基于近紅外差壓技術的氣液兩相流雙參數測量

方立德 呂曉暉 田 季 李婷婷 趙 寧 李小亭

（1.河北大學質量技術監督學院，河北 保定 071000；2.河北省計量儀器與系統工程實驗室，河北 保定 071000）

0 引 言

氣液兩相是工業中最為常見的一種混合狀態，而且普遍存在于自然界中的石油、化工、電力、環境等領域，其中以石油工業為主，從原油的開采、輸送到加工等生產過程都與油氣水三相流及兩相流相關[1-2]。由于兩相流動中流動狀態的復雜性與無規律性，使得兩相流動的測量準確度不足以滿足工業生產的需要，為后續工業發展形成一定的阻礙作用。同時如何實現氣液兩相混合狀態下不分離測量成為國內外相關領域的研究難點之一[3-4]。盧慶華[5]通過運用近紅外光譜技術，確定了適用于氣液兩相流測量的紅外波段，通過動態試驗完成了流型識別及各流型下液相含率計算模型的建立；常亞等[6]利用六電極C4D傳感器測量氣液兩相流相含率；Wang C等[7]提出了一種基于近紅外光譜技術的濕氣環流空隙率測量方法，在管道壓力為0.4MPa和0.5MPa的48個水平濕氣環流條件下，獲得了空隙率測量模型；He D H等[8]利用V型錐形節流裝置設計了一種在線測量裝置來測量濕氣中的氣、液流量；李明明[9]依據將測量管道進行分支，減少光路復雜傳播的指導思想，設計了一種軸向安裝的近紅外氣液兩相流測量裝置；而在實際應用中，單一的參數已經無法滿足測量要求，如何將流量與相含率兩個參數的測量融合在同一個測量系統中，實現流量與相含率的雙參數在線實時測量，對于推動工業迅猛發展具有重大意義。

1 近紅外差壓技術氣液兩相流雙參數測量裝置

近紅外差壓技術氣液兩相流雙參數測量裝置是在現有裝置的基礎上增加流量測量裝置，利用近紅外吸收光譜技術得到相含率信息，結合差壓技術得到流量信息，同時實現相含率與流量的實時在線測量。該裝置結構見圖1。本裝置結構包括測量前端1、擴張段2、平穩段3、細管段5、平穩段7、收縮段8以及測量末端9。在平穩段3設置第1取壓孔4，在平穩段7設置第2取壓孔6。

圖1 氣液兩相流測量裝置示意圖及工作流程圖

本文單相流動實驗及氣液兩相流動實驗均在河北大學質量技術監督學院流量實驗室進行。該實驗室多相流測試系統可實現油、氣、水3種介質或其中兩種介質的混合流動測量，及其中一種介質的單相計量。該測量系統中均采用標準表法進行測量，水路標準表為Endress+Hauser電磁流量計，測量范圍為0～14.4m3/h，測量準確度為0.5%（k=2）。 氣路標準表為Endress+Hauser科氏力質量流量計，測量范圍為0～400kg/h，測量準確度為0.1%（k=2）。 在測量流量的同時，該系統可以對測量過程中混合前單相介質的溫度、壓力及混合后測量段的溫度、壓力進行實時采集與記錄，為后續試驗數據的分析、處理提供基礎數據保障[10]。

2 單相流動測量實驗與分析

由于氣液兩相流的流動影響因素繁多，流型復雜，直接進行測量分析難度較大，而單相流動情況較為簡單，為了便于驗證該裝置差壓測量的準確性和可靠性，利用近紅外差壓技術氣液兩相流雙參數測量裝置對單相流動進行分析。

2.1 液相動態實驗與分析

液相動態實驗中，流量測量參照GB/T 2624.4——2006《用安裝在圓形截面管道中的差壓裝置測量滿管流體流量》進行。設置工況點為2～10m3/h內9個流量點。在實驗過程中對液相壓力、液相溫度、實驗管段溫度、實驗管段壓力以及差壓值進行實時采集與儲存。

根據連續方程與伯努利方程可知差壓流量計的計算公式為

式中：Ql——液相體積流量，m3/s；

C——流出系數；

式中：d——小管段處直徑，m；

D——測量管道入口直徑，m。

單相水實驗數據中理論流量與實際流量的關系，如圖2所示。可以看出該裝置流出系數C并非一固定值，需要對流出系數C進行擬合。分別對流出系數與溫度、壓力、差壓之間的變化趨勢進行觀察，發現流出系數與差壓呈指數變化。因此對流出系數與差壓值進行指數形式擬合，得到其數學模型，相關系數達到0.99。擬合效果圖如圖3所示，計算模型為

R——測量管道半徑，m；

ΔP——第1取壓孔與第2取壓孔之間的壓力差值，Pa；

ρ——實際狀況下，節流件上游密度，kg/m3；

β——直徑比。

β由下式求得：

圖2 理論流量與實際流量關系

圖3 流出系數與差壓值擬合圖

通過該模型得到計算流出系數，將計算流出系數與體積流量的計算模型相結合，得到計算體積流量，其與實際體積流量的相對誤差分布如圖4所示，可知液相流量相對誤差均分布在±1.25%以內。

圖4 液相流量相對誤差分布

2.2 氣相動態實驗與分析

采取相同方法進行氣相動態實驗，設置工況點為測量范圍內9個流量點。氣體與液體的檢測操作過程相同，氣體流量計算公式為

式中：Qg——氣相體積流量，m3/s；

ε——氣體膨脹系數。

在氣體計算過程中發現，流出系數與差壓值依然呈指數變化形式。參照單相水流出系數的擬合過程，對單相氣的流出系數進行擬合，擬合公式為

擬合相關系數為0.99，擬合曲線如圖5所示。

利用計算模型求出實驗過程中的計算流出系數，根據流出系數計算模型帶入到氣體體積流量計算模型中，得到氣體的計算體積流量，求出計算體積流量與實際體積流量的相對誤差，誤差分布如圖6所示。可知氣體的計算體積流量與實際流量相對誤差分布在±1.5%以內，符合測量要求。

圖5 流出系數與差壓值擬合圖

圖6 氣相流量相對誤差分布

3 氣液兩相流動實驗與分析

3.1 氣液兩相流相含率實驗與分析

在單相流動測量實驗的基礎上，利用該裝置進行氣液兩相流動實驗。設置液相含率高于85%的35個工況點進行測試。

提取上述實驗過程中實驗數據，依據流動過程中采集到的流量值及分相溫度、壓力還有混合后的溫度、壓力等值，得到實際液相含率。實際液相含率計算公式[11]為

式中：βl——液相含率；

Ql——水相體積流量，m3/s；

Qg——氣相體積流量，m3/s；

Pg——氣路壓力，kPa；

Tg——氣路溫度，℃；

Pm——氣液混合流體壓力，kPa；

Tm——氣液混合流體溫度，℃。

朗伯比爾（Lambert-Beer）定律是光吸收的基本定律，其公式為

式中：A——吸光度；

I——入射光強度，cd；

Ii——透過溶液后的透光強度，cd；

ε——ε1、εg為液體、氣體摩爾吸光系數；

d——光程，cm；

c——物質的摩爾濃度，mol/L。

當被測溶液中含有不同種吸光介質時，各組分之間無相互作用，對各自的吸光度不產生影響，則可以進行疊加。在氣液兩相流相含率測量過程中：

在測量過程中由于測量氣相與液相的光程相同，則：

又因被測介質中僅有兩種吸光物質，則：

因此式（10）可以轉換為

由于εg、εl、d均為常數，可以簡化為

由理論液相含率計算公式可知，欲測得氣液兩相流的相含率，首先需要一個測量基準，即發射出的近紅外光線僅通過相同光程，而不被介質吸收的光強所對應的電壓值。此值應在真空環境中測得，在實驗中無法測量，由此推想以近紅外光線僅透過一種介質時所得的電壓值為基準。通過實驗室前期實驗發現，選擇靜態純水所得電壓基準優于靜態純氣所得電壓基準，因此本文選擇紅外光線僅透過靜態純水時所得的電壓值為基準電壓值。8組通道最終確定的透過光強值如表1所示。

表1 靜態全水各路信號電壓

將8路通道不同工況下測得電壓值與上述電壓值按照朗伯比爾定律求對數值。由前期經驗可知，求取以e為底的自然對數值即可。觀察各通道中得到的對數值與液相含率的關系，如圖7所示。

隨著液相含率的增加，對數值呈遞減的趨勢，每路通道中所得的自然對數值均與液相含率呈線性關系，將測量時的實驗數據帶入到SPSS中，進行參數迭代分析，最終得到液相含率85%以上的擬合公式為

圖7 各路電壓與液相含率之間關系

圖8 計算液相含率與實際液相含率關系

分別將測得電壓值一一對應到該數學模型中得到計算液相含率，對計算液相含率與實際液相含率的關系進行對比，并求得兩者之間的相對誤差。計算液相含率與實際液相含率關系如圖8所示，相對誤差在±3%以內。

3.2 氣液兩相流流量實驗與分析

將氣液兩相流動實驗中的差壓數據及混合前氣、液單相的流量數據進行統計分析，以液相流量值為x軸，氣相流量值為y軸，所測得的差壓值為z軸，三者分布如圖9所示。可以看出：當氣相流量不變時，隨著液相流量的增加，差壓值增加；當液相流量不變時，隨著氣相流量的增加，差壓值呈減小趨勢。

基于差壓流量計的氣液兩相流流量檢測原理，可知氣液兩相流理論流量計算公式[12]為

式中：Qm——氣液兩相流混合體積流量，m3/s；

圖9 液、氣流量及差壓值關系

ε——氣體膨脹系數；

β——直徑比；

R——管道半徑，m；

ΔP——兩相流動測得的差壓，Pa；

ρm——氣液混合流體的密度，kg/m3。

氣液兩相流動實驗中采集到的差壓值ΔP是由液體形成的差壓值ΔPl與氣體形成的差壓值ΔPg組成的。ΔPl、ΔPg可以根據理論流量計算式（14）推導得出。將ΔPl、ΔPg與ΔP進行對比，其關系如圖10所示。

可以看出，ΔPl、ΔPg與ΔP均呈線性關系變化。將三者分別帶入到SPSS統計分析軟件中，進行參數迭代分析，最終得到擬合模型。擬合模型如下式所示，模型相對誤差分布如圖11所示。

由于流體中僅有兩種介質，因此流量及相含率之間存在以下關系：

圖10 液相差壓及氣相差壓與總差壓關系

圖11 差壓模型相對誤差

圖12 計算流量與實際流量相對誤差

由于液相不可壓縮，可以將管道中液相密度視為固定值。

聯立以上各式，并進行相應變形，推導出流量與差壓的關系為

將實驗數據帶入計算公式中，得到計算流量。在液相含率大于85%的情況下，計算流量與實際流量相對誤差如圖12所示，相對誤差在±6%以內。

4 結束語

首先利用近紅外差壓技術氣液兩相流雙參數測量裝置進行氣、液單相流動實驗，通過對實驗數據的擬合得到準確的氣、液單相流量測量模型。單相水流量測量模型的相對誤差在±1.25%以內。單相氣流量測量模型的相對誤差±1.5%以內。通過該實驗論證了近紅外差壓技術氣液兩相流雙參數測量裝置測量流量的可靠性。

在單相流量測量的基礎上利用該裝置進行氣液兩相流動測試，選取液相含率高于85%的35個工況點進行測試并分別得到液相含率測量模型及氣液兩相流量測量模型。液相含率計算值與實際值的相對誤差在±3%以內，氣液兩相流量模型誤差在±6%以內。

本文通過結合近紅外技術和差壓技術，利用近紅外差壓氣液兩相流雙參數測量裝置同時實現相含率及流量的雙參數在線測量，為后續氣液兩相流不分離測量奠定基礎。

[1]CROWE C T.Multiphase flow handbook[M].Boca Raton：Taylor&Francis Group，2006：75-77.

[2]車得福，李會雄.多相流及其應用[M].西安：西安交通大學出版社，2007：18-28.

[3]馮定，徐冠軍，袁詠心，等.多相流量計的現狀及發展趨勢[J].機械與電子，2012，31（2）：77-79.

[4]KRUMMEL A T，DATTA S S，MUNSTER S，et al.Visualizing multiphase flow and trapped fluid configurations in a model three-dimensional porous medium[J].AIChE Journal，2013，59（3）：1022-1029.

[5]盧慶華.基于紅外光譜吸收特性的氣液兩相流相含率檢測裝置的研究[D].保定：河北大學，2013.

[6]常亞，黃志堯，王保良，等.基于C4D技術的氣液兩相流相含率測量新方法[J].工程熱物理學報，2014，35（1）：82-85.

[7]WANG C，ZHAO N，FANG L D.Void fraction measurement using NIR technology for horizontal wet-gas annularflow[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2016（76）：98-108.

[8]HE D H，BAI B F，ZHANG J，et al.Online measurement of gas and liquid flow rate in wet gas through one V-Cone throttle device[J].Experimental Thermal and Fluid Science，2016（75）：129-136.

[9]李明明.新型氣液兩相流相含率檢測裝置的研究[D].保定：河北大學，2016.

[10]方立德，梁玉嬌，李小亭，等.基于近紅外技術的氣液兩相流檢測裝置[J].電子測量與儀器學報，2014，28（5）：528-532.

[11]方立德，李婷婷，李丹，等.新型氣液兩相流相含率檢測裝置特性研究[J].中國測試，2017，43（3）：121-125.

[12]李小亭，王小杰，方立德，等.新型內外管差壓流量計特性研究[J].儀器儀表學報，2012，33（10）：2371-2379.