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气液两相流测量技术的现状及发展概要

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《热能动力工程前言》 班级:硕动力152 专业:动力工程 姓名:汪辉 学号:2152214135 气液流测量技术发展 汪辉 摘要:随着气液两相流测量技术的进步,气液两相流理论得到充分发展,也为工程实践提供了有力工具。本文主要介绍了近年来气液两相流对流量测量与流型检测的新技术。在流量测量领域,本文主要介绍了传统单相流量计、多流量计测量、分流分相法、超声波法。在流型检测方面主要介绍了,高速摄影法、层析成像法、信号特征分析法,以及小波变化法,神经网络法等实时检测方法。

关键词:气液两相流;流量测量;流型检测 Research on development ofGas-liquid Two-phase Flow Measurement Technology Wang Hui Abstract:With the development of gas-liquid two-phase flow,on theone hand it promote the development of the theory of gas liquid two phase flow,on the other hand it provide a powerful tool for Industrial practice.This paper mainly introduces the new technology in recent years, which includes gas-liquidtwo-phase measurement onflow rate and flow pattern. In the field of flow rate measurement,the traditional single-phase flowmeter,multi-flowmeter measurement, extracting and separating method andthe ultrasonic method are mainly introduced. In the field of flow pattern detection,high speed photography method, tomography method, signal feature analysis, wavelet transform method and neural network method are mainly introduced. Keywords:gas-liquid two-phase flow; flow rate measurement; flow pattern detection

气液两相流的测量技术的进步对其理 论和工业实践的发展有着重要的意义。对于两相流基本参数的测量呈现出多样化的趋势。例如,针对气液两相流流量测量林宗虎,王栋等[1]提出分流分相的气液两相流体的测量方法,最终测量误差小于5%,效果比较理想;胡俊介绍了一种基于压差法的V形内锥式流量计,结果表明利用该流量计采用经典的林宗虎模型对流型进行检测是可行的[2]。

对此本文针对国内外关于流量的测量方法与流型的检测技术的进展,做了分析与评述。1流量测量技术

1.1传统分离式流量测量技术 根据测量过程中是否对两相流分离可将气液两相流流量测量技术分为分离法和非分离法。传统的分离法应用分离设备将汽液混合物分离成单相气体和液体后,再通过普通单相流量计进行计量。常用的单相流量测量仪器有差压流量计、涡街流量计、文丘里管、孔板式流量计、靶式流量计、节流原件等。

对于传统的分离方法虽然有着稳 定性强,测量精度高、测量范围宽等优点但是其体积庞大,造价过高,造成其经济性较差。

1.2多流量计测量 因流量计的指示值不仅与各相流量有关,还与两相流体的干度相关,因此在更多的情况下,采用两种不同特性的流量计组合测量。例如:节流元件-多孔动压探针(笛形管,孔板-文丘里管,靶式流量计-涡轮流量计,文丘里管-涡轮流量计,垂直上升压差-垂直下降压差。该方法装置简单,但测量范围小,受到具体流型的制约。

近些年对单个流量计与射线流量计组合研究更加深入。例如,γ射线-涡轮流量计[13],γ射线-文丘里管[14],微波-文丘里管[14],这种方法克服了流型变化对流量测量的影响。

1.3分流分相法 前以述及分流分相的气液两相流测量方法,其原理是通过分流分相的方法,从被侧两相流体中成比例的分流、分离出一定份额的单相气体和单相液体,经单相流量计计量后根据比例关系确定出两相流体的各相流量。

图1是分流分相法的原理图。被测两相流体流过分配器时被分成两部分:一部分两相流体(80%~95%沿原通道继续向下游流动,称这部分流体为主流体,这一支路为主流体回路;另一部分两相流体(5%~20%则进入了分离器,称这部分流体为分流体,这一支路为分流体回路.分流体经分离器分离后,气体和液体分别进入气体流量计和液体流量计进行计量,最后又重新与主流体汇合[1]。

图1 分流分相法原理图Fig1 principle of extracting and separating 与分离法相比,该方法流经分离 器的流量仅为原来的(5%~20%,所以体积比原来小很多,其体积等同与单 相流量计的体积。 根据分配器结构不同可以分为“T”型三通管式非配器[3,4]、取样管型非配 器[5]、转鼓分配器[6]、旋流分配器。 1.4超声波法 超声波测速原理基于超声波在静 止流体中的传播速度不同,即对于固 定坐标系来说,超声波传播速度与流 体的流速有关[15,16]。 清华大学王铁峰,王金福等[23]在 超声多普勒测速仪在液-固和气-液两 相测量应用中指出超声多普勒测速仪 实现了非接触式测量,并且能得到瞬 态速度的空间分布[17]。由于超声波测 得的是流体的流速,故通常是与密度 计结合,用于测量流体的质量流量。 2流型检测技术 气液两相流流型的检测技术对实际工程应用起着非常重要的作用。通过控制流动参数可以避免有害流型的出现,保证设备安全运行。目前流型检测方法包括信号特征分析法、层析成像法、高速摄影法等前处理方法,以及小波分析、神经网络等后处理方法。 2.1特征信号分析法 特征信号分析法指通过分析传感器的随机信号特征来进行流型识别。接收这些信号的传感器主要包括电学、光学、热膜、差压和γ射线传感器等。

随着传感器技术的发展新型探针 的应用,气液两相流的测量变得更加 切实可行,比如光纤探头、电导探头、热膜探头等。 电导探头是通过测量探头针尖处 流体导电性的变化来确定该点的介质 分布,进而确定流型的。光纤探头测 量方式与电导探针类似,不同之处在

于光导探头是通过测量流体在探头针 尖处对光强度的影响来反应在改点的介质分布,从而确定流型。热膜探头[20]是通过热膜不同位置处被气液两相流带走的热量不同,而确定其流型的。

因为接触式探头都是直接定位在流体上,因此都能较准确地反应改点的流体特征。但由于探针的存在影响了流型,长时间杂质的积累也会产生测量误差,加之所处环境恶劣传感器极易损坏。

2.2压差法 差压法,也称压差法,压差波动法是通过采集气液两相流动的压差信号,并对压差信号进行统计分析的流型识别方法。这种压差信号是由于管内局部点上气、液介质的交替出现而产生的。对获得的信号进行分析处理,再与神经网络结合,可以对流行实现客观的智能识别。其中对于噪声的处理采用小波包技术,后面将述及。

2.3过程层析成像法 层析成像(Tomography也称计算机层析成像(Computerized Tomography简称CT,指在不影响测量对象内部特征的条件下,从外部获得的测量对象不同方向的投影数据,然后通过计算机重建测量对象内部的二维/三维图像。过程层析成像(Process Tomography,简称PT技术主要以工业过程尤其是两相流和多相流为检测对象[12],具有非接触性与实时性等优点,其结构图可参见图2。

依据传感器测量原理,PT分为X 射线、γ射线层析成像,超声波层析成像,电容、电阻、电磁、电感层析成像等。

电容层析成像(ECT技术是PT 技术中较早被研究的一种技术,它利用多相介质具有不同介电常数,通过电容传感器获得介电常数分布而获得介质分布的图像,具有简单、成本低、非侵入等特点。例如,邵晓寅在电容层析成像技术在气液两相流检测中的应用研究,王雷,冀海峰,黄志尧等在电容层析成像中的研究[17].

图2 过程层析图像系统构成[12] Fig2 structure of PT system 电阻层析成像(ERT的原理是基于不同的媒质具有不同的电导率,判断出处于敏感场中的物体电导率分布。如董峰,刘小平,邓湘等在电阻层析成像技术上的研究[19]许聪在电阻与超声双模态油气水多相流测量方法研究。皆证明了层析成像法具有良好的分辨力。

2.4高速摄影法 高速摄影法就是利用高速照相机或摄像机,通过透明管段或透明窗口拍摄流体的运动状态,再利用计算机获取拍摄到图片对典型的流型图像进行简单的预处理,使得敏感对比更加信命,噪声尽量减小,以于特征的提取[17]。

但高速摄影法存在两个问题:一个问题是由于多相流具有复杂的界面,易产生相对多重的反射或和折射而影响成像清晰度。另一个问题是由于采用高速摄影,所得信息太多,因而又带来了分析或处理这些数据的困难[16,18]。

2.5小波分析法 小波包分析(wavelet packet analysis简称小波分析,能够为信

号提供一种更加精细的分析方法,它 将频带进行多层次划分,对分辨分析没有细分的高频部分进一步分解,并能够根据被分析信号的特征,自适应地选择相应频带,使之与信号频谱匹配,从而提高了时-频分辨率,因此小波包具有更广泛的应用价值[17]。

如周云龙等在小波分析方面做了细致的研究[10,11]。陈珙、黄志尧等同样阐述了了一种基于小波分析进行水平管气液两相流流型的辨识方法[7]。该方法以测试管段的管程压降的波动为测量信号,通过对于其小波变换结果分析,根据不同流型能

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SWP-L628-T天然气、凝析液两相流量计的分析与研究

SWP-L628-T天然气、凝析液两相流量计的分析与研究

ＣＨＮ０Ｌ ＯＧ Ｙ Ｎ ｌＦ０ＲＭ ＡＴ１ ０Ｎ
工 程 技 术
Ｓ ＷＰ— ６ ８ Ｌ ２ －Ｔ天然气 凝析液 两相 流量计 的分 析 与研 究
何顺 安 李斌 景元 （ 长庆油 田公 司第二采 气厂 陕西榆林 ７ １ ０ １ ） ８０
摘 要： 为实现天 然气集输过程 的气液 气液 两相在线计量 ， 通过对 两相流孔板 差压噪声的深入研 究， 立 了测量 气液 两相流质量流量和干 建 度的 理论 模 型。 在此基 础上 ， 采用８ ８ 单 片机研 制的“气液 两相流双 参数测 量仪” 只需 用一块标 准锐 边孔板 ， 以合 适的 差压变送 器和 ０９ ， 配 压 力 变送 器 ， 可 实 现 气 液 两 相 流 质 量 流 量 和 干 度 的 双 参 数 测 量 ， 相 对 均 方 偏 差 分 别 为 ±９ ０ 和 ± ６ ５ 即 其 ．％ ．％。 关键词 ： 两相漉 双 参数测量 孔板 噪 声 质量流量 蒸汽干度
３ 测 量原 理
根 据 清 华 大 学 多 年 的 理 论 和 实 验 研 究 ， 经 过 气液 两 相 流 测 量 工程 试 验 检 验 ， 并 有：
量 仪 的 基 础 上 ， 用 ８ ９ 单 片 机 研 制 成 功 采 ０８ 天 然 气 流 量误 差５ ％左 右 。 新 型仪表 。 表 的核心是８ ９ Ｃ 仪 ０ ＰＵ， 置 ８ 配 ｄ 安 装参 数 ． ３ ｋ Ｏ ８ Ｂ ＲＡ ８ Ｅ ￣ ８ ２ Ｂ Ｒ Ｍ、 ｋ Ｍ、 位Ｌ Ｄ Ｉ 个按键 ； １ 额定 压 力 ： ０ ａ ３ ＭＰ 并 有Ｄ／ Ａ输 出 、 ２ ２ 讯接 口和微 型打 印 ＲＳ ３ 通 流量 范 围 ： ～ｌ Ｎｍ ｄ ０ Ｏ ／ 机 。 表 内部 采 用 开 关 稳 压 电源 供 电 。 仪 精 度 等级 ： ％ 土３ 来 自压 力 变 送 器和 差 压 （ 量 ） 送 器 流 变 介 质温 度 ： １ ０℃ ≤ ０ 的４ ｍＡ～２ ｍＡ直 流 信 号 经 Ｉ Ｖ转 换 变 成 ０ ／ 设备 接 口 ： Ｎ８ 焊 接 法 兰 Ｄ ０ １ Ｖ 流 电压 信号 ， —５ 直 再经 Ａ Ｄ 换成 数 字 ５ ３现 场试 验 ／ 变 ． 量 ； 内设 有 实 时 时钟 ， 时 采 样 得到 的信 机 定 本次 试 验 主要 验 证 气液 两 相 在 线 计 量 号经过数字滤波和统计估计获得Ｐ △Ｐ 、 和 技 术 的 成 熟 程 度 。 由于 该 装 置 目前 处 于 试 △Ｐ 的 值 ， 按 照 实用 数 学模 型 便 可算 得 验 阶 段 ， 量 积 算 仪 电源 从 集 气 站提 供 。 Ｏ 流 按 气 液 两 相 流的 干 度 ， 质量 流 量 和 携 带 热量 ； 参数 记 录 表 录 取 分 离 器 排 液 前 后 液 位 高 同 时 根据 表 内 的实 时 时 钟 对 流量 和 热 量 进 度 ， 天 抄 录 。 每 行 累 积运 算 。 算过 程 所 需 的 气 、 密 度 和 ５ ４试验 情况 总结 计 水 ． 热 焓 由相 应 的 子 程 序 获 得 。 盘 和 Ｌ Ｄ分 键 Ｅ 试验 结 果 在 误 差 范 围 ±５ ％内 。 别 用 于 常数 设 置 和 结 果 显 示 ； 型打 印 机 微 气液 两 相 流 量 计 与 计 量 分 离 器 相 比 有 可 定 时 或 立 即 打 印各 项 结 果 ； Ａ 口可 以 下 特 点 。 Ｄ／ 接 输 出于 度信 号 用于 控 制 ； ８ ３ 接 口可 与 上 Ｒ ２２ （） 油气进行连续、 线、 １对 在 自动 测 量 ， 位机连接进行通讯 。 可 实 现 无 人 值 守 。 液 两 相 流 量 计 可测 出 气 设 计通 过 ８ ８ 单 片 机 实现 对Ｄ／Ａ转换 日产 水 、 的 量 以及 井 Ｖ压 力 、 度 数据 ， ０９ 气 Ｉ 温 芯 片ｆ Ａ ／Ｄ 换 芯 片 的 控 制 ， 采 集 的 工 并把 它们 显 示 、 印 出来 。 ｎ 转 将 打 如果 与 多 路 阀结 具 面 角 、 斜 角 等 模 拟信 号 转 换 为 数 字信 合 使 用 ， 实现 单 井 无 人 计 量 。 井 可 息 ， 过 Ｃ Ｕ运 算产 生 控 制量 ， 由Ｄ Ａ转 经 Ｐ 并 ／ （ ） 统 质 量 轻 ， 构 紧 凑 ， 地 面 积 ２系 结 占 换成 模 拟 量 ， 制 电 机 。 控 系统 经 Ａ／Ｄ采 样 ， 小 。 Ｄ／Ａ输 出 、 主控 单 片机 形 成 控 制 系统 。 与 （） 任 何 可 动 部 件 ， 了孔 板 其 他 几 ３无 除
气液两相流量计原理

气液两相流量计原理

气液两相流量计原理
气液两相流量计是一种用于测量流体中同时存在气体和液体的仪器。

它利用了气液两相在流动过程中产生的不同特性，实现了对气液两相流量的精确测量。

气液两相流量计的原理基于两个主要的参数：液位和气液比。

液位是指液体表面距离流量计下游固定点的高度，而气液比则是指气体与液体的体积比。

这两个参数可以通过传感器测量和计算得出。

在气液两相流体中，气体的体积远远大于液体，因此气体的流动速度要明显快于液体。

当气液混合物通过流量计时，液体部分会沉积在流量计内的测量管壁上，形成液膜，而气体则会以气泡形式穿过液膜。

利用液位和气液比两个参数，气液两相流量计可以计算出相对应的气体和液体的体积流量。

通过准确测量液位的变化和掌握液体温度等参数，可以实现对气体和液体体积流量的准确测量。

气液两相流量计在化工、石油、环保等领域具有广泛的应用。

它可以用于油井、水处理设备、石油炼化装置、污水处理等流体系统的流量测量。

由于涉及到气液两相的复杂流动，气液两相流量计的设计和精确度要求相对较高。

总的来说，气液两相流量计利用液位和气液比两个参数，通过测量和计算实现了对气液两相流量的准确测量。

它在多个领域的应用中发挥着重要的作用，为工农业生产提供了可靠的流量测量手段。

多相流技术的发展现状

多相流技术的发展现状

多相流技术的发展现状物质一般可分为气体、液体和固体三种相态。

气体和液体不能承受拉力和切力，没有一定的形状，具有流动性，因此统称为流体。

在流体中如有固体颗粒存在，则当流体速度相当高时，这种固体颗粒就具有与一般流体相类似的性质而可看作拟流体。

这样，在一定的条件下，就可以处理气体、液体、固体三种相态的流动问题。

经典流体力学所处理的只是一种相态的均质流体，即气体或液体的流动问题。

但是在许多工程问题以及自然界的流动中，必须处理许多不同相态的物质混合流动的问题。

通常把这种流动体系称为多相体系，称相应的流动为多相流。

最普通的多相流由两个相组成，称为二相流。

不同相态物质的物性有很大的差别，通常根据物质的相态，把二相流分为气液二相流，气固二相流，液固二相流等。

气液二相流在核电站反应堆及蒸汽发生器、火力发电厂锅炉、汽轮机及凝汽器、炼油厂分馏塔中蒸发和凝结过程以及在化工、天然气液化、海水淡化及制冷系统中的蒸发器、重沸器、冷凝器等方面均有广泛的应用。

在内燃机和燃油炉的液体燃料燃烧过程中也很重要。

近20多年来随着原子能电站的建立、高温高压火电机组的出现以及大型石油化工企业的建设，气液二相流及其传热性能在设备设计与安全运行中显得越来越重要。

气固二相流在煤粉燃烧、气力输送与分离、流化床燃烧及反应器、除尘器以及在最近发展的煤的液化和气化技术中十分重要。

火箭发动机排气中固体微粒的运动以及地球物理和天体物理中的尘埃流动也都涉及固体微粒的流动。

液固二相流在水利工程中泥沙的沉积、化学工程中流化床反应器、液体的渗流及泥浆流动等方面均很重要。

总之，多相流是一门在许多工程领域中有广泛应用的重要学科，在最近20多年中得到了迅速的发展，国际学术活动也相应增加。

多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。

在此基础上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、相间相互作用（如气泡或颗粒的阻力与传热传质）、颗粒湍流扩散、流型、压力降（两相流通过管道时引起的压差）、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态等。

气液两相流数值模拟方法的研究与应用

气液两相流数值模拟方法的研究与应用

气液两相流数值模拟方法的研究与应用气液两相流是指同时存在气体和液体的复杂流动现象，广泛存在于自然界和工业生产中，如瀑布、波浪、化工反应器、石油开采等。

气液两相流的研究对于理解和控制这些现象、提高生产效率和安全性具有重要意义。

数值模拟是研究气液两相流的有效方法。

相比于实验方法，数值模拟的优势在于能够获得更多的细节信息和精确数据，同时也可以极大地降低成本并避免实验过程中的危险性和不确定性。

本文将介绍气液两相流数值模拟的方法，及其应用领域和未来挑战。

一、数值模拟方法1. 传统方法传统方法通常采用两相流模型，基于欧拉方程求解。

由于气液两相流的复杂性，这种方法常常涉及到多个物理场的耦合和相互作用，如热传递、质量传递、化学反应、多相流动力学等。

因此，该方法具有计算量大、计算时间长、计算结果不精确等缺点。

2. 基于LBM的方法LBM（lattice boltzmann method）是一种介观尺度（宏观与微观之间的中间尺度）数值模拟方法，可以直接模拟流体内部微观运动方式，适用于模拟多相流动现象。

这种方法是根据Boltzmann方程建立的，通过碰撞模型模拟流体分子的运动，以此获得整个流场在不同时间的状态。

该方法具有计算速度快、模拟精度高、易于建模及可扩展性等优点。

3. 基于CFD的方法CFD（computational fluid dynamics）是指应用计算机数值方法对流体流动进行模拟和分析的工程技术。

CFD方法通过建立流动场的数学模型并采用数值求解方法进行计算，从而得到流场的物理或数学解。

这种方法在气液两相流领域中也得到了广泛应用。

4. 其他方法此外，还有一些其他的数值模拟方法，例如基于粒子方法的SPH（smoothed particle hydrodynamics）和DEM（discrete element method）等。

这些方法基于不同的假设和算法，都有各自的优缺点，在不同的气液两相流应用场景中发挥着重要的作用。