一种基于pvt法的小通道气液两相流流量测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于多相流流量测量领域，涉及一种基于PVT法的小通道气液两相流流量 测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 气液两相流在自然界与工业生产中涉及范围十分广泛，例如，工业中的湿蒸汽传 输、石油分离、蒸汽压缩等。同时，随着微化工技术的发展，微化工工程在工业生产中受到了 广泛重视。因此，微小通道气液两相流流动特性研宄受到国内外学者重视，微小管道气液 两相流参数测量也成为一个重要的研宄方向。
[0003] 常规管道测量气液两相流流量的方法和理论对于管径尺寸小，表面张力、粘度作 用显著的小通道两相流系统并不适用，这使得小管道两相流参数测量始终是一个较为困 难的问题，对此国内外众多研宄人员多年来已经进行了大量的研宄工作。小通道气液两相 流的参数有流型、流速、相含率以及流量，其中流量作为描述流动特性比较重要的参数，一 直受到国内外学者的重视。然而，关于小管道气液两相流流量的测量，现有的报道还很少。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对小管道气液两相流流量的测量技术缺乏的问题，提供一种基 于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。
[0005] 基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置包括两相流控制系统与两相流参 数测量系统两部分，两相流控制系统包括水罐、氮气罐、液体转子流量计、气体转子流量计、 第一压力传感器、第二压力传感器、第一温度传感器、第二温度传感器、混相器；水罐、液体 转子流量计、第一压力传感器、第一温度传感器、混相器第一入口顺次相连，氮气罐、气体转 子流量计、第二压力传感器、第二温度传感器、混相器第二入口顺次相连，两相流参数测量 系统包括第一光电传感器组、第一光学仪器组、第一激光源、第一压力传感器、第一温度传 感器、NI采集模块、微型计算机、透明小通道、第二光电传感器组、第二光学仪器组、第二激 光源、第二压力传感器、第二温度传感器；混相器出口、第一光电传感器组、第一压力传感 器、第一温度传感器、透明小通道、第二光电传感器组、第二压力传感器、第二温度传感器顺 次相连，第一激光源经第一光学仪器组与第一光电传感器组相连，第二激光源经第二光学 仪器组与第二光电传感器组相连，传感器的信号经NI采集模块采集后输入到微型计算机。
[0006] 基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法的步骤如下：
[0007] (1)让氮气和水流入传输管道，并经过混相器（9)后形成稳定的两相流流入透明 小通道（17);
[0008] (2)用液体转子流量计（3)、气体转子流量计（4)、第一压力传感器（5)、第二压力 传感器（6)、第一温度传感器（7)、第二温度传感器（8)分别对氮气和水进行测量，得到它们 混相前的流量、压力和温度参数Qg，Pg，Tg，Qu Pd T1;
[0009] (3)在透明小通道（17)的上下游设置两个检测点，第一激光源（12)发出激光，经 第一光学仪器组（11)后形成两束平行激光照射到透明小通道（17)的第一个检测点上，穿 过小通道后的光被第一光电传感器组（10)接收，第二激光源（20)发出激光，经第二光学仪 器组（19)后形成两束平行激光照射到透明小通道（17)的第二个检测点上，穿过小通道后 的光被第二光电传感器组（18)接收，用NI数据采集模块（15)采集两个检测点的光电池信 号后输入到计算机（16)，获得两个检测点的两组电信号5 1(〇，&(〇 ;S3(t)，S4(t);
[0010] ⑷由第一光电传感器组（10)测得到的电信号，利用互相关性原理算出多相流的 流速，公式如下：
【主权项】
1. 一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置，其特征在于：包括两相流控制 系统与两相流参数测量系统两部分，两相流控制系统包括水罐（1)、氮气罐（2)、液体转子 流量计（3)、气体转子流量计（4)、第一压力传感器（5)、第二压力传感器（6)、第一温度传感 器（7)、第二温度传感器（8)、混相器（9);水罐（1)、液体转子流量计（3)、第一压力传感器 (5)、第一温度传感器（7)、混相器（9)第一入口顺次相连，氮气罐（2)、气体转子流量计（4)、 第二压力传感器（6)、第二温度传感器（8)、混相器（9)第二入口顺次相连，两相流参数测量 系统包括第一光电传感器组（10)、第一光学仪器组（11)、第一激光源（12)、第一压力传感 器（13)、第一温度传感器（14)、NI采集模块（15)、微型计算机（16)、透明小通道（17)、第二 光电传感器组（18)、第二光学仪器组（19)、第二激光源（20)、第二压力传感器（21)、第二温 度传感器（22);混相器（9)出口、第一光电传感器组（10)、第一压力传感器（13)、第一温度 传感器（14)、透明小通道（17)、第二光电传感器组（18)、第二压力传感器（21)、第二温度传 感器（22)顺次相连，第一激光源（12)经第一光学仪器组（11)与第一光电传感器组（10) 相连，第二激光源（20)经第二光学仪器组（19)与第二光电传感器组（18)相连，传感器的 信号经NI采集模块（15)采集后传输到微型计算机（16)。
2. -种使用如权利要求1所述装置的基于PVT法的小通道气液两相流流量测量方法， 其特征在于，方法的步骤如下： (1) 让氮气和水流入传输管道，并经过混相器（9)后形成稳定的两相流流入透明小通 道（17); (2) 用液体转子流量计（3)、气体转子流量计（4)、第一压力传感器（5)、第二压力传感 器（6)、第一温度传感器（7)、第二温度传感器（8)分别对氮气和水进行测量，得到它们混相 前的流量、压力和温度参数Qg，Pg，Tg，QuPdT1; (3) 在透明小通道（17)的上下游设置两个检测点，第一激光源（12)发出激光，经第 一光学仪器组（11)后形成两束平行激光照射到透明小通道（17)的第一个检测点上，穿过 小通道后的光被第一光电传感器组（10)接收，第二激光源（20)发出激光，经第二光学仪器 组（19)后形成两束平行激光照射到透明小通道（17)的第二个检测点上，穿过小通道后的 光被第二光电传感器组（18)接收，用NI数据采集模块（15)采集两个检测点的光电池信号 后输入到计算机（16)，获得两个检测点的两组电信号5 1(〇，&(〇 ;S3(t)，S4(t); (4) 由第一光电传感器组（10)测得到的电信号，利用互相关性原理算出多相流的流 速，公式如下：
其中Si(t)，S2(t)为通过第一光电传感器组（10)采集到的电压信号，光电传感器电压 信号的渡越时间可以通过计算R(t)的最大值获得，当t= %时，R(t)最大，由公式： Vi= L/ T〇 便算出气液两相流流速，其中，^为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流第一个 测量点的流速，L为第一光电传感器组（10)中两个光电传感器的中心点距离，％为通过互 相关算法得到的光电池电压信号的渡越时间，同理利用第二光电传感器组（18)测得到的 电信号，利用互相关性原理算出第二个测量点的流速v2; (5) 由算出的流速和管道截面积就得到上下游流体体积流量，公式如下： Qgi+Qn=v!=v:A Qg2+Ql2= v2= v2a 其中" 'Q12分别为上下游两相流的气相和液相流量，vpv2为上下游总体积流 量，Vl，v2为上下游流体速度，A为小通道截面面积； (6) 用第一压力传感器（13)、第一温度传感器（14)、第二压力传感器（21)、第二 温度传感器（22)分别对透明小通道两个检测点进行测量，得到它们的压力和温度参数 Pi,T1；P2,T2； (7) 由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程，因此将测得的上下游两 相流参数代入方程，便计算出气液各相的流量，上下游气液分相流量与两相流参数关系可 以用下列方程表示：
其中PpP2,1\，T2分别为上下两个检测点的压力与温度，Qgl，Qg2分别为上下两个检测点 处两相流的气相流量，Pg，Qg，Tg分别为该气相混相前的压力、流量、温度，由于液体的不可压 缩性，并且忽略他的热膨胀性，在本实验中可以认为： Qn= Qi2= Qi 其中，Qu，Q12分别为两个检测点处的液相流量，Qi为该液相混相前的流量， 从上面的参数关系式得到上下游的气液分相流量为：
由于气液两相流在上下游距离接近，流体摩擦引起的温度变化可以忽略，因此在氮气 罐与水罐出口位置、上下游位置的气液两相流温度非常接近，假设气液两相流温度不发生 变化，即： Tg=Ti=T2 其中，Tg，分别为气体和液体混相前的温度， 则气液两相流流量可以简化为：
【专利摘要】本发明公开了一种基于PVT法的小通道气液两相流流量测量装置及方法。该装置由两相流控制系统与两相流参数测量系统两部分组成。在参数测量系统中采用两组温度、压力传感器对小通道上下游位置进行压力温度测量，同时利用两组光电传感器测量两相流流速,气液两相流参数信号由NI采集模块采集后输入微型计算机。将测得的参数进行处理便可求解出各相流体的流量。本发明稳定性好,结构简单，具有较高的检测精度,为小通道气液两相流流量测量提供了一种新的方法,也为小通道气液两相流其它参数的测量提供了一种借鉴。
【IPC分类】G01F1-74
【公开号】CN104614029
【申请号】CN201510040518
【发明人】冀海峰, 周天一, 许威威, 黄志尧, 王保良, 李海青
【申请人】浙江大学
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年1月27日