基于均相和分相流模型的干度计量方法

　　1　引言

　　管路内气液两相流动是能源动力和石油化工设备中常见的现象。为了对设备的安全性和生产的经济性进行在线的检测,人们对气液两相流流动相分额的测量要求也越来越高。在各种测量方法中最常见的思路就是首先测得截面含气率或用密度计测得管段的平均截面含气率,然后计算出气相质量流量含率X(即干度),其中包括光纤探针法、电导探针法、电容法、热线、γ射线等[1]。这类方法的局限性主要包括以下两个方面:首先,在工程的实际应用中,两相工质的组成可能十分复杂(如油井产出物),其各项物理特性在时间和空间上都存在着严重的不均匀性。其次,气液两相流的截面含气率与容积含气率并不相等,他们之间的差异取决于气液间的滑动比。而滑动比却是一个未知数,它的大小与两相流量、含气率、工质物性等许多因素有关,因而严重影响了测量的准确性和适用范围。

　　另一种思路就是单相流量计的组合法,其核心思想是利用两个单相流量计的测量结果构成两个含有流量和干度的方程,然后联立求解得到干度X。这类方法的关键是保证两个方程不是同解方程,即所选用的流量计的相似性越小越好[5]。常见的单相流量计作为差压元件具有结构简单、经济可靠的优点。但差压元件之间的压降特性是非常相似的,从而使这类方法具有很大的局限性。

　　本文在研究了流动方向和节流元件对两相流型影响的基础上,通过理论分析提出了利用垂直下降文丘利管和垂直上升段孔板的组合式干度测量方法。

　　2　理论模型

　　当气液两相流流经节流元件时,将产生压力降,其大小不仅与两相流量和分相含率有关,同时还受流动方向的影响。在大量实验的基础上,人们提出了各种经验和半经验公式,它主要分为两类:修正的均相流模型和修正的分相流模型[3]。均相流模型假定气液间混合充分,没有相间的滑动现象。差压流量关系式可表示为:

式中:A为常数;ε为流束膨胀系数;CF为流量系数;d为节流元件孔径;ΔPh为均相流模型计算出的两相压降;M为两相质量流量;Vh为压力P1下两相流均相比容,可用下式计算:

　　分相流模型是在界面切应力为零的假设下提出的,此时的滑动比S仅仅是气液比容比的函数,即:

　　如果用ΔPs表示P2压力下用分相流模型计算出的两相压降,根据单相流体的孔板流量公式可得:

　　从(1)、(6)两式可以看出,两相压降的计算值均为流量M和干度X的函数。将(1)、(6)两式相除,简化后可得:

　　如果气液比容比R1、R2已知,则ΔPh/ΔPs仅为干度X的函数,如图1所示。分析式(1)可知,在RD等于1的情况下,当干度X等于R/(1+R)时,ΔPh/ΔPs取得最大值。从图1可以看出,如果将ΔPh/ΔPs作为自变量,干度X并不是ΔPh/ΔPs的单值函数。因此,这种方法的适用范围是已知干度X大于R/(1+R)或小于R/(1+R)的情况。另外,在实际应用中由于两个节流元件一般串联于管路中,它们上游压力是不相等的。RD一般不等于1,因此实际计量中需要考虑压力的影响。