一種氣液兩相流計量裝置和方法
【技術領域】：
[0001] 本發明屬于流量測量領域，特別是涉及一種測量管道內氣液兩相流流量和干度的 裝置和方法。
【背景技術】：
[0002] 氣液兩相流廣泛存在于石油、化工、核能等許多工業領域。存在兩相流動的系統中 兩相流體的流量計量一般是難以回避的，也是一直未能很好解決的一個難題。多相流量測 量方法按照是否分離以及分離的程度一般可分3種：完全分離，不分離法，以及分流分相方 法。
[0003] 完全分離法是應用分離設備將氣液混合物分離成單相氣體和單相液體后，再通過 普通單相流量計進行計量。從而把兩相流量的測量轉化為單相流量測量，具有工作可靠、測 量精度高、測量范圍寬且不受氣液兩相流流型變化影響等優點。完全分離方法最大的缺點 是分離設備體積龐大，價格昂貴，并需要建立專門的計量站和測試管線，這在很大程度上增 加了流量計的開發成本。
[0004] 不分離方法將測量儀表直接置于兩相流體中進行測量，發表在Journalof HarbinInstituteofTechnology(Newseries) (2012 年，19卷，第 1 期）論文"Studyon Venturinozzleforgasliquidtwophaseflowmetering"報道了米用單個文丘里噴嘴 同時測量氣液兩相混合物氣、液相流量的方法。其缺點是氣液兩相流通過節流噴嘴時產生 較大的壓力降，能量損失大。與單相流相比，兩相流的一個顯著特征就是流動具有強烈的波 動性，氣液兩相在管道截面上的分布形式即流型隨著氣液相流量在不斷變化，會呈現分層 流、波浪流、環狀流、段塞流等流型。因此直接工作在兩相流體中的儀表受兩相流波動影響 大，測量精度低，測量范圍小。
[0005] 中國專利98113068. 2公開了 一種分流分相式兩相流體測量方法，其原理是被測 兩相流體流經分配器時被分成兩部分：一部分沿原通道繼續向下游流動，稱這部分流體為 主流體，這一回路為主流回路；另一部分兩相流體則進入了分離器，稱這部分流體為分流 體，這一支路為分流體回路。分流體經分離器分離后，氣體和液體分別采用氣體流量計和 液體流量計測量，最后又重新與主流體匯合。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進行計算。如何保證取樣流體與被測流體具有完全一致 的相分率以及穩定的比例關系，是該方法成功的關鍵。但氣液兩相流在取樣過程中往往會 發生相分離，導致測量誤差增加。
[0006] 為了克服現有技術的缺陷，本發明提出一種新型多相流量計量裝置和方法，采用 旋流器對氣液兩相流進行管內分離，形成環狀液膜區和中心氣體區，利用超聲多普勒流速 儀測量液體流量，采用皮托管測量氣體流量。與現有多相流量計量方法相比，具有體積小、 結構緊湊、阻力損失小、測量范圍廣、測量精度高等優點。
【發明內容】
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[0007] 本發明涉及一種氣液兩相流計量裝置，包括旋流器、整流器、超聲探頭、超聲多普 勒流速儀、皮托管、差壓傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器，以及數據采集計算機，旋流器、整 流器、皮托管沿氣液兩相流體流動方向依次布置在待測管道的內部，超聲探頭與超聲多普 勒流速儀通過數據線相連，超聲多普勒流速儀、差壓傳感器、壓力傳感器以及溫度傳感器分 別通過數據線與數據采集計算機相連。
[0008] 所述的超聲探頭位于整流器和皮托管之間的待測管道的外壁上，超聲探頭與管道 中氣液兩相流來流方向的夾角9為50°~70°，超聲探頭的端面與管道的外壁之間的空 隙用耦合劑填充。
[0009] 所述的旋流器由中心軸和螺旋葉片組成，螺旋葉片的外緣與待測管道的內壁保持 貼合。
[0010] 所述的整流器由若干個矩形葉片沿待測管道的中心軸線等角度排列組成，矩形葉 片的數目不少于3個，矩形葉片的長度為1-2倍待測管道的內徑；矩形葉片的外緣與待測管 道的內壁保持貼合，整流器的首端與旋流器的末端間距小于1倍管道內徑。
[0011] 所述的皮托管的入口端位于待測管道的軸心線上，皮托管入口端距整流器的末端 的間距小于2倍待測管道的內徑。
[0012] -種氣液兩相流計量方法，包括如下步驟：
[0013](a)確定待測管道的直徑D，超聲波在液相中的傳播速度C，液相密度Pp以及氣 液密度Ps隨溫度、壓力變化關系式；
[0014] (b)采用超聲多普勒流速儀測量所發射超聲脈沖與液膜中粒子反射回來的超聲回 波的頻率差fd，進而獲得液膜中液相速度\分布曲線；
[0015] (C)根據液膜速度分布曲線，確定液膜厚度S;
[0017] (e)測量皮托管的總壓和靜壓之差aP，以及當地靜壓Ps，氣體溫度Te;
[0018] (f)根據氣體密度隨壓力溫度變化關系式，計算當地氣體密度Ps;
[0021] ⑴由公式Ms=As.Vs.Ps計算氣液兩相流中氣體質量流量；
[0022] (j)由公式M=Ms+Mt計算氣液兩相流總質量流量M;
[0024] 與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：
[0025] (1)在旋流葉片作用下，將不同流型轉變為液膜均勻分布的環狀流，消除了氣液兩 相流流型波動對測量的影響；
[0026] (2)氣液混合物在管內分離成液膜區和氣心區，將氣液兩相流測量問題轉變為單 相流測量問題，測量精度高；
[0027](3)不采用節流裝置，阻力損失小。
[0028] (4)無運動部件，基本無需維護和標定，具有組成簡單，生產和運行成本低、操作方 便等有點。
【附圖說明】：
[0029] 圖1為本發明組成示意圖；
[0030] 圖2為旋流器結構示意圖；
[0031] 圖3為整流器結構示意圖；
[0032] 圖4為皮托管測量系統不意圖；
[0033] 圖5為本發明工作原理示意圖；
[0034] 圖6為氣液兩相流流型調整示意圖；
[0035] 圖7為超聲多普勒流速儀測量液膜流速分布示意圖；
[0036] 圖8液膜中液相速度分布曲線示意圖；
[0037] 圖9液膜中液相流量計算示意圖；
[0038] 圖10氣液兩相流流量和干度測量流程圖。
【具體實施方式】：
[0039] 如圖1所示，本發明所述的一種氣液兩相流量計量裝置，主要包括旋流器1、整流 器2、超聲探頭3、超聲多普勒流速儀5、皮托管6、差壓傳感器7以及數據采集計算機9,旋流 器1、整流器2、皮托管6沿氣液兩相流體流動方向依次布置在待測管道11的內部，超聲探 頭3與超聲多普勒流速儀5通過數據線相連，超聲多普勒流速儀5和差壓傳感器7分別通 過數據線與數據采集計算機9相連。
[0040] 所述的超聲探頭3位于整流器2和皮托管6之間的待測管道11的外壁上，超聲探 頭3與待測管道11中氣液兩相流來流方向的夾角0為50°~70°。為增強超聲透射效 果，超聲探頭3的端面與待測管道11的外壁之間的空隙中填充有耦合劑4。
[0041] 如圖2可知，所述的旋流器1由中心軸12和螺旋葉片13組成，螺旋葉片13的外 緣與待測管道11的內壁保持貼合。
[0042] 如圖3可知，所述的整流器2由若干個矩形葉片14沿待測管道11的中心軸線等 角度排列組成，矩形葉片14的數目不少于3個，矩形葉片14的長度為1-2倍待測管道11 的內徑；矩形葉片14的外緣與待測管道11的內壁保持貼合，整流器2的首端與旋流器1的 尾部間距小于1倍待測管道11的內徑。
[0043] 所述的皮托管6是通過測量氣流總壓和靜壓以確定氣流速度的一種管狀裝置。如 圖4所示，皮托管6由一個圓頭的雙層套管組成，外套管在圓頭中心處開設有與內套管相連 的總壓孔15,總壓孔15與總壓管17相連通。在外套管側表面沿周向均勻布置若干與外管 壁垂直的靜壓孔16,靜壓孔16與靜壓管18相連通。總壓管17和靜壓管18分別通過引壓 管19與差壓傳感器7和壓力傳感器8相連。使用時將皮托管6的入口端安放在待測管道 11中心軸線上，使入口端管軸與氣流的方向一致，總壓孔15正對著來流。皮托管6入口端 距整流器2的尾部的間距小于2倍待測管道11的直徑。
[0044] 如圖1所示，所述的皮托管6的入口端位于管道11的軸心線上，
[0045] 本發明工作原理說明如下：
[0046] 如圖5所示，由于旋流器1和整流器2沿氣液兩相流動方向依次布置在待測管道 11的內部，而旋流器1的中心軸12上繞制有螺旋葉片13,螺旋葉片13的外緣保持和待測 管道11的內壁保持貼合。當氣液兩相流通過