氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、能源等許多工業(yè)領(lǐng)域，在有兩相流動(dòng)的系統(tǒng)中，兩相流體的流量測(cè)量一般是無法避免的，也是未能很好解決的一個(gè)難題。分流分相法是近年來出現(xiàn)的一種新型多相流量測(cè)量方法，其特點(diǎn)是從被測(cè)兩相流體中取樣分流出一部分兩相流體，將其分離成單相氣體和單相液體，分別用單相流量?jī)x表測(cè)量，然后根據(jù)取樣流體與主流體間的關(guān)系推斷出被測(cè)兩相流體的流量。本文通過管壁取樣和整改入口流型的方法改善了取樣效果，利用分流分相方法實(shí)現(xiàn)了氣液兩相流量的測(cè)量。
旋流型管壁取樣分配器結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理
氣液兩相流在管路中流動(dòng)，其流動(dòng)特性比較復(fù)雜，不同的氣量下形成的流型不同，若只是采取管壁上開孔取樣，會(huì)使得取樣缺乏代表性，不能反映整個(gè)取樣。
截面的氣液相的分布狀況。為了使其不受流型的影響，在設(shè)計(jì)管壁取樣的基礎(chǔ)上，又增加設(shè)計(jì)了整流裝置：旋流葉片和整流器。管線來流經(jīng)過旋流葉片使兩相流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得原來不對(duì)稱分布的液膜、液滴在圓周方向進(jìn)行混合和重新分布，變成一種關(guān)于軸線對(duì)稱的流型，再經(jīng)過整流器的整改，進(jìn)一步改善相分布和速度分布的對(duì)稱性，最終將分層流、段塞流、波浪流以及不對(duì)稱的環(huán)狀流等其它流型轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)稱的環(huán)狀流，使管壁的每一個(gè)小孔取樣均趨于一致，實(shí)現(xiàn)分流系數(shù)的恒定。
實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)圖2中(a)的整流器由于其管線內(nèi)徑較大，而整流器的出口段設(shè)計(jì)的過長(zhǎng)，當(dāng)兩相流經(jīng)過旋流葉片再通過整流器整流后，形成的環(huán)狀流液膜不能緊貼管壁流動(dòng)而是形成一股射流。圖2(b)的整流器雖然較圓柱式整流器的整流效果有所改善，但當(dāng)兩相流中液相流量較大時(shí)，經(jīng)旋流葉片和整流器整流后的環(huán)狀流液膜也并非沿著喇叭口流動(dòng)，而是形成一股射流。為了較好的取樣，把整流器的進(jìn)出口進(jìn)行了改進(jìn)，由圓柱形整改成如圖2(c)所示的圓弧過渡形狀。整流器進(jìn)出口直徑與主管內(nèi)徑相同，緊貼管壁，這樣整流后的環(huán)狀液膜能夠直接沿著管壁流動(dòng)，改善流型的對(duì)稱性使得周向液膜分布更加均勻。
被測(cè)兩相流體的氣相流量 和液相流量 根據(jù)它們與分流體氣液相流量的比例關(guān)系計(jì)算：
式中，M1G為被測(cè)主管氣相流量;M1L為被測(cè)主管液相流量;KG為氣相分流系數(shù)，可用關(guān)系式 表示;KL為液相分流系數(shù)，可用關(guān)系式 表示;M3G為分流體的氣相流量，由氣體流量計(jì)測(cè)量;M3L為分流體的液相流量，由液體流量計(jì)測(cè)量。
實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑80mm，水平布置，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)為空氣和水，經(jīng)泵增壓，調(diào)節(jié)閥調(diào)壓。水由質(zhì)量流量計(jì)計(jì)量，空氣由氣體流量計(jì)計(jì)量，然后氣液在混合器中混合，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)道。氣體流量計(jì)量采用金屬浮子流量計(jì)，液體流量計(jì)量采用Rosemount高準(zhǔn)質(zhì)量流量計(jì)。分流氣體流量計(jì)量采用DY015型數(shù)字式渦街流量計(jì)，分流液體流量通過測(cè)量分離器積液體積間接測(cè)量。為了觀察實(shí)驗(yàn)流動(dòng)情況，加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備均采用有機(jī)玻璃管，玻璃管的設(shè)計(jì)壓力為0.5Mpa。
氣液兩相流體經(jīng)過取樣分配器后，主流體沿原通道繼續(xù)向下游流動(dòng)，最后在臥式分離器中進(jìn)行氣液分離，分離后的液體進(jìn)入儲(chǔ)罐，放空氣體。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)旋流器、整流器和取樣孔的大小方位確定以后，下游的整改效果是隨著氣液流量的變化而變化的。在氣液相流量較小時(shí)，液膜只能覆蓋部分下游管路，不能形成均勻環(huán)狀流，隨著氣、液相流量的增加，整流裝置下游管壁被液膜覆蓋的面積逐漸擴(kuò)大。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，氣相折算速度 大于30.50m/s，液相折算速度 大于0.08m/s時(shí)，出現(xiàn)較完整的環(huán)狀流。逐漸增加氣液相流量，液膜的穩(wěn)定性和對(duì)稱性都會(huì)得到進(jìn)一步改善。隨后，無論旋流器前的流型如何變化，旋流器和整流器下游的流型都保持為環(huán)狀流。
新型工具解決分流系數(shù)大、易堵難題
當(dāng)主管液相流速大于0.08m/s，其液相分流系數(shù)趨向于一個(gè)穩(wěn)定值0.073。當(dāng)液相流速小于0.08m/s時(shí)，其液相分流系數(shù)呈現(xiàn)分散現(xiàn)象，液相分流系數(shù)最大0.079，最小值降到了0.03。液相分流系數(shù)與主管氣相折算速度關(guān)系較小。
氣相流量對(duì)氣體分流系數(shù) 的影響不太明顯， 隨主管液相流量的增大而增大，基本上成線性變化。這是因?yàn)楫?dāng)分流體在通過小孔時(shí)，在分配處造成了兩回路的阻力特性不對(duì)稱。這種不對(duì)稱性越大，造成的氣體分流系數(shù)的變化就會(huì)越大。對(duì)氣相分流系數(shù)曲線進(jìn)行直線擬合，計(jì)算公式為：
(3)
上面的擬合曲線表明，氣相分流系數(shù) 只與液相流量有關(guān)，氣體流量的影響幾乎可以忽略不計(jì)。
為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差大小，對(duì)于氣液相在主管當(dāng)中的質(zhì)量流量利用分流分相法計(jì)算分流系數(shù)的定義式進(jìn)行了計(jì)算，并與主管當(dāng)中通過質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的實(shí)際液相質(zhì)量流量進(jìn)行對(duì)比分析。測(cè)量分流體的液相流量M3L通過體積法測(cè)量，氣體流量M3G采用數(shù)字式渦街流量計(jì)測(cè)量。分別為利用八孔旋流型管壁取樣分配器，采用分流分相法測(cè)得的主管液、氣相質(zhì)量流量與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)值的比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，液相流量測(cè)量平均誤差(相對(duì)誤差的平均值)為2.5%，氣相流量測(cè)量平均誤差為3.5%。
本文提出的旋流型管壁取樣分配器解決了以往分配器存在的分流系數(shù)較大，分配器易堵的問題。通過8孔取樣和增加整流裝置的方法來保證進(jìn)入管壁取樣小孔的氣液兩相流體的代表性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，分配器的液相分流系數(shù)與旋流葉片前的流型無關(guān)，且不隨主管當(dāng)中氣液折算速度的變化而變化，為一恒定值0.073。而氣相分流系數(shù)與主管液相折算速度成線性關(guān)系。利用分流分相法測(cè)得的液相流量測(cè)量相對(duì)誤差最大值為20.35%，氣相流量的最大測(cè)量誤差為20.94%。
在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，氣相折算速度大于30.50m/s，液相折算速度大于0.08m/s時(shí)，才能出現(xiàn)較完整的環(huán)狀流。實(shí)際生產(chǎn)中可能很難達(dá)到如此高的氣相流速，為了擴(kuò)大流量測(cè)量范圍，可以考慮加設(shè)幾組串聯(lián)的旋流葉片以增強(qiáng)旋流效果或改進(jìn)旋流裝置的形式，使得在較小氣液相流量下也能保持穩(wěn)定的液相分流系數(shù)。
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