專利名稱：基于截面測量的氣液兩相流測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種氣液兩相流測量方法及裝置，屬于流體計量測試技術領域，具體涉及基于電學敏感原理的過程層析成像技術、差壓流量測量技術及過程參數(shù)檢測技術。
背景技術：
管路內氣液兩相流的流動工況在石油、化工、能源動力、冶金等工業(yè)是經常遇到的。將成熟的單相流量檢測技術與測量儀表應用于兩相流參數(shù)測量受到廣泛的研究，其中，節(jié)流裝置以其自身的特點，廣泛運用于兩相流量的測量。如，采用文丘里管對汽/水兩相流的測量，采用孔板進行過空氣/水兩相流量的研究。隨著對節(jié)流裝置類型研究的不斷深入，二十世紀80年代中期出現(xiàn)了一種新型V形內錐式流量計，它將流體節(jié)流收縮到管道中心軸線附近的概念從根本上改變?yōu)槔猛S安裝在管道中的V形圓錐將流體逐漸地節(jié)流收縮到管道的內邊壁，通過測量V形錐體前后的差壓來測量流量。這種V形內錐式流量計為差壓式流量計揭開了嶄新的一頁。經過10多年來的研究測試和應用，目前人們已普遍地理解它并且接受它作為一種更有效的流量儀表。實踐證明利用V形內錐流量計能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現(xiàn)更準確更有效的流量測量。將內錐流量計運用到多相流測量必將是未來的一個很好的方向。為了使V形內錐這一新型的節(jié)流裝置能夠運用于我國的工業(yè)技術中。
基于電學敏感原理的過程層析成象技術將傳統(tǒng)的對過程參數(shù)的單點、局部的測量，發(fā)展為多點、截面分布式的測量；它在不破壞、干擾流體流動的情況下，獲得管道或設備內部兩相/多相流體的二維/三維分布信息；為在工業(yè)條件下對基于熱動力學、反應動力學和流體動力學原理建立的過程、設備模型的證實提供一種方便的手段；還可以為優(yōu)化過程設備及裝置的設計，改進過程工藝，實現(xiàn)兩相/多相流體輸送，反應復雜生產過程的調整與控制提供全面、準確的信息和輔助的研究手段。特別是由于其結構簡單、響應速度快和成本低等特點，取得了較快的發(fā)展，目前，已進入到工業(yè)應用研究階段。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提供一種與現(xiàn)有的氣液兩相流測量方法，更為精確的一種氣液兩相流測量方法，并提供一種采用此種測量方法的測量裝置。
本發(fā)明提出的氣液兩相流的測量方法，包括下列步驟1)利用設置在管道內的電學層析成像傳感器陣列及數(shù)據(jù)采集裝置采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析、圖像重現(xiàn)和顯示，并提取特征參數(shù)，獲取氣液兩相流在管道內的流型及截面含氣率α；2)利用設置在管道內的壓力傳感器獲取兩相流在管道內的壓力P；3)利用V形內錐式節(jié)流元件，并經差壓變送器獲取兩相流體在截流裝置上下游取壓孔處的差壓ΔPM；4)利用溫度傳感器測量管道中兩相流體的溫度T；5)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，利用管道內的壓力P、溫度T計算工作條件下的氣體密ρG；6)通過實驗標定V形內錐式節(jié)流元件的流出系數(shù)C和獲得修正系數(shù)θ；7)根據(jù)公式x=θθ+(1-αα)ρLρG]]>計算干度，式中，ρL為液體密度，在工作條件下近似為一恒定值；。
8)根據(jù)不同流型下兩相流混合質量流量公式QM=CA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG]]]>計算兩相混合質量流量，式中，A為管道有效流通截面積；9)根據(jù)兩相混合質量流量和干度x，分別計算氣相質量流量和液相質量流量。
本發(fā)明同時提供一種采用上述測量方法的氣液兩相流的測量裝置在計量管道上依次設有電學層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內錐式節(jié)流元件，與節(jié)流元件配套設置差壓變送器，在計量管道內還設置有溫度傳感器，所述的各個傳感器、差壓變送器分別與數(shù)據(jù)采集裝置相連，數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)被傳送至計算機。
本發(fā)明結合了基于電學敏感原理的過程層析成像技術和V形內錐流量計實現(xiàn)對氣/液兩相流流量的測量，基于電學敏感原理的過程層析成象技術將傳統(tǒng)的對過程參數(shù)的單點、局部的測量，發(fā)展為多點、截面分布式的測量，在不破壞、干擾流體流動的情況下，獲得管道或設備內部兩相的二維/三維分布信息；而基于V形內錐的計量技術，能在更短的直管段條件下和很少破壞流體流動的情況下，以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現(xiàn)更準確更有效的流量測量；本發(fā)明具有不需要兩相分離、不需要兩相均勻混合、具有溫度、壓力補償功能、測量精度高、可靠、可獲取測量信息多、成本低、使用范圍廣等特點。本發(fā)明可適用于石油、化工、能源動力、冶金等行業(yè)中氣液兩相流系統(tǒng)的測量。


附圖1為本發(fā)明的氣液兩相流測量裝置結構圖。
其中1-計量管道；2-電學層析成像傳感器陣列；3-壓力傳感器；4-V形內錐式節(jié)流元件；5-溫度傳感器；6-數(shù)據(jù)采集卡一；7-差壓變送器；8-數(shù)據(jù)采集卡二；9計算機。
附圖2為工作溫度為30℃，工作壓力為0.15386-0.18067MPa范圍內的修正系數(shù)θ與工作壓力的關系曲線。
具體實施例方式
以下通過附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。
氣液兩相流的測量裝置有計量管道1，在計量管道1上依次設有電學層析成像傳感器陣列2；壓力傳感器3；V形內錐式節(jié)流元件4；溫度傳感器5；數(shù)據(jù)采集卡一6；差壓變送器7；數(shù)據(jù)采集卡二8及計算機9。
被測氣液兩相流進入計量管道1，電學層析成像傳感器陣列2獲取代表兩相流截面分布信息的邊界測量電壓信號并經數(shù)據(jù)采集卡一6送到計算機9。壓力傳感器3用來檢測兩相流工作壓力并將壓力信號轉變?yōu)闃藴孰娦盘柦洸杉ǘ?送到計算機9。差壓傳感器7與V形內錐式節(jié)流元件4配套安裝，差壓信號轉變成標準電信號經數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二8送入計算機9。溫度傳感器5用來檢測兩相流體溫度并將溫度信號轉變?yōu)闃藴孰娦盘柦洸杉ǘ?送到計算機9。在計算機9中設有存儲模塊，存儲V形內錐在不同錐體角度、不同節(jié)流面積、不同等效直徑比、不同管道直徑下的流出系數(shù)；根據(jù)實驗標定所獲得的在不同流型下的V形內錐的修正系數(shù)，以及氣液兩相流模型及其計算式等數(shù)據(jù)。計算機9實時處理經數(shù)據(jù)采集卡一6傳來的信號，獲得兩相流的截面含氣率及流型；實時處理經采集卡二8傳來的信號，獲得不同溫度、壓力工作狀態(tài)下的氣相密度；選擇不同流動工作狀態(tài)下V形內錐的修正系數(shù)和兩相流模型及其計算式，分別求出氣液兩相各自的流量。
需要特別指出本發(fā)明采用V形內錐流量計，是由于其具有能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔凈或臟污流體實現(xiàn)更準確、更有效測量的特性，這一特性非常適合兩相流的測量。
兩相流經過電學層析成像傳感器陣列時，經數(shù)據(jù)采集卡一6采集到的邊界電壓信號數(shù)據(jù)送入裝有數(shù)據(jù)分析、處理和圖像重建算法的軟件包，再通過一定的算法，提取出兩相流的參數(shù)，如截面含氣率和流型等，并可以在屏幕上顯示測量截面的成像結果。有關電學層析成像傳感器陣列及系統(tǒng)的兩相流特征參數(shù)分析和提取的方法，以及截面圖像重建和顯示的技術，可以參見董峰等人已發(fā)表的論文《化工自動化及儀表》2001年第28卷第6期“電阻層析成像技術在兩相管流測量中的應用”；《自動化儀表》2002年第23卷第7期“電阻層析成像(ERT)技術在識別兩相流流型中的應用”；《天津大學學報》2004年第37卷第6期“應用電阻層系成像技術測量垂直管道氣/液兩相流分相含率”；《儀器儀表學報》2004年第25卷第4期“基于ERT技術的垂直管道流型識別”；《FLOW MEASUREMENT ANDINSTRUMENTATION》2003年第14卷第4-5期“Application of electrical resistancetomography to two-phase pipe flow parameters measurement”；以及《IEEETRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT》2006年第55卷第5期“Two methodsfor measurement of gas-liquid flows in vertical upward pipe using dual-plane ERTsystem”等。
本實施例采用的電學層析成像傳感器陣列，可以采用單截面的傳感器陣列，也可以采用雙截面的傳感器陣列，獲取有關兩相流流動參數(shù)，只是采用雙截面的傳感器陣列獲取的兩相流信息除了流型和截面含氣率，還可以獲得兩相流離散相的流速。兩者采用的圖像重建算法相同。有關的兩相流參數(shù)獲取和圖像重現(xiàn)算法，在公開發(fā)表的論文中已有介紹。
兩相流經過V形內錐節(jié)流元件時，受氣液兩相體積比變化的影響流型不同，其流動過程可以應用修正的分相流動模型描述。根據(jù)修正的分相流動模型所建立的節(jié)流元件孔板或丘里管測量氣/液兩相流的林宗虎關系式，其結構簡單，修正系數(shù)僅與氣液兩相密度比有關，與氣相或液相流量無關，可以根據(jù)實際測量數(shù)據(jù)進行修正和標定。由于V形內錐的測量原理與其他節(jié)流裝置(如孔板、文丘里等)相同，所以本實施例將用于孔板和文丘里流量計測量氣液兩相流流量的林宗虎關系式推廣到V形內錐流量計。
兩相流總流量計算式QM=ϵCA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG---(1)]]>式中，QM為總質量流量，ε為被測介質可膨脹系數(shù)，C為V形內錐流出系數(shù)，A為管道有效流通截面積，ΔPM為氣、液混合后流過V形內錐產生的差壓，ρL為液體密度，ρG為氣體密度，β為V形內錐等效直徑比，x為干度，θ為V形內錐修正系數(shù)。
對于流出系數(shù)C及其V形內錐修正系數(shù)θ可由實驗獲得，按照修正的分相流動模型，氣相為不可壓縮。應用中氣相在工作條件下由于工作壓力變化的量遠小于工作壓力的絕對值，可認為氣相為不可壓縮流體，則ε＝1。則公式(1)轉換為QM=CA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG]---(2)]]>流出系數(shù)C及其V形內錐修正系數(shù)θ均可由實驗標定獲得，已知干度x，即可求得氣液兩相流的混合質量流量，再根據(jù)混合質量流量與分相流量的關系即可求得氣液各相的質量流量。本實施例關鍵步驟如下(1)V形內錐流出系數(shù)C的標定流出系數(shù)C是節(jié)流裝置中最重要的一個參數(shù)，已有研究表明流出系數(shù)C主要與節(jié)流元件的類型、開孔直徑、取壓方式、流體的流動狀況(包括雷諾數(shù)、管道直徑等)和管道條件(如管壁粗糙度)等因素有關。流出系數(shù)C的一個重要特性是當流體的雷諾數(shù)大于臨界值時(一般為進入湍流狀態(tài)時)，C保持常數(shù)。
由于V形內錐式節(jié)流元件并不是標準節(jié)流裝置，因此其流出系數(shù)C需要通過實驗標定。按照修正的分相流動模型假設，氣相為不可壓縮流體，且兩相流出系數(shù)相同。所以，分別用液相和氣相進行標定，并比較標定結果差別程度。實際標定中所獲得的兩相標定結果相近，可取其平均值作為V形內錐的流出系數(shù)C。確定C值可按照GB/T 2624(或ISO 5167)對于流出系數(shù)標定的相關規(guī)定C=Qm1-β4π4d22ΔPρ---(3)]]>式中，Qm為單相流體的質量流量。ΔP為單相流體流過節(jié)流元件產生的差壓；d為等效開孔直徑；ρ為單相流體的密度。
(2)V形內錐修正系數(shù)θ的確定在V形內錐節(jié)流元件中，對應每一個工作壓力點，分別設定不同的氣相流量和液相流量，得到不同的兩相流流量配比，分別測得ΔPG(氣相單獨流過產生的差壓)、ΔPL(液相單獨流過產生的差壓)和ΔPM(兩相混合后同時流過時產生的差壓)，整理成馬蒂內里(Martinelli)參數(shù) 和 以 為橫坐標， 為縱坐標進行線性擬合，其斜率為對應該工作壓力點(或氣液密度比)下的修正系數(shù)θ。
圖2為工作溫度為30℃，工作壓力為0.15386-0.18067MPa范圍內的修正系數(shù)θ與工作壓力的關系曲線。
(3)兩相流中氣體密度ρG的確定由于計量管道比較短，可認為整個計量管道中兩相流的溫度一致。由理想氣體狀態(tài)方程可以得到溫度T時的氣體密度ρG=PT0ρG0P0T---(4)]]>式中，P0和T0為標準狀態(tài)的壓力和溫度(1標準大氣壓，273.15K)；ρG0為標準狀態(tài)下氣體的密度。
(4)兩相流干度值x的確定根據(jù)電學層析成像傳感器陣列及裝置獲取氣液兩相流的流型和截面含氣率α；由關鍵步驟(2)和公式(4)可獲得所對應的兩相流干度值x=θθ+(1-aa)ρLρG---(5)]]>(5)兩相流混合流量及分相流量的確定根據(jù)公式(2)可以得到，不同流型下氣液兩相流混合質量流量；進一步可得氣相質量流量QG＝QM·x； (6)液相質量流量QL＝QM·(1-x)。 (7)
權利要求
1.一種氣液兩相流的測量方法，其特征在于，包括下列步驟1)利用設置在管道內的電學層析成像傳感器陣列及數(shù)據(jù)采集裝置采集數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)分析、圖像重現(xiàn)和顯示，并提取特征參數(shù)，獲取氣液兩相流在管道內的流型及截面含氣率α；2)利用設置在管道內的壓力傳感器獲取兩相流在管道內的壓力P；3)利用V形內錐式節(jié)流元件，并經差壓變送器獲取兩相流體在截流裝置上下游取壓孔處的差壓ΔPM；4)利用溫度傳感器測量管道中兩相流體的溫度T；5)根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，利用管道內的壓力P、溫度T計算工作條件下的氣體密ρG；6)通過實驗標定V形內錐的流出系數(shù)C和修正系數(shù)θ；7)根據(jù)公式x=θθ+(1-αα)ρLρG]]>，計算干度x；式中，ρL為液體密度，在工作條件下近似為一恒定值。8)根據(jù)不同流型下兩相流混合質量流量公式QM=CA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG]]]>計算兩相混合質量流量，式中，A為管道有效流通截面積；9)根據(jù)兩相混合質量流量和干度x，分別計算氣相質量流量和液相質量流量。
2.一種氣液兩相流的測量裝置，其特征在于在計量管道上依次設有電學層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內錐式節(jié)流元件，與節(jié)流元件配套設置差壓變送器，在計量管道內還設置有溫度傳感器，所述的各個傳感器、差壓變送器分別與數(shù)據(jù)采集裝置相連，數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)被傳送至計算機。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣液兩相流測量裝置及其測量方法，屬于流體計量測試技術領域。本發(fā)明的測量裝置，在計量管道上依次設有電學層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內錐式節(jié)流元件計，與節(jié)流元件配套設置差壓變送器，在計量管道內還設置有溫度傳感器，所述的各個傳感器、差壓變送器分別與數(shù)據(jù)采集裝置相連，數(shù)據(jù)采集裝置采集的數(shù)據(jù)被傳送至計算機。本發(fā)明同時提供一種此裝置所采用的測量方法。本發(fā)明利用單相流測量儀表及基于電學敏感原理的過程層析成象技術解決了工程上難以解決的氣液兩相流測量問題，具有不需要兩相分離、不需要兩相均勻混合、具有溫度、壓力補償功能、測量精度高、可靠、可獲取測量信息多、成本低、使用范圍廣等特點，可用于石油、化工、能源動力、冶金等行業(yè)中氣液兩相流系統(tǒng)的測量。
文檔編號G01F1/74GK1963403SQ20061012978
公開日2007年5月16日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權日2006年11月30日
發(fā)明者董峰, 胡俊 申請人:天津大學