基于锥形孔板压差脉动特性测量湿气流量.pdf

2 2化工机械2 0 1 3 年 基于锥形孔板压差脉动特性测量湿气流量 周云龙+ 1张全厚 刘 博梁育纬2 ( 1 东北电力大学能源与动力工程学院；2 大唐长春热力有限责任公司) 摘要设计了一种具有防堵特性的锥形孔板，在定压条件下结合锥形孔板的压差脉动特性完成了湿 气流量的双参数测量。借鉴压差脉动法测量流量的成熟理论，运用支持向量机以J R 和茗作输入变量、以 干度为输出值，得到了在干度变化较大非定压条件下的干度测量模型。实验结果表明：此种测量方法不 仅适用于湿气工况下干度的测量，同时适用于非湿气工况下气液两相流量的干度测量。 关键词锥形孔板节流件湿气测量 压差脉动 中图分类号T Q 0 5 6 1 + 5文献标识码A文章编号0 2 5 4 _ 6 0 9 4 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 0 2 2 J 0 4 湿气作为一种特殊的气液两相流，广泛存在 于化工、天然气及动力等领域，然而在这些领域生 产中对湿气流量的测量一直是未能很好解决的难 题。寻求一种准确简单的测量方法一直是国内外 学者研究的重点内容。由于湿气是一种两相流， 所以对其流量的测量包括干度或截面含气率等的 测量和总质量流量的测量。针对不同问题研究内 容有所不同，如：A b b a sHAM 和H a s a nGPL o 利用文丘里管作为节流装置通过测量截面含气 率，完成了湿气流量测量。A n d r e ac i o n c o l i n i 和 J o h nRT 。运用一种新的预测方法，在不同介质 和不同管径下实现了截面含气率的测量。国内学 者z h a n gF u s h e n g 等口。运用内锥流量计在高含气 率低压工况下，得到了湿气流量测量的双参数测 量模型。梁法春等H 5 1 设计了一种环状流下的新 型分配器，运用这种分配器可以实现流量计的设 计。还有许多学者一州致力于利用两相流动的 压差脉动特性测量气液两相流量，大部分实验条 件是在湿气的工况下完成的，并得到了较好的实 验结果。鉴于此种方法测量简单同时能完成湿气 的双参数测量，所以笔者选用此方法并利用锥形 孔板来测量湿气流量。 1 锥形孔板的设计 对于压差式流量计，节流件的选取直接影响 流量计的性能。目前应用于两相流量测量中比较 常见的节流件有文丘里管、V 形内锥。、孔 板M 1 及槽式孔板等。但由于孑L 板易于安装、生 产成本低且维修方便，导致目前国内7 0 的压差 式流量计是以它作为节流件，而且在湿气测量引 方面它也得到了很好的应用。但在湿气测量中占 重要低位的天然气计量，采用孔板作为节流件，便 不太合适。因为凝析天然气气井中有发泡剂、防 冻剂及缓蚀剂等杂质，除对孔板节流件的锐角有 损伤外，还容易在孔板前端形成堆积物影响测量。 鉴于以上原因，笔者对孔板进行改进( 图1 ) ， a C 5 进丽流g j ，J 二h 二t S 冀遥l ， ；。参亨荔：芒：三苫 二三羔= = 二二三二三二； + 周云龙，男，1 9 6 0 年2 月生，教授，博士生导师。吉林省吉林市，1 3 2 0 1 2 。 万方数据 第4 0 卷第1 期化工机械 由孔板改进前后流体流动方向的对比可知，改进 后孔板的防堵特性明显增强。 而且和普通孔板相比，由流体力学知识可知 其流动特性较好，可以减少它的不可恢复压损，这 也争强了它的应用领域。 2 湿气流量测量模型 由于气液两相流动的压降包含了许多信息， 如何对压差信号处理获得有用的信息，是压差法 测量流量的核心内容。压差脉动法就是基于这一 原理而建立起的测量模型，根据文献 7 、 9 、 1 0 可以得出压差脉动信号与压差时均值的比 是截面含气率的单值函数，即可求出截面含气率 的数值。如果结合文献 1 3 的流量测量方法，可 以完成流量的双参数测量。而文献 6 和 8 则 推导出在高含气率定压工况下，压差脉动信号与 压差时均值的比是干度的单值函数，在结合相应 的流量测量方法后，也完成了流量的双参数测量。 可见此种测量方法，可以运用单一节流件，完成气 液两相流量的双参数测量。 鉴于以上原因，笔者利用文献 8 方法选用 锥形孔板为节流件测量湿气流量。以下是文献 8 测量方法所用的关系式，其中于度并为： 茹：l 一= = = j L _ = = = -( 1 ) 80 p ，p I + R 0 、一、7 p | ，p 、 压差脉动强度尺为： R ：上坐( 2 ) 0 哂 压差方根噪音幅值 p 。为： 一 。1 2 厢= I 。善( 压一压) 2I ( 3 ) 孔板两侧的压差方根 p 为： 却= 二三 卸。 ( 4 ) 质量流量形为： 形= c A 厕 1 + 尺( 厩一1 ) 朋 ( 5 ) 式中A 孔板流通面积，m 2 ； c 流出系数； p 密度，k g m ； p 孔板的相分离系数，由实验确定。 3 实验装置及条件 实验是在东北电力大学气液两相实验台完成 的，实验方法是通过固定气体流量和压力，微调液 体流量，然后改变气体流量再如此反复操作。实 验介质为空气和水，采样频率2 5 6 H z 、采样时间 1 6 s 。实验装置如图2 所示。 2 图2实验系统示意图 l 气液分离器；2 水箱； 3 水泵；4 空压机； 5 热电偶；6 压力变送器； 7 阀门；8 体积流量计； 9 调节阀门；1 0 气液混合器； 1 1 孔板流量计；1 2 实验段 锥形孔板的设计是基于增强普通孔板的防堵 特性提出的，那么锥形孔板前锥角的取值直接影 响其防堵特性，通过数值模拟和实验研究，最终确 定了人口锥角3 0 0 、过度平台2 m m 和后锥角4 5 。 的锥形孔板。实验条件：压力3 7 9 3 8 7 k P a ，干度 0 2 5 0 9 0 ，总质量流量8 5 5 67 0 0 k g h 。 4 实验结果分析 因为锥形孔板不是标准节流件，需要对其流 出系数进行标定，根据公式： 。：里g ! 丛( 6 ) C = = 产。一 o ， 华厕 斗 以水为工质计算流出系数值为0 8 4 ，可以看 出相比标准孔板，锥形孔板流出系数增大许多。 以式( 1 ) 标定日的平均值为1 0 5 ，这样得到童和尺 的关系如图3 所示。 赵 爱 褥 蓬 j 4 | j 邕 干度z 图3 戈和尺关系 万方数据 化 工 机械 2 0 1 3 年 从图中可以看出尺随着z 增大而减小，这应 该是当干度增大后两相流动趋近于均相流模型， 锥形孔板的压差脉动强度也随之降低的缘故。图 4 所示的是p 取1 0 5 、c 取0 8 4 后，利用式( 1 ) 、 ( 2 ) 得到的干度和流量计算值与真实值的关系。 蜊 L 砾 士 _ c 芒 咖 避 蜮 士 a 干度 真实流量，I c g h 。 b 流量 图4 干度和流量计算值与真实值对比 根据相对误差定义： 相对误差= 蔫澄 ( 7 ) 得到干度测量相对误差不大于4 3 ，流量测 量误差不大于6 8 ，这一实验结果可以满足工程 测量要求。但此计量精度较高的原因和实验条件有 关，因为压力的固定导致气液密度比也为固定值，而 气液密度比恰恰又是影响参数p 的重要因素。 另外，当压力变化较大时此种测量方法需要 对口进行数据拟合，而且因为压力变化的原因，图 3 中的单值对应关系也可能改变，这样运用此方 法就不太理想。因此，笔者借鉴文献 6 1 0 的 研究成果，干度和尺与P 存在确定的函数关系， 这样可以利用尺和尸做输入变量，干度为输出值 的软测量方法作为干度的测量模型。笔者对实验 方法修改后，重新得到压力2 1 5 4 3 0 k P a 、干度 0 0 1 2 0 7 0 0 的1 2 5 组实验数据( 图5 ) 。 由图5 和图3 对比可知，当压力改变后戈和 R 的单值对应特性有所降低，而且当干度小于0 2 宅 魁 强 蔼 鸶 裁 1 上： 图5非定压下戈和尺的关系 后尺随茁的减小迅速升高。出现这一趋势的原因 和于度与压力条件的改变密切相关，当干度降低 后，会出现波状流、波塞混状流及塞状流等，由流 型特性可知对应这些流型下，压差脉动特性会显 著增强，从而引起尺的取值偏高。另外，根据文 献 6 一1 0 压力( 气液密度比) 的改变是单值对应 关系减弱的重要影响因素。 鉴于支持向量机在解决小样本、非线性及高 维模式识别中表现出许多特有的优势及其在电力 系统负荷预测中的成功应用4 ”3 ，所以选用径向 基核函数以尺和P 为输入变量，干度为输出值的 支持向量机模型，通过对1 1 5 组实验数据的训练 得出预测模型后，对剩余1 0 组数据做预测，得到 如表1 所列的预测值与实际值的关系。 表1干度与预测干度关系 根据表l 此种测量方法是可行的，而且相比 文献 8 方法，可以满足更宽泛的干度测量范围。 特别是当干度大于O 2 时其预测误差精度增大许 多，当干度小于0 2 时由于流型变化的原因，引起 了预测误差较高，但也在工业生产要求范围内。 万方数据 第4 0 卷第1 期化工机械 5结束语 针对在天然气计量过程中节流件易于堵塞等 原因，笔者通过数值模拟和实验研究设计了一种 节流损失较小，防堵特性强的锥形孔板，结合锥形 孑L 板压差脉动特性完成了单一节流件的湿气流量 双参数测量。在回顾几种压差脉动法测量流量时 发现这几种方法得出的模型可归纳为，压差脉动 信号与压差时均值的比是干度或截面含气率的函 数，有的通过气液密度比进行了模型的修正。可 以得出当压力变化较大时，完全可以用压差脉动 信号与压差时均值的比值和气液密度比作为输入 值，通过软测量方法得到干度值。实验结果表明： 因为输入变量的确定性，得到的测量误差相对较 低。 参考文献 1 A b b a sHAM ，H a s a nGPL E x p e r i m e n t a la n dT h e o r e t i c a lS t u d yo ft h eG a s W a t e rT w oP h a s eF l o w T h r o u g haC o n d u c t a n c eM u l “p h a s eV e n t u r iM e t e ri n V e r t i c a lA n n u l a r ( w e t G a s )F l o w J N u c l e a rE n g i n e e r i n ga n dD e s i g n ，2 0 l1 ，( 2 4 1 ) ：1 9 8 8 2 0 0 5 2 A n d r e ac i o n c o l i n i ，J o h nRT V o i dF r a c t i o nP r e d i c t i o n p r e d i c t i o ni nA n n u l a rT w o P h a s eF l o w J I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fM u l t i p h a s eF l o w ，2 0 1 2 ，( 4 3 ) ：7 2 8 4 3 z h a n gF u s h e n g ，D o n gF e n g ，T a nc h a o H i g hG V Fa n d L o wP r e s s u r eG a s L i q u i d7 r w o P h a s eF l o wM e a s u r e m e n t B 船e do nD u a l - C o n eF l o w m e t e r J F l o wM e a s u r e m e n t 蛐dI n s t m m e n t a t i o n ，2 0 1 0 ，( 2 1 ) ：4 1 0 4 1 7 4 梁法春，王栋，林宗虎水平管气液环状流在新型分 配器中的分配研究 J 西安交通大学学报，2 0 0 6 ， 4 0 ( 1 ) ：1 0 6 1 0 9 5 梁法春，陈婧，王栋，等分流分相式多相流量计研 究进展 J 石油矿场机械，2 0 0 8 ，3 7 ( 4 ) ：1 3 1 6 6 申国强，林宗虎应用动态法进行气液两相流的双 参数测量 J 计量学报，1 9 9 3 ，1 4 ( 2 ) ：1 4 0 1 4 5 7 劳力云，张宏建，吴应湘，等水平管道气液两相流 中空隙率对动态压降信号的影响 J 化工学报， 2 0 0 0 ，5 l ( 4 ) ：5 4 7 5 5 0 8 仲朔平，佟允宪，王文然利用孑L 板差压噪声测量汽 水两相流 J 清华大学学报，1 9 9 7 ，3 7 ( 5 ) ：1 5 1 8 9 张宏建，岳伟挺，马龙博，等文丘里管中气液两相 流差压波动信号与空隙率关系 J 化工学报， 2 0 0 5 ，5 6 ( 1 1 ) ：2 1 0 2 2 1 0 7 1 0 王芳，梁国伟，谢代梁基于环形管差压波动信号 测量气液两相流气相含率的研究 J 传感技术学 报，2 0 0 7 ，2 0 ( 3 ) ：6 2 8 6 3 1 1 1 耿艳峰，石岗，李玉星，等槽式孔板的低含液率气 液两相流测量特性 J 化工学报，2 0 0 7 ，5 8 ( 7 ) ： 1 7 1 9 1 7 2 5 f12 R i c h a r dS t e v e n A n d r e wH a l l O r i f i c eP l a t eM e t e r W e tG a sF l o wP e r f o 珊a n c e J F l o wM e a s u r e m e n t a n dI n s t r u m e n t a t i o n ，2 0 0 9 ，( 2 0 ) ：1 4 1 1 5 1 1 3 贾志海，蔡小舒基于滑速比的气水两相流气相流 量计算方法研究 J 工程热物理学报，2 0 0 8 ，2 9 ( 2 ) ：2 5 9 _ 2 6 2 1 4 李元诚，方廷健，于尔铿短期负荷预测的支持向 量机方法研究 J 中国电机工程学报，2 0 0 3 ，2 3 ( 6 ) ：5 5 5 9 1 5 王奔，冷北雪，张喜海，等支持向量机在短期负荷 预测中的应用概况 J 电力系统及其自动化学 报，2 0 l l ，2 3 ( 4 ) ：1 1 5 1 2 1 ( 收稿日期：2 0 1 2 旬7 1 2 ) W e tG a SF I O wM e a S u r e m e n tB a S e dO nD i f f e r e n t i a I Pr e s s u r eP u l s a t i O no fT a p e r e dOr f j c eP I a t e Z H O UY u n l o n 9 1 ，Z H A N GQ u a n h o u ，L I UB 0 1 ，L I A N GY u w e i 2 ( 1 s c _ I l o o f 矿E 凡e 曙yD n dP o 甜e rE n g i 凡e e r i n g ，o 九I l P n s tD i 口n 厶，l i 秽e 船i 钞， f i ，l1 3 2 0 1 2 ； 2 D n t D ，t gC I I l 口n g n 日e 口i ，l gJ P o l 口e rC o ，n _ D n n ，i m i t e d ，C ，l 口n g c ，l u ，l l3 0 0 0 0 ，C l I l i ，I a ) A b S t r a C t T h r o u g hh a v i n gd i f k r e n t i a lp r e s s u r ep u l s a t i o nc o n s i d e r e d ，at a p e r e do r i 6 c ep l a t ew h i c hb o a s t i n go f a n t i - b l o c k i n gp m p e n yw a sd e s i g n e dt om e a s u r et w op a r a m e t e r so fw e tg a sn o wa t ac o n s t a n tp r e s s u r e U s i n g m a t u r et h e o r yo fd i f k