减压释放水中溶解气对水装置流量稳定性的影响

2020-06-06刘雨豪徐英张涛冯庆华齐锋锋

化工学报 2020年5期

刘雨豪，徐英，张涛，冯庆华，齐锋锋

（1 天津大学电气自动化与信息工程学院，天津300072； 2 天津市过程检测与控制重点实验室，天津300072； 3 中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司，四川成都610051； 4 天津市天大泰和自控仪表技术有限公司，天津300072）

引言

流量测量是检测科学技术的重要组成部分，而流量标准装置的研究、建立和应用对流量测量和检测技术发展有着重要意义，在国内外均引起普遍重视。流量测量装置的流量稳定性、流量测量结果的不确定度和标准表流量计测量结果的重复性是判断流量标准装置性能和计量精度的三个重要因素[1-3]，其中影响流量稳定性的因素有很多，如何提高水流量标准装置的流量稳定性也是近几年国内外一直研究探讨的问题。

在以往的研究中[4-5]，提高流量稳定性大多是通过稳压环节的设计、调整管路的布局、优化控制方法来实现的。根据经典亨利定律得知，在温度和水质盐度一定时，水源在不同的压力条件下，会溶解不同体积的空气，当上游来水流经减压环节，由于压力的降低会产生前后端压差，从而会使水中的溶解气在下游析出并成为游离的气泡，当这些气泡和水一同在水流量标准装置中流动时，会影响装置的流量稳定性和流量的计量精度。

本文针对上述问题，通过理论分析和利用水流量标准装置为载体进行了减压释放水中溶解气实验，分析了水中溶解气析出对水流量标准装置流量稳定性的影响，并引入微泡排气阀对减压释放[6-7]出的游离气泡[8]进行捕捉分离，以提高水流量标准装置的流量稳定性和计量精度。

1 减压释放水中溶解气实验理论依据

对于稀溶液或者难溶性气体，在一定温度和总压较小的情况下，气体溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比，这一关系被称为经典亨利定律[9-10]，其数学表达式如下

在水质含盐度一定时，溶解氧气在水中的含量由压力和温度[11-12]两个因素决定，亨利系数E的大小反映了气体组分在该溶剂中的溶解度大小。就温度而言[13-14]，随着温度的升高，亨利系数E增大，则气体在水中的溶解度减小。反之，温度降低，亨利系数减小，气体在水中的溶解度增大。在本文的实验过程中保持蓄水箱温度恒定为25℃，单独考虑压力的变化对溶解气释放的影响。

由于气、液相中溶质的组成有各种不同的表示方法，因此亨利定律有各种不同的表达式，其中与溶质浓度相关的表达式如下

从式（1）中可以得知，温度一定时，当溶解于稀溶液中的气体溶质在气相中的平衡分压[15]不同时，其在稀溶液中的溶解度是不同的，因此根据该理论依据计算出温度一定时不同压力情况下气体溶质在稀溶液中的溶解度，计算并分析了三个不同压力情况下空气在1 m³水中的溶解度[16]变化情况。

设定环境和水体温度为25℃，在该条件下，空气在纯水中的亨利系数E=7.3×106kPa：①当绝对压力为101.3 kPa，代入式（1）可得XA0=1.39×10-5；②当绝对压力为201.3 kPa，代入式（1）可得XA100=2.65×10-5；③当绝对压力为401.3 kPa，代入式（1）可得

XA300=5.49×10-5。

根据式（2）可以计算出，不同压力情况下，对应的气相溶质空气在1 m³稀溶液水中的溶解度CA为

通过上述计算并结合亨利定律，可知气体溶质在高压条件下会溶解在稀溶液中，经过减压环节后，由于溶解度的变化，部分溶解气体会从稀溶液中析出，从而达到减压后气体溶质在稀溶液中新的溶解度平衡。

当水经水泵进入水流量标准装置后，流经管道弯头、流量计、调节阀等减压环节后，产生压力损失，由于压力的减小，势必会在减压过后的低压下游释放出水中的部分溶解气，而这些被释放的溶解气将会形成微小气泡随着水流继续前进，继而会影响水流量标准装置的流量稳定性和计量精度。

2 溶解气析出对水流量标准装置流量稳定性的影响

流量稳定性是指“测量仪器或装置保持其流量计量特性随时间恒定的能力”，流量稳定是流量标准装置使用一段时间内的平均流量代替不断变化的瞬时流量的基础。目前，主要通过JJG 164—2000和JJG 643—2003 规程[17-18]中规定的流量稳定性计算方法，对流量装置累积时间之内流量稳定性和累积时间之间流量稳定性进行计算检定。两种计算方法均通过实验测试装置的流量稳定性，在实际生产中应用非常广泛。

检定规程中的累积时间之内流量稳定性计算

检定规程中的累积时间之间流量稳定性计算

两种测量方法具体实施时，累积时间内流量稳定性检定，是指在一段连续的时间内，频繁连续地测量n(n≥60)个流量值，按照式（3）和式（4）进行计算；累积时间之间的流量稳定性检定，是指在连续的n(n≥10)个周期（累积时间）中，测量每一个周期的平均流量值，按照式（5）计算流量稳定性。

2.1 实验装置

本次溶解气析出[19-20]对流量稳定性的影响测试实验主要采用天津大学流量实验室水流量标准装置，在原有的浮子装置基础上进行了适当改造，由于本次实验的目的是检测并分析水中溶解气析出对水流量标准装置稳定性的影响，所以将原有管路中的一段管路拆下，并在该拆除部位安装减压阀进行减压作用，透明管便于观察管道内部流动，微泡排气阀进行排气作用，实验装置如图1所示。

2.2 实验过程

图1 溶解气析出实验装置Fig.1 Dissolved gas precipitation experimental device

本次实验的控制方法采用PLC 和变频器进行通讯，增加转速闭环PID 控制环节，通过控制水泵的转速稳定从而实现流量的稳定性调节[21-23]，再在此基础上研究水中溶解气的析出对水流量标准装置流量稳定的影响。

开启变频器，水泵从水箱中抽水进入水流量标准装置，先通水一定时间用来排净管道中原有空气，然后调节减压阀，进行局部减压，观察减压阀下游是否有气泡产生，当水流分别经微泡排气阀和开关阀后，再利用PLC 数据采集模块对后端流量计示数进行采集，按照检定规程中的流量稳定性计算方法[17-18]计算累积时间之间和累积时间之内的流量稳定性，对比分析了有无微泡排气阀时的流量稳定性。

2.3 实验现象

在水经过减压阀减压后，可观察到减压阀出水口有肉眼可见的微小气泡析出，实验现象如图2(a)所示，示意图如图2(b)所示。

图2 减压释放溶解气微小气泡析出Fig.2 Released dissolved gas tiny bubbles during decompression

这些气泡随着水流继续在管道里流动，当水直接经过开关阀而不经过微泡排气阀时，观察到后端仍有气泡排出，采集实时流量值后，计算得累积时间之内流量稳定性在0.19%～0.35%（表1、表2），累积时间之间流量稳定性在0.23%～0.27%（表3）；当水经过微泡排气阀后，观察微泡排气阀后端无气泡流出，再通过PLC采集流量计实时流量值，计算得累积时间之内流量稳定性在0.16%～0.25%（表1、表2），累积时间之间流量稳定性在0.15%～0.17%（表3）。

表1 水泵频率27 Hz累积时间之内流量稳定性Table 1 Flow rate stability within cumulative time of pump frequency 27 Hz

表2 水泵频率38 Hz累积时间之内流量稳定性Table 2 Flow rate stability within the cumulative time of the pump frequency 38 Hz

表3 累积时间之间流量稳定性Table 3 Flow stability between accumulated times

3 水流量标准装置稳定性测试实验结果分析

3.1 流量稳定性与溶解气的关系

通过对比是否安装微泡排气阀进行排气可以发现，经过减压阀减压后，水中原有溶解气由于压差而析出，继而形成游离的微小气泡，这些游离的微小气泡随着水流继续在装置管道内流动，这些微小气泡不可忽略，当经过标准表流量计时，会产生流量的波动，从而证明了水中溶解气析出会影响水流量标准装置的流量稳定性[24-25]。通过图3、图4 对比可发现在无微泡排气阀时四个频率下流量稳定性基本维持在0.25%左右，考虑溶解气释放这一因素后加入微泡排气阀，此时流量稳定性基本维持在0.15%左右，而且随着频率的增加，同一频率下流量稳定性的差距更为明显，这是由于水泵频率增加，从水箱抽水时压力增大，水中溶解了更多的溶解气，当经过减压阀后，前后端压差更大，会释放出更多的游离气泡，从而导致了流量的不稳定性加强。

图3 累积时间之间流量稳定性对比Fig.3 Comparison of flow stability between accumulated time

图4 累积时间内流量稳定性对比Fig.4 Comparison of flow stability during cumulative time

3.2 实验结果与理论依据吻合

对于经典亨利定律所阐述的内容，稀溶液或者难溶性气体，在一定温度和总压不大的情况下，气体溶质在液相中的溶解度与它在气相中的分压呈正比。其可以在水中溶解气析出实验中得到验证，纯水在水箱中通过水泵抽取进入水流量标准装置，由于水泵抽水时会导致水压上升，此时水中溶解了更多的空气，经过减压环节后，由于压力的降低，导致之前溶解的空气析出形成微小的游离气泡，直到水中的空气和下游的低水压达到一个新的动态平衡[26]，才停止溶解气的析出，如图5所示。

图5 溶解气动态平衡图Fig.5 Dissolved gas dynamic balance diagram

3.3 微泡排气阀对提高流量稳定性和计量精度的作用

根据亨利定律计算可得，当绝对压力PABS1为401.3 kPa，温度为25℃时，空气密度约为4.6764 kg/m3，则此工况下溶解气质量M1为88.45 g；当将压力降低至绝对压力PABS2为201.3 kPa，温度为25℃时，空气密度约为2.3381 kg/m3，则溶解气质量M2为44.37 g。

根据上述计算，可得将压力由401.3 kPa 降至201.3 kPa 时，会一共析出溶解气44.08 g，但由于在减压过程中，空气的密度是在不断变化的，所以在这里可以利用一个范围来进行释放气体占比的计算：假设在减压过程中，一直维持压力为401.3 kPa时的空气密度4.6764 kg/m3，则析出空气体积为0.00942 m3，占比为0.94%；假设在减压过程中，一直维持压力为201.3 kPa 时的空气密度2.3381 kg/m3，则析出空气体积为0.01885 m3，占比为1.88%。

由此可见，析出气体所占比例在0.94%～1.88%之间，这些析出溶解气的影响[27-28]不可忽略，通过引入微泡排气阀可把液体中的气泡含率降到0.5%，所以可以利用微泡排气阀对减压释放出的游离气泡进行捕捉和分离，继而提高装置的流量稳定性和流量的计量精度[29-30]。