稳态情况下两相流分相流量的测量装置

摘要

本发明公开一种稳态情况下两相流分相流量的测量装置，主要包括：汽水分离器、气体流量计、石英玻璃管、减压阀和截断阀；汽水分离器的侧壁上水平设有两相流进口和第一出口，底壁上竖直设有第二出口；竖直设置的第二出口为两相流分离后液体出口，水平设置的第一出口为气/汽体出口；第二出口连接有第一金属管，第一金属管密封连接带有刻度的石英玻璃管，石英玻璃管下部密封连接带有截断阀的第二金属管相连；第一出口通过法兰密封连接带有气体流量计和减压阀的金属管道。本发明满足空气-水或蒸汽-饱和水的两相流分相流量的测量要求，工作安全可靠，设计合理，结构紧凑，操作简单，适合应用于较高压力情况下的两相流分相流量测量，尤其适合于高含气率两相流测量。

说明书

技术领域

本发明属于流体计量技术领域，特别涉及一种稳态情况下两相流分相流量的测量装 置。

背景技术

汽/气液两相流广泛存在于能源、化工等领域。对于两相流中分相流量等参数的测量主 要可分为非传统测量手段与传统测量手段两类。非传统测量手段往往采用新技术进行测量， 这种方法具有实时性、快速性等特点，但此类装置往往复杂，价格昂贵，使用条件要求高， 对测量现场要求苛刻等不足，而且对于其准确性饱受争议，例如，采用射线，探针等。而 利用传统的结合单相流仪表的方法与装置测量两相参数，具有技术成熟，成本低，结构简 单，操作方便等优点。

中国专利申请第200310108142.1号公开了一种电容层析成像系统的油气两相流测量方 法及其装置；该方法采用反投影算法重建出油气两相流介质分布图像，实时显示管道内流 型，采用模糊模式识别进行流型的在线自动辨识，采用基于Tikhonov正则化原理和代数重 建技术的组合型新型图像重建算法重建出反映油气两相流介质分布的图像，并经图像处理 获得油气两相流的空隙率。该装置依次具有阵列式电容传感器，电容数据采集单元和用于 图像重建、数据处理与显示的计算机。该装置可以对油气两相流进行非介入性测量，流型 显示速度50帧/秒以上，对于均相流、层状流、波状流和环状流等典型流型，其辨识的准确 率高于95％，判别一个流型时间小于0.3秒，对于塞状流的辨识准确率高于90％，空隙率 测量误差小于5％。但是，此装置技术复杂，操作麻烦，且对于两相滑速比不等于1的情况 下，该装置无法得到两相分相流量。

中国专利申请第200610129787.7号公开了一种基于截面测量的气液两相流测量方法及 装置，该测量装置，在计量管道上依次设有电学层析成像传感器阵列、压力传感器、V形 内锥式节流元件计，与节流元件配套设置差压变送器，在计量管道内还设置有温度传感器， 所述的各个传感器、差压变送器分别与数据采集装置相连，数据采集装置采集的数据被传 送至计算机。该发明同时提供一种此装置所采用的测量方法，利用单相流测量仪表及基于 电学敏感原理的过程层析成象技术解决了工程上难以解决的气液两相流测量问题，具有不 需要两相分离、不需要两相均匀混合、具有温度、压力补偿功能、测量精度高、可靠、可 获取测量信息多、成本低、使用范围广等特点。但是，通过该装置得到的两相分相流量、 质量含气率皆是间接测量量，而且需要通过实验标定来引入V型节流元件的修正系数，技 术复杂，不够简单直接。

中国专利申请第200710114911.7号公开了一种基于电容传感器与标准文丘里管的低含 气率气液两相流测量装置。该装置由计量管道、计量管道前端的电容传感器、计量管道中 部的混流器、计量管道后端的标准文丘里管和温度传感器、与标准文丘里管连接的差压传 感器、A/D转换卡和计算机组成。电容传感器经A/D转换卡接计算机。但是，该装置结构 相对复杂，且不适合于高含气率两相流的测量。

中国专利申请第201110210613.4号公开了一种气液两相流测量装置，包括有介质流通 管、数据采集单元、数据处理器。介质流通管中串接有流量传感器、电容传感器。差压变 送器通过测压孔与流量传感器相连接，同时通过信号输出端与数据采集单元、数据处理器 相连接；在所述的电容传感器上并联有阻抗测试仪和微波发射测试仪；阻抗测试仪和微波 发射测试仪通过信号输出端与数据采集单元、数据处理器相连接。该发明可在气液两相流 不分离的情况下同时对气液两相流的流量以及流相含率进行测定，从而以一种简便的方式 实现了气液两相流量与相含率的准确测量。但是，该装置技术复杂，后期处理工作大，数 据采集与传输易受电磁场的影响。

另外，Reimann，Smoglie，Yonomoto，Hassan，Bowden等人（J.Reimainn,M.Khan,flow through a small break at the bottom of a large pipe with straitified flow，Nuclear Science and Engineering：88,pp.297-310,1984；C.Smoglie,J.Reimainn,two-phase flow through small branches in a horizontal pipe with stratified flow，International Journal of Multiphase Flow vol 12, No.4,PP.609-625,1986；T.Yonomoto,K.Tasaka,new theoretical model for two-phase flow discharged from stratified two-phase region through small break[J],Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY，25(5),pp.441-455,1988；I.G.Hassan,H.M.Soliman,G.E.Sims, J.E.Kowalski,two-phase flow from a straitified region through a small side branch,Journal of Fluids Engineering,VOL.120,pp.605-612.1998；Robert C.Bowden,I.G.Hassan,the onset of gas entrainment from a flowing stratified gas-liquid regime in dual discharging branches, International Journal of Multiphase Flow 37(2011)1358-1370）将两相流引入一个大容器，由 于重力作用两相流中气相将位于容器上部，液体位于容器下部。然后容器上方出口引出两 相流中气相，流过气体流量计。容器下方出口引出大容器底部的液相，流过液体流量计得 到液相流量，或将大容器底部液相引入量筒测量一定时间内容器内液相质量变化（称重法） 得到液相流量，或通过压差反映大容器内液位的变化，进而推算得到液相流量。但是，该 方法利用重力进行汽水分离，比较适合于分层流动情况下两相流的空气-水分离，对于其它 形式的流动，如弹状流、泡状流等气液混合在一起，无明显、清晰分界面的两相流，光靠 重力分离效果不佳，气相会夹带液相而进入容器上部气出口，造成分相流测量偏差。而且， 该方法并没有任何保温或散热补偿措施，由于蒸汽的冷凝的影响，无法进行蒸汽-水两相流 的分相流量测量，所以该装置不适于分层流以外的其它流型的两相流的分相流量测量，并 且不适合与蒸汽-水两相流分相流量测量。另外，上述方法并没有考虑到如何维持大容器内 压力稳定，只适合于较低压力情况下的分相流量测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术缺点，提供了一种稳态情况下两相流分相流量的 测量装置，其适合于较高压和较高含气率的两相流环境。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种稳态情况下两相流分相流量的测量装置，主要包括：汽水分离器、气体流量计、 带刻度的石英玻璃管、减压阀和截断阀；汽水分离器的侧壁上水平设有两相流进口和第一 出口，汽水分离器的底壁上竖直设有第二出口；竖直设置的第二出口为两相流分离后液体 出口，水平设置的第一出口为气/汽体出口；第二出口连接有第一金属管，第一金属管密封 连接带有刻度的石英玻璃管，石英玻璃管下部密封连接带有截断阀的第二金属管；第一出 口连接有第三金属管，第三金属管通过法兰密封连接带有气体流量计和减压阀的金属管道。

本发明进一步的改进在于：汽水分离器的外表面缠有电热丝；所述测量装置外周包覆 保温棉。

本发明进一步的改进在于：第一金属管和第二金属管结构相同，均自带金属法兰；第 一金属管的第一金属法兰和第二金属管的第二金属法兰均间隔设有若干螺栓孔；与大地固 定的第一固定法兰和第二固定法兰分别对应第一金属法兰和第二金属法兰，且对应间隔设 有若干螺栓孔；石英玻璃管的外径小于第一固定法兰和第二固定法兰的内孔直径；石英玻 璃管设置于第一金属管和第二金属管之间；第一固定法兰和第二固定法兰套于石英玻璃管 外周，且位于第一金属法兰和第二金属法兰之间；第一金属管和第二金属管的端部均设有 密封垫片；第一金属法兰和第一固定法兰通过螺栓和螺母固定连接，第二金属法兰和第二 固定法兰通过螺栓和螺母固定连接，使石英玻璃管密封固定连接在第一金属管和第二金属 管之间。

本发明进一步的改进在于：第一固定法兰和第二固定法兰间的距离小于石英玻璃管的 长度。

本发明进一步的改进在于：第一金属管和第二金属管的端部均设有一个凹槽，密封垫 片设置于所述凹槽内。

本发明进一步的改进在于：所述密封垫片的截面呈L形，其接触石英玻璃管的端面和 侧面。

本发明进一步的改进在于：第一金属法兰和第二金属法兰均间隔45°开八个螺栓孔。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本装置结合传统成熟的单相流量测量方法和装置，可以准确并且可靠的测量两相流 中分相流量。

2.本测量装置，通过减压阀与大气相连，确保了大气压力不会直接影响到装置内压力， 保证了本装置内压力环境的稳定，适合于较高压力下的分相流量测量。

3.本装置表面缠绕加热丝进行热损失补偿，并对本装置全部加装保温棉，可用于测量 空气-水两相流分相流量，亦可用于测量蒸汽-饱和水两相流分相流量，将蒸汽冷凝的影响 降到最低。

4.对于较高含气率的两相流，当两相流中液相含量小到流量计难以测量时，本装置可 以通过长时间的收集两相流中液相，而得到准确的液相流量。

5.本装置结构简单，操作方便，将所要测量两相流引入本装置即可进行测量。

6.采用本发明中的玻璃管密封结构，无需对易碎的玻璃光管进行任何额外的加工处理， 简化玻璃管的加工工艺，降低成本。

7.本发明中相邻的固定法兰与金属管上法兰的间距可以尽量接近，以便使用较短的连 接螺栓，重力对螺栓弯曲的影响可忽略，增加螺栓的重复使用寿命。同时，避免了采用较 长螺栓时，螺栓对玻璃管过多的遮挡，有利于玻璃管内液位的观测。

9.采用本方法进行密封连接，操作方便快捷，可以反复使用。

10.通过选择合适的金属管壁以及合适的玻璃管壁的厚度，并选用合适的密封垫片，本 发明可以保证不同的管内压力，不同流体温度条件下的金属管与玻璃管的密封连接。

总之，本发明满足空气-水或蒸汽-饱和水的两相流分相流量的测量要求，工作安全可 靠，设计合理，结构紧凑，操作简单，适合应用于较高压力情况下的两相流分相流量测量， 尤其适合于高含气率两相流。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为第一金属管、第二金属管和石英玻璃管之间的密封连接示意图；

图3为沿图2中A-A线的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明稳态情况下两相流分相流量的测量装置，主要包括：汽水分离器1、 气体流量计2、带刻度的石英玻璃管3、减压阀4和截断阀5。

汽水分离器1的侧壁上水平设有两相流进口8和第一出口，汽水分离器1的底壁上竖 直设有第二出口。竖直设置的第二出口为两相流分离后液体出口，水平设置的第一出口为 气/汽体出口，其连接有金属管11。第二出口连接有第一金属管12，第一金属管12密封连 接带有刻度的石英玻璃管3，石英玻璃管3下部与带有截断阀5的第二金属管10密封相连。 第一出口连接第三金属管11，第三金属管11通过法兰密封连接带有气体流量计2和减压阀 4的金属管道。

按照图1所示，组装好本装置，将本装置的两相流进口8与两相流管道法兰连接，当 所要测量的两相流流入汽水分离器1（可选用波纹板汽水分离器或其他分离效率较高的汽水 分离器）后，两相流体在汽水分离器1内发生高效的分离，由于重力的作用，两相流体中 的液体进入到带有刻度的石英玻璃管3，记录一段时间内石英玻璃管3内液位的变化，即可 推算出两相流中液相的流量。当石英玻璃管3中液体太多无法继续进行测量时，可以打开 截断阀5，将过多的液体排出，然后重新进行测量。两相流中的气/汽体流出汽水分离器1， 通过第一出口流经气体流量计2（可选用涡街流量计），便得到两相流中气/汽相的流量。最 终气/汽体通过减压阀4流入大气环境中。需要特别注意的是，对于蒸汽-饱和水两相流，由 于蒸汽冷凝会造成两相流分相流量的严重偏差。因此，进行蒸汽-饱和水两相流的分相流量 测量，需对汽水分离器1外表面加装电热丝7，补偿本装置的热损失，同时在汽水分离器1、 气体流量计2、石英玻璃管3和减压阀4外周包覆保温棉6，以尽量减少蒸汽冷凝。

如图2和图3所示，第一金属管12和第二金属管10结构相同，均自带金属法兰，第 一金属管12的第一金属法兰120和第二金属管10的第二金属法兰101均间隔45°开8个 螺栓孔。与大地固定的第一固定法兰30和第二固定法兰300分别对应第一金属法兰120和 第二金属法兰101，同样间隔45°开8个螺栓孔，第一固定法兰30和第二固定法兰300与 大地牢牢固定，是能否保证管间密封连接的关键，图中第一固定法兰30和第二固定法兰300 间的距离应该略小于石英玻璃管3的长度，即满足固定法兰3与金属法兰11间的距离以及 固定法兰30与金属法兰101间的距离尽量的小，以便不至于使用过长的连接螺栓50；石英 玻璃管3的外径小于第一固定法兰30和第二固定法兰300的内孔直径，这样石英玻璃管3 可以穿过第一固定法兰30和第二固定法兰300；第一金属管12和第二金属管10的端部均 设有一个凹槽，该凹槽内设有密封垫片20，密封垫片20位于第一金属管12、第二金属管 10和石英玻璃管3之间；第一金属法兰120和第一固定法兰30、第二金属法兰101和第二 固定法兰300通过多个连接螺栓50和螺母40连接，旋紧连接螺栓50和螺母40起到压紧 金属管与石英玻璃管3的目的。应用本发明，通过与大地固定的固定法兰，为管间密封提 供可靠的受力面，在使用螺栓连接固定了一侧的固定法兰与金属管法兰之后，在旋紧另一 侧的连接螺栓的同时，即相当于石英玻璃管3两侧的金属管同时沿着轴向施压于玻璃光管。 因此，应用本发明实现了石英玻璃管与金属管的密封连接要求。该种连接结构，无需对易 碎的玻璃光管进行任何额外的加工处理，简化玻璃管的加工工艺；本发明中的使用较短的 连接螺栓，重力对螺栓弯曲的影响可忽略，增加螺栓的重复使用寿命；采用本方法进行密 封连接，操作方便快捷，可以重复使用；通过选择合适的金属管壁以及玻璃管壁的厚度， 并选用合适的密封垫片，本发明满足不同的管内压力，不同流体温度条件下的金属管与玻 璃管的密封连接要求。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发 明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本 发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交 的权利要求书确定专利保护范围。