專利名稱：基于截面測(cè)量的氣液兩相流測(cè)量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氣液兩相流測(cè)量方法及裝置，屬于流體計(jì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于電學(xué)敏感原理的過程層析成像技術(shù)、差壓流量測(cè)量技術(shù)及過程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)。
背景技術(shù)：
管路內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)工況在石油、化工、能源動(dòng)力、冶金等工業(yè)是經(jīng)常遇到的。將成熟的單相流量檢測(cè)技術(shù)與測(cè)量儀表應(yīng)用于兩相流參數(shù)測(cè)量受到廣泛的研究，其中，節(jié)流裝置以其自身的特點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于兩相流量的測(cè)量。如，采用文丘里管對(duì)汽/水兩相流的測(cè)量，采用孔板進(jìn)行過空氣/水兩相流量的研究。隨著對(duì)節(jié)流裝置類型研究的不斷深入，二十世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)了一種新型V形內(nèi)錐式流量計(jì)，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(nèi)邊壁，通過測(cè)量V形錐體前后的差壓來測(cè)量流量。這種V形內(nèi)錐式流量計(jì)為差壓式流量計(jì)揭開了嶄新的一頁。經(jīng)過10多年來的研究測(cè)試和應(yīng)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(shí)踐證明利用V形內(nèi)錐流量計(jì)能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對(duì)潔凈或臟污流體實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確更有效的流量測(cè)量。將內(nèi)錐流量計(jì)運(yùn)用到多相流測(cè)量必將是未來的一個(gè)很好的方向。為了使V形內(nèi)錐這一新型的節(jié)流裝置能夠運(yùn)用于我國的工業(yè)技術(shù)中。
基于電學(xué)敏感原理的過程層析成象技術(shù)將傳統(tǒng)的對(duì)過程參數(shù)的單點(diǎn)、局部的測(cè)量，發(fā)展為多點(diǎn)、截面分布式的測(cè)量；它在不破壞、干擾流體流動(dòng)的情況下，獲得管道或設(shè)備內(nèi)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(duì)基于熱動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)原理建立的過程、設(shè)備模型的證實(shí)提供一種方便的手段；還可以為優(yōu)化過程設(shè)備及裝置的設(shè)計(jì)，改進(jìn)過程工藝，實(shí)現(xiàn)兩相/多相流體輸送，反應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)過程的調(diào)整與控制提供全面、準(zhǔn)確的信息和輔助的研究手段。特別是由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快和成本低等特點(diǎn)，取得了較快的發(fā)展，目前，已進(jìn)入到工業(yè)應(yīng)用研究階段。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種與現(xiàn)有的氣液兩相流測(cè)量方法，更為精確的一種氣液兩相流測(cè)量方法，并提供一種采用此種測(cè)量方法的測(cè)量裝置。
本發(fā)明提出的氣液兩相流的測(cè)量方法，包括下列步驟1)利用設(shè)置在管道內(nèi)的電學(xué)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(jìn)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(nèi)的流型及截面含氣率α；2)利用設(shè)置在管道內(nèi)的壓力傳感器獲取兩相流在管道內(nèi)的壓力P；3)利用V形內(nèi)錐式節(jié)流元件，并經(jīng)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(cè)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(nèi)的壓力P、溫度T計(jì)算工作條件下的氣體密ρG；6)通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定V形內(nèi)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(jì)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(zhì)量流量公式QM=CA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG]]]>計(jì)算兩相混合質(zhì)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(zhì)量流量和干度x，分別計(jì)算氣相質(zhì)量流量和液相質(zhì)量流量。
本發(fā)明同時(shí)提供一種采用上述測(cè)量方法的氣液兩相流的測(cè)量裝置在計(jì)量管道上依次設(shè)有電學(xué)層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內(nèi)錐式節(jié)流元件，與節(jié)流元件配套設(shè)置差壓變送器，在計(jì)量管道內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器，所述的各個(gè)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(jì)算機(jī)。
本發(fā)明結(jié)合了基于電學(xué)敏感原理的過程層析成像技術(shù)和V形內(nèi)錐流量計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)氣/液兩相流流量的測(cè)量，基于電學(xué)敏感原理的過程層析成象技術(shù)將傳統(tǒng)的對(duì)過程參數(shù)的單點(diǎn)、局部的測(cè)量，發(fā)展為多點(diǎn)、截面分布式的測(cè)量，在不破壞、干擾流體流動(dòng)的情況下，獲得管道或設(shè)備內(nèi)部兩相的二維/三維分布信息；而基于V形內(nèi)錐的計(jì)量技術(shù)，能在更短的直管段條件下和很少破壞流體流動(dòng)的情況下，以更寬的量程比對(duì)潔凈或臟污流體實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確更有效的流量測(cè)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(bǔ)償功能、測(cè)量精度高、可靠、可獲取測(cè)量信息多、成本低、使用范圍廣等特點(diǎn)。本發(fā)明可適用于石油、化工、能源動(dòng)力、冶金等行業(yè)中氣液兩相流系統(tǒng)的測(cè)量。


附圖1為本發(fā)明的氣液兩相流測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)圖。
其中1-計(jì)量管道；2-電學(xué)層析成像傳感器陣列；3-壓力傳感器；4-V形內(nèi)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(jì)算機(jī)。
附圖2為工作溫度為30℃，工作壓力為0.15386-0.18067MPa范圍內(nèi)的修正系數(shù)θ與工作壓力的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
以下通過附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
氣液兩相流的測(cè)量裝置有計(jì)量管道1，在計(jì)量管道1上依次設(shè)有電學(xué)層析成像傳感器陣列2；壓力傳感器3；V形內(nèi)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(jì)算機(jī)9。
被測(cè)氣液兩相流進(jìn)入計(jì)量管道1，電學(xué)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(cè)量電壓信號(hào)并經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡一6送到計(jì)算機(jī)9。壓力傳感器3用來檢測(cè)兩相流工作壓力并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)采集卡二8送到計(jì)算機(jī)9。差壓傳感器7與V形內(nèi)錐式節(jié)流元件4配套安裝，差壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二8送入計(jì)算機(jī)9。溫度傳感器5用來檢測(cè)兩相流體溫度并將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)電信號(hào)經(jīng)采集卡二8送到計(jì)算機(jī)9。在計(jì)算機(jī)9中設(shè)有存儲(chǔ)模塊，存儲(chǔ)V形內(nèi)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(shí)驗(yàn)標(biāo)定所獲得的在不同流型下的V形內(nèi)錐的修正系數(shù)，以及氣液兩相流模型及其計(jì)算式等數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)9實(shí)時(shí)處理經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡一6傳來的信號(hào)，獲得兩相流的截面含氣率及流型；實(shí)時(shí)處理經(jīng)采集卡二8傳來的信號(hào)，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(dòng)工作狀態(tài)下V形內(nèi)錐的修正系數(shù)和兩相流模型及其計(jì)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(nèi)錐流量計(jì)，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(duì)潔凈或臟污流體實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確、更有效測(cè)量的特性，這一特性非常適合兩相流的測(cè)量。
兩相流經(jīng)過電學(xué)層析成像傳感器陣列時(shí)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡一6采集到的邊界電壓信號(hào)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(cè)量截面的成像結(jié)果。有關(guān)電學(xué)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(shù)，可以參見董峰等人已發(fā)表的論文《化工自動(dòng)化及儀表》2001年第28卷第6期“電阻層析成像技術(shù)在兩相管流測(cè)量中的應(yīng)用”；《自動(dòng)化儀表》2002年第23卷第7期“電阻層析成像(ERT)技術(shù)在識(shí)別兩相流流型中的應(yīng)用”；《天津大學(xué)學(xué)報(bào)》2004年第37卷第6期“應(yīng)用電阻層系成像技術(shù)測(cè)量垂直管道氣/液兩相流分相含率”；《儀器儀表學(xué)報(bào)》2004年第25卷第4期“基于ERT技術(shù)的垂直管道流型識(shí)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(shí)施例采用的電學(xué)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(guān)兩相流流動(dòng)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(guān)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(jīng)過V形內(nèi)錐節(jié)流元件時(shí)，受氣液兩相體積比變化的影響流型不同，其流動(dòng)過程可以應(yīng)用修正的分相流動(dòng)模型描述。根據(jù)修正的分相流動(dòng)模型所建立的節(jié)流元件孔板或丘里管測(cè)量氣/液兩相流的林宗虎關(guān)系式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，修正系數(shù)僅與氣液兩相密度比有關(guān)，與氣相或液相流量無關(guān)，可以根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和標(biāo)定。由于V形內(nèi)錐的測(cè)量原理與其他節(jié)流裝置(如孔板、文丘里等)相同，所以本實(shí)施例將用于孔板和文丘里流量計(jì)測(cè)量氣液兩相流流量的林宗虎關(guān)系式推廣到V形內(nèi)錐流量計(jì)。
兩相流總流量計(jì)算式QM=ϵCA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG---(1)]]>式中，QM為總質(zhì)量流量，ε為被測(cè)介質(zhì)可膨脹系數(shù)，C為V形內(nèi)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(nèi)錐產(chǎn)生的差壓，ρL為液體密度，ρG為氣體密度，β為V形內(nèi)錐等效直徑比，x為干度，θ為V形內(nèi)錐修正系數(shù)。
對(duì)于流出系數(shù)C及其V形內(nèi)錐修正系數(shù)θ可由實(shí)驗(yàn)獲得，按照修正的分相流動(dòng)模型，氣相為不可壓縮。應(yīng)用中氣相在工作條件下由于工作壓力變化的量遠(yuǎn)小于工作壓力的絕對(duì)值，可認(rèn)為氣相為不可壓縮流體，則ε＝1。則公式(1)轉(zhuǎn)換為QM=CA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG]---(2)]]>流出系數(shù)C及其V形內(nèi)錐修正系數(shù)θ均可由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定獲得，已知干度x，即可求得氣液兩相流的混合質(zhì)量流量，再根據(jù)混合質(zhì)量流量與分相流量的關(guān)系即可求得氣液各相的質(zhì)量流量。本實(shí)施例關(guān)鍵步驟如下(1)V形內(nèi)錐流出系數(shù)C的標(biāo)定流出系數(shù)C是節(jié)流裝置中最重要的一個(gè)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(dòng)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(guān)。流出系數(shù)C的一個(gè)重要特性是當(dāng)流體的雷諾數(shù)大于臨界值時(shí)(一般為進(jìn)入湍流狀態(tài)時(shí))，C保持常數(shù)。
由于V形內(nèi)錐式節(jié)流元件并不是標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，因此其流出系數(shù)C需要通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定。按照修正的分相流動(dòng)模型假設(shè)，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(jìn)行標(biāo)定，并比較標(biāo)定結(jié)果差別程度。實(shí)際標(biāo)定中所獲得的兩相標(biāo)定結(jié)果相近，可取其平均值作為V形內(nèi)錐的流出系數(shù)C。確定C值可按照GB/T 2624(或ISO 5167)對(duì)于流出系數(shù)標(biāo)定的相關(guān)規(guī)定C=Qm1-β4π4d22ΔPρ---(3)]]>式中，Qm為單相流體的質(zhì)量流量。ΔP為單相流體流過節(jié)流元件產(chǎn)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(nèi)錐修正系數(shù)θ的確定在V形內(nèi)錐節(jié)流元件中，對(duì)應(yīng)每一個(gè)工作壓力點(diǎn)，分別設(shè)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(cè)得ΔPG(氣相單獨(dú)流過產(chǎn)生的差壓)、ΔPL(液相單獨(dú)流過產(chǎn)生的差壓)和ΔPM(兩相混合后同時(shí)流過時(shí)產(chǎn)生的差壓)，整理成馬蒂內(nèi)里(Martinelli)參數(shù) 和 以 為橫坐標(biāo)， 為縱坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，其斜率為對(duì)應(yīng)該工作壓力點(diǎn)(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(nèi)的修正系數(shù)θ與工作壓力的關(guān)系曲線。
(3)兩相流中氣體密度ρG的確定由于計(jì)量管道比較短，可認(rèn)為整個(gè)計(jì)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(shí)的氣體密度ρG=PT0ρG0P0T---(4)]]>式中，P0和T0為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的壓力和溫度(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，273.15K)；ρG0為標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(guān)鍵步驟(2)和公式(4)可獲得所對(duì)應(yīng)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(zhì)量流量；進(jìn)一步可得氣相質(zhì)量流量QG＝QM·x； (6)液相質(zhì)量流量QL＝QM·(1-x)。 (7)
權(quán)利要求
1.一種氣液兩相流的測(cè)量方法，其特征在于，包括下列步驟1)利用設(shè)置在管道內(nèi)的電學(xué)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(jìn)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(nèi)的流型及截面含氣率α；2)利用設(shè)置在管道內(nèi)的壓力傳感器獲取兩相流在管道內(nèi)的壓力P；3)利用V形內(nèi)錐式節(jié)流元件，并經(jīng)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(cè)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(nèi)的壓力P、溫度T計(jì)算工作條件下的氣體密ρG；6)通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定V形內(nèi)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(jì)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(zhì)量流量公式QM=CA2ΔPMρL1-β4[(1-x)θ+xρL/ρG]]]>計(jì)算兩相混合質(zhì)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(zhì)量流量和干度x，分別計(jì)算氣相質(zhì)量流量和液相質(zhì)量流量。
2.一種氣液兩相流的測(cè)量裝置，其特征在于在計(jì)量管道上依次設(shè)有電學(xué)層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內(nèi)錐式節(jié)流元件，與節(jié)流元件配套設(shè)置差壓變送器，在計(jì)量管道內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器，所述的各個(gè)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(jì)算機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣液兩相流測(cè)量裝置及其測(cè)量方法，屬于流體計(jì)量測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的測(cè)量裝置，在計(jì)量管道上依次設(shè)有電學(xué)層析成像傳感器陣列、壓力傳感器、V形內(nèi)錐式節(jié)流元件計(jì)，與節(jié)流元件配套設(shè)置差壓變送器，在計(jì)量管道內(nèi)還設(shè)置有溫度傳感器，所述的各個(gè)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(jì)算機(jī)。本發(fā)明同時(shí)提供一種此裝置所采用的測(cè)量方法。本發(fā)明利用單相流測(cè)量儀表及基于電學(xué)敏感原理的過程層析成象技術(shù)解決了工程上難以解決的氣液兩相流測(cè)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(bǔ)償功能、測(cè)量精度高、可靠、可獲取測(cè)量信息多、成本低、使用范圍廣等特點(diǎn)，可用于石油、化工、能源動(dòng)力、冶金等行業(yè)中氣液兩相流系統(tǒng)的測(cè)量。
文檔編號(hào)G01F1/74GK1963403SQ20061012978
公開日2007年5月16日 申請(qǐng)日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者董峰, 胡俊 申請(qǐng)人:天津大學(xué)