CN110793585A - 基于v锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法及装置。节流元件V锥通过周向均布三支柱固定，可有效提升节流元件抗冲击能力，增加装置可靠性。引入两相质量流量系数K和具有分段函数特性的压损比δ建立两相流量预测关系式，对管道内的温度、压力、压差和压损信号进行实时采集，基于建立的两相流量预测方法对信号进行迭代求解即可实现两相流量的在线测量。本发明所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量双参数在线测量方法及装置具有结构简单、稳定可靠的优点，测量精度可满足工业需求。

Description

基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法及装置

技术领域

本发明属于多相流测量领域，具体涉及一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法及装置。

背景技术

湿气广泛存在于核能、化工、冶金和动力等领域的科学研究和工程实践中，湿气中气液两相流量的精确测量一直是多相流领域研究热点之一。

气液两相流量的测量目前主要分为分离法和在线法两类，分离测量法设备设备庞大、投资成本高且无法实时测量，在实际应用中推广程度较低；而在线测量方法中以差压式流量计应用较为广泛，代表性的有单相流量计组合、单相流量计与相含率传感器组合两类。单相流量计组合法为两个或多个差压式流量计组合，代表性的有专利CN86207384U、CN101413817A、CN101187660A。为减小上、下游节流元件间信号干扰，节流装置间需留有一定的流动发展空间，导致流量计整体尺寸较大，不便于运输及安装。此外，上、下游节流元件的压差响应特性应具有明显的差异性，以保证两相流量的顺利迭代求解，这对结构设计提出了较高要求。而单相流量计与相含率传感器结合的方法，则是借助于超声波、声纳、射线等手段实现相含率测量，配合单相流量计实现双参数测量，代表性的有专利CN106352931A、CN207730269U、CN208012684U。由于配套的相含率传感器多为接触测量，在长期高温高压，强腐蚀性工况等恶劣工况下，这类仪表运行稳定性较差。此外，射线类传感设备在运行、检修过程中所造成的辐射危害持续存在，不便于工业现场安全管理。受制于结构复杂，造价高昂，安全可靠性差等因素，单相流量计与相含率传感器结合的方法在推广应用上也受到了限制。

发明内容

针对现有技术中气液两相流量测量装置结构复杂、造价昂贵以及安全可靠性差的问题，提供一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法及装置，具有结构简单、成本低廉、安全可靠的优点，测量精度可满足工业测量需求。

本发明是通过以下技术方案来实现：

基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，包括以下步骤：

1)确定两相流表观质量流量；

2)根据两相流表观质量流量，并基于两相质量流量系数建立气相流量预测模型；

3)基于压损比分段特性建立液相流量预测关联式；

压损比δ定义为流体流经V锥后的总压力损失与V锥上游至喉部的前压差之比；

其中，ΔP_wg-m为流体流经V锥后的总压力损失，ΔP_wg为V锥上游至V锥喉部的前压差；

4)根据步骤2)得到的气相流量预测模型和步骤3)得到的液相流量预测关联式，得到气相流量的测量值和液相流量的预测值；

5)根据步骤4)得到的气相流量的测量值和液相流量的预测值，基于构建的锥前液膜厚度计算模型，确定锥前液膜厚度H；

当H≥h，步骤4)得到的液相流量的预测值，即为液相流量的最终测量值；

当H<h，执行步骤6)；

h为V锥下沿距管道底部的距离；

6)当H<h，则基于压损比分段特性建立的液相流量测量关联式，确定液相流量的测量值。

优选的，步骤1)中确定两相流表观质量流量的方法如下：

在管道中设置V锥，根据管道中的压力和温度进行两相密度补偿，并结合V锥上游至V锥喉部的压降，计算两相流表观质量流量m_apparent：

其中，A为管道的截面积，β为V锥的节流比，ρ_g为气相密度，ΔP_wg为V锥上游至V锥喉部的前压差。

优选的，步骤2)的气相流量预测关联式具体如下：

其中，Fr_g和Fr_l分别为气体和液体密度弗鲁德数，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相密度。

优选的，步骤2)中两相质量流量系数K的拟合关系式K＝f(Fr_l,Fr_g,DR)通过标定实验得到，K的定义式为；

其中，m_g和m_l分别为气相和液相的质量流量，DR为气、液两相密度比，DR＝ρ_g/ρ_l。

优选的，步骤3)中液相流量预测关联式如下：

Fr_l＝f(DR,δ)

优选的，步骤5)中锥前液膜厚度计算模型如下：

其中，ε_L为截面含气率，D为管道内径，θ为圆周润湿率。

优选的，步骤5)中V锥下沿距管道底部的距离h的计算方法如下：

优选的，步骤6)中液相流量测量关联式如下：

Fr_l＝f(Fr_g,DR,δ)

本发明还提供了一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量装置，包括管道，管道中设置有V锥，管道上还设置有第一压差表、第二压差表、压力表和温度计；

第一压差表、第二压差表、压力表和温度计与数据处理单元连接；

第一压差表，用于测量V锥上游至V锥喉部的前差压ΔP_wg；

第二压差表，用于测量流体流经V锥后的总压力损失ΔP_wg-m；

数据处理单元，用于接收管内的压力、温度、前差压ΔP_wg和总压力损失ΔP_wg-m，并根据上述方法进行迭代求解，输出气相和液相的质量流量。

优选的，所述V锥包括支撑环、支柱和锥体；

所述支撑环的两端分别与两个管道的端部卡接，锥体设置在支撑环的中心，锥体的端部通过三个支柱与支撑环的内壁连接。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的基于V锥压损比分段特性的湿气流量双参数在线测量方法，通过引入两相质量流量系数K建立了气相流量预测模型，基于V锥压损比分段特性建立了液相流量预测关联式，建立锥前液膜厚度计算模型实现了分段计算方法的实施。本发明提出的湿气流量双参数在线测量方法测量精度较高，其中，气相流量误差在±5％以内，液相流量误差控制在±20％内。此外，两相误差均呈现一定对称分布，这有利于累计误差的进一步降低。本发明提出的测量方法稳定可靠，测量精度可满足工业应用需求。

本发明还提供了上述基于V锥压损比分段特性的湿气流量双参数在线测量方法的装置，通过在管道内设置V锥和压力表、温度表和差压表，进而获得管道中的压力、温度和压差参数，根据上述方法即可得到气相和液相质量流量。

进一步，V锥通过周向均布三支柱固定于支撑环，锥体的抗冲击能力和装置可靠性得以提升；支撑环的端部与管道同心卡接，可有效保证锥体与管道的同心度，提高测量精度。

附图说明

图1为本发明采用的湿气流量双参数在线测量装置的***布置图；

图2为本发明采用的V锥结构及其周向均布三支柱固定方式示意图；

图3为本发明进行两相流量迭代计算求解的流程图；

图4为本发明采用的锥前液膜厚度计算模型；

图5为本发明在线求解的气相流量误差分布；

图6为本发明在线求解的液相流量误差分布。

图中：1、下游法兰；2、管道；3、V锥；4、上游法兰；5、压力表；6、第一差压表；7、第二差压表；8、三阀组；9、手阀；10、温度计；11、数据处理单元；12、支柱；13、支撑环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参阅图1，一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量装置，包括下游法兰1、管道2、V锥3和上游法兰4。

上游法兰1和下游法兰4通过焊接实现与管道2连接，并位于管道的两端，压力表5用于管道2内压力测量，差压表6用于V锥3上游与V锥3喉部位置前差压测量，V锥3喉部位置压力通过在V锥3背锥的顶点处开孔，穿过锥体由支撑杆引出管道2。差压表7用于测量V锥3上游取压点和下游取压点间的总压力损失。

在第一差压表6和第二差压表7下均安装有三阀组8，用于强冲击工况下对差压表的保护。在压力表5，差压表6和差压表7取压管道上均设有手阀9，便于仪表在线更换，在管道2下游安装温度计10用于测量管道2内温度。数据处理单元11采集各仪表信号，基于建立的两相流量在线测量方法进行迭代求解，可实现两相流量在线测量。

参阅图2，V锥3包括支撑环13、支柱12和锥体；支撑环13的两端分别与两个管道的端部卡接，锥体设置在支撑环13的中心，锥体的端部通过三支柱与支撑环13的内壁连接；三支柱周向均布在支撑环13中。

支撑环13两端均设置有嵌置台阶，支撑环13与管道2连接，嵌置台阶位于管道的内部。为保证两相流动充分发展，V锥3上游的直管段长度为5～7倍管道内径，下游直管段长度为3～6倍管道内径。

V锥3通过周向均布的三支柱12固定于支撑环13，提升了锥体的抗冲击能力和装置可靠性，支撑环13的端部嵌装在管道中，可有效保证V锥3锥体与管道2的同心度。

本案例选用的V锥3的节流比为0.45，前锥角和后锥角分别为45°和135°，管道2内径为50mm。

参阅图3，一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，包括以下步骤：

1)确定两相流表观质量流量。

在管道中设置V锥，获取管道中的压力和温度进行两相密度补偿，然后结合V锥上游至V锥喉部的压差，确定两相流表观质量流量；

具体为，基于压力表5获得的管内压力P以及温度计10测得的管内温度T，完成两相密度补偿，结合第一差压表6获得的前压差ΔP_wg，计算两相流表观质量流量m_apparent，公式如下：

其中，A为管道2的截面积，β为V锥3的节流比，ρ_g为气相密度，ΔP_wg为第一差压表6测得的前压差。

2)根据两相流表观质量流量m_apparent，并基于两相质量流量系数K建立气相流量预测模型。

具体方法如下，通过标定实验获得K与液体密度弗鲁德数Fr_l间的拟合关系式。

K＝a·Fr_l+b

a＝f(DR,Fr_g)，b＝f(DR,Fr_g)

气体和液体密度弗鲁德数定义如下：

其中，密度比DR＝ρ_g/ρ_l，ρ_l为液相密度；U_sg、U_sl分别为气、液两相的表观速度，U_sg＝4m_g/(πD²·ρ_g)，U_sl＝4m_l/(πD²·ρ_l)；g为重力加速度，D为管道内径。

在实施例中K的具体关系式如式(4)所示。

将所得K的关系式带入到式，在液量流量已知的前提下，气相流量可直接通过(2)式求解计算。

3)基于压损比δ分段特性建立液相流量预测关系式。

定义压损比δ为流体流经V锥后的总压力损失ΔP_wg-m与V锥上游与V锥喉部的前压差ΔP_wg之比。

当锥前液膜较薄未触及锥体下沿时，压损比δ为气体密度弗鲁德数Fr_g，液体密度弗鲁德数Fr_l和密度比DR的函数，即δ＝f(Fr_l,Fr_g,DR)；

当锥前液膜厚度增加至触及锥体下沿时，受喉部射流作用影响，锥后气液夹带增加，气相流量对δ的影响较小，δ为液体密度弗鲁德数Fr_l和密度比DR的函数，即δ＝f(Fr_l,DR)。

4)根据Fr_l＝f(DR,δ)并结合步骤2)建立的气相流量预测模型，计算液相流量预测值和气相流量测量值m_g。

具体为，通过建立的气相流量预测模型和液相流量预测关联式Fr_l＝f(DR,δ)，通过数据处理单元11进行两相流量初步迭代求解计算，得到液相流量预测值和气相流量测量值m_g。

5)根据液相流量的预测值

和气相流量的测量值m_g，基于构建的锥前液膜厚度计算模型，确定锥前液膜厚度H。

参阅图4，其为本发明涉及的锥前液膜厚度计算模型，图中D为管道内径，H为锥前液膜厚度，Φ₀为液膜对应的圆心角的一半。锥前液膜厚度可通过

计算。

其中，ε_L为截面含气率，通过

进行计算，U_sg，U_sl采用(4)所得液相流量的预测值

和气相流量的测量值m_g求得；θ为圆周润湿率，通过

计算。

V锥3下沿距管道2底部的距离由计算，本例中h＝2.67mm。

将锥前液膜厚度H与h比较，当H≥2.67mm时，将步骤4)得到的液相流量预测值Fr_l＝f(DR,δ)，作为液相流量测量值输出，计算关联式见(5)。

Fr_l＝1.2003-116.0315DR/ln(DR)+7.3206δ²lnδ (5)

当H<2.67mm时，根据Fr_l＝f(Fr_g,DR,δ)结合气相流量预测模型，计算液相流量测量值，计算关联式见(6)

Fr_l＝-3.8016-0.0475Fr_g+22.7954DR+4.4909δ^0.5 (6)

图5和图6分别为湿气范围内，即洛玛参数X_LM<0.3时(洛玛参数X_LM，用来表征湿气中液相含率的大小，其定义式为

采用本发明所涉及的湿气流量双参数在线测量方法所得的气、液相流量相对误差，气相流量误差在±5％以内，除极低含液条件X_LM<0.02外，液相流量误差在±20％内，可满足工业应用需求。此外，两相误差均呈现一定对称分布，这有利于累计误差的进一步降低。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定两相流表观质量流量；

2)根据两相流表观质量流量，并基于两相质量流量系数建立气相流量预测模型；

3)基于压损比分段特性建立液相流量预测关联式；

压损比δ定义为流体流经V锥后的总压力损失与V锥上游至喉部的前压差之比；

其中，ΔP_wg-m为流体流经V锥后的总压力损失，ΔP_wg为V锥上游至V锥喉部的前压差；

4)根据步骤2)得到的气相流量预测模型和步骤3)得到的液相流量预测关联式，得到气相流量的测量值和液相流量的预测值；

5)根据步骤4)得到的气相流量的测量值和液相流量的预测值，基于构建的锥前液膜厚度计算模型，确定锥前液膜厚度H；

当H≥h，步骤4)得到的液相流量的预测值，即为液相流量的最终测量值；

当H<h，执行步骤6)；

h为V锥下沿距管道底部的距离；

6)当H<h，则基于压损比分段特性建立的液相流量测量关联式，确定液相流量的测量值。

2.根据权利要求1所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤1)中确定两相流表观质量流量的方法如下：

在管道中设置V锥，根据管道中的压力和温度进行两相密度补偿，并结合V锥上游至V锥喉部的压降，计算两相流表观质量流量m_apparent：

其中，A为管道(2)的截面积，β为V锥(3)的节流比，ρ_g为气相密度，ΔP_wg为V锥上游至V锥喉部的前压差。

3.根据权利要求2所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤2)的气相流量预测关联式具体如下：

其中，Fr_g和Fr_l分别为气体和液体密度弗鲁德数，ρ_g和ρ_l分别为气相和液相密度。

4.根据权利要求3所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤2)中两相质量流量系数K的拟合关系式K＝f(Fr_l,Fr_g,DR)通过标定实验得到，K的定义式为：

其中，m_g和m_l分别为气相和液相的质量流量，DR为气、液两相密度比，DR＝ρ_g/ρ_l。

5.根据权利要求4所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤3)中液相流量预测关联式如下：

Fr_l＝f(DR,δ)。

6.根据权利要求5所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤5)中锥前液膜厚度计算模型如下：

其中，ε_L为截面含气率，D为管道内径，θ为圆周润湿率。

7.根据权利要求6所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤5)中V锥下沿距管道底部的距离h的计算方法如下：

。

8.根据权利要求7所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量方法，其特征在于，步骤6)中液相流量测量关联式如下：

Fr_l＝f(Fr_g,DR,δ)。

9.一种基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量装置，其特征在于，包括管道(2)，管道(2)中设置有V锥(3)，管道上还设置有第一压差表(6)、第二压差表(7)、压力表(5)和温度计(10)；

第一压差表(6)、第二压差表(7)、压力表(5)和温度计(10)与数据处理单元(11)连接；

第一压差表(6)，用于测量V锥(3)上游至V锥(3)喉部的前压差ΔP_wg；

第二压差表(7)，用于测量流体流经V锥(3)后的总压力损失ΔP_wg-m；

数据处理单元(11)，用于接收管内的压力、温度、前压差ΔP_wg和总压力损失ΔP_wg-m，并根据权利要求1-8任一项所述的方法进行迭代求解，输出气相和液相的质量流量。

10.根据权利要求9所述的基于V锥压损比分段特性的湿气流量在线测量装置，其特征在于，所述V锥(4)包括支撑环(13)、支柱(12)和锥体；

所述支撑环(13)的两端分别与两个管道的端部卡接，锥体设置在支撑环(13)的中心，锥体的端部通过三个支柱(12)与支撑环(13)的内壁连接。

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