基于近红外面源传感器的气液两相流相含率测量

1 引 言

气液两相流是工业中最为常见的一种混合流动状态[1～3],它与流体力学、计算机科学等学科互相渗透,因此对其相含率的研究具有现实意义。相含率的测量有重要意义,以原油交易为例,原油就是一种油水混合液体,对其含水率的精确测量能保证交易双方的利益,但是目前对相含率的测量仍处于实验阶段[4,5]。近红外光谱测量技术是一种新型的相含率检测技术,该技术具有简单易操作,穿透性强且传输距离远,高效环保检测过程无污染等优点,广泛应用于生物工程、化学化工、食品药品等行业[6,7]。宋涛[8]等根据水对特定波长近红外光有活性吸收特性,设计研制了含水率测量系统,并通过实验提出完善方案。邓孺孺[9]等设计了一种可用于测量纯水吸收系数的装置,测量了不同厚度水层的消光系数,得到了纯水在400～900 nm波段的吸收系数。方立德[10]使用波长为980 nm激光二极管和硅光电二极管,对水平及垂直流向的两相流进行了实时在线测量。梁玉娇[11]通过静态及动态实验确定了近红外光的波长,得到了液相含率的估计值拟合公式。李明明[12]设计了2种气液两相流相含率检测装置。

基于近年来对近红外光检测技术进行的研究,证明利用近红外法测量气液两相流的相含率是切实可行的,但是目前基于近红外面源传感器测量相含率却鲜有报道。因此,本文提出一种新的气液两相流相含率检测方法,将圆形实验管道替换为矩形管道,在矩形管道的相对两面上装上玻璃视窗。定制矩形光源作为近红外发射装置,令面光源发光面积大小与玻璃视窗保持一致,避免了流体不被照射与多次重复照射的问题,达到提高数据准确性与测量精度的目的[13,14]。

2 结构设计及仿真研究

2.1 结构设计

原有实验圆形管道如图1所示,测量管段为不锈钢管道内嵌套有机玻璃管,近红外探头垂直安装在测量管段上,此类近红外检测探头发射的近红外光,在通过不同介质时产生的折射角不一致,也会在接触到圆形玻璃时发生折射,导致近红外接收探头不能完全接收衰减后的近红外光。原有的探头布置是两两相隔,存在探头之间的流体没有被照射的问题,对数据的准确性造成一定影响。

图1 近红外探头安装示意图
Fig.1 Near infrared probe installation diagram

对矩形主管道5按矩形流量计节流件的形状进行弯折加工,选择两面对称弯折,得到收缩段2与扩张段6最终得到一个正视图类似文丘里管的节流式差压流量计如图2所示,节流件为两个梯形,喉部板间距、收缩角和扩张角需要由仿真确定,箭头方向为流体流向。

图2 检测装置结构图
Fig.2 Detection device structure
1—取压管; 2—收缩段; 3—不锈钢支撑板; 4—有机玻璃视窗; 5—矩形主管道; 6—扩张段; 7—喉部; 8—橡胶垫圈

不同大小流量的流体在经过节流件时产生的压力差信号是不一样的,可以根据收缩段前后两端的压力差值计算竖直管道内流过的流体总流量。气液两相流的相含率不同,被采集得到的近红外信息也不同,数据处理单元可以根据收到的光强信息推算流道内的各相相含率,最终达到测量目的。

2.2 仿真研究

2.2.1 仿真模型

CFD流体仿真软件可以用于模拟和分析流场内存在的热传递、化学反应、参数变化等问题,工程上常利用它来进行复杂、理想情况下的数值模拟。通过它来进行新型矩形差压流量检测的结构优化,通过修改结构参数,获得不同结构下差压流量计内部流场的速度矢量、压力、流动状态等信息,作为装置结构设计的参考。

根据新型矩形差压流量计的实际尺寸,建立流量计的三维仿真模型。实验室现有的实验管道是口径D为50 mm的圆形管道,考虑到矩形管道与圆形管道的连接,圆形管道截面为矩形管道截面的内切圆或外接圆,由于节流式差压流量计压力差来源于管径变化,利用截面积更大的矩形管道容易进行节流件的设计,所以确定矩形管道边长L为50 mm。

为了使差压流量计进、出口流体的流型充分发展,在差压流量计上下游分别增加10 L的前后直管段。由于采用管外取压的方式,取压孔对流体的影响十分微小,所以建模时可以忽略,新型矩形差压流量计的三维仿真模型如图3所示。

图3 新型矩形差压流量计的三维仿真模型
Fig.3 Three-dimensional simulation model of a new rectangular differential pressure flowmeter

在划分网格时,将三维模型分为前直管段、后直管段和中间的流量计节流件,前后直管段几何形状采用六面体结构化网格;流量计节流件部分是整个装置设计的核心,所以采用适于复杂结构的四面体非结构化网格。为了在减少网格数量的同时不影响流量计节流件部分的网格质量,在前后直管段每隔2L用interface内部面打断,生成的小直管段按照距离流量计部件部分的远近划分网格,越接近节流件网格间距spacing越小,两两相连管段的网格大小比例不能超过1.5,新型矩形差压流量计的网格划分如图4所示。

图4 新型矩形差压流量计的网格划分
Fig.4 Meshing of a new rectangular differential pressure flowmeter

2.2.2 仿真迭代参数设置

网格划分完毕后需检查网格质量,有2个指标可以判断网格质量的优劣:EquiSize Skew 与EquiAngle Skew,它们分别代表网格尺寸变形量与网格角度变形量,值越小说明网格质量越高,对于三维结构来说不能超过0.85。最后将前直管段进口设置为速度入口,后直管段出口设置为自由流出,其它管壁设置为墙壁,完成边界条件设置后就可输出.msh文件。在将.msh文件导入CFD仿真软件后,首先需要选择计算模型,这就需要确定管道内流体的流动状态。雷诺数的计算公式为:

(1)

式中:ρ为流体密度;v为流体流速;μ为黏性系数;d为管道的水力直径。

对于非圆形管道,水力直径的定义是4倍的水力半径。水力半径的定义是流体流过的管道截面积比上流体接触管道壁面的周长(湿周),假设一个矩形管道边长为a,b,水力直径就为

本文矩形管道边长为L,那么水力直径也是L。

在新型矩形差压流量计的仿真实验中,结合实验室现有条件,流体入口的最小平均流速为0.1 m/s,那么经计算可得雷诺数等于4 980, Re>2 300,所以管道内流体的流动状态是湍流,计算模型应选择湍流模型,本文选择标准K-ε模型。

传统节流式差压流量计的体积流量公式为:

(2)

式中:β为等效节流比;A为管道截面积,A=A1;C为流出系数,需要实验标定;ΔP为节流件两端压力差。

新型矩形差压流量计的等效节流比为:

(3)

由式(2)可知,知道流体经过节流件的差压值ΔP与流出系数C之后就可以得到体积流量。由于流体流动时具有水头损失,所以矩形差压流量计差压值与收缩段收缩角θ、等效节流比β有关;而扩张段扩张角α与流体通过流量计之后的永久压损有关。所以针对新型矩形差压流量计的仿真,需要对收缩角θ、扩张角α、节流件喉部板间距H、取压孔位置进行仿真确认。

根据仿真结果用304不锈钢制作了用于竖直管段的新型矩形气液两相流检测装置,用于单相流量标定与两相流流量特性及相含率特性研究,选择定制发光面积50 mm×20 mm,光源总面积60 mm×30 mm。面光源由一个二路模拟控制器控制,可以实现多路控制和发光强度的调节。近红外接收装置选用4路近红外接收探头,并排安装在玻璃视窗上。

3 单相流动实流标定实验

矩形差压流量计作为一种非标准流量计,根据差压流量计流量公式,流出系数C需要进行实流标定。利用竖直安装的气液两相流检测装置进行标定实验,单相水的流量范围是1～11 m3/h,选取流量范围内的21个工况点进行4次重复实验。

通过分析实验数据,发现流出系数C与差压值成指数关系,选用第1组数据,对流出系数进行非线性拟合。流出系数与差压值呈现出比较好的拟合状态,相关系数R2值在0.99以上,拟合效果如图5所示。拟合公式为:

(4)

式中:C为流出系数;A1=-0.038 18;t1=4.549 73;A2=-0.019 7;t2=0.434 83;y0=0.956 37; ΔP为差压,kPa。

图5 差压与流出系数拟合图
Fig.5 Differential pressure and outflow coefficient fitting map

将4组数据代入式(2)检验矩形差压流量计测量效果,误差均在±0.8%以内,4组数据拟合相对误差图如图6所示。

4 气液两相流相含率测量模型结果与分析

4.1 相含率测量实验依据

在相含率测量实验中,首先需要得到实际相含率。根据实验过程中采集到的各分相流量与分相温度、压力以及混合测量管段的温度、压力等实时数据,可以得到实际液相含率为:

(5)

图6 4组数据拟合相对误差图
Fig.6 4 sets of data fitting relative error map

式中:Ql为液相体积流量, m3/h;Qg为气相体积流量, m3/h;Pg为气路压力, kPa;Tg为气路温度, K;Pb为背景压力, kPa;Tb为背景温度, K。

将采集到的各项数据提取平均值,可得到每个工况点的液相体积含率,作为相含率测量的实际值。

4.2 相含率测量实验结果分析

本文设计的相含率检测装置在完成两相流动态实验后,比较本装置与原结构采集的近红外电压信号,通过分析同一弹状流及泡状流工况点下本装置与原装置的电压时域图可知:

1) 弹状流中的泰勒气泡头部在通过近红外检测装置时,由于其独特的形状很容易造成光的折射与反射,原装置在泰勒气泡头部通过时几乎接收不到近红外信号,本装置只在气泡头部刚通过时电压值会有小幅下降。

2) 泡状流中的小气泡不连续地分布在液相中,原装置中近红外光折射、反射很严重,接收电压整体偏低,数据不准确。新装置受小气泡影响小,电压值略大于满管说明大部分近红外光穿过小气泡被探头接收。

本装置对实验范围内的流型测量效果好于原有装置,有效减少了光的折射与反射,达到了设计要求,可以用于相含率测量。

根据近红外透过光强得到相含率,需要先得到近红外光透过空管后的光强信号I0,将经过信号采集板滤波放大处理后得到的电压信号作为测量基准。理论上4路电压信号应该一致,但由于存在采集板电噪声,所以4路探头得到的电压值不会完全相同。采集3组数据并求平均值,得到的平均值作为近红外光透过空管后的光强。最终4路探头的电压值如表1所示。

表1 静态全气4路信号电压值
Tab.1 Static full gas 4-way signal voltage value

在液相流量范围1 ～11 m3/h,气相流量范围0.12～0.6 m3/h内进行两相动态实验。对4路电压信号求平均值,得到与透过光强电压的比值,利用式(5)得到管道中的实际液相含率。由实验数据可知,在液相流量相同的工况点,随着气相流量的增加,液相含率降低,4路电压的比值升高,说明透过光强增强,近红外检测技术能较好的反应相含率的变化。相含率的变化由4路探头电压比值共同影响。第1组实验的4路电压比值与液相含率导入Origin数据分析软件进行参数拟合。最终得到的计算模型为:

(6)

将各工况点的电压值代入计算模型得到计算液相含率,实际液相含率与计算液相含率的相对误差。两相流中各点的实际液相含率与计算液相含率的对比如图7所示。

图7 实际含率与计算含率的相对误差分布
Fig.7 Relative error distribution between actual content rate and calculated content rate

4.3 对相含率测量模型的修正

实际实验中发现折射、反射等光学现象仍然存在,影响透射后的电压。图8～图11为4路探头电压比值与液相含率的关系。

图8～图11可以看出,4路探头的电压比值变化规律相近,均与液相含率成对数关系,但每一路的变化规律并不一样,这是由于探头并排安装,每一路对应的都是流道的一部分,而两相流动中液相不是均匀分布的,每一路探头照射部分的相含率不是实际液相含率。在液相含率大于0.9时,电压比值变化平稳,小于0.9时开始波动,这是由于气相增加引起光路中的复杂光学现象。经过拟合发现电压比值与液相含率的关系为:

(7)

式中:I为透过流体的光强度,为物质吸光度,无量纲量; ε为待测物质的摩尔吸光系数, L/(mol·cm); d为光程,cm;c为物质的量浓度,mol/L; K为对光学现象造成的误差。

图8 第1路电压比与含率的关系
Fig.8 The relationship between the voltage ratio of the first channel and the content ratio

图9 第2路电压比与含率的关系
Fig.9 The relationship between the voltage ratio of the second channel and the content ratio

图10 第3路电压比与含率的关系
Fig.10 The relationship between the voltage ratio of the third channel and the content ratio

图11 第4路电压比与含率的关系
Fig.11 The relationship between the voltage ratio of the fourth channel and the content ratio

修正后的相含率测量模型为:

(8)

式中A为溶液吸光度,无量纲。

将第1组数据代入式(8)求得相含率测量模型为:

0.944 4

(9)

将3组实验数据代入修正模型,计算液相含率的相对误差, 如图12～图14所示。

图12 第1次实验相对误差分布
Fig.12 The first experiment relative error distribution

图13 第2次实验相对误差分布
Fig.13 The second experiment relative error distribution

图14 第3次实验相对误差分布
Fig.14 The third experiment relative error distribution

修正后的相含率测量模型的测量效果更好,液相含率相对误差在±3.5%以内。

5 总 结

本文设计了一种新型矩形气液两相流相含率检测装置,有效减小了近红外光的折射反射。通过对装置测量的近红外信号与差压信号的研究,建立了相含率测量模型。

1)提出采用矩形管道代替圆形管道解决原有近红外检测探头带来的数据冗余与缺失问题, 设计一种基于矩形管道的节流式差压流量计,结合近红外检测装置,得到一种新型两相不分离检测装置。

2)标定流出系数C,在竖直安装的两相流检测装置上进行单相实验,单相水流量范围为 1～11 m3/h,得到了单相水流出系数的计算模型,相对误差在±0.8%内。

3)在液相流量范围1～11 m3/h,气相流量范围0.12～0.6 m3/h内进行两相动态实验,通过分析4路近红外信号与相含率的关系,建立了相含率测量模型,修正后液相含率测量误差在±3.5%以内。