分流分相多相计量技术.doc

毕业设计（论文）分流分相多相计量技术学生姓名： 学 号：专业班级： 指导教师： 摘 要气液两相流广泛存在于石油、化工、能源等许多工业领域。随着工业生产对计量、节能和控制等方面均提出了更高的规定，对两相流参数进行测量的需求也越来越迫切。但由于气液两相流体流动的复杂性，气液两相流在计量和分派方面很久以来一直是一个未能很好解决的问题。分流分相法是通过一种分派器从被测两相流体中成比例地分流出一部分（5%-20%）两相流体并使用一小型分离器将其分离成单相气体和单相液体，然后分别用单相流量计进行测量的方法。本文的题目是“分流分相多相计量技术”，重要研究了了几种分流分相式流量计的测量方法并通过实验分析了管壁取样分派器的不同工况下的分流系数特性。旋流型分派器取样装置由旋流器、整流器、分离器、计量设备等组成，本文结合实验研究了不同工况下旋流型管壁取样分派器分流系数特性。关键词: 分流分相；多相计量；分流系数ABSTRACTGas-liquid two-phase flow has its extensive existence in a variety of industries including petroleum, chemical, energy, etc. As more requirements have been presented in metering, energy saving, and control by industrial production, there has been an increasing demand of parameters measurement of two-phase flow. Metering and distributing of gas-liquid two-phase flow has been a problem due to complexity of two-phase flow.The detail of the Extracting and Separating Method is that: first ,proportionally extracting a stream of gas-liquid mixture (5%-20%) from the two-phase flow to be measured with a distributor ,then separating it into single-phase gas and liquid with a small separator, after that, measuring each phase with conventional single phase flow meters. The subject of this paper is “Multiphase Flow Metering of Extracting and Separating Technology”, which studies the methods of several multiphase flow meters based on extracting and separating method. Besides, this paper analyzes the extraction ratio properties of the swirled sampler along the circumference.The swirled sampler is consist of swirler, rectifier, separator, metering device, etc. This paper studies the extraction ratio properties of the swirled sampler with combination of experiment.Keywords: Extracting and Separating; Multiphase Flow Metering; extraction ratio目录第1章 绪论11.1 课题研究的意义11.2 多相流体流量测量技术研究进展21.2.1 不分离法21.2.2 完全分离法31.2.3 部分分离法41.2.4 分流分相法41.3 重要研究内容4第2章 分流分相式多相流量计62.1 分流分相两相流量计工作原理62.2 分流分相式流量计72.2.1 三通管型分流分相式两相流体流量计72.2.2 取样管型分流分相式两相流体流量计102.2.3 鼓型分流分相式两相流体流量计112.2.4 转轮型分流分相式两相流体流量计122.2.5 旋流型分流分相式两相流体流量计13第3章 旋流型管壁取样分派器163.1 旋流型管壁取样多相流量计结构163.1.1 旋流型罐壁取样分派器163.1.2 取样孔结构163.1.3 旋流叶片结构173.2 分流系数特性分析183.2.1 液相分流系数183.2.2 气相分离系数19第4章 旋流型管壁取样分派器实验224.1 实验系统224.1.1 实验环道224.2 重要实验装置234.3 实验方法244.4 实验内容254.5 小结26第5章实验结果解决与分析275.1 分流系数实验结果与分析275.1.1 液相分流系数特性分析275.1.2 气相分流系数特性分析285.2 小结29第6章 总结30致谢31参考文献32第1章 绪论1.1 课题研究的意义多相流动是一种复杂的流动现象，广泛存在于能源工业的许多领域，遍布于化工、冶金、能源、环保、轻工和军工等领域1，随着工业生产对计量、节能和控制等方面提出了更高的规定，对多相流参数进行测量的需求也越来越迫切。多相流的计量对于在油井监测、油藏管理、配产和过程控制以及海底卫星油田开发工程中，精确的测量未分离油井物流量的应用等也至关重要2。在多相流计量中，关于气液两相流的分派和计量问题一直是难以回避，也是多相流系统中未能很好解决一个难题。与单相流相比，两相流的一个显著特性就是流动具有强烈的波动性，即气液两相在管道截面上的分布形式即流型随着气液相流量在不断变化。工作在两相流体中的仪表输出信号受流型等参数的影响，波动性大、测量精度低，分流分相计量方法为解决这一测量难题提供了希望3。分流分相计量方法通过成比例的从两相流体中分流出小部分的两相混合物，将其分离成单相流体后，应用单相流量计测量出各相流量的大小，然后根据比例关系拟定被测两相流体各相总流量。分流取样法可以用体积比较小的装置测量多相流体的各相流量和总流量，且计量精度不受流体波动的影响，能在很大流型范围内工作4。应用分流分相计量方法进行流量测量的关键是要保证分流出的分流体与被测两相流体之间保持稳定和拟定的关系，而这一目的的实现在于构造合适的分派器。根据此方法从而提出了一种旋流性分流取样的多相流量计量方法。其原理是通过管壁取样孔从主管待测多相流体中分流出一小部分多相混合物，通过小型单相流量计测量出各相流量的大小，然后根据分流体与被测两相流体间比例拟定被测两相流体各相总流量。由于进行了取样分流同时又进行了分相，在提高测量精度的同时，大大缩小了介质的工作环境。测量精度不受多相流流动的影响，测量精度高，整个装置具有体积小、精度高的优点。本章一方面简要介绍了国内外多相流量计量的研究现状及各种测量方法的优缺陷。在此基础上分析了分流分相计量方法的特点。1.2 多相流体流量测量技术研究进展近年来随着石油价格上涨，能源紧缺问题日益突出。各国都在加大对海上和沙漠油气田的开发，对多相流体的计量需求也更加迫切，多相流量计的需求增长速度不久，见图1-1。图1-1 多相流量计安装的增长速率Falcone3、Alvaro6、Hewitt7、林宗虎8、Thorn9、王栋10等人总结了近2023来多相流测量技术的发展情况，同时还出现了一些新的技术。多相流量测量方法按照是否分离以及分离的限度一般可分4种：不分离，完全分离，部分分离，以及分流分相方法。1.2.1 不分离法采用不分离法在线测量多相流各相流量必须获得各分相的速度和截面份额。假如各分相流体混合均匀，气液相速度将基本相同，从而大大减少了测量的难度。应用这种均匀化解决的测量方法重要为节流式测量方法，常采用两种节流装置进行组合测量11,12。近年来又出现了运用单个节流原件由差压信号的波动特性同时获得两相流流量和质量含气率的新方法13,14。节流式方法的缺陷是阻力损失较大，测量范围有限，并且受流型影响较大。核技术以及成像技术的发展使直接测量多相流体截面相分率和各相速度成为也许。成像方法测量多相流流量具有不接触流体，对流动无干扰，无阻力损失的特点，重要有CT成像方法（涉及电容成像15、电导成像16、热中子成像17、核磁共振成像等18），高速摄影方法，以及伽玛射线技术与常规流量计组合测量方法19,20等。但目前这种直接测量方法还很不成熟，如成像方法目前还很难直接测出多相流体各相流速，只能通过相关方法间接测量。对于分层和环状流这种流动平稳的多相流型，相关测速方法误差很大。此外，尽管核磁共振方法可以给出流体在通道内各组分的三维分布图像，但由于气体对核磁共振测量方法来说相称于透明体，不能直接测量气相的流速和体积流量。而高速摄影法由于只能从侧面进行图像采集，不能直接测量截面各相分布。采用放射性元素的测量方法对流体介质物性非常敏感，测量精度与流型有关，放射性物质容易对人体和环境产生威胁。近年来还出现了运用真实质量流量计直接测量多相流体的质量流量的报道21。对液-液流动以及低含气多相流动取得了一定的进展，但质量流量计流动阻力损失大，流型和各相组成对测量精度有影响。1.2.2 完全分离法完全分离法是应用分离设备将气液混合物分离成单相气体和单相液体后，再通过普通单相流量计进行计量。把两相流量的测量转化为单相流量测量，具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响等优点。GLCC就是今年来出现的用于多相流体分离和流量测量的解决系统22,23。为了保证分离效果，分离器的直径通常必须达成管道直径的5-10倍以上，壁厚也至少是管道壁厚的5-10倍24，因此完全分离方法最大的缺陷是分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线，在很大限度上增长了油田的开发成本。1.2.3 部分分离法部分分离方法25的原理是：一方面采用预分离装置将气液两相分离成以气相为主（高含气率）和以液相为主（高含液率）的两股流体，然后再运用较成熟的两相流仪表分别测量，最后将两股流体重新混和。该方法缩小了流过测量仪表的两相流组分变化范围，同时也减少了流动的不稳定性和测量信号的波动性。这虽然在一定限度上缩小了计量分离器的体积，并减少了两相流测量的难度，但因未能将气液混合物完全分离，故事实上对提高测量精度的作用是有限的10。1.2.4 分流分相法分流分相技术测量多相流体的方法，简称分流分相法是近年来出现的一种新型多相流体流量测量方法，这种方法可以用来测量单相流体流量，也可以用来测量两相流体流量和相分率，还可以推广到油气水三相流量测量中去。在两相流量测量中，由于进行了分相，流量测量仪表都工作在单相环境中，测量结果不受流型波动的影响，在波浪流、段塞流、环状流型下均取得了较好的结果，可以在宽广的流型范围下工作。分流分相方法在两相流体流量测量中有很大的优势，用于完毕流体分派的分派器是分流分相式两相流量计最核心的部件。分派器的结构直接关系到多相流量测量的精度以及所合用的范围。为了实现稳定的分流比和适应工业生产中恶劣的现场环境，分派器的结构也需要进行不断完善和改善。王栋构造了4种不同结构的分派器, 即三通管型、取样管型、转鼓型以及旋流型分派器。这四种分派器可以很好的得到稳定的分流比，并且在实验研究中取得了较高的精确度和可靠性。1.3 重要研究内容本文是在以往研究的基础上，分析研究了几种分流分相式流量计的测量原理和特点，并且通过实验研究分析了取样分派器气液分流系数的变化规律及影响因素。第2章 分流分相式多相流量计2.1 分流分相两相流量计工作原理图2-1 分流分相式流量计原理图1.主管道；2.两相分派器；3.分流体回路；4.分离器；5.液体流量计；6.气体流量计；7.主流体回路分流分相技术测量多相流体的方法简称分流分相法3,4,10，是近年来出现的一种新型多相流体流量测量方法，图2-1是分流分相法的原理图。在分流分相式两相流体流量计中，被测两相流体流经分派器时被提成两部分：一部分沿原通道继续向下游流动，称这部分流体为主流体，这一回路为主流回路；另一部分两相流体则进入了分离器，称这部分流体为分流体,这一支路为分流体回路。分流体经分离器分离后，气体和液体分别采用气体流量计和液体流量计测量,最后又重新与主流体汇合。被测两相流体的气相流量M1G 和液相流量M1L根据它们与分流体气液相流量的比例关系进行计算： （2-1） （2-2）式中M1G为被测主管气相流量；M1L为被测主管液相流量；KG为气相分流系数；KL为液相分流系数；M3G 表达分流体的气相流量，由气体流量计测量；M3L为分流体的液相流量，由液体流量计测量。2.2 分流分相式流量计分流分相式两相流体流量计重要涉及：三通管型分流分相式两相流体流量计，取样管型分流分相式两相流体流量计，转鼓型分流分相式两相流体流量计，转轮型分流分相式两相流体流量计和旋流型分流分相两相流体流量计几种。分流分相式两相流的计量方法是由王栋专家一方面提出来的。这种方法可以用来测量单相流体流量，也可以用来测量两相流体流量和相分率，也可以推广到油气水三相流量测量中去。对于单相流量测量无需分离器。在两相流量测量中，由于进行了分相，流量测量仪表都工作在单相环境中，测量结果不受流型波动的影响，在波浪流、弹状流、环状流型下均取得了较好的结果，可以在宽广的流型范围下工作。王栋构造了4 种不同结构的配器, 即三通管型26、取样管型27、转鼓型28以及旋流型分派器10；梁法春提出了旋流型管壁取样分派器32和转轮型分派器30-31。2.2.1 三通管型分流分相式两相流体流量计1三通管的相分离特性图2-2 T型三通示意图林宗虎29总结了80年代以来各国学者关于三通管的两相流分派特性和阻力特性研究结果。所有结果都表白，不管三通管是T型（如图2-2）还是Y型，也不管三通管是垂直放置还是水平放置，三通管内都存在明显的相分离现象。而其中尤以侧支管垂直放置的T型三通相分离最为明显。当侧支管垂直向上时，侧支管内的干度X3会高于直通支管内的干度X2，而当侧支管垂直向下时，情况刚好相反。针对侧支管垂直向上布置的T型三通，Wseeger33给出了如下的相分离计算式： （2-3）式中Xl和X3分别为主管入口和侧支管内的干度，G3和Gl分别是侧支管和主管入口质量流速，从式中可以看出，T型三通的相分离现象是十分严重的，侧支管内的相对质量流速G3/Gl愈低，侧支管内的干度X3就愈高。当侧支管直径一定期，假如G3降到某一临界值，X3会升高到1。再进一步减少G3，X3将保持等于1。为拟定上述G3的临界值，Wseeger33推荐了下面的计算式： （2-4）式中G30,X=1为G3的临界值，小于该值时X3等于1，A是与流型有关的系数，对于细泡状流A=0.5，其它流型A=1，g为重力加速度，D为侧支管内径，L、G分别为液体和气体的密度。2三通管型分流分相式气液两相流体流量计组成原理根据三通管的相分离特性，只要侧支管内的质量流速G3小于G30,X=1，侧支管内的干度X3就能保持等于1。这样，就可以在侧支管回路内安装单相气体流量计测量这部分气体的流量，并根据测量结果计算主管入口的两相流体流量和干度。这就是三通管型气液两相流体流量计的基本原理。图2-3是三通管型气液两相流体流量计组成原理图。为扩大测量范围，提高气体流量的测量精度，采用了三个相并联的三通管来分离气体。侧支管垂直布置并具有足够的高度。侧支管与集气管(5)之间通过一个小孔(4)相连通。小孔的作用在于增长阻力控制流量，同时也可以防止主管中一些尺寸较大的液滴冲入集气管内，此外还可以使上升气流在小孔前形成一个较强的自然旋涡，进一步分离气体携带的水分。节流孔板(9)的作用在于改善分流系数的特性，以及调整流量计的测量范围。图2-3 三通管型分流分相式两相流体流量计1.主管；2.直通支管；3.侧支管；4.小孔；5.集气管；6.气体测量管；7.气体流量计；8.汇合三通；9.节流孔板为讨论方便，定义从侧支管流出的气体为分流体，流量为M3，这一回路为分流体回路；流过直通支管的两相流体为主流体，流量干度分别为M2和X2，其回路为主流体回路。主管流入的总流量为Ml，干度为X1。总分流系数K和气相分流系数KG分别定义为： （2-5） （2-6）测量出分流体流量M3后，假如已知总分流系数K和气相分流系数KG，就可以根据式(2-5)和式(2-6)计算出流量或干度。3三通管型分流分相式两相流体流量计的优缺陷运用T型三通的相分离特性可以组成一种两相流体流量计。通过几个三通管的并联和增长分离小孔，可以可靠地分离出单相气体；通过在直通支管内安装孔板，可以提高测量精度，合理的孔板开孔直径d应小于20mm()。与其它单参数气液两相流体流量计相比，气体流量计完全在单相流体中工作，因而可靠性高，流量计选型灵活，可以采用各种高精度宽量程比的气体流量计，从而大幅度提高流量干度的测量精度和测量范围，在本文实验范围内，流量干度测量精度可以达成3以内。只能分流出气体，难以分流出液体，导致该流量计只能测量流量或干度中的一个参数，另一个参数必须通过其它方式来测量。2.2.2 取样管型分流分相式两相流体流量计取样管型分流分相流量计（如图2-4所示），由混合装置和取样装置两部分组成，取样管进一步主管内部，取样口正对来流方向。气液两相流体一方面在混合器内进行加速、混合，然后在混合器出口提成两部分，一部分（分流体）直接进入取样管，另一部分（主流体）则流入下游管道。在一定的流量范围内，气相分流系数和液相分流系数都能保持不变。图2-4 取样管型分流分相式气液两相流体流量计1.管道；2.混合器；3.取样管；4.节流孔板；5.旋风分离器；6.液体测量管路计；7.气体测量管路；8.气体流量计；9.液体流量计；10.转换阀门取样管的出口通向分离器，分流体在分离器内进行气液分离后，气体和液体分别进入气体流量计和液体流量计进行测量，最后重新返回管道中，被测两相流体的气相和液相总流量分别用下式计算： （2-7） （2-8）式中KG、KL分别为气相和液相分流系数；MG3为分流体气相流量，由气体流量计测量；ML3为分流体液相流量，有液体流量计测量。在抱负情况下KG=KL=常数，而事实上难以做到这一点。事实上只要KG和KL能在较宽的测量范围内分别保持稳定或具有拟定的变化规律，就能保证MG和ML的测量精度，该流量计也就具有工程应用价值。2.2.3 鼓型分流分相式两相流体流量计图2-5 转鼓分派器的原理图1外壳；2、10支座；3、9支架；4、8转轴；5、7导锥；6转鼓如图2-5所示为转鼓分派器的原理图。转鼓通过转轴支撑在轴承座上,可以绕轴自由旋转。在转鼓的上、下游两端分别布置了前导锥和后导锥。导锥的作用在于引导流体,减少流体通过转鼓运动间隙的渗漏量，转鼓的外形为圆柱体，内部用轴流叶片均匀分隔成n个互不相通的通道，各通道的横剖面为扇形,且几何尺寸和阻力特性完全相同。当气液两相流体流过转鼓时会冲击转鼓高速旋转，在转鼓旋转的过程中，各通道的入口端面不断掠过上游流通截面上的每一点，使每一点上的两相流体都有机会均等地流入各个通道。假如每一通道的出口背压也相同, 则各通道都可以看作是一个等动能取样器，两相流体的流动将不受转鼓的影响。2.2.4 转轮型分流分相式两相流体流量计转轮型取样分派器结构如图2-6。由位于中心的转轮以及布置在外缘的分流体收集室2大部分组成。转轮内部包含3个流道，流道的轮廓为螺旋线，多相流体流过流道时产生旋转力矩，驱动转轮旋转。转轮位于中心，围绕转轮的分别是主流体接受口和分流体取样口。分流体取样口有3个，每个取样口两侧布置一组格栅。设立隔栅的目的是将旋转流道出口喷出的二相流体从取样口导入收集环室，防止进入主流回路的流体进入分流回路。图2-6 转轮型取样分派器结构多相流体通过转轮分派器在分流体和主流体之间分派时，不是简朴地从“空间”上一分为二，而是在一定期间区间内所有流向一个回路，而在另一时间区间内又所有导向另一回路，如此周期性的交替循环完毕分派。进入分流回路和主流回路流量的大小通过控制进入分流回路或主流进入分流回路和主流回路流量的大小通过控制进入分流回路或主流回路的时间间隔来实现。在分派过程中，只要交替切换的频率足够高,分派周期足够短(完毕1次完整的分派循环的时间)，那么，2个回路的流动过程就接近于连续流动，并且在1个分派周期内，多相流动过程也近似于稳态流动。这样不管碰到何种流型，进入各回路的多相流体都具有高度一致的相含量，其流量大小仅与所分派的时间份额成比例。2.2.5 旋流型分流分相式两相流体流量计1旋流性管内取样分派器与转鼓型分流分相两相流体流量计相反，旋流型分派器内不含任何运动部件，而是通过几组形状不同的叶栅让两相流体自身做特定的流动来实现两相流体在一个多通道元件内的均匀分派。该多通道元件的通道出口大都通向分派器下游的两相流体管道，只有少数几个通道作为分流通道通向了分离器。这样，流向分离器的流量，仅仅取决于通向分离器的通道数（分流通道数），而与两相流体的流型和其他因素基本无关，也就是说分流系数为常数。如图2-7所示为旋流型分流分相式气液两相流体流量计的原理图。图2-7 旋流型分流分相式气液两相流体流量计的原理图1.旋流器外壳；2.旋流器；3.混合室；4.连接杆；5.整流网；6.分流器外壳；7.分流器；8.分离器外壳；9.气水分离元件；10.气体测量管；11.气体流量计；12.自由液位；13.阻力调节孔板；14.液体流量计；15.液体测量管路；16.分流器外壳；17.叶片外缘；18.分流通道；19.隔离叶片；20.旋流叶片外缘；21.旋流通道；22.旋流叶片按两相流体的流动方向依次涉及旋流器(2)、整流器(5)、分流器(7)以及气体和液体测量回路等。旋流器的作用在于使两相流体产生旋转运动，通过旋转运动使本来不对称的相分布和速度分布变成关于轴对称的流型。整流器的作用是消除旋转，进一步改善流型的对称性。经整形后的两相流体流过度流器(7)时，被均匀对称地切分为n等分流量和组分完全相同的两相流。其中有m份两相流被分流至分离器，其余的仍然流向下游管道。m份两相流分流体，其余为主流体，相应的汇入为分流体回路和主流体回路。分流体在分离器内进行气液分离后，气体从分流器上部流入气体测量管路(10)，经气体流量计计量后与主流体汇合；液体从分离器下部流入液体测量管路(15)，经液体流量计计量后返回主流体中。2旋流型管壁取样分派器旋流型分流分相式气液两相流体流量计由于在主管内部取样，内置的分流元件不可避免地会对流动产生较大干扰，两相流体通过度派器会产生较大的阻力损失。更为严重的是，由于取样口正对来流方向，对于比较恶劣的现场条件，流体经常携带有大量沙砾、铁屑以及其他杂质，分派通道在这些高速运动的杂质颗粒撞击下磨损不久，甚至导致取样口变形，从而导致测量误差不断增大。此外这些杂质还容易在分派室内沉积，逐渐堵塞分流通道，此时分派器功能相称于过滤器，随着堵塞加剧，积累的杂质增多，整个装置将完全失去作用。针对上述存在的缺陷，梁法春等提出了一种旋流型管壁取样分派器。旋流型管壁取样分派器结构如图2-8。重要通过多孔取样和流型整改来保证取样的代表性。水平管气、液二相流由于重力的影响,导致管截面上气、液相分布不均匀,即使在环状流型下，液膜沿周向分布也是不一致的，顶部液膜较薄,底部液膜较厚。采用单孔取样方法很难保证取样效果,在主管壁四周布置多个取样孔，采用多孔取样，能大大改善取样的代表性。为了消除气、液界面波动对取样稳定性的影响,还需对管路上游流型进行调整。通过在取样孔上游布置旋流叶片，将分层流、弹状流以及不对称的环状流等流型转变为对称的环状流，那么管壁各个取样孔所取流体“样品”将趋于一致。实验证明分流比重要取决于管壁取样孔的数目和大小。图2-8 旋流型管壁取样分派器结构第3章 旋流型管壁取样分派器3.1 旋流型管壁取样多相流量计结构3.1.1 旋流型罐壁取样分派器图3-1为旋流型罐壁取样分派器的结构示意图。上游法兰1和下游法兰7分别和两相流实验环道系统的上游和下游连接以组成一封闭环路。两相流体通过实验段时被分派器提成两部分，一部分直接流入下游管道，另一部分两相流体经由管壁上布置的取样小孔进入取样腔室，最后经分流体回注回路流回主管。图3-1 旋流型管壁取样多相流量计结构示意图1.上游法兰； 2.旋流叶片； 3.整流器； 4.取样腔室； 5.取样孔； 6.主回路阻力元件；7.下游法兰；8.分流回路出口； 9.分流体回注回路3.1.2 取样孔结构取样孔为8孔取样结构，各取样小孔直径均为5mm。见图3-2。通过取样孔进入环室的两相流体经与环室相连的侧支管进入计量分离器完毕气液相分离。分流体液相流量在分离器下部通过量体积法测量。时间用秒表计量，测量时间一般为60-300秒。分流体气相流量通过安装于分离器气相支路的涡街流量计测量。图3-2 取样孔结构图3.1.3 旋流叶片结构取样段前方加设了旋流叶片和整流器两个部件。安装旋流叶片目的是使来流产生旋转运动，将上游来流的流型转变为对称环状流。整流器的作用是将周向液膜的旋转运动整改为沿管壁轴向运动，同时还可以使液膜的分布更加均匀。旋流叶片34采用的是2mm厚的不锈钢板材料，图3-3为实验旋流叶片实物照片，3-3（a）为侧视图，3-3（b）为相应的俯视图。 （a）侧视图 （b）俯视图图3-3 旋流叶片结构图旋流叶片是由两个半椭圆片交叉形成的。椭圆半短轴与分派主管直径相同，椭圆片外缘与管内壁轮廓线重合，在背流面用胶与取样管粘结，且保持紧密接触。这样做的目的是当来流通过旋流叶片时，由于叶片外缘与管壁之间无缝隙，使得流体无法沿管壁继续流动，而是被迫沿着叶片表面方向向下游流动，从而使得来流在叶片的交叉处形成旋转运动，将分层流、波浪流、段塞流等转变成对称环状流，并在下游管路处保持一段时间的环状流型，直至由于重力作用及气流的扰动作用使得流型发生变化。将来流整改成均匀环状流是由旋流叶片和整流器来完毕的，这两种器件对于完全对称环状流的形成以及保证液相分流系数的稳定起着重要作用。3.2 分流系数特性分析3.2.1 液相分流系数加上旋流装置后，形成液膜厚度均匀的环状流，见图3-4。整个管周的液膜流量可以用下式计算： （3-1）图3-4 均匀环状流液相分派示意图进入分流回路的液体的重要来自于取样孔处的液膜，认为取样孔正上方的液膜完全进入取样孔，并采用系数K对分派影响区进行修正，则进入取样孔的液相流量为： （3-2）式中，为主管半径，m；为取样小孔数目；为取样小孔方位角；液膜轴向流量，；式中为液相分派影响区修正系数。由于主管路的液相在旋流叶片的作用下几乎所有以液膜形式贴着管壁流动，被气体夹带的液相很少，液膜流量就等于主管路中的液相流量，即。根据式（3-1）和（3-2），液相分流系数可以写作： （3-3）由式（3-3）可知： （3-4）将式（3-4）代入（3-3）得： （3-5）由公式（3-5）可知，旋流型管壁取样分派器液相分流系数重要与取样小孔的直径和数目有关，当取样分派器结构拟定后，液相分流系数也就基本保持不变。公式（3-5）在环状流液膜均匀分布条件下成立。但当主管路气液相流量较低时，来流通过旋流叶片时不能产生有效旋转，大部分液相仍集中在管底部，管上壁液膜量很少。因此，液相分流系数在主管气液相流量较小时并不是常数，而是随着主管两相流量的变化而变化。当气液相流量较大时，通过旋流叶片产生旋流作用加强，将沉积管底部的液膜携带到管壁顶部，在分派截面上形成液膜厚度均匀分布的环状流型，由于在对称环状流型下进入各个取样孔的液量基本相同，液相分流系数趋向一个不变常数。3.2.2 气相分离系数由于气相密度远小于液相密度，进入分流回路气相流量大小对分流回路和主流回路间的阻力变化特别敏感。可以通过阻力关系对气相分流系数进行分析。分流体气相回路不安装节流孔板时，分流回路的总阻力损失涉及分流体通过取样孔的阻力损失，分离器中的损失，气相沿程损失。分离器中的损失和气相沿程损失通常都很小，可以忽略不计，分流回路的阻力重要集中在取样小孔上。主流体回路的总压力降涉及气液两相流进入取样孔引起的主回路的压力变化，两相流体通过旋流叶片产生的压力降，气液两相流通过阻力调节孔板引起的压力损失。由于两相流从管壁取样孔进入分流回路，通常很小，与节流孔板相比，旋流叶片引起的压降也较小，因此认为主流回路的压降重要是由节流孔板引起的。假如主管路为单相气体，那么进入分流回路的也为单相气体，单相气在分流回路上产生的压力降： （3-6）在主回路产生的压降： （3-7）根据并联回路的特性： （3-8）得到： （3-9）根据质量守恒： （3-10）由（3-9）和（3-10）得到： （3-11）由式（3-11）知，当主管路为单相气体时，气相分流系数可以写为： （3-12）假如此时主管中有液相加入，会引起主流回路和分流回路的阻力变化，进而引起气相和液相的重新分派。液相的增长会导致进入分流回路的气量增长，假设增长数值为主管气量的倍，即： （3-13）此时，分流回路的气量为，从而气相分流系数 （3-14）反映了没有液相时单相气体通过度派器时的分流系数，从式（3-12）知其值是一个常数。反映了由于主管中液相存在而导致的气相分流系数的增长量，与主管液相流量大小有关。因此，为了方便起见，气相分流系数可以写成： （3-15）上式显示，气相分流系数随液相流量变化而变化。这是由于随着液相的加入，两回路的阻力失去对称性引起的，这种不对称性越大，气相分流系数的变化幅度越大。因此在分派器设计时应当尽量使两回路阻力特性接近对称。第4章 旋流型管壁取样分派器实验4.1 实验系统为了可以获取准确、可靠的实验数据，本文是在大型多相流实验环道上进行了相关的气液两相流流动实验，通过实验设备测得主管与支管的气液两相流量，计算其分流系数。4.1.1 实验环道图4-1 多相流实验环道图4-1为整个实验环道的布置图，环道采用3英寸不锈钢管焊接而成，全长380m，管道内径为0.08m。实验环道布置在30m70m的场区中，为尽也许减小弯管对气液相流动的影响，弯管曲率半径尽也许大。根据场地情况，设计的弯管曲率半径不小于100D。环形管道的设计工作压力为8kg/cm2，从而实现实验所有流型的目的。1气液相供应系统实验用气由V13/12.5型压缩机供应，最大供气压力12.5kg/cm2，最大供气量为1380m3/h。压缩机出口分别连接有1m3和2m3的气体储罐，以平衡压缩机排气的波动。液相采用水，由TS50-32-250清水离心泵供应，清水离心泵供液量为012.5m3/h。离心泵的电源上安装有变频器，通过调节电源频率改变泵的转速，从而调节排量。2入口混合器气液为了保证气液可以很好的混合均匀，气液混合点前的管路内设立一水平挡板，挡板长500mm。这种设计减小了两相之间的影响，也使得气体流量的波动大为减小，气体流量波动在35范围内。3气液相控制与计量实验装置规定液相流量范围112.5m3/h，气相流量范围11000m3/h。气液两相流量均采用气动调节阀控制，该调节阀选用的是美国Masoneilan系列调节阀。本实验选用的气相流量计为量程1001000的K8044，气体流量的密度通过测量本地温度和压力间接获得，温度采用温度传感器采集，压力通过压力传感器测的。本实验选用量程0-8m3/hr的CFM300的质量流量计。标况下的气体流量通过测量本地温度和压力间接获得，温度采用温度传感器采集，压力通过压力传感器，测的流量信号所有送入工控机，可以进行实时监测和控制。对于分流体的气相流量的测量是采用涡街流量计测量，分流体液体流量通过体积法法测量。4.2 重要实验装置 本实验采用的是旋流型管壁取样分派器，如图3-1所示，计量分流体气相和液相流量采用了如图4-2的计量分离器。为使气液初步分离，分离器入口倾角设计为70度。分离器长290mm，直径214mm，并在气体出口管线连接处增长了一层滤网，用来捕集没有分离出的小液滴。测量分流体气体流量通过涡街流量计测量，液体流量采用体积法。图4-2 测量分离器结构图4.3 实验方法 本实验重要研究不同气液流量下对旋流型管壁取样分派器的分派特性进行实验研究，实验方法如下：1实验开始前，对设备进行试压、检查、标定和校核，使其性能达成规定后接入实验系统。调试实验系统及所有的测试仪器，如调节差压变送器和压力传感器的量程。2实验时启动工控机，设立Fix 6.02平台必需的一些参数，选择气量和液量，设立终端捕集器的液位；启动LabVIEW高速数据采集系统，待流动稳定后开始采集数据。3运用气动调节阀通过工况机将气、液两相的流量调节到工况设定值，