气液两相流体流量或质量含气率的液体取样测量方法

　　引　言

　　气液两相流广泛存在于石油、化工、核能等许多工业领域,在两相流系统中多相流体的流量测量是难以回避的,也是至今未能很好解决一个难题。Falcone,Alvaro,Hewitt,林宗虎等人对多相流量测量进展进行了回顾[1~4]。与单相流相比,两相流体的一个显著特征就是流动具有强烈的波动性,气液两　相在管道截面的分布形式即流型随着气液相流量的改变不断变化,不同流型间的相态分布特征和流体动力学特性有很大差别,导致工作在两相流体中的仪表输出信号受流型等参数的影响波动性大,测量精度低。有些在线多相流量测量技术采用人工神经网络等非线性信号处理技术来预测多相流量[5],缺乏坚实的理论基础,严重依赖训练样本的范围、数量及精度,在使用过程中还需要进行频繁标定。另外,基于射线吸收原理的多相计量方法还存在对环境和人员潜在的威胁[6]。为了改善两相流量测量的可靠性和精度,王栋提出了利用T型三通的相分离特性,从被测气液两相流体中分流出一部分单相气体,通过测量这部分单相气体的流量确定被测气液两相流体的流量或干度的计量方法[7],由于测量仪表工作在单相气体环境条件下,测量稳定性有了很大提高。但由于气体的密度随温度压力变化,容易造成取样气体质量流量的测量精度偏低。为此,本文提出了基于液体取样的多相流量测量方法,根据取样液体流量确定主管被测两相流体流量或质量含气率。

　　1　流量和质量含气率测量原理

　　上游来的气液两相流体经过特殊设计的液体取样器后,被分成两部分,一部分液相进入液体取样回路;另一部分两相流体沿原来路线流入直通回路。在直通回路和分流回路上各设置一个阻力调节孔板,用于调节两回路间的流量分配。如果确定了进入取样回路的液相质量流量与主管路质量流量或质量含气率的关系,通过测量取样回路的液相质量流量就可以测量主管路的流量或干度大小。下面为具体推导过程。

　　进入取样回路的基本全为单相液体,阻力主要集中在节流孔板上,单相液体通过取样孔产生的压降ΔP3为:

　　对于直通回路,阻力损失也主要集中于孔板上,计算气液两相流通过直通回路产生的压降ΔP2可以采用林宗虎孔板公式[8]:

　　以上两式中:ΔP3,ΔP2—取样回路和直通回路压力降,Pa;M3—取样流体质量流量,kg/s;M2—直通回路的气液两相质量流量,kg/s;ρL,ρG—液、气相密度,kg/m3;β—孔板直径与管径之比;Ψ—孔板热膨胀系数;C—孔板流出系数;A2,A3—取样回路和直通回路孔板的孔口截面积,m2;θ—校正系数,与气液相密度比有关。下标3表示取样回路,下标2表示直通回路。