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多相流體流量測量方法(一)-1
發(fā)布時(shí)間:2024-10-09 08:25:52| 瀏覽次數(shù):

一、多相流的定義

所謂“相”,就是通常所說的物質(zhì)的態(tài)。每種物質(zhì)在不同的溫度下可以有三種不同的物理狀態(tài),即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài),這也就是說任何物質(zhì)都有三相,即固相、液相和氣相。多相流就是在流體流動(dòng)中不是單相物質(zhì),而是有兩種或兩種以上不同相的物質(zhì)同時(shí)存在的一種運(yùn)動(dòng)。因此,兩相流動(dòng)可能是液相和氣相的流動(dòng),液相和固相的流動(dòng)或固相和氣相的流動(dòng)。也有氣相、液相和固相三相混合物的流動(dòng),如氣井中噴出的流體以天然氣為主,但也包含一定數(shù)量的泥沙和液體,這是比兩相流更復(fù)雜的一種流動(dòng)。

各種液體混合在一起,有時(shí)可成為一種混合均勻的液體,如水和酒精的混合物,有的則不能,例如水與水銀的混合物,后一種混合物的流動(dòng)具有與兩相流相似的特性。各種氣體混合時(shí)都能混合均勻,成為一種單相氣體,因此,各種氣體的混合流動(dòng)均屬單相流。

二、多相流體流量測量的任務(wù)

兩相流流量可分為兩種,一種為兩相混合物流量,也即兩相流的總流量,另一種為各相的流量,各相流量之和就等于兩相混合物流量。

要確定各相流量,不僅需測定兩相混合物流量,還需測定兩相中任一相在混合物中的含量。以氣液兩相流為例,要確定氣相和液相的質(zhì)量流量就需測定氣液混合物的質(zhì)量流量qm和氣相的流量質(zhì)量含量βGm。氣相的流量質(zhì)量含量,根據(jù)定義,等于氣相質(zhì)量流量qG與氣液混合物質(zhì)量流量qm之比。因此qG就等于qm和βGm的乘積,而液相質(zhì)量流量qL就等于qm和qG之差。所以要對氣液兩相流流量進(jìn)行完整的測量,一般需要測定兩個(gè)參數(shù),即氣液混合物流量qm和氣相的質(zhì)量流量含量βGm

有些流量計(jì)如電磁流量計(jì)、超聲流量計(jì),其輸出信號(hào)僅僅是體積流量,在用來測量兩相流時(shí),由于種種原因又未裝設(shè)密度測量儀表,若知道輕相和重相的密度和流量體積比,可利用公式計(jì)算出混合物平均密度,進(jìn)而計(jì)算混合物和各相質(zhì)量流量。

在實(shí)際的工程中,由于測量需要的多樣性,有時(shí)只需測量兩相混合物的質(zhì)量流量或體積流量,有時(shí)只需測量輕相或重相的質(zhì)量流量或體積流量,例如,濕蒸汽中的氣相,油水混合物中的油。當(dāng)然有時(shí)是因?yàn)闇y量裝置的局限性或經(jīng)濟(jì)上的原因,只測量兩相流中的部分參數(shù)。

三、氣液兩相流及其流量測量

(1)氣液兩相流及其流動(dòng)結(jié)構(gòu)液體及其氣或組分不同的氣體及液體一起流動(dòng)的現(xiàn)象稱為氣液兩相流。前者稱為單組分氣液兩相流,后者稱為多組分氣液兩相流。氣液兩相流在動(dòng)力、化工、石油、冶金等工業(yè)設(shè)備中是常見的,在流動(dòng)時(shí)氣相和液相間存在流速差,在測量流量時(shí)應(yīng)考慮此相對速度。

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氣液兩相流按流動(dòng)方向不同,存在多種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖3.89所示為垂直上升管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu);圖3.90所示為垂直下降管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu);圖3.91所示為水平管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

①垂直上升管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)研究證明,其基本結(jié)構(gòu)有下列五種:細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

這五種流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

a.細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。細(xì)泡狀流動(dòng)是最常見的流動(dòng)結(jié)構(gòu)之一,其特征為在液相中帶有

散布的細(xì)小氣泡。直徑小于1mm的氣泡是球形的,直徑大于此值的氣泡,其外形是多種多樣的。

b.彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)由一系列氣彈組成,氣彈端部呈半球狀,而尾部是平的,在兩氣彈之間夾有小氣泡,氣彈與管壁之間的液膜是往下流動(dòng)的。

c.塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)是由于氣彈破裂而形成的,此時(shí),氣體塊在液流中以混亂狀態(tài)進(jìn)行流動(dòng)。

d.帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在帶纖維的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中,管壁上液膜較厚且含有小氣泡,被中心部分氣核從液膜帶走的液滴在氣核內(nèi)形成不規(guī)則的長纖維形狀,這種流型常在高質(zhì)量流速時(shí)出現(xiàn)。

e.環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中,管壁上有一層液膜,管道中心部分為氣核,在氣核中帶有因氣流撕裂管壁液膜表面而形成的細(xì)小液滴。

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②垂直下降管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。從圖 3.90所示可以看出,氣液兩相作垂直下降流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和作垂直上升流動(dòng)時(shí)的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)不同,前者細(xì)泡集中在管子核心部分,而后者則散布于整個(gè)管子截面上。當(dāng)液相流量不變而使氣相流量增大,則細(xì)泡將聚集成氣彈,形成具有下降彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)的氣液兩相流。垂直下降氣液兩相流也可形成下降流動(dòng)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相及液相流量小時(shí),管壁上有一層向下流動(dòng)的液膜,管子中心部分為向下流動(dòng)的氣核,這種流動(dòng)結(jié)構(gòu)稱為帶下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。如液相流量增大,氣泡將進(jìn)入液膜,形成帶含泡下降液膜的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量都增大時(shí),會(huì)出現(xiàn)向下流動(dòng)的塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量繼續(xù)增大,氣液兩相流可具有管壁上有下降液膜,管子中心部分為帶液滴的下降氣核的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。這種環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升氣液兩相流的環(huán)狀結(jié)構(gòu)相近,但流動(dòng)方向相反。

③水平管中的氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。氣液兩相流體在水平管中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)比在垂直管中的更為復(fù)雜,其主要特點(diǎn)為所有流動(dòng)結(jié)構(gòu)都不是軸對稱的,這主要是由于重力的影響使較重的液相偏向于沿管道下部流動(dòng)造成的。

試驗(yàn)研究表明,氣液兩相流在水平管中流動(dòng)時(shí),其基本流動(dòng)結(jié)構(gòu)有下列六種:細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

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3.91是這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的示意。由圖可見,這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)分別具有下列特點(diǎn)。

a.細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。水平管中的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直管中的不同,由于重力的影響,細(xì)泡大都位于管子上部。

b.柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量增加時(shí),小氣泡合并成氣塞,形成柱塞狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。柱塞傾向于沿管子上部流動(dòng)。

c.分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣液兩相流量均小時(shí)會(huì)發(fā)生分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí)氣液兩相之間存在一平滑分界面,氣液兩相分開流動(dòng)。

d.波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量較大時(shí),氣液兩相分界面上會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)波,形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。

e.彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)氣相流量再增大時(shí),氣液兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)可以從波狀轉(zhuǎn)變?yōu)閺棤盍鲃?dòng)結(jié)構(gòu)。此時(shí),氣液分界面由于劇烈波動(dòng)而在某些部位直接和管子上部接觸,將位于管子上部的氣相分隔為氣彈,形成彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí),氣液兩相流的氣彈都沿管子上部流動(dòng)。

f.環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在水平流動(dòng)時(shí),氣液兩相流的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)于氣相流量較高的工況。水平流動(dòng)時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)和垂直上升時(shí)的環(huán)狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)相近,管壁上有液膜,管子中心部分為帶液滴的氣核,但由于水平流動(dòng)時(shí)重力的影響作用,下部管壁的液膜要比上部管壁的厚。

在油田常經(jīng)分離設(shè)備將液氣分離,然后分別測液相和氣相流量。

(2)氣液兩相流體的流量測量方法。從制造商提供的資料可看出,有幾種儀表可用來測量離散相濃度不高的兩相流體的流量,來自用戶的報(bào)道也有一些成功應(yīng)用的實(shí)例,但目前使用的流量計(jì)都是在單相流動(dòng)狀態(tài)下評定其測量性能,現(xiàn)在還沒有以單相流標(biāo)定的流量計(jì)用來測量兩相流時(shí)系統(tǒng)變化的評定標(biāo)準(zhǔn),因此這樣的應(yīng)用究竟帶來多大的誤差還不很清楚,僅有一些零星的數(shù)據(jù)和一些定性的分析。

①電磁流量計(jì)。當(dāng)液體中含有少量氣體時(shí),氣體在液體中的分布呈微小氣泡狀,這時(shí),電磁流量計(jì)仍能正常工作,只是所測得的為氣液混合物的體積流量。當(dāng)液體中所含氣體數(shù)量增加后,氣泡幾何尺寸逐漸增大,進(jìn)而向彈狀結(jié)構(gòu)過渡。當(dāng)氣泡的尺寸等于和大于流量計(jì)電極端面尺寸并從電極處掠過時(shí),電極就有可能被氣體蓋住,使電路瞬時(shí)斷開,出現(xiàn)輸出晃動(dòng),甚至不能正常工作。

②科氏力質(zhì)量流量計(jì)。制造商通常聲稱含有百分之幾體積比的游離氣體的液體對科氏力質(zhì)量流量計(jì)正常測量影響不大,當(dāng)被測液體中所含氣泡小而均勻的情況下,例如冰淇淋和相似乳化液,可能是對的。然而,實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻并不樂觀。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)介紹意大利計(jì)量院對7種型號(hào)科氏力質(zhì)量流量計(jì)含氣量影響試驗(yàn)表明:含氣泡1%(體積比)時(shí)有些型號(hào)無明顯影響,有些型號(hào)誤差為1%~2%,而其中某一雙管式型號(hào)則高達(dá)10%~15%;含氣泡10%時(shí),誤差普遍增加到15%~20%,個(gè)別型號(hào)高達(dá)80%。由此可見,不同測量管結(jié)構(gòu)、不同型號(hào)的科氏力流量計(jì)受含氣量影響差異很大,不能將一種型號(hào)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)推廣到其他型號(hào)。

③超聲流量計(jì)。多普勒法超聲流量計(jì)主要用于測量含有適量能給出強(qiáng)反射信號(hào)的顆?;驓馀莸囊后w。此類儀表測量的僅僅是體積流量或測量管內(nèi)的平均流速,如果要測量質(zhì)量流量,還得增設(shè)流體密度計(jì)。

由于此類儀表檢測的是不連續(xù)點(diǎn)(即氣泡)的流速,由于流通截面中各點(diǎn)流速的不一致性,使得測量結(jié)果相對于管道內(nèi)的平均流速之間存在不確定性,從而導(dǎo)致其測量性能較差。其不確定度一般只能達(dá)到±(1%~10%)FS,重復(fù)性為(0.2%~1%)FS.

多普勒法超聲流量計(jì)適用的氣泡含量上限雖比傳播時(shí)間法大得多,但也是有限的,尤其是管徑較大時(shí),氣泡含量過高,超聲信號(hào)衰減嚴(yán)重,以致不能測量。因此選用應(yīng)謹(jǐn)慎,事先應(yīng)向制造商咨詢。

④相關(guān)流量計(jì)。應(yīng)用相關(guān)法可以測量管道內(nèi)流體的流速或體積流量,若要測量兩相流體的質(zhì)量流量,則還需增設(shè)密度計(jì)。

相關(guān)流量計(jì)工作原理如圖3.92所示。設(shè)在測量管段取兩個(gè)控制截面A及B,兩者相隔一小段距離L,在管內(nèi)兩相流中,各相不可能混合得十分均勻,各相含量的分布在流動(dòng)過程中是變化的。由于所取的兩控制截面之間距離很短,可以認(rèn)為在該距離內(nèi)流動(dòng)時(shí),兩相流中各相含量的分布是不變的,如在管道截面A處布置一臺(tái)探測器測定兩相中一相的含量隨時(shí)間的變化曲線 X(t),再在截面B處布置另一臺(tái)探測器測定同一相的含量隨時(shí)間的變化曲線 Y(t),并將 X(t)和 Y(t)示于圖3.93 中,則由圖可見,曲線X(t)的最高值和曲線Y(t)最高值之間距離△t應(yīng)代表流體由A截面流到B截面所需的時(shí)間[在圖3.93中,橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo) X(t)和 Y(t)為被測一相的含量值]。測得流體流過距離為L這一管段長的時(shí)間△t后,即可按下式計(jì)算兩相流體的體積流量qv

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這一測量方法是利用兩截面上測得的某相含量信號(hào)之間的相互關(guān)系而測定兩相流速的,故稱相關(guān)法。

應(yīng)用相關(guān)法測量兩相流量的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)面廣,既適用于氣液兩相流體,也適用于各種臟污流體、漿液、液固兩相流,但價(jià)格昂貴,影響其推廣應(yīng)用。因此,現(xiàn)在仍處于實(shí)驗(yàn)階段。


 
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