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1、卑皆电力*孑NORTH CHIMA ELECTRIC POWER UNWERSITY热能动力工程前言班级：硕动力152专业： 动力工程姓名：气液流测量技术发展汪辉摘要：随着气液两相流测量技术的进步，气液两相流理论得到充分发展，也为工 程实践提供了有力工具。本文主要介绍了近年来气液两相流对流量测量与流型检 测的新技术。在流量测量领域，本文主要介绍了传统单相流量计、多流量计测量、 分流分相法、超声波法。在流型检测方面主要介绍了，高速摄影法、层析成像法、 信号特征分析法，以及小波变化法，神经网络法等实时检测方法。关键词：气液两相流；流量测量；流型检测Research on development o
2、f Gas-liquid Two-phase Flow MeasurementTechnologyWang HuiAbstract：With the development of gas-liquid two-phase flow, on the one hand it promote the development of the theory of gas liquid two phase flow, on the other hand it provide a powerful tool for Industrial practice.This paper mainly introduce
3、s the new technology in recent years, which includes gas-liquid two-phase measurement on flow rate and flow pattern. In the field of flow rate measurement,the traditionalsingle-phase flowmeter,multiflowmetermeasurement,extracting and separating method and the ultrasonic method are mainly introduced.
4、 In the field of flow pattern detection, high speed photographymethod,tomographymethod,signal featureanalysis,wavelet transform method and neural network method are mainly introduced.Key words：gas-liquid two-phase flow; flow rate measurement; flowpattern detection气液两相流的测量技术的进步对其理 论和工业实践的发展有着重要的意义。 对
5、于两相流基本参数的测量呈现出多 样化的趋势。例如，针对气液两相流 流量测量林宗虎，王栋等1提出分流分 相的气液两相流体的测量方法，最终 测量误差小于5%，效果比较理想；胡 俊介绍了一种基于压差法的V形内锥 式流量计，结果表明利用该流量计采 用经典的林宗虎模型对流型进行检测 是可行的2。对此本文针对国内外关于流量的 测量方法与流型的检测技术的进展， 做了分析与评述。1流量测量技术1. 1传统分离式流量测量技术根据测量过程中是否对两相流分 离可将气液两相流流量测量技术分为 分离法和非分离法。传统的分离法应 用分离设备将汽液混合物分离成单相 气体和液体后，再通过普通单相流量 计进行计量。常用的单相流
6、量测量仪 器有差压流量计、涡街流量计、文丘 里管、孔板式流量计、靶式流量计、 节流原件等。对于传统的分离方法虽然有着稳 定性强，测量精度高、测量范围宽等 优点但是其体积庞大，造价过高，造 成其经济性较差。1.2多流量计测量 因流量计的指示值不仅与各相流 量有关，还与两相流体的干度相关， 因此在更多的情况下，采用两种不同 特性的流量计组合测量。例如：节流 元件-多孔动压探针(笛形管)，孔板- 文丘里管，靶式流量计-涡轮流量计， 文丘里管-涡轮流量计，垂直上升压差 -垂直下降压差。该方法装置简单，但 测量范围小，受到具体流型的制约。 近些年对单个流量计与射线流量计组合研究更加深入。例如，Y射线-
7、涡轮流量计13 , Y射线-文丘里管14 微波-文丘里管14,这种方法克服了流 型变化对流量测量的影响。1.3分流分相法 前以述及分流分相的气液两相流 测量方法，其原理是通过分流分相的 方法，从被侧两相流体中成比例的分 流、分离出一定份额的单相气体和单 相液体，经单相流量计计量后根据比 例关系确定出两相流体的各相流量。 图1是分流分相法的原理图。被 测两相流体流过分配器时被分成两部 分：一部分两相流体(80%95%)沿原通 道继续向下游流动，称这部分流体为 主流体，这一支路为主流体回路；另 一部分两相流体(5%20%)则进入了分 离器，称这部分流体为分流体，这一 支路为分流体回路.分流体经分离
8、器 分离后，气体和液体分别进入气体流 量计和液体流量计进行计量，最后又 重新与主流体汇合 1。分配爵丸怖淹量卄-Wl；图1分流分相法原理图Figi principle of extracting andseparating与分离法相比，该方法流经分离 器的流量仅为原来的(5%20%)，所以 体积比原来小很多，其体积等同与单 相流量计的体积。根据分配器结构不同可以分为“T” 型三通管式非配器3,4、取样管型非配 器5、转鼓分配器6、旋流分配器。 1.4超声波法超声波测速原理基于超声波在静 止流体中的传播速度不同，即对于固 定坐标系来说，超声波传播速度与流 体的流速有关15,16。清华大学王铁峰，
9、王金福等23在 超声多普勒测速仪在液-固和气-液两 相测量应用中指出超声多普勒测速仪 实现了非接触式测量，并且能得到瞬 态速度的空间分布17。由于超声波测 得的是流体的流速，故通常是与密度 计结合，用于测量流体的质量流量。 2流型检测技术气液两相流流型的检测技术对实 际工程应用起着非常重要的作用。通 过控制流动参数可以避免有害流型的 出现，保证设备安全运行。目前流型 检测方法包括信号特征分析法、层析 成像法、高速摄影法等前处理方法， 以及小波分析、神经网络等后处理方 法。2.1特征信号分析法特征信号分析法指通过分析传感 器的随机信号特征来进行流型识别。 接收这些信号的传感器主要包括电学、 光学
10、、热膜、差压和丫射线传感器等。随着传感器技术的发展新型探针 的应用，气液两相流的测量变得更加 切实可行，比如光纤探头、电导探头、 热膜探头等。电导探头是通过测量探头针尖处 流体导电性的变化来确定该点的介质 分布，进而确定流型的。光纤探头测 量方式与电导探针类似，不同之处在 于光导探头是通过测量流体在探头针尖处对光强度的影响来反应在改点的 介质分布，从而确定流型。热膜探头20 是通过热膜不同位置处被气液两相流 带走的热量不同，而确定其流型的。 因为接触式探头都是直接定位在 流体上，因此都能较准确地反应改点 的流体特征。但由于探针的存在影响 了流型，长时间杂质的积累也会产生 测量误差，加之所处环境
11、恶劣传感器 极易损坏。2.2压差法 差压法，也称压差法，压差波动 法是通过采集气液两相流动的压差信 号，并对压差信号进行统计分析的流 型识别方法。这种压差信号是由于管 内局部点上气、液介质的交替出现而 产生的。对获得的信号进行分析处理， 再与神经网络结合，可以对流行实现 客观的智能识别。其中对于噪声的处 理采用小波包技术，后面将述及。 2.3过程层析成像法层析成像(Tomography )也称计 算机层析成像(Computerized Tomography)简称CT,指在不影响测 量对象内部特征的条件下，从外部获 得的测量对象不同方向的投影数据, 然后通过计算机重建测量对象内部的 二维/三维图
12、像。过程层析成像 (Process Tomography，简称 PT)技 术主要以工业过程尤其是两相流和多 相流为检测对象12,具有非接触性与 实时性等优点,其结构图可参见图2。依据传感器测量原理，PT分为X 射线、Y射线层析成像，超声波层析 成像，电容、电阻、电磁、电感层析 成像等。电容层析成像(ECT)技术是PT技术中较早被研究的一种技术，它利 用多相介质具有不同介电常数，通过 电容传感器获得介电常数分布而获得 介质分布的图像，具有简单、成本低、 非侵入等特点。例如，邵晓寅在电容 层析成像技术在气液两相流检测中的 应用研究，王雷，冀海峰，黄志尧等在电容层析成像中的研究17.图2 过程层析图
13、像系统构成12Fig2 structure of PT system 电阻层析成像(ERT)的原理是基 于不同的媒质具有不同的电导率，判 断出处于敏感场中的物体电导率分布。 如董峰，刘小平，邓湘等在电阻层析 成像技术上的研究19许聪在电阻与超 声双模态油气水多相流测量方法研究。 皆证明了层析成像法具有良好的分辨 力。2.4高速摄影法 高速摄影法就是利用高速照相机 或摄像机，通过透明管段或透明窗口 拍摄流体的运动状态，再利用计算机 获取拍摄到图片对典型的流型图像进 行简单的预处理，使得敏感对比更加 信命，噪声尽量减小，以于特征的提 取17。但高速摄影法存在两个问题：一 个问题是由于多相流具有复杂
14、的界面， 易产生相对多重的反射或和折射而影 响成像清晰度。另一个问题是由于采 用高速摄影，所得信息太多，因而又 带来了分析或处理这些数据的困难 16,18。2.5小波分析法小波包分析 (wavelet packet analysis)简称小波分析，能够为信 号提供一种更加精细的分析方法，它 将频带进行多层次划分，对分辨分析 没有细分的高频部分进一步分解，并 能够根据被分析信号的特征，自适应 地选择相应频带，使之与信号频谱匹 配，从而提高了时-频分辨率，因此小 波包具有更广泛的应用价值17。如周云龙等在小波分析方面做了 细致的研究10,11。陈珙、黄志尧等同样 阐述了了一种基于小波分析进行水平
15、管气液两相流流型的辨识方法7。该方 法以测试管段的管程压降的波动为测 量信号，通过对于其小波变换结果分 析，根据不同流型能量分布的定量指 标确定了流型判别规则。实验结果表 明这种方法能有效地事项对水平管层 状流、波状流，塞状流等四中典型流 型在线辨别 2.6神经网络识别法BP(Back Propagation )神经网 络是二十世纪八十年代由 Rumelhart 和McCelland为首的科学家小组提出， 是一种按误差逆传播算法训练的多层 前馈网络。通过对网格的训练，该系 统可以自动识别流型，并具有较高的 抗干扰能力。但是该方法输入节点过 多、训练困难、对外部噪声敏感。因此，王妍芃，林宗虎提出
16、了一 种改进的BP神经网络在流型判别中的 应用方法，并得出该方法具有很强的 自学性、自适应性和容错性的结论。在该方法的基础上又衍生出 Elman神经网络法。例如，王强，周云 龙，程思勇等提出的基于小波和Elman 神经网络的气液两相流流型识别方法。 Elman神经网络在BP网络基础上，提 高了系统适应时变特性的能力，具有 更好地识别效果10。在 Elman 神经网络法的基础上又 衍生出与其它方法结合后的优化方法。 例如，周云龙，王强，孙斌等9提出基 于希尔伯特黄变换(HHT)与Elman 神经网络的气液两相流流型识别方法。 实验结果表明，该方法能能较好的识 别水平管内四种基本流型。此外还有概率神经网络和径向基 函数网络等。概率
