氣液兩相流流量測量方法的研究進展

柳富明 王鐵力 田達理

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司)

氣液兩相流流量測量方法的研究進展

柳富明 王鐵力 田達理

(中煤科工集團武漢設計研究院有限公司)

總結氣液兩相流流量測量方法的研究進展。介紹節流法、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行全面、詳細的實驗研究和理論計算將是后續研究工作的重點。

流量測量方法 氣液兩相流

兩相流的復雜性和不確定性給流量測量工作帶來諸多困難。在兩相流介質管路中可能發生相態的變化和兩相流參數的變化，所以應用傳統的單相流技術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的措施。經過人們的大量研究和對現場工作的總結，國內外學者根據測量要求的不同提出了不同的兩相流測量方法，其中主要有節流法、直接法、速度法和分離法。

1 節流法

節流法的測量原理是：當流體通過節流裝置時，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，這樣就會在節流裝置兩端出現壓差，然后聯立伯努利方程和連續性方程即可求得流量值。

1.1 單參數測量法

單參數測量法經過國內外多年的研究，取得了諸多成果。1962年，Murdock提出了一種基于孔板節流裝置的氣液兩相流流量測量方法[1]。在國內早期的兩相流流量測量方面，Lin Z H提出了諸多流量計算公式：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用于油田中管道配氣的流量計量裝置[3]。隨著人們對流量計不斷的研究和改進，提出了V錐流量計，利用這種節流裝置可以實現濕氣的流量計量，且計量效果較為理想。

1.2 雙參數測量法

在雙參數測量法中，根據使用裝置的不同可分為3種類型：

a. 單節流元件測量。Thorn R等利用一個孔板節流裝置和一個差壓裝置，根據流體流過節流元件時的壓差脈動信號特征值，實現了對兩相流流量的在線測量[4]。仲朔平等提出了一個利用孔板測量氣-水兩相流流量的計算公式，并成功研制出了微機儀表來進行在線測量，實現了兩相流的雙參數測量[5]。

b. 雙節流元件測量。兩相流流量計的測量結果不僅與流量有關，而且與兩相流相含率有關，所以在兩相流流量的測量中需要兩個不同的節流裝置組合來完成。林宗虎將一個孔板流量計和一個文丘里管串聯在同一個兩相流管道中，利用兩個節流元件兩端的壓差實現氣液兩相流質量流量的測量[6]。

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

2 直接法

直接法就是利用流量計直接測量兩相流的質量流量。

2.1 渦輪流量計

渦輪流量計在單相流的測量中廣泛應用，而且技術比較成熟。隨著該流量計技術的發展，它也可以用于氣液兩相流流量的測量。Rouhani S Z根據兩相混合物的流量Q與渦輪流量計轉速n成正比關系的原理，提出利用渦輪流量計測量氣液兩相流的質量流量[7]。

2.2 科里奧利力質量流量計

2.3 渦街流量計

渦街流量計量程范圍寬、精度高、穩定性好，適合單相氣體或液體的質量流量測量，其主要原理是卡門渦街理論，由渦街頻率與流量的關系實現流量的測量。由于兩相流產生的漩渦比較復雜，且穩定性、連續性較差，所以在測量兩相流流量時有一定的困難。然而李永光等通過大量的試驗研究，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計算得到兩相流流量[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計算得到流量。

3.1 皮托管

皮托管根據動壓理論來測量流體流速，它只能測出某一點的瞬時流速，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的計算式為：

式中A0——管道橫截面面積，m2；

c——速度修正系數；

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射線密度計來測量兩相流的質量流量[10]，試驗結果表明，當兩相流流量大于800kg/s時，測量準確性較高，誤差為±10%；當質量流量較小時，誤差較大，達到了±20%。

圖1 文獻[10]中管道截面皮托管的分布

3.2 光纖流量計

光纖流量計的測量原理是：光在光纖中傳輸時，根據光的特性與流量的關系將光信號轉換成電信號，從而實現流體流量的測量。該流量計靈敏度高、信息傳遞時抗干擾性強、耐高溫高壓、在危險環境下安全性較高，因此便于遠距離對流體進行測量。目前，利用光纖傳感技術測量氣液兩相流的質量流量取得了初步成功。

3.3 電磁流量計

電磁流量計的測量原理是基于法拉第電磁感應定律，即導電液體在磁場中做切割磁力線運動時，導體中將產生感應電勢E，即：

E=KBvd

式中B——電磁感應強度，T；

d——測量管道截面的內徑，mm；

K——電磁流量計儀表常數；

v——測量管道截面內流體的平均速度，m/s。

利用該流量計進行單相流流量測量時，導電液體以速度v流過垂直于流動方向的磁場，導電液體的流動感應出一個與平均流速成正比的電壓，其感應電壓信號通過兩個或兩個以上與液體直接接觸的電極檢出，并通過電纜送至轉換器進行智能化處理，然后在LCD上顯示或轉換成標準信號(4～20mA、0～1kHz)輸出。

利用測量得到的單相流流量，再經過計算可得到氣液兩相流的質量流量。結果表明，當液相流速為0.5～0.6m/s、空襲率在0.00～0.65范圍內時能夠得到用于氣液兩相流流量測量的修正模型。

3.4 相關法

相關法是一種非接觸式測量法，通過動態測量兩相流的流速或濃度，通過計算即可得到流量值。其測量原理是[11]：在一段距離為L的管道上設置兩個測量橫截面A和B，由于管道較短，在兩個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，因此根據流體同一參數在A、B截面上的時間曲線計算流體通過這兩個截面所需要的時間，就可以得到兩個截面間的流體速度，進而求出兩相流流量。

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測量兩相流中氣相和液相的流速，進而計算得到兩相流流量[12]。其原理是：兩束散射激光相交區域形成亮暗相間的干涉場，當流體通過干涉場時，將產生亮、暗交替的散射光條紋，單位時間內流體質點穿過亮條紋的數目即為多普勒頻率，該頻率的大小與質點的運動速度(即流體速度)成正比關系，進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，通過跟蹤該物質來確定兩相流混合物的流速。

基于粒子圖像測速(PIV)技術的示蹤法的基本原理是：利用CCD等高科技攝相設備，通過自然光照射形成的光照面來得到示蹤粒子的運動軌跡，并記錄連續圖像的時間間隔，通過兩個連續圖像位移的相關分析就可以得到兩相流的速度場。PIV技術作為一種全新的、瞬時的、穩定的兩相流流速測量技術，在氣液兩相流領域中具有巨大的應用前景。

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行分離，然后用比較成熟的單相流測量方法對各組分進行計量，再通過理論計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現，由于節流法在單相流方面已經非常的完善和精確，并且發展時間久，對于測量模型和方法都比較容易掌握和實現現場操作，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，對兩相流的發展具有很大的推動作用，這就需要后續對兩相流的物性進行全面和詳細的實驗研究和理論計算。

[1] 李海青.多相流測試技術現狀及趨勢[C].第一屆全國多相流檢測技術學術會議論文集.北京:中國計量測試學會多相流測試專業委員會,1996:33～38.

[2] Lin Z H.Two-phase Flow Measurements with Sharp-edged Orifices[J].International Journal of Multiphase Flow,1982, 8(6):683～693.

[3] 王文然,佟允憲,仲朔平,等.利用標準銳邊孔板測量汽水兩相流的實驗研究[J].清華大學學報(自然科學版),1988,28(z2): 74～82.

[4] Thorn R,Johansen G A,Hammer E A.Recent Developments in Three-phase Flow Measurement[J].Measurement Science & Technology,1999,8(7):691.

[5] 仲朔平,佟允憲,王文然.利用孔板差壓噪聲測量汽水兩相流[J].清華大學學報(自然科學版),1997,37(5):15～18.

[6] 林宗虎.工程測量技術手冊[M].北京:化學工業出版社,1997:219～230.

[7] Rouhani S Z.Application of the Turbine Type Flow Meters in the Measurements of Steam Quality and Void[R].Oslo: Symposium on In-core Instrumentation,1964.

[8] 楊俊,關可,武奇生,等.一種新型結構的直管式科氏質量流量計研究[J].傳感技術學報,2006,19(4):1113～1116.

[9] 李永光,蔡祖恢,李美玲,等.利用渦街特性測量氣液兩相流流量與組分方法的研究[J].儀器儀表學報,1998,19(2):185～188.

[10] Hau F L,Banerjee S.Measurement of Mass Flux in Two-phase Flow Using Combinations of Pitot Tubes and Gamma Densitometers[J].Aiche Journal,1981,27(2):177～184.

[11] 吳新杰,石玉珠,陳躍寧,等.獨立成分分析在兩相流速度測量中的應用[J].儀器儀表學報,2006,27(2):115～117.

[12] 周明,李文采.激光多普勒測速技術在氣液兩相流中的應用[J].力學學報,1991,23(1):46～52.

[13] 王棟,林益,林宗虎.轉鼓分流分相式氣液兩相流體流量測量技術研究[J].西安交通大學學報,2002,36(5):457～460.

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

中國煤炭科工集團科技創新基金項目(2013ZD003)。

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

2016-10-19，

2016-12-17)