DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.02.038

基于PVT法的小通道气液两相流段塞流的流量测量

冀海峰，李华军，黄志尧，王保良，李海青

(浙江大学 控制科学与工程学院，工业控制技术国家重点实验室，浙江 杭州，310027)

摘要：针对小通道气液两相流段塞流，将常规通道的压力-体积-温度测量法(PVT法)应用于两相流流量测量研究。利用光电传感器、温度传感器以及差压传感器采集上、下游位置的气液两相流流速信号、温度信号和压力信号，然后根据PVT法测量原理实现气液两相流流量测量。实验中采用的小通道内径为5.0 mm。研究结果表明：本文提出的将PVT法应用于小通道气液两相流段塞流流量测量的方法是可行的，两相流互相关流速测量最大相对误差在6%以内，两相流液相流量测量最大相对误差在10%以内。

关键词：气液两相流；段塞流；小通道；流量；PVT法

中图分类号：TP212             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)02-0635-05

Flowrate measurement of gas-liquid slug flow in small channel based on PVT method

JI Haifeng, LI Huajun, HUANG Zhiyao, WANG Baoliang, LI Haiqing

(State Key Laboratory of Industrial Control Technology,

College of Control Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

Abstract: The pressure-volume-temperature (PVT) method was introduced to implement flowrate measurement of gas-liquid two-phase flow (slug flow) in small channel. The bubble velocities, temperatures and pressures of the slug flow were obtained by the photodiode sensors, temperature sensors and pressure sensors, respectively. Then the flowrate measurement of the slug flow was implemented by the PVT method. The flowrate measurement experiments were carried out in glass channel with inner diameter of 5.0 mm. The results show that the PVT method introduced for the flowrate measurement of the gas-liquid two-phase slug flow in small channel is feasible. The maximum relative error of bubble correlative velocity measurement is less than 6%, and the maximum relative error of liquid flowrate measurement is less than 10%.

Key words: gas-liquid two-phase flow; slug flow; small channel; flowrate; PVT method

气液两相流在自然界与工业生产中涉及范围十分广泛。目前，在动力、化工、核能、制冷、石油和冶金等行业的许多生产设备都涉及气液两相流流动。例如，能源动力工业过程中的锅炉、换热器、汽水分离器和制冷低温工业过程中的蒸汽压缩设备^[1-2]。同时，随着微化工技术的发展，微化工设备以面积体积比大、表面作用强等优点，在工业生产中受到了广泛重视。因此，小通道气液两相流流动特性的研究逐渐受到国内外学者的重视，其中小通道气液两相流参数测量也成为一个重要的研究方向^[3-7]。小通道气液两相流参数包括流型、流速、相含率和流量等。多年来，国内外众多研究人员针对小通道气液两相流参数，例如流型、流速与相含率等，进行了较多的研究工作，并且取得很多的研究成果^[8-13]。然而针对小通道气液两相流流量的测量研究，目前还鲜有文献报道。压力-体积-温度测量法(PVT法)作为一种比较成熟的测量方法，在工业应用与实验研究中受到应用^[14-17]。李海青^[1]利用PVT法测量原理，针对常规管道的油田原油流量测量,设计出一种智能化多相流量计，并将其成功应用于在工业现场。MOLLA等^[14]基于PVT法测量原理提出了一种针对微小通道流体参数的研究装置。他们采用蛇形毛细管作为测试管段，利用压力温度传感器与高速相机采集流体信号，仅用少量的储层流体样品就可以实现饱和压力与相含率测量。RAHMAN等^[15]利用PVT法与相平衡方程提出了一种针对原油的在线测量取样成分分析装置，实现了原油的参数分析与各相体积的同步测量。本文作者针对小通道气液两相流段塞流型，将PVT法应用于两相流流量测量中，并且验证了该方法的可行性。

1  实验系统

本实验搭建的小通道气液两相流参数测量装置如图1所示，装置包括两相流控制系统与参数测量系统。两相流控制系统由氮气罐、水罐、混相器、气体转子流量计、液体转子流量计以及温度、压力传感器组成。实验采用氮气与水作为实验研究的气相与液相，利用氮气罐作为动力源，推动氮气与水进入小通道混合形成气液两相流，两相流流经透明小通道后进入水槽。实验采用压力传感器与温度传感器分别测量混相前气相与液相的压力与温度，利用气体与液体转子流量计分别测量气液两相流各相流量。两相流参数测量系统包括光学传感器、透明小通道、温度传感器、压力传感器、NI采集模块与微型计算机。在两相流参数测量系统中，实验采用两组压力、温度传感器对小通道上下游位置的压力、温度进行测量，利用两组光电传感器对上、下游气液两相流流速进行测量。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。

实验采用LZB-3WB气体转子流量计(量程为6~60 mL/min)和LZ-3WB液体转子流量计(量程为10~100 mL/min)测量气相与液相混合前的流量。实验采用Keller-PD-23系列差压传感器(量程为0~20 kPa)，温度传感器为RKC自黏式ST-50测温热电偶。实验采用Vishay BPW34光电传感器获取流体相关流速信号。实验装置采用NI Compact DAQ-9205数据采集模块配合上位机软件采集测量信号并存储到计算机。

图1  实验测量装置示意图

Fig. 1  Overview of experimental setup

2  实验测量原理

2.1  PVT法流量测量原理

压力-体积-温度测量法又称PVT法。PVT法是建立在气相与液相的一个基本特性的差异上：气相体积的体积流量与流动状态下的压力、温度密切相关；而液相的体积流量却与流动状态下的压力、温度基本无关。因此，可以根据总体积流量、压力与温度这3个参数及被测介质的热力学性质计算出各相体积流  量^{[1, 16-17]}。

在本实验中，采用PVT法测量原理计算气液两相流流量参数。由于研究对象为气液两相流段塞流，可以认为气液两相流的流动速度近似相等，因此，上、下游两相的总体积流量可以表示为：

            (1)

           (2)

式中：V₁和V₂分别为上、下游总体积流量；v₁和v₂分别为上、下游流体速度；A为小通道截面面积；Q_g1和Q_g2分别为上、下游气相的分相流量；Q_l1和Q_l2分别为上、下游液相的分相流量。

由于气液两相流中气体可以认为满足理想气体状态方程，则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：

          (3)

式中：p₁和p₂分别为气液两相流上、下游位置的压力；T₁和T₂分别为气液两相流上、下游位置的温度。p_g，T_g和Q_g分别为氮气罐出口气体压力、温度与流量。由于液体的不可压缩性，并且忽略其热膨胀性，在本实验中可以认为

             (4)

式中：Q_l为水罐出口液体体积流量。可以计算得到上下游的气液分相流量为：

          (5)

          (6)

        (7)

由于气液两相流在上下游距离接近，流体流动引起的温度变化可以忽略，因此，在本实验中可以认为气液两相流温度不发生变化。则气液两相流流量可以简化为：

           (8)

          (9)

2.2  相关流速测量原理

为获得气液两相流上下游位置流速，实验采用光电传感器与互相关算法测量相关流速。如图1所示，实验将2组光电传感器安装在上下游合适位置，测量上下游的气相相关流速信号。相关流速测量装置如图2所示，实验采用两束平行激光束照射透明小通道，在每组光电传感器中，利用2个光电单元采集激光透射信号，透射信号经过放大电路与数据采集模块以电压信号的形式输入微型计算机中。气液两相流流动状态在光电传感器范围内基本不变，因此，2个光电单元获得的反应流体流动的电压信号具有相关性，可以用来实现流体相关流速的测量^[18-19]。

图2  相关流速测量装置示意图

Fig. 2  Sketch map of experimental setup of related velocity measurement

获取2个光电单元电压信号之后，2个电压信号的互相关函数可表示为

      (10)

式中：S₁(t)和S₂(t)为2个光电单元采集到的电压信号，2组电压信号的渡越时间可以通过计算R(τ)的最大值获得。因此，气液两相流流速可表示为

              (11)

式中：v为通过互相关算法获得的气液两相流段塞流流速；L为光电传感器组中2个光电单元的中心点距离；τ₀为通过互相关算法得到的光电单元电压信号的渡越时间。

在本实验中，引入校正因子对互相关测量获得的流速进行标定。校正因子如下式所示：

              (12)

式中：K为流速测量校正因子；v₀为实际气液两相流流速。

3  数据处理与结果分析

本实验在温度298 K和压力101.3 kPa的环境下进行，氮气罐出口最大压力为0.3 MPa。测试小通道内径为5.0 mm，上、下游测量位置距离为1.5 m。气相流量范围为30~60 mL/min，液相流量范围为40~100 mL/min。

3.1  气液两相流速度测量

上游光电传感器获得的2个光电单元电压信号以及互相关参数如图3所示。从图3(a)可以看出：2组电压信号具有很明显的相关性。由图3(b)可以看出：所选的2个光电电压信号渡越时间为39 ms，通过式(11)即可以计算出气液两相流流速。

图3  上游光电传感器电压信号和互相关参数

Fig. 3  Voltage signals of upstream photodiode sensors and cross-correlation results of signals

在本实验中，经过高速摄像校正处理，上、下游光电传感器校正因子分别为1.13与1.24。校正后的上游光电传感器流速测量值与高速相机获得的流速参考值关系如图4所示，相关流速测量最大相对误差在6%以内。可见，本文利用光电传感器进行小通道气液两相流相关流速测量是可行的。

图4  相关流速测量结果

Fig. 4  Experimental results of related velocity measurement

3.2  气液两相流流量测量

在本实验中，由于液相流量控制比气相流量更稳定、精确，因此，采用液相转子流量计测量的流量作为实验测量的参考值。PVT法测量液相流量测量值与参考值关系如图5所示。从图5可以看出：利用PVT法测量小通道气液两相流液相流量最大相对误差在10%以内。

图5  PVT法测量液相流量结果

Fig. 5  Liquid flowrate measurement results of PVT method

4  结论

1) 针对小通道气液两相流段塞流，将PVT测量方法应用到两相流流量测量中。

2) 利用光电传感器测量的气液两相流相关流速最大误差在6%以内，利用PVT法测量两相流液相流量最大误差在10%以内。

3) 本文提出的将PVT法应用于小通道气液两相流段塞流流量测量的方法是可行的，为小通道气液两相流流量测量提供了一定的借鉴。

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(编辑  杨幼平)

收稿日期：2015-02-04；修回日期：2015-04-12

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(61573312)(Project (61573312) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：冀海峰，博士，副教授，从事过程检测、多相流检测和复杂信息处理技术研究；E-mail：hfji@iipc.zju.edu.cn