基于流型的文丘里管二相流量测量方法

　　气液二相流广泛存在于能源、石化等领域中,二相流量测量一直没有得到很好解决[1]。对节流装置的单相流量公式利用混合密度替换单相密度得到的均相流量公式,可以测量速度滑移较小的二相流动,当速度滑移变大,测量误差增加[2]; Chisholm的流量公式理论上对所有情况均适用[3],但测量精度变化较大;Zhang[4]初步考虑二相流型影响,使测量精度提高;还有一些流量经验公式针对含气体积分数大于0. 9的二相流动[2, 5—8],测量误差超过0. 1。因此,需要研究流型对流量测量的影响。James的流量公式是较早的均相流模型公式,其后的均相流模型公式多借鉴James的测量思路。

　　本文用其分析测量误差,对提高其他均相流模型公式的测量精度有指导和借鉴意义。本文在借鉴已有研究方法的基础上[9—11],从差压信号中提取波动系数来表征二相波动程度。并针对特定的流型和流量公式进行修正,来提高测量精度。

　　1　试验设备

　　图1为试验原理图,水经水泵进入水稳压罐,通过电磁流量计测量流量,再进入混合器与空气混合。空气经空压机进入空气稳压罐,在稳压罐出口测量压力、温度和流量,然后进入混合器与水混合。二相混合物通过观察段识别流型,然后测量压力、温度和二相流的差压,最后流入水池。将二相流压力、温度和差压转换为标准电信号后由工控机采集,采样频率为200Hz。

　　试验使用25 mm和40 mm管径的文丘里管,孔径比分别为0. 676 964和0. 576 77,水通过文丘里管的流出系数为0. 961 8和1. 014 9。水压力0. 2—0. 4MPa,水流量0. 64—19 m3/h,空气压力0. 2—0. 4MPa,文丘里管入口空气流量0—70 m³/h,水密度为998 kg/m³。

　　2　试验原理

　　假设气液二相流通过水平文丘里管收缩段时无速度滑移,瞬时体积流量相等。由伯努利方程可知

　　式中,v为二相流混合速度,p为绝对压力,α为文丘里管收缩段平均截面含气率,ρL,ρg分别为液相流体和气相流体密度。下标1和2分别为文丘里管入口和喉部,i为第i次采样。设孔径比βv₂=v1/v2,差压Δpi=p1i-p2i,则式(1)可以整理为

　　式中,β为含气体积分数,ΔpTP为平均差压。

　　合并式(3)和式(4)可得波动系数ζ为

　　对于单相流,流动越不稳定,瞬时差压变化越大,波动系数越偏离1。对于二相流,气液二相流动越不稳定,流动状态差异越大,截面含气率和瞬时差压变化越大,波动系数越偏离1;当二相流动状态为均匀流动时,波动系数为1。因此,波动系数表示流体的差压波动和流动状态偏离均匀流动的程度。