具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

一种管道内两相流空泡份额实时在线测量系统，由水平管段、差压测量装置、质量流量计及数据分析系统组成；

水平管段由与测量管道横截面形状相同的管段组成，水平管段最下方沿流动方向布置高低压取压孔，用于连接差压测量装置；

差压测量装置具体由导压管及差压变送器组成，差压变送器高、低压侧分别连接水平管段取压孔，用于测量该管段的两相压降值；

质量流量计具体为科氏力质量流量计，可在高温高压环境下直接测量两相流质量流量。

数据分析系统具体由数据采集系统及数据分析程序组成，通过读取差压变送器测量值、两相质量流量及气液两相物性参数，用于计算空泡份额值；

所述水平管道横截面形状根据待测管道形状确定，其长度为2-10倍管道水力直径，管段两端设置法兰或预留焊接端口，用于连接质量流量计及其它测量管道；

所述水平管段上方安装水平尺，用于调整管道的水平程度；

所述取压孔位于水平管道最下方，取压孔间距不小于1倍管道水力直径；

所述取压管采用竖直与水平布置，导压管两端分别连接取压孔和差压变送器测量接口；

所述质量流量计位于流动方向上第二测压口下游1-5倍水力直径处，避免对水平段压降测量带来影响。

所述数据分析系统可实时采集动态差压变送器数据、质量流量信号并进行在线处理，获得空泡份额数值；

所述差压测量装置中差压变送器测得压降ΔP由重位压降ΔP_G、加速压降ΔP_A和摩擦压降ΔP_F组成，如式(1)所示。

ΔP＝ΔP_G+ΔP_A+ΔP_F (1)

对于所述差压测量装置，由于测量管道水平布置，重位压降为零；由于测量管道截面面积不变且长度较短，空泡份额变化值较小，加速压降变化可忽略。因此，本测量装置中差压变送器测得的水平管道两相压降主要为两相摩擦压降，即：

所述两相摩擦压降通过洛克哈特-马蒂内里(Lockhart-Martinelli)方法计算，该方法引入了分液相折算参数(两相摩擦因子)，如式(3)所示。

式(3)中，为两相摩擦因子，X为马蒂内里参量，可分别由式(4)和(5)计算；C为无因次参数，取值与各相流态有关。

式(4)和(5)中，为两相摩擦压降，分别表示液相和气相摩擦压降。

根据式(4)可得两相摩擦压降如式(6)所示。其中，ΔP_Fl可由达西公式(7)计算。

式(7)中，f_k、ρ_k、j_k分别为k相摩擦阻力系数、流体密度、折算流速；D为当量直径。

针对工业领域大多数两相流为湍流，所述摩擦阻力系数f_k通过式(8)布拉修斯公式计算获得。其中，Re_k、μ_k分别为k相雷诺数和动力粘度。

表观流速j可通过式(9)转换为实际流速v，实际流速v可进一步通过式(10)转换为质量流速G和空泡份额α。

j_g＝αv_g,j_l＝(1-α)v_l (9)

上式中ρ，j，v分别为气液两相的密度、表观流速和实际流速，质量流速G通过质量流量计测得的总质量流量换算得出的，x为质量含气率，A为流道横截面面积。

式(10)中，质量含气率x与空泡份额α及滑速比S存在以下关系。

将式(4)-式(11)代入式(3)中，可得：

对于工业中常见的泡状流，两相间的速度滑移较小，滑速比S≈1；湍流条件下，无因次参数C采用奇斯霍姆推荐值C＝20。将以上值代入式(12)，可得空泡份额α的隐式计算式(13)：

式(13)中，仅空泡份额α为待求未知量，其它参数均可通过实验测量或换算得出。对于非泡状流工况，可采用标定对的S值运用式(12)进行空泡份额测量。

一种水平管道内空泡份额测量方法与系统，空泡份额通过与两相流压降、滑速比间关系式计算得出；测量系统由水平管段、差压测量装置、质量流量计及数据分析系统组成；水平管道的横截面形状与待测管道匹配，长度为2-10倍管道水力直径；水平管道两端设置法兰或预留焊接端口；水平管道上方安装有水平尺，最下方设置间距不小于1倍管道水力直径的两个取压孔；差压测量装置由导压管5、导压管6、及差压变送器7组成，差压变送器的高、低压侧分别接于水平管道的上下游取压孔；质量流量计具体为耐高温、高压的科氏力质量流量计，位于流动方向上第二测压口下游1-5倍水力直径处；数据分析系统由数据采集系统及数据分析程序组成，数据采集系统通过数据传输线路连接差压变送器；数据分析程序可以输入不同两相流的组份物性；该系统可对管道内气液两相泡状流空泡份额值进行实时测量。

本发明基于压降测量原理，将水平管道内两相流的截面平均空泡份额值转换成摩擦压降进行测量。

如图1所示，本发明所采用的水平管道的横截面形状与待测管道匹配，其长度为2-10倍管道水力直径；管段两端设置法兰或预留焊接端口，用于连接测量管道；水平管道上方安装水平尺2，用于调整管道的水平位置；水平管道的取压孔间距不小于1倍管道水力直径，位于水平管道的最下侧，可以有效壁面气泡进入导压管，从而保证压降测量的可靠性。

差压测量装置由导压管5、导压管6及差压变送器7组成，差压变送器的高、低压侧分别接于水平管道的上下游静压取压孔，采集两取压孔之间的两相压降。

质量流量计3选用耐高温高压的科氏力质量流量计，并安装于测量段第二测压口下游1-5倍水力直径处对两相质量流量进行直接测量。

数据采集系统通过数据传输线路连接差压变送器，可实时对两相压降、质量流量进行在线采集；

数据分析程序以压差传感器测量的压降数值、两相质量流量、各组份物性参数、管道几何尺寸、无因次参数C作为数据输入，依次对当量直径、质量流速、空泡份额进行求解，最终实现该测量系统可适应于不同工质的两相泡状流空泡份额测量。

以上对本发明的详细说明及实施方式为本发明的最优实施方案，但本发明并不限于上述实施方法，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

综上所述：本发明是一种水平管道内空泡份额在线测量方法与系统，可实时测量管道内的气液两相泡状流空泡份额值，涉及热工水力、石油开采与输运和蒸汽生产等技术领域。本发明由水平管段、差压测量装置、质量流量计及数据分析系统组成，具体包括水平管段、水平尺、取压孔、导压管、差压变送器、质量流量计、数据传输线路、数据采集系统和数据分析程序组成。本发明基于两相流压降测量原理，通过空泡份额与两相摩擦压降间的关系对截面平均空泡份额进行测量。测量过程中，借助水平尺保证水平管道安装的水平度，通过差压变送器测量两取压孔之间的压差，通过质量流量计直接测量两相流质量流量、结合在数据分析程序中输入的气液两相物性参数，运用两相流摩擦压降公式即可计算空泡份额数值。实现对气液两相泡状流空泡份额的实时在线测量。