锥形孔板在气液两相流量测量中的应用

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对气液两相流量测量方法的研究，-直是国内许多学者的工作重点。由于气液两相流量计量不同于单向流，因此对其流量的测量又分为单参数测量和双参数测量。其中比较典型的单参数测量方法有 nn模型、三通模型、Yue模型等，然而大多数情况，对气液两相流量训 量需要双参数计量，如凝析天然气在输送过程中的计量问题，从而双参数计量对工业生产具有更重要的意义 曲j。

气液两相流量的双参数测量方法较多，按其测量方法大致可分为分流分相法、单相流量计组合法、软测量方法、利用差压脉动特性测量法 "J。其中利用差压脉动特性测量法，是 由单-孔板节流件，完成的双参数测量，这在国内收稿日期： 2012-05-25众多双参数测量方法中是比较有特色的。但由于标准孔板的节流损失较大，而且孔板锐边易磨损和堵塞等缺点，限制这-方法在某些领域的应用。基于以上原 因，本文对标准孔板进行了改进，并结合此测量方法，实现了汽液两相流量双参数测量。

2 流量测量理论模型2.1 测量模 型 1根据文献[7]的研究方法，气液两相流量双参数测量模型为：： 1---二 - ---二 (1)0 p g/plR、1- p g/pl、)cA√2p 却[1R( -1)/01(2)2013年第41卷第3期 流 体 机 械R p0/Cap (3) ÷∑ (4). a/-rio[ 耋( -，/aT)2 (5)式中 --干度A--孔板流通面积，m- - 质量流量，kg/hg、Z--气相、液相P--密度，kg/mc--流出系数卸 --孔板两侧的压差方根0--孔板的相分离系数，是P /p 和孔径比 的函数；由试验确定√ △p。--压差方根噪声幅值2.2 测量模型 2根据文献[11]，申国强在总结各种流型下的孔板压差数据得出：√△B：f(、、△pg ，√△pl，、) (、6AB-[ 主i(△p - (7) 1ap)式中 -- 液相单独流过孔板的压力降/△p --气相单独流过孑L板的压力降由 △P÷∑△ (8)再结合林氏模型：0。 (9)得到：B f(x) (10)式中 0 --气液密度比的函数 ，对于标准孔板，其值在文献[1]中有具体计算公式通过B对 进行数据拟合，可以得到干度的测量模型，再结合林氏模型，得到： cA / [ 0 (1- ) p，，/h-T])(11)同样运用单-节流件，完成了气液两相流量的双参数测量。

2.3 2种测量模型对比分析对比两种测量方法可以看出，虽然它们表达式不同，但都是通过压差脉动特性得出的测量模型，测量机理是相似的♂合式(2)和式(11)整理得：： (12)D [ 01(1- ) (13)可见 0f(p /p ，JB， ) (14)为了进-步对参数 0进行定性研究，列出文献[8]的部分试验数据如表 1所示。

表 1 试验数据AP(Pa) 干度 Bl6490 0.757 0.OO64516986 0.64 0.0o961l7168 O.6 0.01o416465 0.755 0.0o68816298 0.65 0.0098818630 0.568 0.010228212 0.193 0.045728970 0.186 O.048918470 0.564 0.028770 0.192 0.O486因为式(3)和(1O)有着非常相似的数学表达式，根据数理统计知识可知它们是有联系的，而且在对比文献[11]中的图4和文献[14]中的图3可知，这两张图的中的 和 及 和 的对应关系基本-致，所以由曰代替 时，认为它会影响 0的取值但不会对其变化趋势带来过大的波动。鉴于本文是研究 0值 的影 响 因素，这里假设B。如果按照文献[10]的方法，那么在此试验数据的范围内参数 0应为-定值。通过式(1)计算得到的 0值，以及用此测量值计算的干度值和相对误差如表 2所示。

表2 计算干度和干度测量误差0 干度 干度相对误差(%)O.37 0.757 -7.120.318 0.64 -4.520.293 0.6 -1.58O.251 0.568 5.20.221 0.256 22.250.243 O.193 15.470.25l O.186 12.42O.39 0.755 -8.73O.231 O.564 9.030.257 0.192 9.5512 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，2013观察表2可以看出 0的测量值并不是-定值 ，而且应用 0的平均值代人式(1)得出的干度测量相对误差很大，根本满足不了工业生产的要求。但是在表 2中发现在干度大于0.6时，0的取值和干度小于 0.6时的取值相差很多，但在各 自的区间上 0的变化并不剧烈。通过对比文献[11]中的图4和文献 [14]中的图3可知，在干度介于0.6两侧时 和 及 曰和 的函数关系明显不同。于是 ，笔者从新以干度 0.6为分界线分别求 0的平均值，然后根据式(1)求得干度相对测量误差 ±6.2%。经过 以上分析可以得出，文献[7]的测量方法是正确的而且在干度变化不大的情况下 ，0的取值基本不受干度的影响。在文献[10]中同时给出了 a，/0和( p)在本质上无 区别的结论，因此测量方法不仅适用于孔板，对其它节流件仍然适用。

根据两种测量方法的机理知，文献[8]的测量模型应用于其他节流件也是适用 的。而且 由式(10)和文献[11]中的图4可以看出，这种计量方法相对简单，在于度小于0.2时 和 基本是线性关系。这对于气液两相流量测量仪表的实现是非常有利的。所以运用此方法 ，并且更换节流件，完成单-节流件的气液两相流量双参数测量是可行的。最终选用文献[11]的测量方法来进行实验研究。

3 锥形孔板的设计对于差压式流量计来说，不同节流件的选取，直接影响其性能的好坏。作为常用节流件的标准孔板，由于其易于安装，生产成本较低等优点，导致目前国内大约 70%的差压式流量计是以它作为节流件。但随着能源问题的出现，因为其结构的原因导致节流损失较大，越来越多的行业已经放弃了它的使用。如图1示出孔板改进前后流体流动方向对比。从图 1中可以看出通过对垂直人口进行改进后，得到的孔板流出特性较好，具有防堵、节流损失小等优点。为了确定最优的入口锥角，本文通过数值模拟的方法，对3种不同入口锥角的锥形孔板进行管内数值模拟。得出不同人口锥角的锥形孔板流出系数与雷诺数的关系图，如图2所示。从图中可以得出，随着人 口锥角的减小，流出系数会增大，但增大趋势减弱。根据文献[15]，-味的增大流出系数和减小压损，可能会造成计量精度的下降。

(a)改进前(b)改进后图 1 孔板改进前后流体流动方向对比0.9O 3 6Re(×10 )图2 Re与流出系数 C的关系最终确定以人口锥角为30。的锥形孔板为试验节流件。

4 试验部分4.1 试验装置及试验条件试验是在东北电力大学气液两相流试验台上进行的，试验介质为空气和水，试验锥形孑L板孔径比为0.67，前锥角等于30。，后锥角等于45。，过度平台长度为2 mil，管径 d为30 nlm，取压方式为，环室角接取压。试验流程如图3所示。试验参数范围：压力：209～260kPa；质量含气率：0.00021～0.028；温 度：l3～15℃；总 质量 流 量 3224-11546kg，/h。采样频率为256 Hz，采样时间 16 s。

2013年第 41卷第3期 流 体 机 械 13水箱图 3 试验系统4.2 试验结果与分析根据文献[11]的测量方法，要想进行流量的测量，首先得求出锥形孔板的流出系数和林氏模型 0。的关系式，表3是以水为介质得出的试验数据。

表 3 水流速与压差关系表速度(-Iv，s) 压差(ea) 速度(-n/s) 压差(Pa)O.32 58.67 1.64 1540.310.43 107.43 2.42 3303.870.54 168.45 2.72 4151.051.33 1019.87 3.25 59l0.92根据文献[16]可知：- (!二 2 ： ，1 。-(竹d2/4)(2△ )得出锥形孔板流出系数值为0.84。对比图2可以看出，这-结果和模拟结果很相近。说明数值模拟方法在改进节流件性能时有很好的指引效果。同时在本试验条件下，得出了50组气液两相流量测量数据。根据林氏模型0 是气液密度比的函数，基于本试验温度变化较小，所以以压力对0.进行多项式拟合得到：0l7.25p -3.12p1.454 (16)式中 压力，MPa通过测量50组试验数据的 和 ，得到 和的关系，如图4所示。由图4可以看出， 和呈现单值函数关系，而不是线性关系，而且 的取值和文献[11]中的相比波动很大。出现这-结果的主要原因，应该是本文的试验范围和文献[11]的不同。由于在干度大于0.1时，气液两相流动主要呈现的是环状流，此种流型下，液相会在管壁处形成液膜，而夹带液滴的气相在管道中部高速流动，导致了汽液两相流动过程的压差波动性降低。而在本文试验过程中，汽液两相流动随着干度的增大，主要表现出气泡流、塞状流、弹状流、波-弹混状流。根据 的计算式可知，当压差波动越剧烈时 的取值越大，因此流型的变化是导致文献[11]和本文结果不同的根本原因。

1.4图4 B和 关系由图4中 和 的对应关系拟合得到：-0.0013B 0。0214B -0。0009(17)通过式(17)计算得出干度测量相对误差 ≤±4.9%。图5示出实际干度和计算干度对比。

琳：实际干度图5 实际干度和计算干度对比干度测量误差的形成，可能是由于汽液两相流动具有-定的随机性，即使干度相同时，其它参数如：压力、温度等的微小变化也可能导致局部流动型态的变化，从而引起压差脉动幅值的变化。

所以对于同-干度也会产生测量误差。另外文献[11]中的测量方法认为压差瞬时参数与时均参数的规律相同，而并未严格证明，这也可能是测量误差形成的原因。

由式(11)、(16)和(17)计算得到的流量测量相对误差≤±9.7%，如图6所示为计算流量和实际流量对比。

14 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.3，201315000避 7500琳0O 7500 15000实际流量(kg/h)图6 计算流量和实际流量对比本文是通过压力对参数0 拟合的，并不是严格以气液密度比来拟合 0 ，另外本文试验条件干度小于0.1，气液两相流动的型态变化较多，而林氏模型较适合用于干度大于 0.1的试验条件，这可能是流量测量误差较大的原因。若能基于流型来拟合0 ，测量误差是可以减小的。

5 结论(1)通过对2种测量模型的数学表达式及部分试验结果分析后，得出2种测量方法是有联系的，在较为合理假设基础上重新验证了模型 1的正确性。由两者内在关系知，这也能间接证明模型2的合理性；(2)根据文献[10]中模型应用范围推广的结论，得出文献[8]的测量方法同样适用于其他节流件；(3)结合数值模拟方法和试验研究，设计了- 种节流损失孝防堵功能强的锥形孔板并将其应用到实际流量测量中；(4)通过本文试验研究得到了文献[11]中干度小于0.1时B和 的关系式，为此种测量方法应用范围的拓宽提供了参考依据；(5)在试验条件范围内，借鉴文献[1 1]的测量方法，同时应用本文设计的锥形孔板，实现了运用单-节流件测量汽液两相流量的双参数测量。