气液/汽液两相流流量测量系统和测量方法技术领域
本发明涉及两相流流量测量技术。具体而言，本发明涉及一种用于非能动堆芯冷却系统的气液/汽液两相流流量测量系统和气液/汽液两相流流量测量方法。
背景技术
气液/汽液两相流普遍存在于非能动堆芯冷却系统的运行过程中。气液/汽液两相流的流量是两相流中最重要的参数之一，对气液/汽液两相流的流量测量是掌握气液/汽液两相流规律的基本手段且对于非能动堆芯冷却系统的运行存在重要意义和价值。
气液/汽液两相流由于流动过程复杂，相比单相流体测量，不但内容繁多而且有很多新的特点。特别是由于气液/汽液两相流存在各式各样的流动形态，例如对于管路内气液/汽液系统而言会存在包括气泡流在内的多种流动形态，由此会给参数的测量带来很多难题。尽管近十几年来，国内外针对两相流的测量问题进行了大量的研究工作，但到目前为止能够保证较高精度的方法甚少。
目前对两相流的流量测量主要采用孔板流量计、涡街流量计、利用弯头测量和利用皮托管进行测量的方式。但上面这些测量方式一方面存在着对流动形态的强烈依赖，另一方面依赖于测量试验的修正系数，且精度较低。
另外，根据相对流量大小不同，可将气液/汽液两相流粗略地划分为小流量气液/汽液两相流和大流量气液/汽液两相流。对于所属领域的技术人员而言，所谓的小流量气液/汽液两相流指的是由于两相流中的第一相的质量流量小于两相流中的第二相的质量流量的例如10%，从而导致两相流中的第二相的质量流量比较小而难于精确测量的情况。而大流量气液/汽液两相流则是相对于小流量气液/汽液两相流而言的，所谓的大流量气液/汽液两相流指的是两相流中的第一相的质量流量大于两相流中的第二相的质量流量的例如50%的情况。现有技术气液/汽液两相流流量测量装置和测量方法大多只能精确测量小流量气液/汽液两相流的流量或大流量单相气体/汽体及大流量单相液体的流量，不能够适于准确测量各个流量范围的两相流量，适用范围窄；现有技术气液/汽液两相流流量测量装置和测量方法不能测量瞬时流量，存在迟滞效应；现有技术气液/汽液两相流流量测量装置和测量方法只能处理局限于某个范围内的气液/汽液比例的流量且无法保证测量精度。
因此，所属领域的技术人员需要一种能够克服以上现有技术中所存在的缺点的新型气液/汽液两相流流量测量系统和测量方法，以期能够更好地用于非能动堆芯冷却系统。
发明内容
本发明的主要目的是基于非能动堆芯冷却系统的设计需要，提供一种能够在各种压力、温度和流量大小条件下确保实现较高精度的气液/汽液两相流的流量测量的气液/汽液两相流流量测量系统和气液/汽液两相流流量测量方法。
除非特殊情况有其他限制，否则下列定义适用于本说明书中使用的术语。
此外，除非另行定义，否则本文所用的所有科技术语的含义与本发明所属领域的技术人员通常理解是一样的。如发生矛盾，以本说明书及其包括的定义为准。
对于本发明而言，本申请中所使用的一些术语的定义如下：
“孔板流量计”是指将标准孔板与多参数差压变送器（或差压变送器、温度变送器及压力变送器）配套组成的高量程比差压流量装置，可测量气体、蒸汽、液体及引的流量，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、供热、供水等领域的过程控制和测量。孔板流量计测量的重复性、精确度在流量传感器中属于中等水平，由于众多因素的影响错综复杂，精确度难于提高。
“涡街流量计”是指根据卡门（Karman）涡街原理研究生产的一种流量测量装置，主要用于工业管道介质流体的流量测量，如气体、液体、蒸气等多种介质。
“皮托管流量计”是指一根弯成直角的双层空心复台骨，带有多个取压孔，能同时测量流体总压和静压力。与差压变送器、流量显示仪配套使用。它在石油化工、冶金、电厂、电力、轻纺等行业的生产过程中广泛使用，对气体、液体、蒸汽、水、风量等流体进行流量测量。
“疏液（水）箱”是指这样一种装置，即把液体（水）放在一个相对密闭的容器内加热，使容器内部充盈单相液体（水）蒸气，其容积和直径均大于U型液（水）封段的管道尺寸，它作为液（水）封段的缓冲箱，用来缓解大流量时液体对液（水）封段的冲击，也可用来精确测量液体小流量的工况。
“联锁控制阀门”是指在工业生产中所使用的一种自动调节阀门，所述自动调节阀门是按照工艺给定的逻辑条件来控制执行机构的。只要某个与之相关的存在逻辑条件联系的特定工艺参数发生变化，发出信号，就会触发它的自动动作，执行工艺命令。来达到工艺预先设定的状态，以保证生产处于一种预定的安全状态，来保证工艺的最佳运行或局部甚至整体的启停。
如本文中所用，方向性术语“上”、“下”与说明书附图纸面上的具体方向是相一致的。顺序性术语“之前”、“之后”与流体在本发明的气液/汽液两相流流量测量系统或气液/汽液两相流流量测量方法中的先后顺序是相一致的。术语“垂直”、“纵向”是指在说明书附图纸面上大体上竖直的方向；而“横向”、“水平”是指在说明书附图纸面上大体上水平的方向。
如本文所用，术语“约”是指数量、尺寸、配方、参数以及其他数量和特性是不精确的并且不需要是精确的值，但是可以与精确值近似和/或大于或小于精确值，以便反映容许偏差、测量误差等，以及所属领域的技术人员已公知的其他因素。
当本文在描述材料、方法或机械设备时带有“所属领域的技术人员已公知的”短语、或同义的词或短语时，该术语表示所述材料、方法和机械设备在提交本专利申请时是常规的，并且包括在本说明书内。同样涵盖于该描述中的是，目前非常规的但是当适用于相似目的时将成为所属领域公认的材料、方法、和机械。
如本文所用，术语“包含”、“含有”、“包括”、“涵盖”、“具有”或任何其他同义词或它们的任何其他变型均指非排他性的包括。例如，包括特定要素列表的工艺、方法、制品或设备不必仅限于那些具体列出的要素，而是可以包括其他未明确列出的要素，或此类工艺、方法、制品或设备固有的要素。
术语“由…组成”、“由…构成”或任何其他同义词或它们的任何其他变型均指排他性的包括。例如，由特定要素构成的工艺、方法、制品或设备仅限于那些具体列出的要素。
具体而言，为实现本发明的上述目的而采用的技术方案如下所述：
1.一种气液/汽液两相流流量测量系统(1)，所述气液/汽液两相流流量测量系统包括：入口管道(2)、与所述入口管道相连的气液/汽液分离装置(3)、以及分别与所述气液/汽液分离装置的上端和下端相连的气体/汽体流量测量管道（4）和液体流量测量管道（8），
其特征在于，
所述气液/汽液分离装置的气液/汽液两相流入口高于所述气液/汽液分离装置内的初始液位，所述液体流量测量管道包括至少一个液封段（10）且所述液体流量测量管道上设置有用于根据所述入口管道中的气液/汽液两相流流体参数对所述气体/汽体流量测量管道中的阻力进行调节以保持所述气体/汽体流量测量管道中的阻力小于所述液体流量测量管道中的阻力的阻力调节器（9）。
2.根据技术方案1所述的气液/汽液两相流流量测量系统，其特征在于，在所述气液/汽液分离装置之后且在所述液封段之前设置疏液箱（6），并且在液体流量测量管道上设置疏液箱液位计联锁控制阀门（11），以保持所述液封段的液封有效性。
3.根据技术方案1或2所述的气液/汽液两相流流量测量系统，其特征在于，所述气体/汽体流量测量管道（4）和/或所述液体流量测量管道（8）为并联的多路管道。
4.根据技术方案3所述的气液/汽液两相流流量测量系统，其特征在于，所述并联的多路管道中的每一路管道上面都设有阀门和流量计。
5.根据技术方案1所述的气液/汽液两相流流量测量系统，其特征在于，产生所述初始液位的初始液量在所述气液/汽液分离装置容积的15%-50%范围内。
6.根据技术方案1所述的气液/汽液两相流流量测量系统，其特征在于，所述气液/汽液分离装置为重力型气液/汽液分离装置、离心型气液/汽液分离装置、或阻流型气液/汽液分离装置。
7.一种气液/汽液两相流流量测量方法，其特征在于，所述气液/汽液两相流流量测量方法包括：
提供如前述技术方案1-6中任一项所述的气液/汽液两相流流量测量系统(1)；
使气液/汽液两相流流体经由所述入口管道(2)进入所述气液/汽液分离装置(3)中进行气液/汽液分离；
分离出的气体/汽体经由所述气体/汽体流量测量管道（4）测量气体/汽体流量；
分离出的液体经由所述液体流量测量管道（8）测量液体流量。
8.根据技术方案7所述的气液/汽液两相流流量测量方法，其特征在于，根据所述入口管道中的气液/汽液两相流流体参数利用所述阻力调节器（9）对所述气体/汽体流量测量管道中的阻力进行调节以保持所述气体/汽体流量测量管道中的阻力小于所述液体流量测量管道中的阻力。
9.根据技术方案7所述的气液/汽液两相流流量测量方法，其特征在于，所述气液/汽液两相流流体参数包括温度和/或压力和/或流量。
10.根据技术方案7所述的气液/汽液两相流流量测量方法，其特征在于，利用所述疏液箱液位计联锁控制阀门（11）与所述疏液箱（6）的相互作用，保持所述液封段的液封有效性。
采用本发明的技术方案可以获得以下有益技术效果：
1.本发明所述的气液/汽液两相流流量测量系统和测量方法能够在各种压力、温度和流量大小条件下确保实现较高精度的气液/汽液两相流的流量测量。
2.本发明所述的气液/汽液两相流流量测量系统和测量方法能够实现对气液/汽液两相流的瞬时流量的测量且不存在迟滞效应。
3.本发明所述的气液/汽液两相流流量测量系统结构简单，能够保证流量计的高灵敏度识别，适用于非能动堆芯冷却系统。
4.本发明通过设计合理的分离装置和管道，能够保证分离效果达到99%，并且保证气液/汽液分离装置内部液位不变，液（水）封能够及时排走所有的流量，但同时液（水）封内一直充满液体（水），由此保证了气体/汽体和液体的流量测量精度。此外，通过切换不同粗细的管道，保证了无论在大流量下还是小流量下，都能保证该测量精度。
附图说明
下面结合说明书附图对本发明进行详细描述。说明书附图并不一定是严格按照比例进行绘制的，且说明书附图仅仅是示意性的图示。在本申请的说明书附图中，使用相同或相似的附图标号表示相同或相似的元件。
图1为根据本发明的第一实施例的气液/汽液两相流流量测量系统的结构示意图；
图2为根据本发明的第二实施例的气液/汽液两相流流量测量系统的结构示意图。
部件及附图标记列表
1气液/汽液两相流流量测量系统
2入口管道
3气液/汽液分离装置
4气体/汽体流量测量管道
5气体/汽体流量计
6疏液（水）箱
7疏液（水）箱液位计
8液体流量测量管道
9阻力调节器
10液体流量测量管道的U形液封段
11疏液（水）箱液位计联锁控制阀门
12液（水）箱
13流量计
14阀门
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式进行详细说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由权利要求书来确定。
本发明提供了一种气液/汽液两相流流量测量系统，包括：入口管道、与所述入口管道相连的气液/汽液分离装置、以及分别与所述气液/汽液分离装置的上端和下端相连的气体/汽体流量测量管道和液体流量测量管道。所述气液/汽液分离装置的气液/汽液两相流入口高于所述气液/汽液分离装置内的初始液位，所述液体流量测量管道包括至少一个液封段且所述液体流量测量管道上设置有用于根据所述入口管道中的气液/汽液两相流流体参数对所述气体/汽体流量测量管道中的阻力进行调节以保持所述气体/汽体流量测量管道中的阻力小于所述液体流量测量管道中的阻力的阻力调节器。
优选地，在所述气液/汽液分离装置之后且在所述液封段之前设置疏液箱，并且在液体流量测量管道上设置疏液箱液位计联锁控制阀门，以保持所述液封段的液封有效性。
更优选地，所述气体/汽体流量测量管道和/或所述液体流量测量管道为并联的多路管道。
更优选地，所述并联的多路管道中的每一路管道上面都设有阀门和流量计。
优选地，所述阻力调节器为调节阻力阀。
本发明的气液/汽液分离装置内初始液位的设定应满足以下要求：首先，初始液位的设定应低于入口管道的高度，其次，应根据气液/汽液分离装置厂家的产品要求，在满足一定分离效果的情况下，该初始液位不高于厂家规定值。最后，需要根据入口管道的气液/汽液两相流流体参数，计算气体管道的阻力和液体管道的阻力，判断在最大气量的情况下，气体管线阻力小于液体管线（这样，气体不会冲跑初始液位），此外，判断在最大液量的情况下，初始液位上升，但不会升高到影响分离效果的最高液位（这是可以通过对液体管线的阻力进行计算得到的）。主要基于以上三点考虑，可得到产生所述初始液位的初始液量的范围。如果初始液量不满足要求，则可以通过调节阻力调节阀进行阻力的调节。优选地，产生所述初始液位的初始液量在所述气液/汽液分离装置容积的15%-50%的范围内；更优选地，产生所述初始液位的初始液量在所述气液/汽液分离装置容积的20%-40%的范围内；最优选地，产生所述初始液位的初始液量在所述气液/汽液分离装置容积的25%-35%的范围内。
优选地，所述气液/汽液分离装置为重力型气液/汽液分离装置、离心型气液/汽液分离装置、或阻流型气液/汽液分离装置。
本发明还提供了一种气液/汽液两相流流量测量方法，所述气液/汽液两相流流量测量方法包括以下步骤：提供如前文所述的气液/汽液两相流流量测量系统；使气液/汽液两相流流体经由所述入口管道进入所述气液/汽液分离装置中进行气液/汽液分离；分离出的气体/汽体经由所述气体/汽体流量测量管道测量气体/汽体流量；分离出的液体经由所述液体流量测量管道测量液体流量。
在本发明的气液/汽液两相流流量测量方法中，优选地，根据所述入口管道中的气液/汽液两相流流体参数利用所述阻力调节器对所述气体/汽体流量测量管道中的阻力进行调节以保持所述气体/汽体流量测量管道中的阻力小于所述液体流量测量管道中的阻力。所述气液/汽液两相流流体参数包括温度和/或压力和/或流量。
在本发明的气液/汽液两相流流量测量方法中，优选地，利用所述疏液箱液位计联锁控制阀门与所述疏液箱的相互作用，保持所述液封段的液封有效性。
本发明尤其适用于CAP1400非能动堆芯冷却系统。
实施例1
图1为根据本发明的第一实施例的气液/汽液两相流流量测量系统的结构示意图。
如图1所示，本发明的气液/汽液两相流流量测量系统主要包括用于输入气液/汽液两相流流体的入口管道2，与所述入口管道2相连的重力型气液/汽液分离器3、以及分别与所述重力型气液/汽液分离器3的上端和下端相连的气体/汽体流量测量管道4和液体流量测量管道8。气体/汽体流量测量管道4为并联的三条管道，每一条管道上面均设置有阀门和流量计。
由入口管道2通入气液/汽液两相流体，进入到重力型气液/汽液分离器3进行汽液/气液分离，液体向下流动，气体/汽体向上流动。气体/汽体流量测量管道4从重力型气液/汽液分离器3顶部连出，并联多路管道，每条管道上分别设一常规流量计，进行单相流体流量测量，液体流量测量管道8从重力型气液/汽液分离器3底部连出，液体流量测量管道8中设置有一U型水封，根据具体流量需要，也可并联多路管道，每条管路上设一常规流量计，进行单相流体流量测量。并联管路通过阀门进行切换，用以实现对小流量和大流量的不同需求。以应对气体/汽体流量很大的情况，在重力型气液/汽液分离器3底部设置疏水箱，并在液体流量测量管道8上设置阀门，用疏水箱液位与阀门进行连锁，当疏水箱中液位低于一定预定值时，阀门关闭，这时通过液位计对疏水箱的液位进行流量测量；当液位高于一定预定值时，打开阀门，维持用流量计测量，这样可以保证水封的有效性不被破坏。
气体/汽体流量测量管道4和液体流量测量管道8最后连至水箱12。如图1所示，重力型气液/汽液分离器3的初始液位位于所述重力型气液/汽液分离器3高度H（图中未示出）的30%处。
本发明通过设计合理的分离装置和管道，能够保证分离效果达到99%，并且保证分离器内部液位不变，水封能够及时排走所有的流量，但同时水封内一直充满水，由此保证了气体/汽体和液体的流量测量精度。此外，通过切换不同粗细的管道，保证了无论在大流量下还是小流量下，都能保证该测量精度。
本发明设置多条并联管线进行流量的智能切换，普通流量计在流量小于10%以后就无法进行准确测量，但本发明能够很好的解决这个问题，保证管道充满。能够准确测量各个流量范围的流量。U型管设计保证液体充满，可以保证流量计的高灵敏度识别，同时也能够进行瞬时测量。由于单相测量的准确度较高，因此将气液/汽液进行分离后测量，装置回路简单。
实施例2
图2为根据本发明的第二实施例的气液/汽液两相流流量测量系统的结构示意图。
如图2所示，根据本发明的第二实施例的气液/汽液两相流流量测量系统与根据本发明的第一实施例的气液/汽液两相流流量测量系统的主要区别在于：根据本发明的第二实施例的气液/汽液两相流流量测量系统稍作改动，简化了结构，去掉了可选配的疏液箱6和疏液箱液位计7。将疏液箱液位计联锁控制阀门11和流量计13更换为普通阀门14和流量计13。
同时，根据具体流量需要，气体/汽体流量测量管道4为一条管道，上面设置有阀门和流量计。
如图2所示，气液/汽液分离器3的初始液位位于所述重力型气液/汽液分离器3高度H的20%处。
采用本发明的技术方案可以获得以下有益技术效果：
1.本发明所述的气液/汽液两相流流量测量系统和测量方法能够在各种压力、温度和流量大小条件下确保实现较高精度的气液/汽液两相流的流量测量。
2.本发明所述的气液/汽液两相流流量测量系统和测量方法能够实现对气液/汽液两相流的瞬时流量的测量且不存在迟滞效应。
3.本发明所述的气液/汽液两相流流量测量系统结构简单，能够保证流量计的高灵敏度识别，适用于非能动堆芯冷却系统。
4.本发明通过设计合理的分离装置和管道，能够保证分离效果达到99%，并且保证气液/汽液分离装置内部液位不变，水封能够及时排走所有的流量，但同时水封内一直充满水，由此保证了气体/汽体和液体的流量测量精度。此外，通过切换不同粗细的管道，保证了无论在大流量下还是小流量下，都能保证该测量精度。
以上虽然已结合实施例对本发明的具体实施方式进行了详细的说明，但是需要指出的是，本发明的保护范围并不受这些具体实施方式的限制，而是由所附的权利要求书来确定。所属领域的技术人员可在不脱离本发明的技术思想和主旨的范围内对这些实施方式进行适当的变更，而这些变更后的实施方式显然也包括在本发明的保护范围之内。