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    錐形孔板在氣液兩相測量中應用
    發布時間:2022-2-24 08:35:50

    1引言
      對氣液兩相流量測量方法的研究,一直是國.內許多學者的工作重點。由于氣液兩相流量計量不同于單向流,因此對其流量的測量又分為單參數測量和雙參數測量。其中比較典型的單參數測量方法有Lin模型、三通模型、Yue模型等,然而大多數情況,對氣液兩相流量計量需要雙參數計量,如凝析天然氣在輸送過程中的計量問題,從而雙參數計量對工業生產具有更重要的意義。
      氣液兩相流量的雙參數測量方法較多,按其測量方法大致可分為分流分相法、單相流量計組合法、軟測量方法、利用差壓脈動特性測量法。其中利用差壓脈動特性測量法,是由單一孔板節流件,完成的雙參數測量,這在國內眾多雙參數測量方法中是比較有特色的。但由于標準孔板的節流損失較大,而且孔板銳邊易磨損和堵塞等缺點,限制這一方法在某些領域的應用;谝陨显,本文對標準孔板進行了改進,并結合此測量方法,實現了汽液兩相流量雙參數測量。
    2流量測量理論模型
    2.1測量模型1
      氣液兩相流量雙參數測量模型為:
     
    式中x一干度
    A一孔板流通面積,m2
    W一質量流量,kg/h.
    g、l一氣相、液相
    ρ一密度,kg/m³
    C一流出系數
    √△p一孔板兩側的壓差方根
    θ一孔板的相分離系數,是ps/pt和孔徑比β的函數;由試驗確定
    √△p0一壓差方根噪聲幅值
    2.2測量模型2
      根據文獻01],申國強在總結各種流型下的
      孔板壓差數據得出:
     
      同樣運用單一-節流件,完成了氣液兩相流量的雙參數測量。
    2.3.2種測量模型對比分析
      對比兩種測量方法可以看出,雖然它們表達式不同,但都是通過壓差脈動特性得出的測量模型,測量機理是相似的。結合式(2)和式(11)整理得:
     
      因為式(3)和(10)有著非常相似的數學表達式,根據數理統計知識可知它們是有聯系的,圖3可知,這兩張圖的中的R和x及B和x的對應關系基本一致,所以由B代替R時,認為它會影響θ的取值但不會對其變化趨勢帶來過大的波動。鑒于本文是研究θ值的影響因素,這里假設R=B。如果按照文獻(10)的方法,那么在此試驗數據的范圍內參數θ應為一定值。通過式(1)計算得到的θ值,以及用此測量值計算的干度值和相對誤差如表2所示。
     
      觀察表2可以看出θ的測量值并不是一-定值,而且應用θ的平均值代入式(1)得出的干度測量相對誤差很大,根本滿足不了工業生產的要求。但是在表2中發現在干度大于0.6時,θ的取值和干度小于0.6時的取值相差很多,但在各自的區間上θ的變化并不劇烈。通過對比文獻01]中的圖4和文獻{14}中的圖3可知,在干度介于0.6兩側時R和x及B和x的函數關系明顯不同。于是,筆者從新以干度0.6為分界線分別求θ的平均值,然后根據式(1)求得干度相對測量誤差≤±6.2%。經過以上分析可以得出,文獻[7]的測量方法是正確的而且在干度變化不大的情況下,θ的取值基本不受干度的影響。在文獻10]中同時給出了√△Po和σ(√△P)在本質.上無區別的結論,因此測量方法不僅適用于孔板,對其它節流件仍然適用。根據兩種測量方法的機理知,文獻8]的測量模型應用于其他節流件也是適用的。而且由式(10)和文獻11]中的圖4可以看出,這種計量方法相對簡單,在干度小于0.2時B和x基本是線性關系。這對于氣液兩相流量測量儀表的實現是非常有利的。所以運用此方法,并且更換節流件,完成單一節流件的氣液兩相流量雙參數測量是可行的。
    3錐形孔板的設計
      對于差壓式流量計來說,不同節流件的選取,直接影響其性能的好壞。作為常用節流件的標準孔板,由于其易于安裝,生產成本較低等優點,導致目前國內大約70%的差壓式流量計是以它作為節流件。但隨著能源問題的出現,因為其結構的原因導致節流損失較大,越來越多的行業已經放棄了它的使用。如圖1示出孔板改進前后流體流動方向對比。從圖1中可以看出通過對垂直入口進行改進后,得到的孔板流出特性較好,具有防堵、節流損失小等優點。為了確定最優的入口錐.角,本文通過數值模擬的方法,對3種不同入口錐角的錐形孔板進行管內數值模擬。得出不同入口錐角的錐形孔板流出系數與雷諾數的關系圖,如圖2所示。從圖中可以得出,隨著入口錐角的減小,流出系數會增大,但增大趨勢減弱。根據文獻[15],一味的增大流出系數和減小壓損,可能會造成計量精度的下降。
     
      最終確定以入口錐角為30°的錐形孔板為試驗節流件。
    4試驗部分
    4.1試驗裝置及試驗條件
      試驗是在東北電力大學氣液兩相流試驗臺上進行的,試驗介質為空氣和水,試驗錐形孔板孔徑比為0.67,前錐角等于30°,后錐角等于45°,過度平臺長度為2m,管徑d為30m,取壓方式為,環室角接取壓。試驗流程如圖3所示。試驗參數范圍:壓力:209~260kPa;質量含氣率:0.00021~0.028;溫度:13~15℃;總質量流量3224~11546kg/h。采樣頻率為256Hz,采樣時間16s。
     
    4.2試驗結果與分析
      根據測量方法,要想進行流量的測量,首先得求出錐形孔板的流出系數和林氏模型θ1的關系式,表3是以水為介質得出的試驗數據。
     
      得出錐形孔板流出系數值為0.84。對比圖2可以看出,這一結果和模擬結果很相近。說明數值模擬方法在改進節流件性能時有很好的指引效果。同時在本試驗條件下,得出了50組氣液兩相流量測量數據。根據林氏模型θ1是氣液密度比.的函數,基于本試驗溫度變化較小,所以以壓力對θ1進行多項式擬合得到:
     
      通過測量50組試驗數據的B和x,得到B和x的關系,如圖4所示。由圖4可以看出,B和x呈現單值函數關系,而不是線性關系,而且B的取值和文獻[1]中的相比波動很大。出現這一結果的主要原因,應該是本文的試驗范圍的不同。由于在干度大于0.1時,氣液兩相流動主要呈現的是環狀流,此種流型下,液相會在管壁處形成液膜,而夾帶液滴的氣相在管道中部高速流動,導致了汽液兩相流動過程的壓差波動性降低。而在本文試驗過程中,汽液兩相流動隨著干度的增大,主要表現出氣泡流、塞狀流、彈狀流、波-彈混狀流。根據B的計算式可知,當壓差波動越劇烈時B的取值越大,因此流型的變化是導致文獻11]和本文結果不同的根本原因。
     
      干度測量誤差的形成,可能是由于汽液兩相流動具有一定的隨機性,即使干度相同時,其它參數如:壓力、溫度等的微小變化也可能導致局部流動型態的變化,從而引起壓差脈動幅值的變化。所以對于同一千度也會產生測量誤差。另外文獻01]中的測量方法認為壓差瞬時參數與時均參數的規律相同,而并未嚴格證明,這也可能是測量誤差形成的原因。
      由式(11)、(16)和(17)計算得到的流量測量相對誤差≤±9.7%,如圖6所示為計算流量和實.際流量對比。
     
      本文是通過壓力對參數θ1擬合的,并不是嚴格以氣液密度比來擬合θ1,,另外本文試驗條件干度小于0.1,氣液兩相流動的型態變化較多,而林氏模型較適合用于干度大于0.1的試驗條件,這可能是流量測量誤差較大的原因。若能基于流型來擬合θ1,測量誤差是可以減小的。
    5結論
    (1)通過對2種測量模型的數學表達式及部分試驗結果分析后,得出2種測量方法是有聯系的,在較為合理假設基礎上重新驗證了模型1的正確性。由兩者內在關系知,這也能間接證明模型2的合理性;
    2)根據文獻10]中模型應用范圍推廣的結論:,得出文獻[8]的測量方法同樣適用于其他節流件;
    (3)結合數值模擬方法和試驗研究,設計了--種節流損失小、防堵功能強的錐形孔板并將其應用到實際流量測量中;
    (4)通過本文試驗研究得到了文獻01]中千度小于0.1時B和x的關系式,為此種測量方法應用范圍的拓寬提供了參考依據;
    (5)在試驗條件范圍內,借鑒文獻11]的測量方法,同時,應用本文設計的錐形孔板,實現了運用單一節流件測量汽液兩相流量的雙參數測量。

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