雙錐流量計的氣水兩相流流量測量研究

朱 躍 謝代梁 梅松淇 梁國偉

(中國計量學院計量測試工程學院1，浙江 杭州 310018;浙江中煙工業有限責任公司寧波卷煙廠2，浙江 寧波 315040)

0 引言

標準孔板或文丘里管是傳統差壓流量計常用的節流裝置，由于自身結構的限制，傳統差壓流量計存在無法克服的缺點［1］。為克服傳統差壓流量計的缺點，近年來，新型的節流裝置不斷涌現，其中較為成功并已投入市場使用的是V錐流量計［2］。研究表明，V錐流量計確實在很多方面克服了傳統差壓流量計的缺點［3］。因此，在單相流測量領域和多相流測量方面，V錐流量計倍受關注［4－6］。本文在V錐流量計的基礎上，設計了一種結構簡單、加工工藝要求低的雙錐流量計，并嘗試將其用于氣液兩相流的測量。

采用傳統的單相流量計結合測量模型對氣液兩相流參數進行測量，是目前氣液兩相流測量研究中的重要方向之一。自1949年Lockhart和Martinelli［7］研究差壓信號與界面含氣率之間的關系以來，Murdock［8］、Chisholm［9］和 Lin［10］等分別采用標準孔板或文丘里管對氣液兩相流進行研究，建立了相應的測量模型。目前，雖有各種新技術的不斷涌現，但利用常規流量計對氣液兩相流測量的研究并未停止，如 Huang Zhiyao等［11－13］采用文丘里管結合層析成像技術，對氣液兩相流進行測量，Feng Dong等［6］采用V錐流量計研究氣液兩相流的測量技術。這些研究成果為進一步完善和推廣常規流量計測量兩相流的方法提供了很好的借鑒。

1 雙錐流量計測量原理

1.1 雙錐流量計節流裝置結構

雙錐流量計的基本工作原理圖如圖1所示。

圖1 雙錐流量計工作原理圖Fig.1 The structure of dual-cone flowmeter

雙錐流量計屬于邊壁收縮、逐漸擴散式流量計。雙錐流量計的節流錐體主要包括錐體和錐體支架結構兩部分。雙錐流量計的錐體由前后兩錐角相等的對稱錐體組成。錐體支架結構由三個片狀支架和一管環組成，錐體的支架結構通過錐體中間喉部將錐體固定在管道中心與管道同軸，其中管環的內徑和管道的內徑相同，將錐體安裝在管道中就可以構成雙錐流量計。

圖1中:P1、P2、P3分別為三個取壓口，P1為上游流體收縮前靜壓取壓孔，P2為節流件喉部最小流通面積處靜壓取壓孔，P3為下游流體流束穩定時的靜壓取壓孔;P1與P2之差為本研究中所取得雙錐流量計差壓信號;L為差壓取壓孔的孔距，D為管道內徑，d為節流錐體在喉部處直徑，α為對稱錐體的錐角。

1.2 雙錐流量計單相流測量原理

在同一密閉管道中，根據能量守恒原理(伯努利方程)和流動連續性方程可得，單相流的質量流量和差壓之間的關系式為:

1.3 雙錐流量計氣液兩相流測量原理

1.3.1 分相流模型

假設氣液兩相是完全分開的，流體兩相均不可壓縮且兩相流出系數相同，各相流過節流裝置時的差壓等于兩相流體同時流過節流裝置的差壓，流動過程中不發生相變，則分相流各相差壓之間的關系式為:

式中:ΔPtp為氣液兩相流流體流過節流裝置時的差壓;ΔPl為液相單獨流過節流裝置時的差壓;ΔPg為氣相單獨流過節流裝置時的差壓。經推導，可得分相流計算模型為:

式中:x為干度;ρl為液相密度;ρg為氣相密度。

1.3.2 Murdock 模型

由于分相流模型的假設過于理想，其計算值和實際值相差較大。Murdock通過大量試驗，得出孔板測量兩相流流量的差壓關系式為:

從而得到總流量的計算模型為:

式中:θ為修正系數，其值為1.26。

1.3.3 Lin 模型

Lin模型的總流量測量公式同式(5)。但Lin通過大量試驗得出，在孔板的氣液兩相流測量中，修正系數θ并不是一個定值，其值和工作壓力或 ρg/ρl有關［14］，并得出:

2 試驗與結果分析

2.1 試驗裝置

雙錐流量計氣水兩相流流量測量試驗是在中國計量學院油氣水三相流試驗設備上進行的，研究過程中對水平管道氣水兩相流的測量進行了試驗。試驗設備主要包括數據采集系統和試驗管路兩大部分，其中數據采集系統包括數據采集器和數據采集控制界面;試驗管路包括壓力變送器、溫度變送器、差壓變送器、標準表以及管道和閥門等設備。

試驗裝置的結構如圖2所示。

圖2 試驗裝置結構示意圖Fig.2 The structure of experimental device

圖2 中:W1、W2為球閥;T1、T2為溫度變送器;P1、P2為壓力變送器;P為差壓變送器。

試驗介質為空氣和水;試驗工況的溫度為30～38℃，壓力為 40 ～200 kPa，干度范圍為 0.004 ～0.040;標準水表選用的是IFM4080F型電磁流量計，其精度等級為0.2級;標準氣表選用的是旋進漩渦流量計，其精度等級為0.5級;試驗管道內徑為50 mm;混相器與試驗管段之間有長度為8 m的直管段，以保證兩相流的充分發展。數據采集器采用的是研華公司的pci-1710L，數據采集控制界面選用 NI公司的LabVIEW軟件進行開發。

2.2 雙錐流量計流出系數標定

由于雙錐流量計不是標準節流裝置，在使用之前需要對雙錐流量計的流出系數C進行標定。試驗所用雙錐流量計的流出系數用水進行標定，其具體標定公式為:

式中:Qv為水的體積流量;ρ1為水的密度(標定時，水的密度為996 kg/m3);ε=1。

在水流量為5～50 m3/h的范圍內，對該雙錐流量的流量系數進行標定。流出系數與水流量之間的關系如圖3所示。

圖3 流出系數和水流量關系Fig.3 Relationship between discharge coefficient and water flow

由圖3可以看出，當水流量大于10 m3/h之后，雙錐流量計的流量系數趨于一個恒定值，表現出較好的穩定性。因此，可以取其平均值作為雙錐流量計的流出系數，其值為C=0.9677。

2.3 試驗方案

將雙錐流量計安裝到圖3所示的試驗裝置上，就可以研究雙錐流量計的兩相特性。具體按照以下步驟來完成試驗。

①啟動空壓機和水泵;

②待水壓穩定以后，調節水相調節閥，把水流量控制在一個流量點;

③待水相流量穩定、同時氣相壓力穩定以后，調節氣相調節閥，使氣液兩相進行混合;

④待混合壓力穩定后，記錄水流量和氣流量的瞬時流量，同時，數據采集界面開始采集差壓、壓力和溫度數據;

⑤待各數據采集完成，重復步驟②～④，直至完成整個試驗。

2.4 試驗結果與分析

按照上述試驗方案，對雙錐流量計進行氣液兩相流試驗研究。為了研究雙錐流量計氣液兩相流流量測量特性，本次研究選用分相流模型、Murdock模型和Lin模型作為測量模型。表1列出了本次試驗的測量引用誤差和總質量流量的試驗數據。

表1 試驗結果Tab.1 Experimental results

分相流模型的總流量測量誤差如圖4所示。圖4中，橫坐標表示氣水兩相的總流量，縱坐標表示引用誤差，測量范圍為試驗中的總流量范圍2～8 kg/s，x采用試驗中實際的干度值，由真實的氣水兩相質量流量算得。測量結果顯示，采用分相流模型計算所得的總流量呈現正誤差。當流量范圍在2～8 kg/s內時，測量引用誤差可控制在16%之內;在流量較小的情況下，可以獲得較好的測量結果;但較大流量下測量誤差較大。

圖4 分相流模型測量誤差Fig.4 Measurement errors of homogeneous model

Murdock模型的總流量測量誤差如圖5所示。結果顯示，總流量在2～8 kg/s的工況下，可以獲得較好的測量結果，其引用誤差大部分可控制在12%以內，僅有少數點落在12%以外;當流量小于4 kg/s時，其引用誤差可控制在6%以內。誤差的分布規律顯示，若經進一步的深入分析，可獲得適合于雙錐流量計的修正模型。

圖5 Murdock模型測量誤差Fig.5 Measurement errors of Murdock model

Lin模型的總流量測量誤差如圖6所示。該模型的測量誤差總體呈現負誤差，在小流量時誤差較小，隨著流量的增大，誤差增大，并與流量呈現一定的線性增長關系。出現這種現象的原因可能是由于修正系數θ是依據孔板的試驗數據獲得的，而孔板的測量特性與雙錐流量計又存在較大的差異。

圖6 Lin模型測量誤差Fig.6 Measurement errors of Lin model

3 結束語

本文設計了一種新型雙錐流量計，并應用于氣水兩相流流量測量研究。在中國計量學院油氣水三相流試驗設備上進行了流量測量試驗，獲得了等效內徑比β=0.8的雙錐流量計的流量系數為0.9677。

結合分相流模型、Murdock模型和Lin模型，對雙錐流量計氣水兩相流總流量測量進行了研究。結果表明，分相流模型測量誤差較大;Murdock模型在總流量小于4 kg/s的工況下，可以獲得較好的測量結果;Lin模型可能由于修正系數θ是依據孔板的試驗數據獲得的，而孔板的測量特性與雙錐流量計有較大的差異，誤差呈現線性增大的趨勢，仍需進一步研究，以獲取雙錐流量計下的修正系數。

初步的研究表明，雙錐流量計結合相應的測量模型后，可用于氣液兩相流流量測量［15－17］。應用Murdock模型，雙錐流量計測量誤差最小，較適合于雙錐流量計氣液兩相流流量測量;應用Lin模型，則雙錐流量計需要對其一些參數進行修正或標定。

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