摘要:針對電磁流量計測量氣液兩相流時測量精度和穩定性易受流型影響的問題,提出了一種管內 相分隔狀態下基于電磁流量計的氣液兩相流測量方法。利用旋流器將不規則的兩相流入口流型整形成 氣芯-水環的對稱型環狀流,保證了權函數的有序分布,并引入空隙率修正了電磁流量計測量模型,提高 了電磁流量計的測量精度。利用空氣-水兩相流為介質,通過室內實驗對該測量方法進行了驗證,結果 表明,在管內相分隔狀態下,電磁流量計的液相測量相對誤差在±5%以內。研究結果為工業生產中的 氣液兩相測量提供了一種很好的思路和方法,具有良好的應用價值。

 

在工業應用中,兩相流流量測量對于實際工程應 用具有重要作用,如石油鉆采工程、石油化工、熱電聯 供等輸送及分配過程中都存在氣液兩相流測量問題。 早期曾對氣液兩相流的測量進行了廣泛研究,但由于 氣液兩相流型的復雜性及多變性,至今仍無廣泛認可 的氣液兩相流在線測量技術[1]。 

 

多相流動體系通常是由兩種或兩種以上互不相溶 的介質組成的,具有明顯相界面的混合物流動[2]。本 研究的氣液兩相流研究對象分別是空氣和水,在流動 過程中,由于存在不同流型及流態的復雜變化,兩相流 各種參數的測量都變得極為困難。因此,準確描述并 識別流型對于兩相流量測量具有重要的意義。由于主 要研究的是水平管內的氣液兩相流流型,在前人的研 究基礎之上,對水平管內流型進行了總結和分析,得到 水平管內的氣液兩相流流型主要為細泡狀流動、彈狀 流動、分 層 流 動、波 狀 分 層 流、塞 狀 流 以 及 環 狀 流 等[3-4]。

 

自20世紀以來,氣液兩相在線測量一直是工業生 產過程中迫切需要解決的難題,同時研發了大量適用 于工業環境中的兩相測量技術。根據在測量過程中兩 相流是否進行分離而分為分離法和非分離法。分離法 是將流動的混合物分為以氣體為主和以液體為主的流 動,然后進行單相測量,包括重力分離器和導流器等, 其優點為把兩相流體流量測量轉化成了單相流體的流 量測量,測量精度高、范圍寬、不受氣液兩相流型變化 影響,缺點則為分離設備體積大、價格貴、需要建站,增 加了測量成本。非分離法的典型是基于相同原理的測 量系統進行組合測量,以及中子射線和文丘里管的組 合方式,優點為能夠實時測量兩相流體的流量及相持 率等參數,體積小、測量速度快,缺點為測量的流量及 各相持率精度偏低,適用工況受限,需重復標定 [5-6]。 

 

電磁流量計廣泛應用于單相流體的流量測量。電 磁流量計是利用法拉第電磁感應定律原理測量導電液 體的體積流量的儀表。其優點是可測流量范圍大,流 量范圍比值一般為20∶1 以上。適用工業管徑范圍 寬,非常大可達3m,精確度較高,可測量水、污水、腐蝕 性液體等流體流量,不受壓力、密度、溫度和其他物理 參數的影響。因此,采用電磁流量計測量連續相為導 電 性 的 兩 相 流 的 特 性 成 為 研 究 的 熱 門。 其 中, Wyatt[7]、Bevir[8]認為只有當流體分布既各向同性又 均勻時,電磁流量計測量準確,同時對電磁流量計在泡 狀流和環形流等軸對稱流型下的理論靈敏度進行了分 析。Krafft等[9]研究了電磁流量計同時測量氣泡和連 續導電相速度的可能性。Krafft[10]建立數學模型研究 了非導電相分布對重量函數對電磁流量計輸出的影 響。Heineman、Murakamiet等[11]研究了電磁流量計 輸出與導電相的平均速度成正比來測量空隙率等成果 并進行了實驗證據。 

 

國際及國內雖然對電磁流量計在兩相流中的應用 進行了大量的理論分析和數值模擬,但是針對水平管 內非導電相在空間位置分布對電磁流量計的測量精度 等還未進行詳細地研究。水平管內非導電性的空間分 布受重力、流體物性等影響嚴重,進而影響了流量計的 準確測量。近年來,相關學者提出的相分隔方法[12-15], 通過對兩相混合物施加側向力,將兩相隔離到管內的 相應空間,流動過程中兩相之間維持非常清晰界面,這 將有利于電磁流量測量兩相流參數。因此,如果非導 電相能在兩相流中均勻對稱分布,電磁流量計測量將 為兩相流量測量提供一種有前途的解決方案。同時, 在將兩相隔離到管內的相應空間,流動過程中兩相之 間維持非常清晰界面的過程中,采用拍攝及圖像處理 技術可以實現空隙率的測量。目前,基于圖像處理技 術已進行 了 大 量 的 研 究[16-18],尤 其 適 用 于 檢 測 氣 液 界面。

 

本研究采用相分隔法組合電磁流量計測量氣液兩 相流量及相持率。在相分隔方法中,采用了旋流器產 生離心力,將氣液兩相不同的入口流型轉變為旋流核 心環空流,由于其界面清晰光滑,非常有利于圖像處理 法來測量空隙率。采用實驗分析的方式研究并驗證了 電磁流量計的兩相流工作特性。 

 

1 測量原理 

1.1 管內相分隔技術 

      利用管道中的相分隔技術進行整流,可以極大地 方便電磁流量及空隙率測量的開展,創造了理想的測 量條件,有利于提高測量的準確性。通過管內相分隔, 使兩相流體在各種流型下統一轉變成兩束在管內并行 流動的單相流體,兩相之間具有相對清晰的分界面,并能維持足夠長的距離,如圖1所示。與分離不同,相分 隔技術并非將兩相分“離”后各自單獨流動,而是通過 一系列技術僅將兩相分“隔”并未分“離”,兩相依然同 時在一個管內流動,但是徹底改變了兩相流原有相分 布和速度分布的多樣性和隨機性,使兩相流在管內即 可保持有“秩序”的流動,極大地方便了兩相流各個參 數的測量。

1.2 氣液兩相流相分隔狀態下電磁流量計測量原理

      電磁流量計通常用于測量單相導電流體,計算公式 見式(1)。

      式中:U 為兩電極間的電位差(與液體的導電性、黏度 和壓力無關),V;B 為磁通強度,T;b為導電相半徑, m;QL 為導電液體的體積流量,m3/s。 

 

      對于含有少量非導電介質(如氣體或油等)構成的 導電流體,電磁流量計仍能繼續工作。Wyatt[7]考慮 了導電相沿管壁在環形區域流動,絕緣相在同軸芯區 流動時,采用電磁流量測量原理,計算公式見式(2)。

      式 中:a 為 不 導 電 相 半 徑,m;α 為 絕 緣 相 的 空 隙 率,%。

 

在電磁流量計的上游,通過圖2所示的旋流器實 現相分隔。旋流器由4片沿周向均布的導流片構成, 每個導流片平面與管道橫截面呈現一定夾角。 

 

      Wang等 [19]通過研究發現,這種結構的旋流器更 有利于相分隔的形成,它使流體通過改變流動方向產生切向速度,從而產生離心力。在離心力的作用下,氣 體一般以連續氣柱的形式集中在管中心,周圍為連續 液相,液相呈環形流動,形成旋流核心環狀流。管內相 分隔后電磁流量測量原理如圖3所示。

理論上,如果切向速度軸對稱且不衰減,切向速度 不影響電極上的電勢,則切向速度不會影響電磁流量 計的輸出,式(2)也適用于旋轉核心環形。因此,環狀 流中使用電磁流量計測量流量的計算式見式(3)。 

      QL=Q(1-α) (3) 

式中:Q 為流體總的體積流量,m3/s。

 

2 實驗裝置和方法 

      實驗在空氣-水兩相流實驗回路中進行,以驗證所 提出的測量方法的可行性。實驗環路及實驗段布置如 圖4所示,在實驗段安裝了旋流器和電磁流量計。

      利用圖像處理技術,提取環狀流的相界面,進而計 算空隙率,圖像采集原理如圖5所示。圖像采集過程 中,采用背光光源照射法,使用高速攝像儀采集照片, 高速攝像儀型號為 NAC MEMRECAMfxK3,像素 為480×640。在每種工況下,以500 Hz的頻率采集 2s,共1000張照片取氣柱直徑平均值作為計算截面 相含率的值。在整張圖片中只剪裁包含氣柱的部分進行圖像處理,然后對每張剪裁圖像進行標準圖像預處 理,包括去噪、濾波、提高對比度、背景去除等,非常后采 用 Canny提出的 Canny算子進行邊緣檢測,得到氣柱 直徑。本研究采用相分離法實現的旋流核心環空流動 中氣液界面清晰光滑(結構見圖6),從而降低了圖像 處理的難度并減小了空隙率的測量誤差。

 

3 實驗結果與分析 

3.1 實驗流型觀察 

      針對氣液兩相來流分別為細泡狀流、塞狀流和彈 狀流時,實驗過程中觀察了旋流器上下游流型的演變, 旋流器前后的流型變化如圖7所示。從圖7可以看 出,在各入口流型下,都可以形成旋流核心環空流動結 構。當入口流型為細泡狀流時,旋流器下游的氣柱直 徑保持相對穩定值;當入口流型為塞狀流時,旋流器下 游的氣柱直徑保持相對穩定,與細泡狀流區別不大;當 入口流型為彈狀流時,由于截面內氣量的劇烈變化導 致旋流后氣柱直徑隨氣體體積的增大而增大,但界面 仍然清晰。 

3.2 旋流核心環空流動的空隙率 

      螺旋流狀態下,截面相含率與直線流相比會發生 變化,進而使得兩者之間的液流速度也會不同。圖8 示出了在相同的氣液進口流量下,直流環狀流和旋流 環狀流之間空隙率的變化。從圖8可以看出,在旋流 作用下,會使得空隙率的變化范圍減小。在彈狀流來 流時,旋流使得空隙率減小,而對于塞狀流和細泡狀 流,旋流會使得空隙率變大。 

 

3.3 液體流量測量 

      為了研究旋轉環狀流下電磁流量計測量精度,引 入了相對誤差,定義為:

      式中:ε為相對誤差,%;Dmea為液體體積流量測量值, m3/h;Dref為液體體積流量參比值,m3/h。 

 

      為了準確研究多次測量下電磁流量計測量精度, 引入了平均全局相對誤差,定義為:

      式中:εave為平均全局相對誤差,%;N 為取樣個數。 

 

      圖9顯示了不同空隙率流量測量的相對誤差。由 圖9可以看出,測量誤差隨著空隙率增加而增加,且具 有很強的規律性。導致這種現象的原因可能是因為與 單相流相比,旋轉環狀流中存在不導電氣芯,使導電相 流通截面發生改變,由單相流中的圓形變為兩相流中 的環形,造成儀表常數發生改變。由圖9還可看出,通 過關于截面相含率的校正,可得到更精確的測量值。 計算式如下: 

QL=Q(1-α)/(1-1.974lnα-8.219) (6)

      圖10為按照圖9的擬合曲線校正后的測量結果 圖。由圖10可以看出,測量值與參比值吻合良好。相 對誤差非常大不超過±5%,平均誤差為1.1%。綜上所述, 可以利用電磁流量計測量旋轉環狀流中的液體流量。

4 結論與認識 

      本研究以氣液兩相流為研究對象,提出了一種管 內相分隔技術與電磁流量計相結合的水平管內流量測 量新方法,該方法對于指導生產實踐具有重大的意義。

       (1)從理論上分析了管內相分隔與電磁流量計組 合測量兩相流中連續導電相流量的方法,采用空氣-水 兩相流實驗驗證了該方法在一定范圍內可準確測量出 連續導電相的流量,具有實用價值。

       (2)針對兩相流不穩定流的特點,采用旋流片作 為管內相分隔裝置,實驗觀察了旋流器前后的流型變 化,即將管內細泡狀流、塞狀流和彈狀流整流成單一穩 定的環狀流:密度較小的氣相集中于管道中心,而密度 較大的液相則圍繞氣相和管壁形成環狀體,氣液相之 間界面清晰,形成管內相分隔狀態,為后續圖像處理測量空隙率提供條件。 

      (3)針對含有少量氣體的連續水相導電流體,引 入空隙率修正了電磁流量計公式,建立了液相流量測 量模型。為了驗證該方法的可行性,在不同的氣液流 量范圍內進行了一系列實驗,在管內相分隔狀態下,利 用電磁流量計的液相測量相對誤差在±5%以內。