摘要:針對電磁流量計測量氣液兩相流時測量精度和穩(wěn)定性易受流型影響的問題,提出了一種管內(nèi)相分隔狀態(tài)下基于電磁流量計的氣液兩相流測量方法。利用旋流器將不規(guī)則的兩相流入口流型整形成氣芯-水環(huán)的對稱型環(huán)狀流,保證了權(quán)函數(shù)的有序分布,并引入空隙率修正了電磁流量計測量模型,提高了電磁流量計的測量精度。利用空氣-水兩相流為介質(zhì),通過室內(nèi)實驗對該測量方法進行了驗證,結(jié)果表明,在管內(nèi)相分隔狀態(tài)下,電磁流量計的液相測量相對誤差在±5%以內(nèi)。研究結(jié)果為工業(yè)生產(chǎn)中的氣液兩相測量提供了一種很好的思路和方法,具有良好的應(yīng)用價值。
在工業(yè)應(yīng)用中,兩相流流量測量對于實際工程應(yīng)用具有重要作用，如石油鉆采工程、石油化工、熱電聯(lián)供等輸送及分配過程中都存在氣液兩相流測量問題。早期曾對氣液兩相流的測量進行了廣泛研究,但由于氣液兩相流型的復(fù)雜性及多變性,至今仍無廣泛認可的氣液兩相流在線測量技術(shù)中。
多相流動體系通常是由兩種或兩種以上互不相溶.的介質(zhì)組成的,具有明顯相界面的混合物流動。本研究的氣液兩相流研究對象分別是空氣和水，在流動過程中,由于存在不同流型及流態(tài)的復(fù)雜變化,兩相流各種參數(shù)的測量都變得極為困難。因此，準確描述并.識別流型對于兩相流量測量具有重要的意義。由于主要研究的是水平管內(nèi)的氣液兩相流流型,在前人的研究基礎(chǔ)之上,對水平管內(nèi)流型進行了總結(jié)和分析,得到水平管內(nèi)的氣液兩相流流型主要為細泡狀流動、彈狀流動、分層流動、波狀分層流、塞狀流以及環(huán)狀流等[3-]。
自20世紀以來,氣液兩相在線測量一直是工業(yè)生產(chǎn)過程中迫切需要解決的難題，同時研發(fā)了大量適用于工業(yè)環(huán)境中的兩相測量技術(shù)。根據(jù)在測量過程中兩相流是否進行分離而分為分離法和非分離法。分離法是將流動的混合物分為以氣體為主和以液體為主的流動，然后進行單相測量.包括重力分離器和導(dǎo)流器等,其優(yōu)點為把兩相流體流量測量轉(zhuǎn)化成了單相流體的流量測量,測量精度高、范圍寬、不受氣液兩相流型變化影響,缺點則為分離設(shè)備體積大、價格貴、需要建站,增加了測量成本。非分離法的典型是基于相同原理的測量系統(tǒng)進行組合測量,以及中子射線和文丘里管的組合方式，優(yōu)點為能夠?qū)崟r測量兩相流體的流量及相持率等參數(shù),體積小、測量速度快，缺點為測量的流量及各相持率精度偏低,適用工況受限,需重復(fù)標定[5-6]。
電磁流量計廣泛應(yīng)用于單相流體的流量測量。電磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律原理測量導(dǎo)電液體的體積流量的儀表。其優(yōu)點是可測流量范圍大,流量范圍比值一般為20:1以上。適用工業(yè)管徑范圍.寬,最大可達3m,精度較高,可測量水、污水、腐蝕性液體等流體流量,不受壓力、密度、溫度和其他物理參數(shù)的影響。因此,采用電磁流量計測量連續(xù)相為導(dǎo)電性的兩相流的特性成為研究的熱門。
國際及國內(nèi)雖然對電磁流量計在兩相流中的應(yīng)用進行了大量的理論分析和數(shù)值模擬，但是針對水平管內(nèi)非導(dǎo)電相在空間位置分布對電磁流量計的測量精度等還未進行詳細地研究。水平管內(nèi)非導(dǎo)電性的空間分布受重力、流體物性等影響嚴重,進而影響了流量計的正確測量。近年來,相關(guān)學(xué)者提出的相分隔方法12-15]通過對兩相混合物施加側(cè)向力,將兩相隔離到管內(nèi)的相應(yīng)空間,流動過程中兩相之間維持非常清晰界面,這將有利于電磁流量測量兩相流參數(shù)。因此，如果非導(dǎo)電相能在兩相流中均勻?qū)ΨQ分布,電磁流量計測量將為兩相流量測量提供--種有前途的解決方案。同時，在將兩相隔離到管內(nèi)的相應(yīng)空間,流動過程中兩相之間維持非常清晰界面的過程中,采用拍攝及圖像處理技術(shù)可以實現(xiàn)空隙率的測量。目前,基于圖像處理技術(shù)已進行了大量的研究[16-18]，尤其適用于檢測氣液界面。
本研究采用相分隔法組合電磁流量計測量氣液兩相流量及相持率。在相分隔方法中,采用了旋流器產(chǎn)生離心力,將氣液兩相不同的人口流型轉(zhuǎn)變?yōu)樾骱诵沫h(huán)空流,由于其界面清晰光滑,非常有利于圖像處理法來測量空隙率。采用實驗分析的方式研究并驗證了電磁流量計的兩相流工作特性。
1測量原理
1.1管內(nèi)相分隔技術(shù).
利用管道中的相分隔技術(shù)進行整流,可以極大地方便電磁流量及空隙率測量的開展，創(chuàng)造了理想的測.量條件,有利于提高測量的正確性。通過管內(nèi)相分隔，使兩相流體在各種流型下統(tǒng)--轉(zhuǎn)變成兩束在管內(nèi)并行流動的單相流體,兩相之間具有相對清晰的分界面,并能維持足夠長的距離，如圖1所示。與分離不同,相分隔技術(shù)并非將兩相分“離”后各自單獨流動,而是通過--系列技術(shù)僅將兩相分“隔”并未分“離”,兩相依然同時在一個管內(nèi)流動,但是徹底改變了兩相流原有相分布和速度分布的多樣性和隨機性,使兩相流在管內(nèi)即可保持有“秩序"的流動,極大地方便了兩相流各個參.數(shù)的測量。
1.2氣液兩相流相分隔狀態(tài)下電磁流量計測量原理
電磁流量通常用于測量單相導(dǎo)電流體,計算公式見式(1)
式中:U為兩電極間的電位差(與液體的導(dǎo)電性、黏度和壓，力無關(guān)),V;B為磁通強度,T;b為導(dǎo)電相半徑,m;Qr為導(dǎo)電液體的體積流量,m3/s。
對于含有少量非導(dǎo)電介質(zhì)(如氣體或油等)構(gòu)成的導(dǎo)電流體,電磁流量計仍能繼續(xù)工作。
考慮了導(dǎo)電相沿管壁在環(huán)形區(qū)域流動,絕緣相在同軸芯區(qū)流動時,采用電磁流量測量原理,計算公式見式(2)
式中:a為不導(dǎo)電相半徑,m;α為絕緣相的空隙率,%。
在電磁流量計的上游,通過圖2所示的旋流器實現(xiàn)相分隔。旋流器由4片沿周向均布的導(dǎo)流片構(gòu)成，每個導(dǎo)流片平面與管道橫截面呈現(xiàn)一定夾角
通過研究發(fā)現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)的旋流器更有利于相分隔的形成，它使流體通過改變流動方向產(chǎn)生切向速度,從而產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下,氣體一般以連續(xù)氣柱的形式集中在管中心，周圍為連續(xù)液相,液相呈環(huán)形流動,形成旋流核心環(huán)狀流管內(nèi)相分隔后電磁流量測量原理如圖3所示。
理論，上，如果切向速度軸對稱且不衰減,切向速度不影響電極.上的電勢，則切向速度不會影響電磁流量計的輸出,式(2)也適用于旋轉(zhuǎn)核心環(huán)形。因此，環(huán)狀流中使用電磁流量計測量流量的計算式見式(3)
式中:Q為流體總的體積流量,m2/s。
2實驗裝置和方法
實驗在空氣-水兩相流實驗回路中進行,以驗證所提出的測量方法的可行性。實驗環(huán)路及實驗段布置如圖4所示，在實驗段安裝了旋流器和電磁流量計。
利用圖像處理技術(shù)，提取環(huán)狀流的相界面，進而計算空隙率,圖像采集原理如圖5所示。圖像采集過程中,采用背光光源照射法,使用高速攝像儀采集照片，高速攝像儀型號為NACMEMRECAMfxK3,像素為480×640。在每種工況下,以500Hz的頻率采集2s,共1000張照片取氣柱直徑平均值作為計算截面相含率的值。本研究采用相分離法實現(xiàn)的旋流核心環(huán)空流動中氣液界面清晰光滑(結(jié)構(gòu)見圖6),從而降低了圖像處理的難度并減小了空隙率的測量誤差。
3實驗結(jié)果與分析
3.1實驗流型觀察
針對氣液兩相來流分別為細泡狀流、塞狀流和彈狀流時，實驗過程中觀察了旋流器上下游流型的演變，旋流器前后的流型變化如圖7所示。從圖7可以看出,在各人口流型下,都可以形成旋流核心環(huán)空流動結(jié)構(gòu)。當(dāng)入口流型為細泡狀流時,旋流器下游的氣柱直徑保持相對穩(wěn)定值;當(dāng)人口流型為塞狀流時,旋流器下游的氣柱直徑保持相對穩(wěn)定,與細泡狀流區(qū)別不大;當(dāng)人口流型為彈狀流時,由于截面內(nèi)氣量的劇烈變化導(dǎo)致旋流后氣柱直徑隨氣體體積的增大而增大，但界面仍然清晰。
3.2旋流核心環(huán)空流動的空隙率
螺旋流狀態(tài)下,截面相含率與直線流相比會發(fā)生變化,進而使得兩者之間的液流速度也會不同。圖8示出了在相同的氣液進口流量下,直流環(huán)狀流和旋流環(huán)狀流之間空隙率的變化。從圖8可以看出，在旋流作用下,會使得空隙率的變化范圍減小。在彈狀流來流時,旋流使得空隙率減小，而對于塞狀流和細泡狀流,旋流會使得空隙率變大。
3.3液體流量測量
為了研究旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流下電磁流量計測量精度,引人了相對誤差,定義為:
式中:ε為相對誤差,%;Dmea為液體體積流量測量值,m3/h;Dref為液體體積流量參比值,m3/h。
為了正確多次測量下電磁流量計測量精度,引入了平均全局相對誤差,定義為:
式中:εave為平均全局相對誤差,%;N為取樣個數(shù)。
圖9顯示了不同空隙率流量測量的相對誤差。由圖9可以看出,測量誤差隨著空隙率增加而增加,且具有很強的規(guī)律性。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是因為與單相流相比，旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流中存在不導(dǎo)電氣芯,使導(dǎo)電相流通截面發(fā)生改變,由單相流中的圓形變?yōu)閮上嗔髦械沫h(huán)形，造成儀表常數(shù)發(fā)生改變。由圖9還可看出,通過關(guān)于截面相含率的校正，可得到更精確的測量值計算式如下:
圖10為按照圖9的擬合曲線校正后的測量結(jié)果圖。由圖10可以看出,測量值與參比值吻合良好。相對誤差最大不超過士5%，平均誤差為1.1%。綜上所述，可以利用電磁流量計測量旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流中的液體流量。
4結(jié)論與認識
本研究以氣液兩相流為研究對象，提出了一種管內(nèi)相分隔技術(shù)與電磁流量計相結(jié)合的水平管內(nèi)流量測.量新方法,該方法對于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐具有重大的意義。
(1)從理論上分析了管內(nèi)相分隔與電磁流量計組合測量兩相流中連續(xù)導(dǎo)電相流量的方法,采用空氣-水兩相流實驗驗證了該方法在一-定范圍內(nèi)可正確測量出.連續(xù)導(dǎo)電相的流量,具有實用價值。
(2)針對兩相流不穩(wěn)定流的特點,采用旋流片作為管內(nèi)相分隔裝置,實驗觀察了旋流器前后的流型變化，即將管內(nèi)細泡狀流、塞狀流和彈狀流整流成單--穩(wěn)定的環(huán)狀流:密度較小的氣相集中于管道中心，而密度較大的液相則圍繞氣相和管壁形成環(huán)狀體,氣液相之間界面清晰,形成管內(nèi)相分隔狀態(tài)，為后續(xù)圖像處理測量空隙率提供條件。
(3)針對含有少量氣體的連續(xù)水相導(dǎo)電流體，引入空隙率修正了電磁流量計公式,建立了液相流量測量模型為了驗證該方法的可行性,在不同的氣液流量范圍內(nèi)進行了一系列實驗,在管內(nèi)相分隔狀態(tài)下,利用電磁流量計的液相測量相對誤差在士5%以內(nèi).
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