В расходоизмерительной практике довольно часто встречаются зада­чи, связанные с измерением расхода двух- или трехфазных сред. К наибо-

лее типичным промышленным средам относятся влажный пар, нефтега­зовые смеси, пульпы, пылеугольное топливо (смесь воздуха с угольным порошком), водогрунтовые смеси, низкокипящие криогенные вещества, поток которых в отдельных случаях представляет смесь жидкой, газооб­разной и твердой (шуги) фаз.

Трудности обеспечения приемлемой (в некоторых случаях довольно высокой, характеризуемой допускаемой погрешностью 2—3 %) точности измерения расхода таких сред обусловливаются множеством физических и технических причин, главные из которых — различие скоростей течения фаз через первичные преобразователи применяемых расходомеров (на­пример, сужающие устройства); неоднородность распределения фаз по сечению потока; значительные флуктуации скоростей, давлений и кон­центраций фаз.

Основными параметрами многофазных сред, определяющими отли­чительные особенности их движения по трубам и степень влияния указан­ных выше причин на точность измерения расхода, являются массовая концентрация фаз в потоке и их плотность. Вследствие этого, как прави­ло, приходится измерять расход таких сред в единицах массы (массовый расход) или объемный расход и плотности, фаз, что также вносит допол­нительные технические трудности.

Наличие значительных флуктуации параметров многофазных сред при их течении по трубам и каналам затрудняет, а в ряде случаев делает невозможным, измерение мгновенных или осредненных за малый проме­жуток времени значений расхода. Так, при движении газожидкостных смесей по трубам при некоторых концентрациях (относительном содер­жании) жидкой и газообразной фаз и определенных скоростях поток смеси приобретает „пробковый" характер (смесь движется в виде после­довательных „пробок" жидкости и газа, занимающих все сечение трубо­провода, — то только жидкость, то только газ). Естественно, при этом понятие мгновенного расхода смеси теряет смысл.

Вследствие отмеченного на практике в большинстве случаев измеря­ют средний (осредненный за достаточно большой промежуток времени — не менее 40—60 с) расход многофазных потоков.

Среди множества измерительных задач, возникающих в практике из­мерения расхода многофазных сред, можно выделить две наиболее ти­пичные:

1) измерение общего (суммарного) расхода среды (смеси);

2) измерение расхода отдельных компонентов (фаз) смеси, напри­
мер, сухой части влажного пара или твердой фазы во взвесенесущем по­
токе.

Каждая из этих задач решается своими специфическими технически­ми способами и приемами.

Так, для измерения общего (суммарного) расхода Мс диспергиро­ванных двухфазных сред (сухой пар + влага; воздух + угольная пыль и т. п.) наиболее распространены расходомеры с сужающими устройствами.

Как показали результаты теоретических и экспериментальных иссле­дований, рабочая формула измерений при этом (связь между расходом и перепадом давлений Ар на сужающем устройстве) имеет вид

Мс
= aePFo \f~2pc^F-                (7.57)

Данная формула отличается от рассмотренных ранее уравнений мето­да переменного перепада давлений тем, что в нее входит коэффициент /3, зависящий в общем случае от массовой концентрации 7j тяжелой фазы (массовой доли тяжелой фазы в смеси), плотностей легкой рл и тяжелой рт фаз, геометрии сужающего устройства и скоростей течения фаз в при­емном преобразователе. Кроме того, сомножителем перед Ар в данную формулу входит плотность смеси

рс =———- !*_^— .                       (7.58)

.      14(1)

Если скорости легкой и тяжелой фаз при течении смеси через прием­ный преобразователь несущественно отличаются друг от друга (что ха­рактерно, например, для стандартных диафрагм, у которых участок су­жения при достаточно больших т очень короткий и вследствие этого час­тицы тяжелой фазы на этом участке почти не ускоряются), то в ограни­ченной области значений т\ [г\ < 0,2 — для влажного пара: 7? < 0,35 — для смеси воздуха с угольным порошком) коэффициент

Ъ = -^=Г-                         (7-59)

V   1-7J

Во многих случаях отношение рл1рт
много меньше 1. Так,для влаж­ного пара рл/рт = 0,001—0,005; для пылеугольного топлива это отноше­ние еще меньше.

Тогда на основании формулы (7.58)

Рс *     /"                                 (7.60)

1 —v

и уравнение измерений (7.57) с учетом выражений (7.59), (7.60) преоб­разуется к виду

Мс
(1 — т?) = aeF0 V 2рлДр ‘.        (7.61)

Как следует из этой формулы, перепад давлений на диафрагме (при сделанных допущениях и в ограниченной области значений 7?) характери­зует лишь массовый расход Мл =Л/С(1 — 7?) легкой фазы. Этот вывод, подтвержденный экспериментально, объясняется тем, что при принятом равенстве скоростей легкой и тяжелой фаз энергия на ускорение тяже­лой фазы не затрачивается.

Таким образом, при использовании стандартной диафрагмы расход легкой фазы (сухой части влажного пара или воздуха для пылеугольно­го топлива) может быть определен по уравнению

Мп
= aeF0 V 2рлДрд ,                (7.62)

где Дрд — измеренный перепад давлений при течении смеси; коэффици­ент расхода а принимается равным табличному значению.

При известной массовой концентрации тяжелой фазы щ полный рас­ход смеси

В случае, если тз неизвестна или изменяется в процессе измерений,
приходится определять ее по результатам измерения перепада давле­
ний на дополнительно устанавливаемых в поток смеси трубе или сопле
Вентури — Дрв. Отношение (или разность) Дрв и Дрд характеризует
часть энергии потока, затрачиваемой на ускорение твердой фазы при те­
чении смеси через трубу или сопло Вентури (напомним, что при течении
смеси через диафрагму ускорение твердой фазы практически не наблю­
дается) . Следовательно, данное отношение будет пропорционально содер­
жанию твердой фазы 7J.                

Для расчетов тз используют экспериментально-апробированную за-, висимость

&>   1 _„   = 77;         *>              (7.65)

где j30 — коэффициент, зависящий от свойств твердой фазы и геометрии применяемых сужающих устройств и определяемый путем опытной гра-. дуировки комплекта расходомеров.

Тогда в соответствии с формулой (7.65)

 ^,        ‘                  (7-66)

Таким образом, при измерениях расхода методом переменного пере­пада давлений двухфазных сред с неизвестной массовой концентрацией твердой фазы измеряют перепады давлений на двух последовательно уста­новленных сужающих устройствах (диафрагме и сопле или трубе Венту­ри), по формулам (7.61) и (7.66) рассчитывают расход легкой фазы и 7?, а затем по формулам (7.63) и (7.64) — общий расход смеси и расход твердой фазы. Расчетные операции при этом могут выполняться вычисли­тельными устройствами, сблокированными со вторичными преобразова­телями расходомеров.

Еще раз подчеркнем, что все изложенное справедливо для хорошо диспергированных двухфазных потоков с равномерной концентрацией фаз и в ограниченной области значений т].

Расходомеры переменного перепада давлений довольно часто приме­няют и для измерения расхода различных пульп и водогрунтовых смесей. Характерной особенностью данных сред является то, что плотности их легкой и тяжелой фаз мало отличаются друг от друга. В этом случае сум-

марныи расход смеси определяют по уравнению (7.57), в котором ко­эффициент (3 принимают равным единице.

Расход смесей твердой и жидкой (или газообразной) фаз измеряют комбинированными методами, основанными на определении общего объемного расхода смеси и содержания в ней твердой фазы. Объемный расход смеси измеряют при этом с помощью электромагнитных, ультра­звуковых, ядерно-магнитных и расходомеров других типов, приемные преобразователи которых не имеют выступающих внутрь потока эле­ментов. Расходомеры устанавливают на вертикальных участках трубо­провода для предотвращения скапливания более тяжелой фазы в нижней части сечения трубы.

Содержание твердой фазы определяют по показаниям радиоизотоп­ных концентратомеров, радиоактивных или компенсационных весовых плотномеров. Наибольшее применение находят весовые плотномеры, представляющие собой участок трубопровода с гибкими сочленениями, подвешенный на ленточных опорах. При изменении массы смеси, проте­кающей по данному участку, он перемещается в вертикальном направле­нии вместе с плунжером индуктивной катушки. Перемещение плунжера вызывает сигнал рассогласования, приводящий во вращение электро­двигатель. При этом изменяется натяжение уравновешивающей пружи­ны, что возвращает участок в исходное положение. Угол поворота элект­родвигателя, фиксируемый ферродинамическими преобразователями, является мерой плотности протекающего вещества..

Компенсационные весовые плотномеры в комплекте с электромаг­нитными расходомерами получили преимущественное применение для измерения расхода твердого топлива (угля, торфа) при его гидротранс­порте-

Расход пульп, сыпучих материалов, нефтегазовых смесей измеряют и массовыми расходомерами, в основном — кориолисовыми. Предпоч­тительное применение этих расходомеров объясняется тем, что измеряе­мая среда в приемном преобразователе кориолисовых расходомеров (см. рис. 78) движется перпендикулярно к оси вращения потока и вслед­ствие этого „кориолисовы" усилие и момент не зависят от распределе­ния фаз.

В заключение отметим, что совершенствование техники измерений расхода многофазных сред сдерживается отсутствием высокоточных об­разцовых стендов и установок, способных воспроизводить все характер­ные особенности течения таких сред (структуру потока, геометрию и распределение фаз). И хотя кое-какие сдвиги в этой области определен­но наметились, работы здесь „непочатый край".

Одной из перспективных отечественных разработок, восполняющих этот пробел, является созданная во Всесоюзном научно-исследователь-аком институте расходометрии (ВНИИР) исходная образцовая установ­ка, реализующая принцип смешения потоков жидкости и газа для вос­произведения и измерения параметров газожидкостных потоков (рис. 85). Установка работает следующим образом. Жидкость (вода) из резервуара 10 насосом 13 через систему стабилизации напора, состоящую из бака 8,

Рис. 85. Принципиальная схема образцовой газожидкостной установки

где поддерживается постоянный уровень жидкости, и воздушного реси­вера 7, подается в смеситель /. Расход жидкости регулируется задвиж­кой 11 и измеряется турбинным расходомером 12. Одновременно с этим компрессором 14 через ресивер 6, узел стабилизации расхода 5 и эжек­тор 2 в смеситель подается воздух. Расход воздуха регулируется задвиж­кой 3 и измеряется турбинным расходомером 4. Из смесителя газожид­костная смесь подается в испытательный участок, на котором устанавли­вается градуируемый или поверяемый расходомер 9, и затем сбрасывает­ся в резервуар 10, где она сепарируется (разделяется на газ и жидкость). Давление и температуру смеси контролируют при помощи измеритель­ных преобразователей, обозначенных на схемер и t соответственно.

Кроме того, для измерения действительной расходной концентрации и идентификации различных режимов течения смеси (дисперсного, разде­ленного, пробкового) установка снабжена емкостным измерителем ее диэлектрической проницаемости.

Метрологические исследования и аттестация установки показали, что осуществляя рассмотренный принцип смешения и используя для раздель­ных измерений расхода жидкости и газа индивидуально аттестованные турбинные расходомеры, возможно обеспечить воспроизведение и изме­рение расхода газожидкостных потоков с погрешностью, не превышаю­щей 0,8—1,С