氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、能源等許多工業領域，在有兩相流動的系統中，兩相流體的流量測量一般是無法避免的，也是未能很好解決的一個難題。分流分相法是近年來出現的一種新型多相流量測量方法，其特點是從被測兩相流體中取樣分流出一部分兩相流體，將其分離成單相氣體和單相液體，分別用單相流量儀表測量，然后根據取樣流體與主流體間的關系推斷出被測兩相流體的流量。本文通過管壁取樣和整改入口流型的方法改善了取樣效果，利用分流分相方法實現了氣液兩相流量的測量。
旋流型管壁取樣分配器結構及測量原理
氣液兩相流在管路中流動，其流動特性比較復雜，不同的氣量下形成的流型不同，若只是采取管壁上開孔取樣，會使得取樣缺乏代表性，不能反映整個取樣。
截面的氣液相的分布狀況。為了使其不受流型的影響，在設計管壁取樣的基礎上，又增加設計了整流裝置：旋流葉片和整流器。管線來流經過旋流葉片使兩相流體產生旋轉運動，使得原來不對稱分布的液膜、液滴在圓周方向進行混合和重新分布，變成一種關于軸線對稱的流型，再經過整流器的整改，進一步改善相分布和速度分布的對稱性，最終將分層流、段塞流、波浪流以及不對稱的環狀流等其它流型轉變為對稱的環狀流，使管壁的每一個小孔取樣均趨于一致，實現分流系數的恒定。
實驗過程中發現圖2中(a)的整流器由于其管線內徑較大，而整流器的出口段設計的過長，當兩相流經過旋流葉片再通過整流器整流后，形成的環狀流液膜不能緊貼管壁流動而是形成一股射流。圖2(b)的整流器雖然較圓柱式整流器的整流效果有所改善，但當兩相流中液相流量較大時，經旋流葉片和整流器整流后的環狀流液膜也并非沿著喇叭口流動，而是形成一股射流。為了較好的取樣，把整流器的進出口進行了改進，由圓柱形整改成如圖2(c)所示的圓弧過渡形狀。整流器進出口直徑與主管內徑相同，緊貼管壁，這樣整流后的環狀液膜能夠直接沿著管壁流動，改善流型的對稱性使得周向液膜分布更加均勻。
被測兩相流體的氣相流量 和液相流量 根據它們與分流體氣液相流量的比例關系計算：
式中，M1G為被測主管氣相流量;M1L為被測主管液相流量;KG為氣相分流系數，可用關系式 表示;KL為液相分流系數，可用關系式 表示;M3G為分流體的氣相流量，由氣體流量計測量;M3L為分流體的液相流量，由液體流量計測量。
實驗管道內徑80mm，水平布置，實驗介質為空氣和水，經泵增壓，調節閥調壓。水由質量流量計計量，空氣由氣體流量計計量，然后氣液在混合器中混合，進入實驗環道。氣體流量計量采用金屬浮子流量計，液體流量計量采用Rosemount高準質量流量計。分流氣體流量計量采用DY015型數字式渦街流量計，分流液體流量通過測量分離器積液體積間接測量。為了觀察實驗流動情況，加工實驗設備均采用有機玻璃管，玻璃管的設計壓力為0.5Mpa。
氣液兩相流體經過取樣分配器后，主流體沿原通道繼續向下游流動，最后在臥式分離器中進行氣液分離，分離后的液體進入儲罐，放空氣體。
實驗發現：當旋流器、整流器和取樣孔的大小方位確定以后，下游的整改效果是隨著氣液流量的變化而變化的。在氣液相流量較小時，液膜只能覆蓋部分下游管路，不能形成均勻環狀流，隨著氣、液相流量的增加，整流裝置下游管壁被液膜覆蓋的面積逐漸擴大。在本實驗范圍內，氣相折算速度 大于30.50m/s，液相折算速度 大于0.08m/s時，出現較完整的環狀流。逐漸增加氣液相流量，液膜的穩定性和對稱性都會得到進一步改善。隨后，無論旋流器前的流型如何變化，旋流器和整流器下游的流型都保持為環狀流。
新型工具解決分流系數大、易堵難題
當主管液相流速大于0.08m/s，其液相分流系數趨向于一個穩定值0.073。當液相流速小于0.08m/s時，其液相分流系數呈現分散現象，液相分流系數最大0.079，最小值降到了0.03。液相分流系數與主管氣相折算速度關系較小。
氣相流量對氣體分流系數 的影響不太明顯， 隨主管液相流量的增大而增大，基本上成線性變化。這是因為當分流體在通過小孔時，在分配處造成了兩回路的阻力特性不對稱。這種不對稱性越大，造成的氣體分流系數的變化就會越大。對氣相分流系數曲線進行直線擬合，計算公式為：
(3)
上面的擬合曲線表明，氣相分流系數 只與液相流量有關，氣體流量的影響幾乎可以忽略不計。
為了檢驗實驗結果的誤差大小，對于氣液相在主管當中的質量流量利用分流分相法計算分流系數的定義式進行了計算，并與主管當中通過質量流量計測量的實際液相質量流量進行對比分析。測量分流體的液相流量M3L通過體積法測量，氣體流量M3G采用數字式渦街流量計測量。分別為利用八孔旋流型管壁取樣分配器，采用分流分相法測得的主管液、氣相質量流量與相應的實驗值的比較。實驗結果表明，液相流量測量平均誤差(相對誤差的平均值)為2.5%，氣相流量測量平均誤差為3.5%。
本文提出的旋流型管壁取樣分配器解決了以往分配器存在的分流系數較大，分配器易堵的問題。通過8孔取樣和增加整流裝置的方法來保證進入管壁取樣小孔的氣液兩相流體的代表性。實驗發現，分配器的液相分流系數與旋流葉片前的流型無關，且不隨主管當中氣液折算速度的變化而變化，為一恒定值0.073。而氣相分流系數與主管液相折算速度成線性關系。利用分流分相法測得的液相流量測量相對誤差最大值為20.35%，氣相流量的最大測量誤差為20.94%。
在本實驗范圍內，氣相折算速度大于30.50m/s，液相折算速度大于0.08m/s時，才能出現較完整的環狀流。實際生產中可能很難達到如此高的氣相流速，為了擴大流量測量范圍，可以考慮加設幾組串聯的旋流葉片以增強旋流效果或改進旋流裝置的形式，使得在較小氣液相流量下也能保持穩定的液相分流系數。
發布信息
