基于截面测量的气液两相流测量方法及装置.pdf

本发明涉及一种气液两相流测量装置及其测量方法，属于流体计量测试技术领域。本发明的测量装置，在计量管道上依次设有电学层析成像传感器阵列、压力传感器、V形内锥式节流元件计，与节流元件配套设置差压变送器，在计量管道内还设置有温度传感器，所述的各个传感器、差压变送器分别与数据采集装置相连，数据采集装置采集的数据被传送至计算机。本发明同时提供一种此装置所采用的测量方法。本发明利用单相流测量仪表及基于电学敏感原理的过程层析成象技术解决了工程上难以解决的气液两相流测量问题，具有不需要两相分离、不需要两相均匀混合、具有温度、压力补偿功能、测量精度高、可靠、可获取测量信息多、成本低、使用范围广等特点，可用于石油、化工、能源动力、冶金等行业中气液两相流系统的测量。

1.  一种气液两相流的测量方法，其特征在于，包括下列步骤：
1)利用设置在管道内的电学层析成像传感器阵列及数据采集装置采集数据，进行数据分析、图像重现和显示，并提取特征参数，获取气液两相流在管道内的流型及截面含气率α；
2)利用设置在管道内的压力传感器获取两相流在管道内的压力P；
3)利用V形内锥式节流元件，并经差压变送器获取两相流体在截流装置上下游取压孔处的差压ΔP_M；
4)利用温度传感器测量管道中两相流体的温度T；
5)根据理想气体状态方程，利用管道内的压力P、温度T计算工作条件下的气体密ρ_G；
6)通过实验标定V形内锥的流出系数C和修正系数θ；
7)根据公式 x = θ θ + ( 1 - α α ) ρ L ρ G ]]>，计算干度x；式中，ρ_L为液体密度，在工作条件下近似为一恒定值。
8)根据不同流型下两相流混合质量流量公式： Q M = CA 2 Δ P M ρ L 1 - β 4 [ ( 1 - x ) θ + x ρ L / ρ G ] ]]>计算两相混合质量流量，式中，A为管道有效流通截面积；
9)根据两相混合质量流量和干度x，分别计算气相质量流量和液相质量流量。

2.  一种气液两相流的测量装置，其特征在于：在计量管道上依次设有电学层析成像传感器阵列、压力传感器、V形内锥式节流元件，与节流元件配套设置差压变送器，在计量管道内还设置有温度传感器，所述的各个传感器、差压变送器分别与数据采集装置相连，数据采集装置采集的数据被传送至计算机。

基于截面测量的气液两相流测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种气液两相流测量方法及装置，属于流体计量测试技术领域，具体涉及基于电学敏感原理的过程层析成像技术、差压流量测量技术及过程参数检测技术。
背景技术
管路内气液两相流的流动工况在石油、化工、能源动力、冶金等工业是经常遇到的。将成熟的单相流量检测技术与测量仪表应用于两相流参数测量受到广泛的研究，其中，节流装置以其自身的特点，广泛运用于两相流量的测量。如，采用文丘里管对汽/水两相流的测量，采用孔板进行过空气/水两相流量的研究。随着对节流装置类型研究的不断深入，二十世纪80年代中期出现了一种新型V形内锥式流量计，它将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上改变为利用同轴安装在管道中的V形圆锥将流体逐渐地节流收缩到管道的内边壁，通过测量V形锥体前后的差压来测量流量。这种V形内锥式流量计为差压式流量计揭开了崭新的一页。经过10多年来的研究测试和应用，目前人们已普遍地理解它并且接受它作为一种更有效的流量仪表。实践证明：利用V形内锥流量计能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确更有效的流量测量。将内锥流量计运用到多相流测量必将是未来的一个很好的方向。为了使V形内锥这一新型的节流装置能够运用于我国的工业技术中。
基于电学敏感原理的过程层析成象技术将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多点、截面分布式的测量；它在不破坏、干扰流体流动的情况下，获得管道或设备内部两相/多相流体的二维/三维分布信息；为在工业条件下对基于热动力学、反应动力学和流体动力学原理建立的过程、设备模型的证实提供一种方便的手段；还可以为优化过程设备及装置的设计，改进过程工艺，实现两相/多相流体输送，反应复杂生产过程的调整与控制提供全面、准确的信息和辅助的研究手段。特别是由于其结构简单、响应速度快和成本低等特点，取得了较快的发展，目前，已进入到工业应用研究阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种与现有的气液两相流测量方法，更为精确的一种气液两相流测量方法，并提供一种采用此种测量方法的测量装置。
本发明提出的气液两相流的测量方法，包括下列步骤：
1)利用设置在管道内的电学层析成像传感器阵列及数据采集装置采集数据，进行数据分析、图像重现和显示，并提取特征参数，获取气液两相流在管道内的流型及截面含气率α；
2)利用设置在管道内的压力传感器获取两相流在管道内的压力P；
3)利用V形内锥式节流元件，并经差压变送器获取两相流体在截流装置上下游取压孔处的差压ΔP_M；
4)利用温度传感器测量管道中两相流体的温度T；
5)根据理想气体状态方程，利用管道内的压力P、温度T计算工作条件下的气体密ρ_G；
6)通过实验标定V形内锥式节流元件的流出系数C和获得修正系数θ；
7)根据公式 x = θ θ + ( 1 - α α ) ρ L ρ G ]]>计算干度，式中，ρ_L为液体密度，在工作条件下近似为一恒定值；。
8)根据不同流型下两相流混合质量流量公式： Q M = CA 2 Δ P M ρ L 1 - β 4 [ ( 1 - x ) θ + x ρ L / ρ G ] ]]>计算两相混合质量流量，式中，A为管道有效流通截面积；
9)根据两相混合质量流量和干度x，分别计算气相质量流量和液相质量流量。
本发明同时提供一种采用上述测量方法的气液两相流的测量装置：在计量管道上依次设有电学层析成像传感器阵列、压力传感器、V形内锥式节流元件，与节流元件配套设置差压变送器，在计量管道内还设置有温度传感器，所述的各个传感器、差压变送器分别与数据采集装置相连，数据采集装置采集的数据被传送至计算机。
本发明结合了基于电学敏感原理的过程层析成像技术和V形内锥流量计实现对气/液两相流流量的测量，基于电学敏感原理的过程层析成象技术将传统的对过程参数的单点、局部的测量，发展为多点、截面分布式的测量，在不破坏、干扰流体流动的情况下，获得管道或设备内部两相的二维/三维分布信息；而基于V形内锥的计量技术，能在更短的直管段条件下和很少破坏流体流动的情况下，以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确更有效的流量测量；本发明具有不需要两相分离、不需要两相均匀混合、具有温度、压力补偿功能、测量精度高、可靠、可获取测量信息多、成本低、使用范围广等特点。本发明可适用于石油、化工、能源动力、冶金等行业中气液两相流系统的测量。
附图说明
附图1为本发明的气液两相流测量装置结构图。
其中：1-计量管道；2-电学层析成像传感器阵列；3-压力传感器；4-V形内锥式节流元件；5-温度传感器；6-数据采集卡一；7-差压变送器；8-数据采集卡二；9计算机。
附图2为工作温度为30℃，工作压力为0.15386-0.18067MPa范围内的修正系数θ与工作压力的关系曲线。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明作进一步的说明。
气液两相流的测量装置有计量管道1，在计量管道1上依次设有电学层析成像传感器阵列2；压力传感器3；V形内锥式节流元件4；温度传感器5；数据采集卡一6；差压变送器7；数据采集卡二8及计算机9。
被测气液两相流进入计量管道1，电学层析成像传感器阵列2获取代表两相流截面分布信息的边界测量电压信号并经数据采集卡一6送到计算机9。压力传感器3用来检测两相流工作压力并将压力信号转变为标准电信号经采集卡二8送到计算机9。差压传感器7与V形内锥式节流元件4配套安装，差压信号转变成标准电信号经数据采集系统二8送入计算机9。温度传感器5用来检测两相流体温度并将温度信号转变为标准电信号经采集卡二8送到计算机9。在计算机9中设有存储模块，存储V形内锥在不同锥体角度、不同节流面积、不同等效直径比、不同管道直径下的流出系数；根据实验标定所获得的在不同流型下的V形内锥的修正系数，以及气液两相流模型及其计算式等数据。计算机9实时处理经数据采集卡一6传来的信号，获得两相流的截面含气率及流型；实时处理经采集卡二8传来的信号，获得不同温度、压力工作状态下的气相密度；选择不同流动工作状态下V形内锥的修正系数和两相流模型及其计算式，分别求出气液两相各自的流量。
需要特别指出本发明采用V形内锥流量计，是由于其具有能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确、更有效测量的特性，这一特性非常适合两相流的测量。
两相流经过电学层析成像传感器阵列时，经数据采集卡一6采集到的边界电压信号数据送入装有数据分析、处理和图像重建算法的软件包，再通过一定的算法，提取出两相流的参数，如截面含气率和流型等，并可以在屏幕上显示测量截面的成像结果。有关电学层析成像传感器阵列及系统的两相流特征参数分析和提取的方法，以及截面图像重建和显示的技术，可以参见董峰等人已发表的论文：《化工自动化及仪表》2001年第28卷第6期“电阻层析成像技术在两相管流测量中的应用”；《自动化仪表》2002年第23卷第7期“电阻层析成像(ERT)技术在识别两相流流型中的应用”；《天津大学学报》2004年第37卷第6期“应用电阻层系成像技术测量垂直管道气/液两相流分相含率”；《仪器仪表学报》2004年第25卷第4期“基于ERT技术的垂直管道流型识别”；《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。
本实施例采用的电学层析成像传感器阵列，可以采用单截面的传感器阵列，也可以采用双截面的传感器阵列，获取有关两相流流动参数，只是采用双截面的传感器阵列获取的两相流信息除了流型和截面含气率，还可以获得两相流离散相的流速。两者采用的图像重建算法相同。有关的两相流参数获取和图像重现算法，在公开发表的论文中已有介绍。
两相流经过V形内锥节流元件时，受气液两相体积比变化的影响流型不同，其流动过程可以应用修正的分相流动模型描述。根据修正的分相流动模型所建立的节流元件孔板或丘里管测量气/液两相流的林宗虎关系式，其结构简单，修正系数仅与气液两相密度比有关，与气相或液相流量无关，可以根据实际测量数据进行修正和标定。由于V形内锥的测量原理与其他节流装置(如孔板、文丘里等)相同，所以本实施例将用于孔板和文丘里流量计测量气液两相流流量的林宗虎关系式推广到V形内锥流量计。
两相流总流量计算式：
Q M = ϵCA 2 Δ P M ρ L 1 - β 4 [ ( 1 - x ) θ + x ρ L / ρ G - - - ( 1 ) ]]>
式中，Q_M为总质量流量，ε为被测介质可膨胀系数，C为V形内锥流出系数，A为管道有效流通截面积，ΔP_M为气、液混合后流过V形内锥产生的差压，ρ_L为液体密度，ρ_G为气体密度，β为V形内锥等效直径比，x为干度，θ为V形内锥修正系数。
对于流出系数C及其V形内锥修正系数θ可由实验获得，按照修正的分相流动模型，气相为不可压缩。应用中气相在工作条件下由于工作压力变化的量远小于工作压力的绝对值，可认为气相为不可压缩流体，则ε＝1。则公式(1)转换为：
Q M = CA 2 Δ P M ρ L 1 - β 4 [ ( 1 - x ) θ + x ρ L / ρ G ] - - - ( 2 ) ]]>
流出系数C及其V形内锥修正系数θ均可由实验标定获得，已知干度x，即可求得气液两相流的混合质量流量，再根据混合质量流量与分相流量的关系即可求得气液各相的质量流量。本实施例关键步骤如下：
(1)V形内锥流出系数C的标定
流出系数C是节流装置中最重要的一个参数，已有研究表明流出系数C主要与节流元件的类型、开孔直径、取压方式、流体的流动状况(包括雷诺数、管道直径等)和管道条件(如管壁粗糙度)等因素有关。流出系数C的一个重要特性是当流体的雷诺数大于临界值时(一般为进入湍流状态时)，C保持常数。
由于V形内锥式节流元件并不是标准节流装置，因此其流出系数C需要通过实验标定。按照修正的分相流动模型假设，气相为不可压缩流体，且两相流出系数相同。所以，分别用液相和气相进行标定，并比较标定结果差别程度。实际标定中所获得的两相标定结果相近，可取其平均值作为V形内锥的流出系数C。确定C值可按照GB/T 2624(或ISO 5167)对于流出系数标定的相关规定：
C = Q m 1 - β 4 π 4 d 2 2 ΔPρ - - - ( 3 ) ]]>
式中，Q_m为单相流体的质量流量。ΔP为单相流体流过节流元件产生的差压；d为等效开孔直径；ρ为单相流体的密度。
(2)V形内锥修正系数θ的确定
在V形内锥节流元件中，对应每一个工作压力点，分别设定不同的气相流量和液相流量，得到不同的两相流流量配比，分别测得ΔP_G(气相单独流过产生的差压)、ΔP_L(液相单独流过产生的差压)和ΔP_M(两相混合后同时流过时产生的差压)，整理成马蒂内里(Martinelli)参数和以为横坐标，为纵坐标进行线性拟合，其斜率为对应该工作压力点(或气液密度比)下的修正系数θ。
图2为工作温度为30℃，工作压力为0.15386-0.18067MPa范围内的修正系数θ与工作压力的关系曲线。
(3)两相流中气体密度ρ_G的确定
由于计量管道比较短，可认为整个计量管道中两相流的温度一致。由理想气体状态方程可以得到温度T时的气体密度：
ρ G = PT 0 ρ G 0 P 0 T - - - ( 4 ) ]]>
式中，P₀和T₀为标准状态的压力和温度(1标准大气压，273.15K)；ρ_G0为标准状态下气体的密度。
(4)两相流干度值x的确定
根据电学层析成像传感器阵列及装置获取气液两相流的流型和截面含气率α；由关键步骤(2)和公式(4)可获得所对应的两相流干度值：
x = θ θ + ( 1 - a a ) ρ L ρ G - - - ( 5 ) ]]>
(5)两相流混合流量及分相流量的确定
根据公式(2)可以得到，不同流型下气液两相流混合质量流量；进一步可得：
气相质量流量：Q_G＝Q_M·x；     (6)
液相质量流量：Q_L＝Q_M·(1-x)。 (7)