摘要:針對
電磁流量計測量氣液兩相流時測量精度和穩(wěn)定性易受流型影響的問題,提出了一種管內(nèi) 相分隔狀態(tài)下基于電磁流量計的氣液兩相流測量方法。利用旋流器將不規(guī)則的兩相流入口流型整形成 氣芯-水環(huán)的對稱型環(huán)狀流,保證了權(quán)函數(shù)的有序分布,并引入空隙率修正了電磁流量計測量模型,提高 了電磁流量計的測量精度。利用空氣-水兩相流為介質(zhì),通過室內(nèi)實驗對該測量方法進行了驗證,結(jié)果 表明,在管內(nèi)相分隔狀態(tài)下,電磁流量計的液相測量相對誤差在±5%以內(nèi)。研究結(jié)果為工業(yè)生產(chǎn)中的 氣液兩相測量提供了一種很好的思路和方法,具有良好的應(yīng)用價值。
在工業(yè)應(yīng)用中,兩相流流量測量對于實際工程應(yīng) 用具有重要作用,如石油鉆采工程、石油化工、熱電聯(lián) 供等輸送及分配過程中都存在氣液兩相流測量問題。 早期曾對氣液兩相流的測量進行了廣泛研究,但由于 氣液兩相流型的復(fù)雜性及多變性,至今仍無廣泛認可 的氣液兩相流在線測量技術(shù)[1]。
多相流動體系通常是由兩種或兩種以上互不相溶 的介質(zhì)組成的,具有明顯相界面的混合物流動[2]。本 研究的氣液兩相流研究對象分別是空氣和水,在流動 過程中,由于存在不同流型及流態(tài)的復(fù)雜變化,兩相流 各種參數(shù)的測量都變得極為困難。因此,準確描述并 識別流型對于兩相流量測量具有重要的意義。由于主 要研究的是水平管內(nèi)的氣液兩相流流型,在前人的研 究基礎(chǔ)之上,對水平管內(nèi)流型進行了總結(jié)和分析,得到 水平管內(nèi)的氣液兩相流流型主要為細泡狀流動、彈狀 流動、分 層 流 動、波 狀 分 層 流、塞 狀 流 以 及 環(huán) 狀 流 等[3-4]。
自20世紀以來,氣液兩相在線測量一直是工業(yè)生 產(chǎn)過程中迫切需要解決的難題,同時研發(fā)了大量適用 于工業(yè)環(huán)境中的兩相測量技術(shù)。根據(jù)在測量過程中兩 相流是否進行分離而分為分離法和非分離法。分離法 是將流動的混合物分為以氣體為主和以液體為主的流 動,然后進行單相測量,包括重力分離器和導(dǎo)流器等, 其優(yōu)點為把兩相流體流量測量轉(zhuǎn)化成了單相流體的流 量測量,測量精度高、范圍寬、不受氣液兩相流型變化 影響,缺點則為分離設(shè)備體積大、價格貴、需要建站,增 加了測量成本。非分離法的典型是基于相同原理的測 量系統(tǒng)進行組合測量,以及中子射線和文丘里管的組 合方式,優(yōu)點為能夠?qū)崟r測量兩相流體的流量及相持 率等參數(shù),體積小、測量速度快,缺點為測量的流量及 各相持率精度偏低,適用工況受限,需重復(fù)標定 [5-6]。
電磁流量計廣泛應(yīng)用于單相流體的流量測量。電 磁流量計是利用法拉第電磁感應(yīng)定律原理測量導(dǎo)電液 體的體積流量的儀表。其優(yōu)點是可測流量范圍大,流 量范圍比值一般為20∶1 以上。適用工業(yè)管徑范圍 寬,非常大可達3m,精確度較高,可測量水、污水、腐蝕 性液體等流體流量,不受壓力、密度、溫度和其他物理 參數(shù)的影響。因此,采用電磁流量計測量連續(xù)相為導(dǎo) 電 性 的 兩 相 流 的 特 性 成 為 研 究 的 熱 門。 其 中, Wyatt[7]、Bevir[8]認為只有當流體分布既各向同性又 均勻時,電磁流量計測量準確,同時對電磁流量計在泡 狀流和環(huán)形流等軸對稱流型下的理論靈敏度進行了分 析。Krafft等[9]研究了電磁流量計同時測量氣泡和連 續(xù)導(dǎo)電相速度的可能性。Krafft[10]建立數(shù)學(xué)模型研究 了非導(dǎo)電相分布對重量函數(shù)對電磁流量計輸出的影 響。Heineman、Murakamiet等[11]研究了電磁流量計 輸出與導(dǎo)電相的平均速度成正比來測量空隙率等成果 并進行了實驗證據(jù)。
國際及國內(nèi)雖然對電磁流量計在兩相流中的應(yīng)用 進行了大量的理論分析和數(shù)值模擬,但是針對水平管 內(nèi)非導(dǎo)電相在空間位置分布對電磁流量計的測量精度 等還未進行詳細地研究。水平管內(nèi)非導(dǎo)電性的空間分 布受重力、流體物性等影響嚴重,進而影響了流量計的 準確測量。近年來,相關(guān)學(xué)者提出的相分隔方法[12-15], 通過對兩相混合物施加側(cè)向力,將兩相隔離到管內(nèi)的 相應(yīng)空間,流動過程中兩相之間維持非常清晰界面,這 將有利于電磁流量測量兩相流參數(shù)。因此,如果非導(dǎo) 電相能在兩相流中均勻?qū)ΨQ分布,電磁流量計測量將 為兩相流量測量提供一種有前途的解決方案。同時, 在將兩相隔離到管內(nèi)的相應(yīng)空間,流動過程中兩相之 間維持非常清晰界面的過程中,采用拍攝及圖像處理 技術(shù)可以實現(xiàn)空隙率的測量。目前,基于圖像處理技 術(shù)已進行 了 大 量 的 研 究[16-18],尤 其 適 用 于 檢 測 氣 液 界面。
本研究采用相分隔法組合電磁流量計測量氣液兩 相流量及相持率。在相分隔方法中,采用了旋流器產(chǎn) 生離心力,將氣液兩相不同的入口流型轉(zhuǎn)變?yōu)樾骱?心環(huán)空流,由于其界面清晰光滑,非常有利于圖像處理 法來測量空隙率。采用實驗分析的方式研究并驗證了 電磁流量計的兩相流工作特性。
1 測量原理
1.1 管內(nèi)相分隔技術(shù)
利用管道中的相分隔技術(shù)進行整流,可以極大地 方便電磁流量及空隙率測量的開展,創(chuàng)造了理想的測 量條件,有利于提高測量的準確性。通過管內(nèi)相分隔, 使兩相流體在各種流型下統(tǒng)一轉(zhuǎn)變成兩束在管內(nèi)并行 流動的單相流體,兩相之間具有相對清晰的分界面,并能維持足夠長的距離,如圖1所示。與分離不同,相分 隔技術(shù)并非將兩相分“離”后各自單獨流動,而是通過 一系列技術(shù)僅將兩相分“隔”并未分“離”,兩相依然同 時在一個管內(nèi)流動,但是徹底改變了兩相流原有相分 布和速度分布的多樣性和隨機性,使兩相流在管內(nèi)即 可保持有“秩序”的流動,極大地方便了兩相流各個參 數(shù)的測量。
1.2 氣液兩相流相分隔狀態(tài)下電磁流量計測量原理
電磁流量計通常用于測量單相導(dǎo)電流體,計算公式 見式(1)。
式中:U 為兩電極間的電位差(與液體的導(dǎo)電性、黏度 和壓力無關(guān)),V;B 為磁通強度,T;b為導(dǎo)電相半徑, m;QL 為導(dǎo)電液體的體積流量,m3/s。
對于含有少量非導(dǎo)電介質(zhì)(如氣體或油等)構(gòu)成的 導(dǎo)電流體,電磁流量計仍能繼續(xù)工作。Wyatt[7]考慮 了導(dǎo)電相沿管壁在環(huán)形區(qū)域流動,絕緣相在同軸芯區(qū) 流動時,采用電磁流量測量原理,計算公式見式(2)。
式 中:a 為 不 導(dǎo) 電 相 半 徑,m;α 為 絕 緣 相 的 空 隙 率,%。
在電磁流量計的上游,通過圖2所示的旋流器實 現(xiàn)相分隔。旋流器由4片沿周向均布的導(dǎo)流片構(gòu)成, 每個導(dǎo)流片平面與管道橫截面呈現(xiàn)一定夾角。
Wang等 [19]通過研究發(fā)現(xiàn),這種結(jié)構(gòu)的旋流器更 有利于相分隔的形成,它使流體通過改變流動方向產(chǎn)生切向速度,從而產(chǎn)生離心力。在離心力的作用下,氣 體一般以連續(xù)氣柱的形式集中在管中心,周圍為連續(xù) 液相,液相呈環(huán)形流動,形成旋流核心環(huán)狀流。管內(nèi)相 分隔后電磁流量測量原理如圖3所示。
理論上,如果切向速度軸對稱且不衰減,切向速度 不影響電極上的電勢,則切向速度不會影響電磁流量 計的輸出,式(2)也適用于旋轉(zhuǎn)核心環(huán)形。因此,環(huán)狀 流中使用電磁流量計測量流量的計算式見式(3)。
QL=Q(1-α) (3)
式中:Q 為流體總的體積流量,m3/s。
2 實驗裝置和方法
實驗在空氣-水兩相流實驗回路中進行,以驗證所 提出的測量方法的可行性。實驗環(huán)路及實驗段布置如 圖4所示,在實驗段安裝了旋流器和電磁流量計。
利用圖像處理技術(shù),提取環(huán)狀流的相界面,進而計 算空隙率,圖像采集原理如圖5所示。圖像采集過程 中,采用背光光源照射法,使用高速攝像儀采集照片, 高速攝像儀型號為 NAC MEMRECAMfxK3,像素 為480×640。在每種工況下,以500 Hz的頻率采集 2s,共1000張照片取氣柱直徑平均值作為計算截面 相含率的值。在整張圖片中只剪裁包含氣柱的部分進行圖像處理,然后對每張剪裁圖像進行標準圖像預(yù)處 理,包括去噪、濾波、提高對比度、背景去除等,非常后采 用 Canny提出的 Canny算子進行邊緣檢測,得到氣柱 直徑。本研究采用相分離法實現(xiàn)的旋流核心環(huán)空流動 中氣液界面清晰光滑(結(jié)構(gòu)見圖6),從而降低了圖像 處理的難度并減小了空隙率的測量誤差。
3 實驗結(jié)果與分析
3.1 實驗流型觀察
針對氣液兩相來流分別為細泡狀流、塞狀流和彈 狀流時,實驗過程中觀察了旋流器上下游流型的演變, 旋流器前后的流型變化如圖7所示。從圖7可以看 出,在各入口流型下,都可以形成旋流核心環(huán)空流動結(jié) 構(gòu)。當入口流型為細泡狀流時,旋流器下游的氣柱直 徑保持相對穩(wěn)定值;當入口流型為塞狀流時,旋流器下 游的氣柱直徑保持相對穩(wěn)定,與細泡狀流區(qū)別不大;當 入口流型為彈狀流時,由于截面內(nèi)氣量的劇烈變化導(dǎo) 致旋流后氣柱直徑隨氣體體積的增大而增大,但界面 仍然清晰。
3.2 旋流核心環(huán)空流動的空隙率
螺旋流狀態(tài)下,截面相含率與直線流相比會發(fā)生 變化,進而使得兩者之間的液流速度也會不同。圖8 示出了在相同的氣液進口流量下,直流環(huán)狀流和旋流 環(huán)狀流之間空隙率的變化。從圖8可以看出,在旋流 作用下,會使得空隙率的變化范圍減小。在彈狀流來 流時,旋流使得空隙率減小,而對于塞狀流和細泡狀 流,旋流會使得空隙率變大。
3.3 液體流量測量
為了研究旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流下電磁流量計測量精度,引 入了相對誤差,定義為:
式中:ε為相對誤差,%;Dmea為液體體積流量測量值, m3/h;Dref為液體體積流量參比值,m3/h。
為了準確研究多次測量下電磁流量計測量精度, 引入了平均全局相對誤差,定義為:
式中:εave為平均全局相對誤差,%;N 為取樣個數(shù)。
圖9顯示了不同空隙率流量測量的相對誤差。由 圖9可以看出,測量誤差隨著空隙率增加而增加,且具 有很強的規(guī)律性。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是因為與 單相流相比,旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流中存在不導(dǎo)電氣芯,使導(dǎo)電相 流通截面發(fā)生改變,由單相流中的圓形變?yōu)閮上嗔髦?的環(huán)形,造成儀表常數(shù)發(fā)生改變。由圖9還可看出,通 過關(guān)于截面相含率的校正,可得到更精確的測量值。 計算式如下:
QL=Q(1-α)/(1-1.974lnα-8.219) (6)
圖10為按照圖9的擬合曲線校正后的測量結(jié)果 圖。由圖10可以看出,測量值與參比值吻合良好。相 對誤差非常大不超過±5%,平均誤差為1.1%。綜上所述, 可以利用電磁流量計測量旋轉(zhuǎn)環(huán)狀流中的液體流量。
4 結(jié)論與認識
本研究以氣液兩相流為研究對象,提出了一種管 內(nèi)相分隔技術(shù)與電磁流量計相結(jié)合的水平管內(nèi)流量測 量新方法,該方法對于指導(dǎo)生產(chǎn)實踐具有重大的意義。
(1)從理論上分析了管內(nèi)相分隔與電磁流量計組 合測量兩相流中連續(xù)導(dǎo)電相流量的方法,采用空氣-水 兩相流實驗驗證了該方法在一定范圍內(nèi)可準確測量出 連續(xù)導(dǎo)電相的流量,具有實用價值。
(2)針對兩相流不穩(wěn)定流的特點,采用旋流片作 為管內(nèi)相分隔裝置,實驗觀察了旋流器前后的流型變 化,即將管內(nèi)細泡狀流、塞狀流和彈狀流整流成單一穩(wěn) 定的環(huán)狀流:密度較小的氣相集中于管道中心,而密度 較大的液相則圍繞氣相和管壁形成環(huán)狀體,氣液相之 間界面清晰,形成管內(nèi)相分隔狀態(tài),為后續(xù)圖像處理測量空隙率提供條件。
(3)針對含有少量氣體的連續(xù)水相導(dǎo)電流體,引 入空隙率修正了電磁流量計公式,建立了液相流量測 量模型。為了驗證該方法的可行性,在不同的氣液流 量范圍內(nèi)進行了一系列實驗,在管內(nèi)相分隔狀態(tài)下,利 用電磁流量計的液相測量相對誤差在±5%以內(nèi)。
