一种气液两相流比例取样器

摘要

一种气液两相流比例取样器，主要包括分流管、主流体收集室、取样流体收集室、主流体出口管、取样流体出口管，旋流器以及差压表，取样流体通过设置在管壁的分流口进行均匀分流，通过入口流型调整和阻力调节保证各个分流口流动特性完全一致。分流比只取决于取样流体分流口占总分流口数目的比值。与现有气液两相流取样装置相比，本发明具有体积小、结构紧凑、取样比可随意调节，取样流体与主流体具有相同的气液组成，不受入口气液相流速、流型等参数的影响。

说明书

技术领域

本发明属于流体分配领域，特别是涉及一种用于气液两相流均匀取样的比例取样器。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工、核能等许多工业领域。在存在气液两相流动的系统中，通常需要对气液两相流进行取样来分析两相流体的组成,甚至通过流体取样来测量气液两相流流量。然而当气液两相流通过取样器时，进入取样管的气液相比例通常与被取样管路内的气液组成出现差异，这就是所谓的气液相分离现象。众多实验研究表明，气液两相流取样特性不但取决于分配器结构，还与各分配器上、下游流动参数密切相关。即使分配通道结构完全相同且安装完全对称，如果各分配通道入口气液相分布不同或下游各支管路阻力特性不一致也会发生相分离。

为实现均匀取样，王栋等人提出了一种取样管式取样装置(王栋，林益，林宗虎.取样管型分流分相式气液两相流体流量计[J].工程热物理学报，2002,23(2)：235-237)。取样管位于主管内部，取样口正对来流方向，取样管上游设置有混合器。气液两相流体首先在混合器内进行加速、混合，随后进入取样口。其存在主要问题是，取样口正对气液来流，容易造成取样口堵塞。此外，由于难以满足等动能取样条件，取样比很难保持恒定。

为了克服现有技术的缺陷，本发明提出一种新型气液两相流比例取样器，取样流体通过设置在管壁的分流孔进行均匀分流，通过入口流型调整和阻力调节保证各个分流孔流动特性完全一致，取样比只取决于取样流体分流孔占总分流孔数目的比值。与现有气液两相流取样装置相比，本发明具有体积小，结构紧凑，取样比可随意调节，不受入口气液相流速、流型等参数的影响，能够在宽广的气、液流量范围维持恒定的特点。

发明内容

本发明主要包括分流管、主流体收集室、取样流体收集室、主流体出口管、取样流体出口管，旋流器以及差压表，分流管的管壁上布置有贯穿管壁的若干个分流孔，旋流器布置在分流管内分流孔的上游，分流管的下游出口由盲板封闭；主流体收集室布置在分流管的外缘，取样流体收集室布置在主流体收集室的外缘，主流体出口管与主流体收集室相连通，取样流体出口管与取样流体收集室相连通，分流管上的分流孔由取样流体分流孔和主流体分流孔两部分组成，取样流体分流孔通过取样管与取样流体收集室相连通，主流体分流孔直接和主流体收集室相连通。

所述的若干个分流孔的结构完全相同，均位于与分流管的中心轴线垂直的同一平面上，数目不小于2，沿分流管的管壁均匀布置。

所述的旋流器由中心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片的外缘与分流管的内壁保持贴合。

所述的差压传感器的两根引压管分别和主流体收集室和取样流体收集室相连通。

所述的主流体出口管上安装有主流体阻力调节阀，取样流体出口管上安装有取样流体阻力调节阀。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)取样比只取决于取样流体分流孔占总分流孔的比例，可根据需要任意调节；

(2)在旋流器作用下，不同流型转变为液膜均匀分布的环状流，消除了气液两相流流型波动对测量的影响；

(3)各个分流孔流动特性完全相同，取样流体与主管道具有完全一致的气液相组成，消除了常规两相流取样装置中的相分离；

(4)无运动部件，无需维护和标定，具有组成简单，生产和运行成本低、操作方便等特点。

附图说明：

图1为本发明组成示意图；

图2为本发明A-A截面示意图；

图3为整流器结构示意图；

图4为气液两相流流型调整示意图；

图5为本发明工作原理图；

图6气相流速为5.0m/s时气、液相取样比实验结果；

图7气相流速为10.0m/s时气、液相取样比实验结果。

具体实施方式:

如图1所示，本发明主要包括分流管1、主流体收集室2、取样流体收集室3、主流体出口管4、取样流体出口管5、旋流器6以及差压表7，分流管1的管壁上布置有贯穿管壁的若干个分流孔8，旋流器6布置在分流管1内位于分流孔8的上游，分流管1的下游出口由盲板9封闭；主流体收集室2布置在分流管1的外缘，取样流体收集室3布置在主流体收集室2的外缘，主流体出口管4与主流体收集室2相连通，取样流体出口管5与取样流体收集室3相连通。

如图2所示，分流管1上的分流孔8由取样流体分流孔11和主流体分流孔12两部分组成，取样流体分流孔11通过取样管10与取样流体收集室3相连通，主流体分流孔12直接和主流体收集室2相连通。

如图1、图2所示，所述的若干个分流孔8的结构完全相同，均位于与分流管1的中心轴线垂直的同一平面上，数目不小于2，沿分流管1的管壁均匀布置。

如图3所示，所述的旋流器6由中心轴15和螺旋叶片16组成，螺旋叶片16的外缘与分流管1的内壁保持贴合。

如图1所示，所述的差压传感器7的两根引压管分别和主流体收集室2和取样流体收集室3相连通。

如图1所示，所述的主流体出口管4上安装有主流体阻力调节阀13，取样流体出口管5上安装有取样流体阻力调节阀14。

本发明工作原理说明如下：

由图5所示，旋流器6布置在分流管1的内部，旋流器6的中心轴15上绕制有旋流叶片16，旋流叶片16的外缘保持和分流管1的内壁保持贴合。当气液两相流通过旋流器6时，被迫沿着旋流叶片16与分流管1的内壁及中心轴15所形成的螺旋流道流动，从而发生旋转。因液相密度远大于气相密度，在旋转产生的离心力作用下液体被甩向管内壁，形成液膜17贴着管壁流动，而气体在管中心流动。

对于无旋流装置的水平管道，在重力作用下，气液在管截面分布呈现明显的不对称性，底部液相较多，而气相主要集中在分流管1的上部。当存在旋流装置时，如图4所示，通过旋流器6后，分层流、波浪流、半环状流、不对称环状流等流型都调整为液膜17沿管周均匀分布的环状流型。

气液两相流通过旋流器6后继续向分流管1下游流动，由于分流管1末端由盲板9封闭，气液两相来流全部通过布置在分流管管壁上的分流孔进行分流:一部分通过主流体分流孔12，进而进入主流体收集室2；另一部分进入取样流体分流孔11，随后进入取样流体收集室3。

观察差压表7的指针读数判断主流体收集室2和取样流体收集室3的压力是否相同，如不相同则调整主流体出口管4上的主流体阻力调节阀13和取样流体出口管5上的阻力调节阀14的开度，直至差压表读数为0。由图1可知，主流体分流孔12与主流体收集室2相连通，取样流体分流孔11与取样流体收集室3相连通，若主流体收集室2和取样流体收集室3的压力相等，则表明主流体分流孔12和取样流体分流孔11出口压力相等。

进入分流孔8的气液相流量取决于分流孔8入口处气液相分布以及分流孔8前后差压。由于各个分流孔8处于同一截面上，其入口压力相等，通过阻力调节阀13和阻力调节阀14的调节，各个分流孔8的出口压力也一致。另外，在旋流器6的作用下，各个分流孔8入口处气液分布也完全相同。从而，进入各个分流孔的气、液相流量完全相同，各个分流孔8的流动特性完全一致。

通过取样流体分流孔11的气液混合物通过取样管10进入取样流体收集室3，在取样流体收集室3汇集后通过取样流体出口管5流出。通过主流体分流孔12的气液混合物直接进入主流体收集室2，进而通过主流体出口管4流出。

由于各个分流孔8的流动特性完全相同，取样流体的气相质量流量和液相质量流量只取决于取样流体分流孔11占总分流孔8的比例。定义取样比为取样流体占上游气液混合物质量流量的比例。若总分流孔8的数目为N，取样流体分流孔11数目为n，则取样比K可用下式计算：

K＝n/N(1)

由于进入各个分流孔的气液流量完全相同，则气相取样比K_G和液相取样比K_L也完全相同，即

K_G＝K_L＝n/N(2)

可见气液相取样比只取决于取样流体分流孔11的数目占总分流孔8数目的比例，通过改变总分流孔8和取样流体分流孔11的数目，可以实现所期望的取样比。

图6、图7为当取样流体分流孔11的数目为3，总分流孔8的数目为18时气液相分流系数实验结果。根据公式(1)，当流体分流孔数目n＝3，总分流孔数目N＝18时，理论取样比为0.167。图6为气相折算速度维持5.0m/s时，气相取样比K_G和液相取样比K_L随液相折算速度变化曲线。从图中可以看出，气、液相取样比基本相同且与理论值非常接近，最大误差小于5％。图7为气相折算速度保持10.0m/s，气相取样比K_G和液相取样比K_L随液相折算速度变化曲线。同样可以发现气、液相取样比接近理论值。从实验结果可以看出本发明气、液相取样比不随气液相折算速度的变化而变化，能在宽广的流动范围内维持稳定。

综上，气液两相流通过本发明时，取样比只取决于取样流体分流孔占总分流孔的比例，不受管道气液相流型、气液相流速等因素影响，具有广泛的适用性。