1引言
對(duì)氣液兩相流量測(cè)量方法的研究,一直是國(guó).內(nèi)許多學(xué)者的工作重點(diǎn)。由于氣液兩相流量計(jì)量不同于單向流,因此對(duì)其流量的測(cè)量又分為單參數(shù)測(cè)量和雙參數(shù)測(cè)量。其中比較典型的單參數(shù)測(cè)量方法有Lin模型、三通模型、Yue模型等，然而大多數(shù)情況,對(duì)氣液兩相流量計(jì)量需要雙參數(shù)計(jì)量,如凝析天然氣在輸送過(guò)程中的計(jì)量問(wèn)題,從而雙參數(shù)計(jì)量對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有更重要的意義。
氣液兩相流量的雙參數(shù)測(cè)量方法較多,按其測(cè)量方法大致可分為分流分相法、單相流量計(jì)組合法、軟測(cè)量方法、利用差壓脈動(dòng)特性測(cè)量法。其中利用差壓脈動(dòng)特性測(cè)量法,是由單一孔板節(jié)流件,完成的雙參數(shù)測(cè)量,這在國(guó)內(nèi)眾多雙參數(shù)測(cè)量方法中是比較有特色的。但由于標(biāo)準(zhǔn)孔板的節(jié)流損失較大,而且孔板銳邊易磨損和堵塞等缺點(diǎn),限制這一方法在某些領(lǐng)域的應(yīng)用。基于以上原因,本文對(duì)標(biāo)準(zhǔn)孔板進(jìn)行了改進(jìn),并結(jié)合此測(cè)量方法,實(shí)現(xiàn)了汽液兩相流量雙參數(shù)測(cè)量。
2流量測(cè)量理論模型
2.1測(cè)量模型1
氣液兩相流量雙參數(shù)測(cè)量模型為:
式中x一干度
A一孔板流通面積,m2
W一質(zhì)量流量,kg/h.
g、l一氣相、液相
ρ一密度,kg/m³
C一流出系數(shù)
√△p一孔板兩側(cè)的壓差方根
θ一孔板的相分離系數(shù),是ps/pt和孔徑比β的函數(shù);由試驗(yàn)確定
√△p0一壓差方根噪聲幅值
2.2測(cè)量模型2
根據(jù)文獻(xiàn)01],申國(guó)強(qiáng)在總結(jié)各種流型下的
孔板壓差數(shù)據(jù)得出:
同樣運(yùn)用單一-節(jié)流件,完成了氣液兩相流量的雙參數(shù)測(cè)量。
2.3.2種測(cè)量模型對(duì)比分析
對(duì)比兩種測(cè)量方法可以看出,雖然它們表達(dá)式不同,但都是通過(guò)壓差脈動(dòng)特性得出的測(cè)量模型,測(cè)量機(jī)理是相似的。結(jié)合式（2）和式（11）整理得:
因?yàn)槭剑?）和（10）有著非常相似的數(shù)學(xué)表達(dá)式,根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識(shí)可知它們是有聯(lián)系的,圖3可知,這兩張圖的中的R和x及B和x的對(duì)應(yīng)關(guān)系基本一致,所以由B代替R時(shí),認(rèn)為它會(huì)影響θ的取值但不會(huì)對(duì)其變化趨勢(shì)帶來(lái)過(guò)大的波動(dòng)。鑒于本文是研究θ值的影響因素,這里假設(shè)R=B。如果按照文獻(xiàn)（10）的方法,那么在此試驗(yàn)數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)參數(shù)θ應(yīng)為一定值。通過(guò)式（1）計(jì)算得到的θ值,以及用此測(cè)量值計(jì)算的干度值和相對(duì)誤差如表2所示。
觀察表2可以看出θ的測(cè)量值并不是一-定值,而且應(yīng)用θ的平均值代入式（1）得出的干度測(cè)量相對(duì)誤差很大,根本滿足不了工業(yè)生產(chǎn)的要求。但是在表2中發(fā)現(xiàn)在干度大于0.6時(shí)，θ的取值和干度小于0.6時(shí)的取值相差很多,但在各自的區(qū)間上θ的變化并不劇烈。通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)01]中的圖4和文獻(xiàn){14}中的圖3可知，在干度介于0.6兩側(cè)時(shí)R和x及B和x的函數(shù)關(guān)系明顯不同。于是,從新以干度0.6為分界線分別求θ的平均值,然后根據(jù)式（1）求得干度相對(duì)測(cè)量誤差≤±6.2%。經(jīng)過(guò)以上分析可以得出,文獻(xiàn)[7]的測(cè)量方法是正確的而且在干度變化不大的情況下，θ的取值基本不受干度的影響。在文獻(xiàn)10]中同時(shí)給出了√△Po和σ(√△P)在本質(zhì).上無(wú)區(qū)別的結(jié)論，因此測(cè)量方法不僅適用于孔板,對(duì)其它節(jié)流件仍然適用。根據(jù)兩種測(cè)量方法的機(jī)理知，文獻(xiàn)8]的測(cè)量模型應(yīng)用于其他節(jié)流件也是適用的。而且由式（10）和文獻(xiàn)11]中的圖4可以看出,這種計(jì)量方法相對(duì)簡(jiǎn)單,在干度小于0.2時(shí)B和x基本是線性關(guān)系。這對(duì)于氣液兩相流量測(cè)量?jī)x表的實(shí)現(xiàn)是非常有利的。所以運(yùn)用此方法,并且更換節(jié)流件,完成單一節(jié)流件的氣液兩相流量雙參數(shù)測(cè)量是可行的。
3錐形孔板的設(shè)計(jì)
對(duì)于差壓式流量計(jì)來(lái)說(shuō),不同節(jié)流件的選取,直接影響其性能的好壞。作為常用節(jié)流件的標(biāo)準(zhǔn)孔板,由于其易于安裝,生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn),導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)大約70%的差壓式流量計(jì)是以它作為節(jié)流件。但隨著能源問(wèn)題的出現(xiàn),因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)的原因?qū)е鹿?jié)流損失較大,越來(lái)越多的行業(yè)已經(jīng)放棄了它的使用。如圖1示出孔板改進(jìn)前后流體流動(dòng)方向?qū)Ρ取膱D1中可以看出通過(guò)對(duì)垂直入口進(jìn)行改進(jìn)后,得到的孔板流出特性較好,具有防堵、節(jié)流損失小等優(yōu)點(diǎn)。為了確定的入口錐.角,本文通過(guò)數(shù)值模擬的方法,對(duì)3種不同入口錐角的錐形孔板進(jìn)行管內(nèi)數(shù)值模擬。得出不同入口錐角的錐形孔板流出系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系圖,如圖2所示。從圖中可以得出,隨著入口錐角的減小，流出系數(shù)會(huì)增大,但增大趨勢(shì)減弱。根據(jù)文獻(xiàn)[15],一味的增大流出系數(shù)和減小壓損,可能會(huì)造成計(jì)量精度的下降。
最終確定以入口錐角為30°的錐形孔板為試驗(yàn)節(jié)流件。
4試驗(yàn)部分
4.1試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)條件
試驗(yàn)是在東北電力大學(xué)氣液兩相流試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的,試驗(yàn)介質(zhì)為空氣和水,試驗(yàn)錐形孔板孔徑比為0.67,前錐角等于30°,后錐角等于45°,過(guò)度平臺(tái)長(zhǎng)度為2m,管徑d為30m,取壓方式為,環(huán)室角接取壓。試驗(yàn)流程如圖3所示。試驗(yàn)參數(shù)范圍:壓力:209~260kPa;質(zhì)量含氣率:0.00021~0.028;溫度:13~15℃;總質(zhì)量流量3224~11546kg/h。采樣頻率為256Hz,采樣時(shí)間16s。
4.2試驗(yàn)結(jié)果與分析
根據(jù)測(cè)量方法,要想進(jìn)行流量的測(cè)量,首先得求出錐形孔板的流出系數(shù)和林氏模型θ1的關(guān)系式,表3是以水為介質(zhì)得出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。
得出錐形孔板流出系數(shù)值為0.84。對(duì)比圖2可以看出,這一結(jié)果和模擬結(jié)果很相近。說(shuō)明數(shù)值模擬方法在改進(jìn)節(jié)流件性能時(shí)有很好的指引效果。同時(shí)在本試驗(yàn)條件下,得出了50組氣液兩相流量測(cè)量數(shù)據(jù)。根據(jù)林氏模型θ1是氣液密度比.的函數(shù),基于本試驗(yàn)溫度變化較小，所以以壓力對(duì)θ1進(jìn)行多項(xiàng)式擬合得到:
通過(guò)測(cè)量50組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的B和x,得到B和x的關(guān)系,如圖4所示。由圖4可以看出，B和x呈現(xiàn)單值函數(shù)關(guān)系，而不是線性關(guān)系,而且B的取值和文獻(xiàn)[1]中的相比波動(dòng)很大。出現(xiàn)這一結(jié)果的主要原因,應(yīng)該是本文的試驗(yàn)范圍的不同。由于在干度大于0.1時(shí),氣液兩相流動(dòng)主要呈現(xiàn)的是環(huán)狀流,此種流型下,液相會(huì)在管壁處形成液膜,而夾帶液滴的氣相在管道中部高速流動(dòng)，導(dǎo)致了汽液兩相流動(dòng)過(guò)程的壓差波動(dòng)性降低。而在本文試驗(yàn)過(guò)程中,汽液兩相流動(dòng)隨著干度的增大,主要表現(xiàn)出氣泡流、塞狀流、彈狀流、波-彈混狀流。根據(jù)B的計(jì)算式可知,當(dāng)壓差波動(dòng)越劇烈時(shí)B的取值越大,因此流型的變化是導(dǎo)致文獻(xiàn)11]和本文結(jié)果不同的根本原因。
干度測(cè)量誤差的形成,可能是由于汽液兩相流動(dòng)具有一定的隨機(jī)性,即使干度相同時(shí),其它參數(shù)如:壓力、溫度等的微小變化也可能導(dǎo)致局部流動(dòng)型態(tài)的變化，從而引起壓差脈動(dòng)幅值的變化。所以對(duì)于同一千度也會(huì)產(chǎn)生測(cè)量誤差。另外文獻(xiàn)01]中的測(cè)量方法認(rèn)為壓差瞬時(shí)參數(shù)與時(shí)均參數(shù)的規(guī)律相同,而并未嚴(yán)格證明,這也可能是測(cè)量誤差形成的原因。
由式（11）、（16）和（17）計(jì)算得到的流量測(cè)量相對(duì)誤差≤±9.7%,如圖6所示為計(jì)算流量和實(shí).際流量對(duì)比。
本文是通過(guò)壓力對(duì)參數(shù)θ1擬合的，并不是嚴(yán)格以氣液密度比來(lái)擬合θ1,,另外本文試驗(yàn)條件干度小于0.1,氣液兩相流動(dòng)的型態(tài)變化較多,而林氏模型較適合用于干度大于0.1的試驗(yàn)條件,這可能是流量測(cè)量誤差較大的原因。若能基于流型來(lái)擬合θ1,測(cè)量誤差是可以減小的。
5結(jié)論
(1)通過(guò)對(duì)2種測(cè)量模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式及部分試驗(yàn)結(jié)果分析后,得出2種測(cè)量方法是有聯(lián)系的，在較為合理假設(shè)基礎(chǔ)上重新驗(yàn)證了模型1的正確性。由兩者內(nèi)在關(guān)系知,這也能間接證明模型2的合理性;
2)根據(jù)文獻(xiàn)10]中模型應(yīng)用范圍推廣的結(jié)論:,得出文獻(xiàn)[8]的測(cè)量方法同樣適用于其他節(jié)流件;
(3)結(jié)合數(shù)值模擬方法和試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了--種節(jié)流損失小、防堵功能強(qiáng)的錐形孔板并將其應(yīng)用到實(shí)際流量測(cè)量中;
(4)通過(guò)本文試驗(yàn)研究得到了文獻(xiàn)01]中千度小于0.1時(shí)B和x的關(guān)系式,為此種測(cè)量方法應(yīng)用范圍的拓寬提供了參考依據(jù);
(5)在試驗(yàn)條件范圍內(nèi),借鑒文獻(xiàn)11]的測(cè)量方法,同時(shí)，應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的錐形孔板,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用單一節(jié)流件測(cè)量汽液兩相流量的雙參數(shù)測(cè)量。
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