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基于管壁取样的气液两相流量测量


□ 梁法春 王 栋 林宗虎

  摘 要:为克服传统取样式多相流量测量方法取样口易堵塞的缺点,提出了通过管壁取样测量气液两相流体流量的新方法,管壁四周均匀布置4个直径为2.5mm的取样孔,并在上游采用旋流叶片将来流整改成液膜厚度均匀分布的环状流型,从而增强了取样的代表性,分析表明,取样流体中的液相质量流量与主流体液相质量流量的比值主要取决于取样孔的数目和大小,而取样流体中的气相质量流量与主流体气相质量流量的比值则与主管路液相流量有关,在管径为0.04m的气液两相流实验回路进行的实验表明,在实验范围内液相取样比为0.049,基本不受主管气液相流量波动的影响,能够在宽广的流动范围内维持恒定。液相流量最大测量误差为6.8%,气相流量最大测量误差为8.9%。
  关键词:气液两相流;流量测量;取样
  中图分类号:0359 文献标志码:A 文章编号:0253-987X(2008)01-0052-04
  
  气液两相流广泛存在于石油、化工、能源等许多工业领域,在有两相流动的系统中,两相流体的流量测量一般是无法避免的,也是未能很好解决的一个难题,分流分相法是近年来出现的一种新型多相流量测量方法,其特点是从被测两相流体中取样分流出一部分两相流体,将其分离成单相气体和单相液体,分别用单相流量仪表测量,然后根据取样流体与主流体间的关系推断出被测两相流体的流量,为保证流量测量的精确性,分流出的取样流体与被测两相流体之间必须具有稳定和确定的关系,而实现这一目标的关键在于取样分配器的结构,取样管等传统取样分配器由于取样元件布置在主管内部,取样口极易被流体中高速运动的砂砾、铁屑等杂质颗粒磨蚀损坏,甚至造成取样通道堵塞,如果取样口布置在管壁上,管内机械杂质等由于密度高、动量大,一般直接流入下游管路,很难改变方向进入管壁小孔,然而,气液两相流体通过管壁小孔的流动机理与三通管类似,不可避免地产生相分离,从而导致取样流体组分与主管被测流体之间出现差异,本文通过增加管壁取样小孔数目和整改人口流型改善了取样效果,利用分流分相方法实现了气液两相流量的测量。
  
  1 取样分配器结构及流量测量原理
  
  1.1 取样器结构
  水平管气液两相流由于重力的影响,造成管截面上气液相分布不均匀,即使在环状流型下,液膜沿周向分布也是不一致的,顶部液膜较薄,底部液膜较厚,因此,采用单孔取样方法很难保证取样效果,图1为本文设计的分配器结构示意图,取样孔有4个,直径均为2.5mm,分别布置在主管顶部、底部以及左右两侧,为了消除气液界面波动对取样稳定性的影响,还需对管路上游流型进行调整,通过在取样孔上游布置旋流叶片,将分层流、弹状流以及不对称的环状流等流型转变为对称的环状流,那么管壁各个取样孔所取流体样品将趋于一致,这样,通过流型整改和多方位取样,大大增强了取样的代表性。
    
  1.2流量测量原理
  图2为管壁取样器测量两相流体的原理图,根据分流分相测量原理,通过管壁小孔进入取样回路的液、气相流量与主管液、气相流量具有如下关系
  M1L=M2L/KL
  (1)
  M1G=M3G/KG (2)式中:M3L、M2G分别为进入取样回路的液、气相质量流量,kg/s;M1L,M1G。分别为主管路的液、气相质量流量,kg/s;KL、KG分别为液、气相分流系数(分流系数等于进入分流回路的液、气相质量流量与主管路的液、气相质量流量的比值)。
  分流分相方法并不要求气相分流系数或液相分流系数为固定不变的常数,也不要求气相分流系数和液相分流系数完全相同,只要分流系数能够保持稳定或具有特定的变化关系就能实现气、液相流量的测量。
  
  2 分流系数确定
  
  2.1 液相分流系数
  加上旋流装置后,管路流型调整为液膜厚度均匀的环状流,环状流型下的分流系数可以采用文献[4]提供的方法计算
  KL=nd/πD(1-E)Kd (3)式中:n为取样小孔数;d为取样孔直径;D为主管内径;E为气芯中被夹带的液相占总液相的份额;Kd为分配影响区修正系数,当分配器结构确定后,n、d、D为固定常数,采用旋流叶片后绝大部分液体在离心力作用下贴着管壁流动,气芯中的液相很少,E、接近于0,当液膜分布均匀时液相分配区影响系数受其他因素影响较小,基本趋近一不变常数,因此,当分配器结构确定后,液相分流系数基本能保持定值。
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