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1、(10)申请公布号 CN 103364039 A (43)申请公布日 2013.10.23 CN 103364039 A *CN103364039A* (21)申请号 201310288948.7 (22)申请日 2013.07.10 G01F 1/66(2006.01) (71)申请人 天津大学 地址 300072 天津市南开区卫津路 92 号 (72)发明人 徐英 张涛 袁超 陈阳 张强 (74)专利代理机构 天津市北洋有限责任专利代 理事务所 12201 代理人 程毓英 (54) 发明名称 基于反射式气体超声波流量计的湿气流量测 量方法 (57) 摘要 本发明属于两相流量测量技术领域， 。
2、涉及 一种基于反射式气体超声波流量计的湿气流量 测量修正方法， 包括下列步骤 ：（1）在需要进 行湿气流量测量的管道上固定反射式气体超 声波流量计 ；（2）利用所述的流量计测量湿气 流量， 测得虚高流量 Qtp；（3）根据经验模型求 得截面含气率 ；（3）设超声传播方向与管道 轴线之间的夹角为 ， 则修正后的气相流量值 本发明简单 易用， 具有良好的普适性， 适用于对水平圆管中环 雾状流条件下的气相流量预测。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公。
3、布号 CN 103364039 A CN 103364039 A *CN103364039A* 1/1 页 2 1. 一种基于反射式气体超声波流量计的湿气流量测量方法， 包括下列步骤 ：（1） 在需 要进行湿气流量测量的管道上固定反射式气体超声波流量计 ；（2） 利用所述的流量计测量 湿气流量， 测得虚高流量 Qtp；（3） 根据经验模型求得截面含气率 ；（3） 设超声传播方向与 管道轴线之间的夹角为 ， 则修正后的气相流量值 2. 基于权利要求 1 所述的湿气流量测量修正方法， 其特征在于， 其中的截面含气率 x 为质量含气率 ； l， g分别为液相密度和气相密度 ； l， g分别为液体粘度。
4、和气体粘度。 权 利 要 求 书 CN 103364039 A 2 1/5 页 3 基于反射式气体超声波流量计的湿气流量测量方法 技术领域 0001 本发明属于两相流量测量技术领域， 涉及一种反射式气体超声波流量计测量湿气 时的修正方法。 背景技术 0002 湿气通常是指气相为连续相， 液相为离散相的气液两相流。美国机械工程师学会 ASME 将其界定为 Lockhart-Martinelli 参数 （简称 L-M 参数） X 小于 0.3 的气液两相流。湿 气普遍存在于自然界与工业现场中， 如常规天然气田井口产出气 （湿天然气） 、 煤层气、 湿饱 和蒸汽以及页岩气等均属湿气。 随着工业生产的。
5、发展， 对湿气不分离计量的要求越来越高。 然而已有研究表明， 湿气流量测量问题非常复杂， 检测难度很大， 利用传统的单相气体流量 计直接测量湿气流量， 会因液相的影响而产生一定的误差， 甚至无法正常工作。 因此湿气测 量在相当长的一段时间内都将是流量测量领域的一个重要研究方向和研究热点。 0003 气体超声波流量计的研制起步于二十世纪七十年代中期， 近年来在天然气计量领 域发展迅速， 我国的 “西气东输” 天然气工程干线上应用了大量的气体超声波流量计。与传 统的单相流量计相比， 气体超声流量计的优势体现在 ： 量程比大、 基本无压损、 重复性高、 无 可动部件、 可测双向流和精度较高等方面。 。
6、上世纪九十年代中后期， 国外研究人员和研究机 构展开了气体超声波流量计用于湿气流量测量的研究。2000 年， Zanker 和 Brown 针对水 平安装的多声道气体超声波流量计湿气测量进行研究。研究结果表明， 气体超声波流量计 用于湿气测量时， 测量结果高于等量气相单独流过时的测量值， 即存在虚高现象， 且虚高的 大小， 即测量误差， 与湿气中含液率之间的关系表现出一定的规律性。与其他流量计 （差压 式、 涡街） 相比， 超声波流量计的主要优势是测量误差较小， 在体积含气率为1%情况下， 误差 值小于 5%， 而文丘里在相同条件下误差达到 10%。2007 年开始， 美国 CiDRA、 We。
7、atherford、 Instromet 等公司等开始尝试将气体超声波流量计与节流式流量计进行组合实现湿气的气 液两相流量测量。 0004 文献研究表明， 超声波流量计用于湿气测量， 通常存在以下特点 ： 首先， 湿气测量 特性受流型的影响较大， 在分层流和环雾状流时具有较好的测量特性， 目前用于湿气测量 的超声波流量计大都是工作在分层流和环雾状流下， 显著特征是虚高 （即测量误差） 值小， 虚高与液相含率的关系规律性较好， 在一定液相含率范围内， 测量结果的重复性较好， 因此 通常采用实验数据拟合的方法建立虚高与液相的关系模型， 进而实现对气相测量结果的修 正。尽管如此， 与差压类流量计不同。
8、， 由于不同公司的超声波流量计有不同的结构设计， 如 探头数目、 声道布置形式、 插入方式等各不相同， 因此进行湿气测量时， 采用实流实验拟合 方法得到的虚高修正公式形式差异性较大， 无可比性， 也不具有较好普适性。2012 年， 天津 大学发表了 V 形反射式双声道超声波流量计湿气测量特性 一文， 得出截面含气率和管内 壁下方液膜厚度是影响反射式声道超声波流量计虚高的主要因素， 而没能直接给出虚高仅 受截面含气率影响的结论。 说 明 书 CN 103364039 A 3 2/5 页 4 发明内容 0005 本发明的目的是克服现有技术的上述问题， 提供一种简单易用， 具有良好的普适 性， 适用。
9、于对水平圆管中环雾状流条件下的气相流量预测的湿气测量方法。本发明利用反 射式气体超声波流量计湿气测量的虚高流量值， 依据基于截面含气率方法的虚高模型， 对 直通式气体超声波流量计的测量结果进行修正， 采用如下技术方案 ： 0006 一种基于反射式气体超声波流量计的湿气流量测量修正方法， 包括下列步骤 ：（1） 在需要进行湿气流量测量的管道上固定反射式气体超声波流量计 ；（2） 利用所述的流量计 测量湿气流量， 测得虚高流量 Qtp；（3） 根据经验模型求得截面含气率 ；（3） 设超声传播方 向与管道轴线之间的夹角为 ， 则修正后的气相流量值 0007 其中的截面含气率x 为质量含气率 ； l，。
10、 g分 别为液相密度和气相密度 ； l， g分别为液体粘度和气体粘度。 0008 与现有技术相比， 本发明具有如下的技术效果 ： 0009 在具有一定的物理意义并保证测量精度的前提下合理简化了复杂流场的条件， 在 超声波换能器安装角度确定的情况下， 即可得到的反射式气体超声波流量计测量湿气的虚 高与截面含气率呈单值对应关系， 提出了一种可以直接计算虚高的方法。本发明与现有拟 合方案相比， 避免了需要大量实流数据拟合公式的工作量， 可以利用测量或通过经验公式 估算出的截面含气率信息直接计算流量计的测量虚高， 并借此修正偏大的测量结果。 附图说明 0010 图 1 反射式超声波流量计测量原理图。 。
11、0011 图 2 液相对 V 型声道影响的示意图。 0012 图 3 利用 Spedding&Chen 截面含气率模型的预测效果。 具体实施方式 0013 反射式双声道超声波流量计的测量原理如图 1 所示， 采用超声波技术测量流体流 量时， 通过测量超声波沿流体顺流和逆流传播的时间差， 计算流体流速， 进而获得流量， 假 设管道横截面积为 A， 两换能器间的超声波传播距离为 L， 超声传播方向与轴线之间的夹角 为 ， 超声波沿顺流传播和逆流传播的时间分别为 t1、 t2， 管道流体流速为 u， 同时考虑管道 中流场的速度分布与声道的几何分布， 设每一声道的流场修正系数为 Kc， 则体积流量可表。
12、 示为 0014 0015 如图 2 所示， 液相介质的存在对超声波流量计影响主要体现在以下三个方面 ：（1） 气相的流通面积管道横截面减小， 由原来的 A 减小为 Ag；（2） 超声波的声程由 2L/2 减小 变化为 2L /2 ；（3） 超声波传播方向与轴线间的夹角由 减小为 ， 假设每一声道的流 场修正系数 Kc不变， 则此时管道中真实气相流量 Qg的计算公式应为 说 明 书 CN 103364039 A 4 3/5 页 5 0016 0017 由于流体工况变化， AgA， L L， ， 流量计算仪在流量计算中得到的气相流 速以及气相流量都比真实偏大， 此时得到的是气相虚高流量， 为 0。
13、018 0019 结合虚高的定义式即可得到一次反射式超声波流量计的理论虚高表达式为 0020 0021 式中， 为截面含气率， 由几何关系， 得 0022 0023 假设液膜均匀分布在管道周壁， 截面含气率与平均液膜之间存在如下关系 0024 0025 由此可得 V 型反射式气体超声波流量计的虚高为 0026 0027 截面含气率可以通过测量或者经验公式估算得到， 从而计算出反射式气体超声波 流量计测量湿气的虚高。用虚高流量除以虚高可以得到修正后的气相体积流量 0028 0029 具体实施步骤如下 ： 0030 1、 建立 V 型反射式气体超声波流量计的虚高 g与截面含气率 的函数关系， 即 。
14、有 0031 0032 2、 利用 V 型反射式气体超声波流量计测量虚高流量 Qtp 0033 V 型反射式气体超声波流量计用于湿气测量时， 由于存在液相， 导致流量计的测量 流量 （记为 Qtp） 大于流过流量计的真实干气体流量 （Qg） ， 即测量结果为虚高流量。 0034 3、 建立虚高 ： 将V型反射式气体超声波流量计测量获得的虚高流量Qtp与真实气相 流量 Qg的比值定义为虚高 g， 有 0035 0036 4、 求得真实气相流量 ： 根据 （1） 式、（2） 式， 获得修正后的气相流量值 Qg， 有 0037 0038 5、 采用截面含气率经验模型计算 ： 利用经验公式计算截面含气。
15、率时， 考虑运 用边界层阻力模型对液膜流动进行描述， 根据气液两相速度滑差与气液密度比关系得 说 明 书 CN 103364039 A 5 4/5 页 6 到的截面含气率表达式与 Spedding&Chen 模型形式上十分接近 （具体实施方式的最后 附上了发明人在截面含气率经验模型选择上的实验研究的部分数据及实验结果） ， 故确 立基于 Spedding&Chen 截面含气率模型的 V 字形反射式超声波流量计湿气虚高模型。 Spedding&Chen 截面含气率模型为 0039 0040 式中， x 为质量含气率 ； l， g分别为液相密度和气相密度 ； l， g分别为液体 粘度和气体粘度。 。
16、0041 利用式 （4） 或式 （5） 代入式 （3） 可以计算出 V 型反射式气体超声波流量计的真实 气相流量。 0042 6、 以压力 0.2MPa， 气相流速 8ms-1为例， 采用上述模型时 V 型反射式气体超声波 流量计测得的气相虚高流量 Qtp和经虚高预测模型修正的气相流量 Qg与气相真实流量 Qg 的结果如图 3 所示 ： 0043 7、 基于Spedding&Chen截面含气率模型的V型反射式超声波流量计湿气虚高模型 对气相流量修正效果更好。在压力为 0.2 1.1MPa， 气相表观速度为 3 13ms-1， L-M 参 数小于 0.12 工况范围内， 气相流量的预测误差基本分。
17、布在 -3% +3% 之间， 均方根误差为 1.67%。 0044 附 ： V 法气体超声波流量计湿气测量特性实验在天津大学可调压中压湿气流量实 验装置上开展， 采用控制变量的方法设定实验的工作状况， 选取了工况压力 P， 气相表观速 度 Usg和 L-M 参数 X 三个影响湿气流型的参数。考虑实验装置的能力， 设计的工况范围是 ： 压力为 0.2 1.1MPa， 气相表观速度为 3 13m s-1， L-M 参数为 0 0.12。根据实验的方 式与工作状况选取了如表 1 所示的五种典型的水平管气液两相流动条件下截面含气率计 算模型。 0045 表 1 水平管气液两相流动条件下截面含气率计算模型 说 明 书 CN 103364039 A 6 5/5 页 7 0046 0047 表 2 以压力 0.2MPa， 气相流速 8ms-1为例， 说明五种截面含气率经验公式的预测 效果， 其他工况结果相似， 均表明 Spedding&Chen 模型的平均相对误差最小。 0048 表 2 五种截面含气率计算模型对气相流量修正效果比较 （0.2MPa， 8ms-1） 0049 说 明 书 CN 103364039 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103364039 A 8 2/2 页 9 图 3 说 明 书 附 图 CN 103364039 A 9 。