一種內外管式液體流量計及流量檢測方法與流程
2023-06-04 10:14:12 3
本發明涉及兩相流檢測技術領域，具體地說是一種內外管式液體流量計及流量檢測方法。
背景技術：
差壓式流量計是兩相流測量中應用最為廣泛的流量計之一，是目前公認的在兩相流各流型下都能穩定工作的一種流量計。
差壓式流量計以分相或均相模型為基礎，建立流量與壓力降的關係。其中研究歷史最長的為節流式差壓流量計，差壓式的方法基本都見於節流式差壓流量計。該流量計具有安裝方便、工作可靠等優點，並在多年的研究過程中形成了成熟的國際標準，目前很多廠家推出的多相流測量系統中都含有節流式差壓流量計。廣泛應用的節流式差壓流量計有孔板、文丘裡管以及V錐流量計。
對於孔板流量計，流體流經管道內的孔板節流裝置，在孔板附近造成局部收縮，節流件前後便產生了壓力降，即差壓，差壓信號與流量大小有關。在孔板流量計的設計上有過許多改進，日本SONIC公司設計開發了一種在流量計算機上對量程比的範圍進行選擇的孔板流量計，與傳統孔板流量計相比，對測量範圍進行了擴展；新研究的新型智能孔板流量計，將溫度和壓力信號直接送入現場流量計算機之中，根據流量變化對溫度和壓力自動作出補償。
對於文丘裡管流量計，北京航空航天大學的徐立軍利用長喉頸文丘裡管提出基於分相流模型的溼氣測量模型；天津大學的張強等利用長喉徑文丘裡管用於氣液兩相流測量，建立了雙差壓溼氣流量測量模型。利用一種節流裝置配合其他傳感器進行組合測量的方法也得到了大量的研究，黃志堯等採用文丘裡管結合電容層析成像技術對油氣兩相流進行有效測量；徐英等利用內錐和文丘裡組合的方式提出了溼氣測量虛高模型。
V錐流量計是上世紀八十年代推出的一種新型的差壓式流量計，與其他差壓式流量計設計理念不同，V錐流量計將流體逐漸收縮到管壁，通過測量錐體前後差壓對流體流量等進行測量。相對於孔板、文丘裡管等傳統差壓式流量計，V錐流量計具有壓損小、結構穩固、防積汙、量程比寬等優點。但是其仍有一些缺點難以克服，例如，V錐流量計尾部為鈍體結構，流體流動產生分離，形成大量漩渦並造成較大壓力損失；與電磁流量計相比，其量程比相對較窄；L型懸臂結構在大流量時，可能產生振動等。
對於以上所述的孔板、文丘裡管和V錐流量計來說，其節流方式都是通過改變流體總的流通面積來實現的，這樣勢必會對流體本身產生擾動，差壓信號不穩定。因此設計內外管差壓流量計，流量傳感器中變徑管的設計使得氣液兩相流在流經介質流通管時可在不改變流通面積的狀況下獲得差壓；流量傳感器在介質流通中的同一截面設置測壓孔，因此消除了摩擦阻力對介質流動數據的影響，解決了現有技術在豎直管道上應用差壓流量傳感器所存在的引壓問題。
技術實現要素：
本發明的目的之一就是提供一種內外管式液體流量計，該流量計在現有內外管差壓流量計的基礎上進行優化設計，消除內管在實驗過程中的擾動現象。
本發明的目的之二就是提供一種內外管式液體流量檢測方法，該檢測方法依賴於上述優化後的流量計，可準確取壓，最終準確測出液體流量。
本發明的目的之一是這樣實現的：一種內外管式液體流量計，包括：
外管，為圓直管結構，在所述外管的側壁上開有用於測量外管內液體壓力的第一測壓孔，在所述外管的側壁上還開有第二測壓孔，所述第二測壓孔和所述第一測壓孔處於所述外管的同一橫截面上且兩者關於該橫截面中心呈中心對稱分布；
內管，置於所述外管內，且位於所述外管的軸心線上；所述內管包括依次連接的大口徑管、收縮管和小口徑管；所述大口徑管和所述小口徑管的端部分別與所述外管的兩端對齊；測量時液體沿大口徑管向小口徑管方向流動；在所述內管的大口徑管上開有第三測壓孔，所述第三測壓孔與所述外管側壁上的第二測壓孔相對設置，且所述第三測壓孔和所述第二測壓孔之間通過引壓管相連接；通過引壓管可測量內管內的液體壓力；
支架，設置在所述外管與所述內管之間的兩端部位，用於對所述內管進行支撐和固定；所述支架包括箍帶及設置在所述箍帶外側壁上的支撐肋板，所述箍帶套接在所述內管兩端的外側壁上，所述支撐肋板的端部嵌接在所述外管的內壁上；
差壓變送器，與數據採集單元相接，用於通過所述第一測壓孔和所述引壓管測量內、外管內液體的壓力差；
數據採集單元，分別與所述差壓變送器和數據處理單元相接，用於採集內、外管內液體的壓力差信號，並將所採集到的信號發送至數據處理單元；以及
數據處理單元，與所述數據採集單元相接，用於根據接收到的信號計算液體的流量，具體計算公式如下：
式(1)中，Qm是液體的質量流量，C為流出係數，ε為液體的可膨脹係數，β為節流比，A為外管內腔的橫截面面積，ρ為上遊液體的密度，ΔP為差壓變送器所測量的內、外管內液體的壓力差；
節流比β的具體計算公式為：
式(2)中，K1為大口徑管和外管之間的環隙面積與小口徑管和外管之間的環隙面積之比，K2為大口徑管內腔橫截面面積與小口徑管內腔橫截面面積之比。
優選的，所述收縮管為圓臺狀結構，所述收縮管的收縮角大於11°且小於21°，收縮管的收縮角滿足如下公式：
式(3)中，d1為大口徑管的內徑，d2為小口徑管的內徑，L為內管的長度，L1為大口徑管的長度，L2為小口徑管的長度。
優選的，在所述箍帶的外側壁上均布有三個支撐肋板。
優選的，所述大口徑管的外壁與所述外管的內壁之間的距離大於2mm；節流比β大於0.4且小於0.7。
優選的，所述第一測壓孔、所述第二測壓孔和所述第三測壓孔均為橢圓形開口；所述第三測壓孔距大口徑管與收縮管交界處的距離大於且小於D為外管的內徑。
優選的，所述第一測壓孔和所述第二測壓孔的連線為水平方向或豎直方向。
本發明在已有內外管差壓流量計的基礎上進行了優化設計，消除了內管節流件在實驗過程中的擾動現象，並在優化後的內外管差壓流量裝置上進行液相動態試驗，得到液相流量的測量模型。已有的內外管差壓流量計中內管只能依靠兩個取壓孔進行固定，並不能使內管節流件在實際流量的測量過程中保持固定不動，這樣就會使取壓不準確；同時，內、外管間的流動通道不對稱，也導致流動不穩定，本發明通過在內管節流件的液體流入與流出的埠位置，分別添加一個軸對稱的支架，將內管節流件與外管通過支架固定，減小內管節流件的擾動現象，並且保證液體在內、外管間隙內，除進、出口處支架的阻礙外，可以得到充分流動；同時將內管的大口徑管與小口徑管延長至外管的埠處，使液體在進、出管段時，得到充分的過渡，流型轉變更加平緩，減小流體衝擊管壁帶來的誤差。再有，測壓孔對稱設置，使取壓位置在同一水平面上，且該平面為液體軸心界面。測壓孔由原有的圓形開口優化為橢圓形開口(或稱扁平形開口)，該設計可以獲得測壓孔所在位置的平均壓力，使測量更加準確。本發明所提供的內外管式液體流量計可以消除來自於軸向與徑向的加速度誤差，也對來自於其他方向的加速度影響起到緩解甚至消除，使得測量結果更加準確。
本發明的目的之二是這樣實現的：一種內外管式液體流量檢測方法，包括如下步驟：
a、在外管內的軸心線上設置內管；所述外管為圓直管結構，在所述外管的側壁上開有第一測壓孔和第二測壓孔，第一測壓孔和第二測壓孔處於所述外管的同一橫截面上且兩者關於該橫截面中心呈中心對稱分布；所述內管包括依次連接的大口徑管、收縮管和小口徑管；所述大口徑管和所述小口徑管的端部分別與所述外管的兩端對齊；在所述內管的大口徑管上開有第三測壓孔，所述第三測壓孔與所述外管側壁上的第二測壓孔相對設置，且所述第三測壓孔和所述第二測壓孔之間通過引壓管相連接；
b、在內管的兩端設置用於對內管進行支撐和固定的支架；所述支架包括箍帶及設置在所述箍帶外側壁上的支撐肋板，所述箍帶套接在所述內管兩端的外側壁上，所述支撐肋板的端部嵌接在所述外管的內壁上；
c、使液體自外管的一端流入，且沿大口徑管向小口徑管方向流動；
d、由差壓變送器通過第一測壓孔和引壓管測量內、外管內液體的壓力差；
e、數據採集單元採集差壓變送器所測量的內、外管內液體的壓力差信號，並將所採集到的信號發送至數據處理單元；
f、數據處理單元根據接收到的液體在內、外管內的壓力差計算液體的流量，具體計算公式如下：
式(1)中，Qm是液體的質量流量，ε為液體的可膨脹係數，β為節流比，A為外管內腔的橫截面面積，ρ為上遊液體的密度，ΔP為差壓變送器所測量的內、外管內液體的壓力差；C為流出係數，靠實驗來確定，其擬合公式為：
C＝-7.06641×10-11×ΔP2+4.01831×10-6×ΔP+0.62071。
節流比β的具體計算公式為：
式(2)中，K1為大口徑管和外管之間的環隙面積與小口徑管和外管之間的環隙面積之比，K2為大口徑管內腔橫截面面積與小口徑管內腔橫截面面積之比；節流比β大於0.4且小於0.7。
優選的，所述第一測壓孔、所述第二測壓孔和所述第三測壓孔均為橢圓形開口；所述第三測壓孔距大口徑管與收縮管交界處的距離大於且小於D為外管的內徑；所述大口徑管的外壁與所述外管的內壁之間的距離大於2mm。
優選的，所述收縮管為圓臺狀結構，所述收縮管的收縮角大於11°且小於21°，收縮管的收縮角滿足如下公式：
式(3)中，d1為大口徑管的內徑，d2為小口徑管的內徑，L為內管的長度，L1為大口徑管的長度，L2為小口徑管的長度。
本發明是在理論分析及前期工作經驗的基礎上，根據液相流動機理，對內外管差壓流量計進行管道機構設計，優化的設計方案。通過對液相的流動狀態的測試，提取有價值的信號，並進行信號特徵提取，研究內外管式液體流量計測量裝置的測量方法，驗證管道的合理性與可行性。具體是：通過在外管內設置與外管等長的內管，並在內管兩端的埠處設置軸對稱的支架，支架套嵌在內管外側壁處並與外管內側壁相連，對內管進行支撐，可保證測量過程中內管保持固定不動，從而使取壓結果準確，保證了後期計算的可靠性；通過外管的第一測壓孔和與其同一截面的內管上的第三測壓孔，即可獲得內、外管同一橫截面的差壓值，通過內、外管間的差壓值即可計算得出液相的流量值。
附圖說明
圖1是本發明所提供的內外管式液體流量計的結構示意圖。
圖2是圖1中出口端支架的結構示意圖。
圖中：1、外管，2、大口徑管，3、收縮管，4、小口徑管，5、入口端支架，6、出口端支架，6-1、箍帶，6-2、支撐肋板，7、第一測壓孔，8、第二測壓孔，9、第三測壓孔，10、引壓管。
具體實施方式
實施例1，一種內外管式液體流量計。
如圖1所示，本發明所提供的內外管式液體流量計包括外管1、內管、支架、差壓變送器、數據採集單元和數據處理單元。
外管1為水平放置的圓柱形直管結構；外管1的內徑用D來表示，長度用L來表示。內管為節流件，內管設置在外管1內，且內管位於外管1的軸心線上，即外管1軸心線與內管軸心線重合。內管長度與外管1長度L相同，且內管的兩端分別與外管1的兩端對齊。內管包括依次連接的大口徑管2、收縮管3和小口徑管4。大口徑管2和小口徑管4均為直管結構，大口徑管2的內徑用d1來表示，長度用L1來表示；小口徑管4的內徑用d2來表示，長度用L2來表示；收縮管3連接大口徑管2和小口徑管4，收縮管3為圓臺狀管，收縮管3的水平長度(即收縮管3軸心線的長度)即為(L-L1-L2)，收縮角用來表示，收縮角一般在11°至21°之間收縮角的計算公式如下：
本發明中內管和外管1等長，使得液體在流進收縮管3前以及流出收縮管3後，都具有充分的流動空間，使流型變化更加平緩，減小液體對內管節流件的衝擊現象。
支架設置在外管1與內管之間的兩端部位，支架包括軸對稱的入口端支架5和出口端支架6，通過兩個支架可實現對內管的支撐和固定，以便在測量過程中使內管保持不動，減小內管節流件的擾動現象。當液體流過內、外管的間隙處時，兩個支架對液體流動的阻礙作用也較小。入口端支架5和出口端支架6的結構相同，以出口端支架6為例進行說明。如圖2所示，出口端支架6包括箍帶6-1及均勻設置在箍帶6-1外側壁上的三個支撐肋板6-2，三個支撐肋板6-2分別垂直於與各自相接的箍帶6-1的外側壁。箍帶6-1套接在小口徑管4外側壁的端部，箍帶6-1的外側壁與小口徑管4的外側壁齊平，具體可通過在小口徑管4外側壁的端部開與箍帶6-1厚度相同的缺口來實現。三個支撐肋板6-2的端部嵌接在外管1的內壁上，可在外管1的內壁上開三個與支撐肋板6-2對應的凹槽，使三個支撐肋板6-2分別嵌入對應的凹槽內。每一個凹槽均從外管1的端部開設，從而使得出口端支架6可從液體流出端套接在內管的小口徑管4上，並使三個支撐肋板6-2的端部正好卡接在外管1內壁的三個凹槽內。入口端支架5與出口端支架6的結構相同，不再贅述。
當測量液體流量時，液體自外管1的流入端(圖1中左端)進入外管1內，在外管1與內管的間隙以及內管內流動(圖1中箭頭所示即為液體流動方向)，且沿內管的大口徑管2向小口徑管4方向流動，為防止顆粒物阻塞管道，大口徑管2的外側壁與外管1的內側壁間的間隙應大於2mm，即滿足：
在外管1的側壁上開有用於測量外管1內液體壓力的第一測壓孔7，在外管1的側壁上還開有第二測壓孔8，第二測壓孔8和第一測壓孔7處於外管1的同一橫截面上且兩者關於該橫截面中心呈中心對稱分布。在內管的大口徑管2上開有第三測壓孔9，第三測壓孔9與外管1側壁上的第二測壓孔8相對設置，且第三測壓孔9和第二測壓孔8之間通過引壓管10相連接，引壓管10伸出到外管1外部。通過引壓管10可測量內管內的液體壓力。第三測壓孔9距大口徑管2與收縮管3交界處的距離大於且小於同樣，第一測壓孔7和第二測壓孔8距大口徑管2與收縮管3交界處的水平距離也大於且小於這樣設置測壓孔，是為了在測壓之前，保證液體在管道內能得到充分的流動。第一測壓孔7、第二測壓孔8和第三測壓孔9均為橢圓狀小孔，三者的尺寸例如均可為2*4mm。本發明中測壓孔由原有的圓形開口優化為橢圓形開口(或稱扁平形開口)，該設計可以獲得測壓孔所在位置的平均壓力。
第一測壓孔7也可連接一個引壓管，差壓變送器的一端伸入第一測壓孔7內，另一端通過引壓管10伸入第三測壓孔9內，通過第三測壓孔9和第一測壓孔7可測量內管與外管1內液體的壓力差。
數據採集單元分別與差壓變送器和數據處理單元相接，數據採集單元從差壓變送器處採集內、外管內液體的壓力差信號，並將所採集到的信號發送至數據處理單元。數據處理單元根據接收到的壓力差信號計算液體的流量，具體計算公式如下：
上式中，Qm是液體的質量流量(單位為Kg/s)；C為流出係數，靠實驗來確定；ε為液體的可膨脹係數，對於不可壓液體ε＝1；β為節流比，本發明中β在0.4至0.7之間；A為外管1內腔的橫截面面積；ρ為工況壓力下，內管節流件上遊液體的密度(單位為Kg/m3)；ΔP為差壓變送器所測量的內、外管內液體的壓力差(或稱差壓，單位為Pa)。
節流比β的具體計算公式為：
上式中，K1為大口徑管2和外管1之間的環隙面積與小口徑管4和外管1之間的環隙面積之比，K2為大口徑管2內腔橫截面面積與小口徑管4內腔橫截面面積之比。K1和K2的具體計算公式如下：
實施例2，一種內外管式液體流量檢測方法。
如圖1～圖2所示，本發明所提供的內外管式液體流量檢測方法包括如下步驟：
a、在外管1內的軸心線上設置內管。
外管1為水平放置的圓直管結構，在外管1的側壁上開有第一測壓孔7和第二測壓孔8，第一測壓孔7和第二測壓孔8處於外管1的同一橫截面上且兩者關於該橫截面中心呈中心對稱分布。內管包括依次連接的大口徑管2、收縮管3和小口徑管4；收縮管3為圓臺狀結構；大口徑管2和小口徑管4的端部分別與外管1的兩端對齊，即：內管與外管1等長。在內管的大口徑管2上開有第三測壓孔9，第三測壓孔9與外管1側壁上的第二測壓孔8相對設置，第三測壓孔9和第二測壓孔8之間通過引壓管10相連接，且引壓管10伸出到外管1外部。第三測壓孔9距大口徑管2與收縮管3交界處的距離大於且小於D為外管1的內徑；同樣，第一測壓孔7和第二測壓孔8距大口徑管2與收縮管3交界處的水平距離與第三測壓孔9距大口徑管2與收縮管3交界處的距離相等。大口徑管2的外壁與外管1的內壁之間的距離大於2mm。
b、在內管的兩端設置用於對內管進行支撐和固定的支架。
支架包括對稱分布的入口端支架5和出口端支架6。入口端支架5和出口端支架6的結構相同。如圖2所示，出口端支架6包括箍帶6-1及均勻設置在箍帶6-1外側壁上的三個支撐肋板6-2，箍帶6-1套接在小口徑管4外側壁的端部，箍帶6-1的外側壁與小口徑管4的外側壁齊平，三個支撐肋板6-2的端部嵌接在外管1內壁的凹槽上。
c、使液體自外管1的流入端流入，且在外管1內流動時沿內管的大口徑管向小口徑管方向流動。
d、由差壓變送器通過第一測壓孔7和引壓管10測量內、外管內液體的壓力差。
e、數據採集單元採集差壓變送器所測量的內、外管內液體的壓力差信號，並將所採集到的信號發送至數據處理單元。
f、數據處理單元根據接收到的液體在內、外管內的壓力差計算液體的流量，具體計算公式如下：
式(1)中，Qm是液體的質量流量(單位為Kg/s)；C為流出係數，靠實驗來確定；ε為液體的可膨脹係數，對於不可壓液體ε＝1；β為節流比；A為外管1內腔的橫截面面積；ρ為工況壓力下，內管上遊液體的密度(單位為Kg/m3)；ΔP為差壓變送器所測量的內、外管內液體的壓力差(或稱差壓，單位為Pa)。
節流比β的具體計算公式為：
式(2)中，K1為收縮管3前後的環隙面積之比，K2為大口徑管2內腔橫截面面積與小口徑管4內腔橫截面面積之比。
本發明中β在0.4至0.7之間，即：
上面幾個式子中，D為外管1的內徑，d1為大口徑管2的內徑，d2為小口徑管4的內徑，L為管道總長度，L1為大口徑管2的水平長度，L2為小口徑管4的水平長度，為收縮管3的收縮角。
實施例3，抗加速度影響的實驗。
根據經驗理論及總管道尺寸的考慮，將收縮管的收縮角定為15°，然後求取不同節流比下大口徑管內徑值及小口徑管內徑值，再根據確定的結構尺寸在入口速度為6.119m/s的情況下進行仿真，根據仿真結果得到流量計多處壓力值，具體是：①得出內、外管間的差壓，②得出外管(或內管)流入端前10D(D即為外管內徑)處與流出端後5D處的壓力差，此即為壓力損失。用壓力損失除以差壓即得壓損比。最終發現當節流比為0.5892時，差壓大、壓力損失小，壓損比小。
本發明提出的內外管式液體流量計具有抗加速度影響的效果，能有效消除軸向及徑向高加速度(1g以上的加速度)對測量的影響。為了驗證流量計可以有效緩解加速度對測量結果的影響，利用CFD仿真軟體進行仿真，同時提取內外管式液體流量計多處壓力值(即可得差壓和壓力損失)。首先在沒有重力加速度影響的條件下進行仿真，入口速度設為6.119m/s。然後分別在內外管的軸向、徑向及與軸向成45°角方向設置10g加速度，其他設置不變。對以上四種情況分別提取測壓孔在以下兩種設置方式下的壓力值。水平設置指的是第一測壓孔和第二測壓孔(或第三測壓孔)前後相對，即三個測壓孔的連線為水平方向。豎直設置指的是第一測壓孔和第二測壓孔(或第三測壓孔)上下相對，即三個測壓孔的連線為豎直方向。測壓孔在兩種不同的設置方式下，所測差壓、壓力損失及壓損比的對比見表1。
表1 不同加速度方向、測壓孔不同設置方式下的影響對比表
從表1可以發現，改變測壓孔的設置方式，可以減小加速度在測量過程中產生的影響，使測量結果更加準確、可靠。本發明中測壓孔在水平設置形式下比豎直設置形式下對減小加速度的影響具有更好的效果。
實施例4，流出係數C的確定。
按照實施例2中的公式(1)求取流出係數C。公式(1)中可膨脹係數ε、節流比β(節流比β按0.5892計算)、外管內腔橫截面積A及液體密度ρ均為固定已知量，因此利用差壓ΔP及流量值Qm求取流出係數C。下面在四個流量點(一個流量點即對應一個流量值)下進行計算。在每個流量點下利用差壓值求取該流量點下的流出係數，得到四個不同的值。首先利用求平均值的方式對流出係數進行確定，然後利用求均值後得出的流出係數求取質量流量，將所求得的質量流量與已知的流量進行比較，發現誤差較大。故不能用此方法來求流出係數C。
由於上面在每個流量點下求流出係數時，只有差壓一個變量，因此流出係數與差壓存在一定的數量關係，所以本發明中對差壓與流出係數進行公式擬合，得到擬合公式見公式(4)，擬合優度達0.994。
C＝-7.06641×10-11×ΔP2+4.01831×10-6×ΔP+0.62071 (4)
利用公式(4)得到擬合後的流出係數。根據擬合得到的流出係數進行流量的計算，結果發現誤差在0.2％以內。具體數值見表2。
表2 流出係數計算表