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 質量技術監督學院，保定 071000；2.河北省計量儀器與系統工程實驗室，保定 071000；3.保定市計量儀器與系統工程技術研究中心，保定 071000）

0 引言

石油行業中的原油開采、加工、運輸都與油氣水三相流有關[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測量精確度遠不能滿足要求，尚不能有效解決無規律流動中的參數測量問題。國內外相關研究的主要目的是實現兩相不分離測量和對相含率、流量兩項特征參數的準確測量[4,5]。

目前兩相流參數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部流場的變化規律，探討了孔板流量計的沖蝕問題并且驗證了數值模擬的可靠性。2016年董衛超[7]根據均速管流量計工作原理設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的關系式。近紅外光譜技術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點，而且可以用于農林、食品、藥品、化工、生命制藥等行業的檢測[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]設計了兩種氣液兩相流相含率檢測裝置?；谝陨媳姸嘌芯?，可知采用近紅外檢測技術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上，設計了一種基于近紅外光譜技術與矩形差壓流量計相結合的新型氣液兩相流檢測裝置，通過對該裝置的性能參數進行仿真及優化，有效減小了近紅外光的折射與反射，實現了流量與相含率的不分相實時測量，對推動工業生產進步有著重要意義。

1 新型矩形氣液兩相流檢測裝置設計

本次設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。數據處理單元可以根據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 檢測裝置結構圖

本文采用CFD軟件來進行新型矩形差壓流量檢測的結構仿真及優化，通過修改結構參數，獲得不同結構下差壓流量計內部流場的速度矢量、壓力、流動狀態等信息，作為裝置結構設計的參考。通過對收縮角θ、擴張角α、節流件喉部板間距H、取壓孔的位置等參數進行仿真確認，確定了最優結構參數。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，可實現多通道控制和光強調節，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 實驗結果與分析

2.1 單相流動實驗與分析

傳統節流式差壓流量計的體積流量測量公式為：

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

新型矩形差壓流量計的等效節流比為：

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實驗中。對實驗數據進行分析，發現流出系數C與壓差之間呈指數關系，可獲得準確的單相流動。選擇第一組數據，利用數據分析軟件擬合出流出系數，流出系數與差壓值呈現出比較好的擬合狀態，相關系數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；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。四組數據導入式(3)檢驗矩形差壓流量計測量效果，流量計的誤差在0.8%內，如圖2所示。

圖2 四組數據擬合相對誤差圖

2.2 氣液兩相動態實驗與分析

在完成單相水流出系數標定后，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個工況點的基礎上，結合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，進行三次重復實驗，并對實驗數據進行分析。

根據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。采集三組實驗數據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。

通過數據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 經典模型誤差對比分析及修正

通過流出系數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、壓力等數據，計算工況條件下管道內氣相和液相的密度。將第一組實驗的兩相差壓導入經驗模型，得到計算兩相質量流量并與實際兩相質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%。將實驗數據導入均相流模型，結果表明均相流模型具有有較好的預測效果，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，從而優化本裝置的流量測量模型。將測量得到的數據導入函數最終得到模型為：

將實驗數據及真實含率導入式(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、流量三者的函數關系，并結合相含率測量模型可得到流量。由XLM參數的公式可知，Frl與Frg既包含流量信息又包含相含率信息。以Frg為x軸，Frl為y軸，兩相差壓為z軸，得到變化關系圖。

圖4 差壓值與Frg、Frl關系

結果表明差壓與兩相弗勞德數有著密切的關系。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的關系式為：

考慮Frg的影響，經過對Frg的修正得到差壓的關系式為：

利用第一組實驗數據，采用非線性回歸的方法得到參數為：

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，Frg、Frl具有確定的關系，式(7)可以變形為：

將第一組實驗的差壓與相含率導入公式，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%。將其余兩組數據導入公式驗證，三組實驗數據的總流量相對誤差均在6.5%以內，如圖5所示，說明可以利用差壓結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 結束語

本文設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，對工業領域的生產具有重要參考價值。在液相流量范圍1m3/h～11m3/h，氣相流量范圍0.12m3/h～0.6m3/h內進行兩相動態實驗，通過分析四路近紅外信號與相含率的關系，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。對液相流量大于2m3/h的點，均相流模型具有較好的預測效果。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的關系，結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，泡狀流總流量誤差在1.5%以內。