基于差压式流量计的多相流流量检测技术

基于差压式流量计的多相流流量检测技术摘要：多相流现象广泛的存在于自然界和工业、农业、国防、环保等各个领域，多相流技术已渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一些领域成为关键性技术和尖端技术。本文详细介绍了基于差压式流量计的多相流检测技术的工作原理、选型及发展现状。关键词：多相流动；差压式流量计；测试技术MultiphaseflowmeasurementtechnologyWangLiyan1(SchoolofEnergyScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha,Hunan410083)Abstract:Multiphaseflowphenomenonexistswidelyinnatureandvariousfields，suchasindustry,agriculture,nationaldefense,environmentalprotection,andhavepenetratedintoallwalksoflifetotheconstructionofthenationaleconomy,andinsomeareastobecomekeytechnologyandcutting-edgetechnology.Inthispaper,introducestheworkingprincipleofmultiphaseflowdetectiontechnologyofflowmeterwhichbasedondifferentialpressure,thedevelopingsituationofitinhomeandforeign,classifyit,Keywords:Multiphaseflow;differentialpressuretypeflowmeter;measurementtechnology1.引言多相流通常指同时存在两种或两种以上的物质或相的流动，包括气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流。由于多相流动中各相之间存在界面效应和相对速度，相界面在时间上和空间上都是随机可变的，使其流动特性远比单相流系统复杂，其特征参数也比单相流系统多。多相流现象广泛的存在于自然界和工业、农业、国防、环保等各个领域。如石油混输、气力输送、硫化床、燃料系统等工业过程。多相流测试技术已渗入到我国国民经济建设的各行各业，并在一些领域成为关键性技术和尖端技术。随着原子能核电站及航天工业的迅速发展，动力工业及石化工业高参数的引入，以及对环境保护的日益重视，促使多相流领域研究工作迅速发展，目前己成为国内外给予极大关注的前沿学科。建立了相对完善的理论体系，在理论研究和指导工程实际方面取得了丰硕的成果。基于差压式流量计的多相流流量检测技术，发展自单相流体的检测，并主要应用于此领域，对其在多相流检测中的应用也进行了大量研究[1-3]。本文针对工业过程中常见的多相流流量检测问题，从差压式流量计原理、分类及其检测方法方面进行综述，并阐述差压式流量计在多相流流量检测过程中的难点及发展趋势。2.差压式流量计原理差压式流量计是一种根据安装于管道中的流量检测元件产生的差压，以及流体的类型和管道的综合尺寸因素等来计量流量的流量计。它通常由一次装置，也就是流量检测件和二次装置，差压转换器和流量转换器组成。通常用的一次装置有孔扳流量计、文丘里管流量计等，二次装置为各种机械、电子、机电一体式差压计，差压变送器和流量显示及计仪表等装置[4]。它已发展为三化(系列化、通用化及标准化)程度很高的种类规格庞大的一大类仪表。差压式流量计既可以用于流量参数的测量也可以用于其它参数如密度，压力等物理参数的测量。流体在流经节流件时由于流体被压缩流体将被加速，由于流体的速度增加导致流体的动能也会相应的增加，按照能量守恒的定律我们知道被加速处流体的静压力会减低相应的数值[5]。图1差压式流量计工作原理图[6]如图1所示，管道在横截面1处的横截面积是A1，流体在流经横截面A1时的平均流是V1，其密度是ρ1；当流体流过横截面2时，流体的平均流速变为是V2，密度是ρ2，横截面积是A2，根据流体流动连续性原理有如下关系式：V1A1ρ1=V2A2ρ2，如果流体是液体，在压缩前后流体的密度一般认为是恒定的，即ρ1＝ρ2＝ρ。因此液体的体积流量：2211AVAVqv(1)根据伯努利方程(即能量守恒定律)，在水平管道上Z1＝Z2，则有如下关系式：2222222111VpVp(2)应用伯努利方程和流动连续性原理，在两个横截面上则有如下关系式：)(22221121VVppp(3)由(1)式，得22211VAAV将(1)式和(2)式带入(3)式可得222211])(1[(2VAAp(4)在上式中：421DA；422dA12424)(11pdDdqv(5)V1P1V2P2P1A1A2P23．差压式流量计的分类3.1节流式流量计节流式流量计包括孔板、V型锥流量计、文丘里管、喷嘴。1、孔板孔板是工程测量中应用最多的节流装置之一。在被测管道中装一块中心带小孔的板。利用流体流过孔板时因节流而产生的压差与平均流速或流量的关系来测量流量。根据各种不同的工况，会选用不同形式的孔板。常见的有标准孔板、圆缺孔板、偏心孔板、1/4圆孔板几种，可用于气液、气固和液固两相流流量的测量。标准孔板适用一般洁净，黏度不大的介质；圆缺孔板适用黏度较高，比较脏的介质；1/4孔板适用于黏度较高，流速较小的介质；偏心孔板适用于包含固体颗粒物流体的流量测量。2、V型锥流量计V型锥流量是一种新型差压流量计，主要用于大流量的精确计量。从结构上看，V型流量计是一个圆锥体悬挂于管道的中央，流体从流体的顶部方向进入，从底部方向流出。它从根本上“将流体收缩到管道中心”的概念改变成“收缩到管道的内边壁”。原理与孔板流量计相同，都是通过节流前后的压差来测量流量。区别在于孔板流量计是管道四周节流，属于突然收缩式节流装置，V型流量计是中央节流，属于渐收缩式节流装置，是目前较流行的差压式流量计，它在湿气检测中有不堆积液体等优势，在多相流检测中的应用也是研究的热点之一[7-8]。3、文丘里管文丘里管简称文氏管。在被测管道内装一个文氏管，利用流体流过文氏管时因节流产生的压差与平均流速或流量的关系来测量流量。是多相流检测中常用的差压式流量计，且经常与含率检测装置搭配使用，可同时提供总流量与各分量流量信息，并取得了良好的检测结果[9]。4、喷嘴在被测管道中装一个喷嘴，利用流体流过喷嘴时因节流产生的压差与平均流速或流量的关系来测量流量。3.2动压式流量计动压式流量计包括靶式流量计、弯头流量计。1、靶式流量计在管道中对着来流布置一个圆盘形或者其他形状的靶。流体冲击靶时，因流体作用于靶的前后压力差作用，使靶产生位移，此位移量与流体流量有关。测定此位移即可确定流体流量。可用于气液两项的质量流量或体积流量。2、弯头流量计利用流体流过弯头时在弯头内侧与外侧处压力的不同来测量流量。流体流量越大，弯头内侧与外侧两处的压力差也就越大。测出此压力差即可确定流量。可用于测量单向流体、气液两流流体、气固两相流体和液固两相流体的流量。4.基于差压式流量计的多相流流量检测方法4.1发展方向目前发展起来的多相流流量在线计量技术大致有两个方向。1、把已经成熟的单相流量仪表应用到多相流量的计量中，再结合多相流本身的流动特征进行计算得到各组分流量。如将差压式流量计、涡轮流量计、容积式流量计、涡街流量计、电磁流量计和科氏力流量计等多种单相流量计应用于多相流量的测试，取得较大进展。如孔板差压式流量计建立了基于分相流模型、均相流模型和差压脉动噪声的多种两相流模型；对涡街流量计提出了频率自适应测量信号处理方法等，通过这些测量模型，传统的单相流量仪表可以用来测量多相流动的流量。文丘利管法是当前使用最多的多相流量测量法，文丘利管结构简单，体积小，维护方便。尽管如此这些流量计的测量精度和稳定性受使用条件的限制变化较大，应针对不同情况进行选择。在混合均匀的情况下，用单相流量计可以测量混合物的流量。使用时任何偏离均相的流动都可能引起不确定性误差[10]。2、运用近现代新技术进行不干扰流动的流量测量，如辐射技术、激光技术、超声波技术、微波技术、新型示踪技术、相关技术和过程层析成象技术等。但这些方法不能直接测量多相流各相的质量流量，只能测量多相流部分流动参数。综合上述两种或两种以上的方法测得多相流各相的流量[10]。4.2常用方法1.气液两相流流量测量一般使用孔板和文丘里管。应用孔板可以对气液两相流体进行单项参数量。如已知质量含气率x，可用下列林宗虎关联式求得气液两相质量流量qm，再由式（6）和（7）求出气相质量流量qmG和液相质量流量qmL。mLmGmGqqqx（6）mLmGmlqqq1x（7）应用文丘里管测量气液两相流体的流量。如已知质量含气率x，可用与式（8）计算式求得气液两相流质量流量qm此计算式：GLVmq)1[(1P2AvC4LTPD（8）其中φ-文丘里管热膨胀系数，CD–文丘里管流量系数，Av-文丘里管喉部流通面积，m2，-文丘里管喉部直径与管道内直径之比，V-文丘里管修正系数。2.气固两相流流量测量可用节流式和弯头流量计。如应用弯管流量计测量空气和煤粉混合物的质量流量，其计算式为：)(PC2222TPDrRRRrrRqTPm（9）其中，TP-气固两相流密度，TPP-气固两项流流过时弯管内外侧之间的压力差，Pa，CD气固两相流体流过时的流量系数，由试验确定。3.液固两相流流量测量节流式流量计可用于测量液固两相流的流量，诸如水煤浆、泥浆等流量。为了保证测量可靠性，要求所用产生压差的节流元件必须具备在收缩处附近死滞区中不会沉积固相颗粒的性质。为满足这一要求，一般选用文丘里管。此外，还要注意文丘里管喉口处的磨损问题以及导压管被泥浆状物质堵住的问题。常用对策为在文丘里管喉口装可更换的防磨套管，在导压管中充水，然后由弹性材料将浆状流体和导压管中的水隔开，以免堵塞导压管。弹性材料一般为橡皮、聚乙烯树脂等。图2为一个铝厂测量铝土浆流量的文丘里管结构。图中，文丘里管做水平布置，在喉口装有耐磨可更换套管。管2的上端有小室3，小室顶部由盖板和法兰连接后封住。盖板与法兰之间夹有一个圆柱形橡皮网，以使液固混合物中的固体物质不堵塞与压差计相连的导管。也有采用橡皮膜代替圆柱形橡皮网的，这样，压力就靠橡皮膜的变形来传递，而浆状物质则不能再进入与压差计相连的导压管。此法测量液固两项流流量时的测量误差为5%左右。图2测矿浆流量的文丘里管结构[11]1-文丘里管扩散段；2-导压管；4-橡皮网；5-盖板；6-法兰；2-7-文丘里管收缩段；8-可更换的耐磨套管5．差压式流量计选型差压式流量计的应用比较广泛，在封闭的管道中测量流量对流体介质的要求不高且能适应比较恶劣的现场测量环境，测量精度也比较高，因此在各行各业应用都比较的广。如流体方面：单相、混相、洁净、脏污、粘性流等；工作状态方面：常压、高压、真空、常温、高温、低温等；管径方面：从几毫米到几米；流动条件方面：亚音速、音速、脉动流等。它在各工业部门的用量约占流量计全部用量的50%~60%[12]差压式流量计的选型应考虑以下几个方面：（1）精确度、重复性、线性度、流量范围和范围度差压式流量计的标准件有严格的使用范围，包括管径直径比，雷诺系数，管壁厚度等参数，因此在实际的选择和应用中应该合理的选择这一系列参数。此外差压式流量计的精度在很大程度上取决于现场的使用条件，在一般情况下取决于流体的条件。（2）流体的特性。流体的特性指的是流体的密度、动力黏度、压力、温度、腐蚀性、磨蚀、结垢、脏污等流体的介质条件。因此在选择是应根据现场流体介质的物理特性合理的选择的差压式流量计，在不明白现场流体的物理特性的情况下应该主动使用仪器测量这些参数。如高温流体测量一般选用孔板喷嘴，因为这些节流式流量计结构