CN105157766A - 双差压湿气流量在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双差压湿气流量在线测量装置及方法。包括上游的文丘里流量计、下游的纺锤体流量计及处理器，文丘里流量计和纺锤体流量计的相对端通过法兰连接，文丘里流量计和纺锤体流量计分别连接处理器；处理器中存有湿气两相流量测量模型，根据输入的参数在线输出气液两相各自的流量。文丘里流量计布置在纺锤体流量计之前，最大程度的降低了前面流量计对流场及后面流量计测量的影响。纺锤体流量计具有良好的流线型结构，流动阻力小；且具有良好的稳流和抗干扰能力，布置在文丘里流量计下游，能最大程度的提高组合流量计的测量性能。

Description

双差压湿气流量在线测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种湿气流量在线监测装置，尤其是一种文丘里与纺锤体双差压湿气流量在线测量装置及方法。

背景技术

目前市场上存在的流量计多为单相流体测量流量计，湿气两相流量在线测量的流量计种类少且价格昂贵。差压流量计性能稳定且成本较低，应用领域较为广泛。在差压法流量测量模型中，流量是管道尺寸、流体物性及流量计差压等的函数。双差压流量计主要由前后两个差压流量计组成，在双差压湿气流量在线测量模型中，两相流量是管道尺寸、流体物性、两个差压流量计的差压等的函数。在实际测量过程中，已知管道尺寸和流体物性，通过在线测量获取流管道压力、两个流量计各自的差压，换算出湿气的两相流量。当前存在的双差压湿气流量在线测量装置主要采用文丘里和孔板流量计的组合，或者文丘里和V锥流量计的组合。其中孔板流量计的流动阻力较大，增加了流动压降，对管道的湿气运输不利。同时，已存在的双差压组合流量计中文丘里放在后面，而前置的孔板或V锥对下游流场的扰动较大，不利于组合流量计安装区域的流场稳定性保持，进而影响到后置文丘里流量计的测量性能。故需要在保持双差压流量计测量性能稳定性的同时，尽量减小双流量计造成的管道流动阻力损失。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种双差压湿气流量在线测量装置，本发明采用如下技术方案：

双差压湿气流量在线测量装置，包括上游的文丘里流量计、下游的纺锤体流量计及处理器，文丘里流量计和纺锤体流量计的相对端通过法兰连接，文丘里流量计和纺锤体流量计分别连接处理器；

文丘里流量计的入口位置和喉部位置分别设有压力采集点，文丘里流量计采集前后两个压力值P1和P2，其中，文丘流量计里入口位置的压力P1为管道的压力；

纺锤体流量计的上游和追尾位置分别设置有压力采集点，纺锤体流量计采集前后两个压力值P3和P4；

采集的压力值P1、P2、P3和P4传递到处理器中，处理器中存有湿气两相流量测量模型，根据输入的参数在线输出气液两相各自的流量。

进一步地，所述文丘里流量计的另一端通过法兰与被测管道连接，纺锤体流量计的另一端通过法兰与被测管道连接，管道内的湿气两相流体流出经过文丘里流量计、纺锤体流量计再回到管道中。

进一步地，所述处理器设有用于输入基本物理量信息的人机交互界面。

根据上述双差压湿气流量在线测量装置的在线监测方法，采用如下步骤：

(1)由人机交互界面输入管道内径D、流量计的节流比β、气相密度ρ_g、液相密度ρ_l，连接好数据接口，由装置自动测量采集信息即可完成标定；

(2)获取每个流量计的两相流量系数C_m与X_LM的关系式：

$C_m=\frac{m_g+m_l}{m_{tpc}}$ ①

其中，m_g为气相质量流量，m_l为液相质量流量，

X_LM为液相含量的大小：

$X_{LM}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ②

C_m与X_LM成近似线性关系：

C_m＝aX_LM+b③

其中，a，b与压力及气体的流量有关，通过前期对两个单流量计进行标定获得；

(3)文丘里流量计和纺锤体流量计分别将采集的压力值P1、P2、P3和P4传递到处理器中，处理器处理得到文丘里流量计和纺锤体流量计分别测得的气液两相流动的差压△P_tp，由气液两相流动的差压得到湿气理论流量m_tpc：

$m_{tpc}=\frac{{\mathrm{\πD}}^2{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ΔP}}_{tp}}}{4\×\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$ ④；

(4)由步骤(1)、(2)、(3)得：

$m_g=\frac{m_{tpc}({\mathrm{aX}}_{LM}+b)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ⑤

由上式求得气相质量流量m_g，再由m_g求得m_l。

所述步骤(2)中文丘里流量计行标定获得a₁、b₁：

C_m＝a₁X_LM+b₁⑥；

纺锤体流量计标定获得a₂、b₂：

C_m＝a₂X_LM+b₂⑦。

所述步骤(3)中文丘里流量计采集前后两个压力值P1和P2，得到文丘里流量计的差压△P_tp，带入到④式中得到文丘里流量计的理论测量流量m_tpc；

将文丘里上游的压力P1作为管道的压力来流体的密度，带入到②式获得湿气流程的X_LM，纺锤体流量计采集前后两个压力值P3和P4，得到纺锤体流量计的差压△P_tp，带入到④式中得到纺锤体流量计的理论测量流量m_tpc。

将X_LM、文丘里流量计与纺锤体流量计分别得到的m_tpc代入到标定后的⑧式中，得到与两个流量计对应的不同湿气流量方程：

$m_g=\frac{m_{tpc1}(a_1{X}_{LM}+b_1)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

$m_g=\frac{m_{tpc2}(a_2{X}_{LM}+b_2)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ⑧

联立求解即可得到管道中的气液两相流量m_g和m_l。

采用如上方案取得的有益技术效果为：

文丘里流量计布置在纺锤体流量计之前，最大程度的降低了前面流量计对流场及后面流量计测量的影响。

纺锤体流量计具有良好的流线型结构，流动阻力小；且具有良好的稳流和抗干扰能力，布置在文丘里流量计下游，能最大程度的提高组合流量计的测量性能。

附图说明

图1为双差压湿气流量在线测量装置示意图。

具体实施方式

结合附图1对本发明的具体实施方式做进一步说明：

双差压湿气流量在线测量装置2，包括上游的文丘里流量计1、下游的纺锤体流量计3及处理器，文丘里流量计和纺锤体流量计的相对端通过法兰连接，文丘里流量计和纺锤体流量计分别连接处理器；

文丘里流量计的入口位置和喉部位置分别设有压力采集点，文丘里流量计采集前后两个压力值P1和P2(P1为文丘里流量计上游压力，P2为文丘里流量计下游压力)，其中，文丘流量计里入口位置的压力P1(即文丘里流量计上游压力)为管道的压力；

纺锤体流量计的上游和追尾位置分别设置有压力采集点，纺锤体流量计采集前后两个压力值P3和P4(P3为纺锤体流量计上游压力，P4为纺锤体流量计下游压力)；

采集的压力值P1、P2、P3和P4传递到处理器中，处理器中存有湿气两相流量测量模型，根据输入的参数在线输出气液两相各自的流量。

文丘里流量计的另一端通过法兰与被测管道连接，纺锤体流量计的另一端通过法兰与被测管道连接，管道内的湿气两相流体流出经过文丘里流量计、纺锤体流量计再回到管道中。

文丘里流量计和纺锤体流量计的相对端的法兰、文丘里流量计与被测管道连接的法兰及纺锤体流量计与被测管道连接的法兰统称为连接法兰4。

处理器设有用于输入基本物理量信息的人机交互界面。

采用文丘里在前、纺锤体流量计在后的组合方式，文丘里对流场的扰动较小，从而减小了对后面流量计测量性能的影响，而纺锤体流量计具有良好的流线型结构，较孔板和V锥有更好的稳流和抗扰动能力，且流动阻力较小。故纺锤体流量计放在文丘里之后的组合，具有良好的测量性能。

根据上述双差压湿气流量在线测量装置的在线监测方法，采用如下步骤：

(1)由人机交互界面输入管道内径D、流量计的节流比β、气相密度ρ_g、液相密度ρ_l，连接好数据接口，由装置自动测量采集信息即可完成标定；

(2)获取每个流量计的两相流量系数C_m与X_LM的关系式：

$C_m=\frac{m_g+m_l}{m_{tpc}}$ ①

其中，m_g为气相质量流量，m_l为液相质量流量，

X_LM为液相含量的大小：

$X_{LM}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ②

C_m与X_LM成近似线性关系：

C_m＝aX_LM+b③

其中，a，b与压力及气体的流量有关，通过前期对两个单流量计进行标定获得；

(3)文丘里流量计和纺锤体流量计分别将采集的压力值P1、P2、P3和P4传递到处理器中，处理器处理得到文丘里流量计和纺锤体流量计分别测得的气液两相流动的差压△P_tp，由气液两相流动的差压得到湿气理论流量m_tpc：

$m_{tpc}=\frac{{\mathrm{\πD}}^2{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ΔP}}_{tp}}}{4\×\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$ ④；

(4)由步骤(1)、(2)、(3)得：

$m_g=\frac{m_{tpc}({\mathrm{aX}}_{LM}+b)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ⑤

由上式求得气相质量流量m_g，再由m_g求得m_l。

所述步骤(2)中文丘里流量计行标定获得a₁、b₁：

C_m＝a₁X_LM+b₁⑥；

纺锤体流量计标定获得a₂、b₂：

C_m＝a₂X_LM+b₂⑦。

所述步骤(3)中文丘里流量计采集前后两个压力值P1和P2，得到文丘里流量计的差压△P_tp，带入到④式中得到文丘里流量计的理论测量流量m_tpc；

将文丘里上游的压力P1作为管道的压力来流体的密度，带入到②式获得湿气流程的X_LM，纺锤体流量计采集前后两个压力值P3和P4，得到纺锤体流量计的差压△P_tp，带入到④式中得到纺锤体流量计的理论测量流量m_tpc。

将X_LM、文丘里流量计与纺锤体流量计分别得到的m_tpc代入到标定后的⑧式中，得到与两个流量计对应的不同湿气流量方程：

$m_g=\frac{m_{tpc1}(a_1{X}_{LM}+b_1)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

$m_g=\frac{m_{tpc2}(a_2{X}_{LM}+b_2)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ⑧

联立求解即可得到管道中的气液两相流量m_g和m_l。

具体换算过程都可输入到处理器中，由处理器自动计算完成。在实际的流量计标定过程中，通过简单的人机界面操作输入管道尺寸、流量计结构尺寸和流体物性等信息，连接好数据接口，由装置自动测量采集信息即可完成标定。在湿气流量在线测量过程中，装置直接自动测量采集两个差压信息，通过内部处理器换算求解得到气液两相各自的流量。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (7)

1.双差压湿气流量在线测量装置，其特征在于，包括上游的文丘里流量计、下游的纺锤体流量计及处理器，文丘里流量计和纺锤体流量计的相对端通过法兰连接，文丘里流量计和纺锤体流量计分别连接处理器；

文丘里流量计的入口位置和喉部位置分别设有压力采集点，文丘里流量计采集前后两个压力值P1和P2，其中，文丘流量计里入口位置的压力P1为管道的压力；

纺锤体流量计的上游和追尾位置分别设置有压力采集点，纺锤体流量计采集前后两个压力值P3和P4；

采集的压力值P1、P2、P3和P4传递到处理器中，处理器中存有湿气两相流量测量模型，根据输入的参数在线输出气液两相各自的流量。

2.根据权利要求1所述的双差压湿气流量在线测量装置，其特征在于，所述文丘里流量计的另一端通过法兰与被测管道连接，纺锤体流量计的另一端通过法兰与被测管道连接，管道内的湿气两相流体流出经过文丘里流量计、纺锤体流量计再回到管道中。

3.根据权利要求2所述的双差压湿气流量在线测量装置，其特征在于，所述处理器设有用于输入基本物理量信息的人机交互界面。

4.根据权利要求3所述的双差压湿气流量在线测量装置的在线监测方法，其特征在于，所述线监测方法采用如下步骤：

(1)由人机交互界面输入管道内径D、流量计的节流比β、气相密度ρ_g、液相密度ρ_l，连接好数据接口，由装置自动测量采集信息即可完成标定；

(2)获取每个流量计的两相流量系数C_m与X_LM的关系式：

$C_m=\frac{m_g+m_l}{m_{tpc}}$ ①

其中，m_g为气相质量流量，m_l为液相质量流量，

X_LM为液相含量的大小：

$X_{LM}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ②

C_m与X_LM成近似线性关系：

C_m＝aX_LM+b③

其中，a，b与压力及气体的流量有关，通过前期对两个单流量计进行标定获得；

(3)文丘里流量计和纺锤体流量计分别将采集的压力值P1、P2、P3和P4传递到处理器中，处理器处理得到文丘里流量计和纺锤体流量计分别测得的气液两相流动的差压△P_tp，由气液两相流动的差压得到湿气理论流量m_tpc：

$m_{tpc}=\frac{{\mathrm{\πD}}^2{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ΔP}}_{tp}}}{4\×\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$ ④；

(4)由步骤(1)、(2)、(3)得：

$m_g=\frac{m_{tpc}({\mathrm{aX}}_{LM}+b)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ⑤

由上式求得气相质量流量m_g，再由m_g求得m_l。

5.根据权利要求4所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤(2)中文丘里流量计行标定获得a₁、b₁：

C_m＝a₁X_LM+b₁⑥；

纺锤体流量计标定获得a₂、b₂：

C_m＝a₂X_LM+b₂⑦。

6.根据权利要求5所述的在线监测方法，其特征在于，所述步骤(3)中文丘里流量计采集前后两个压力值P1和P2，得到文丘里流量计的差压△P_tp，带入到④式中得到文丘里流量计的理论测量流量m_tpc；

将文丘里上游的压力P1作为管道的压力来流体的密度，带入到②式获得湿气流程的X_LM，纺锤体流量计采集前后两个压力值P3和P4，得到纺锤体流量计的差压△P_tp，带入到④式中得到纺锤体流量计的理论测量流量m_tpc。

7.根据权利要求6所述的在线监测方法，其特征在于，将X_LM、文丘里流量计与纺锤体流量计分别得到的m_tpc代入到标定后的⑧式中，得到与两个流量计对应的不同湿气流量方程：

$m_g=\frac{m_{tpc1}(a_1{X}_{LM}+b_1)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

$m_g=\frac{m_{tpc2}(a_2{X}_{LM}+b_2)}{1+X_{LM}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ ⑧

联立求解即可得到管道中的气液两相流量m_g和m_l。