在工业应用中，两相流流量测量对于实际工程应用具有重要作用，如石油钻采工程、石油化工、热电联供等输送及分配过程中都存在气液两相流测量问题。早期曾对气液两相流的测量进行了广泛研究，但由于气液两相流型的复杂性及多变性，至今仍无广泛认可的气液两相流在线测量技术[1]。
多相流动体系通常是由两种或两种以上互不相溶的介质组成的, 具有明显相界面的混合物流动[2]。本研究的气液两相流研究对象分别是空气和水，在流动过程中，由于存在不同流型及流态的复杂变化，两相流各种参数的测量都变得极为困难。因此, 准确描述并识别流型对于两相流量测量具有重要的意义。由于主要研究的是水平管内的气液两相流流型，在前人的研究基础之上，对水平管内流型进行了总结和分析，得到水平管内的气液两相流流型主要为细泡状流动、弹状流动、分层流动、波状分层流、塞状流以及环状流等[3-4]。
自20世纪以来，气液两相在线测量一直是工业生产过程中迫切需要解决的难题，同时研发了大量适用于工业环境中的两相测量技术。根据在测量过程中两相流是否进行分离而分为分离法和非分离法。分离法是将流动的混合物分为以气体为主和以液体为主的流动，然后进行单相测量，包括重力分离器和导流器等，其优点为把两相流体流量测量转化成了单相流体的流量测量，测量精度高、范围宽、不受气液两相流型变化影响，缺点则为分离设备体积大、价格贵、需要建站，增加了测量成本。非分离法的典型是基于相同原理的测量系统进行组合测量，以及中子射线和文丘里管的组合方式，优点为能够实时测量两相流体的流量及相持率等参数，体积小、测量速度快，缺点为测量的流量及各相持率精度偏低，适用工况受限，需重复标定[5-6]。
电磁流量计广泛应用于单相流体的流量测量。电磁流量计是利用法拉第电磁感应定律原理测量导电液体的体积流量的仪表。其优点是可测流量范围大，流量范围比值一般为20:1以上。适用工业管径范围宽，最大可达3 m，精确度较高，可测量水、污水、腐蚀性液体等流体流量，不受压力、密度、温度和其他物理参数的影响。因此，采用电磁流量计测量连续相为导电性的两相流的特性成为研究的热门。其中，Wyatt[7]、Bevir[8]认为只有当流体分布既各向同性又均匀时，电磁流量计测量准确，同时对电磁流量计在泡状流和环形流等轴对称流型下的理论灵敏度进行了分析。Krafft等[9]研究了电磁流量计同时测量气泡和连续导电相速度的可能性。Krafft[10]建立数学模型研究了非导电相分布对重量函数对电磁流量计输出的影响。Heineman、Murakamiet等[11]研究了电磁流量计输出与导电相的平均速度成正比来测量空隙率等成果并进行了实验证据。
国际及国内虽然对电磁流量计在两相流中的应用进行了大量的理论分析和数值模拟，但是针对水平管内非导电相在空间位置分布对电磁流量计的测量精度等还未进行详细地研究。水平管内非导电性的空间分布受重力、流体物性等影响严重，进而影响了流量计的准确测量。近年来，相关学者提出的相分隔方法[12-15]，通过对两相混合物施加侧向力，将两相隔离到管内的相应空间，流动过程中两相之间维持非常清晰界面，这将有利于电磁流量测量两相流参数。因此，如果非导电相能在两相流中均匀对称分布，电磁流量计测量将为两相流量测量提供一种有前途的解决方案。同时，在将两相隔离到管内的相应空间，流动过程中两相之间维持非常清晰界面的过程中，采用拍摄及图像处理技术可以实现空隙率的测量。目前, 基于图像处理技术已进行了大量的研究[16-18]，尤其适用于检测气液界面。
本研究采用相分隔法组合电磁流量计测量气液两相流量及相持率。在相分隔方法中，采用了旋流器产生离心力，将气液两相不同的入口流型转变为旋流核心环空流，由于其界面清晰光滑，非常有利于图像处理法来测量空隙率。采用实验分析的方式研究并验证了电磁流量计的两相流工作特性。
利用管道中的相分隔技术进行整流，可以极大地方便电磁流量及空隙率测量的开展，创造了理想的测量条件，有利于提高测量的准确性。通过管内相分隔，使两相流体在各种流型下统一转变成两束在管内并行流动的单相流体，两相之间具有相对清晰的分界面，并能维持足够长的距离，如图 1所示。与分离不同，相分隔技术并非将两相分“离”后各自单独流动，而是通过一系列技术仅将两相分“隔”并未分“离”，两相依然同时在一个管内流动，但是彻底改变了两相流原有相分布和速度分布的多样性和随机性，使两相流在管内即可保持有“秩序”的流动，极大地方便了两相流各个参数的测量。
电磁流量通常用于测量单相导电流体，计算公式见式(1)。
式中：U为两电极间的电位差(与液体的导电性、黏度和压力无关)，V；B为磁通强度，T；b为导电相半径，m；QL为导电液体的体积流量，m3/s。
对于含有少量非导电介质(如气体或油等)构成的导电流体，电磁流量计仍能继续工作。Wyatt[7]考虑了导电相沿管壁在环形区域流动，绝缘相在同轴芯区流动时，采用电磁流量测量原理，计算公式见式(2)。
式中：a为不导电相半径，m；α为绝缘相的空隙率，%。
在电磁流量计的上游，通过图 2所示的旋流器实现相分隔。旋流器由4片沿周向均布的导流片构成，每个导流片平面与管道横截面呈现一定夹角。
Wang等[19]通过研究发现, 这种结构的旋流器更有利于相分隔的形成，它使流体通过改变流动方向产生切向速度，从而产生离心力。在离心力的作用下，气体一般以连续气柱的形式集中在管中心，周围为连续液相，液相呈环形流动，形成旋流核心环状流。管内相分隔后电磁流量测量原理如图 3所示。
理论上，如果切向速度轴对称且不衰减，切向速度不影响电极上的电势，则切向速度不会影响电磁流量计的输出，式(2)也适用于旋转核心环形。因此，环状流中使用电磁流量计测量流量的计算式见式(3)。
式中：Q为流体总的体积流量，m3/s。
实验在空气-水两相流实验回路中进行，以验证所提出的测量方法的可行性。实验环路及实验段布置如图 4所示，在实验段安装了旋流器和电磁流量计。
利用图像处理技术，提取环状流的相界面，进而计算空隙率，图像采集原理如图 5所示。图像采集过程中，采用背光光源照射法，使用高速摄像仪采集照片，高速摄像仪型号为NAC MEMRECAM fx K3，像素为480×640。在每种工况下，以500 Hz的频率采集2 s，共1 000张照片取气柱直径平均值作为计算截面相含率的值。在整张图片中只剪裁包含气柱的部分进行图像处理，然后对每张剪裁图像进行标准图像预处理，包括去噪、滤波、提高对比度、背景去除等，最后采用Canny提出的Canny算子进行边缘检测，得到气柱直径。本研究采用相分离法实现的旋流核心环空流动中气液界面清晰光滑(结构见图 6)，从而降低了图像处理的难度并减小了空隙率的测量误差。
针对气液两相来流分别为细泡状流、塞状流和弹状流时，实验过程中观察了旋流器上下游流型的演变，旋流器前后的流型变化如图 7所示。从图 7可以看出，在各入口流型下，都可以形成旋流核心环空流动结构。当入口流型为细泡状流时，旋流器下游的气柱直径保持相对稳定值；当入口流型为塞状流时，旋流器下游的气柱直径保持相对稳定，与细泡状流区别不大；当入口流型为弹状流时，由于截面内气量的剧烈变化导致旋流后气柱直径随气体体积的增大而增大，但界面仍然清晰。
螺旋流状态下，截面相含率与直线流相比会发生变化，进而使得两者之间的液流速度也会不同。图 8示出了在相同的气液进口流量下，直流环状流和旋流环状流之间空隙率的变化。从图 8可以看出，在旋流作用下，会使得空隙率的变化范围减小。在弹状流来流时，旋流使得空隙率减小，而对于塞状流和细泡状流，旋流会使得空隙率变大。
为了研究旋转环状流下电磁流量计测量精度，引入了相对误差，定义为:
式中:ε为相对误差，%；Dmea为液体体积流量测量值，m3/h；Dref为液体体积流量参比值，m3/h。
为了准确研究多次测量下电磁流量计测量精度，引入了平均全局相对误差，定义为：
式中:εave为平均全局相对误差，%；N为取样个数。
图 9显示了不同空隙率流量测量的相对误差。由图 9可以看出，测量误差随着空隙率增加而增加，且具有很强的规律性。导致这种现象的原因可能是因为与单相流相比，旋转环状流中存在不导电气芯，使导电相流通截面发生改变，由单相流中的圆形变为两相流中的环形，造成仪表常数发生改变。由图 9还可看出，通过关于截面相含率的校正，可得到更精确的测量值。计算式如下：
图 10为按照图 9的拟合曲线校正后的测量结果图。由图 10可以看出，测量值与参比值吻合良好。相对误差最大不超过±5%，平均误差为1.1%。综上所述，可以利用电磁流量计测量旋转环状流中的液体流量。
本研究以气液两相流为研究对象，提出了一种管内相分隔技术与电磁流量计相结合的水平管内流量测量新方法，该方法对于指导生产实践具有重大的意义。
(1) 从理论上分析了管内相分隔与电磁流量计组合测量两相流中连续导电相流量的方法，采用空气-水两相流实验验证了该方法在一定范围内可准确测量出连续导电相的流量，具有实用价值。
(2) 针对两相流不稳定流的特点，采用旋流片作为管内相分隔装置，实验观察了旋流器前后的流型变化，即将管内细泡状流、塞状流和弹状流整流成单一稳定的环状流：密度较小的气相集中于管道中心，而密度较大的液相则围绕气相和管壁形成环状体，气液相之间界面清晰，形成管内相分隔状态，为后续图像处理测量空隙率提供条件。
(3) 针对含有少量气体的连续水相导电流体，引入空隙率修正了电磁流量计公式，建立了液相流量测量模型。为了验证该方法的可行性，在不同的气液流量范围内进行了一系列实验，在管内相分隔状态下，利用电磁流量计的液相测量相对误差在±5%以内。
2020, Vol. 49 Issue (6): 95-100
2020, Vol. 49 Issue (6): 95-100