方立德，王少冲，王配配，王东星，李小亭

FANG Li-de1～3 , WANG Shao-chong1～3, WANG Pei-pei1～3,WANG Dong-xing1～3, LI Xiao-ting1～3

（1.河北大学 质量技术监督学院，保定 071000；2.河北省计量仪器与系统工程实验室，保定 071000；3.保定市计量仪器与系统工程技术研究中心，保定 071000）

0 引言

石油行业中的原油开采、加工、运输都与油气水三相流有关[1～3]。但是原油的特性使得气液两相分相测量十分困难，目前对两相流动中的特征参数测量精确度远不能满足要求，尚不能有效解决无规律流动中的参数测量问题。国内外相关研究的主要目的是实现两相不分离测量和对相含率、流量两项特征参数的准确测量[4,5]。

目前两相流参数测量研究仍处在探索阶段，利用差压流量计测量流量是目前流量测量最可靠的方法，2014年林棋[6]借助流体仿真研究了流体通过差压流量计缩径管段后的流动情况，获得了不同工况下内部流场的变化规律，探讨了孔板流量计的冲蚀问题并且验证了数值模拟的可靠性。2016年董卫超[7]根据均速管流量计工作原理设计了一种半管插入式流量计，具有更好的通用性，同时大幅度提高了测量精度。J.Sowinski[8]实验研究了窄微小垂直通道内气液两相流动中的流速与气体空隙率。通过漂移模型定义气体速度和气体空隙率，建立气体空隙率与分布参数的关系式。近红外光谱技术不但具有不受电磁干扰与光强影响、穿透能力强、传输距离远、可在零照度下工作等优点，而且可以用于农林、食品、药品、化工、生命制药等行业的检测[9,10]，2014年方立德[11]使用波长为980nm激光二极管和硅制光电二极管，对水平及垂直流向的流向进行了实时在线测量，能很好地反映气液界面的波动情况及流型。2016年李明明[12]设计了两种气液两相流相含率检测装置。基于以上众多研究，可知采用近红外检测技术进行气液两相流的相含率检测是十分可行的，因此，本文在前人研究工作的基础上，设计了一种基于近红外光谱技术与矩形差压流量计相结合的新型气液两相流检测装置，通过对该装置的性能参数进行仿真及优化，有效减小了近红外光的折射与反射，实现了流量与相含率的不分相实时测量，对推动工业生产进步有着重要意义。

1 新型矩形气液两相流检测装置设计

本次设计的新型矩形两相流检测装置如图1所示，将原先的近红外点对点探头安装方式改为视窗面安装，减少折射的同时提高了测量精度，本装置在具有矩形管道的差压流量计的基础上添加了相含率检测装置，能够同时测量相含率与流量。

当不同大小的流体流过节流阀时，压差信号不同，通过收缩段6两端之间的压力差计算出通过垂直管的总流量。气液两相流的相含率不同，所获得的近红外信息不同。数据处理单元可以根据接收到的强度信息计算流道中各相的相含率，最终达到测量的目的。

图1 检测装置结构图

本文采用CFD软件来进行新型矩形差压流量检测的结构仿真及优化，通过修改结构参数，获得不同结构下差压流量计内部流场的速度矢量、压力、流动状态等信息，作为装置结构设计的参考。通过对收缩角θ、扩张角α、节流件喉部板间距H、取压孔的位置等参数进行仿真确认，确定了最优结构参数。采用304不锈钢制作了一种新型的垂直管段矩形气液两相流检测装置，用于研究单相流量标定和两相流特性。该装置选择光源面积50mm×20mm，光源总面积60mm×30mm，表面光源由双向模拟控制器控制，可实现多通道控制和光强调节，近红外接收器采用四个近红外接收探头，并排安装在玻璃窗上。

2 实验结果与分析

2.1 单相流动实验与分析

传统节流式差压流量计的体积流量测量公式为：

式(1)中：β是等效节流比；A是管道截面积，A=A1；C是流出系数，需要实验标定；ρ是流体密度；ΔP是节流件两端压力差，ΔP=P1-P1。

新型矩形差压流量计的等效节流比为：

式中：A1是上游截面积；A2是下游截面积。

矩形差压流量计是一种非标准流量计，需要对流量系数C进行标定。通过垂直气液两相流检测装置进行标定实验。单相水的流量范围为1～11m3/h，选择了21个工况点进行四次重复实验中。对实验数据进行分析，发现流出系数C与压差之间呈指数关系，可获得准确的单相流动。选择第一组数据，利用数据分析软件拟合出流出系数，流出系数与差压值呈现出比较好的拟合状态，相关系数R2值在0.99以上。拟合公式为：

式中：A1=-0.03818；t1=4.54973；A2=-0.0197；t2=0.43483；y0=0.95637；C是拟合流出系数；ΔP是差压值，KPa。

通过计算得到的流量值与实际流量值做相对误差。四组数据导入式(3)检验矩形差压流量计测量效果，流量计的误差在0.8%内，如图2所示。

图2 四组数据拟合相对误差图

2.2 气液两相动态实验与分析

在完成单相水流出系数标定后，进行气液两相流动实验。为扩大相含率测量范围，在单相水实验21个工况点的基础上，结合0.12m3/h、0.24m3/h、0.36m3/h、0.48m3/h、0.6m3/h5个气相流量点，对共105个工况点进行测试，涉及竖直方向的弹状流、泡状流以及过渡流型三种流型，进行三次重复实验，并对实验数据进行分析。

根据近红外透过光强得到相含率，需要先得到空管时透过的近红外光强作为I0。理论上四路电压信号应该一致，但由于存在采集板电噪声，四路探头得到的电压值不会完全相同。采集三组实验数据得到透过近红外光空管后的光强并取平均值。四路探头的电压值如表1所示。

表1 静态全气4路信号电压值

进行两相流实验，采集各工作点的近红外相电压，计算四电路电压信号的平均值，得到光强度与光强度的比值。结果表明在相同流量下，随着气相流量的增加，液相含率降低，四回路电压比值大，说明投光强增大。

通过数据处理与分析并对其修正后得到的计算模型如下：

液相含率相对误差低于3.5%。将相含率计算模型作为最终的相含率测量模型，再通过与两相差压值的结合，获得两相流流量测量模型。

2.3 气液两相流流量测量模型

2.3.1 经典模型误差对比分析及修正

通过流出系数C和相含率测量模型计算干度x与XLM，利用测量分路及实验管段上的温度、压力等数据，计算工况条件下管道内气相和液相的密度。将第一组实验的两相差压导入经验模型，得到计算两相质量流量并与实际两相质量流量计算相对误差。

通过对两相实验时测量管段的观察，液相流量小于2m3/h的所有工况点流量测量相对误差均很大，因此本装置两相流量测量下限为液相2m3/h。

表2 经典模型相对误差及平均误差对比表（液相流量大于2m3h）

由表2可知在大于2m3/h 的工况点，均相流模型、分相流模型、Bizon模型（β=0.7）对本实验均有较好的预测能力，均相流模型效果最好，对弹状流量测量误差小于6%，过渡流型及泡状流流量测量误差小于2%。将实验数据导入均相流模型，结果表明均相流模型具有有较好的预测效果，弹状流流量误差小于7%，过渡流型及泡状流流量测量误差小于3%。均相流模型可以作为新型气液两相流测量装置流量测量的一种参考。

由于均相流模型太过理想化且均相流模型预测两相流量的测量误差波动较大，分相流模型及其修正模型的误差波动小，因此提出对分相流模型进行修正，从而优化本装置的流量测量模型。将测量得到的数据导入函数最终得到模型为：

将实验数据及真实含率导入式(5)，总流量测量误差小于4%，说明修正模型的测量效果比经典模型较好，总流量测量误差小于4.5%，可以将修正模型作为两相流总流量测量模型。通过实验得到该模型总流量测量相对误差如图3所示。

图3 实验相对误差分布

2.3.2 基于两相差压的气液流量测量模型

通过建立差压、相含率、流量三者的函数关系，并结合相含率测量模型可得到流量。由XLM参数的公式可知，Frl与Frg既包含流量信息又包含相含率信息。以Frg为x轴，Frl为y轴，两相差压为z轴，得到变化关系图。

图4 差压值与Frg、Frl关系

结果表明差压与两相弗劳德数有着密切的关系。差压值主要受到Frl的影响，同一Frg条件下随着Frl增大而增大；同一Frl下随着Frg的增大而增大，整体差压受到Frg、Frl影响具有普遍性。在Frg是一个定值时，差压与Frl的关系式为：

考虑Frg的影响，经过对Frg的修正得到差压的关系式为：

利用第一组实验数据，采用非线性回归的方法得到参数为：

A=5.14522；B=0.94534l；C=151.39082；D=-6.58347。

对一个已知相含率的两相流体，Frg、Frl具有确定的关系，式(7)可以变形为：

将第一组实验的差压与相含率导入公式，得到Frl，通过Frl与相含率最终可以得到两相总流量。第一次实验总流量相对误差小于6.5%，其中弹状流部分总流量误差小于6.5%，泡状流总流量误差小于1.5%。将其余两组数据导入公式验证，三组实验数据的总流量相对误差均在6.5%以内，如图5所示，说明可以利用差压结合相含率测量模型求得两相总流量。

图5 总流量测量误差

3 结束语

本文设计了一种新型矩形气液两相流检测装置，通过对装置测量的近红外信号与其差压信号的研究，建立了相含率测量模型与流量测量模型，为气液两相流动的测量提供了一种新思路和方法，对工业领域的生产具有重要参考价值。在液相流量范围1m3/h～11m3/h，气相流量范围0.12m3/h～0.6m3/h内进行两相动态实验，通过分析四路近红外信号与相含率的关系，建立了相含率测量模型，对相含率测量模型考虑折射、反射的影响，得到的修正后的模型液相含率测量误差在3.5%以内。对液相流量大于2m3/h的点，均相流模型具有较好的预测效果。对分相流模型进行了修正，修正模型测量总流量误差低于4.5%。建立了两相差压、Frg、Frl的关系，结合相含率测量模型得到总流量测量模型，其中弹状流总流量误差在6.5%以内，泡状流总流量误差在1.5%以内。