СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО И МАССОВОГО ГАЗО/ПАРОСОДЕРЖАНИЯ ДВИЖУЩЕГОСЯ ДВУХФАЗНОГО ПОТОКА В ТРУБОПРОВОДЕ Российский патент 2025 года по МПК G01N7/00 

Изобретение относится к способам определения фазового состава двухфазных потоков (газосодержащих, паросодержащих жидкостей), а именно к способам определения объемного или массового газо/паросодержания в движущейся двухфазной смеси непосредственно в трубопроводе.

Изобретение может быть использовано для определения газо/паросодержания в двухфазном потоке также в экспериментальной гидромеханике с целью изучения свойств и поведения парожидкостных или газожидкостных смесей при различных режимах работы оборудования и устройств энергетических систем

Способы определения содержания газа или пара в потоке двухфазной смеси основаны на различных физических принципах и направлены на измерение газо- или паросодержания в смеси, в отобранной пробе или в определенном объеме участка трубопровода.

Известен способ определения газосодержания в смеси, заключающийся в том, что взятую пробу газосодержащей жидкости подвергают изотермическому сжатию при измерении объема, считая, что объем жидкой фазы не изменяется, фиксируют изменение объема и давления за счет газовой фазы в газосодержащей жидкости и по ним определяют газосодержание в двухфазной смеси [Авторское свидетельство СССР N 328285, кл. G01N 33/22, 1972.]

Недостатками данного способа являются необходимость отбора проб, невозможность проведения определения парогазосодержания в движущейся жидкости.

Представленный способ измерения газо/паросодержания использует методы отбора проб, что не является удобным при проведении некоторых видов работ на ответственных системах и требует доступа к рабочим средам.

При определении газо/паросодержания в движущейся жидкости применяют различные физические эффекты, такие как волновые и гидроакустические процессы в гидродинамической среде, способы, основанные на визуальном наблюдении, фиксации режимов течения, организации фотосъемки газовых включений. Интерес представляют способы, предполагающие определение свойств движущихся двухфазных потоков.

Таким образом, следующие представленные способы используются для определения фазового состава двухфазных сред при их движении, что является удобным и безопасным для исследователя.

Существует запатентованное изобретение [SU 1674625 A1, опубл. 27.05.1997] для определения концентрации фаз двухфазных потоков в динамических условиях, при котором измеряют температуру потока и частоту смены фаз. Далее определяют режим течения и рассчитывают два времени осреднения, из которых выбирают минимальное. Затем для определенного значения времени находят концентрацию фаз для динамического процесса.

Недостатком данного способа является необходимая длительность наблюдений, регистрация смены режимов, необходимость иметь выделенный участок для визуального наблюдения и сложность вычислений.

Известен способ определения параметров газосодержания двухфазного потока [SU 1081480 A1, опубл. 23.03.1984], основанный на введении в исследуемый поток чувствительного элемента на гидродинамическом ноже и по гидродинамическому следу за ножом в виде обтекаемого тела определяются длина каверны, по которой можно судить о газосодержании.

Недостатками данного способа является необходимость введения в поток обтекаемого тела и данный способ предназначен больше для определения размеров газовых включений в потоке и их взаимосвязи с концентрацией газа.

Известен способ контроля наличия газа в потоке жидкости (варианты) [RU 2375707 C1, опубл. 12.10.2009], в котором наличие газа в потоке жидкости определяется за счет измерения времени задержки прохождения механического импульса через жидкость, содержащую газ, а также за счет регистрации на приемнике и излучателе изменения разности фаз бегущей волны.

Недостатками указанного способа является ограничение его применения на жидкостях, в которых газ скорее является малой примесью, чем значительной по объему величиной, поэтому не может применяться на двухфазных средах с большими соотношениями фаз.

Известен способ контроля наличия остаточного газа в потоке жидкости и устройство для его осуществления [RU 2390732 C2, опубл. 27.05.2010], которое предназначено для контролирования за фазовым составом при транспортировке и подготовке нефти, основанный на принципе непрерывного излучения в движущейся жидкости ультразвуковых волн и оценки поглощения этих волн. Для этого используется специальный излучатель - приемник, преобразующий пьезоэлектрическую волну в гидроакустическую.

Данный способ не может применяться для оценки состояния фазового состава двухфазных сред при большой концентрации газовой или паровой фазы в виду большой степени рассеивания гидроакустических волн при большой концентрации газовой или паровой фазы.

Известен способ определения свободного газопаросодержания в потоке жидкости [RU 2011191 C1, опубл. 15.04.1994], по которому в исследуемую среду подают длинноволновый ударный импульс, измеряют скорость ударной волны и начальное давление жидкости, возбуждение ударной волны осуществляют перекрытием потока жидкости и измеряют давление после возбуждения ударной волны, по которым судят о газопаросодержании.

Недостатками данного способа является возможность возникновения гидроудара и как следствие разрушения соединений трубопровода, что является большим риском.

Известен способ контроля состава газовой смеси и жидких сред (варианты) [RU 2115116 С1, опубл. 10.07.1998]. Определение фазового состава движущегося двухфазного потока основано на использовании акустических методов измерения, когда в потоке возбуждают акустические колебания.

Недостатком данного способа является изменение режима течения в двухфазном потоке под воздействием акустических колебаний.

Известен способ определения истинного объёмного газосодержания, предназначенный для определения физических свойств двухфазных потоков в виде масловоздушной эмульсии [RU 2680416 C1, опубл. 21.02.2019]. Способ заключается в том, что в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок, характеризующийся определенной длиной, диаметром, с известными коэффициентом потерь на гидравлическое трение и суммарным коэффициентом местных потерь. При этом по приборам определяются объемный расход, температура и давление двухфазной среды в виде масловоздушной эмульсии на входе в участок, перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и далее по измеренным величинам определяют объемное газосодержание. Этот способ можно считать наиболее близким и принять за прототип.

Недостатками данного способа является возможность определения газосодержания в масловоздушной эмульсии, обладающей высокой вязкостью по отношению к пароводяным или воздуховодяным смесям, наоборот, обладающих значительно меньшей вязкостью. Высокая вязкость обуславливает преимущественно ламинарное течение жидкостей по трубопроводам и значительно упрощает расчет потерь на трение, так как имеют линейный характер. В то время, как турбулентные потоки, характерные для воздуховодяных или пароводяных сред имеют более сложный закон сопротивления, отличный от линейного.

На основе проведенного анализа приходится остановиться на специализированных способах измерения объемного и массового газо/паросодержания, использующие бесконтактный метод измерения без отбора проб и сложного акустического оборудования, основанный на законах гидромеханики двухфазных сред, применяющих гомогенную физическую модель транспортировки двухфазных потоков по трубам.

Таким образом, объектом внимания являются способы измерения объемного и массового содержания газа/пара в движущихся двухфазных потоках.

Идея данного способа измерения объемного и массового газо/паросодержания в движущемся двухфазном потоке состоит в выполнении закона сохранения массы, согласно которому при течении двухфазного потока на участке трубопровода без ответвлений масса двухфазного потока в единицу времени не изменяется по его длине, также, как не изменяется и его массовое газо/паросодержание.

Задача и технический результат предлагаемого изобретения - возможность определения газо/паросодержания в двухфазной среде без осуществления отбора проб и применения дорогостоящего оборудования при любых режимах движения двухфазной среды.

На фиг. 1 представлена схема экпериментального участка, предназначенного для определения падения давления в результате жидкостного трения при движении двухфазного потока и аналогичного по расходу однофазного потока.

На фиг. 2 представлена схема экспериментального стенда, предназначенного для изучения поведения двухфазных сред.

На фиг. 3 представлены графики для определения объемного ϕ=f₁(β) и массового k=100f₂(β) газосодержания по отношению β потерь давления на трение в двухфазной смеси (вода + воздух) и однофазной жидкости (вода).

Сравнительный анализ заявляемого изобретения с другими техническими решениями показал, что способ определения газо/паросодержания в двухфазной смеси по величине падения давления в потоке при ее движении, не требует применения дорогостоящего измерительного оборудования, а может быть осуществлен при помощи стандартных приборов измерения давления, расхода, температуры, перепада напора, не требует осуществления технологических операций по отбору проб для выполнения лабораторного исследования фазового состава двухфазной смеси, что повышает возможность практической реализации данного способа в области измерительной техники и экспериментальной гидромеханики.

Таким образом, можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «изобретательский уровень».

Настоящее изобретение поясняется подробным описанием газосодержания в двухфазной смеси по величине падения давления в потоке при ее движении в трубопроводе.

Предположим, что в двухфазной смеси в канале отсутствует скольжение фаз друг относительно друга. То есть, при транспортировке двухфазной смеси с газосодержанием, будем исходить из предположения, что скорости обеих фаз равны друг другу. Таким образом, для проведения теоретического исследования воспользуемся гомогенной физической моделью двухфазного потока. Данная модель может быть использована при условии малого содержания примеси газа (пара) в потоке [Дейч, М.Е., Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования/М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 327 с. ].

Обозначим объемное газосодержание , его можно определить по формуле:

где - осредненное по времени значение объемного расхода газа, осредненное по времени значение объемного расхода смеси, - объемный расход жидкости. Понятно, что для чистой жидкости без примеси газа, можно считать .

Режим течения, при котором воздушная фаза распределена по всему сечению канала, характерен для небольшого значения объемного газосодержания . И как оговорено ранее к такому состоянию смеси можно отнести пузырьковый, пенный или эмульсионный режимы.

Полный перепад давления в направлении оси горизонтального канала постоянного сечения для одномерного двухфазного потока, согласно с данными приведенными в [Дейч, М.Е., Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования/М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 327 с. ], можно определить в общем виде согласно с уравнением:

, (1)

где в формуле (1):

- касательное напряжение на внутренней стенке трубопровода при течении смеси жидкости и газа;

- расход смеси жидкости и газа, определенный в кг/с;

d_вн - внутренний диаметр канала, в м;

- скорость движения жидкой фазы, в м/с;

- скорость движения газовой фазы, в м/с;

k - массовое расходное газосодержание, которое можно определить, как отношение расхода газа к общему расходу смеси:

k=

Значение массового расхода смеси можно выразить через секундные массы газовой и жидкостной фазы: и .

- плотность смеси, в кг/м³, которую можно определить, зная исходные плотности газовой и жидкой фазы и , соответственно, по формуле:

Для двухфазного потока в уравнении (1) каждое слагаемое отвечает за вклад определенных силовых факторов при движении смеси по участку трубопровода. Первое слагаемое правой части уравнения (1) отражает потери давления, происходящее вследствие ускорения потока, зависящее от массового содержания газа k, либо с изменением площади поперечного сечения канала S. При отсутствии теплообмена в канале постоянного сечения, этим слагаемым уравнения (1) можно пренебречь.

Оставшееся, второе слагаемое в правой части уравнения (1) при условии отсутствия теплообмена выражает потери давления на трение, обусловленные касательными напряжениями на стенке трубопровода :

.

С учетом отсутствия в потоке жидкости газовой фазы, из последнего уравнения легко получить перепад давления по длине для однофазного потока жидкости:

. (2)

Далее, аналогичными преобразованиями будем получать все выражения для однофазной жидкости при условии отсутствия в потоке газовой фазы, т.е при или k=0.

После преобразования формул (1) и (2):

.

.

Падение давление на участке трубопровода длиной L при движении двухфазной смеси между сечениями 1-1 и 2-2, можно определить как:

Где - разница давлений в первом и последующем сечениях на расстоянии L друг от друга, равная потери давления за счет присутствия сил трения, следовательно, касательных напряжений , Па.

Аналогично, запишем для однофазной жидкости:

Считаем, что первоначальное давление =, как для однофазной, так и для двухфазной жидкостей, определенное в сечении 1-1.

Давления, определенные в конечном сечении 2-2 для двухфазной и однофазной сред не равны друг другу . Причем, согласно с теорией, приведенной в [Дейч, М.Е., Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования/М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 327 с. ] , в виду, возрастающих в двухфазном потоке касательных напряжений, см. фиг 1.

Для определения и расчета касательных напряжений в общем случае, как для однофазной, так и для двухфазной жидкости при движении по участку трубопровода наиболее простой и понятный результат расчета касательных напряжений дает применение гомогенной модели, при которой не существует разности между скоростями движения фаз. То есть, предположим, что скорости движения жидкой и газовой фаз одинаковы, и скорость движения смеси может быть определена также, как равная им: =. Двухфазный смешанный поток будем рассматривать как однородный поток жидкости плотностью и средней скоростью течения v_см. Для этого, определим взаимосвязь объемного и массового k= содержания газа [Дейч, М.Е., Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования/М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 327 с. ]:

.

Зная зависимость объемного газосодержания от массового выразим плотность смеси через массовое газосодержание:

Для определения значения касательных напряжений воспользуемся условием равновесия объема смеси в прямолинейном участке круглой трубы между сечениями 1-1 и 2-2. Сила, возникающая со стороны смеси жидкости и газа в трубе определяется, как , Н. Данная сила уравновешивается со стороны стенок канала распределенными касательными напряжениями на участке трубы длиной L: , Н:

Из равенства сил определим

, Па

И соответственно, для однофазного потока:

, Па

Используя известную из курса гидравлики [Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с. ] общепринятую формулу, запишем для двухфазной и однофазной жидкости, соответственно:

, Па,

, Па.

В последнем выражении и коэффициенты гидравлического трения двухфазной смеси и однофазной жидкости, которые могут быть определены по формулам [Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с. ] для соответствующего режима течения.

Скорость двухфазного потока определяется через массовый расход смеси, плотность смеси и площадь сечения трубы S:

.

Скорость однофазного потока, обозначим . Данная скорость, определяется при известном массовом расходе однофазной жидкости , площади сечения канала S и плотности однофазного потока в канале :

Очевидно, что эти скорости связаны друг с другом и при одинаковом массовом расходе смеси и однофазного потока в случае роста газовой фазы, получим увеличение скорости относительно . Взаимосвязь между скоростями можно установить поделив уравнения для определения скоростей:

=

=

.

Подставив в последние выражения, с учетом гомогенности физической модели смеси плотностью ρ_см и скоростью v_см для двухфазного:

, Па.

Для однофазного потока касательные напряжения:

, Па.

Для определения коэффициента гидравлического трения при различных режимах течения можно пользоваться такими же формулами, как и для однофазного потока [Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. - 672с.]. Коэффициент гидравлического трения зависит от числа Рейнольдса и его можно приближенно определить по скорости :

.

При турбулентном течении и средней скорости жидкости характерном для промывочного потока коэффициент гидравлического трения будет определяться по формулам для переходных труб, то есть по формуле Альтшуля [Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М: Химия, 1981 - 812 с. ] с учетом шероховатости :

.

Таким образом, определение потерь давления на трение на участке трубопровода длиной L, в зависимости от содержания в двухфазном потоке газа, определяется, как:

.

И соответственно для однофазного потока:

.

Найдем отношение при условии, что :

Обозначим β - безразмерную характеристику потерь двухфазного потока приведенную к потерям аналогичного по скорости однофазного потока, которая зависит только от массового газосодержания k:

.

Значение массового газосодержания в двухфазной смеси ограничено в пределах: , при этом теоретически число будет меняться в значительном диапазоне . Например, при , .

Получим формулу для определения массового газоодержания в зависимости от

Из анализа полученных в таблице данных, ясно, что при , массовое и объемное газосодержание равняется 1, то есть присутствует одна только газовая фаза.

По мере увеличения перепада между пьезометрическими линиями происходит рост газосодержания в потоке смеси. Потери давления определяем для определенного массового расхода Полученные данные удобно представить в виде графика (фиг. 3) зависимости газосодержания и от .

Экспериментальный стенд, предназначенный для изучения характеристик и свойств двухфазных сред приведен ниже на фиг. 2.

Стенд, представленный на фиг.2 содержит участок 1 (устройство, представляющее собой соединенные межу собой пьезометры), предназначенный в совокупности с расходомером 2 и манометром 3 для измерения газосодержания в потоке двухфазной среды. Участок 4 содержит визуальный трубопровод, нисходящий, горизонтальный и восходящий части трубопроводов и т.д., предназначенные для изучения режимов течения двухфазной среды.

Расходный бак 5 предварительно заполняется водой через трубопровод 6. Насосом 7 вода подается в ветку а при закрытом клапане 8 ветки б. Ветка а представляет собой участок с котлом 9, в котором происходит подогрев воды с выделением в ней паровой фазы. Регулирование подачи воды производится дроссельным клапаном 10.

Ветка б содержит струйный аппарат 11, который забирает воду из расходного бака 5, при полностью закрытом дроссельном клапане 10 и закрытом клапане 8 ветки а. Струйный аппарат осуществляет забор воды под действием разряжения, происходящего в камере смешения аппарата под действием вдуваемого воздуха 12.

В баке 5 происходит выделение газовой (паровой) фазы в атмосферу через воздушную трубу 13. Пополнение запасов воды производится через трубопровод 6 до нужного уровня.

При известном газосодержании (паросодержании) можно проводить изучение характеристик двухфазного потока на участке исследования 4.

Таким образом, экспериментальный стенд содержит два участка для создания двухфазной смеси: ветка а - пароводяная смесь, ветка б - воздушно-водяная смесь.

Способ осуществляется следующим образом: смесь по трубопроводу 15 направляется на участок 1, где регистрируется падение напора по пьезометрам. При известных давлении и температуре (которые определяются по манометру 3 и термометру 14) определяются справочные плотности фаз и Расходомер 2 фиксирует объемный расход жидкостной фазы и при известной температуре воды в баке можно определить массовый расход жидкости . Далее определяется средняя скорость двухфазного потока . При известной скорости однофазного потока не сложно определить падение давления на трение на участке 1 в однофазной жидкости по формуле:

.

По манометру 3 определяется давление . Разница между давлениями и определяет :

.

Далее находится отношение и определяется газосодержание по графику, представленному на фиг.3.

Способ определения объемного и массового газо/паросодержания движущегося двухфазного потока в трубопроводе, в котором на измерительном горизонтальном цилиндрическом участке трубопровода, с внутренним диаметром d_вн, длиной L, коэффициентом гидравлического трения λ_см, измеряют объемный расход Q по расходомеру 2, температуру Т по термометру 14 и давление Р по манометру 3 во входном сечении, перепад давления при помощи устройства 1 в виде соединенных между собой пьезометров, показанного на фиг.1 в двухфазном потоке между входным и выходным сечениями и определяют объемное или массовое газо/паросодержание в сечении на входе в измерительный участок по соотношениям:

и .

где:

- перепад потерь давления на трение, определенного для однофазного потока с массовым расходом ,

- перепад потерь давления на трение, определенного для двухфазного потока с массовым расходом ,

- плотность жидкой фазы,

- плотность газовой/паровой фазы,

β - безразмерную характеристику потерь двухфазного потока приведенную к потерям аналогичного по скорости однофазного потока, которая зависит только от массового газосодержания k: .

Источники информации:

1. Авторское свидетельство СССР N 328285, кл. G01N 33/22, 1972.

2. Патент SU 1674625 A1 «Способ определения концентрации фаз двухфазных потоков в динамических условиях», Болтенко Э.А. Джусов Ю.П.

3. Патент SU 1081480 A1 «Способ определения параметров газосодержания двухфазного потока», Осипенко С. Б., Савченко Ю. Н., Сидоров С.В., Семененко В. Н.

4. Патент RU 2375707 C1 «Способ контроля наличия газа в потоке жидкости (варианты)» Васильев А.А., Шарипов Р.К., Краузе А.С.

5. Патент RU 2390732 C2 «Способ контроля наличия остаточного газа в потоке жидкости и устройство для его осуществления», Васильев А А, Краузе А.С.

6. Патент RU 2011191 C1 «Способ определения свободного газопаросодержания в потоке жидкости», Нигматулин Р.И., Нигматулин Б.И., Азаматов А.Ш., Нуриев Р.М., Галюк В.Х., Гумеров А.Г.

7. Патент RU 2115116 С1 «Контроля состава газовой смеси и жидких сред (варианты)», Уракаев И.М., Аитов И.Л., Даянов С.Б., Аитов А.И.

8.Патент RU 2680416 C1 «Способ определения истинного объёмного газосодержания», Гуревич О.С., Гулиенко А.И.

9. Гальперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М: Химия, 1981 - 812 с.

10. Дейч, М.Е., Двухфазные течения в элементах теплоэнергетического оборудования/М.Е. Дейч, Г. А. Филиппов. - Москва: Энергоатомиздат, 1987. - 327 с.

11. Башта Т.М., Руднев С.С., Некрасов Б.Б. и др. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы: Учебник. 2-е изд., перераб. - М.: Машиностроение, 1982. - 423 с.

12. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М.: Машиностроение, 1992. - 672с.

Изобретение относится к способу определения объемного и массового газо/паросодержания движущегося двухфазного потока в трубопроводе, в котором на измерительном горизонтальном цилиндрическом участке трубопровода с внутренним диаметром d_вн, длиной L, коэффициентом гидравлического трения λ_см, измеряют объемный расход Q, температуру Т и давление Р во входном сечении, перепад давления при помощи устройства в виде соединенных между собой пьезометров в двухфазном потоке между входным и выходным сечениями и определяют объемное или массовое газо/паросодержание в сечении на входе в измерительный участок по соотношениям:

,

где - перепад потерь давления на трение, определенного для однофазного потока с массовым расходом , - перепад потерь давления на трение, определенного для двухфазного потока с массовым расходом , - плотность жидкой фазы, - плотность газовой/паровой фазы, β – безразмерная характеристика потерь двухфазного потока, приведенная к потерям аналогичного по скорости однофазного потока, которая зависит только от массового газосодержания k: . Технический результат - возможность определения газо/паросодержания в двухфазной среде без осуществления отбора проб и применения дорогостоящего оборудования. 3 ил.

Способ определения объемного и массового газо/паросодержания движущегося двухфазного потока в трубопроводе, в котором на измерительном горизонтальном цилиндрическом участке трубопровода, с внутренним диаметром d_вн, длиной L, коэффициентом гидравлического трения λ_см, измеряют объемный расход Q, температуру Т и давление Р во входном сечении, перепад давления при помощи устройства в виде соединенных между собой пьезометров, в двухфазном потоке между входным и выходным сечениями и определяют объемное или массовое газо/паросодержание в сечении на входе в измерительный участок по соотношениям:

и ,

где - перепад потерь давления на трение, определенного для однофазного потока с массовым расходом ,

- перепад потерь давления на трение, определенного для двухфазного потока с массовым расходом ,

- плотность жидкой фазы,

- плотность газовой/паровой фазы,

β – безразмерная характеристика потерь двухфазного потока, приведенная к потерям аналогичного по скорости однофазного потока, которая зависит только от массового газосодержания k: .