（检测技术与自动化装置专业论文）基于长喉颈文丘里管的湿气测量方法的研究.pdf

中文摘要 气液两相流是自然界和工业过程中一种十分常见但又非常复杂的流动体系。 湿气作为一种气液两相流，广泛应用于石油、化工、能源等各个行业。湿气的各 种参数( 流型、流量、相含率等) 的检测也成为一个旦盏重要的闻题。目前对湿 气参数测量的研究还处于发展阶段，主要集中于系统压力较高( 2 m p a ) 的环境， 对中压或常压( 0 3 0 8 m p a ) 条件下湿气的研究相对较少。 本课题主要是基于长喉颈文丘里管湿气测量方法的研究，主要研究工作和成 果如下： 1 首次提出基于长喉颈文丘里管的湿气流量测量方法的思路、研究方案以 及需要解决的问题； 2 在对目前常用的节流装置( 孔板或传统文丘里管) 湿气测量模型比较的 基础上，建立长喉颈文丘里管收缩段差压及直管段差压与气液两相流参数( 总质 量流量、于度、气液密度等) 之间的关系式； 3 对垂直上升管中湿气流过长喉颈文丘里管时的压降特性进行实验研究， 并在系统压力o ，3 0 8 m p a 、于度0 0 6 0 4 范围内对上述节漉装置湿气测量模型 的测量精度作了比较。实验结果表明，林宗虎两相流测量关系式在这一范围内具 有较高的精度，可以用于长喉颈文丘里管湿气测量模型； 4 、对垂直上升管中湿气流过长喉颈文丘里管时产生的动态差压信号迸行了 理论分析和实验研究，并依据实验数据拟合出差压信号均方差与气液两相流参数 ( 总质量流量、干度和气液密度等) 之间的函数关系式； 5 编写了基于改进的p o w e l l 方法的参数辨识软件以及数据采集、数据处理 和系统显示软件： 6 设计并建立了一套长喉颈文丘里管湿气测量装置，完成长喉颈文丘里管 流出系数、修正系数的标定以及实验。实验结果证明，长喉颈文丘里管可以实现 湿气的双参数测量其测量糟度能够满足工程需要。 关键词：气液两楣流长喉颈文丘里管湿气测量 动态差压信号 a b s t r a c t g a s - l i q u i dt w o p h a s e f l o wi sac o n l m o nb a tc o m p l i c a t e df l o ws y s t e mb o t hi n n a t u r ea n di nt h ei n d u s t r i a lp r o c e s s w e tg a s ，a sak i n do f g a s - l i q u i dt w o - p h a s ef l o w , i s w i d e l y u s e di n p e t r o l e u m ，c h e m i c a l a n d e n e r g yi n d u s t r y t h e m e a s u r e m e n to f , , v e t2 a sp a r a m e t e r s ，s u c ha sf l o wp a t t e r n ，f l o wr a t ea n dv o i df r a c t i o n ，i sb e c o m i n g a r t i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt e c h n i q u e ，c u r r e n t l y , w e tg a sm e t e r i n gi s s t i l lat e c h n o l o g yi n i t s i n f a n c y ；r e s e a r c h e r su s u a l l yf o c u so nt h ec o n d i t i o no fh i g hp r e s s u r ew h i l et h e r e s e a r c ho nt h ec o n d i t i o no f c o m m o np r e s s u r ei sr a r e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ea u t h o rs t u d i e dm a i n l yt h em e t h o d f o rt h ew e tg a sm e t e r i n g b a s e do nt h el o n g t h r o a tv c n t u r it u b e i nt h er e s e a r c h ，t h ef o l l o w i n ga c h i e v e m e n t s h a v eb e e nm a d e 1 an o v e lm e t h o df o rt h ew e tg a sm e t e r i n gw i t ht h el o n g t h r o a tv e n t u r it u b ei s p r e s e n t e d f o r t h ef i r s tt i m e ，a n dp r o b l e m sn e e dt ob es o l v e da r ea n a l y z e d 2 t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nt h ed i f f e r e n t i a lp r e s s u r ef d p ) o ft h ec o n s t r i c t i o n s e g m e n t ，s t r a i g h ts e g m e n ta n dp a r a m e t e r so fg a s l i q u i dt w o p h a s ef l o wa r e c o n s m a c t e db a s e do nt h ec o m p a r i s o na m o n gm o d e lo f w e tg a sm e t e r i n gw i t h o r i f i c e so rv e n t u r it u b e s 3 e x p e r i m e n t so n t h eg i v e nm o d e l sh a v eb e e nc a r r i e do u tw i t h i ns t a t i cp r e s s u r e r a n g eo f o 3 一o 8m p a 。g a sf l o w r a t er a n g eo f 5 0 1 0 0m j 胁a n dq u a l i t yr a n g eo f 00 6 - 0 4 1 2 t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h a t ，t h e l i nc o r r e l a t i o nh a sb e t t e r a c c u r a c yi nt h i sr a n g e 4 t h ed y n a m i cd i f f e r e n t i a lp r e s s u r es i g n a l so fv e n t u r it u b ef o rw e tg a sm e t e r i n g h a v eb e e na n a l y z e d t h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y b a s e do n t h ee x p e r i m e n t d a t a ，t h ec o r r e l a t i o ni sf i tb e t w e e nr o o tm e a ns q u a r e ( r m s ) d e v i a t i o no ft h e d p s i g n a la n d t h ep a r a m e t e r so fw e tg a s ( m a s sf l o wr a t e ，q a a l i v ja n dd e n s i t i e s o f g a sa n dl i q u i de ta 1 ) 5 t h ep r o c e d u r ef o rt h ep a r a m e t e ri d e m i f l c a t i o nw i t hm o d i f i e dp o w e l lm e t h o d a n ds o f t w a r ef o r d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t a - p r o c e s s i n g a n d s y s t e m d i s p l a y a r e p r o g r a m m e d 6 as a m p l ed e v i c ef o rt h el o n g - t h r o a tv e n m r iw e tg a sm e t e rh a sb e e nd e s i g n e d a n dc o n s t r u c t e d ，t h ec a l i b r a t i o no fd i s c h a r g ea n dc o r r e c t i v ec o e f f i c i e n t so f l o n g - t h r o a tv e n m r im e t e r a r ea c c o m p l i s h e d k e yw o r d s ：g a s l i q u i dt w o - p h a s ef l o w ；l o n g - t h r o a t v e n t u r it u b e ；w e tg a s m e t e r i n g ； d y n a m i c d i f f e r e n t i a lp r e s s u r es i g n a l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包吉为获得基洼盘茔或其他教育机构的学位或证 书丽使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的院明并表示了谢意。 学位论文作者签名：被 签字闩期娜年月p 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘生态茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁洼盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向困家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：嬲年月如曰 导师签名：孑饭乙孕 签字只期：缈月同 第一章绪论 1 1 气液两相流概述 第一章绪论 按热力学，“相”是物质所处的状态是任一系统中具有相同成分和相同物 理、化学性质的均匀物质部分，也可以说相是物质的单一状态，如固态、液态和 气态等，在两相流动的研究中往往将其称为固相、液相和气相有时也将等离子 体作为物质的第四种相态。股来说，各相须有明显可分的界面，可以用物理方 法分离。接力学，足有相同特征参数特性，妇有相同的集体速度、湿度及尺度的 气泡群或颗粒群，均可看成为一个“相”，由此形成“多相流”i l j 。 多相流动是几种相态同处于一个系统内流动的体系，这几种相态可以是同一 种物质的不同箱态，也可以是几种物质的不同相态。仅有两种相态同处于一个体 系内的流动便称为两相流动，它是多相流动中一种最常见的流动组合【孙。在两相 流动体系的研究中，常常把物质分成连续介质和离散介质。连续流动的气体、液 体和等离子体属于连续介质，称为连续招或流体相：固相颗粒以及以液滴和气泡 等形式出现的介质属于离散介质，称为离散相或颗粒相。这样，两相流动就可以 看成是流体相和颗粒相组成的流动。基于此定义和分类的两相流动不仅包含多相 流动力学中所研究的各种流动，而且大大简化了数学模型，从而便于两相流动特 陛的研究及应用【j 。 气液两相流是两相流( 含气液两相流、气固两相流、液固两相流和液液两相 流等类别) 的种。它是由气、液两相混合物构成的两相共存并相互作用的流动 体。这种气液两相流现象，在自然界和人们的生活中是常见的。根据组分、流 动环境、流动状态等，气液两相流可分成各种类型： 根据物质组分的不周，气渡两摆流可分为单翅分气液两摆渡 “一i 0 6 0 6 ( 1 e - 。7 4 6 )f r o2 1 5 值得注意的是，根据s h e l l 公司的两相流流型图嗍，f r a 的分界值恰好就是 两种不周流型的分界值【4 2 】。这也表明，流型对由液相导致的误差起着至关重要 的作用。 6 林宗虎两相流测量关系式 1 9 7 9 年，林宗虎对气液两相流在不同气液密度比下采用孔板流量计进行了 大量实验，在m u r d o c k 关系式的基础上提出其常数1 2 6 应为一变量，且随着气 淑密度比舱值丽变化，并且在p pl o 。3 2 8 时，该变量值趋近于l 的结论m 篁三童茎! 堡堕塑奎垦呈笪塑里墨型量堡型堑窒 并给出了这一变量的计算方法。随后，将这一关系式推广到文丘里管流量计，取 得了较高的测量精度。 由于林宗虎关系式结构简单，形式灵活，其修正参数仅与气液两相密度比有 关，而与气相或液相流量无关，可以根据具体情况由实际测量数据进行修正和标 定且测量精度相对较高( 详见第三章) ，因此本文采用林宗虎关系式作为长喉颈 文丘里管收缩段差压与气液两相总质量流量关系式。 2 3 长喉颈文丘里管收缩段差压关系式 如前所述，典型的湿气，其流型为环状流或环雾状流。日前对其流过孔板或 传统文丘里管时流型变化的研究较少，林宗虎等人曾用有机玻璃制成的透明水平 管路对空气和水的混合物流过孔板和文丘里管的流型进行了摄影观察和研究，发 现当入口流型为环状流时，流过文丘里管的气液两相流体也呈环状流【”。虽然垂 直上升管中的流型与水平管不同，但二者近似，所以，采用改进的分相流模型进 行研究。 依据分楣流模型，假定气相是不可压缩流体；流动过程中无两相传质；气相 的截面含气率不变；气液两相的流出系数c 相同，且当两相同时流过文丘里管 时，作用在气相前后的压差和液相的相同( 都等于两相同时流过时的流动压力差 p 1 p ) 。 特别需要指出的是，分相流模型假定中，气相的不可压缩性与高压条件下的 实际工况不能完全符合，不过对于整套系统，各管段静压的变化同整套系统的工 作压力相比较小( 当工作压力大于o 3 m p a 时，静压的最大变化小于3 ) 。因此可 近似认为，在工作压力条件下，气相在流动过程中是不可压缩的。但气相密度随 着工作压力的改变而改变，从而既能够满足假设又能够满足实际工况。事实上， 对于低速气流。其速度远小于音速时，密度变化不大。例如气流速度小于5 0 m 3 s 时，密度的变化小于1 ，通常可以忽略压缩性的影响，按不可压缩流体来处理， 其结果也是足够精确的。以下无特别声明，体积流量均指工作压力条件下的体积 流量。 由式( 2 1 ) 可建立气相与液相单独流过文丘里管的质量流量与文丘里管前 后压力差的关系式，分别为 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 出 其中，w o 气相质量流量，k g j s w l 液相质量流量，k g s a p 。气相单独流过文丘里管时的压差，p a a p t 液相单独流过文丘里管时的压差，p a 。 当气液两相同时流过文丘里管时气相流量为 w。=丽平cag。,-磊-131 4 。 液褶流量为： w 。2 丽p c a l 、，z 一帆 其中，a o 气相所占喉口截面积，m 2 a l 液相所占喉口截面积，m 2 。 由于喉口截面积 a t = a g + a l ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 结合气液两相单独流过文丘里管时的质量流量计算式( 2 1 3 ) ，( 2 1 4 ) ，可以导 倍2 接“v p gp g ( 2 1 8 ) 式( 2 1 8 ) 是在前述假定情况下得出的分相流动模型计算式，与实际情况存 在偏差。对实际流动还需加一修正系数0 。，即 一6 一 。 一p 一 瓦 面 一2 一z 面 而 器滞 w w 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 总地摇“p g、v p g 式中，e 。文丘里管的修正系数，由试验确定t 由截面含气率定义a = a g ，a 可以推导出 一司飘翮 截面含气率计算式 l 泸孺 l + s 塑f 竖1 p olx ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 0 ) 与( 2 2 1 ) 相比较可知，e 。具有一定的物理意义，即修正系数ev 是滑动比s 和气液密度比po pl 的函数。滑动比s 主要与压力或气液密度比有 关，因此0 。应为密度比的函数，即在一定的气液密度比或一定压力下，0 。应为 一常数f 5 1 。 根据0 。的上述性质，其标定按以下步骤进行： 对应每一个工作压力点，即在每个工作压力点条件下，分别设定不同的 气相流量和不同的对应液相流量，分别测得a p t p ( 两相流同时流过时产生的差 压) 、a p o ( 气相单独流过产生的差压) 和a p l ( 液相单独流过产生的差压) ，整 理成马蒂内里m 磁t i n e l i 参数扩瓦歹石和厩的形式以，丐刁i 为 横坐标，卢了了一】为纵坐标进行线性拟合，其斜率为对应这一工作压力( 或 vr 【 气液密度比) 下的0 。 由式( 2 1 9 ) 求得e 。值。在获得不同pg pl 值及其对应的e 。值后，以气 液密度比为横坐标，0 。为纵坐标作图，即可拟合出0 。：f ( p a ) 的曲线，这样由 p l 工作压力求得。g pl 后，即可根据此曲线得到0 。值。 如令p 0 等于两相质量流量全部为液相时流过文丘里管的压差，则p 0 可按 下式计算： 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 而“7 , 1 , , m v a - - p “4 p 。2 面习磊 中l a ，、2 d 。 经进一步的推导，可得： 一v j 竖a p o = e v + x ( 偿_ e v ) 一。 。 。、p o 式( 2 2 1 ) 可以转化为 w 。 ( p c a ，扛瓦瓦 一正丽正x 瓦i 石丽 上式确定了a p t p 与总质量流量w 。和干度x 的关系。 2 4 喉颈直管段压力降关系式 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 由于垂直上升管中，经过收缩段和一定长度的喉部直管段( 管径为前直管段 的p 倍) ，气液两相流速均有显著提高且两相混合比较均匀，敌考虑采用修正的均 相模型来计算直管段的压力降。 由一般流体力学或气液两相流体力学知，垂直上升管内的气液两相流总压力 a p t 由三部分组成：克服重力所需的重力降p g ：克服摩擦阻力所需的摩擦阻 力降p f 以及因流体受热引起动量变化而致的加速压力降p a ，即 p t = p 2 + p f + a p a 因加速压力降在总压力降中所占比例较小，在此可以忽略。 重力压力降巳表示为 p g = p m g h 式中，p m 气液两相流体的平均密度，k g m 3 g 重力加速度，m s 2 ： h 奇开究管段的垂直高度，m ： ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 p g _ 研究管段中两相流体的重力压力降，p a 。 当使用均相模型时，如不考虑气液两相流动时存在的相对速度的影晌，气液 两相流体的平均密度可采用下式计算。 p 。= p o p + p l ( 1 一p ) 其中，0 、为体积含气率。 代入式( 2 2 4 ) 中可得 t = p g p p 。( i p ) 论h ( 2 2 6 ) 根据单项流体摩擦阻力降的达西( d a r c y ) 公式，摩擦阻力降p f 可写为 l t 文丘里管长喉径长度，m ； d r 一文丘里管长喉径内径，r f l ； p m 气液两相流体的平均密度，k g m 3 u 。气液两相流体的平均速度，r r d s 。 由均相模型，均相密度 p 。2 尥p 。+ ( 1 一x ) p 。 w 。= a t p 。u 。 代入式( 2 2 7 ) 可得 p f = 九采g 芋2 【彳。“一 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) 亟1 孰燎 九 阻 一一 擦 嗥 谆 丸中式 第二章基于氏喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 然而，实际管内的气液混合物在流动过程中并非均匀混合，是以各种流型流 动的，且气液两相间存在相对速度。因此，应用均相模型法计算气液两相流体的 摩擦阻力压力降，一般会带来较大误差。只有采用修正的均相模型法，才能使计 算结果更符合实际工况。 修正的均相模型法的数学表达式如下： p f 川峦l 于w 2 。+ ( 1 一 ( 2 3 1 ) v 修正系数，根据试验数据确定。 v 值的物理意义为，实际的汽水混合物的摩擦阻力降与式( 2 3 0 ) 算得的摩 擦阻力降之比。 根据我国电站锅炉水动力计算方法i b z 2 0 1 - 8 3 ，当p 。u 。5 1 0 0 0 k g ( m 2 s ) 时 v 值按下式计算： 当p m u 。- 1 0 0 0 k g ( m l s ) n ，v 值按下式计算： 凡按下式计算： 九：_ l a ( 1 9 3 7 。未) 2 式中，d 文丘里管喉部内径，m k 文丘里管喉部直管段内壁翘糙度，m m 。 ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 磊 堕堕岂惟 弋一” m 一。 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 式( 2 2 6 ) 、( 2 3 1 ) 一( 2 3 4 ) 共同确定了差压p t 与两相流量w 。和干度x 之间的 又一个关系式， p t 哪丧芋w z 【彳。+ ( 1 一 + 【哪州1 删g i ( 2 3 5 ) 至此，采用加长喉颈文丘里管，即可获得关于气液两相流流量w 。和干度x 双参数的两个独立测量值p t ，和p t 。式( 2 2 2 ) 及( 2 、3 5 ) 中，当长喉颈文丘 早管的结构尺寸及内壁粗糙度一定，且被测介质密度已知的情况下，仅有w 。和 x 为未知量，联立上述两式即可求得气液两相流总质量流量及干度，进而获得其 分相流量。 由于需要求解的方程组为二元高阶方程组，虽然有两个独立测量值，但在求 解过程中仍会出现一个以上的解。从数学角度而言，是求解二元高阶方程组的边 界条件问题。从实际情况而言，无论是通过降低液相质量流量，提高气相质量流 量( 即用增加的气相流量产生的差压补偿减少的液相流量产生的差压) ，或者是 用增加的液相流量产生的差压补偿减少的气相流量产生的差压的方式，都可能出 现相同的压力和温度条件下，不同的气液质量流量配比产生相同的收缩段差压和 喉部直管段差压的现象。这就造成了用两个差压反求气液体积流量( 或总质量流 量) 和干度的困难。而这一问题的出现就在于缺少一个独立于收缩段和直管段差 压的信息量，这个信息量正是从众多解中找到正确解的关键。 由于两相的相互作用、相界面的复杂变化以及文丘里管收缩段的相分离效 应，气液两相流流过长喉颈文丘里管时，收缩段差压和喉部直管段差压产生比单 相流过时更大的波动。实验分析证明，这波动中含有大量的有用信息，其中就 包括两相流量与干度的信息。对其进行深入分析可以解决上述问题。 第一章基于跃喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 2 ，5 差压波动信号特性研究 如上章所述，文丘里管流量计的原理是基于伯努利方程所表示的收缩段差压 与流体流量之间的函数关系。只要流体保持稳定，由差压传感器产生的差压信号 也是稳定的。然而，由于管道的机械振动以及流体在管道内部分布的随机变化， 差压信号会出现波动。如图2 - 4 ( a ) 和( b ) 所示。这些波动对单相流体的测量 没有太大的意义，所以通常作为噪声。采用均压环或某些对动态信号不敏感的差 压传感器可将这些噪声人为的滤掉【4 8 1 1 4 9 。 s a m p l ep o i n t ( a ) 水体积流量为1 3 0 4 m 3 h ，系统压力o 1 8 9 m p a ，温度4 8 9 。 0 1 0 0 0 2 0 0 03 0 0 0 4 0 0 0 s a m p l ep o i n t ( b ) 天然气体积流量为9 8 7 m 3 h ，系统静压力0 17 2 m p a ，温度2 4 6 c 图2 - 4 单相流体流过长喉颈文丘里管收缩段时产生的差压信号 ( 实验装置参见第3 章，采样频率2 6 0 h z ) 墅3mjd重芒窖差凸 m 8 6 4 2 o 一仃也兰9jsajd趸luoi磐d 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 当气液两相流流过长喉颈文丘里管时，产生的差压波动远比单相流体流过时 产生的差压波动大，典型的气液两相流差压信号如图2 - 5 所示。 o啪 1 0 0 0 】5 唧ep o i n , t ( a ) 天然气体积流簧6 8 7 m 3 h ，水体积流量3 2 5 m 3 h ，系统压力0 7 m p a ，温度3 5 6 c i 1 0 0 8 0 日 曼6 0 山 。4 n 2 0 0 0 5 0 01 0 0 0 i 5 0 02 0 0 0 ( b ) 天然气体积流蛙1 4 0 4 m ，水体积流量2 2 2 m 3 h ，系统压力0 7 m p a ，温度3 3 6 图2 - 5 气液两相流流过长喉颈文丘里管流量计收缩段时的差压信号 ( 实验装置及采样频率同上) 对比图2 - 5 ( a ) ( b ) 可以发现，在系统环境相周的条件下，气液流量不同， 干度不同，气液两相混合物产生的差压信号的波动相对幅度也不同，这说明可以 利用差压波动中所包含的信息，实现干度或气液两相流量的测量。 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 目前普遍认为气液两相流动产生波动的机理主要是：由压缩效应引起两相流 体混合密度变化而产生的压力波；由含气率变化引起两相流体混合密度变化而产 生的密度波：由相界面热力一动力相互作用而产生的界面波；热力不平衡所带来 的波动。目前的研究主要基于各种类型波的传播与衰减等内容，对应压力波动特 性的研究仍然是空白【5 0 1 。 本文在式( 2 ，2 2 ) 的基础上，推导出气液两相流流过长喉颈文丘里管时差压 信号的静态及动态模型 乱1 。 式( 2 2 2 ) 可进一步写为如下形式： 其中 令 鲁难+ b ) 2 b 蒜( p c a ( 雁一。v t 2 p llvp g j b 糕q ) c a 。vt 2 p l p ：堡 、蚝 则式( 2 2 3 ) 可改写为 y a p = k x b ( 2 3 6 ) ( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) 由于o ，仅与气液两相密度比有关。所以当文丘里管尺寸一定，且流经文丘 里管的气液两相流密度比( 或系统压力温度) 保持稳定时，由式( 2 3 7 ) ( 2 3 8 ) 可知k 和b 为常数，差压p 丁p 、总质量流量w 。和干度x 通常是一段时间内的统 计平均值。式( 2 ，4 0 ) 则可看作气液两相流在统计意义下的静态差压模型，这样 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 p 的平方根与干度x 值呈线性关系，在文丘里管尺寸及系统压力温度一定时 可采用已知的数据拟合出k 和b 值，方便工程应用。 然而，实际流动中，气液两裙流的情况运比上述模型复杂，衷现为：渡扭在 某截面上的分布是随机的，该分布在时间轴上几乎不存在重复性：液相和气相 间存在速度滑差且在界面的不同位置上具有不同的值。上述现象可理解为气液两 相流动的微观现象，这种微观现象导致了测得的差压j | 瞬时值p 是随时间动态变 化的。 设对十任气液两相流而言，其瞬时差压值p i 近似符台式( 2 3 6 ) 的规律1 5 2 j 只是k 和b 值不同，即 嚣邓”啪2 旺。 则差压值的均方差a 可表示为 a ；一r l 杰j 蛆2 一( ) 2 p ( 2 4 2 ) 式中，n 为采样次数。 将式( 2 3 6 ) 、( 2 4 1 ) 代入式( 2 4 2 ) 可得 蒜2 唔缸m 柏+ b ) 4 】l ，2 汜4 s ， 定义流体差压波动的归化参数i 为 i = ( 2 _ 4 4 ) “1 ” i 表示气液两相流体流经文丘里管时产生的动态差压的相对波动量即差压波 动的程度。将式( 2 3 6 ) 、( 2 4 2 ) 代入式( 2 4 4 ) 得 第二章基于长喉颈文丘里管的湿气测量模型研究 z ： i n 车( k i x + 瓦b i ) 面4 - ( - k x + 一b ) 4 1 2 f k x + b ) 2 ( 2 4 5 ) 式( 2 4 5 ) 中，当工作压力( 或气液密度比) 一定时，k ，b 可视为常数；而l ( i ，b j 与流体的瞬时结构及压力分布状况有关。i 值与干度x 之间应为单值对应关系： i = f ( x ) 这样，就建立了差压信号波动与气液两相流参数之间的关系。 2 6 小结 ( 2 4 6 ) 本章筒要介绍了垂直上升管中气液两相流的流型、常用的数学分析方法和数 学模型：综述采用孔板或文丘里管节流装置进行湿气流量测量的经验或半经验公 式；建立长喉颈文丘里管湿气测量的数学模型并对其差压信号波动现象进行了理 论研究和探讨。 第三章实验研究 31 实验装置 3 1 ，1 实验装置简介 第三章实验研究 实验装置如图3 1 、3 2 所示，管道内径为5 0 r r m l 。气相和液相介质分别为天 然气和水，其流量由两个电动阀控制，用标准气相和液相计量装置进行计量。 图3 - i 气液两相流实验装置图 图3 - 2 气液两相流实验装置示意图 第三章实验研究 气液两相标准计量装置的测量精度分别为：气相1 5 ，液相o 5 。为保持 气液两相流量以及系统压力的稳定，在入口处分别安装了两个缓冲罐。气液两相 在分别经过标准计量装置后，由混合器进行均匀混合，并经过约7 m 长的水平直 管段使其流型充分发展。为便于观察流型，在水平发展段之后安装了一段长 5 0 0 m m 的水平透明管段( 其后为水平测试段) 以及一段垂直透明管段。长喉颈 文丘里管流量计( 见图3 3 ) 安装在垂直透明管后约l m 处。其后的控制阀主要 用于调节系统压力以获得不同的气液密度比。 图3 - 3 长喉颈文丘里管流量计 由于管道直径较小( 5 0 m m ) ，长喉颈文丘里管仿照机械加工的入口圆锥型文 丘罩管加工而成，内径为5 0 n u i l ，喉部直径与入口直径之比b = o 4 5 。收缩段为 圆锥形，夹角2 1 0 。喉部直管段总长5 8 0 m m ，其中两个取压孔间隔4 0 0 r a m ；渐 扩段为圆锥形，扩散角为1 5 0 ，材料选用螺旋焊接不锈钢管，其管内壁粗糙度一 般为9 0 6 m m 。 第三章实验研究 3 1 2 实验装置选型 如第二章所述，测量气液两相流产生的差压及压力时，差压或压力的波动中 包含大量的关于气液两相流各种参数的信息，因而不能忽略。这就要求进行差压 和压力测量的传感器( 或变送器) 不仅要获得其在一定时间内的平均值，还需要 得到其波动的信息( 即传感器要有较高的动态特性，能够跟踪脉动压力的变化) 。 基于此，我们选用扩散硅压力( 差压) 传感器。这种传感器不仅动态特性好、频 率较高( 能够达到几百h z ) 、可小型化；而且可以测量高频脉动压力：测量准确、 量程宽。 长喉颈文匠里管收缩段差压变送器量程为0 - 2 4 0 k p a ；喉部直管段差压变送器 量程为0 - 1 2 0 k p a ；根据工作压力选取压力变送器量程为0 1 6 m p a ( 实验装置允 许最大系统压力) ；根据工作温度选取热电阻温度变送器量程为0 7 0 。c ( 其精度 均为0 ，5 。 3 1 3 数据采集 数据采集系统图如图3 - 4 所示。 图3 - 4 数据采集系统图 各变送器输出均为标准4 2 0 m a 电流信号，经p l c d 8 8 0 端子板转化为 2 1 0 v 电压信号，然后通过数据采集卡进行a d 转换后送入便携式计算机，进 行数据处理及显示。 第三章实验研究 3 2 实验方法及步骤 实验主要研究垂直上舟管内涩气测量方法，因此要求被测气液两据漉中，气 相体积含率大于9 5 。 3 2 ，1 实验测量 实验中共测量以下工作点： 单相天然气在不同压力( 0 2 4 如7 6 9 m p a ) 和流量( 3 1 2 - 3 8 6 4 m 3 h ：i 下的工 作点共计9 8 个： 单相水不同流量( 1 3 5 3 0 3 m 3 h ) t z 作点共计7 2 个 天然气和水两相混合分别在0 3 、0 , 3 5 、0 4 、0 4 5 、o 5 、0 5 5 、0 6 、0 6 5 、 o 7 、0 7 5 、0 8 m p a 下，不同气液体积比( 干度范围0 0 6 0 4 1 2 ) 下的工作点共计 3 6 4 个。 此外，实验还对长喉颈文丘里管的流出系数c 和气液两相流修正系数0 v 进 行了标定，并比较和验证了收缩段差压和直管段差压的理论模型，提出利用差压 的波动解决“边界问题”的方法。 3 2 2 实验步骤 实验的具体步骤是： 首先在工作压力为0 3 m p a 、水流量为s m 3 月n 的条件下，给定天然气流量 为1 0 0 m 3 h ，待流动稳定后。对脉动差压信号进行采样( 采样频率为2 6 0 h z ，采 样总时间为1 2 0 秒) ： 改变气流量，待稳定后，再进行上述采样 改变水流量，进行上述采样，以获得不同的干度值 对同一工作压力下的不同流量值采样完毕后，将工作压力变为0 3 5 m p a 重复上述测量步骤。 第三章实验研究 3 3 长喉颈文丘里管流量计流出系数的标定 对传统文丘里管流量计的流出系数的实验研究较多。最近，英国国家工程实 验室( n a t i o n a le n g i n e e r i n gl a b o r a t o r y ，以下简称n e l ) 为进行湿气测量的研究， 对直径比b 范围为0 4 一o 7 、收缩角分别为1 0 5 。，2 1 。和3 1 5 。、入口直径分剐 为5 0 ，1 0 0 和2 0 0 r a m 的2 1 种传统文丘里管流量计的流出系数进行了标定和比较， 并提出流出系数的计算公式。 收缩角为2 1 。( 标准) 的传统文丘里管流出系数公式为 f 1 j 1 0 0 1 1 + 0 0 1 2 3 1 3 - 0 0 1 6 9 e 卸“船哪8 r e * 6 0 0 0 0 ，。1 、 婷1 0 9 8 7 8 + 0 0 1 2 3 p r e + 6 0 0 0 0 。 式中，r e + 为文丘里管喉部引压雷诺数( v e n t u r i t h r o a t t a p p i n g r e y n o l d s ) ，按 下式定义： 脒；睾r e d d 式中，d 。引压孔内径，m 。 r e d 按照文丘里管喉部内径d 计算的雷诺数。 ( 3 2 ) 在0 = o 4 5 ，r e + ，2 x 1 0 5 时c 趋于一个 常数。因此可通过实验方法，在大量实验数据的基础上近似得到c 值，使其为 一常数。 采用天然气进行流出系数的标定，天然气标况下密度为0 9 9 7 1 k g m 3 ，体积 流量范围3 1 2 m 3 h 3 8 6 4 m 3 h ，系统压力范围0 2 4 m p a - 0 7 6 m p a ，温度范围1 7 5 2 8 ，1 ，实验点共9 8 个，剔除存在明显误差的8 个实验点，其流出系数与对 应雷诺数之间的关系如图3 - 5 所示，计算时采用天然气动力粘度p = 0 0 1 8 m p a s 。 雷诺数由下式定义： r e ：= 3 5 4 q p d u 式中，q 流体体积流量，m 3 l l ； d 管道直径，r n i t l ： “动力粘度，m p a s 。 ( 3 4 ) 0 季铲x + t ，f ” 一龠；。 b 图2 - 5 长喉颈文丘里管流出系数与雷诺数关系图( 采用天然气标定) 由上图可以看出，流出系数c 随流体霄诺数有明显的变化。当雷诺数大于2 】0 5 后基本稳定，m 粼e2 x 1 0 5 的实验点雷诺数取平均，可得c g = o ，9 9 3 4 ， 第三章实验研究 与由式( 3 1 ) 计算所得的传统文丘里管流出系数相同。 按照修正的分相模型假设，气液两相的流出系数相同。所以，先用气相进行 标定，再用液相进行标定，并比较其差别稷度。对纯水流过长喉颈文丘里管时的 流出系数进行标定，水密度为1 0 0 0 k g m 3 体积流量范围为1 3 5 m j h 3 0 3 m 3 h ， 共测得实验点7 2 个，温度范围2 9 6 c 3 1 ，5 c 。采用水在3 0 。c 时的动力粘度斗 = o7 9 7 m p a s ，由式( 3 3 ) ( 3 4 ) 可得其流出系数与对应雷诺数，如图3 - 6 所示。 胪节一一，”一一一一7 图3 - 6 长碾颈文丘里管流出系数与雷诺数关系图( 采用纯水标定) 当雷诺数大于1 。5 1 0 5 后，流出系数进入稳定阶段，对稳定阶段的流出系数 取平均值可得c w = 0 9 8 5 7 。 对比图3 - 5 和图3 - 6 ，可以看出，与水标定的流出系数不同，天然气流出系 数波动较大，有少量点的流出系数甚至超过了1 。发生这种情况的原因可能有以 下几个方面： 因为天然气中可能混有密度较大的杂质，使得实际密度大于计算值 o 9 9 7 1 ，从而导致流出系数的增大； 由于存在静念孔误差( s t a t i ch o l ee r r o r ) 。这一误差是由于具有有限尺 寸的引压孔不能准确测量理论上需要用无限小的孔才能测量的压力，这导致用引 压孔测得的压力比没有引压孔时的压力大。由于流体速度和壁面切应力在文丘里 管喉部远大于入口处，这样静态孔误差导致测得豹差压萤偏小，对应的流出系数 兰三兰壅鳖堑塑 c 直偏大。 3 4 长喉颈文丘里管修正系数的标定 长喉颈文丘里管修正系数e 。的标定按照第二章所述步骤进行。分别对 0 3 0 ，8 m p a 下的实验点测量气液两相混合物差压p 。、同一气流量单独流过时 产生的差压p 6 和同一液流量单独流过时产生的差压p l ，并整理成m a r t i n e l l i 参数陬和，玄i l 的形式。表3 1 所示为系统压力0 1 3 m p a 下实验 数据。 表3 - 10 3 m p a 下实验数据整理表 襟糕慧! p o ( k p a ) ( k p l p a ) 陬陬一( 一m ) ( o m )( k p 曲 。 1 4 7 7 1 儿9 1 4 5 1 1 1 9 9 1 3 6 8 1 4 9 2 1 4 3 1 1 4 8 3 1 5 6 3 1 3 2 1 2 1 3 1 4 l _ 4 】5 6 3 【4 8 6 1 4 0 9 1 6 2 7 4 1 2 3 1 4 3 9 3 3 1 4 3 7 3 3 8 4 3 7 9 3 7 3 3 6 7 3 ，0 4 2 8 3 3 1 3 4 2 3 2 3 3 0 9 3 1 9 8 1 7 4 4 7 3 7 8 0 4 3 5 2 6 9 6 2 7 7 4 4 7 4 6 2 7 8 1 4 8 2 1 8 5 7 3 6 4 9 6 3 6 1 9 l 7 4 9 9 7 0 ，0 5 6 3 4 5 7 7 6 9 2 1 9 0 1 2 7 2 2 0 8 7 1 4 4 2 1 9 6 5 2 2 3 1 2 1 3 6 2 2 2 1 2 4 7 5 1 7 3 8 1 5 3 5 1 9 7 2 2 4 2 8 2 2 4 7 2 0 7 2 2 7 8 0 5 ，4 1 1 3 1 4 3 4 9 2 3 3 ，1 4 3 4 ，4 3 5 4 7 0 0 4 5 7 9 4 4 3 5 4 2 9 3 2 9 4 6 2 5 5 3 3 0 6 3 3 ，7 2 8 3 3 2 6 3 0 4 3 3 ，2 4 4 0 4 9 7 0 0 4 9 6 9 0 4 8 5 6 0 4 6 6 7 0 4 7 5 0 0 4 5 9 0 0 4 6 2 9 0 4 4 6 8 0 4 1 6 4 0 4 1 1 6 0 4 0 7 7 0 3 9 4 1 0 3 9 1 8 0 3 8 4 6 0 3 8 3 2 0 3 4 1 6 0 9