利用T型三通测量气液两相流体的流量和干度

　　1　引　言

　　气液两相流是能源动力、石油化工等工业领域常见的流动工况,但气液两相流体的流量测量方法却一直是国际上没有很好解决的一个难题。工程上常用的解决方案仍然是分离法,即首先应用分离设备将气液两相流体分离,成单相流体,然后再用单相流量计进行测量。分离法虽然简单可靠,测量结果不受流型变化等因素的影响,但最大缺点是,分离设备体积庞大,系统造价昂贵,自动化程度低,这些缺点严重地限制了它的广泛应用,从而促使人们转而研制两相流量计以取代传统的分离法,但由于气液两相流体的流动具有强烈的波动性,流型也随流量和组分不断变化,已研制的各种两相流体流量计在测量精度和可靠性等方面至今仍难以完全达到商用仪表的要求[1],作者提出的分流分相法[2~3]为解决这一问题提供了一条新的途径,该方法的主要思路是通过从被测两相流中分流分离出部分单相流体,再由这部分单相流的流量测量值确定被测两相流体的总流量。这样,即可以将两相流体的流量测量转化成单相流体的流量测量,有效克服流动不稳定性及流型变化对测量过程的影响,同时又具有较小的体积,便于制成仪表广泛应用。文中介绍利用T型三通组成这种测量系统的方法,讨论分流系数的特性,并给出实验结果。

　　2　基本原理

　　气液两相流体流过三通管时,不论三通管是T型还是Y型,也不论三通管是垂直放置还是水平放置,两个支管的出口干度都存在明显的差异,这一现象称为三通管相分离现象[4],其中尤以侧支管垂直放置的T型三通(图1)相分离最为明显,当侧支管垂直向上时,侧支管的出口干度X3会明显高于直通支管的出口干度X2;而当侧支管垂直向下时,情况刚好相反。针对侧支管垂直向上布置的T型三通,Seeger[5]给出了如下的相分离计算式:

　　(1)式中,X1和X3分别为主管入口和侧支管的出口干度;G3和G1分别是侧支管和主管入口质量流速。从式中可以看出,T型三通的相分离现象是十分严重的,侧支管内的相对质量流速G3/G1愈低,侧支管内的干度X3就愈高,当侧支管直径一定时,如果G3降到某一临界值,X3会升高到1,再进一步降低G3,X3将保持等于1,式(1)不再成立。为确定上述G3的临界值,Seeger[5]推荐了下面的计算式:

　　式中,G30,x=1为G3的临界值,小于该值时X3等于1;A是与流型有关的系数,对于细泡状流A =0.5,其它流型A=1;g为重力加速度;D为侧支管内径;ρL、ρG分别为液体和气体的密度。由式(2)可知,只要侧支管内的质量流速G3小于G30,x=1,侧支管内的干度X3就能保持等于1,这样,就可以在侧支管回路内安装单相气体流量计测量这部分气体的流量,并根据测量结果计算主管入口的两相流体流量和干度,这就是三通管气液两相流量计的基本原理。