不同节流装置测量气液两相流的动态特性研究

陈 飞，孙 斌，王二朋，白宏震

（中国计量学院计量测试工程学院，杭州 310018）

0 引 言

气液两相流广泛存在于电力、能源、化工、冶金等领域，研究工作得到了迅速发展。近年来应用比较多的是对差压波动信号（以下简称差压信号）进行气液两相流的分析研究，差压信号是差压变送器测得流体流过节流装置产生的差压波动序列，它包含两相流中流动的丰富信息。研究差压波动与两相流之间的关系，不仅可以了解其流动机理和内部结构，而且对于气液两相流的参数测量具有重要意义［1－2］。

在气液两相流研究过程中，通常利用节流装置产生差压信号，用高频差压变送器获取动态差压信号。目前应用最多的包括孔板、喷嘴、文丘里管。研究表明，动态差压值的大小和分布特点不仅与流量密切相关，还与其他流动因素有关［3］。例如当节流装置安装形式或管道内流体的物理性质（密度、粘度）不同时，在同样大小的流量下产生的压差不同。对于气液两相流来说，节流装置产生的差压波动主要与气液两相的分相流量、流速、以及流型等参数有关。其中，流型作为气液两相流的基本参数，对差压波动产生直接的影响。因此，针对不同流型条件下的动态差压波动进行研究，采用多孔孔板、V型内锥和文丘里管这3种不同的节流装置获取差压信号进行研究分析。

由于气液两相流的动态差压信号具有非平稳和非线性的特点［4］，采用时频谱分析等非线性信号处理技术能很好地反映气液两相流动态特性。目前主要利用小波变换［5－7］、WVD［8］、HHT［9－10］等时频分析方法对气液两相流波动信号进行处理，并利用相应的特征值提取和模糊识别实现流型识别。利用AOK方法针对3种不同的节流装置，分别分析气液两相流在泡状流、弹状流、塞状流3种不同流型下的时频谱图，探讨不同流型的气液两相流流经3种节流装置时产生的动态差压信号的波动特性。

1 3种不同的节流装置

文丘里管、多孔孔板和V型内锥这3种节流装置虽然在结构和取压原理上与标准节流装置不同，但都是根据安装在管道中的流量检测元件所产生的差压Δp来测量流量的差压式仪表，相比孔板这些仪表具有更加优异的性能，如压力损失更小等。这些差压式仪表符合当前节能减排的需求，在水、气等计量领域获得了快速的发展，3种典型节流式差压仪表如图1所示。

图1 3种典型节流装置结构Fig.1 The structure of three typical throttle device

文丘里管在电力、石油、化工、轻工业等工业部门已经得到了广泛的应用，它不仅用于单相流测量，将其应用于多相流测量也是人们多年的研究目标［11］。多孔孔板由两圈（或单圈或多圈）系列圆孔组成，小孔沿管道轴心对称分布，使流体通过多孔孔板后流速均匀分布，通过取压装置，可获得稳定的差压信号，根据伯努利方程计算出体积流量、质量流量。当流体穿过圆盘上的孔时，流体将被平衡整流，涡流被最小化。多孔孔板因其多孔结构具有整流的作用，不易产生涡流，信号的稳定性和测量的准确性有很大的提高。其节流原理是平衡节流，可有效平衡高低流量的测量［12］。V型内锥节流装置利用同轴安装在管道中的V型锥体将流体逐渐地节流收缩到管道的内壁上，在圆锥体的前后两端安装有取压口，通过测量V型锥体前后的压差来测量流量。V型内锥流量计具有良好的节流特性，对流动具有调整功能。另外还有一个重要的特点是其输出信号信噪比高，这些特点使得V锥流量计得到更加广泛的应用［13］。

2 气液两相流实验系统

在实验研究过程中，以水平管道气液两相流动为研究内容。实验管径为50mm，实验介质为空气和自来水。根据气液两相流试验系统的要求，搭建的试验系统如图2所示。其中包括水泵、空气压缩机、稳压罐等。系统分为液相和气相两路：气路的动力设备为空气压缩机，气路入口压力为0.4～0.8MPa，气流量范围为0.5～6m3／h。实验时，水路动力设备为离心式水泵，水的流量范围为4～16m3／h。气、水两相经过稳压罐之后，各路分别安装了相应的标准流量计对气、水的流量进行计量。水流量测量是电磁流量计，流量范围为0～16m3／h。气流量的测量是选择苍南仪表厂生产的LUX－50旋进旋涡流量计。流量范围为0～100m3／h。单相流体经过计量管段后进入混相器，并通过混相器形成气液两相流。

实验过程中通过分别改变气、水流量产生泡状流、弹状流和塞状流3种流型，通过高频差压变送器获取不同节流装置上的动态差压信号。实验中使用的差压变送器是南京宏沐科技有限公司生产的HM31差压变送器，它采用德国HELM公司的差压敏感芯片，主要参数如下：量程范围0～2MPa，精度为0.8%，响应时间可以达到1ms，频率响应为1kHz。

图2 气液两相流实验设备原理图Fig.2 The schematic of gas－liquid two phase flow experimental device

3种节流装置的主要参数如下：

（1）文丘里管：管道内径50mm，喉口27.5mm，流出系数0.995，喉径比0.5501；

（2）多孔孔板：管道内径50mm，孔板内径30.406mm，流出系数0.6704，直径比0.6081。节流孔孔径9和5mm，孔数10和4孔；

（3）V型内锥：管道内径50mm，内锥直径40.1mm，流出系数0.83，流通直径比0.59732。

研究表明：气液两相流差压波动信号属于低频信号，频段在50Hz以内。根据采样定理，为保证采样信号信息的完整性，采样频率必须是信号最高频率的2倍以上。研究中，采样频率为200Hz，采样点数为2400点，完全可以满足研究的需求。

3 实验结果处理及分析

实验中选用不同的节流装置测得相同的液相流量下不同流型的差压信号。所得到的信号经归一化处理，将数据按比例缩放。由于气液两相流经过差压节流装置时表现非常强烈的非线性特征，因此采用时变频谱分析理论研究动态信号的时变特性是一种有效的方法，采用AOK理论研究气液两相流波动特性。

AOK时频理论［14－15］是基于Wigner－Ville分布改进的时频分析理论。经典的Wigner－Ville分布对于多分量信号存在较严重的交叉项干扰。为了抑制交叉项，使信号的自主项得到很好的分离，设计了Cohen类双线性时频分布

式中θ为频移，τ为时移。A（θ，τ）为信号s（t）的模糊函数，可理解为s（t）在时移和频率调制后的内积，定义为

Φ（θ，τ）为低通的核函数；为了在时频分布平面内不出现交叉项，则在模糊函数域内应有效去除互分量而仅保留自分量。设计一个与信号相匹配的核函数可以达到上述目的。基于信号的径向高斯核时频分布［16］将待求的核函数定义为沿任意径向剖面都是Gauss型的二维函数，即

式中：σ（ψ）是控制径向高斯核函数在径向角ψ方向的扩展，称之为扩展函数；ψ是径向与水平方向的夹角，ψ＝arctan（τ／θ）。令r＝

式中：α为最优核参数；设计与信号相匹配的核函数的问题即为如何求解最优的扩展函数σ（ψ）。最优扩展函数σ（ψ）的求取采用迭代算法［17］。

基于以上的理论和公式，在信号处理程序中，α为最优核参数设为2，自适应最优核时频分布方法是加矩形窗，窗长2T为64，信号的采样频率为200Hz。

实验过程中，对于获取的不同节流装置不同流型下的动态差压信号，经过归一化处理后，采用AOK时频谱图分析。时频谱中，颜色的深浅代表能量的高低。

图3为不同节流装置在泡状流下测得的差压信号时频谱图，泡状流是一种典型的混合流，即气液两相中，有一相是连续的，另一相混杂分布于连续相中，由于气泡流存在大量的气泡，当流体流经节流件时，气泡在管内波动比较明显，差压信号波动频率高。（a）图中，能量主要集中在18～30Hz之间的频带，高能量主要集中在25Hz附近。在低频带出现极小的能量，这是因为文丘里管对流型影响小，当稍大气泡经过喉口后，细泡在扩散段中破碎成尺寸更小的气泡，小气泡波动性更明显，故在低频段几乎没有能量。（b）图中，由于多孔孔板具有整流作用，信号能量比较平稳均衡。在时频谱图中，颜色的深浅代表能量的大小，多孔孔板的时频谱图中，颜色基本统一，在时域内观察能量随时间分布均匀。能量分布主要集中于18～30Hz之间的频带。节流装置上有多个孔口，一些较大的气泡或者气弹经过多孔孔板之后，使气泡变小，小气泡的数量增加，信号波动明显，频带向高频带集中。频谱图中的低频部分基本上没有能量分布，信号的能量集中程度高。（c）图中，混相混合弥散的小气泡流经V型内锥流量计时，产生高频率的差压波动，这种波动类似于单相水流经节流件时的差压波动，但更加剧烈。时频谱图中可以看出，能量在整个频谱图中都有显示，且存在较多的噪声干扰，能量主要集中在18～28Hz之间。V型内锥在泡状流时有较多的噪声干扰，对流型识别有一定的影响。

图3 3种节流装置泡状流的时－频谱图Fig.3 Time－frequency spectrum of bubbly flow with three kinds of throttle device

图4为不同节流装置在弹状流下测得的差压信号时频谱图，弹状流的流动过程中气相和液相是分开的，两相间歇性的流过节流件。随着含气率的增加，小气泡之间的相互碰撞和集聚现象加强，小气泡集聚成大的气弹，气弹之间充满小气泡的液弹，气液两相的流动界面就比较分明，因此在流经节流装置时具有明显的差压波动特性，这时候产生的波动能量大于泡状流的波动能量。（a）图中，能量主要集中在0～8Hz和18～30Hz这两个频带。当气体流量增大时，小气泡集聚成气弹，气相以较大的体积通过文丘里管，压力产生低频的变化，在低频带处，能量随时域变化不均匀。在一些气弹中还夹杂细小的气泡，这些气泡经过节流装置后会产生较高的波动频率，在高频率段存在能量分布。因此弹状流在时频谱中有两个谱峰。（b）图中，信号特性明显，在时域内分布较均匀，能量在0～35Hz都有分布。主要集中在0～8Hz、12～22Hz和25～30Hz这3个频带。实验中用的多孔孔板的构造，是由两类不同孔径的孔口组成的多孔孔板。在高频段处存在能量是因为大气弹中夹着细小的气泡，小气泡产生比较高的频率波动。而在中频带处（12～22Hz）是因为较小的气弹通过小孔径（D＝5mm），产生稍小于泡状流的波动信号，波动频率集中在低频和高频之间。由于小孔径（D＝5mm）孔数较少，所以在此频带的能量较少，并分布比较离散。在低频带是由于较大的气弹通过大孔径（D＝9mm）产生的波动，这种气弹能通过孔口，使流体呈现出间歇流，波动比较平缓，信号频率低。多孔孔板的弹状流信号时频谱出现3个谱峰。（c）图中，信号在时域内分布均匀，能量在0～35Hz都有分布，能量主要集中在低频带（0～8Hz）和高频带（18～30Hz）两个频带。当液相夹杂着小气泡流过V型内锥时，锥体前后压力的变换类似于泡状流，当气相以大体积的气弹形式流过锥体时，压力发生低频变化。V型内锥弹状流的信号频谱图和文丘里管相似，因此在时频谱中也出现了两个谱峰。

图4 3种节流装置弹状流的时－频谱图Fig.4 Time－frequency spectrum of slug flow with three kinds of throttle device

图5为不同节流装置在塞状流下测得的差压信号时频谱图，塞状流是信号中气体的流量最大，也就是实际的差压信号的幅值最大，信号的低频波动强。（a）图中，气体以较大的段塞形式通过管道，使差压波动非常剧烈，信号主要集中在低频段（0～8Hz）。随着气体流量的增加，会引起管道震动，从而产生噪声影响。从文丘里管的时频图中可以看出，在高频处存在噪声信号。且在50Hz附近存在较小的工频干扰。（b）图中，由于气塞体积比较大，通过节流装置时，可以很明显地看到间歇流的产生，能量在时域内分布没有弹状流时均匀。能量主要集中在低频带（0～8Hz），但信号能量大小没有文丘里管那么明显，信号能量大小比较均匀。由于多孔孔板能使气体具有很好的通过性，不会产生涡流，信号比较稳定均衡。多孔孔板能较好地减少气体流量变大带来的噪声影响。在20～28Hz处可以看到有明显的能量分布，这是小孔径孔口（D＝5mm）带来的影响。（c）图中，能量主要集中在低频带（0～8Hz），由于间歇流的存在，在时域内分布不均匀。V型内锥节流装置具有多孔孔板一样的降噪特性，流型为塞状流时，V型内锥的降噪能力比多孔孔板的更好。

图5 3种节流装置塞状流时频谱图Fig.5 Time－frequency spectrum of plug flow with three kinds of throttle device

4 结 论

通过对3种不同的节流装置获得的气液两相流波动差压信号进行AOK时频分析方法进行处理，得出以下结论：

（1）采用AOK时频分析方法可以明显观察到：泡状流的能量主要集中在高频段（18～30Hz），弹状流在高频段（18～30Hz）和低频带（0～8Hz）都有分布，塞状流的能量主要分布在低频段（0～8Hz）。多孔孔板流量计的弹状流有3个频段（0～8Hz，12～22Hz，25～30Hz）；

（2）随着两相流中气泡的变大，V型内锥和文丘里管的时频图的变化刚好相反，而多孔孔板性能稳定。文丘里管的消噪能力随着气相流量增大而减弱，V型内锥消噪能力随着气相流量的增大而增强。当流型为泡状流时，文丘里管的消噪性能好，在高低频处都没有明显的噪声影响，对流型识别的影响小；V型内锥降噪性能明显不如文丘里管和多孔孔板，在时频谱图中显示较多噪声信号的能量，对流型识别的影响比较大。当流型为塞状流时，文丘里管时频谱在高频处出现工频干扰，且噪声影响增大；V型内锥在塞状流时表现出明显的降噪性能，时频图能很好地反映流型下的能量大小，没有多余的干扰项；

（3）3种不同的节流装置中，多孔孔板流量计性能最稳定，在不同的流型下都表现出很好降噪性，对流型识别的影响最小。它还具有很好的整流效果，能均衡信号的能量。且不同的开孔孔径对差压信号有一定的影响，在频谱图中则会出现不同的峰谱值。

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