一种内外管式流量计及流量检测方法与流程

本发明涉及两相流检测
技术领域：
，具体地说是一种内外管式流量计及流量检测方法。
背景技术：
：差压式流量计是两相流测量中应用最为广泛的流量计之一，是目前公认的在两相流各流型下都能稳定工作的一种流量计。差压式流量计以分相或均相模型为基础，建立流量与压力降的关系。其中研究历史最长的为节流式差压流量计，差压式的方法基本都见于节流式差压流量计。该流量计具有安装方便、工作可靠等优点，并在多年的研究过程中形成了成熟的国际标准，目前很多厂家推出的多相流测量系统中都含有节流式差压流量计。广泛应用的节流式差压流量计有孔板、文丘里管以及V锥流量计。对于孔板流量计，流体流经管道内的孔板节流装置，在孔板附近造成局部收缩，节流件前后便产生了压力降，即差压，差压信号与流量大小有关。在孔板流量计的设计上有过许多改进，日本SONIC公司设计开发了一种在流量计算机上对量程比的范围进行选择的孔板流量计，与传统孔板流量计相比，对测量范围进行了扩展；新研究的新型智能孔板流量计，将温度和压力信号直接送入现场流量计算机之中，根据流量变化对温度和压力自动作出补偿。对于文丘里管流量计，北京航空航天大学的徐立军利用长喉颈文丘里管提出基于分相流模型的湿气测量模型；天津大学的张强等利用长喉径文丘里管用于气液两相流测量，建立了双差压湿气流量测量模型。利用一种节流装置配合其他传感器进行组合测量的方法也得到了大量的研究，黄志尧等采用文丘里管结合电容层析成像技术对油气两相流进行有效测量；徐英等利用内锥和文丘里组合的方式提出了湿气测量虚高模型。V锥流量计是上世纪八十年代推出的一种新型的差压式流量计，与其他差压式流量计设计理念不同，V锥节流件将流体逐渐收缩到管壁，通过测量锥体前后差压对流体流量等进行测量。相对于孔板、文丘里管等传统差压式流量计，V锥流量计具有压损小、结构稳固、防积污、量程比宽等优点。但是其仍有一些缺点难以克服，例如，V锥流量计尾部为钝体结构，流体流动产生分离，形成大量漩涡并造成较大压力损失；与电磁流量计相比，其量程比相对较窄；L型悬臂结构在大流量时，可能产生振动等。对于以上所述的孔板、文丘里管和V锥流量计来说，其节流方式都是通过改变流体总的流通面积来实现的，这样势必会对流体本身产生扰动，差压信号不稳定。因此设计内外管差压流量计，流量传感器中变径管的设计使得气液两相流在流经介质流通管时可在不改变流通面积的状况下获得差压；流量传感器在介质流通中的同一截面设置测压孔，因此消除了摩擦阻力对介质流动数据的影响，解决了现有技术在竖直管道上应用差压流量传感器所存在的引压问题。技术实现要素：本发明的目的之一就是提供一种内外管式流量计，该流量计在现有内外管差压流量计的基础上进行优化设计，提高了内外管间的差压，增强了流量计的灵敏性与准确性。本发明的目的之二就是提供一种内外管式流量检测方法，该检测方法依赖于上述优化后的流量计，可准确取压，最终准确测出流体流量。本发明的目的之一是这样实现的：一种内外管式流量计，包括：外管，为水平设置的圆直管结构；在所述外管的侧壁上开有用于测量外管内流体压力的第一测压孔，在所述外管的侧壁上还开有第二测压孔，所述第二测压孔和所述第一测压孔处于所述外管的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布；内管，置于所述外管内，且位于所述外管的轴心线上；所述内管包括依次连接的进口管、收缩管、取压管、扩张管和出口管；所述进口管和所述出口管的端部分别与所述外管的端部对齐；在所述内管的取压管上开有第三测压孔，所述第三测压孔与所述外管侧壁上的第二测压孔相对设置，且所述第三测压孔和所述第二测压孔之间通过引压管相连接；通过引压管可测量内管内流体的压力；支架，设置在所述外管与所述内管之间的两端部位，用于对所述内管进行支撑和固定；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑筋，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑筋的端部嵌接在所述外管的内壁上；差压变送器，与数据采集单元相接，用于通过所述第一测压孔和所述引压管测量内、外管内流体的压力差；数据采集单元，分别与所述差压变送器和数据处理单元相接，用于采集内、外管内流体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元；以及数据处理单元，与所述数据采集单元相接，用于根据接收到的信号计算流体的流量，具体计算公式如下：式(1)中，Wm是流体的质量流量，C为流出系数，ε为流体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游流体的密度，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差。优选的，在所述箍带的外侧壁上均布有三个支撑筋；在内管两端的箍带上各有一个支撑筋与连接第二测压孔和第三测压孔的引压管处于同一平面内。优选的，所述第一测压孔、所述第二测压孔和所述第三测压孔均为圆形或椭圆形开口。优选的，所述第一测压孔和所述第二测压孔的连线为水平方向或竖直方向。优选的，节流比β的计算公式为：式(2)中，A12为进口管内腔的横截面面积，A22为取压管内腔的横截面面积，A32为出口管内腔的横截面面积，A11为进口管与外管之间的环隙面积，A21为取压管与外管之间的环隙面积，A31为出口管与外管之间的环隙面积。本发明在已有内外管差压流量计的基础上进行了优化设计，提高了内管与外管内流体的差压值，增强了内外管差压流量计的灵敏性与准确性。与其他差压流量计相比，本发明所提供的流量计还具有压损比小，节能性高的特点。传统的内外管差压流量计的内管基本由取压管、变径管与出口管这三段组成。这种设计较为简单，但有时差压值仍然无法达到测量要求，且压损比较高，能量损失较大。本发明在传统内外管差压流量计的取压管前端增加了进口管与收缩管，使进入内管的流体经过先收缩加速后扩张减速的过程，使进入内外管间隙内的流体经过先扩张减速后收缩加速的过程。在内外管流体速度相差最大，即压力相差最大的中间管段取压，便可取得最大的差压值。在相同的节流比、相同的入口速度下，本发明比传统内外管差压流量计差压值高117.25％，压损比比传统内外管差压流量计低23.75％。在相同的流量下，所取得的差压值越大，流量计的准确性与灵敏性就越高；压损比越小，所消耗的能量就越小，节能性就越高。本发明还可以通过改变内管的进口管、取压管与出口管的内径来调节所取压力差值，以适应不同测量的需求。同时，通过在内管的两端设置支架，可消除内管节流件在实验过程中的扰动现象，使取压准确。本发明所提供的流量计还可消除来自于轴向与径向的加速度误差，也对来自于其他方向的加速度影响起到缓解甚至消除，使得测量结果更加准确。本发明的目的之二是这样实现的：一种内外管式流量检测方法，包括如下步骤：a、在外管内的轴心线上设置内管；所述外管为水平放置的圆直管结构，在所述外管的侧壁上开有第一测压孔和第二测压孔，第一测压孔和第二测压孔处于所述外管的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布；所述内管包括依次连接的进口管、收缩管、取压管、扩张管和出口管；所述进口管和所述出口管的端部分别与所述外管的端部对齐；在所述内管的取压管上开有第三测压孔，所述第三测压孔与所述外管侧壁上的第二测压孔相对设置，且所述第三测压孔和所述第二测压孔之间通过引压管相连接；所述第一测压孔和所述第二测压孔的连线为水平方向或竖直方向；b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架；所述支架包括箍带及设置在所述箍带外侧壁上的支撑筋，所述箍带套接在所述内管两端的外侧壁上，所述支撑筋的端部嵌接在所述外管的内壁上；c、使流体自外管的一端流入，且沿内管的进口管向出口管方向流动；d、由差压变送器通过第一测压孔和引压管测量内、外管内流体的压力差；e、数据采集单元采集差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元；f、数据处理单元根据接收到的流体在内、外管内的压力差计算流体的流量，具体计算公式如下：式(1)中，Wm是流体的质量流量，C为流出系数，ε为流体的可膨胀系数，β为节流比，A为外管内腔的横截面面积，ρ为上游流体的密度，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差。式(1)中节流比β的计算公式为：式(2)中，A12为进口管内腔的横截面面积，A22为取压管内腔的横截面面积，A32为出口管内腔的横截面面积，A11为进口管与外管之间的环隙面积，A21为取压管与外管之间的环隙面积，A31为出口管与外管之间的环隙面积。式(1)中流体的可膨胀系数ε的计算公式为：式(3)中，τ为压力修正系数，计算公式为：式(4)中，Pb为流体流量测量过程中的背景压力，P0为一个标准大气压，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差。式(1)中流出系数C的计算公式为：式(5)中，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差。本发明是在理论分析及前期工作经验的基础上，根据流体流动机理，对内外管差压流量计进行管道机构设计，优化的设计方案。通过对流体流动状态的测试，提取有价值的信号，并进行信号特征提取，研究内外管式流量计测量装置的测量方法，验证管道的合理性与可行性。具体是：通过在内管的取压管前端增加进口管与收缩管，增大进入内管流体的流量，使内外管流体的流速差异增大，也使得内外管流体的压力差值增大。在内外管流体压力相差最大的中间管段测量内外管流体的压力差，通过此压力差即可计算得出管内流体的流量值。附图说明图1是本发明所提供的内外管式流量计的结构示意图。图2是图1中出口端支架的结构示意图。图中：1、外管，2、进口管，3、收缩管、4、取压管，5、扩张管，6、出口管，7、进口端支架，8、出口端支架，8-1、箍带，8-2、支撑筋，9、第一测压孔，10、第二测压孔，11、第三测压孔，12、引压管。具体实施方式实施例1，一种内外管式流量计。本发明所提供的流量计对于液体、气体流量的测量均适用。如图1所示，本发明所提供的内外管式流量计包括外管1、内管、支架、差压变送器、数据采集单元和数据处理单元。外管1为水平放置的圆柱形直管结构；外管1的内径用D来表示，长度用L来表示。内管为节流件，内管设置在外管1内，且内管位于外管1的轴心线上，即外管1轴心线与内管轴心线重合。内管长度与外管1长度L相同，且内管的两端分别与外管1的两端对齐。内管包括依次连接的进口管2、收缩管3、取压管4、扩张管5和出口管6。测量流体流量时，流体自外管1的一端进入，且沿内管的进口管2向出口管6方向流动(见图中箭头所示方向)。进口管2、取压管4和出口管6均为水平设置的圆柱形直管结构，进口管2和出口管6的内径均比取压管4的内径大。收缩管3和扩张管5均为圆台状结构。收缩管3的大口径端与进口管2的一端相接，收缩管3的小口径端与取压管4的一端相接，取压管4的另一端与扩张管5的小口径端相接，扩张管5的大口径端与出口管6的一端相接。内管中各管段的壁厚和外管1的壁厚均相同。内管中进口管2的长度为l1，内径为d1；收缩管3的长度(即收缩管3轴心线的长度)为l2，收缩角为θ1；取压管4的长度为l3，内径为d3；扩张管5的长度(即扩张管5轴心线的长度)为l4，扩张角为θ2；出口管6的长度为l5，内径为d5。收缩角θ1以及扩张角θ2满足如下公式：支架设置在外管1与内管之间的两端部位，支架包括轴对称的进口端支架7和出口端支架8，通过两个支架可实现对内管的支撑和固定，以便在测量过程中使内管保持不动，减小内管节流件的扰动现象。当流体流过内、外管的间隙处时，两个支架对流体流动的阻碍作用也较小。进口端支架7和出口端支架8的结构相同，以出口端支架8为例进行说明。如图2所示，出口端支架8包括箍带8-1及均匀设置在箍带8-1外侧壁上的三个支撑筋8-2，三个支撑筋8-2分别垂直于与各自相接的箍带8-1的外侧壁。箍带8-1套接在出口管6外侧壁的端部，箍带8-1的外侧壁与出口管6的外侧壁齐平，具体可通过在出口管6外侧壁的端部开与箍带8-1厚度相同的缺口来实现。三个支撑筋8-2的端部嵌接在外管1的内壁上，可在外管1的内壁上开三个与支撑筋8-2对应的凹槽，使三个支撑筋8-2分别嵌入对应的凹槽内。每一个凹槽均从外管1的端部开设，从而使得出口端支架8可从流体流出端套接在内管的出口管6上，并使三个支撑筋8-2的端部正好卡接在外管1内壁的三个凹槽内。进口端支架7与出口端支架8的结构相同，不再赘述。在外管1的侧壁上开有用于测量外管1内流体压力的第一测压孔9(可以为圆形或椭圆形开口)，在外管1的侧壁上还开有第二测压孔10，第二测压孔10和第一测压孔9处于外管1的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布。外管1侧壁上的第一测压孔9和第二测压孔10与内管的取压管4相对。在内管的取压管4上开有第三测压孔11，第三测压孔11与外管1侧壁上的第二测压孔10相对设置，且第三测压孔11和第二测压孔10之间通过引压管12相连接，引压管12伸出到外管1外部。通过引压管12可测量内管内的流体压力。第三测压孔11的设置位置靠近取压管4与扩张管5的交接处。第一测压孔9也可连接一个引压管，差压变送器的一端伸入第一测压孔9内，另一端通过引压管12伸入第三测压孔11内，通过第三测压孔11和第一测压孔9可测量内管与外管1内流体的压力差。第一测压孔9、第二测压孔10和第三测压孔11的连线可以为水平方向，也可以为竖直方向，还可以是倾斜方向。一般情况下使三个测压孔的连线呈水平方向或竖直方向。且设置进口端支架7和出口端支架8时，通常使进口端支架7和出口端支架8上各有一个支撑筋与三个测压孔的连线一并处于水平方向或竖直方向，即：使使进口端支架7和出口端支架8上各有一个支撑筋与三个测压孔处于同一平面内。数据采集单元分别与差压变送器和数据处理单元相接，数据采集单元从差压变送器处采集内、外管内流体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元。数据处理单元根据接收到的压力差信号计算流体的流量，具体计算公式如下：式(1)中，Wm是流体的质量流量(单位为Kg/s)；C为流出系数，靠实验来确定；ε为流体的可膨胀系数，对于不可压流体ε＝1，对于气体、蒸汽等可压缩流体ε<1；β为节流比；A为外管1内腔的横截面面积；ρ为工况压力下，内管节流件上游流体的密度(单位为Kg/m3)；ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差(或称差压，单位为Pa)。节流比β的计算公式为：式(2)中，A12为进口管2内腔的横截面面积，A22为取压管4内腔的横截面面积，A32为出口管6内腔的横截面面积，A11为进口管2与外管1之间的环隙截面积，A21为取压管4与外管1之间的环隙截面积，A31为出口管6与外管1之间的环隙截面积。实施例2，一种内外管式流量检测方法。如图1～图2所示，本发明所提供的内外管式流量检测方法包括如下步骤：a、在外管1内的轴心线上设置内管。外管1为水平放置的圆直管结构。在外管1内的轴心线上设置内管；内管包括依次连接的进口管2、收缩管3、取压管4、扩张管5和出口管6；进口管2和出口管6的端部分别与外管1的两端对齐，即：内管与外管1等长。进口管2、取压管4和出口管6均为水平设置的圆柱形直管结构，进口管2和出口管6的内径均比取压管4的内径大。收缩管3和扩张管5均为圆台状结构。在外管1的侧壁上与内管的取压管4相对的位置开有第一测压孔9和第二测压孔10，第一测压孔9和第二测压孔10处于外管1的同一横截面上且两者关于该横截面中心呈中心对称分布。在内管的取压管4上开有第三测压孔11，第三测压孔11与外管1侧壁上的第二测压孔10相对设置，第三测压孔11和第二测压孔10之间通过引压管12相连接，且引压管12伸出到外管1外部。第三测压孔11靠近取压管4与扩张管5的相接处。b、在内管的两端设置用于对内管进行支撑和固定的支架。支架包括对称分布的进口端支架7和出口端支架8。进口端支架7和出口端支架8的结构相同。如图2所示，出口端支架8包括箍带8-1及均匀设置在箍带8-1外侧壁上的三个支撑筋8-2，箍带8-1套接在出口管6外侧壁的端部，箍带8-1的外侧壁与出口管6的外侧壁齐平，三个支撑筋8-2的端部嵌接在外管1内壁的凹槽上。c、使流体自外管1的一端流入，并在外管1内流动时沿内管的进口管2向出口管6方向流动。d、由差压变送器通过第一测压孔9和引压管12测量内、外管内流体的压力差。e、数据采集单元采集差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差信号，并将所采集到的信号发送至数据处理单元。f、数据处理单元根据接收到的流体在内、外管内的压力差计算流体的流量，具体计算公式如下：式(1)中，Wm是流体的质量流量(单位为Kg/s)；C为流出系数，靠实验来确定；ε为流体的可膨胀系数，对于不可压流体ε＝1，对于气体、蒸汽等可压缩流体ε<1；β为节流比；A为外管1内腔的横截面面积；ρ为工况压力下，内管节流件上游流体的密度(单位为Kg/m3)；ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差(或称差压，单位为Pa)。节流比β的计算公式为：式(2)中，A12为进口管2内腔的横截面面积，A22为取压管4内腔的横截面面积，A32为出口管6内腔的横截面面积，A11为进口管2与外管1之间的环隙截面积，A21为取压管4与外管1之间的环隙截面积，A31为出口管6与外管1之间的环隙截面积。本发明中，经CFD仿真及实验测试数据拟合，得到式(1)中流体的可膨胀系数ε的计算公式为：式(3)中，τ为压力修正系数，计算公式为：式(4)中，Pb为流体流量测量过程中的背景压力，P0为一个标准大气压，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差。实施例3，利用CFD仿真软件对本发明中流量计的结构进行验证。根据经验理论及总管道尺寸的考虑，将收缩管的收缩角θ1与扩张管的扩张角θ2均设置为10°。在设置内管的取压管、扩张管和出口管与传统差压流量计一致的前提下，改变进口管的内径。利用CFD分别对不同进口管内径下的流量计结构进行仿真。在入口速度为2.52m/s的情况下，分别得到不同结构下的差压、压力损失及压损比。差压即为通过第一测压孔和引压管所采集的内外管的压力差。压力损失为流体在内管前1D(D即为外管内径)处与在内管后1D处的压力值之差。压损比为压力损失与差压的比值。不同进口管内径下所测得的差压、压力损失及压损比的对比见表1。表1不同进口管内径下所测得的差压、压力损失及压损比的对比表差压(KPa)压力损失(KPa)压损比传统内外管差压流量计73.86930.97741.935％进口管内径8mm128.20223.16918.072％进口管内径9mm130.73522.59017.279％进口管内径10mm134.25624.86218.518％进口管内径11mm146.16925.90217.721％进口管内径11.6mm160.47929.17718.181％从表1可以看出在相同的入口速度下，进口管内径(即d1)越大，所取得的差压越大，但压损比基本不变。其中内径为11.6mm结构的差压值比传统内外管差压流量计的差压值高117.25％，压损比比传统内外管差压流量计的压损比低23.75％，这说明本发明的取压效果明显好于传统的内外管差压流量计。在进口管内径d1为8mm的前提下，改变取压管的内径，利用CFD分别对不同取压管内径下的流量计结构进行仿真。在入口速度为2.52m/s情况下，分别得到不同结构下的差压、压力损失及压损比见表2。表2不同取压管内径下所测得的差压、压力损失及压损比的对比表差压(KPa)压力损失(KPa)压损比取压管内径4mm128.20223.16918.072％取压管内径5mm105.42119.18618.201％取压管内径6mm68.80112.84318.666％由表2可以看出，压力差值随着取压管内径(即d3)的增大而减小，压力损失也相应减小。结合表1与表2可以看出本发明可以通过改变结构来调节所取压力差值，以适应不同测量的需求。为了验证流量计可以有效缓解加速度对测量结果的影响，利用CFD仿真软件进行仿真，同时提取内外管流量计多处压力值，以得到差压、压力损失及压损比。首先在没有重力加速度影响的条件下进行仿真，入口速度设为2.52m/s。然后分别在内外管的轴向、径向及与轴向成45°角方向设置加速度，其他设置不变。对以上四种情况分别提取测压孔在以下两种设置方式下的压力值。水平设置指的是第一测压孔和第二测压孔(或第三测压孔)前后相对，即三个测压孔的连线为水平方向。竖直设置指的是第一测压孔和第二测压孔(或第三测压孔)上下相对，即三个测压孔的连线为竖直方向。测压孔在两种不同的设置方式下，所测差压、压力损失及压损比的对比见表3。表3不同加速度方向、测压孔不同设置方式下的影响对比表从表3可以看出，改变测压孔的设置方式，可以减小加速度在测量过程中产生的影响，使测量结果更加准确、可靠。本发明中测压孔在水平设置形式下比竖直设置形式下对减小加速度的影响具有更好的效果。实施例4，流出系数C的确定。按照实施例2中的公式(1)求取流出系数C。公式(1)中可膨胀系数ε、节流比β、外管内腔横截面积A及流体密度ρ均为固定已知量，因此利用差压ΔP及流量值Wm求取流出系数C。下面在四个流量点(一个流量点即对应一个流量值)下进行计算。在每个流量点下利用差压值求取该流量点下的流出系数，得到四个不同的值。首先利用求平均值的方式对流出系数进行确定，然后利用求均值后得出的流出系数求取质量流量，将所求得的质量流量与已知的流量进行比较，发现误差较大。故不能用此方法来求流出系数C。由于上面在每个流量点下求流出系数时，只有差压一个变量，因此流出系数与差压存在一定的数量关系，所以本发明中对差压与流出系数进行公式拟合，得到拟合公式见公式(5)，拟合优度达0.9985。式(5)中，ΔP为差压变送器所测量的内、外管内流体的压力差，单位为Pa。利用公式(5)得到拟合后的流出系数。根据拟合得到的流出系数进行流量的计算，结果发现误差在0.1％以内。具体数值见表4。表4流出系数计算表当前第1页1 2 3