一種測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相流流量的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種多相流流量檢測(cè)裝置，具體地說是一種測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相 流流量的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣液兩相流中各相的流量可W由總流量乘W各相相含率而得出。目前，針對(duì)氣液 兩相流相含率的測(cè)量方法主要有:直接測(cè)量法、射線吸收法、電學(xué)法、微波法和光學(xué)法。直接 測(cè)量法主要用于測(cè)量裝置的標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量管道的平均截面含氣率。但是由于測(cè)量時(shí)會(huì) 切斷流體的正常流動(dòng)，所W不能在線、實(shí)時(shí)測(cè)量管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。射線吸收法測(cè)量原理是 從射線源發(fā)出的射線穿透混合流體時(shí)被流體吸收，隨著流體的厚度，信號(hào)呈現(xiàn)出指數(shù)衰減 的規(guī)律，但射線吸收法測(cè)量過程中存在福射操作有關(guān)的安全問題，且氣泡和空隙率隨時(shí)間 的脈動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果都有一定的影響。電學(xué)法是通過各相分布和電阻抗的關(guān)系來確定相含 率，因此阻抗法也分為電導(dǎo)法和電容法。但電學(xué)測(cè)量易受流型影響，致使影響截面含氣率的 因素較多。微波法是在微波頻率下通過介電常數(shù)的變化和相位移來實(shí)現(xiàn)多相流相含率的測(cè) 量，具有實(shí)時(shí)性好、現(xiàn)慢精度高、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但具有局限性，目前測(cè)量 油水兩相流分相含率主要集中在低含水率和高含水率。和其他測(cè)量方法相比，光學(xué)法敏感 度不易受流型影響，數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單迅速，易于實(shí)時(shí)在線遠(yuǎn)距離連續(xù)測(cè)量，因此在兩相流速 度、相含率、流型等領(lǐng)域都有相關(guān)應(yīng)用。
[0003] 目前，已有實(shí)驗(yàn)室搭建了基于近紅外光譜吸收特性的氣液兩相流相含率的檢測(cè)裝 置。但是，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的管道裝置對(duì)氣液兩相流進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，在流型識(shí)別方面，對(duì)彈狀 流的識(shí)別較好，而如泡狀流等識(shí)別不明顯。分析其原因：除了漏光原因外，因?yàn)榕轄盍髦袣?泡、液滴等分布的不規(guī)律性和復(fù)雜性，導(dǎo)致管道內(nèi)光路經(jīng)過反射、折射等光學(xué)效應(yīng)，由發(fā)射 探頭發(fā)射出的光信號(hào)不能完全被對(duì)應(yīng)的接收探頭接收。對(duì)流型識(shí)別不明顯將直接導(dǎo)致測(cè)量 結(jié)果不準(zhǔn)確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的之一就是提供一種測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相流流量的裝置，W解決 現(xiàn)有的檢測(cè)裝置對(duì)流型識(shí)別不太明顯導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不夠準(zhǔn)確的問題。
[0005] 本發(fā)明的目的之二就是提供一種測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相流流量的方法，采用該 方法無需對(duì)兩相流進(jìn)行分離即可準(zhǔn)確地測(cè)量豎直管道內(nèi)兩相流的分相流量。
[0006] 本發(fā)明的目的之一是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：一種測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相流流量的裝置， 包括豎直設(shè)置且上下對(duì)稱的上變徑管和下變徑管;所述上變徑管包括上端的小口徑管、下 端的大口徑管W及中間的過渡斜肩;所述下變徑管包括上端的大口徑管、下端的小口徑管 W及中間的過渡斜肩;兩個(gè)變徑管各自的小口徑管分別與豎直管道相接;在兩個(gè)變徑管的 大口徑管之間設(shè)置有若干豎直的側(cè)直管，所述側(cè)直管的兩端分別通過彎折管與兩個(gè)大口徑 管相接，所述側(cè)直管的內(nèi)腔通過兩端彎折管的內(nèi)腔與兩個(gè)大口徑管的內(nèi)腔相連通;在所述 側(cè)直管的上端設(shè)置有近紅外發(fā)射探頭，在所述側(cè)直管的下端設(shè)置有近紅外接收探頭;在所 述上變徑管和所述下變徑管上分別開有一測(cè)壓孔，兩個(gè)測(cè)壓孔與差壓變送器相接;所述近 紅外接收探頭和所述差壓變送器分別通過數(shù)據(jù)采集單元與數(shù)據(jù)處理單元相接。
[0007] 兩個(gè)變徑管上過渡斜肩的傾斜角度為15°~21°。
[0008] 所述側(cè)直管的內(nèi)徑小于兩個(gè)變徑管上小口徑管的內(nèi)徑，所有側(cè)直管內(nèi)腔的橫截面 面積之和大于兩個(gè)變徑管上小口徑管內(nèi)腔的橫截面面積。
[0009] 兩個(gè)變徑管上小口徑管的內(nèi)徑與豎直管道的內(nèi)徑相等，且兩個(gè)小口徑管分別通過 法蘭與豎直管道相接。
[0010] 所述測(cè)壓孔開在兩個(gè)變徑管的大口徑管或小口徑管上，且兩個(gè)測(cè)壓孔呈對(duì)稱設(shè) 置。
[0011] 本發(fā)明通過在豎直管道上連接上下對(duì)稱的上變徑管和下變徑管，并在上變徑管和 下變徑管之間設(shè)置側(cè)直管，在側(cè)直管的上端和下端分別安裝近紅外發(fā)射探頭和近紅外接收 探頭，豎直管道內(nèi)的兩相流流體由上至下流入上變徑管，后經(jīng)側(cè)直管流入下變徑管，再流入 豎直管道內(nèi)。近紅外發(fā)射探頭可發(fā)射近紅外光，近紅外光沿流體流動(dòng)方向照射側(cè)直管內(nèi)的 流體，近紅外光經(jīng)流體后會(huì)被流體吸收部分能量，近紅外接收探頭用于接收經(jīng)流體吸收后 的近紅外光的光強(qiáng)信號(hào)。在上變徑管和下變徑管上分別開測(cè)壓孔，差壓變送器可通過兩個(gè) 測(cè)壓孔測(cè)量上變徑管和下變徑管內(nèi)的壓力差。上、下變徑管內(nèi)的壓力差W及經(jīng)流體吸收后 的近紅外光的光強(qiáng)由數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)其所接收到的 數(shù)據(jù)即可計(jì)算得出豎直管道內(nèi)流體總流量、各相相含率W及各相流量。
[0012] 現(xiàn)有技術(shù)中采用近紅外光照射流體都是使近紅外光垂直于流體流動(dòng)方向而進(jìn)行 的照射，本發(fā)明改變近紅外發(fā)射探頭和近紅外接收探頭的設(shè)置方式，使近紅外發(fā)射探頭所 發(fā)近紅外光沿側(cè)直管內(nèi)流體流動(dòng)方向傳輸，由此可克服裝置漏光，泡狀流中氣泡、液滴等分 布的不規(guī)律性和復(fù)雜性等，導(dǎo)致管道內(nèi)光路經(jīng)過反射、折射等光學(xué)效應(yīng)后，經(jīng)過管道內(nèi)流體 之后的發(fā)射探頭發(fā)射出的光信號(hào)不能完全被對(duì)應(yīng)的接收探頭接收，從而造成了流型識(shí)別效 果不佳，流型判斷不準(zhǔn)確的情況;使得管道內(nèi)的光線，無論如何反射、折射，都可W被對(duì)應(yīng)的 接收探頭接收，大幅提高了光從入口方向進(jìn)入后被接收的比例，從而達(dá)到更加準(zhǔn)確測(cè)量的 目的。
[0013] 本發(fā)明的目的之二是運(yùn)樣實(shí)現(xiàn)的：一種測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相流流量的方法， 包括如下步驟：
[0014] a、將上變徑管和下變徑管上的小口徑管分別通過法蘭連接在豎直管道上；
[0015] 所述上變徑管包括上端的小口徑管、下端的大口徑管W及中間的過渡斜肩；所述 下變徑管包括上端的大口徑管、下端的小口徑管W及中間的過渡斜肩；在所述上變徑管和 所述下變徑管上分別開有一測(cè)壓孔;在兩個(gè)變徑管的大口徑管之間設(shè)置有若干豎直的側(cè)直 管，所述側(cè)直管的兩端分別通過彎折管與兩個(gè)大口徑管相接，所述側(cè)直管的內(nèi)腔通過兩端 彎折管的內(nèi)腔與兩個(gè)大口徑管的內(nèi)腔相連通;在所述側(cè)直管的上端設(shè)置有近紅外發(fā)射探 頭，在所述側(cè)直管的下端設(shè)置有近紅外接收探頭;豎直管道內(nèi)的兩相流流體首先流入上變 徑管內(nèi)，之后經(jīng)彎折管流入側(cè)直管內(nèi)，再經(jīng)彎折管流入下變徑管內(nèi)，接著由下變徑管流入豎 直管道內(nèi)；
[0016] b、由差壓變送器通過兩個(gè)變徑管上的測(cè)壓孔測(cè)量流體在兩個(gè)變徑管內(nèi)的壓力差， 同時(shí)將所測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元；
[0017] C、由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)近紅外發(fā)射探頭發(fā)射近紅外光，所發(fā)射的近紅外光沿流體流動(dòng) 方向照射側(cè)直管內(nèi)的流體，近紅外接收探頭接收經(jīng)流體吸收后的近紅外光的光強(qiáng)信號(hào)，并 將所接收到的信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集單元發(fā)送至數(shù)據(jù)處理單元；
[0018] d、數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)接收到的流體在兩個(gè)變徑管內(nèi)的壓力差W及經(jīng)流體吸收后 的近紅外光的光強(qiáng)計(jì)算豎直管道內(nèi)流體總流量、各相相含率W及各相流量。
[0019] 步驟d中流體總流量的計(jì)算公式為：
[0020]
[0021] 式中，Qv為豎直管道內(nèi)流體的總流量，K為流出系數(shù)，Sa為所有側(cè)直管內(nèi)腔的橫截面 面積之和，AP為上下變徑管內(nèi)的壓力差，P為流體密度。
[0022] 步驟d中氣相體積含率的計(jì)算公式為：
[0023]
[0024] 式中:?為氣相體積含率，N為側(cè)直管的個(gè)數(shù)，PgN為第N個(gè)側(cè)直管的氣相體積含率；
[0025]
[00%] In為第N個(gè)側(cè)直管下端近紅外接收探頭所接收到的經(jīng)流體吸收后的近紅外光的光 強(qiáng)，II為側(cè)直管內(nèi)全是液體時(shí)近紅外接收探頭所接收到的經(jīng)流體吸收后的近紅外光的光 強(qiáng)，Ig為側(cè)直管內(nèi)全是氣體時(shí)近紅外接收探頭所接收到的經(jīng)流體吸收后的近紅外光的光 強(qiáng)；
[0027]液相體積含率的計(jì)算公式為:&=1-的；
[002引豎直管道內(nèi)兩相流中氣相流量為:Qg = QvXi3g;
[0029] 豎直管道內(nèi)兩相流中液相流量為:化= QvX(l-i3g)。
[0030] 本發(fā)明所提供的測(cè)量豎直管道內(nèi)氣液兩相流流量的方法，借助于上述測(cè)量豎直管 道內(nèi)氣液兩相流流量的裝置，使近紅外發(fā)射探頭所發(fā)近紅外光沿側(cè)直管內(nèi)流體流動(dòng)方向傳 輸，克服了現(xiàn)有技術(shù)中由于光路的折射、反射等光學(xué)效應(yīng)所造成的管內(nèi)光路復(fù)雜、數(shù)據(jù)冗余 等缺點(diǎn)，保證了發(fā)射探頭所發(fā)出的光學(xué)信號(hào)，經(jīng)過被測(cè)流體及光學(xué)效應(yīng)后，都可W被所對(duì)應(yīng) 的接收探頭完全吸收，從而提高了相含率測(cè)量的準(zhǔn)確度。同時(shí)利用差壓變送器得到壓力差， 根據(jù)壓力差與流量之間的關(guān)系，計(jì)算得出豎直管道內(nèi)流體的總流量?；诳偭髁亢拖嗪?， 可得到兩相流中各相流量，為氣液兩相流的檢測(cè)提供了一個(gè)新的思路。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明中與豎直管道