雙錐流量計的氣水兩相流流量測量研究

朱 躍 謝代梁 梅松淇 梁國偉

(中國計量學(xué)院計量測試工程學(xué)院1，浙江 杭州 310018;浙江中煙工業(yè)有限責(zé)任公司寧波卷煙廠2，浙江 寧波 315040)

0 引言

標(biāo)準(zhǔn)孔板或文丘里管是傳統(tǒng)差壓流量計常用的節(jié)流裝置，由于自身結(jié)構(gòu)的限制，傳統(tǒng)差壓流量計存在無法克服的缺點［1］。為克服傳統(tǒng)差壓流量計的缺點，近年來，新型的節(jié)流裝置不斷涌現(xiàn)，其中較為成功并已投入市場使用的是V錐流量計［2］。研究表明，V錐流量計確實在很多方面克服了傳統(tǒng)差壓流量計的缺點［3］。因此，在單相流測量領(lǐng)域和多相流測量方面，V錐流量計倍受關(guān)注［4－6］。本文在V錐流量計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、加工工藝要求低的雙錐流量計，并嘗試將其用于氣液兩相流的測量。

采用傳統(tǒng)的單相流量計結(jié)合測量模型對氣液兩相流參數(shù)進(jìn)行測量，是目前氣液兩相流測量研究中的重要方向之一。自1949年Lockhart和Martinelli［7］研究差壓信號與界面含氣率之間的關(guān)系以來，Murdock［8］、Chisholm［9］和 Lin［10］等分別采用標(biāo)準(zhǔn)孔板或文丘里管對氣液兩相流進(jìn)行研究，建立了相應(yīng)的測量模型。目前，雖有各種新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，但利用常規(guī)流量計對氣液兩相流測量的研究并未停止，如 Huang Zhiyao等［11－13］采用文丘里管結(jié)合層析成像技術(shù)，對氣液兩相流進(jìn)行測量，F(xiàn)eng Dong等［6］采用V錐流量計研究氣液兩相流的測量技術(shù)。這些研究成果為進(jìn)一步完善和推廣常規(guī)流量計測量兩相流的方法提供了很好的借鑒。

1 雙錐流量計測量原理

1.1 雙錐流量計節(jié)流裝置結(jié)構(gòu)

雙錐流量計的基本工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙錐流量計工作原理圖Fig.1 The structure of dual-cone flowmeter

雙錐流量計屬于邊壁收縮、逐漸擴散式流量計。雙錐流量計的節(jié)流錐體主要包括錐體和錐體支架結(jié)構(gòu)兩部分。雙錐流量計的錐體由前后兩錐角相等的對稱錐體組成。錐體支架結(jié)構(gòu)由三個片狀支架和一管環(huán)組成，錐體的支架結(jié)構(gòu)通過錐體中間喉部將錐體固定在管道中心與管道同軸，其中管環(huán)的內(nèi)徑和管道的內(nèi)徑相同，將錐體安裝在管道中就可以構(gòu)成雙錐流量計。

圖1中:P1、P2、P3分別為三個取壓口，P1為上游流體收縮前靜壓取壓孔，P2為節(jié)流件喉部最小流通面積處靜壓取壓孔，P3為下游流體流束穩(wěn)定時的靜壓取壓孔;P1與P2之差為本研究中所取得雙錐流量計差壓信號;L為差壓取壓孔的孔距，D為管道內(nèi)徑，d為節(jié)流錐體在喉部處直徑，α為對稱錐體的錐角。

1.2 雙錐流量計單相流測量原理

在同一密閉管道中，根據(jù)能量守恒原理(伯努利方程)和流動連續(xù)性方程可得，單相流的質(zhì)量流量和差壓之間的關(guān)系式為:

1.3 雙錐流量計氣液兩相流測量原理

1.3.1 分相流模型

假設(shè)氣液兩相是完全分開的，流體兩相均不可壓縮且兩相流出系數(shù)相同，各相流過節(jié)流裝置時的差壓等于兩相流體同時流過節(jié)流裝置的差壓，流動過程中不發(fā)生相變，則分相流各相差壓之間的關(guān)系式為:

式中:ΔPtp為氣液兩相流流體流過節(jié)流裝置時的差壓;ΔPl為液相單獨流過節(jié)流裝置時的差壓;ΔPg為氣相單獨流過節(jié)流裝置時的差壓。經(jīng)推導(dǎo)，可得分相流計算模型為:

式中:x為干度;ρl為液相密度;ρg為氣相密度。

1.3.2 Murdock 模型

由于分相流模型的假設(shè)過于理想，其計算值和實際值相差較大。Murdock通過大量試驗，得出孔板測量兩相流流量的差壓關(guān)系式為:

從而得到總流量的計算模型為:

式中:θ為修正系數(shù)，其值為1.26。

1.3.3 Lin 模型

Lin模型的總流量測量公式同式(5)。但Lin通過大量試驗得出，在孔板的氣液兩相流測量中，修正系數(shù)θ并不是一個定值，其值和工作壓力或 ρg/ρl有關(guān)［14］，并得出:

2 試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗裝置

雙錐流量計氣水兩相流流量測量試驗是在中國計量學(xué)院油氣水三相流試驗設(shè)備上進(jìn)行的，研究過程中對水平管道氣水兩相流的測量進(jìn)行了試驗。試驗設(shè)備主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和試驗管路兩大部分，其中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集控制界面;試驗管路包括壓力變送器、溫度變送器、差壓變送器、標(biāo)準(zhǔn)表以及管道和閥門等設(shè)備。

試驗裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structure of experimental device

圖2 中:W1、W2為球閥;T1、T2為溫度變送器;P1、P2為壓力變送器;P為差壓變送器。

試驗介質(zhì)為空氣和水;試驗工況的溫度為30～38℃，壓力為 40 ～200 kPa，干度范圍為 0.004 ～0.040;標(biāo)準(zhǔn)水表選用的是IFM4080F型電磁流量計，其精度等級為0.2級;標(biāo)準(zhǔn)氣表選用的是旋進(jìn)漩渦流量計，其精度等級為0.5級;試驗管道內(nèi)徑為50 mm;混相器與試驗管段之間有長度為8 m的直管段，以保證兩相流的充分發(fā)展。數(shù)據(jù)采集器采用的是研華公司的pci-1710L，數(shù)據(jù)采集控制界面選用 NI公司的LabVIEW軟件進(jìn)行開發(fā)。

2.2 雙錐流量計流出系數(shù)標(biāo)定

由于雙錐流量計不是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，在使用之前需要對雙錐流量計的流出系數(shù)C進(jìn)行標(biāo)定。試驗所用雙錐流量計的流出系數(shù)用水進(jìn)行標(biāo)定，其具體標(biāo)定公式為:

式中:Qv為水的體積流量;ρ1為水的密度(標(biāo)定時，水的密度為996 kg/m3);ε=1。

在水流量為5～50 m3/h的范圍內(nèi)，對該雙錐流量的流量系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。流出系數(shù)與水流量之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 流出系數(shù)和水流量關(guān)系Fig.3 Relationship between discharge coefficient and water flow

由圖3可以看出，當(dāng)水流量大于10 m3/h之后，雙錐流量計的流量系數(shù)趨于一個恒定值，表現(xiàn)出較好的穩(wěn)定性。因此，可以取其平均值作為雙錐流量計的流出系數(shù)，其值為C=0.9677。

2.3 試驗方案

將雙錐流量計安裝到圖3所示的試驗裝置上，就可以研究雙錐流量計的兩相特性。具體按照以下步驟來完成試驗。

①啟動空壓機和水泵;

②待水壓穩(wěn)定以后，調(diào)節(jié)水相調(diào)節(jié)閥，把水流量控制在一個流量點;

③待水相流量穩(wěn)定、同時氣相壓力穩(wěn)定以后，調(diào)節(jié)氣相調(diào)節(jié)閥，使氣液兩相進(jìn)行混合;

④待混合壓力穩(wěn)定后，記錄水流量和氣流量的瞬時流量，同時，數(shù)據(jù)采集界面開始采集差壓、壓力和溫度數(shù)據(jù);

⑤待各數(shù)據(jù)采集完成，重復(fù)步驟②～④，直至完成整個試驗。

2.4 試驗結(jié)果與分析

按照上述試驗方案，對雙錐流量計進(jìn)行氣液兩相流試驗研究。為了研究雙錐流量計氣液兩相流流量測量特性，本次研究選用分相流模型、Murdock模型和Lin模型作為測量模型。表1列出了本次試驗的測量引用誤差和總質(zhì)量流量的試驗數(shù)據(jù)。

表1 試驗結(jié)果Tab.1 Experimental results

分相流模型的總流量測量誤差如圖4所示。圖4中，橫坐標(biāo)表示氣水兩相的總流量，縱坐標(biāo)表示引用誤差，測量范圍為試驗中的總流量范圍2～8 kg/s，x采用試驗中實際的干度值，由真實的氣水兩相質(zhì)量流量算得。測量結(jié)果顯示，采用分相流模型計算所得的總流量呈現(xiàn)正誤差。當(dāng)流量范圍在2～8 kg/s內(nèi)時，測量引用誤差可控制在16%之內(nèi);在流量較小的情況下，可以獲得較好的測量結(jié)果;但較大流量下測量誤差較大。

圖4 分相流模型測量誤差Fig.4 Measurement errors of homogeneous model

Murdock模型的總流量測量誤差如圖5所示。結(jié)果顯示，總流量在2～8 kg/s的工況下，可以獲得較好的測量結(jié)果，其引用誤差大部分可控制在12%以內(nèi)，僅有少數(shù)點落在12%以外;當(dāng)流量小于4 kg/s時，其引用誤差可控制在6%以內(nèi)。誤差的分布規(guī)律顯示，若經(jīng)進(jìn)一步的深入分析，可獲得適合于雙錐流量計的修正模型。

圖5 Murdock模型測量誤差Fig.5 Measurement errors of Murdock model

Lin模型的總流量測量誤差如圖6所示。該模型的測量誤差總體呈現(xiàn)負(fù)誤差，在小流量時誤差較小，隨著流量的增大，誤差增大，并與流量呈現(xiàn)一定的線性增長關(guān)系。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是由于修正系數(shù)θ是依據(jù)孔板的試驗數(shù)據(jù)獲得的，而孔板的測量特性與雙錐流量計又存在較大的差異。

圖6 Lin模型測量誤差Fig.6 Measurement errors of Lin model

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型雙錐流量計，并應(yīng)用于氣水兩相流流量測量研究。在中國計量學(xué)院油氣水三相流試驗設(shè)備上進(jìn)行了流量測量試驗，獲得了等效內(nèi)徑比β=0.8的雙錐流量計的流量系數(shù)為0.9677。

結(jié)合分相流模型、Murdock模型和Lin模型，對雙錐流量計氣水兩相流總流量測量進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，分相流模型測量誤差較大;Murdock模型在總流量小于4 kg/s的工況下，可以獲得較好的測量結(jié)果;Lin模型可能由于修正系數(shù)θ是依據(jù)孔板的試驗數(shù)據(jù)獲得的，而孔板的測量特性與雙錐流量計有較大的差異，誤差呈現(xiàn)線性增大的趨勢，仍需進(jìn)一步研究，以獲取雙錐流量計下的修正系數(shù)。

初步的研究表明，雙錐流量計結(jié)合相應(yīng)的測量模型后，可用于氣液兩相流流量測量［15－17］。應(yīng)用Murdock模型，雙錐流量計測量誤差最小，較適合于雙錐流量計氣液兩相流流量測量;應(yīng)用Lin模型，則雙錐流量計需要對其一些參數(shù)進(jìn)行修正或標(biāo)定。

［1］鐘偉，明曉.紡錘體流量計的流場數(shù)值模擬［J］.計量學(xué)報，2007，28(3):202 －205.

［2］孫延祚.“V”型內(nèi)錐式流量計［J］.天然氣工業(yè)，2004，24(3):105－110.

［3］ISO.ISO 5167-2:2003 Measurement of fluid flow by means of pressure differential devices inserted in circular cross-section conduits running full-part2:orifice plates［S］.2nd Edition.2003.

［4］劉躍.內(nèi)錐流量計的探討［J］.自動化儀表，2004，25(3):38 －42.

［5］Singh S N，Seshadri V，Singh R K，et al.Effect of upstream flow disturbances on the performance characteristics of a V-cone flowmeter［J］.Flow Measurement and Instrumentation，2006，17(5):291 －297.

［6］Feng Dong，Hu Jun.Study of the gas-liquid two-phase flow measuring method based on the V-cone flowmeter［C］//The 5th International Symposium on Measurement Techniques for Multiphase Flows，Macao，China，2006:214 －220.

［7］Lockhart R W，Martinelli R C.Proposed correlation of data for isothermal two-phase，two-component flow in pipe［J］.Chemical Engineering Progress，1949，45(1):39 －48.

［8］Murdock J W.Two-phase flow through measurement with orifices［J］.Journal of Basic Engineering，1962，84(4):419 －433.

［9］Chisholm D.Two-phase flow through sharp-edged orifices［J］.Journal of Mechanical Engineering Science，1977，19(3):128 －130.

［10］Lin Z H.Two-phase flow measurement with sharp-edged orifices［J］.International Journal of Multiphase Flow，1982，8(6):683 －693.

［11］Huang Zhiyao，Xie Dailiang，Zhang Hongjian，et al.Gas-oil two-phase flow measurement using an electrical capacitance tomography system and a Venturi meter［J］.Flow Measurement and Instrument，2005，16(2－3):177－182.

［12］Meng Zhenzhen，Huang Zhiyao，Wang Baoliang，et al.Flowrate measurement of air-water two-phase flow using an electrical resistance tomography sensorand a Venturimeter［C］//International Instrumentation and Measurement Technology Conference，Singapore，2009:118 －121.

［13］Meng Zhenzhen，Huang Zhiyao，Wang Baoliang，et al.Air-water twophase flow measurement using a Venturi meter and an electrical resistance tomography sensor［J］.Flow Measurementand Instrumentation，2010，21(3):268 －276.

［14］林宗虎.氣液固多相流測量［M］.北京:中國計量出版社，1988:82－86.

［15］彭年仔.節(jié)流裝置流量測量的分析［J］.石油化工自動化，2011，47(3):49－51.

［16］毛新業(yè).氣液兩相流量測量淺議［J］.軟件，2009(7):50－53.