論文實(shí)例：分流分相式氣液兩相流體流量計

1、論文實(shí)例：分流分相式氣液兩相流體流量計    作者簡介：王棟，男，1960年02月出生，1995年02月師從于西安交通大學(xué)林宗虎教授，于2000年06月獲博士學(xué)位。摘要?dú)庖簝上嗔魇鞘?、化工、動力等工業(yè)領(lǐng)域常見的流動工況，但氣液兩相流體的流量測量方法卻一直是國際上沒有很好解決的一個難題。近年來隨著現(xiàn)代工程規(guī)模的迅速發(fā)展，該問題顯得更加突出，世界各國都在投入巨資進(jìn)行開發(fā)研究。本學(xué)位論文在國家自然科學(xué)基金會重大項目（59995460）的資助下，研究探索測量氣液兩相流體流量的新方法，作者在本論文中發(fā)明的測量方法已獲得發(fā)明專利。論文首先綜述了氣液兩相流體流量測量

2、方法的現(xiàn)狀，根據(jù)測量過程中是否對來流進(jìn)行分離，可以將現(xiàn)有的技術(shù)分為分離法和非分離法。傳統(tǒng)的分離法采用分離設(shè)備將氣液混合物分離后再進(jìn)行測量，具有測量精度較高、測量結(jié)果可靠、測量過程不受流型變化的影響等優(yōu)點(diǎn)。但缺點(diǎn)是分離設(shè)備體積龐大價格昂貴，并需建立專門的計量站和測試管線。近年來出現(xiàn)的“粗分離法（partialflowseparation）”通過把來流粗分離為以氣相為主和液相為主的兩股兩相流后再進(jìn)行測量，雖然在一定程度上能夠縮小分離器的體積，并降低兩相流流量測量難度，但因未能將氣液混合物完全分離，故實(shí)際上對提高測量精度的作用是很有限的，況且由于測量儀表的數(shù)量增加了一倍，反而有可能使測量精度降低，儀

3、表成本增加。非分離法的主要缺點(diǎn)是，測量儀表和傳感器都在兩相流中工作，易受兩相流的強(qiáng)烈波動性和流型變化等因素的影響，在可靠性、穩(wěn)定性和測量精度等方面遠(yuǎn)低于在單相流中的情況，甚至根本就無法正常工作。目前除核磁共振和放射性示蹤等技術(shù)外，其他的非分離法技術(shù)在測量原理上仍缺乏較堅實(shí)的理論基礎(chǔ)。迄今還沒有一種兩相流量計能夠達(dá)到公認(rèn)的商用標(biāo)準(zhǔn)：測量誤差小于5，測量結(jié)果不受流型影響，并能長期在各種工程環(huán)境下工作。核磁共振和放射性示蹤等技術(shù)雖很有希望，但由于這類測量設(shè)備過于昂貴（幾十萬到上百萬美元），因而很難在工程中廣泛應(yīng)用。本文提出的測量方法簡稱分流分相法。這種測量方法在測量原理上突破了現(xiàn)有的氣液兩相流體流量

4、測量模式（即分離法與非分離法），其具體過程為，首先通過一種分配器從被測兩相流體中成比例地分流出一部分（520）氣液混合物，接著使用一小型分離器將這股兩相流分離成單相氣體和液體，然后分別用單相流量計測量出氣相和液相流量并根據(jù)比例關(guān)系將測量值換算成被測兩相流體的流量，最后再分別將這部分氣體和液體返回被測兩相流中。與傳統(tǒng)的分離法相比，由于進(jìn)行了分流，分離器的負(fù)荷僅為原來的520，因而體積可以比原來全部分離時縮小520倍，基本上接近于一個普通單相流量計的體積。與其他各種非分離法相比，測量儀表都在單相流中工作，測量結(jié)果不受兩相流的波動性和流型變化的影響。因而在測量精度、可靠性以及測量范圍等方面都遠(yuǎn)優(yōu)于各

5、種非分離式儀表。如何實(shí)現(xiàn)“成比例”地分流，保證分流出的流體流量與被測兩相流體流量之間具有穩(wěn)定和確定的比例關(guān)系（即分流系數(shù)），是本文研究的主要內(nèi)容。如何構(gòu)造能“成比例”地分流的分配器是論文要解決的關(guān)鍵問題。作者共探索研究了以下4種基本類型的分流分相式兩相流體流量計：1.三通型。首先從三通管入手進(jìn)行探索，利用T-型三通的相分離特性從被測兩相流中分流分離出一股單相氣流，通過測量這部分單相氣體的流量來確定被測兩相流體的流量和干度。三通管既是分配器同時又起分離器的作用。在大量實(shí)驗(yàn)觀測的基礎(chǔ)上建立了分流體回路和主流體回路的基本方程式，并推導(dǎo)了分流系數(shù)的計算式，證明這種分流分相式兩相流體流量計的分流系數(shù)與干

6、度成線性關(guān)系而不是一個常數(shù)，根據(jù)得到的氣體流量測量值可以確定流量和干度中的一個參數(shù)，另一個參數(shù)需用其他方法來確定，即這種流量計屬于一種單參數(shù)兩相流量計。2.取樣管型。應(yīng)用取樣管作為分配器來進(jìn)行分流。系統(tǒng)地測試了傳統(tǒng)取樣管的分流特性，在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改造，增加了混合器，改端口形狀為“S”型，從而使分流系數(shù)能在一個較寬的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。3.轉(zhuǎn)鼓型。為從根本上克服流型變化對分流的影響，在分流原理上突破了從“空間”上進(jìn)行分流的現(xiàn)有模式，首次探索通過“分時”的方法進(jìn)行分流，即通過分配來流分別流向分流體回路和主流體回路的“時間”來實(shí)現(xiàn)精確分流。這樣不論來流的流型如何變化，兩回路的流量大小只取決于所分配

7、的時間長短，而與流型無        關(guān)。由于分流時間是很容易控制的，從而能比較容易地保證分流系數(shù)在各種情況下都保持穩(wěn)定。作者首創(chuàng)的轉(zhuǎn)鼓分配器就是這樣一種基于分時原理的分配器。分配器由殼體和轉(zhuǎn)鼓兩部分組成，殼體除用來支撐轉(zhuǎn)鼓外，本身不含任何可動部件。轉(zhuǎn)鼓的外型為圓柱體，內(nèi)部均勻?qū)ΨQ地分隔為若干互不相通的通道。沿轉(zhuǎn)鼓軸線方向，通道呈螺旋型走向。各個通道的出口大都通向轉(zhuǎn)鼓下游的兩相流體管道（主流體回路），只有少數(shù)幾個通道作為分流通道通向了分離    器（分流體回路）。當(dāng)兩相流體流過轉(zhuǎn)鼓時，就會沖擊轉(zhuǎn)鼓高速旋轉(zhuǎn)

8、。隨著轉(zhuǎn)鼓的旋轉(zhuǎn)，各通道的入口端面不斷地掠過管道流通截面上的每一點(diǎn)，使每一點(diǎn)上的兩相流體都能機(jī)會均等地流入每一個通道。在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，流通截面上各點(diǎn)的兩相流體流入每一通道的時間均相等，這等價于來流以相等的時間份額分別依次流向了各個通道。這樣，來流流向分離器（分流體回路）的時間份額，就與轉(zhuǎn)鼓中通向分離器的通道數(shù)（分流通道數(shù)）成正比，而與兩相流的流型無關(guān)，分流系數(shù)保持為常數(shù)。論文中已給出了簡明的理論證明和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。4旋流型。與轉(zhuǎn)鼓型分配器相反，旋流型分配器內(nèi)不含任何運(yùn)動部件，而是通過幾組形狀不同的葉柵讓兩相流體本身做特定的流動來實(shí)現(xiàn)兩相流體在一個多通道元件內(nèi)的均勻分配。該多通道元件的通道出口大都

9、通向分配器下游的兩相流體管道，只有少數(shù)幾個通道作為分流通道通向了分離器。這樣，流向分離器的流量，僅僅取決于通向分離器的通道數(shù)（分流通道數(shù)），而與兩相流體的流型和其他因素基本無關(guān)，也就是說分流系數(shù)為常數(shù)。這是一種非常適合于工程應(yīng)用的分配器。在空氣水實(shí)驗(yàn)臺上，對上述4種形式的分流分相式氣液兩相流體流量計進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)管道內(nèi)徑為30毫米，水平放置。實(shí)驗(yàn)壓力溫度接近于常溫常壓?？諝庹鬯懔魉俜秶鸀?40m/s，水折算流速范圍為00.28m/s。實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的流型包括分層流、波狀分層流和環(huán)狀流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述四種流量計都具有穩(wěn)定的或變化規(guī)律確定的分流系數(shù)。流量計工作平穩(wěn)，測量范圍廣，測量精度高。平

10、均誤差小于5，最好的結(jié)果可以達(dá)到3以內(nèi)。分流分相法是本論文首創(chuàng)的完全具有中國知識產(chǎn)權(quán)的氣液兩相流體流量測量方法，它為解決工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的氣液兩相流體流量測量問題提供了一條新的途徑。通過分流使分離器的體積成倍地縮小，通過分相把兩相流體的流量測量轉(zhuǎn)化成了單相流體的流量測量，通過采用合理的分配器，可以獲得穩(wěn)定的分流系數(shù)值，從而使氣液兩相流體的流量測量精度有可能接近甚至達(dá)到單相流的水平。其成本約為3萬元人民幣，而一臺與其測量精度接近的核磁共振兩相流量計的造價高達(dá)幾十萬美元。因而本方法使氣液兩相流體流量計有可能象單相流量計一樣低成本地批量生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵詞：流量計兩相流分流分相Gas-liquidTwo

11、-phaseFlowmeterswithExtractingandSeparatingMethodATRACTGas-liquidtwo-phaseflowsarecommoninthepetroleum、chemicalandpowerindustries，butthemeasurementoftheirflowratearestilladifficultprobleminengineeringInrecentyears，withtherapiddevelopmentofmodernengineeringproject，thisproblembecomemoreurgenttosolve，a

12、greatdealofinvestmentsthroughouttheworldhavebeenmadetodevelopthiskindofflowrateitrumentsTheobjectiveofthisthesis,financiallysuortedbytheNationalNaturalSciencefoundationofChinakeyproject（59995460），istoresearchanddevelopnewmeasurementmethodsoftwo-phaseflow,andthemethodsinventedinthispaperhavebeengrant

13、edtobeChinesep          atentsInthefirstpartofthethesis,areviewofthepriorartsoftwophaseflowmeasurementwasmade,andtheseartscanbeclaifiedasseparationmethodandNon-separatingmethod,dependingonwhetherthetwophasemixtureisseparatedintheproceofmeasurement.Intradi

14、tionalseparationmethod,alargeseparatorisalwaysemployedtoseparatethegas-liquidmixturefirst,andthenmetertheflowrateofeachphasewithconventionalsinglephaseflowmeters.Thissolutionoffersdefiniteadvantages,suchasmeteringreliabilityandflowregimeindependent.Usuallytheseparationequipmentisverylargeandexpeive,

15、andsomeecialpipelinesandmeteringstatioalsohavetobebuilt.Thepartialflowseparationmethod,developedinrecentyears,partiallyseparatethetwophasemixtureintopredominantlyliquidandpredominantlygasstreamsbeforemeasuringwithtwo-phaseflowmeters.Althoughtheseparatorcanbereducedinsizeandeachflowstreamonlyneedstob

16、emeasuredoveralimitedrangeofcomponentfraction,theimprovementinmeasurementprecisionislimitedandthecostofflowmetermayincrease,forthereasonthatthegas-liquidmixtureisnotfullyseparated,andthenumberofseorsanditrumentsneededisdoubled.ThemajordisadvantagesofNon-separatingmethodlieinthefactsthatalltheseorsan

17、ditrumentsaredirectlydiosedtothetwo-phaseflow,althoughsomeofthemarenon-intrusive.Theviolentfluctuatioandflowpatternchangesoftwophaseflowwillmaketheseorsanditrumentsbefarlestable、reliableandprecisethanthatinsinglephaseflow,andevencannotworkatall.ExceptforNuclearMagneticResonance(NMR)andRadiotypetechn

18、iquessuchasA(pulsedneutronactivation),othernon-separatingmetersarelackofreasonabletheoreticalfoundatio.Sofar,noneoftwo-phaseflowmeterscanmeetthecommercialstand:measuringerrorlethan±5,flowregimeindependent,andsuitableforuseinindustrialenvironment.NMRandAarehopeful,buttheyaretooexpeive(cost$10510

19、6)tobeusedinengineering.Thenewmethodproposedinthisthesisisc          alled“ExtractingandSeparatingMethodorareviatedtoESM”whichbreakthroughthepriormodelsofgasliquidtwo-phaseflowmeasurement(separatingornon-separating).Theproceisthat：first，proportionallyextr

20、actingastreamofgas-liquidmixture（520）fromthetwo-phaseflowtobemeasuredwithadistributor，thenseparatingitintosingle-phasegasandliquidwithasmallcompactseparator，afterthat，measuringeachphasewithconventionalsinglephaseflowmetersandconvertingthemeasuredvaluestothetwo-phaseflowratetobemeasuredaccordingtothe

21、extractionratio，attheend,returningtheextractedstreamintothetwo-phaseflowpipeagainBecauseonlyasmallportionofthetotalflowisextracted,theseparatorcanbereduced520timesinsizecomparedwiththetraditionalseparationtechniqueinwhichallthetwo-phasemixtureisseparated,andthevolumeofthetwo-phaseflowmetermaynearlyr

22、eachthebulkofacommonsinglephaseflowmeterFurthermore,theESMisalsomuchbetterthanthemostnon-separatingmethodsinreliability、stability、precision、measuringrangeandsoon.BecausetheitrumentsutilizedinESMsystemworkinthesinglephaseflow,themeasurementresultswouldnotbeinfluencedbytheflowpatterandthetraitnatureof

23、thetwo-phaseflowHowthe“proportionalextraction”canbearoachedtoaurethattheextractedstreamistherepresentativeoftotalfluidstreamortheextractionratioisstable,isthemajortaskofthethesisHowtocotructsuchdistributorsisthekeyproblemtobesolvedinthethesis.Fourbasictypesofdistributorwereproposedandstudiedinthethe

24、sis：1.TheT-junctiontypeByutilizingthephaselitphenomenainT-junctio,asingle-phasegasstreamisextractedandseparatedfromthetotalfluidstream,andaconventionalflowmeterisprovidedtometerthegasflowratewhichthenisusedtocalculatethemaflowrateormaqualityofthetwo-phasemixturetobemeasured.Thejunctionotonlyactasadi

25、stributorbutalsoaseparator.Basedonaseriesofexperiments,thebasicequatioontheextractionloopandthemainl          oopwereproposedandtheequationofextractionratiowasalsoderivedcoequentlywhichshowthattheextractionratioisnotacotant,itvarieswiththemaqualityaccordi

26、ngtoalinearfunction.Onlyoneoftheparameters(theflowrateormaquality)canbedeterminedbythemeteredvalueofextractedgasflow,anotherparameterhastobemeteredwithothermeai.e.thisisasingleparametertwo-phaseflowmeter.2.ThesampletubetypeHavingtestedtheextractingbehaviorofconventionalsampletubesystematically,anewr

27、eformedonewascotructed,whichhasa“S”frontport,andamixerisalsoaddedinfrontofthesampletube.Quitestableextractionratiowereaearedoverabiganofflowrates3.Therotationaldrumtype.Inordertoavoidtheinfluenceofflowregimesonextractingeffectively,thethesisbrokethroughtheconventionalmaerofflowdistribution,whichdivi

28、deflowonlyfrom“ace”,andtriedtoextractflowby“time”sharingforthefirsttime.Theextractionstreamisproportionallyobtainedbyaccuratelycontroltheextractiontimefractioninwhichtotalflowiscompletelyconductedintotheextractionloop.Theextractionratioisequaltothetimefractionandindependentofflowpatter.Becausethetim

29、efractioncanbeeasilycontrolled,sothetaskofauringextractionratiostablebecomesmuchsimpler.ThedistributorcomprisesofarotationaldrumandshellTheshellistosuortthedrumandhasnotanymoveablepart.Theoutlineofthedrumisacylinder,theiideaceisequallysegregatedintoaseriesofsmallflowchaelswhichtwistedaroundthedrumax

30、isTheoutputsofthemostchaelsaredirectedtothedownstreamofthepipe,onlyafewoftheextractionchaelsarecoectedtotheseparatorAstwo-phasemixturepaesthroughthechaels,thedrumwillbeforcedtorunatahigheedarounditsaxisbythefluidWiththeruingofthedrum,theentranceofeachchaelwillcontinuouslyscanovereverypointonthecrose

31、ctionofthepipe,andsothefluidatanypointonthecrosectionofthepipewillhavethesamepoibilitytoentereachchael.Inarotationperiodofthedrum,thetimefract          ionoffluidatanypointonthecrosectionofpipeflowingintoeachchaelisequal,sothedrumseeminglyactsasatimecontr

32、olledswitchwhichequallydirectsthetotalflowintoeachchael,theextractiontimefractionandextractionratioisproportionaltothenumberofextractionchaelsandequaltotheratioofextractionchaelnumbertothewholechaelsinthedrumAningeniousproofwasmadeinthethesis,andafurthermodifiedequationtocoidertheeffectofliquidleaka

33、gethroughthegapbetweendrumandshellwasestablishedtoo.4.Swirlertype.Contrastingtotherotationaldrumdistributor,thereisnoanyruingpartsinaswirlerdistributorthatisverysuitableforuseinengineeringByusingtwoorthreeswirleraemblesandconditioners,thetwo-phasemixtureitselfisguidedtopathroughaecialroutingtocomple

34、tetheequaldistributioninamulti-chaelaembleinwhicheachchaelhasthesamegeometricalshapebutisnotcoectedeachotherTheoutputsofthemostchaelsisdirectedtothedownstreamofthepipe,onlyafewofextractionchaelsiscoectedtotheseparatorTherefore,theflowrateofthestream(theextractedstream)enteringtheseparatorisonlydepen

35、dentonthenumberofchaels(theextractingchael)coectedtotheseparatorandisindependentoftheflowpatternandotherfactors,sotheextractionratioremaincotantExperimentsforthefourtypesofESMtwo-phaseflowmetersmentionedabovewereconductedinanair-watertwo-phaseflowloopTheierdiameteroftheloopwas30mmandthetestsectionwashorizontallyplacedThepreureandtemperaturewerenearthatatroomconditioTheairsuperficialvelocityrangedfrom4to40m/s,andthewatersuperficialveloci