感器A[1]和B[2]，以及信號(hào)處理系統(tǒng)[11]和數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算系統(tǒng)[12]。其中，上坡管[9]的坡度最佳為0.25～0.4，其長可為4～8米;下坡管[10]的坡度最佳為0.5～1，管徑D與所測流動(dòng)管線相同。傳感器A和B采用泡狀流空泡份額傳感器，可用任何現(xiàn)有的聲、光、電傳感器，兩個(gè)上、下游傳感器的距離為4～8D。泡狀流空泡份額測試系統(tǒng)，信號(hào)處理放大和數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算系統(tǒng)均為現(xiàn)有技術(shù)。
利用上述測量裝置及系統(tǒng)，在所需要測的流量范圍內(nèi)，使上坡管內(nèi)產(chǎn)生間歇性流動(dòng)，它是由一段段間斷的含或不含小氣泡的液塞[5]和大氣泡[6]組成，大氣泡下有液膜[8]流動(dòng)。當(dāng)一個(gè)液塞經(jīng)過連接處[13]后，隨后的液膜流動(dòng)在重力作用下將不能繼續(xù)上坡而使大部分液膜被阻止，不能通過連接處。這使得我們不用測量間歇性流動(dòng)中的分離流結(jié)構(gòu)，從而避免了現(xiàn)有技術(shù)中不能解決的問題。當(dāng)一個(gè)液塞經(jīng)過連接處后，隨后液膜倒流[7]使靠近連接處的。一段上坡管內(nèi)沒有液體存在，使隨后到來的液塞經(jīng)過該段上坡管時(shí)，形成了一個(gè)具有一致流速分布的液塞前鋒液面[3]，它的移動(dòng)速度就是混合物平均流速UM，并且它與液體的流體力學(xué)性質(zhì)無關(guān)。而液塞尾部[4]，即大氣泡頂部的移動(dòng)速度則是間歇流結(jié)構(gòu)傳播速度UT。液塞是一個(gè)近似于均勻泡狀流的含小氣泡液柱，在靠近連接處的上坡管上安裝兩個(gè)泡狀流空泡份額傳感器A[1]和傳感器B[2]，檢測液塞的存在及其含氣率(1-RS)，則可測出氣、液兩相流混合物平均速度UM，液塞液體截面份額RS及液塞占據(jù)傳感器的時(shí)間份額TSi。然后再通過對(duì)流過連接處[13]的最長液膜長度的限制以及液膜流量計(jì)算和平均流速的修正，則可準(zhǔn)確獲得氣、液體積流量。
即混合物平均流速UM＝LAB/(TDB-TDA) (1)間歇流結(jié)構(gòu)傳播速度UT＝LAB/(TLB-TLA) (2)液體體積流量
氣體體積流量QG＝A(UM+u)-QL(4)上列式中，LAB是上、下游兩傳感器之間距離;TD、TL分別是液塞到達(dá)和離開某傳感器時(shí)間;A是管道截面積;Tsi＝TiLA-TiDA是在測量時(shí)間T內(nèi)第i個(gè)液塞占據(jù)傳感器A的時(shí)間間隔，QFi是第i個(gè)液塞后跟隨的液膜流量，u是對(duì)平均流速的修正值。
下面是對(duì)流過連接處最長液膜長度和液膜流量的計(jì)算和平均流速的修正方法。
忽略液膜流動(dòng)所有摩擦力作用，并用假想的方形管道替代圓形管道考慮管截面上的靜水壓力項(xiàng)，則液膜流動(dòng)在x＝UT·t-z動(dòng)動(dòng)坐標(biāo)上(z為管軸向靜坐標(biāo))的動(dòng)量方程為[(C2R2S/R3F)-0.9(Cosβ/Fr)]dRF＝(Sinβ/Fr)·d(x/D) (5)上式中，C＝UT/UM-1，RF為液膜截面積份額;β是上坡管仰角;Fr＝U2M/gD，D是管徑。積分上式有1/2 C2R2S[(1/R2F)-(1/R2S)]＝0.9(Cosβ/Fr)(RS-RF)+(Sinβ/Fr)·(LF/D) (6)根據(jù)液膜流動(dòng)的連續(xù)性液膜流速UF＝[1+C-(CRs/RF)·UM;在連接處UF＝0，表示液膜流過連接處結(jié)束，此時(shí)有RF＝CRs/(1+C)，對(duì)應(yīng)液膜長度LFO為流過連接處最長液膜長度LFO/D＝[1/2(1+2C)Fr-0.9Cosβ·(Rs/1+C)]/Sinβ (7)液塞經(jīng)過連接處后，隨后流過連接處的液膜截面積和速度是無法探測的。但其占總液流量的份額又是不可忽略的，特別是對(duì)高速流動(dòng)而言。一長度LF＜LFO的液膜流過連接處的液體流量QF應(yīng)為
考慮到UTdt＝dx及式(6)得到的RF的近似式，可有
如果LF＞LFO，則上式中LF應(yīng)由LFO替代。
當(dāng)一個(gè)液塞通過連接處[13]離開上坡管[9]時(shí)，液塞加在上游管線的液柱靜水壓不斷變小使流動(dòng)加速。而所測液塞前鋒液面[3]移動(dòng)速度是流動(dòng)加速之前的氣、液混合物速度，故液塞[5]流過連接處的平均速度應(yīng)等于液塞中部流過連接處的速度。
認(rèn)為整個(gè)管線中流動(dòng)是均勻混合的氣、液兩相流動(dòng)，并且認(rèn)為管線長度大于壓力傳播長度，則應(yīng)用簡單波區(qū)域一維可壓縮不定常流動(dòng)方程組特征線上的關(guān)系式，可計(jì)算出液塞中部流過連接處的流度等于測速液塞前鋒液面速度UM與下面的修正值u之和
其中Po為管道系統(tǒng)壓力;ρL為液體密度;LS是測速液塞長度，當(dāng)LS超過上坡管長度時(shí)，應(yīng)用上坡管長度代替。另外，空泡份額αG應(yīng)相當(dāng)于所有大氣泡總長度與管線總長度之比，可用下式計(jì)算αG＝QG/(QL+QG) (10)
權(quán)利要求
1.一種測量氣、液兩相管流流量的測量裝置，它包括測量管道，上、下游空泡份額傳感器、信號(hào)處理系統(tǒng)[11]及數(shù)據(jù)采集運(yùn)算系統(tǒng)[12]，其特征是所述的測量管道是一條由上坡管[9]和大坡度下坡管[10]連接而成，所述上、下游傳感器[1]，[2]安裝在上、下坡管連接處[13]附近的上坡管上。
2.一種測量氣、液兩相管流流量的測量方法，其特征是用一條由上坡管[9]和大坡度下坡管[10]連接而成的特殊管路，使上坡管內(nèi)產(chǎn)生間歇性流動(dòng)，阻斷液塞后的液膜流動(dòng)，并且形成具有一致流速分布的液塞前鋒液面[3];測出氣、液兩相流混合物平均速度UM，液塞液體截面份額RS及液塞占據(jù)傳感器的時(shí)間份額TSi;并通過對(duì)流過連接處最長液膜長度LFO的限制以及液膜流量QF的計(jì)算和氣、液平均流速的修正，測得氣、液兩相流體積流量。
3.按照權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征是所述的上坡管坡度最佳為0.25～0.4;下坡管坡度最佳為0.5～1，上坡管長度最佳為4～8米。
4.按照權(quán)利要求1或3所述的測量裝置，其特征是所述的上、下游傳感器為泡狀流空泡份額傳感器，其間距為4～8D。
5.按照權(quán)利要求2所述的測量方法，其特征是流過連接處的最長液膜長度LFO應(yīng)為LFO＝｛[1/2(1+2C)Fr-0.9Cosβ·(Rs/l+C)]/Sinβ｝·D其液膜流量QF應(yīng)為
6.按照權(quán)利要求2或5所述的測量方法，其特征是所述的氣、液平均流速的修正值u應(yīng)為
全文摘要
一種氣、液兩相管流流量測量方法與裝置，用于較長氣、液兩相流管線內(nèi)氣、液體積流量的直接在線測量。它是用一條上坡后再下坡的特殊管路使上坡管內(nèi)產(chǎn)生間歇性流動(dòng)，阻斷液塞后的液膜流動(dòng)，并且形成具有一致流速分布的液塞前鋒液面。用安裝于上坡管上的兩個(gè)泡狀流空泡份額傳感器獲得有關(guān)參數(shù)，通過信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集及運(yùn)算系統(tǒng)，進(jìn)行必要的計(jì)算和修正，則可實(shí)現(xiàn)氣、液體積流量的測量。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，測量范圍廣，其精度完全能滿足工程實(shí)際應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01F1/704GK1065724SQ9110215
公開日1992年10月28日 申請(qǐng)日期1991年4月11日 優(yōu)先權(quán)日1991年4月11日
發(fā)明者羅銳, 楊獻(xiàn)勇, 王洲 申請(qǐng)人:清華大學(xué)