新型近紅外矩形差壓流量計的測量模型研究

方立德，王少沖，王配配，王東星，李小亭

FANG Li-de1～3 , WANG Shao-chong1～3, WANG Pei-pei1～3,WANG Dong-xing1～3, LI Xiao-ting1～3

（1.河北大學(xué) 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，保定 071000；2.河北省計量儀器與系統(tǒng)工程實驗室，保定 071000；3.保定市計量儀器與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，保定 071000）

0 引言

石油行業(yè)中的原油開采、加工、運輸都與油氣水三相流有關(guān)[1～3]。但是原油的特性使得氣液兩相分相測量十分困難，目前對兩相流動中的特征參數(shù)測量精確度遠不能滿足要求，尚不能有效解決無規(guī)律流動中的參數(shù)測量問題。國內(nèi)外相關(guān)研究的主要目的是實現(xiàn)兩相不分離測量和對相含率、流量兩項特征參數(shù)的準確測量[4,5]。

目前兩相流參數(shù)測量研究仍處在探索階段，利用差壓流量計測量流量是目前流量測量最可靠的方法，2014年林棋[6]借助流體仿真研究了流體通過差壓流量計縮徑管段后的流動情況，獲得了不同工況下內(nèi)部流場的變化規(guī)律，探討了孔板流量計的沖蝕問題并且驗證了數(shù)值模擬的可靠性。2016年董衛(wèi)超[7]根據(jù)均速管流量計工作原理設(shè)計了一種半管插入式流量計，具有更好的通用性，同時大幅度提高了測量精度。J.Sowinski[8]實驗研究了窄微小垂直通道內(nèi)氣液兩相流動中的流速與氣體空隙率。通過漂移模型定義氣體速度和氣體空隙率，建立氣體空隙率與分布參數(shù)的關(guān)系式。近紅外光譜技術(shù)不但具有不受電磁干擾與光強影響、穿透能力強、傳輸距離遠、可在零照度下工作等優(yōu)點，而且可以用于農(nóng)林、食品、藥品、化工、生命制藥等行業(yè)的檢測[9,10]，2014年方立德[11]使用波長為980nm激光二極管和硅制光電二極管，對水平及垂直流向的流向進行了實時在線測量，能很好地反映氣液界面的波動情況及流型。2016年李明明[12]設(shè)計了兩種氣液兩相流相含率檢測裝置。基于以上眾多研究，可知采用近紅外檢測技術(shù)進行氣液兩相流的相含率檢測是十分可行的，因此，本文在前人研究工作的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于近紅外光譜技術(shù)與矩形差壓流量計相結(jié)合的新型氣液兩相流檢測裝置，通過對該裝置的性能參數(shù)進行仿真及優(yōu)化，有效減小了近紅外光的折射與反射，實現(xiàn)了流量與相含率的不分相實時測量，對推動工業(yè)生產(chǎn)進步有著重要意義。

1 新型矩形氣液兩相流檢測裝置設(shè)計

本次設(shè)計的新型矩形兩相流檢測裝置如圖1所示，將原先的近紅外點對點探頭安裝方式改為視窗面安裝，減少折射的同時提高了測量精度，本裝置在具有矩形管道的差壓流量計的基礎(chǔ)上添加了相含率檢測裝置，能夠同時測量相含率與流量。

當不同大小的流體流過節(jié)流閥時，壓差信號不同，通過收縮段6兩端之間的壓力差計算出通過垂直管的總流量。氣液兩相流的相含率不同，所獲得的近紅外信息不同。數(shù)據(jù)處理單元可以根據(jù)接收到的強度信息計算流道中各相的相含率，最終達到測量的目的。

圖1 檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

本文采用CFD軟件來進行新型矩形差壓流量檢測的結(jié)構(gòu)仿真及優(yōu)化，通過修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得不同結(jié)構(gòu)下差壓流量計內(nèi)部流場的速度矢量、壓力、流動狀態(tài)等信息，作為裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的參考。通過對收縮角θ、擴張角α、節(jié)流件喉部板間距H、取壓孔的位置等參數(shù)進行仿真確認，確定了最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。采用304不銹鋼制作了一種新型的垂直管段矩形氣液兩相流檢測裝置，用于研究單相流量標定和兩相流特性。該裝置選擇光源面積50mm×20mm，光源總面積60mm×30mm，表面光源由雙向模擬控制器控制，可實現(xiàn)多通道控制和光強調(diào)節(jié)，近紅外接收器采用四個近紅外接收探頭，并排安裝在玻璃窗上。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 單相流動實驗與分析

傳統(tǒng)節(jié)流式差壓流量計的體積流量測量公式為：

式(1)中：β是等效節(jié)流比；A是管道截面積，A=A1；C是流出系數(shù)，需要實驗標定；ρ是流體密度；ΔP是節(jié)流件兩端壓力差，ΔP=P1-P1。

新型矩形差壓流量計的等效節(jié)流比為：

式中：A1是上游截面積；A2是下游截面積。

矩形差壓流量計是一種非標準流量計，需要對流量系數(shù)C進行標定。通過垂直氣液兩相流檢測裝置進行標定實驗。單相水的流量范圍為1～11m3/h，選擇了21個工況點進行四次重復(fù)實驗中。對實驗數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)流出系數(shù)C與壓差之間呈指數(shù)關(guān)系，可獲得準確的單相流動。選擇第一組數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件擬合出流出系數(shù)，流出系數(shù)與差壓值呈現(xiàn)出比較好的擬合狀態(tài)，相關(guān)系數(shù)R2值在0.99以上。擬合公式為：

式中：A1=-0.03818；t1=4.54973；A2=-0.0197；t2=0.43483；y0=0.95637；C是擬合流出系數(shù)；ΔP是差壓值，KPa。

通過計算得到的流量值與實際流量值做相對誤差。四組數(shù)據(jù)導(dǎo)入式(3)檢驗矩形差壓流量計測量效果，流量計的誤差在0.8%內(nèi)，如圖2所示。

圖2 四組數(shù)據(jù)擬合相對誤差圖

2.2 氣液兩相動態(tài)實驗與分析

在完成單相水流出系數(shù)標定后，進行氣液兩相流動實驗。為擴大相含率測量范圍，在單相水實驗21個工況點的基礎(chǔ)上，結(jié)合0.12m3/h、0.24m3/h、0.36m3/h、0.48m3/h、0.6m3/h5個氣相流量點，對共105個工況點進行測試，涉及豎直方向的彈狀流、泡狀流以及過渡流型三種流型，進行三次重復(fù)實驗，并對實驗數(shù)據(jù)進行分析。

根據(jù)近紅外透過光強得到相含率，需要先得到空管時透過的近紅外光強作為I0。理論上四路電壓信號應(yīng)該一致，但由于存在采集板電噪聲，四路探頭得到的電壓值不會完全相同。采集三組實驗數(shù)據(jù)得到透過近紅外光空管后的光強并取平均值。四路探頭的電壓值如表1所示。

表1 靜態(tài)全氣4路信號電壓值

進行兩相流實驗，采集各工作點的近紅外相電壓，計算四電路電壓信號的平均值，得到光強度與光強度的比值。結(jié)果表明在相同流量下，隨著氣相流量的增加，液相含率降低，四回路電壓比值大，說明投光強增大。

通過數(shù)據(jù)處理與分析并對其修正后得到的計算模型如下：

液相含率相對誤差低于3.5%。將相含率計算模型作為最終的相含率測量模型，再通過與兩相差壓值的結(jié)合，獲得兩相流流量測量模型。

2.3 氣液兩相流流量測量模型

2.3.1 經(jīng)典模型誤差對比分析及修正

通過流出系數(shù)C和相含率測量模型計算干度x與XLM，利用測量分路及實驗管段上的溫度、壓力等數(shù)據(jù)，計算工況條件下管道內(nèi)氣相和液相的密度。將第一組實驗的兩相差壓導(dǎo)入經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，得到計算兩相質(zhì)量流量并與實際兩相質(zhì)量流量計算相對誤差。

通過對兩相實驗時測量管段的觀察，液相流量小于2m3/h的所有工況點流量測量相對誤差均很大，因此本裝置兩相流量測量下限為液相2m3/h。

表2 經(jīng)典模型相對誤差及平均誤差對比表（液相流量大于2m3h）

由表2可知在大于2m3/h 的工況點，均相流模型、分相流模型、Bizon模型（β=0.7）對本實驗均有較好的預(yù)測能力，均相流模型效果最好，對彈狀流量測量誤差小于6%，過渡流型及泡狀流流量測量誤差小于2%。將實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入均相流模型，結(jié)果表明均相流模型具有有較好的預(yù)測效果，彈狀流流量誤差小于7%，過渡流型及泡狀流流量測量誤差小于3%。均相流模型可以作為新型氣液兩相流測量裝置流量測量的一種參考。

由于均相流模型太過理想化且均相流模型預(yù)測兩相流量的測量誤差波動較大，分相流模型及其修正模型的誤差波動小，因此提出對分相流模型進行修正，從而優(yōu)化本裝置的流量測量模型。將測量得到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入函數(shù)最終得到模型為：

將實驗數(shù)據(jù)及真實含率導(dǎo)入式(5)，總流量測量誤差小于4%，說明修正模型的測量效果比經(jīng)典模型較好，總流量測量誤差小于4.5%，可以將修正模型作為兩相流總流量測量模型。通過實驗得到該模型總流量測量相對誤差如圖3所示。

圖3 實驗相對誤差分布

2.3.2 基于兩相差壓的氣液流量測量模型

通過建立差壓、相含率、流量三者的函數(shù)關(guān)系，并結(jié)合相含率測量模型可得到流量。由XLM參數(shù)的公式可知，F(xiàn)rl與Frg既包含流量信息又包含相含率信息。以Frg為x軸，F(xiàn)rl為y軸，兩相差壓為z軸，得到變化關(guān)系圖。

圖4 差壓值與Frg、Frl關(guān)系

結(jié)果表明差壓與兩相弗勞德數(shù)有著密切的關(guān)系。差壓值主要受到Frl的影響，同一Frg條件下隨著Frl增大而增大；同一Frl下隨著Frg的增大而增大，整體差壓受到Frg、Frl影響具有普遍性。在Frg是一個定值時，差壓與Frl的關(guān)系式為：

考慮Frg的影響，經(jīng)過對Frg的修正得到差壓的關(guān)系式為：

利用第一組實驗數(shù)據(jù)，采用非線性回歸的方法得到參數(shù)為：

A=5.14522；B=0.94534l；C=151.39082；D=-6.58347。

對一個已知相含率的兩相流體，F(xiàn)rg、Frl具有確定的關(guān)系，式(7)可以變形為：

將第一組實驗的差壓與相含率導(dǎo)入公式，得到Frl，通過Frl與相含率最終可以得到兩相總流量。第一次實驗總流量相對誤差小于6.5%，其中彈狀流部分總流量誤差小于6.5%，泡狀流總流量誤差小于1.5%。將其余兩組數(shù)據(jù)導(dǎo)入公式驗證，三組實驗數(shù)據(jù)的總流量相對誤差均在6.5%以內(nèi)，如圖5所示，說明可以利用差壓結(jié)合相含率測量模型求得兩相總流量。

圖5 總流量測量誤差

3 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種新型矩形氣液兩相流檢測裝置，通過對裝置測量的近紅外信號與其差壓信號的研究，建立了相含率測量模型與流量測量模型，為氣液兩相流動的測量提供了一種新思路和方法，對工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)具有重要參考價值。在液相流量范圍1m3/h～11m3/h，氣相流量范圍0.12m3/h～0.6m3/h內(nèi)進行兩相動態(tài)實驗，通過分析四路近紅外信號與相含率的關(guān)系，建立了相含率測量模型，對相含率測量模型考慮折射、反射的影響，得到的修正后的模型液相含率測量誤差在3.5%以內(nèi)。對液相流量大于2m3/h的點，均相流模型具有較好的預(yù)測效果。對分相流模型進行了修正，修正模型測量總流量誤差低于4.5%。建立了兩相差壓、Frg、Frl的關(guān)系，結(jié)合相含率測量模型得到總流量測量模型，其中彈狀流總流量誤差在6.5%以內(nèi)，泡狀流總流量誤差在1.5%以內(nèi)。