柳富明 王鐵力 田達(dá)理

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司)

氣液兩相流流量測量方法的研究進(jìn)展

柳富明 王鐵力 田達(dá)理

(中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司)

總結(jié)氣液兩相流流量測量方法的研究進(jìn)展。介紹節(jié)流法、直接法、速度法和分離法的測量原理，并指出對兩相流的物性進(jìn)行全面、詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算將是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)。

流量測量方法 氣液兩相流

兩相流的復(fù)雜性和不確定性給流量測量工作帶來諸多困難。在兩相流介質(zhì)管路中可能發(fā)生相態(tài)的變化和兩相流參數(shù)的變化，所以應(yīng)用傳統(tǒng)的單相流技術(shù)只能解決均相兩相流的測量，為了克服這些不利因素，必須在測量中采取相應(yīng)的措施。經(jīng)過人們的大量研究和對現(xiàn)場工作的總結(jié)，國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)測量要求的不同提出了不同的兩相流測量方法，其中主要有節(jié)流法、直接法、速度法和分離法。

1 節(jié)流法

節(jié)流法的測量原理是：當(dāng)流體通過節(jié)流裝置時(shí)，由于管徑的變化或其他因素的影響使得流體斷面收縮，在該處流體速度加快、壓力降低，這樣就會(huì)在節(jié)流裝置兩端出現(xiàn)壓差，然后聯(lián)立伯努利方程和連續(xù)性方程即可求得流量值。

1.1 單參數(shù)測量法

單參數(shù)測量法經(jīng)過國內(nèi)外多年的研究，取得了諸多成果。1962年，Murdock提出了一種基于孔板節(jié)流裝置的氣液兩相流流量測量方法[1]。在國內(nèi)早期的兩相流流量測量方面，Lin Z H提出了諸多流量計(jì)算公式：基于孔板的兩相流流量公式和基于文丘里管的流量公式[2]。1988年，王文然等提出了一種應(yīng)用于油田中管道配氣的流量計(jì)量裝置[3]。隨著人們對流量計(jì)不斷的研究和改進(jìn)，提出了V錐流量計(jì)，利用這種節(jié)流裝置可以實(shí)現(xiàn)濕氣的流量計(jì)量，且計(jì)量效果較為理想。

1.2 雙參數(shù)測量法

在雙參數(shù)測量法中，根據(jù)使用裝置的不同可分為3種類型：

a. 單節(jié)流元件測量。Thorn R等利用一個(gè)孔板節(jié)流裝置和一個(gè)差壓裝置，根據(jù)流體流過節(jié)流元件時(shí)的壓差脈動(dòng)信號特征值，實(shí)現(xiàn)了對兩相流流量的在線測量[4]。仲朔平等提出了一個(gè)利用孔板測量氣-水兩相流流量的計(jì)算公式，并成功研制出了微機(jī)儀表來進(jìn)行在線測量，實(shí)現(xiàn)了兩相流的雙參數(shù)測量[5]。

b. 雙節(jié)流元件測量。兩相流流量計(jì)的測量結(jié)果不僅與流量有關(guān)，而且與兩相流相含率有關(guān)，所以在兩相流流量的測量中需要兩個(gè)不同的節(jié)流裝置組合來完成。林宗虎將一個(gè)孔板流量計(jì)和一個(gè)文丘里管串聯(lián)在同一個(gè)兩相流管道中，利用兩個(gè)節(jié)流元件兩端的壓差實(shí)現(xiàn)氣液兩相流質(zhì)量流量的測量[6]。

c. 單節(jié)流元件與密度計(jì)組合測量。這種測量方法是將氣液兩相流理想化地認(rèn)為是兩相均勻混合物，利用節(jié)流元件測量兩相流體的流速和體積流量，再利用密度計(jì)測量兩相流的密度，這樣就實(shí)現(xiàn)了兩相流流量的測量。目前，這種組合主要有微波密度計(jì)-文丘里管組合、γ射線密度計(jì)-文丘里管組合等。

2 直接法

直接法就是利用流量計(jì)直接測量兩相流的質(zhì)量流量。

2.1 渦輪流量計(jì)

渦輪流量計(jì)在單相流的測量中廣泛應(yīng)用，而且技術(shù)比較成熟。隨著該流量計(jì)技術(shù)的發(fā)展，它也可以用于氣液兩相流流量的測量。Rouhani S Z根據(jù)兩相混合物的流量Q與渦輪流量計(jì)轉(zhuǎn)速n成正比關(guān)系的原理，提出利用渦輪流量計(jì)測量氣液兩相流的質(zhì)量流量[7]。

2.2 科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)

2.3 渦街流量計(jì)

渦街流量計(jì)量程范圍寬、精度高、穩(wěn)定性好，適合單相氣體或液體的質(zhì)量流量測量，其主要原理是卡門渦街理論，由渦街頻率與流量的關(guān)系實(shí)現(xiàn)流量的測量。由于兩相流產(chǎn)生的漩渦比較復(fù)雜，且穩(wěn)定性、連續(xù)性較差，所以在測量兩相流流量時(shí)有一定的困難。然而李永光等通過大量的試驗(yàn)研究，提出氣液兩相流中同樣也存在兩相漩渦，可以利用兩相漩渦經(jīng)計(jì)算得到兩相流流量[9]。

3 速度法

速度法的測量原理是：通過不同的途徑測量兩相流的流速，再通過兩相流其他的參數(shù)計(jì)算得到流量。

3.1 皮托管

皮托管根據(jù)動(dòng)壓理論來測量流體流速，它只能測出某一點(diǎn)的瞬時(shí)流速，為了得到管道截面上流體的平均速度，需將均壓管換成皮托管。氣液兩相流流量Q的計(jì)算式為：

式中A0——管道橫截面面積，m2；

c——速度修正系數(shù)；

Δp——局部壓差，Pa；

ρ0——兩相流的平均密度，kg/m3。

Hau F L和Banerjee S采用5支皮托管(圖1)和γ射線密度計(jì)來測量兩相流的質(zhì)量流量[10]，試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)兩相流流量大于800kg/s時(shí)，測量準(zhǔn)確性較高，誤差為±10%；當(dāng)質(zhì)量流量較小時(shí)，誤差較大，達(dá)到了±20%。

圖1 文獻(xiàn)[10]中管道截面皮托管的分布

3.2 光纖流量計(jì)

光纖流量計(jì)的測量原理是：光在光纖中傳輸時(shí)，根據(jù)光的特性與流量的關(guān)系將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，從而實(shí)現(xiàn)流體流量的測量。該流量計(jì)靈敏度高、信息傳遞時(shí)抗干擾性強(qiáng)、耐高溫高壓、在危險(xiǎn)環(huán)境下安全性較高，因此便于遠(yuǎn)距離對流體進(jìn)行測量。目前，利用光纖傳感技術(shù)測量氣液兩相流的質(zhì)量流量取得了初步成功。

3.3 電磁流量計(jì)

電磁流量計(jì)的測量原理是基于法拉第電磁感應(yīng)定律，即導(dǎo)電液體在磁場中做切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢E，即：

E=KBvd

式中B——電磁感應(yīng)強(qiáng)度，T；

d——測量管道截面的內(nèi)徑，mm；

K——電磁流量計(jì)儀表常數(shù)；

v——測量管道截面內(nèi)流體的平均速度，m/s。

利用該流量計(jì)進(jìn)行單相流流量測量時(shí)，導(dǎo)電液體以速度v流過垂直于流動(dòng)方向的磁場，導(dǎo)電液體的流動(dòng)感應(yīng)出一個(gè)與平均流速成正比的電壓，其感應(yīng)電壓信號通過兩個(gè)或兩個(gè)以上與液體直接接觸的電極檢出，并通過電纜送至轉(zhuǎn)換器進(jìn)行智能化處理，然后在LCD上顯示或轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(4～20mA、0～1kHz)輸出。

利用測量得到的單相流流量，再經(jīng)過計(jì)算可得到氣液兩相流的質(zhì)量流量。結(jié)果表明，當(dāng)液相流速為0.5～0.6m/s、空襲率在0.00～0.65范圍內(nèi)時(shí)能夠得到用于氣液兩相流流量測量的修正模型。

3.4 相關(guān)法

相關(guān)法是一種非接觸式測量法，通過動(dòng)態(tài)測量兩相流的流速或濃度，通過計(jì)算即可得到流量值。其測量原理是[11]：在一段距離為L的管道上設(shè)置兩個(gè)測量橫截面A和B，由于管道較短，在兩個(gè)測量面上用傳感器得到的兩相流的相分部、流場空間等變化較小，因此根據(jù)流體同一參數(shù)在A、B截面上的時(shí)間曲線計(jì)算流體通過這兩個(gè)截面所需要的時(shí)間，就可以得到兩個(gè)截面間的流體速度，進(jìn)而求出兩相流流量。

3.5 多普勒頻移法

多普勒頻移法是一種非接觸式流體速度測量方法，通過激光多普勒測速技術(shù)測量兩相流中氣相和液相的流速，進(jìn)而計(jì)算得到兩相流流量[12]。其原理是：兩束散射激光相交區(qū)域形成亮暗相間的干涉場，當(dāng)流體通過干涉場時(shí)，將產(chǎn)生亮、暗交替的散射光條紋，單位時(shí)間內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)穿過亮條紋的數(shù)目即為多普勒頻率，該頻率的大小與質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度(即流體速度)成正比關(guān)系，進(jìn)而可以得到流體速度。

3.6 示蹤法

示蹤法中，在氣液兩相流中加入示蹤物質(zhì)，通過跟蹤該物質(zhì)來確定兩相流混合物的流速。

基于粒子圖像測速(PIV)技術(shù)的示蹤法的基本原理是：利用CCD等高科技攝相設(shè)備，通過自然光照射形成的光照面來得到示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡，并記錄連續(xù)圖像的時(shí)間間隔，通過兩個(gè)連續(xù)圖像位移的相關(guān)分析就可以得到兩相流的速度場。PIV技術(shù)作為一種全新的、瞬時(shí)的、穩(wěn)定的兩相流流速測量技術(shù)，在氣液兩相流領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用前景。

4 分離法

由于直接測量兩相流流量難度較大，所以有研究者將兩相流的相組分進(jìn)行分離，然后用比較成熟的單相流測量方法對各組分進(jìn)行計(jì)量，再通過理論計(jì)算得到兩相流的流量和相含率。

王棟等提出利用分流分相法測量兩相流流量[13]。這種分離法測量氣液兩相流流量的具體過程為：首先兩相流通過一種分配器后將被測部分兩相流混合物分配出來，然后利用相分離器將這部分兩相流混合物分成兩種單相流體，再分別利用單相流測量裝置得出單相流流量，并將單相流流量通過比例關(guān)系換算成待測兩相流的流量，最后將這部分兩相流混合物回流至主管道中。

5 結(jié)論與展望

通過對已有的兩相流流量測量方法的分析比較發(fā)現(xiàn)，由于節(jié)流法在單相流方面已經(jīng)非常的完善和精確，并且發(fā)展時(shí)間久，對于測量模型和方法都比較容易掌握和實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場操作，因此該方法是一種比較理想的兩相流流量測量方法。進(jìn)一步地研究氣液兩相流流量測量方法和儀器，對兩相流的發(fā)展具有很大的推動(dòng)作用，這就需要后續(xù)對兩相流的物性進(jìn)行全面和詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究和理論計(jì)算。

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ProgressinResearchingGas-LiquidFlowMeasurementMethods

LIU Fu-ming, WANG Tie-li, TIAN Da-li

(Wuhan Design & Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology & Engineering Group)

The progress in researching gas-liquid flow measurement methods were summarized and the principle of measurement of the throttle method, the direct measurement method, the velocity method and the separation method were described to indicate that both comprehensive and detailed experimental study and theoretical calculation of gas-liquid flow’s physical property become into key point of the follow-up study.

flow measurement method, gas-liquid flow

TH814

A

1000-3932(2017)05-0431-04

中國煤炭科工集團(tuán)科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2013ZD003)。

柳富明(1983-)，工程師，從事長距離漿體管道輸送工程的設(shè)計(jì)工作，18207114439@163.com。

2016-10-19，

2016-12-17)