分析双相流体流动的方法和系统技术方案

本发明专利技术提供了一种用于分析在管道（４０）中的双相流动流体的方法和系统，它发射声波能量，使其穿过管道（４０）并进入至其中的流体，并检测返回回声信号。由返回回声信号计算出一个或多个流动指标量，并且由所述的计算出的流动指标量，确定质量流速和流动特性中的至少一个。（*该技术在2015年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及利用超声波技术和其它的传感器，分析双相流体流动，确定双相流体流动的特性和质量流量的方法和装置。本专利技术的
技术介绍
在管道中的双相流体流动，是指同时包括有气体和液体，或气体和固体，或液体和固体的流动。气/液双相流体的一个实例是在管子中流动的水和空气；气/固双相流体的一个实例是在管子中流动的煤炭颗粒和空气。目前已知可以用超声波技术来确定在管道中的双相流体流动的存在。如举例来说，美国法定专利技术注册登记No.H608就公开了一项这样的技术。这类技术的主要特点包括，发射一个超声波脉冲，使其横向穿过管道，如果流体是单相的(即均为液体)，则在一定的时滞之后，可以接收到作为反向回声信号的返回脉冲，而且由远侧管壁给出的这一返回脉冲是相当强的，而且是相当尖锐的。如果液体中包含有气泡，则会形成多个小反射，并使由远侧管壁给出的主要返回回声信号是模糊而弱小的。如果是在管道中存在有具有限定的气/液界面的双相流体，则由于反射回声信号是由该气/液界面，而不是由远侧管壁发射回来的，所以反射回声信号相当强，但是比仅有液体流动的情况更早地出现。如果该流体存在有限定的气/液界面，而且在液体里还包含有气泡，则由于液体中气泡的存在，会出现许多小的反射，而且反射回声信号会比仅有液体流动的情况更早地出现，而且更弱一些。然而，这种测量方法仅能够测定出双相流体流动是否存在，而不能够完全确定该双相流体流动。特性是指双相流体在气相中的质量系数。特性与质量流量一起确定着由流体流动实现的热传递的能(熵)的量，所以它是一个定义流动系统状态的关键变量。因此，要完整地描述流体流动，就需要对特性和质量流量进行测量。需要进行质量流速和特性测量的原因之一，就是为了能够调节系统中流动的某一相流体的流速。典型的液/气双相流体流动包括有与部分管壁或全部管壁(随流动参数和相对于重力方向的流动倾角的不同而不同)相接触的液体薄层。液体与连续的或间断的蒸气流大体上相分离。由于确实存在有可识别的液-气界面，所以通过建立适当的边界条件，可以分别对液体流和气体流的几何形状、流速，以及轴向压力下降行为等等进行分析。如果能够确定出管道中的液体流的厚度，便可以利用各种流动模型，对许多种不同的质量流速预测出薄层厚度相对于特性的变化曲线。这类技术可以参见1969年美国New York州Mcgraw-Hill地区的Wallis，G.B.著的One-dimensional Two-Phase Flow中的第51-54页和第315-374页；1949年的Chemical Engineering Progress第45卷第1册第39-48中的Lockhart，R.W.和Martinelli，R.W.著的“ProposedCorrelation of Data for Isothermal Two Phase，Two ComponentsFlow in Pipes”；1954年的Transactions的ASME第76卷第1册第73页中的Deissler，R.G.著的“Heat Transfer and Fluid Frictionfor Fully Developed Turbulent Flow of Air and Super CriticalWater with Variable Fluid Properties”。然而，利用超声波方法测量液体流动薄层厚度的现有方式，是相当麻烦的。在液体流中气体泡的存在，液体在管道中传播时的大尺度波的存在，在液/气界面处的小尺度厚度变化，以及其它的在管道中的类似的“混沌”状态，均会对利用超声波技术测量薄层厚度的能力带来巨大的影响。如果在管道中存在有一种或多种上述的这类情况，由超声波传感器给出的返回回声信号曲线，就可能不再是薄层厚度的一种良好的指示。而且，具有高特性的低流体流速将导致相当高的混沌流动，这就和具有低特性的高流体流速时的情况一样。这种混沌流动将使已知的薄层厚度测量技术无法再使用。因此，仅仅这种混沌流动得到的返回回声信号的轨迹曲线，似乎并不是一个薄层厚度的良好指标量。可用于测量通常与管壁接触的液体薄层厚度的其它技术还包括，取样技术，热探测技术，薄层电感或电容测量技术，以及伽玛密度测定技术等等。虽然这些技术有的强一些，有的弱一些，但是没有哪一种技术具有反射型超声波技术所具有的优点。超声波技术是一种非侵入式的技术，它具有快速响应，良好的长时间精确性和灵敏度，并且可以在相当大的温度变化范围内应用于各种工作流体的测量。此外，即使采用非超声波技术进行厚度测量，也需要根据大量的假设，构造出用于估价流动特性和质量流速的各种流体流动模型，而这些假设往往会导致精确度下降。在另一方面，如果不测量出薄层厚度或一个相关的参数，如中空比率等等，是不能够精确地实施特性和/或质量流量的测量的。如举例来说，流量计并不能指示出流动着的流体是液体还是气体，而且流量计也不能应用于许多种场合。诸如在空气流动中散布着煤炭颗粒的典型的气/固双相流体流动，通常包括着在管道中传递的煤炭颗粒的索式结构。目前还没有哪一项技术可以精确地测量出在管道中的煤炭的量。在煤炭热电厂的运行过程中采用的试改方法，不仅效率很低，而且会产生空气污染。为了优化燃烧方式，就必须要能够获知传递至燃烧器的煤炭的量和空气的量。因此，除了测定双相流体流动是否存在之外，目前进行的主要研制工作主要集中在各种可实际测量双相流体流动的组件的方面。这些研究成果力图可以描述出流动在某些方面的平均值，诸如压力下降值，中空比率，薄层厚度，速度或密度等等。这些方法中所存在的一个问题是，仅仅获得任何一个单一的值并不足以对双相流体的流动进行限定。双相流体流动包括有两种分离的流体流动(相A和相B)，而且它们以非常复杂的方式彼此作用。如果利用平均值，则至少要测量出两个独立的量，才能够对这种流动进行描述。不仅如此，诸如压力下降和速度等等的一对给定的观测值，往往并不能在比较大的工况状态中，对由相A和相B构成的质量流速给出一种灵敏的指示。因此，对于不同的流动状态，常常需要对观测量做不同的组合。可以采用根据目前已知的平均化技术研制出的适当的仪器，实施应用这些技术。然而，采用目前已知的平均化测量技术的组合形式所进行的实际应用，有许多并不能提供出预期的结果。如举例来说，某些应用要求完全的非侵入式流动测量。其它一些应用可能会受到几何尺寸方面的限制，使得只能使用给定尺寸和形状的仪器。其它的就用可能要求在相当宽范围的流动状况下对流动的精确测量。另外还有一些应用是以价格为主要因素的，因而要求所使用的仪器必须非常便宜。本专利技术的一个优点在于，它指出对于现有的任何一种有意义的测量技术，不论是快速测量还是持续性测量，均可以用来测定双相流体流动的流体。任何一种应用均必须能够进行某种有意义的流体流动观测，所以本专利技术保证可以依据本专利技术研制出一种实用化的仪器。本专利技术的方法基于对双相流体流动的简单而深奥的观测。首先，双相流体流动是具有可测定性的，因为它们要满足一定物理定律。因此虽然双相流体流动的过程是非常复杂的，但流动行为仍将具有基本的次序。一个指定波、颗粒或气泡的流动行为尽管是复杂的，但决不会是完全随机的。其次，由于双相流体流动的可确定性和行为呈非常复杂的形式，所以它们看上去本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种确定在管道中的双相流动流体的特性的方法，包括下述的步骤：发射声波能量穿过管道并进入至流体，以由流体产生返回回声信号；检测由流体返回的回声信号，计算双相流动流体质量流速；以及由返回回声信号，确定质量流速和流动特性中 的至少一个。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：怀恩希尔，
申请(专利权)人：福斯特米勒公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]