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1、两相流流量测试技术摘要：两相流流量检测在工业上有着十分重要的意义，本文综述了两相流流量测试的一些常见方法和最新进展，主要包括孔板流量计，弯头流量计，哥里奥利力式流量计，热式质量流量计 ，超声波流量计，电磁流量计 ，相关法测流量，分流分相技术等。关键字：两相流，流量，流量计1.简介1.1两相流的流量单位时间内流过任一流道截面的流体的总质量称为质量流量，用W，kg/s表示。对于气液两相流动，有流道单位截面通过的质量流量称为质量流速，用G，表示：单位时间内流过任一流道截面的流体的总体积称为体积流量，用Q，表示，对于气液两相流动，有：1.2两相流测量的重要性 多相流在自然界、工程设备及日常生活中都是广
2、泛存在的，随着科学技术的迅速发展多相流动体系在国民经济和人类生活中的地位日益重要。多相流动体系中又以两相流动体另最为普遍，尤其是气液两相流现象在化工、石油、电力、制药和生化等工业部门都是普遍石在的。 在原油开采过程中，从井口喷出的常常是原油、天然气和水三种组分的混合物(有时混合物中还夹杂砂子)。为了确定各油井的原油和天然气的产量，或观测另底地层中储油构造的油气含量情况的变化，需要在线测量管线中原油、天然气和水三者的体积流量或质量流量。 因此，在许多生产过程中，两相(气液、气固和液固)流体或多相(多组分)流体的测量和控制是一个亟须解决，而又长期未能很好解决的难题。 由于两相流动或多相流动比单相流
3、动不仅流动特性复杂得多，而且相间存在着界面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大。为此，世界各工业发达国家均做了大量研究工作如，辐射线技术、激光多普勒技术、核磁共振技术、超声波技术、微波技术、光纤技术、期冲中子活性示踪技术、相关技术及流动成像技术等。也有很多研究工作是应用传统的单相流仪表和两相流模型进行多参数组合辨识而检测的。这些两相流参数的检测技术和方法大都处于实验室应用研究阶段，已商品化的工业型仪表为数还很少，两相流参数检测是一个亟待发展的研究领域。两相流动或多相流动是一种复杂的、多变量随机过程，随着随机过程理论的逐步发展和信号处理技术的不断完善，应用统计的方法和过程辨识理论与技术，进行两
4、相流参数的估计将成为重要的发展趋势之一。当今计算机应用技术的发展，获取多个信息量对两相流流体局部空间区域，应用流动在像技术进行微观测量也将是重要的发展方向之一。研制高灵敏度和稳定度的阵列式传感器，以边到较准确地测量离散相的浓度及其分布是重要的基础工作。空间滤波器法、相关法和激光多普勒法在测量两相流流速方面将获得广泛的应用。如何将成熟的单相流检测技术用于两相流参数检测仍将是受到普遍重视的研究方向。2.两相流流量测试方法2.1孔板流量计孔板流量计是最常用的一种利用压差原理测量流量的节流式流量计。用于测量单相流体已非常成熟，且已标准化。其基本原理如下：图1 孔板流量计结构原理图2.1.1 孔板流量计
5、原理孔板流量计是通过改变流体在管道中的流通截面积从而引起动能与静压能的改变来检测流量的装置。其主要元件是在管道中插入的一块中心开圆孔的板，流体流经孔板时因流道缩小、流速增加，即动能增加，且由于惯性作用从孔口流出后继续收缩形成一最小截面(称为缩脉)22。缩脉处流速最大因而静压相应最低，在孔板前上游截面l与缩脉截面2之间列伯努利方程：式中缩脉截面2的准确轴向位置以及截面积均难于确定，因此、也难于确定。兼之实际流体通过孔板的阻力损失等尚未计及的因素，般工程上采用规定孔板两侧测压口位置，用孔口流速代替并相应乘上一个校正系数C的办法进行修正，即式中为孔板两侧测压口处的压力。又根据连续性方程带入可得其中，
6、称之为孔板流量系数。故管道内流体质量流量可以写成，2.1.2孔板流量计测量气液两相流动由于流经孔板时的两相流体流动工况较为复杂，流动压差和流量、含气率之间的关系与流型有关，不同的流动模型将得到不同的计算关系式。基本的流动模型有均相模型和基于分相流动的动量模型。虽已有不少应用孔板进行的测量和研究，也取得一定进展，但仍在不断地开发之中。1.均相模型均相流动模型把两相流体作为充分混合的单相流体，均相混合物的比体积计算式为： 可以得到流量公式为：此式适用于折算液速或折算气速高的流动工况，另外，一些试验表明，用均相模型求得的流量值高于实际值，在低压情况下，尤为显著。2. 动量流动模型 动量流动模型是以分
7、相流动模型的动量守恒方程式为基础，忽略重位压降和摩擦压降项，导出两相流体流过孔板的压降。Chisholm以此模型为基础，运用分液相、分气相求得压降，即求液相流量单独流过孔板时动量变化引起的压降和气相流量单独流过孔板时动量变化引起的压降，得出，其中，S为滑速比；Murdock按此模型根据实验数据得到：我国林宗虎也利用标准锐边圆孔板测量了气液两相流的含气率和流量。 试验是在氟里昂流体回路上进行的，并归纳了其他学者的试验数据，得出了适用范围较广的计算式：其中，是的函数，可由下图查取。 上述一些计算式均同经验式或半经验式，因而各计算式的应用范围不应超出得出此计算式的试验参数范围，否则计算误差便会急剧上
8、升。2.2弯头流量计弯头流量计可用于测量单相流体，气固两相流体，气液两相流体和液固两相流体，其工作原理为利用流体流过弯头时由于离心力造成弯头内外壁的压力差和流体流量之问的相互关系来测量流量。通过测量弯头内外壁面之间的压力差就可以计算出流体的流量。图2是弯头的结构参数，速度分布及测压管路的示意图。弯头内侧半径为r1，流体速度为U1，弯头外侧半径为r2，速度为U2.弯头内速度分布可以看成是按双曲线分布，即，其中C为常数。图2 弯头测流量示意图流过弯头的质量流量经积分运算后可按下式计算：，其中R为弯头中心线处的半径； 为两相混合物的平均密度；应用伯努利定律计算弯头内则及外侧的压力差，有：联立以上二式
9、，可得：实际应用时，通常要乘上一个流量修正系数，这样实际流量公式为：有学者研究表明，在弯头的弯转角为60180度时，弯头流量修正系数近似为常数，其值约为1.07.当弯管结构参数都确定时，只要通过已知流体平均密度和测压管测定的压差就可以计算出流量，流量公式可以写成：弯头式流量计用于测量两相流流量的优点在于不产生因测量流量而带来的附加压力损失，在测量气液两相流流量时，对于气液两相流的脉动工况不敏感。但在测量气固两相流流量时，应注意寻压管的堵塞问题。应用弯头式流量计测量气固两相流时，固相浓度值不宜过高。且这种流量计较难标准化，应在现场进行调整试验后方可应用。2.3 毕托管毕托管的构造如图3所示。它由
10、两根弯成直角的同心套管组成，内管壁无孔，外管靠近端点处沿着管壁的周围开有若干个测压小孔，两管之间的环隙端面是封闭的。为了减小涡流引起的测量误差，测速前端通常做成半球形。测量时，毕托管的管口要正对着管道中流体的流动方向。U型管压差计的两端分别与毕托管的内管与套管环隙连接。 设在毕托管前一小段距离的点处的流速为，压力为; 如内管已充满被测流体，则后续流体到达点处即被截住，速度降为零，动能转化为静压能，使点处的压力增至。此时内管代表的是静压能和动能之和，称为全压，即: 。因外管壁面四周的测压小孔与流体流动方向平行，所以外管代表的是流体的静压能。由以上分析可知，U形管压差计读数反映出的是全压与静压能之
11、差，即：，故图3. 毕托管原理图实际应用时需要对上式进行修正，主要原因有两个：一是由于两个小孔并不是在同一个断面上，因此测得的并不是同一点的能量；二是毕托管的放入对流体造成了扰动影响。修正后为：，c为修正系数，一般为0.981，通常去c=1. 以上分析是针对单相流体而言的，当应用毕托管测量两相流体流速时要求两相间没有速度漂移，即只适用于气液/气固两相混合均匀的场合，如细泡状流，雾状流等。具体公式为：，其中应用皮托管测量x或G主要存在的问题是：两相流体在管道截面上速度分布很复杂。影响因素又多，因此皮托管安装位置对测量结果有用膜式分离器，分离效率不高，测量精度低；加之流动模型可能未能充分反映实际过
12、程而造成偏差。2.4 力学法测流量2.4.1 哥里奥利力式流量计哥里奥利力式流量计是根据牛顿第二定律建立起力、加速度和质量三者关系的质量流量计。它的原理如图4 所示。用一个U形管和一个T形簧片作流量计的主体，U形管的开口端和T形簧片的横端均被固定住，另端用电磁激励，使其产生垂直于图面方向的振动，并利用光电检测器将此振动检测出来。图 4 哥里奥利力式流量计结构图U形管的扳动迫使管内的流体和它一起运动。设流体从图中下面的管口流入，从上面的管口流出，U形管内流体质点受一个哥里奥利力的作用，流体质点也对管子产生一个大小相等方向相反的作用力。由于流体在两臂内流动的方向相反，所以U形管两臂承受的这个力的方
13、向也相反，故U形管是受到一个力矩。在这个力矩的作用下U形管产生扭转变形，测得这个变形即测得了管内流体的质量流量。U形管的振动可以看成是绕固定端助瞬时转动，其角速度为，管子里流体的流速为V，如果流体的质量是m，则流体质点上作用的哥里奥利力式流量计为由于V1和V2的方向相反，所以两个哥氏力的方向也相反，这样造成了一个绕O-O轴的力矩M，若结构对称，则该力矩可以写成力矩M使得U形管扭转一个角度，有，其中，K为U形管扭转弹性系数这样，管中流体质量流量G即可得到，再利用光电检测器，把U形管扭转角度转换成两个脉冲信号之间的关系，其中，是管子安装在光电检测器处的速度另外， ，L为管子长度；最后有哥里奥利力式
14、流量计测量流量时受两相流体速度场分布情况助影响较小，因而在测量时不需要有一前置稳定直管段2.4.2 角动量式流量计图5 是一种角动量式质量流量计的结构示意图。这种流量计主要由一被电动机带动作恒速转动的多叶道涡轮和一静子组成。两相流体流入涡轮后随涡轮一起旋转，旋转的两相流体从涡轮流入静子后给静子施加一个力矩。由于此力矩是和两相流体的质量流量成正比的，因而测出此力矩即可算得流过管道的两相流体质量。质量为的两相流体对涡轮轴线的动量矩为其中，当此两相流体进入静子后，旋转运动受阻，动量矩发生变化根据动量矩定律，动量矩变化等于冲量矩，两相流体进入静子后所受到的冲量矩为：联立以上各式有，2.5 热式质量流量
15、计热式质量流量计是在加热流体时利用测量热的传递、热的转移或是利用热量消散效应来测得流体质量流量的流量计。基于热量传递转移效应的产品有热分布式流量计、托马斯流量计和边界流量计；基于热量消散效应的产品有侵入型热消散式流量计和热线(热膜)风速计。与其他形式的质量流量计相比较，热式质量流量计能够测量极低流速的微小流量。它的结构中不存在可动部件，可靠性高。如无分流管的热分布流量计没有阻流元件，测量不会引起压力损失；带分流管的热分布式或侵入式流量计虽有阻流件，但压力损失很小。热式质量流量计也有其不足之处：热式质量流量响应慢；被测流体组分变化较大的场所，因值和传热系数变化，测量值会有较大变化而产生误差；对小流量而言，仪表会给被测流体带来相当热量；对于细管型仪表若流体在管壁沉积垢层会影响测量值，而且易堵塞，必须定期清洗。2.5.1 托马斯流量计托马斯流量计是一种接触式流量计，它由外热源对被测流体加热，测量因流体流动而造成的温度变化来反映质量流量，或利用加热流体时流体温度上升
