⑤應(yīng)用變液位法測(cè)量氣液兩相流量。前面所述的四種方法用來(lái)測(cè)量氣液兩相流流量都不夠完善，因?yàn)樗麄兡軌驅(qū)崿F(xiàn)的測(cè)量同第二節(jié)所提出的測(cè)量要求還有很大差距。當(dāng)然，有的測(cè)量對(duì)象如果只需知道氣液混合物體積流量或質(zhì)量流量，這些方法就可能投入實(shí)際應(yīng)用。但若需進(jìn)一步知道各相質(zhì)量流量或氣相質(zhì)量流量含量，那就需另想辦法。其中將氣液兩相先進(jìn)行分離，然后用測(cè)量單相流量的方法分別測(cè)量氣液兩相的質(zhì)量流量。
圖3.94所示為儲(chǔ)液器固定的變液位流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意。常用來(lái)測(cè)量含氣石油中的石油流量。由圖可見(jiàn)，石油和氣體的混合物由管1切向進(jìn)入分離室2，使氣液分離。氣體經(jīng)分離室后流入儲(chǔ)液器4，再經(jīng)槽縫7流入容器下部6后，和氣體一起經(jīng)管5流出。儲(chǔ)液器中裝有穩(wěn)定液位用的隔板3，儲(chǔ)液器4中的液位可采用差壓計(jì)測(cè)出儲(chǔ)液器中液柱靜壓的方法來(lái)確定。根據(jù)讀出的差壓可確定液位高度h，再根據(jù)各相應(yīng)計(jì)算式（一種形狀的槽縫對(duì)應(yīng)一種計(jì)算式）算出液體體積流量qv。
其實(shí)，將僅適用單相流的流量計(jì)與氣液分離器配合用來(lái)測(cè)量氣液兩相流中的部分參數(shù)應(yīng)用最多的是飽和蒸汽流量測(cè)量。飽和水蒸氣經(jīng)長(zhǎng)距離輸送，因熱量損失而部分蒸汽變成冷凝水，管道中流體變成氣液兩相流，影響某些原理的流量計(jì)正常工作。常用的做法是在流量計(jì)前裝設(shè)氣液分離器，然后將液體經(jīng)疏水器排放掉。經(jīng)氣液分離后的蒸汽可近似看作為單相流，從而用一般流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
⑥基于螺旋管分離器的多相流計(jì)量裝置。該裝置是為計(jì)量油氣水多相流體而設(shè)計(jì)的。其主體是螺旋管復(fù)合氣液分離器，如圖3.95所示。中部為螺旋分離腔，上部為集氣腔，下部為集液腔。
氣液混合物進(jìn)入螺旋管流道內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈旋流運(yùn)動(dòng)。通過(guò)離心力使氣體和液體進(jìn)行分離。為了適應(yīng)含氣率和總體流量較小的工況，采用重力分離部分進(jìn)行氣液分離，從而縮小分離器體積，增強(qiáng)其適應(yīng)能力，提高氣液分離效果。
集氣腔是空腔，近氣體出口處設(shè)捕霧網(wǎng)。集液腔也是空腔，近液體出口處設(shè)防旋渦擋板。螺旋分離腔由腔體和內(nèi)置多圈螺旋管組成，在螺旋管道內(nèi)上側(cè)開(kāi)孔，分離出的氣體從開(kāi)孔處排出進(jìn)入集氣腔。在螺旋管道外下側(cè)開(kāi)孔，分離出的液體從開(kāi)孔處排出，沿腔體壁進(jìn)入集液腔。當(dāng)流體含氣量很少或總體流量較小時(shí)，流體在螺旋管內(nèi)流速較低，離心加速度較小，主要依靠分離器集氣腔和集液腔進(jìn)行分離。
在圖3.95中，上部的氣體出口管上裝有氣體質(zhì)量流量計(jì)1（1.0級(jí)），下部的液體出口管口裝有渦輪流量計(jì)2，經(jīng)計(jì)量的氣體和液體從裝置出口流出。為了將集液腔內(nèi)的液位控制在理想高度，配置了液位調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)節(jié)手段是氣體排出量。
測(cè)試表明，該裝置對(duì)油氣水三相流不同氣液比、不同負(fù)荷，具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。其中液體流量在 20~130m3/d范圍內(nèi)變化，含水量在20%~85%范圍內(nèi)變化，氣體流量在100~500m3/d范圍內(nèi)變化，液流量計(jì)量最大相對(duì)誤差1.5%，氣流量計(jì)量最大相對(duì)誤差 -2.1%。
四、混合不均勻的雙組分液體及其流量測(cè)量
(1)混合不均勻的雙組分液體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)混合不均勻的雙組分液體的流動(dòng)結(jié)構(gòu)和氣液兩相流相近，但是，由于此時(shí)兩相的黏性、密度以及兩相分界面上的張力和氣液兩相流不同，因而在流動(dòng)結(jié)構(gòu)上也存在一定的差別。
圖 3.96 所示為由密度為851kg/m3的油和水在垂直上升管中混合流動(dòng)時(shí)的各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)。隨著油流量的增大，油水兩相流逐漸由圖示的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)、塊狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殪F狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。在圖中呈細(xì)泡及彈狀結(jié)構(gòu)的工質(zhì)為油，在霧狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)中，霧滴的工質(zhì)為水。
圖 3.97 所示是油水混合液在水平管中的各種流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意。當(dāng)水流量較大而油流量較小時(shí)，油和水的流動(dòng)結(jié)構(gòu)為細(xì)泡位于管子上部的細(xì)泡狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流量和油流量均小時(shí)，油和水的流動(dòng)結(jié)構(gòu)為油在上面水在下面的分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流量及油流量增大時(shí)，油水分界面發(fā)生波動(dòng)，形成波狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水流量再增大時(shí)，形成彈狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。當(dāng)水及油的流量均較大時(shí)，油和水形成混合狀流動(dòng)結(jié)構(gòu)。
圖3.97所示的流動(dòng)結(jié)構(gòu)是油水密度相差較多時(shí)的流動(dòng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)兩種液體的密度相近時(shí)，混合物流動(dòng)結(jié)構(gòu)中的油和水分布情況要比圖3.97所示的均勻。
(2)混合不均勻的雙組分液體的流量測(cè)量方法 從上面的流動(dòng)結(jié)構(gòu)分析可以看出，混合不均勻的雙組分液體分層流動(dòng)時(shí)，對(duì)流量測(cè)量影響較大，由于上層液體和下層液體之間黏度和密度存在差異，因此，流速也存在差異。于是對(duì)以流速測(cè)量為基礎(chǔ)的流量計(jì)的測(cè)量帶來(lái)誤差。
從圖3.96可看出，垂直上升管道中的此類混合物流動(dòng)不存在分層流動(dòng)的情況，而且在流速較高時(shí)，流體呈霧狀結(jié)構(gòu)，可將其近似看作均相流體，從而可用通用單相流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量。
五、液固兩相流及其流量測(cè)量
(1)液固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)液固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不僅受到液固兩相密度、固相含量、流速變化以及管道形狀和布置方式的影響，而且還受到固體顆粒尺寸的影響。它和氣固兩相流很相似，在表明垂直上升氣固兩相流流動(dòng)結(jié)構(gòu)的圖3.98中，如將氣體換成液體，即可變?yōu)橐后w流化床和液力輸送固體顆粒的流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖。當(dāng)然，在液固兩相流中出現(xiàn)這些流動(dòng)結(jié)構(gòu)的具體工作參數(shù)上是和氣固兩相流不同的。
水平管道中的液固兩相流的流動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖3.99 所示。當(dāng)流速低于臨界流速時(shí)，固相會(huì)發(fā)生沉淀，當(dāng)超過(guò)臨界流速時(shí)，混合物可成為浮游流動(dòng)。
(2) 液固兩相流的流量測(cè)量方法
①差壓式流量計(jì)。差壓式流量計(jì)用于測(cè)量各種漿狀流體的流量，例如水煤漿、泥漿等已有幾十年的歷史。為了保證節(jié)流裝置不沉積固相顆粒，一般都采用文丘里管。另外還需注意文丘里管喉部的磨蝕問(wèn)題以及導(dǎo)壓管被漿狀物質(zhì)堵塞問(wèn)題。
圖3.100 所示為一個(gè)用于鋁土礦漿流量測(cè)量的文丘里管，圖中所示的文丘里管作水平布置，在喉部裝有用耐磨材料制成的可更換的圓套筒4。試驗(yàn)證明，當(dāng)喉部不裝設(shè)圓套筒，則由一般碳鋼制成的喉部每月磨蝕1mm，裝上防磨蝕圓套筒后，可使文丘里管的運(yùn)行期延長(zhǎng)好幾倍。
另外，3.2.2節(jié)中所述的楔形流量計(jì)也適用于測(cè)量液固兩相流量，國(guó)內(nèi)有一些應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。采用帶法蘭膜片隔離的差壓變送器和帶吹洗液的取壓管，能使取壓管有效防堵。
楔形流量計(jì)實(shí)際使用中的困難是楔形節(jié)流件頂部的快速磨蝕，而且一經(jīng)磨蝕就無(wú)法用文丘里管中更換套筒的方法恢復(fù)其準(zhǔn)確度，只能整體更新，因此運(yùn)行成本高。
對(duì)于應(yīng)用差壓法測(cè)量液固兩相流量的研究工作進(jìn)行得還不夠，由于兩相流中輕相的流速要比重相流速快，此兩相之間的滑動(dòng)現(xiàn)象引入一定的誤差，所以這樣的應(yīng)用比測(cè)量單相流量時(shí)誤差大，不確定度一般可達(dá)±5%。
②科氏力質(zhì)量流量計(jì)。科氏力質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量含有少量固體顆粒的液體流量，具有較高的信賴度，測(cè)量渣油、重油可長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)行，有的甚至用來(lái)測(cè)量熔融狀態(tài)的瀝青石墨糊流量。但當(dāng)固體含量增加和固體粒度較大時(shí)，就要考慮防堵問(wèn)題，尤其是儀表口徑較小時(shí)。最好選用單根直管型，并將其安裝在垂直管道上。
液固兩相流中的固體顆粒形狀多種多樣，硬度差異也很大，因此對(duì)流量計(jì)同流體接觸的部分產(chǎn)生磨蝕作用，磨蝕速度不僅與固體顆粒外形及硬度有關(guān)，還與流速有關(guān)，流速越高，磨蝕速度越快。將流量傳感器安裝在垂直管道上，可以防止管壁因磨損不均而縮短使用壽命。然而管壁厚度變薄會(huì)降低測(cè)量管剛度而導(dǎo)致誤差增大。當(dāng)然，最嚴(yán)重的情況是測(cè)量管被磨穿，因此，遇到這種情況時(shí)應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。
③超聲流量計(jì)。3.3.2節(jié)中的多普勒超聲流量計(jì)同樣適用于液固兩相流量測(cè)量。如果采用夾裝式流量傳感器，則管道磨蝕問(wèn)題和防堵問(wèn)題全由工藝管道承擔(dān)。若將傳感器安裝在水平管道上，由于重相靠管底流動(dòng)可能會(huì)引入較大的測(cè)量誤差，因此，應(yīng)盡量安裝在垂直管道上。
④ 電磁流量計(jì)。測(cè)量礦漿、煤漿、泥漿、紙漿等一類電導(dǎo)率較高的液體，電磁流量計(jì)具有獨(dú)特的優(yōu)越性。首先，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可比差壓式流量計(jì)高若干倍;其次，完全用不著考慮堵塞問(wèn)題，因?yàn)檫x用與工藝管道等直徑的流量傳感器，不增加阻力;至于耐磨蝕問(wèn)題，也強(qiáng)調(diào)將測(cè)量管安裝在垂直管道上，不僅磨蝕一致，而且不易在流速低時(shí)發(fā)生重相沉積現(xiàn)象。
為了對(duì)測(cè)量管內(nèi)襯的磨損進(jìn)行監(jiān)視，提出了內(nèi)襯磨穿報(bào)警方法，在圖3.101所示的測(cè)量管中，件號(hào)5、6為報(bào)警電極，當(dāng)內(nèi)襯被磨穿后，兩電極之間經(jīng)流體導(dǎo)通，從而發(fā)出警報(bào)。從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐看，靠近測(cè)量管近法蘭處內(nèi)襯磨損最為嚴(yán)重，所以圖3.101所示的測(cè)量管增設(shè)了耐磨性較強(qiáng)的保護(hù)環(huán)7。
