基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法技术

本发明专利技术提供一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号和液膜传感器输出的液膜厚度序列；对涡街流量计的时序信号行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率f

【技术实现步骤摘要】
基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法
本专利技术属于湿气分相流量测量领域，涉及一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法。
技术介绍
湿气流动广泛存在于天然气行业，对其进行准确计量对于管道输运、贸易结算有重要影响，直接关系到环境保护、能源管理和充分利用[1]。针对两相流测量，目前主要有两种方法。传统方法是分离之后再分相计量，但设备昂贵、体积庞大、无法实现在线测量[2]。另一种方法是利用传统单相流量仪表进行非分离的在线测量方法，该方法具有传感器体积小、可在线测量等优点。在湿气气相流量测量中，涡街流量计因其稳健、经济、量程比高、压损小而被广泛应用于湿气气相流量的在线测量[3]。然而，当传统的单相涡街流量计应用到湿气测量时，湿气中的少量液相会影响仪表系数，使测得的气相流量偏高(过读，overreading，OR)，最大可引起20％的测量误差[4]。为了提高涡街流量计在湿气中分相测量的测量精度，需要对过读进行补偿。在湿气流动中，液相一部分以薄液膜形式在管壁附近低速流动，一部分以离散液滴形式被气核所夹带[5]。其中涡街的过读与两相内部流动状态(液滴、液膜)有着密切联系。但由于两相流动的复杂性，目前没有统一的涡街过读预测公式。其中，文献[6]中研究认为液滴直径是影响涡街稳定性的重要因素。文献[3]通过液滴加载量和斯托克斯数建立涡街过读模型。文献[7]中研究根据环状流的液滴沉积和夹带理论，综合了速度滑移、夹带率和液滴直径的影响，计算过读修正因子。上述研究虽然提供了涡街过读的理论公式，但由于液滴参数(夹带率、液滴直径、液滴速度等)难以实时测量，难以直接用于湿气流量的在线测量。目前针对液滴加载量、液滴直径等液滴参数的测量，常用液滴参数测量手段包括电导法、超声法、光学法等，但这些方法仅适用于特定工况，例如：光学法要求管路透明，且管路内部一般为低压。同时，实验设备复杂，成本高，难以实现真正的在线测量。液膜参数同样是表征两相流动内部特征的重要参数，同样会影响涡街湿气测量特性。相比之下液膜参数拥有众多测量手段，其中专利CN201910134650.8中，提供了一种湿气条件下液膜厚度实时测量的方法，对于高压、高温、不透明管道及恶劣环境等，同样便于实现在线测量。结合液膜参数测量方法，结合涡街过读研究基础，可方便地实现涡街过读补偿和湿气气相流量预测分相在线测量。湿气流动中液相流量测量同样重要，常用的射线法、微波法和等速采样法等，受应用场合和使用方法限制，难以实现在线测量，同时测量成本也会大大增加[3]。综上，针对湿气中气液分相流量测量，还需要一种更为精确、易于实现在线测量的测量方法。专利201810644726.7设计了一种多参数可调的雾状流实验系统。参考文献[1].MehdizadehP,MarrelliJ,TingVC,“Wetgasmetering:trendsinapplicationsandtechnicaldevelopments,”inProc.SPEAnnu.Tech.Conf,SanAntordo,TX,USA,2002,pp.1–14.[2].林宗虎.气液两相流与沸腾传热[M].西安：西安交通大学出版社，2004.[3].李金霞.湿气涡街测量特性与稳定性研究[D].天津：天津大学，2020.[4].T.OshinowoandM.E.Charles,“Verticaltwo-phaseflowpartI.Flowpatterncorrelations,”Can.J.Chem.Eng.,vol.52,no.1,pp.25–35,1974.[5].R.Steven,“Wetgasmetering,”Ph.D.dissertation,Dept.Mech.Eng.Univ.Strathclyde,ScotlandU.K.,2001.[6].WangC,LiuQ.Influenceofdropletdiameteronvortexflowmeterinsteamflowmeasurement[C].2011SecondInternationalConferenceonMechanicAutomationandControlEngineering.IEEE,2011:4994-4997.[7].张金晶.涡街流量计在气液两相流中的特性研究[D].天津：天津大学，2015.
技术实现思路
本专利技术提供一种更为精确、易于实现在线测量的涡街湿气分相流量测量方法。本专利技术利用液膜厚度传感器和涡街流量计，通过建立涡街过读系数模型和平均液膜厚度模型，实现湿气分相流量测量。技术方案如下：一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：1)采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号s(t)和液膜传感器输出的液膜厚度序列δ(t)；2)通过工况P和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计的时序信号s(t)进行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号δ(t)求平均可得平均液膜厚度δ；3)根据式(1)计算过读的表观气相体积流量Qg,apparent其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数；4)根据公式(2)计算涡街过读系数OR其中，D为管道直径；k1为常值系数；5)由式(3)计算实际气相体积流量Qg6)根据环雾状流平均液膜厚度δ建模结果，计算液相韦伯数，如公式(4)所示其中，n1、n2为常数幂指数，其具体取值根据公式(4)所述函数形式拟合得到其中，气相韦伯数为液相韦伯数为Usg为气相表观流速；Usl为液相表观流速；ρg为气体密度；ρl为液体密度；σ为液体的表面张力；7)结合气液相韦伯数定义式，计算液相表观流速Usl如公式(6)所示；8)由公式(7)求解出液相流量Ql；根据以上方法，最终实现了涡街流湿气分相流量测量。并且该方法具有以下优点：(1)可实现湿气分相流量测量。该方法通过建立了过读系数OR与平均液膜厚度δ之间的关联式，对未修正气相流量进行过读补偿，实现气相流量测量。并建立平均液膜厚度δ与气液相韦伯数之间模型，求解液相流量，最终实现湿气分相流量测量。(2)简单、低成本、在线测量。利用涡街流量计、液膜厚度传感器、压力传感器和温度传感器测量相关参数，即可实现湿气分相流量测量。该方法操作简单、成本低，并且可实现在线测量。(3)预测精度高。在湿气工况条件下利用该方法进行了气、液相流量的预测。示例中，气相体积流量预测，相对误差在±1.8％以内；液相体积流量预测，相对误差在±8％以内。附图说明图1：测量装置总体示意图图2：信号采集流程图图3：基于迭代的湿气分相流量测量实施流程图图4：过读系数OR与气液相韦伯数关系图图5：气相体积流量预测误差示意图图6：液膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：/n1)采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号s(t)和液膜传感器输出的液膜厚度序列δ(t)。/n2)通过工况P和T分别计算气体密度ρ

【技术特征摘要】
1.一种基于液膜厚度建模的涡街湿气分相流量测量方法，包括下列步骤：
1)采集两相压力P、两相温度T、涡街流量计时序信号s(t)和液膜传感器输出的液膜厚度序列δ(t)。
2)通过工况P和T分别计算气体密度ρg和液体密度ρl；对涡街流量计的时序信号s(t)进行快速傅里叶变换提取涡街信号的频率fVS；对液膜厚度传感器测得的液膜厚度序列信号δ(t)求平均可得平均液膜厚度δ；
3)根据式(1)计算过读的表观气相体积流量Qg,apparent



其中，Kv为涡街流量计在单相气中的仪表系数；
4)根据公式(2)计算涡街过读系数OR


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【专利技术属性】
技术研发人员：李金霞，丁红兵，孙宏军，刘雨航，吕鹏飞，
申请(专利权)人：中国民航大学，
类型：发明
国别省市：天津;12