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管內分隔狀態下電磁流量計測量氣液兩相流方法
发布时间:2021-3-8 08:38:02

摘要:針對電磁流量計测量气液两相流时测量精度和稳定性易受流型影响的问题,提出了一种管内相分隔状态下基于電磁流量計的气液两相流测量方法。利用旋流器将不规则的两相流入口流型整形成气芯-水环的对称型环状流,保证了权函数的有序分布,并引入空隙率修正了電磁流量計测量模型,提高了電磁流量計的测量精度。利用空气-水两相流为介质,通过室内实验对该测量方法进行了验证,结果表明,在管内相分隔状态下,電磁流量計的液相测量相对误差在±5%以内。研究结果为工业生产中的气液两相测量提供了一种很好的思路和方法,具有良好的应用价值。
  在工業應用中,兩相流流量測量對于實際工程應用具有重要作用,如石油鑽采工程、石油化工、熱電聯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複雜性及多變性,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的複雜變化,兩相流各種參數的測量都變得極爲困難。因此,准確描述並.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的氣液兩相流流型,在前人的研究基礎之上,對水平管內流型進行了總結和分析,得到水平管內的氣液兩相流流型主要爲細泡狀流動、彈狀流動、分層流動、波狀分層流、塞狀流以及環狀流等[3-]。
  自20世紀以來,氣液兩相在線測量一直是工業生産過程中迫切需要解決的難題,同時研發了大量適用于工業環境中的兩相測量技術。根據在測量過程中兩相流是否進行分離而分爲分離法和非分離法。分離法是將流動的混合物分爲以氣體爲主和以液體爲主的流動,然後進行單相測量.包括重力分離器和導流器等,其優點爲把兩相流體流量測量轉化成了單相流體的流量測量,測量精度高、範圍寬、不受氣液兩相流型變化影響,缺點則爲分離設備體積大、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進行組合測量,以及中子射線和文丘裏管的組合方式,優點爲能夠實時測量兩相流體的流量及相持率等參數,體積小、測量速度快,缺點爲測量的流量及各相持率精度偏低,適用工況受限,需重複標定[5-6]。
  電磁流量計广泛应用于单相流体的流量测量。電磁流量計是利用法拉第电磁感应定律原理测量导电液体的体积流量的仪表。其优点是可测流量范围大,流量范围比值一般为20:1以上。适用工业管径范围.宽,最大可达3m,精确度较高,可测量水、污水、腐蚀性液体等流体流量,不受压力、密度、温度和其他物理参数的影响。因此,采用電磁流量計测量连续相为导电性的两相流的特性成为研究的热门。
  国际及国内虽然对電磁流量計在两相流中的应用进行了大量的理论分析和数值模拟,但是针对水平管内非导电相在空间位置分布对電磁流量計的测量精度等还未进行详细地研究。水平管内非导电性的空间分布受重力、流体物性等影响严重,进而影响了流量计的准确测量。近年来,相关学者提出的相分隔方法12-15]通过对两相混合物施加侧向力,将两相隔离到管内的相应空间,流动过程中两相之间维持非常清晰界面,这将有利于电磁流量测量两相流参数。因此,如果非导电相能在两相流中均匀对称分布,電磁流量計测量将为两相流量测量提供--种有前途的解决方案。同时,在将两相隔离到管内的相应空间,流动过程中两相之间维持非常清晰界面的过程中,采用拍摄及图像处理技术可以实现空隙率的测量。目前,基于图像处理技术已进行了大量的研究[16-18],尤其适用于检测气液界面。
  本研究采用相分隔法组合電磁流量計测量气液两相流量及相持率。在相分隔方法中,采用了旋流器产生离心力,将气液两相不同的人口流型转变为旋流核心环空流,由于其界面清晰光滑,非常有利于图像处理法来测量空隙率。采用实验分析的方式研究并验证了電磁流量計的两相流工作特性。
1測量原理
1.1管內相分隔技術.
  利用管道中的相分隔技術進行整流,可以極大地方便電磁流量及空隙率測量的開展,創造了理想的測.量條件,有利于提高測量的准確性。通過管內相分隔,使兩相流體在各種流型下統--轉變成兩束在管內並行流動的單相流體,兩相之間具有相對清晰的分界面,並能維持足夠長的距離,如圖1所示。與分離不同,相分隔技術並非將兩相分“離”後各自單獨流動,而是通過--系列技術僅將兩相分“隔”並未分“離”,兩相依然同時在一個管內流動,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,使兩相流在管內即可保持有“秩序"的流動,極大地方便了兩相流各個參.數的測量。

1.2气液两相流相分隔状态下電磁流量計测量原理
  電磁流量通常用于測量單相導電流體,計算公式見式(1)

  式中:U爲兩電極間的電位差(與液體的導電性、黏度和壓,力無關),V;B爲磁通強度,T;b爲導電相半徑,m;Qr爲導電液體的體積流量,m3/s。
  对于含有少量非导电介质(如气体或油等)构成的导电流体,電磁流量計仍能继续工作。
  考慮了導電相沿管壁在環形區域流動,絕緣相在同軸芯區流動時,采用電磁流量測量原理,計算公式見式(2)

式中:a爲不導電相半徑,m;α爲絕緣相的空隙率,%。
  在電磁流量計的上游,通过图2所示的旋流器实现相分隔。旋流器由4片沿周向均布的导流片构成,每个导流片平面与管道横截面呈现一定夹角
  通過研究發現,這種結構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産生切向速度,從而産生離心力。在離心力的作用下,氣體一般以連續氣柱的形式集中在管中心,周圍爲連續液相,液相呈環形流動,形成旋流核心環狀流管內相分隔後電磁流量測量原理如圖3所示。
管内相分割后電磁流量計测量原理图示
  理论,上,如果切向速度轴对称且不衰减,切向速度不影响电极.上的电势,则切向速度不会影响電磁流量計的输出,式(2)也适用于旋转核心环形。因此,环状流中使用電磁流量計测量流量的计算式见式(3)

式中:Q爲流體總的體積流量,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,提取環狀流的相界面,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,高速攝像儀型號爲NACMEMRECAMfxK3,像素爲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爲計算截面相含率的值。本研究采用相分離法實現的旋流核心環空流動中氣液界面清晰光滑(結構見圖6),從而降低了圖像處理的難度並減小了空隙率的測量誤差。



3實驗結果與分析
3.1實驗流型觀察
針對氣液兩相來流分別爲細泡狀流、塞狀流和彈狀流時,實驗過程中觀察了旋流器上下遊流型的演變,旋流器前後的流型變化如圖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空流動結構。當入口流型爲細泡狀流時,旋流器下遊的氣柱直徑保持相對穩定值;當人口流型爲塞狀流時,旋流器下遊的氣柱直徑保持相對穩定,與細泡狀流區別不大;當人口流型爲彈狀流時,由于截面內氣量的劇烈變化導致旋流後氣柱直徑隨氣體體積的增大而增大,但界面仍然清晰。

3.2旋流核心環空流動的空隙率
螺旋流狀態下,截面相含率與直線流相比會發生變化,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,直流環狀流和旋流環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範圍減小。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
为了研究旋转环状流下電磁流量計测量精度,引人了相对误差,定义为:

式中:ε爲相對誤差,%;Dmea爲液體體積流量測量值,m3/h;Dref爲液體體積流量參比值,m3/h。

为了准确研究多次测量下電磁流量計测量精度,引入了平均全局相对误差,定义为:

式中:εave爲平均全局相對誤差,%;N爲取樣個數。
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,且具有很強的規律性。導致這種現象的原因可能是因爲與單相流相比,旋轉環狀流中存在不導電氣芯,使導電相流通截面發生改變,由單相流中的圓形變爲兩相流中的環形,造成儀表常數發生改變。由圖9還可看出,通過關于截面相含率的校正,可得到更精確的測量值計算式如下:

图10为按照图9的拟合曲线校正后的测量结果图。由图10可以看出,测量值与参比值吻合良好。相对误差最大不超过士5%,平均误差为1.1%。综上所述,可以利用電磁流量計测量旋转环状流中的液体流量。

4結論與認識
本研究以气液两相流为研究对象,提出了一种管内相分隔技术与電磁流量計相结合的水平管内流量测.量新方法,该方法对于指导生产实践具有重大的意义。
(1)从理论上分析了管内相分隔与電磁流量計组合测量两相流中连续导电相流量的方法,采用空气-水两相流实验验证了该方法在一-定范围内可准确测量出.连续导电相的流量,具有实用价值。
(2)針對兩相流不穩定流的特點,采用旋流片作爲管內相分隔裝置,實驗觀察了旋流器前後的流型變化,即將管內細泡狀流、塞狀流和彈狀流整流成單--穩定的環狀流: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狀體,氣液相之間界面清晰,形成管內相分隔狀態,爲後續圖像處理測量空隙率提供條件。
(3)针对含有少量气体的连续水相导电流体,引入空隙率修正了電磁流量計公式,建立了液相流量测量模型为了验证该方法的可行性,在不同的气液流量范围内进行了一系列实验,在管内相分隔状态下,利用電磁流量計的液相测量相对误差在士5%以内.

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