基于管壁取樣的氣液兩相流量測量

摘 要：為克服傳統取樣式多相流量測量方法取樣口易堵塞的缺點，提出了通過管壁取樣測量氣液兩相流體流量的新方法，管壁四周均勻布置4個直徑為2.5mm的取樣孔，并在上游采用旋流葉片將來流整改成液膜厚度均勻分布的環狀流型，從而增強了取樣的代表性，分析表明，取樣流體中的液相質量流量與主流體液相質量流量的比值主要取決于取樣孔的數目和大小，而取樣流體中的氣相質量流量與主流體氣相質量流量的比值則與主管路液相流量有關，在管徑為0.04m的氣液兩相流實驗回路進行的實驗表明，在實驗范圍內液相取樣比為0.049，基本不受主管氣液相流量波動的影響，能夠在寬廣的流動范圍內維持恒定。液相流量最大測量誤差為6.8％，氣相流量最大測量誤差為8.9％。

關鍵詞：氣液兩相流；流量測量；取樣

中圖分類號：0359 文獻標志碼：A 文章編號：0253-987X(2008)01-0052-04

氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、能源等許多工業領域，在有兩相流動的系統中，兩相流體的流量測量一般是無法避免的，也是未能很好解決的一個難題，分流分相法是近年來出現的一種新型多相流量測量方法，其特點是從被測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，分別用單相流量儀表測量，然后根據取樣流體與主流體間的關系推斷出被測兩相流體的流量，為保證流量測量的精確性，分流出的取樣流體與被測兩相流體之間必須具有穩定和確定的關系，而實現這一目標的關鍵在于取樣分配器的結構，取樣管等傳統取樣分配器由于取樣元件布置在主管內部，取樣口極易被流體中高速運動的砂礫、鐵屑等雜質顆粒磨蝕損壞，甚至造成取樣通道堵塞，如果取樣口布置在管壁上，管內機械雜質等由于密度高、動量大，一般直接流入下游管路，很難改變方向進入管壁小孔，然而，氣液兩相流體通過管壁小孔的流動機理與三通管類似，不可避免地產生相分離，從而導致取樣流體組分與主管被測流體之間出現差異，本文通過增加管壁取樣小孔數目和整改人口流型改善了取樣效果，利用分流分相方法實現了氣液兩相流量的測量。

1 取樣分配器結構及流量測量原理

1．1 取樣器結構

水平管氣液兩相流由于重力的影響，造成管截面上氣液相分布不均勻，即使在環狀流型下，液膜沿周向分布也是不一致的，頂部液膜較薄，底部液膜較厚，因此，采用單孔取樣方法很難保證取樣效果，圖1為本文設計的分配器結構示意圖，取樣孔有4個，直徑均為2.5mm，分別布置在主管頂部、底部以及左右兩側，為了消除氣液界面波動對取樣穩定性的影響，還需對管路上游流型進行調整，通過在取樣孔上游布置旋流葉片，將分層流、彈狀流以及不對稱的環狀流等流型轉變為對稱的環狀流，那么管壁各個取樣孔所取流體樣品將趨于一致，這樣，通過流型整改和多方位取樣，大大增強了取樣的代表性。

1．2流量測量原理

圖2為管壁取樣器測量兩相流體的原理圖，根據分流分相測量原理，通過管壁小孔進入取樣回路的液、氣相流量與主管液、氣相流量具有如下關系

M_1L=M_2L/K_L

(1)

M_1G=M_3G/K_G (2)式中：M_3L、M_2G分別為進入取樣回路的液、氣相質量流量，kg/s；M_1L，M_1G。分別為主管路的液、氣相質量流量，kg/s；K_L、K_G分別為液、氣相分流系數(分流系數等于進入分流回路的液、氣相質量流量與主管路的液、氣相質量流量的比值)。

分流分相方法并不要求氣相分流系數或液相分流系數為固定不變的常數，也不要求氣相分流系數和液相分流系數完全相同，只要分流系數能夠保持穩定或具有特定的變化關系就能實現氣、液相流量的測量。

2 分流系數確定

2．1 液相分流系數

加上旋流裝置后，管路流型調整為液膜厚度均勻的環狀流，環狀流型下的分流系數可以采用文獻[4]提供的方法計算

K_L＝nd/πD(1-E)Kd (3)式中：n為取樣小孔數；d為取樣孔直徑；D為主管內徑；E為氣芯中被夾帶的液相占總液相的份額；K_d為分配影響區修正系數，當分配器結構確定后，n、d、D為固定常數，采用旋流葉片后絕大部分液體在離心力作用下貼著管壁流動，氣芯中的液相很少，E、接近于0，當液膜分布均勻時液相分配區影響系數受其他因素影響較小，基本趨近一不變常數，因此，當分配器結構確定后，液相分流系數基本能保持定值。

2．2 氣相分流系數

氣相分流系數可根據分流取樣回路與主回路間的阻力關系來確定，假設主管路為單相氣體時進入取樣回路的氣相質量流量為M_3G，如果此時主管中有液相加入，會引起主流回路和分流回路的阻力變化，進而引起氣相和液相的重新分配，文獻[5]研究表明，對于基于分流取樣原理的氣液兩相流量測量方法，氣相分流系數與主管液相流量成線性關系，可以寫成

K_G=C+DM_1L (4)

式中：C、D為常數，由實驗確定，式(4)顯示，氣相分流系數并不是一個定值，而是隨液相流量變化而變化。這是由于隨著液相的加入，兩回路的阻力失去對稱性引起的，這種不對稱性越大，氣相分流系數的變化幅度越大，因此在分配器設計時應該盡量使兩回路阻力特性接近對稱。

3 實驗結果分析

實驗在直徑為40mm的空氣一水兩相流回路上進行，來自壓縮機的氣相流量采用氣體漩渦流量計測量，液相流量采用孔板流量計測量，氣相和液相在混合器中混合后，經過充分發展段進入安裝了分流取樣裝置的測試段，在測試段進入取樣小孔的氣液相流體在一小型計量分離器中完成氣液相分離，氣相流量通過文丘里噴嘴流量計測量，分流體液相流量通過稱重法測量，文獻[6]分析表明，由于分流體氣相測量管路和液相測量管路分別獨立地和主管路相連，并且連接點的靜壓力已接近外界氣壓，因此液相不返回主管路不會造成分流體回路和主流體回路相對阻力的變化，即不會引起分流系數的改變，實驗出現的流型包括分層流、環狀流以及彈狀流。

實驗表明，旋流葉片引起的阻力損失較小，固體顆粒雜質等也不會在此處沉積而引發阻塞，圖3、圖4反映了加設旋流葉片前后氣液相分流系數的變化，從圖3可以看出，加設旋流葉片后，液相分流系數有兩個明顯變化：一是液相分流系數基本維持為一不變常數，這是因為旋流裝置將入口流型整改成均勻環狀流后，消除了流型對分配的影響，從而液相分流系數保持一個定值，穩定在4.9％左右，不受主管氣液相流量波動的影響；另一個變化是，流型整改后的液相分流系數在數值上要小于不加旋流裝置時的液相分流系數，這是因為無旋流葉片時液相主要沉積在管壁底部，底部液膜較厚，氣相進入底部小孔時阻力增加，故進入底部取樣小孔的基本全是液相，當液膜均勻分布時，由于液膜較薄，氣相在管內外差壓作用下容易穿透取樣小孔上部液層進入取樣回路，隨著氣體進入取樣小孔，小孔截面液相流通面積進一步減小，液相進入小孔的阻力增加，從而導致進入取樣孔的液量減少，在實驗測量中也可以觀察到，當液膜均勻分布時，從4個取樣孔進入取樣回路的液相流量要小于不加旋流裝置時進入取樣回路的液相流量。

圖4顯示了流型整改對氣相分流系數的影響，加設旋流葉片后氣相分流系數增加，主要是因為氣相密度小、動量低，對阻力變化非常敏感，進入取樣回路的氣體流量主要取決于分流回路和主流回路的阻力匹配關系。取樣回路和主流回路構成并聯關系，而并聯管路具有壓降相等的特征，當加設旋流葉片后，由于進入分流回路的液相流量減少，進入主流回路的液相相對增加，那么就會導致主流回路的阻力增加，從而導致原先進入主流回路的一部分氣體會改變方向進入取樣回路來平衡兩回路的阻力，最終導致氣相分流系數增加。

從圖4還可以看到，氣相分流系數并不是一個定值，設置旋流葉片后其值在0.08～0.1之間變化，但氣相分流系數與主管氣體流量無關，只與液相流量成線性關系，可以表示為

K_G=0.071+0.126M_1L (5)

由于液相分流系數為一恒定值，可由式(1)確定主管液相質量流量，氣相分流系數的大小可由式(5)計算，確定出氣相分流系數后，主管氣相流量可由式(2)得出，圖5、圖6分別為利用4孔管壁取樣分配器，采用分流分相法測得的主管液、氣相質量流量與相應的實驗值的比較，實驗液相流量由混合器前單相液體管路上的孔板流量計測得，實驗氣相流量由混合器前單相氣體管路上的漩渦流量計測得，實驗結果表明，液相流量最大誤差為6.8％，氣相流量最大誤差為8.9％。

4 結 論

本文設計了一種基于管壁取樣的氣液兩相流體流量測量裝置，通過分流分相原理實現了氣液相流量的測量，并采用增加取樣孔數目和改變氣液相分布兩種方法來保證進入管壁取樣小孔的氣液兩相流體的代表性，通過分析發現，液相分流系數能基本維持于一不變常數，而氣相分流系數與主管液相流量有關，能保持確定的變化關系，液相分流系數、氣相分流系數的變化范圍可通過調節主回路節流孔板的孔徑大小來實現。

整個流量測量裝置的分流系數很小，因此所需的分離器體積大大縮小，只有常規分離器的1/10左右，充分發揮了分流分相方法測量的優點，同時整個測量裝置通過管壁取樣，克服了常規取樣裝置取樣口布置在管壁易被堵塞和磨損的缺點，可以應用于現場環境惡劣條件下的氣液兩相流量測量，通過對取樣分配器進行改進，增加含水率測量設備，本文提出的旋流型管壁取樣式流量測量方法還可以用于油氣水三相流量的測量。

(編輯 荊樹蓉 趙大良)