含气液体的流量测量研究

纪 纲，沈创谦

(1.上海同欣自动化仪表有限公司，上海 200070；
2.深圳烟草工业有限责任公司，广东 深圳 518109)

含气液体中的气体以均匀溶解于液体和以气泡形态游离于液体两种形式存在于液体中。其中，后一种形式对流量测量的危害极大。

含气液体的流量测量，严格地说是气液两相流的流量测量问题。所谓气液两相流就是液体及其蒸气或组分不同的气体及液体一起流动的现象。前者称为单组分气液两相流，后者称为多组分气液两相流。气液两相流在动力、化工、石油、冶金等工业过程中是常见的。

两相流的情况非常复杂。这首先体现在其流动结构上。随着管道布置方向的不同，流动结构大不相同。同样地，对于垂直管道，液体自下而上流动与自上而下流动，它们的流动结构大相径庭。而气体在液体中的体积比的不同，对流动结构影响也非常大。

有些液体本来并不存在可见的气泡，但因工况变化，会有一定数量的气体从液体中析出，有的甚至会在瞬间产生大量的蒸气。因此，人们在研究液体含气对流量测量影响的同时，也不能放弃对液体中析出气体原因和部分液体瞬间气化条件的研究。

本文在分析了气液两相流流动的结构之后，论述了此类流体流量测量的常用方法，并列举了在仪表使用现场碰到的四个实例，在分析了处理方法后得出结论。

含气液体在圆形管道中的流动结构，不仅与流动方向密切相关，还与流动速度和含气率密切相关。

垂直上升管中的气液两相流流动结构如图1所示。

图1 垂直上升管中的气液两相流流动结构图

垂直下降管中的气液两相流流动结构如图2所示。

图2 垂直下降管中的气液两相流流动结构图

水平管中的气液两相流流动结构如图3所示[1]。

图3 水平管中的气液两相流流动结构图

图3中，液体流动方向为从左到右。

在流动时，气相和液相之间还存在流速差。这增加了测量的难度。

有几种仪表，制造商声称可用于测量离散相浓度不高的两相流体的流量，并且也有一些来自用户的成功应用实例。但现行的流量计有关标准、规程规定，流量计都是在单相流流动状态下评定其测量性能，尚无以单相流标定的流量计用于测量两相流时系统变化的评定标准。

气液两相流体的主要流量测量方法有：先分离后测量法；
消气器排除液体中所夹带的气体法；
科里奥利质量流量计(Coriolis mass flowmeter,CMF)测量法等。

2.1 先分离后测量法

先分离后测量法是先由分离设备将气液分离，然后分别测量液相和气相流量。

基于螺旋管分离器的多相流计量装置结构如图4所示。

图4 基于螺旋管分离器的多相流计量装置结构图

基于螺旋管分离器的多相流计量装置是为计量油气水多相流体而设计的[2-3]。其主体是螺旋管复合气液分离器。分离器上部为集气腔，中部为螺旋分离腔，下部为集液腔。

气液混合物进入螺旋管流道内产生强烈旋流运动。通过离心力使气体和液体进行分离。为了适应含气率和总体流量较小的工况，采用重力分离部分进行气液分离，从而缩小分离器体积、增强分离器适应能力、提高气液分离效果。

集气腔是空腔，在近气体出口处设捕雾网。集液腔也是空腔，在近液体出口处设防旋涡挡板。螺旋分离腔由腔体和内置多圈螺旋管组成。在螺旋管道内上侧开孔，则分离出的气体从开孔处排出并进入集气腔。在螺旋管道外下侧开孔，则分离出的液体从开孔处排出并沿腔体壁进入集液腔。当流体含气量很少或总体流量较小时，流体在螺旋管内流速较低、离心加速度较小，主要依靠分离器集气腔和集液腔进行分离。

分离器上部的气体出口管上装有气体质量流量计F1IQ。下部的液体出口管上装有涡轮流量计F2IQ。经计量的气体和液体从装置出口流出。为了将集液腔内的液位控制在理想高度，分离器配置了液位调节系统。调节方法是改变气体排出量。

国外厂商生产的气液两相流流量计更加复杂[4]，而且价格较贵。为了简化控制流程和降低成本，研究者根据两相流的具体情况研发了简单而实用的方法。但是这些方法只适用于一些特定的对象和工作条件。

2.2 消气器排除液体中所夹带的气体法

原油大多采用容积式流量计计量。而原油在管道中长距离输送时，经常会析出一些气体。如果不将这些气体排除，在流过流量计时，这些气体势必被当作原油予以计量，致使计量结果偏高。更有甚者，原油管道在初次投入使用前都要用气体吹扫管道，在流量计拆下维修校验的操作中，也会有很多空气进入管道，因此需要排除这些气体。这一任务通常交给消气器完成。在采用容积式流量计组成的流量测量系统中，设计规范规定，消气器和过滤器是必须配置的辅助设备。具有自动排气功能的消气器由气液分离器、液位指示器以及排气阀等部分组成。

具有自动排气功能的消气器结构如图5所示。由图5可知，含气液体进入消气器，冲击中间筒底的斜板产生涡流。由于涡流效应，小气泡聚集成大气泡。气泡的浮力使大气泡上升到消气器的顶部空间，迫使容器中液面下降，以致浮球所受的浮力减小。浮球下行，通过连杆机构将排气阀打开。随着气体的排出，液面上升，经浮球将排气阀重新关闭，从而实现自动排气[5]。消气器的应用应根据液体的种类、含气量的多少合理选定。当气量很少，只需少量排气时，可用手动排气阀代替浮球排气阀。这时，消气器应配有液位计，以便合理决定排气阀的打开和关闭时间。如果气量更小，甚至可以采用气体收集器代替消气器。

2.3 CMF测量法

CMF以流过测量管的流体质量所产生的科里奥利力为原始信号。质量流量qm等于体积流量qv和流体密度ρf的乘积。当流体中含有气泡时，密度减小。所以，利用工况条件下的液体密度ρLf，并根据气体(泡)的种类和工况条件，可以计算工况条件下的气体密度ρgf，从而得到流体中气液两相流的体积比和质量比。

这一测量方法简单、直观，但含气率不允许太高。对于不同品牌的产品，含气率指标的差异也很大。早期产品含气率一般只允许2% V/V，较先进的产品允许30% V/V[6]。但这些较先进的产品价格昂贵，只在测量精确度要求极高而其他类型的流量计无法胜任的情况下才会选用。

以下列举几个实例，分析液体中气体的形成以及将气体排除的方法。

3.1 自来水分表比总表流量示值高

①存在问题。

用科隆电磁流量计测量自来水流量，一年里大多数时间很准，但高温时间段的分表比总表走得快。

上海某大厦裙房五楼和三楼各装有电磁流量计一套，而四楼未装表。

差值法计算耗水量的计算式为：

Q4=Q5-Q3

(1)

式中：Q4为四楼用户耗水总量，m3；
Q5为五楼总表耗水总量，m3；
Q3为三楼用户耗水总量，m3。

自来水计量系统控制流程如图6所示[7]。

图6 自来水计量系统控制流程图

根据计算机计量数据采集系统统计数据：前几年耗水总量统计结果正常；
在2010年夏季，上海出现数天38 ℃以上的高温天气时，Q4出现负值。其原因是Q3>Q5。而这个结论是错误的。

②三楼电磁流量计示值偏高原因分析。

有关人员察看了现场，发现设在五楼的水箱无太阳的直接照射，由自来水管网补水，水温较低。因为水箱是敞口容器，所以水中溶解的空气应已达饱和程度。沿途自来水管从大气中吸收热量，水温有所升高，尤其是在三楼处，有一段约20 m长的水管敷设在室外，致使温度上升得更高。自来水流过此处进入三楼流量计处有气体从水中析出，聚集在水平管道的上部。这段管道到了三楼就再也没有上行的机会，所以水平管内积存的气体排不出去。

安装在三楼水平管上的电磁流量计测量管内也难免有气体，占据一定的流通截面积，从而使流量示值偏高。

③整改方法。

在三楼水平管的合适位置，增设气体收集器和排气阀，定期排放管内积气。秋、冬、春三个季节，管内不会积气，一般不需排气。整改之后效果良好。

3.2 流量示值逐渐降到零

①存在问题。

上海某化工厂的一根DN400循环水管道安装了一套阿牛巴流量计。由于工艺管道标高较低，检测杆从水平管道的上方插入。仪表投运后，流量示值正常。但随着时间的推移，流量示值逐渐降低，三天后的流量示值降到0。排尽正负压端气体收集器内积气后，仪表示值恢复正常，但数天后又出现同样的问题。

②分析与改进。

此台阿牛巴流量计的安装存在问题。采用阿牛巴流量计测量水流量时，阿牛巴检测杆应从工艺管道的水平直径以下插入，这样就可以形成一段液封，从而使水中析出的气体无法钻入导压管内。

正确安装方法如图7所示。

图7 正确安装方法示意图

现场的错误安装方法使水中析出的气体进入导压管内，并很快将导压管的正端装满，影响差压信号的准确传递。

错误安装方法如图8所示。

图8 错误安装方法示意图

正压管气体收集器内空气容易积满的原因在于正压管与阿牛巴检测杆的迎流面开孔相通。水在流过检测杆时，会撞击在检测杆上。水中析出的气体从迎流面开孔钻入导压管，并且会因其密度小而上升到气体收集器内。

③水中气体的来源。

水中总是溶解有空气。循环水在用泵被送往用户之前，一般会经冷却塔冷却，并在曝气池内存放，与空气充分接触，所以水中溶解的空气达到饱和程度。溶解在水中的空气因输送过程中水温升高或其他原因从水中析出，进入导压管，从而影响流量测量。

④气体在液体中的溶解度。

气体在液体中的溶解度不仅与气体和液体的种类有关，还与液体的温度及压力有关。例如在绝对压力为1×105Pa的冷水中，空气的溶解度约为2%(体积比，下同)。温度升高后，溶解度减少[8-9]。

空气在液体中的溶解度与压力成正比。如冷水中，当绝对压力为1×105Pa时约溶解2%空气(在标准状态下)，绝对压力为2×105Pa则溶解4%。碳氢化合物中的空气溶解度要大得多，如绝对压力为1×105Pa时，润滑油中约溶解8%空气、在煤油中为12%、在汽油中为16%，并且这个数值在温度升高时不会减少很多。当压力突然降至大气压时，溶解的空气要释放出来形成气泡。这会显著地影响测量精确度。这个问题在油品计量中较为严重，必须设法解决以减少测量误差。

生活中也不乏溶解在液体中的气体被释放出来的例子。啤酒从冰箱里取出，往往看不出液体内溶解有气体。但啤酒瓶在餐桌上放置一段时间后，就可发现玻璃瓶内壁附着有很多气泡。这些气泡是因液体温度升高而被释放出来的。将瓶盖打开时有大量泡沫涌出，是因为压力突然降低，溶解在液体中的气体被均匀释放，夹带着液体一起溢出所致。二氧化碳气体在啤酒中的溶解度要比在空气中的溶解度大若干倍，所以啤酒瓶中溢出的泡沫数量较多。

⑤整改效果。

因为母管标高太低，流量传感器按图8的错误方法安装也是不得已而为之。整改方案是在传感器安装地点的地坪上挖一个大坑，并按图7的正确方式进行改装。整改后，测量正常，气体收集器内再也没有很多气体进入，确保了流量计的长期、稳定运行。

3.3 批量控制在冬季偏高3%

①存在问题。

某工程塑料造粒厂共有四条聚氯乙烯(polyvingl chloride,PVC)塑料造粒流水线。该流水线的流程为:首先，将二丁酯增塑剂定量加入反应釜并预热；
接着，将PVC粉料定量倒入反应釜；
然后，加热搅拌，待形成均匀熔融状态后输送到造粒机；
最后，完成造粒。

上述流程中与仪表有关的部分是增塑剂流量批量控制。增塑剂批量加料系统控制流程如图9所示。

图9 增塑剂批量加料系统控制流程图

在图9中，储存在室外高位槽中的增塑剂经管道送往反应釜，并用流量批量控制器实现批量加料。

根据工艺规程规定，增塑剂与粉料必须保持规定的配比，而加入的粉料量是按包数计重的，很容易控制。所以操作人员每天都抽查增塑剂的控制精度。抽查方法是关闭切断阀，打开校验阀，将液体排入敞口容器并称重。操作人员发现，在春、夏、秋三季，四条流水线控制得都很准；
但在冬季，会缺量3%左右，且四条流水线都是如此。因此，业主单位怀疑流量计在冬季示值偏高。

②诊断与分析。

现场诊断发现，增塑剂流出高位槽后，经DN25的管道在室内流动了几十米才到达流量计。管道和仪表的安装无不合理之处。智能化仪表的数据设置也无不妥之处。但在观察实际发料过程时，批量控制器上的模拟显示每过几秒钟低落一次。显然，瞬时流量曲线每过几秒就出现一个向下的缺口。因此怀疑流体中存在气泡。气泡夹杂在液体中从上游流向下游。当气泡流过流量计时，由于气泡密度比液体密度小很多倍，于是推力陡降，导致瞬时流量短时降低，从而出现了向下的缺口。

瞬时流量曲线如图10所示。

图10 瞬时流量曲线

进一步分析发现，室内空调开放，环境温度较高，而高位槽放置在室外，环境温度只有几摄氏度。室内外存在很大的温差。储存在高位槽中的增塑剂与低温的大气长时间接触，将相当数量的空气溶解在液体中。其中一部分液体沿着管道流向反应釜，一边流动一边从管壁吸收热量。这会造成温度升高，使空气在液体中的溶解度相应减小，从而析出空气形成气泡。

在炎热的夏季，室外温度比室内温度高。液体在管道内流动时，温度只会降低。因此，液体中能够溶解较多的空气，在流量计处不会有气泡出现。

③处理方法与结果。

根据图9，从原理分析，液体从高位槽流向反应釜，只要室内温度比室外温度高，管内液体就有析出空气的可能性。而环境温度每时每刻都在变化。因此，稳妥的办法是在流量计前的管道上安装一个气体收集器。无论什么时间，只要有空气析出，就悉数将其捕捉收集，再定时排放到大气中。

实践证明，这个方法是有效的。所以几条流水线流量计前面的管道上都加装了气体收集器，解决了问题。

除了此方法之外，对于此类测量对象，有时也可根据液体中的含气率与其温度压力的关系，合理选择流量计在流程中的安装位置。这也能收到很好的效果。例如在本例中，如果在高位槽的出口紧接着安装流量计，就不存在液体含气问题，当然也不用为液体含气影响测量而担忧。合成氨厂的氨分离器以及化工厂的氨储罐出口流量的测量中，借鉴这一方法，往往能得到很好的效果。

3.4 电磁流量计总是指示满度

(1)工艺流程。

广东某卷烟厂在开展的节能活动中，有一个项目是将安装在地面上的板式换热器出口的凝结水，利用斯派莎克公司的疏水器背压，送到设在锅炉房二楼的回收热水槽。为了对回收热量进行核算，在回收管上安装了流量计凝结水回收系统。

凝结水回收系统控制流程如图11所示。

图11 凝结水回收系统控制流程图

为了不使疏水器背压升得太高，疏水器到回收热水槽之间的管道，直径放大到DN150。为了减小阻力，回收水流量选用科隆公司电磁流量计。但此流量计投运后示值超过满度，并且在将其测量上限放大3倍后流量示值仍超满度。对于DN80的电磁流量计，此时量程上限为180 t/h，而广东某卷烟厂三台燃油锅炉总的蒸发量才30 t/h。显然，电磁流量计指示的流量值不正确，另有其他问题。

(2)分析与诊断。

①设计方案是合理的。

广东某卷烟厂利用疏水器背压输送凝结水的方法是合理的。如果采用凝结水泵输送，除了增加泵、凝结水缓冲槽的投资外，还要考虑缓冲槽的水位控制。而采用凝结水背压输送的方式既节省了投资，又简化了操作和管理，适合短距离输送。

②采用电磁流量计测量凝结水流量是合理的。

在图11中，将旁通阀关闭，电磁流量计开始工作，且不增加系统阻力。

③电磁流量计指示满度原因分析。

首先，进行校零试验。现场人员作电磁流量计校零试验的结果为：打开旁通阀并关闭流量计的上游切断阀，或者仅仅打开旁通阀，流量计示值均回零。显然，流量计工作正常。

其次，这个问题可能是蒸汽进入流量计而造成的。凝结水在从疏水器内排出之前，因压力较高，汽液相平衡温度也较高。例如压力为0.6 MPa G时，温度约为164 ℃。

凝结水从疏水器排出之后，由于突然减压，部分凝结水因闪蒸变成蒸汽，温度也随之下降。例如疏水器出口处压力为0.1 MPa G时，温度降到121 ℃。

凝结水在管内上行时，随着静压的逐渐降低，不断有一定量的凝结水被蒸发，因此蒸汽逐渐增多。这些蒸汽在旁通阀关闭之前，在DN150水平管的上部流向回收热水槽。凝结水则贴在管道底部流向回收热水槽。而当旁通阀被关闭后，蒸汽只能与水一起经电磁流量计流向热水槽。

水和蒸汽的混合物流过电磁流量计时，电磁流量计的电极难免要被混合物中的蒸汽覆盖。由于蒸汽导电性很差，就使得两电极之间呈高阻状态。因为两电极之间的电阻就是电磁流量传感器的信号源内阻，所以内阻受外界干扰增大后，使流量计输出指示满度[10]。

综上分析，电磁流量计指示满度是因蒸汽进入电磁流量计测量管而导致的。而蒸汽之所以进入测量管，是因为蒸汽原有的通道被阻断，在无路可走的情况下只得与凝结水一起经流量计测量管流向回收热水槽。所以，必须给蒸汽另外提供一条通道。

改进后的系统控制流程如图12所示。

图12 改进后的系统控制流程图

在图12中，系统增设了一根DN50的蒸汽管，从DN150的水平管道顶部通向回收热水槽。

在正常情况下，DN150的水平管段并不充满凝结水。但为了防止流量较大时，由于电磁流量计及相关的DN80管的阻力引起旁通阀前压力有些许升高，以致凝结水从DN50蒸汽管流向回收热水槽，DN50蒸汽管设置了2 m高的龙门架。

管道经改装后，电磁流量计指示正常。

在过程控制和能源计量中，含气液体的流量测量并不少见，液体中一旦含有气体(泡)，便会造成流量测量困难。

本文从流体的流动结构出发，研究了液体含气后对流量测量的影响，以及针对不同情况所需的不同解决方法。

含气液体的流量测量，严格地说属于气液两相流的流量测量问题。但是根据所含气体的种类和含气量的多少，可采用简单的方法予以解决。

含气液体的流量测量，简单而常用的方法是先作气液分离，再分别测量气相流量和液相流量。所含气体为空气时，往往是由消气器将气体分出并排放。

当含气量不多时，往往是由气体收集器捕捉气体，再定时排放掉。

气体在液体中的溶解度不仅与气体和液体的种类有关，还与液体的温度压力参数有关。压力越高、温度越低，则溶解度越大；
反之，则溶解度越小。在作诊断分析时，应对流体种类和温度压力变化作细致的调查，并仔细分析，以求用经济而有效的方法解决问题。

从本文中的几个实例可以得到启示，即：要解决含气液体流量的准确测量问题，必须深入实际作充分的调查研究，以求对被测液体物性和可能含有的气体的物性有足够的认识；
对管网的布置和所用流量计的特性有足够的认识，然后作综合分析，判断液体中是否含气以及液体含气率，最后找出解决问题的简单而易行的方法。

在含气液体的流量测量中，CMF具有显著的优点。但CMF应用场景的含气率不能太高，而且价格昂贵，所以还有待进一步改进。

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