CN104614029B - 一种基于pvt法的小通道气液两相流流量测量装置及方法 - Google Patents
一种基于pvt法的小通道气液两相流流量测量装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。该装置由两相流控制***与两相流参数测量***两部分组成。在参数测量***中采用两组温度、压力传感器对小通道上下游位置进行压力温度测量,同时利用两组光电传感器测量两相流流速,气液两相流参数信号由NI采集模块采集后输入微型计算机。将测得的参数进行处理便可求解出各相流体的流量。本发明稳定性好,结构简单,具有较高的检测精度,为小通道气液两相流流量测量提供了一种新的方法,也为小通道气液两相流其它参数的测量提供了一种借鉴。
Description
技术领域
本发明属于多相流流量测量领域,涉及一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。
背景技术
气液两相流在自然界与工业生产中涉及范围十分广泛,例如,工业中的湿蒸汽传输、石油分离、蒸汽压缩等。同时,随着微化工技术的发展,微化工工程在工业生产中受到了广泛重视。因此,微小通道气液两相流流动特性研究受到国内外学者重视,微小管道气液两相流参数测量也成为一个重要的研究方向。
常规管道测量气液两相流流量的方法和理论对于管径尺寸小,表面张力、粘度作用显著的小通道两相流***并不适用,这使得小管道两相流参数测量始终是一个较为困难的问题,对此国内外众多研究人员多年来已经进行了大量的研究工作。小通道气液两相流的参数有流型、流速、相含率以及流量,其中流量作为描述流动特性比较重要的参数,一直受到国内外学者的重视。然而,关于小管道气液两相流流量的测量,现有的报道还很少。
发明内容
本发明的目的是针对小管道气液两相流流量的测量技术缺乏的问题,提供一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。
基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置包括两相流控制***与两相流参数测量***两部分,两相流控制***包括水罐、氮气罐、液体转子流量计、气体转子流量计、第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、混相器;水罐、液体转子流量计、第一压力传感器、第一温度传感器、混相器第一入口顺次相连,氮气罐、气体转子流量计、第二压力传感器、第二温度传感器、混相器第二入口顺次相连,两相流参数测量***包括第一光电传感器组、第一光学仪器组、第一激光源、第一压力传感器、第一温度传感器、NI采集模块、微型计算机、透明小通道、第二光电传感器组、第二光学仪器组、第二激光源、第二压力传感器、第二温度传感器;混相器出口、第一光电传感器组、第一压力传感器、第一温度传感器、透明小通道、第二光电传感器组、第二压力传感器、第二温度传感器顺次相连,第一激光源经第一光学仪器组与第一光电传感器组相连,第二激光源经第二光学仪器组与第二光电传感器组相连,传感器的信号经NI采集模块采集后输入到微型计算机。
基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法的步骤如下:
(1)让氮气和水流入传输管道,并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17);
(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)分别对氮气和水进行测量,得到它们混相前的流量、压力和温度参数Qg,Pg,Tg,Ql,Pl,Tl;
(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光,经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上,穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收,第二激光源(20)发出激光,经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上,穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收,用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16),获得两个检测点的两组电信号S1(t),S2(t);S3(t),S4(t);
(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速,公式如下:
其中S1(t),S2(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号,光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得,当τ=τ0时,R(τ)最大,由公式:
v1=L/τ0
便算出气液两相流流速,其中,v1为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速,L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离,τ0为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间,同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v2;
(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下:
Qg1+Ql1=V1=v1A
Qg2+Ql2=V2=v2A
其中Qg1,Qg2,Ql1,Ql2分别为上下游两相流的气相和液相流量,V1,V2为上下游总体积流量,v1,v2为上下游流体速度,A为小通道截面面积;
(6)用第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量,得到它们的压力和温度参数P1,T1,P2,T2;
(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程,因此将测得的上下游两相流参数代入方程,便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示:
其中P1,P2,T1,T2分别为上下两个检测点的压力与温度,Qg1,Qg2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量,Pg,Qg,Tg分别为该气相混相前的压力、流量、温度,由于液体的不可压缩性,并且忽略他的热膨胀性,在本实验中可以认为:
Ql1=Ql2=Ql
其中,Ql1,Ql2分别为两个检测点处的液相流量,Ql为该液相混相前的流量,
从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为:
由于气液两相流在上下游距离接近,流体摩擦引起的温度变化可以忽略,因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近,假设气液两相流温度不发生变化,即:
Tg=Tl=T1=T2
其中,Tg,Tl分别为气体和液体混相前的温度,
则气液两相流流量可以简化为:
本发明设计了一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法,不仅稳定性好,结构简单,而且具有较高的检测精度,为小通道气液两相流流量测量提供了一种新的方法,也为小通道气液两相流其它参数的测量提供了一种借鉴。
附图说明
图1是基于PVT的小通道气液两相流流量测量装置结构示意图;
图2是用小通道气液两相流流量测量装置测量两相流流量的流程图;
图3(a)是上游光电传感器电压信号示意图;
图3(b)是电压信号互相关参数示意图;
图4是PVT法测量液相流量结果示意图。
具体实施方式
如图1所示,基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置包括两相流控制***与两相流参数测量***两部分,两相流控制***包括水罐1、氮气罐2、液体转子流量计3、气体转子流量计4、第一压力传感器5、第二压力传感器6、第一温度传感器7、第二温度传感器8、混相器9;水罐1、液体转子流量计3、第一压力传感器5、第一温度传感器7、混相器9第一入口顺次相连,氮气罐2、气体转子流量计4、第二压力传感器6、第二温度传感器8、混相器9第二入口顺次相连,两相流参数测量***包括第一光电传感器组10、第一光学仪器组11、第一激光源12、第一压力传感器13、第一温度传感器14、NI采集模块15、微型计算机16、透明小通道17、第二光电传感器组18、第二光学仪器组19、第二激光源20、第二压力传感器21、第二温度传感器22;混相器9出口、第一光电传感器组10、第一压力传感器13、第一温度传感器14、透明小通道17、第二光电传感器组18、第二压力传感器21、第二温度传感器22顺次相连,第一激光源12经第一光学仪器组11与第一光电传感器组10相连,第二激光源20经第二光学仪器组19与第二光电传感器组18相连,传感器的信号经NI采集模块15采集后传输到微型计算机16。
本发明测量的是小通道内气液两相流中各相的流量,氮气罐与水罐中的氮气和水分别进入传输管道,各相流经过混相器9混合后形成均匀的两相流,再进入透明小管道17进行检测,最后流进水槽。
在氮气和水经过混相器9之前,在传输管道上分别用压力传感器5、6和温度传感器7、8对其进行测量,得到氮气和水的压力和温度,用液体流量计3和气体流量计4测量它们的流量。当它们经混相器9混合均匀形成多相流后,在透明小通道的上下游设置两个检测点,激光源12、20发出的激光进入光学仪器11、19,它是由分光棱镜和平面镜组成,可将进来的激光分成两束平行的相干光照射到透明小通道上,透过小通道的激光分别用光电传感器10、18对其进行检测,并对得出的电信号进行处理求出多相流的流速,进而可以求出流体的流量。同时,在检测点分别用压力传感器13、21和温度传感器14、22对其进行检测,得到多相流的压力和温度参数。最后利用PVT法可以分别得到气相和液相的流量。
如图2所示,基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法的步骤如下:
(1)让氮气和水流入传输管道,并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17);
(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器(5)、第二压力传感器(6)、第一温度传感器(7)、第二温度传感器(8)分别对氮气和水进行测量,得到它们混相前的流量、压力和温度参数Qg,Pg,Tg,Ql,Pl,Tl;
(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光,经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上,穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收,第二激光源(20)发出激光,经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上,穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收,用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16),获得两个检测点的两组电信号S1(t),S2(t);S3(t),S4(t);
(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速,公式如下:
其中S1(t),S2(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号,光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得,当τ=τ0时,R(τ)最大,由公式:
v1=L/τ0
便算出气液两相流流速,其中,v1为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速,L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离,τ0为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间,同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v2;
(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下:
Qg1+Ql1=V1=v1A
Qg2+Ql2=V2=v2A
其中Qg1,Qg2,Ql1,Ql2分别为上下游两相流的气相和液相流量,V1,V2为上下游总体积流量,v1,v2为上下游流体速度,A为小通道截面面积;
(6)用第一压力传感器(13)、第一温度传感器(14)、第二压力传感器(21)、第二温度传感器(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量,得到它们的压力和温度参数P1,T1,P2,T2;
(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程,因此将测得的上下游两相流参数代入方程,便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示:
其中P1,P2,T1,T2分别为上下两个检测点的压力与温度,Qg1,Qg2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量,Pg,Qg,Tg分别为该气相混相前的压力、流量、温度,由于液体的不可压缩性,并且忽略他的热膨胀性,在本实验中可以认为:
Ql1=Ql2=Ql
其中,Ql1,Ql2分别为两个检测点处的液相流量,Ql为该液相混相前的流量,
从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为:
由于气液两相流在上下游距离接近,流体摩擦引起的温度变化可以忽略,因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近,假设气液两相流温度不发生变化,即:
Tg=Tl=T1=T2
其中,Tg,Tl分别为气体和液体混相前的温度,
则气液两相流流量可以简化为:
如图3所示,上游光电传感器获得的两个电压信号以及互相关参数示意图。从图3(a)可以看到,而且两组信号具有很明显的相关性,从图3(b)中可以看到,所选的两个光电池电压信号渡越时间为0.039ms,根据渡越时间可以计算出气液两相流流速。
如图4所示,PVT法测量液相流量测量值与参考值关系示意图。在本实验中,由于液相流量控制比气相流量更稳定、精确,因此采用液相转子流量计测量的流量作为实验测量的参考值。其中气相流量变化范围为30ml/min~60ml/min,液相流量变化范围为40ml/~100ml/min。从图4可以看出,在气相流量为60ml/min条件下,利用PVT法测量小管道气液两相流液相流量最大误差均在10%以内。而且,当液相流量低于80ml/min时,液相流量测量相对误差较小;当液相流量高于80ml/min时,相对误差较大。
实验结果表明本发明所提出的基于PVT的小通道气液两相流流量测量装置及方法是有效的,其测量两相流液相流量最大误差在10%左右。
Claims (2)
1.一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置,其特征在于:包括两相流控制***与两相流参数测量***两部分,两相流控制***包括水罐(1)、氮气罐(2)、液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器A(5)、第二压力传感器A(6)、第一温度传感器A(7)、第二温度传感器A(8)、混相器(9);水罐(1)、液体转子流量计(3)、第一压力传感器A(5)、第一温度传感器A(7)、混相器(9)第一入口顺次相连,氮气罐(2)、气体转子流量计(4)、第二压力传感器A(6)、第二温度传感器A(8)、混相器(9)第二入口顺次相连,两相流参数测量***包括第一光电传感器组(10)、第一光学仪器组(11)、第一激光源(12)、第一压力传感器B(13)、第一温度传感器B(14)、NI采集模块(15)、微型计算机(16)、透明小通道(17)、第二光电传感器组(18)、第二光学仪器组(19)、第二激光源(20)、第二压力传感器B(21)、第二温度传感器B(22);混相器(9)出口、第一光电传感器组(10)、第一压力传感器B(13)、第一温度传感器B(14)、透明小通道(17)、第二光电传感器组(18)、第二压力传感器B(21)、第二温度传感器B(22)顺次相连,第一激光源(12)经第一光学仪器组(11)与第一光电传感器组(10)相连,第二激光源(20)经第二光学仪器组(19)与第二光电传感器组(18)相连,传感器的信号经NI采集模块(15)采集后传输到微型计算机(16)。
2.一种使用如权利要求1所述装置的基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法,其特征在于,方法的步骤如下:
(1)让氮气和水流入传输管道,并经过混相器(9)后形成稳定的两相流流入透明小通道(17);
(2)用液体转子流量计(3)、气体转子流量计(4)、第一压力传感器A(5)、第二压力传感器A(6)、第一温度传感器A(7)、第二温度传感器A(8)分别对氮气和水进行测量,得到它们混相前的流量、压力和温度参数Qg,Pg,Tg,Ql,Pl,Tl;
(3)在透明小通道(17)的上下游设置两个检测点,第一激光源(12)发出激光,经第一光学仪器组(11)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第一个检测点上,穿过小通道后的光被第一光电传感器组(10)接收,第二激光源(20)发出激光,经第二光学仪器组(19)后形成两束平行激光照射到透明小通道(17)的第二个检测点上,穿过小通道后的光被第二光电传感器组(18)接收,用NI数据采集模块(15)采集两个检测点的光电池信号后输入到计算机(16),获得两个检测点的两组电信号S1(t),S2(t);S3(t),S4(t);
(4)由第一光电传感器组(10)测得到的电信号,利用互相关性原理算出多相流的流速,公式如下:
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其中S1(t),S2(t)为通过第一光电传感器组(10)采集到的电压信号,光电传感器电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得,当τ=τ0时,R(τ)最大,由公式:
v1=L/τ0
便算出气液两相流流速,其中,v1为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个测量点的流速,L为第一光电传感器组(10)中两个光电传感器的中心点距离,τ0为通过互相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间,同理利用第二光电传感器组(18)测得到的电信号,利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v2;
(5)由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量,公式如下:
Qg1+Ql1=V1=v1A
Qg2+Ql2=V2=v2A
其中Qg1,Qg2,Ql1,Ql2分别为上下游两相流的气相和液相流量,V1,V2为上下游总体积流量,v1,v2为上下游流体速度,A为小通道截面面积;
(6)用第一压力传感器B(13)、第一温度传感器B(14)、第二压力传感器B(21)、第二温度传感器B(22)分别对透明小通道两个检测点进行测量,得到它们的压力和温度参数P1,T1,P2,T2;
(7)由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程,因此将测得的上下游两相流参数代入方程,便计算出气液各相的流量,上下游气液分相流量与两相流参数关系可以用下列方程表示:
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其中P1,P2,T1,T2分别为上下两个检测点的压力与温度,Qg1,Qg2分别为上下两个检测点处两相流的气相流量,Pg,Qg,Tg分别为该气相混相前的压力、流量、温度,由于液体的不可压缩性,并且忽略他的热膨胀性,在本实验中可以认为:
Ql1=Ql2=Ql
其中,Ql1,Ql2分别为两个检测点处的液相流量,Ql为该液相混相前的流量,
从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为:
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由于气液两相流在上下游距离接近,流体摩擦引起的温度变化可以忽略,因此在氮气罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近,假设气液两相流温度不发生变化,即:
Tg=Tl=T1=T2
其中,Tg,Tl分别为气体和液体混相前的温度,
则气液两相流流量可以简化为:
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