一种湿气流量测量装置的制作方法

本发明属于湿气多相流流量测量技术领域，涉及一种基于长喉颈文丘里扩张段优化设计的新型湿气测量装置。

背景技术：

湿气是一种气多液少的特殊气液两相流，2012年iso/tr11583技术报告中定义液相体积含率小于5％的气液两相流可视为湿气。湿气广泛存在于自然界及工业生产的各个领域。文丘里流量计是工业生产领域中应用较为广泛的仪表之一，因其结构简单、成本低、维护方便，测量精度较高，不仅在单相流的计量中具有长期稳定的应用，而且在气液两相流条件下的研究也具有很长的历史。由于气液两相在密度、粘度、摩阻系数等介质属性方面存在较大的差异，两种流体之间相互作用、相互影响，表现出比单相流动更复杂的特性，单相流动中的许多准则关系和分析方法都不能直接应用到湿气研究上，包括作为经典节流装置的标准文丘里，其在气液两相测量中的适用性也受到了一定的约束。

中国专利zl200810151346.6提出了一种双差压节流湿气测量装置，利用内锥和文丘里两种不同节流特色的节流装置进行有机结合，确保两节流装置形成显著的测量特性差异。实践证明，该设计存在以下缺点：(1)该设计存在交叉测量范围窄的缺点，导致在工业现场流量变化范围较大的条件下使用受到限制，量程比不足三分之一；(2)该专利采用标准文丘里，深入研究表明，液相通过标准文丘里喉部时加速距离远远不足，无法实现气液两相充分混合，影响喉部取压信号质量；(3)该专利文丘里扩张段扩张角度设计不理想，下游扩张段容易形成回流，造成积液，下游差压信号失去意义，无法使用。

中国专利zl201210465442.4提出了一种基于长喉颈文丘里的双差压湿气流量测量装置，该装置将文丘里喉部长度加长为喉部直径的4～8倍之间，扩张段的扩张角度为3～6°，喉部取压信号质量好于专利zl200810151346.6。然而在实际应用中，该专利的扩张段结构并不能确保流动形态稳定，导致在距离扩张管段出口为管道内径的5-9倍的下游取压位置处，信号的稳定性仍得不到有效的保障。

中国专利zl201210465443.9提出了一种双节流三差压湿气两相流测量系统，包括具有长喉颈特色的双节流装置及其相应的三级差压。该专利除了对锥体喉部与文丘里喉部做加长处理外，扩张段的扩张角度减小到7°。实践证明，该设计中扩张段的结构设计并不完全适用于湿气流动，导致长喉颈文丘里前、后差压的比值k对液相体积含率的有效单调辨识局限于液相体积含率低于1.5％的情况，随着液相继续增加，扩张段内易出现回流现象，最终影响系统对高液相含率的辨识能力。

由此可见，以上三个专利设计均试图利用扩张段差压信号反映管道中真实的两相流动情况，而单纯的减小扩张角度，无法保证高含液情况下湿气流动的稳定性，也不能避免回流的出现，影响系统对高液相含率的有效辨识能力，难以满足测量精度要求。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的上述问题，提出一种更适合湿气气液两相含率及流量测量的装置，在长喉颈文丘里结构基础上，优化改进文丘里扩张段结构，实现湿气流量测量。改进后的文丘里装置不仅保证了湿气在整个管道中的稳定，而且实现对气液两相更宽量程，更高含率以及更高可靠性的在线不分离测量。本发明采用如下技术方案：

一种湿气流量测量装置，采用长喉颈文丘里结构，其特征在于，扩张段分为两部分，前一部分为椭圆弧曲线渐扩结构，后一部分为直线型渐扩结构，所述第一部分椭圆弧渐扩的最大角θ与第二部分直线型渐扩角度相同，两个扩张段部分之间平滑过渡。

作为优选实施方式，本发明的湿气流量测量装置，所述椭圆弧渐扩的最大角θ在4～15之间。所述椭圆弧所在的椭圆长轴在300～500mm之间,短轴在30～60mm之间。喉部长度为喉部直径的4～8倍之间。下游取压位置与扩张段出口之间的距离不低于测量管道内径的4倍。

与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：

(1)本发明对文丘里结构进行优化(如喉部长度、扩张段的扩张角度以扩张段形状)，保证了湿气能稳定的流过整个测量管道，确保能获得更精确、可靠的差压信号。

(2)已有的研究表明，文丘里前、后差压比值k受收缩段和扩张段加速压降和摩阻压降的影响。扩张段采用从弧形平缓过渡到直线型的结构，在减小扩张段加速压降的同时增大了摩阻压降，使前、后差压比值k增大，提高了测量装置对液相的敏感程度；

(3)本发明将前、后差压比值k与对液相体积含率的有效单调辨识从液相含率1.5％拓宽到5％，测量能力显著提升,突破了长喉颈文丘里在液相含率偏高时测量受到的限制。

(4)无需分离，不依赖放射性技术和示踪技术对湿气液相含率进行测量，结构简单、安全；。

附图说明

图1本发明的新型湿气流量测量装置结构示意图。

图2新型湿气流量测量装置的扩张段结构示意图。

图3不同扩张段形状文丘里前、后差压比值k与液相含率lvf的仿真实验关系图。

(仿真实验条件：4mpa；含水率范围0～5％；气相表观流速：20m/s)

图4文丘里扩张段内加速压降和摩阻压降趋势图。

附图标记说明如下：1测量段前直管段，21上游取压孔，22喉部取压孔，23下游取压孔，3长喉颈文丘里收缩段，4长喉颈文丘里喉部，5翻边法兰，61长喉颈文丘里扩张段弧形部分,62长喉颈文丘里扩张段直线部分,7测量段后直管段

具体实施方式

下面参照附图对本发明做进一步详述。

本发明为一种基于长喉颈文丘里扩张段改造优化后的新型湿气流量测量装置，结构示意图如图1所示。本发明区别于以往的湿气流量测量装置在于对文丘里扩张段的优化改造不再局限于角度的改变，而是从形状角度出发，参见图2，扩张段分为两部分，扩张段61是长轴为a短轴为b的椭圆弧的一部分，从椭圆弧斜率tan0°到斜率达到tan(θ/2)°时结束，其中长轴a为300～500mm，短轴b为30～60mm。扩张段62为角度为θ°的直线型渐扩管。扩张段61与扩张段62之间平滑过渡，没有发生角度突变。

仿真实验介质为空气、水两相流，工作压力4mpa，气相流速20m/s。结果表明，相比于直线型扩张段结构，本发明改进后的弧型+直线型扩张段文丘里的前、后差压比值k明显增大，表现出对液相的分辨能力增强,参见图3。除此之外，对于直线型扩张段结构文丘里，当前、后差压比值为k1时，对应的液相含率lvf有a、b、c三点，这就导致了k值无法实现对液相含率的有效辨识。本发明装置将前、后差压比值k与对液相体积含率的有效单调辨识从液相含率lvf1.5％拓宽到5％，明显优于只有直线型扩张段的文丘里，意味着本发明测量能力得到显著提升,突破了长喉颈文丘里在液相含率偏高时测量受到的限制。

如图4所示，通过理论计算对比了本发明与普通长喉颈文丘里扩张段与后直管段的压降关系。已有的研究表明，文丘里前、后差压比值k与收缩段和扩张段加速压降和摩阻压降之间存在如下关系：

本发明扩张段采用从弧形平缓过渡到直线型的结构，在减小扩张段加速压降的同时增大了摩阻压降，因此出现图3所示前、后差压比值k增大的现象，提高了测量装置对液相的敏感程度。