气液两相流测量技术的现状及发展

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气液两相流测量技术的现状及发展（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）《热能动力工程前言》班级:硕动力152专业:动力工程姓名:汪辉学号:2152214135气液流测量技术发展汪辉摘要:随着气液两相流测量技术的进步,气液两相流理论得到充分发展,也为工程实践提供了有力工具。本文主要介绍了近年来气液两相流对流量测量与流型检测的新技术。在流量测量领域,本文主要介绍了传统单相流量计、多流量计测量、分流分相法、超声波法。在流型检测方面主要介绍了,高速摄影法、层析成像法、信号特征分析法,以及小波变化法,神经网络法等实时检测方法。关键词:气液两相流;流量测量;流型检测ResearchondevelopmentofGas-liquidTwo-phaseFlowMeasurementTechnologyWangHuiAbstract:Withthedevelopmentofgas-liquidtwo-phaseflow,ontheonehanditpromotethedevelopmentofthetheoryofgasliquidtwophaseflow,ontheotherhanditprovideapowerfultoolforIndustrialpractice.Thispapermainlyintroducesthenewtechnologyinrecentyears,whichincludesgas-liquidtwo-phasemeasurementonflowrateandflowpattern.Inthefieldofflowratemeasurement,thetraditionalsingle-phaseflowmeter,multi-flowmetermeasurement,extractingandseparatingmethodandtheultrasonicmethodaremainlyintroduced.Inthefieldofflowpatterndetection,highspeedphotographymethod,tomographymethod,signalfeatureanalysis,wavelettransformmethodandneuralnetworkmethodaremainlyintroduced.Keywords:gas-liquidtwo-phaseflow;flowratemeasurement;flowpatterndetection气液两相流的测量技术的进步对其理论和工业实践的发展有着重要的意义。对于两相流基本参数的测量呈现出多样化的趋势。例如,针对气液两相流流量测量林宗虎,王栋等[1]提出分流分相的气液两相流体的测量方法,最终测量误差小于5%,效果比较理想;胡俊介绍了一种基于压差法的V形内锥式流量计,结果表明利用该流量计采用经典的林宗虎模型对流型进行检测是可行的[2]。对此本文针对国内外关于流量的测量方法与流型的检测技术的进展,做了分析与评述。1流量测量技术1.1传统分离式流量测量技术根据测量过程中是否对两相流分离可将气液两相流流量测量技术分为分离法和非分离法。传统的分离法应用分离设备将汽液混合物分离成单相气体和液体后,再通过普通单相流量计进行计量。常用的单相流量测量仪器有差压流量计、涡街流量计、文丘里管、孔板式流量计、靶式流量计、节流原件等。对于传统的分离方法虽然有着稳定性强,测量精度高、测量范围宽等优点但是其体积庞大,造价过高,造成其经济性较差。1.2多流量计测量因流量计的指示值不仅与各相流量有关,还与两相流体的干度相关,因此在更多的情况下,采用两种不同特性的流量计组合测量。例如:节流元件-多孔动压探针(笛形管,孔板-文丘里管,靶式流量计-涡轮流量计,文丘里管-涡轮流量计,垂直上升压差-垂直下降压差。该方法装置简单,但测量范围小,受到具体流型的制约。近些年对单个流量计与射线流量计组合研究更加深入。例如,γ射线-涡轮流量计[13],γ射线-文丘里管[14],微波-文丘里管[14],这种方法克服了流型变化对流量测量的影响。1.3分流分相法前以述及分流分相的气液两相流测量方法,其原理是通过分流分相的方法,从被侧两相流体中成比例的分流、分离出一定份额的单相气体和单相液体,经单相流量计计量后根据比例关系确定出两相流体的各相流量。图1是分流分相法的原理图。被测两相流体流过分配器时被分成两部分:一部分两相流体(80%~95%沿原通道继续向下游流动,称这部分流体为主流体,这一支路为主流体回路;另一部分两相流体(5%~20%则进入了分离器,称这部分流体为分流体,这一支路为分流体回路.分流体经分离器分离后,气体和液体分别进入气体流量计和液体流量计进行计量,最后又重新与主流体汇合[1]。图1分流分相法原理图Fig1principleofextractingandseparating与分离法相比,该方法流经分离器的流量仅为原来的(5%~20%,所以体积比原来小很多,其体积等同与单相流量计的体积。根据分配器结构不同可以分为“T”型三通管式非配器[3,4]、取样管型非配器[5]、转鼓分配器[6]、旋流分配器。1.4超声波法超声波测速原理基于超声波在静止流体中的传播速度不同,即对于固定坐标系来说,超声波传播速度与流体的流速有关[15,16]。清华大学王铁峰,王金福等[23]在超声多普勒测速仪在液-固和气-液两相测量应用中指出超声多普勒测速仪实现了非接触式测量,并且能得到瞬态速度的空间分布[17]。由于超声波测得的是流体的流速,故通常是与密度计结合,用于测量流体的质量流量。2流型检测技术气液两相流流型的检测技术对实际工程应用起着非常重要的作用。通过控制流动参数可以避免有害流型的出现,保证设备安全运行。目前流型检测方法包括信号特征分析法、层析成像法、高速摄影法等前处理方法,以及小波分析、神经网络等后处理方法。2.1特征信号分析法特征信号分析法指通过分析传感器的随机信号特征来进行流型识别。接收这些信号的传感器主要包括电学、光学、热膜、差压和γ射线传感器等。随着传感器技术的发展新型探针的应用,气液两相流的测量变得更加切实可行,比如光纤探头、电导探头、热膜探头等。电导探头是通过测量探头针尖处流体导电性的变化来确定该点的介质分布,进而确定流型的。光纤探头测量方式与电导探针类似,不同之处在于光导探头是通过测量流体在探头针尖处对光强度的影响来反应在改点的介质分布,从而确定流型。热膜探头[20]是通过热膜不同位置处被气液两相流带走的热量不同,而确定其流型的。因为接触式探头都是直接定位在流体上,因此都能较准确地反应改点的流体特征。但由于探针的存在影响了流型,长时间杂质的积累也会产生测量误差,加之所处环境恶劣传感器极易损坏。2.2压差法差压法,也称压差法,压差波动法是通过采集气液两相流动的压差信号,并对压差信号进行统计分析的流型识别方法。这种压差信号是由于管内局部点上气、液介质的交替出现而产生的。对获得的信号进行分析处理,再与神经网络结合,可以对流行实现客观的智能识别。其中对于噪声的处理采用小波包技术,后面将述及。2.3过程层析成像法层析成像(Tomography也称计算机层析成像(ComputerizedTomography简称CT,指在不影响测量对象内部特征的条件下,从外部获得的测量对象不同方向的投影数据,然后通过计算机重建测量对象内部的二维/三维图像。过程层析成像(ProcessTomography,简称PT技术主要以工业过程尤其是两相流和多相流为检测对象[12],具有非接触性与实时性等优点,其结构图可参见图2。依据传感器测量原理,PT分为X射线、γ射线层析成像,超声波层析成像,电容、电阻、电磁、电感层析成像等。电容层析成像(ECT技术是PT技术中较早被研究的一种技术,它利用多相介质具有不同介电常数,通过电容传感器获得介电常数分布而获得介质分布的图像,具有简单、成本低、非侵入等特点。例如,邵晓寅在电容层析成像技术在气液两相流检测中的应用研究,王雷,冀海峰,黄志尧等在电容层析成像中的研究[17].图2过程层析图像系统构成[12]Fig2structureofPTsystem电阻层析成像(ERT的原理是基于不同的媒质具有不同的电导率,判断出处于敏感场中的物体电导率分布。如董峰,刘小平,邓湘等在电阻层析成像技术上的研究[19]许聪在电阻与超声双模态油气水多相流测量方法研究。皆证明了层析成像法具有良好的分辨力。2.4高速摄影法高速摄影法就是利用高速照相机或摄像机,通过透明管段或透明窗口拍摄流体的运动状态,再利用计算机获取拍摄到图片对典型的流型图像进行简单的预处理,使得敏感对比更加信命,噪声尽量减小,以于特征的提取[17]。但高速摄影法存在两个问题:一个问题是由于多相流具有复杂的界面,易产生相对多重的反射或和折射而影响成像清晰度。另一个问题是由于采用高速摄影,所得信息太多,因而又带来了分析或处理这些数据的困难[16,18]。2.5小波分析法小波包分析(waveletpacketanalysis简称小波分析,能够为信号提供一种更加精细的分析方法,它将频带进行多层次划分,对分辨分析没有细分的高频部分进一步分解,并能够根据被分析信号的特征,自适应地选择相应频带,使之与信号频谱匹配,从而提高了时-频分辨率,因此小波包具有更广泛的应用价值[17]。如周云龙等在小波分析方面做了细致的研究[10,11]。陈珙、黄志尧等同样阐述了了一种基于小波分析进行水平管气液两相流流型的辨识方法[7]。该方法以测试管段的管程压降的波动为测量信号,通过对于其小波变换结果分析,根据不同流型能量分布的定量指标确定了流型判别规则。实验结果表明这种方法能有效地事项对水平管层状流、波状流,塞状流等四中典型流型在线辨别2.6神经网络识别法BP(BackPropagation神经网络是二十世纪八十年代由Rumelhart和McCelland为首的科学家小组提出,是一种按误差逆传播算法训练的多层前馈网络。通过对网格的训练,该系统可以自动识别流型,并具有较高的抗干扰能力。但是该方法输入节点过多、训练困难、对外部噪声敏感[8]。因此,王妍芃,林宗虎[9]提出了一种改进的BP神经网络在流型判别中的应用方法,并得出该方法具有很强的自学性、自适应性和容错性的结论。在该方法的基础上又衍生出Elman神经网络法。例如,王强,周云龙,程思勇等提出的基于小波和Elman神经网络的气液两相流流型识别方法。Elman神经网络在BP网络基础上,提高了系统适应时变特性的能力,具有更好地识别效果[10]。在Elman神经网络法的基础上又衍生出与其它方法结合后的优化方法。例如,周云龙,王强,孙斌等[9]提出基于希尔伯特——黄变换(HHT与Elman神经网络的气液两相流流型识别方法。实验结果表明,该方法能能较好的识别水平管内四种基本流型。此外还有概率神经网络和径向基函数网络等。概率神经网络(PNN[21]是Specht在1988年首次提出,是一种结构简单、训练简洁、应用广泛的人工神经网络。径向基函数网络(RBF是根据人脑皮层中具有局部调节和交叠的感受域提出的,又称局部感受域神经网络。它具有结构简单,学习速度极快等特点。通过对四种神经网络的比较,发现RBF神经网络具有显著特点,即能克服传统流型识别方法主观性的特点。关于神经网络的方法的研究近年来呈现出迅速增长的态势,其他科研人员的研究不再赘述。由此可见神经网络法检测气液两相流流型,将是未来流型检测的一个极为重要的方向。除此之外还包括混沌理论、复杂理论等流型检测方法[17,24],在此也不再赘述。3结束语通过对各个气液两相流动参数测量方法的分析,一种良好的测量技术或检测方法必须具有成本低、应用范围广、实时性强、系统工作可靠、安全等特点。在流量测量方面多种方法综合使用或分流分相法,以及对这些方法的优化将是未来研究的热点。在流型检测方面,对层析成像法、信号处理的各个发法的深入研究,以及对各个模型的优化和组合利用的是目前的趋势。参考文献:[1]王栋,林宗虎.气液两相流体流量的分流分相测量法[J].西安交通大学学报,2001,05:441-444.[2]胡俊,董峰.基于V型内锥流量计测量气/水两相流的研究[J].工程热物理学报,2007,S1:205-208.[3]王栋,林宗虎.一种新的气液两相流体流量计──三通管型分流分相式两相流体流量计[J].工程热物理学报,2001,04:488-491.[4]王栋,林益,林宗虎.利用T型三通测量气液两相流体的流量和干度[J].热能动力工程,2002,04:336-338+348-431.[5]王栋,林益,林宗虎.取样管型分流分相式气液两相流体流量计[J].工程热物理学报,2002,02:235-237.[6]王栋,林益,林宗虎.转鼓分流分相式气液两相流体流量测量技术研究[J].西安交通大学学报,2002,05:457-460.[7]陈珙,黄志尧,王保良,李海青.小波变换辨识流型一种新方法研究[J].仪器仪表学报,1999,02:117-120.[8]白博峰,郭烈锦,赵亮.汽(气液两相流流型在线识别的研究进展[J].力学进展,2001,03:437-446[9]周云龙,王强,孙斌,张永刚.基于希尔伯特—黄变换与Elman神经网络的气液两相流流型识别方法[J].中国电机工程学报,2007,11:50-56.[10]王强,周云龙,程思勇,王俊霞.基于小波和Elman神经网络的气液两相流流型识别方法[J].热能动力工程,2007,02:168-171+175+226.[11]孙斌，周云龙，张玲，等.基于小波包分解和Kohonen神经网络的气液两相流流型识别方法[J].热能与动力工程，2005,20（1）：48-52[12]张修刚,王栋,林宗虎.近期多相流过程层析成像技术的发展[J].热能动力工程,2004,03:221-226+321[13]AndersonJ.L.FinckeJ.R.,Massflowmeasurementinair/watermixturesusingdragdevicesandgammadensitometer,ISATransactions,1980,19(1:3748[14][11]ThornR.,JohansenGA,HammerE.A.,Recentdevelopmentinthree-phaseflowmeasurement,MeasurementScienceandTechnology,1998,18(7:691-701[15]许聪.电阻与超声双模态油气水多相流测量方法研究[D].天津,天津大学,2021.[16]周云龙，孙斌，陈飞.气液两相流智能识别理论及方法。科学出版社，2007[17]周云龙，孙斌，李洪伟.多相流参数检测理论及其应用[M].北京，科学出版社，2021.[18]李海青.两相流参数检测及应用[M].杭州:浙江大学出版社，1911.[19]董峰，刘小平，邓湘等.电阻层析成像技术在识别两相流流型中的应用.自动化仪表，2001,23(7:10-13[20]高正明,姚文杰,王英琛,施力田,傅举孚.应用热膜风速仪测定搅拌槽内气──液两相流的流体力学参数[J].化学反应工程与工艺,1994,01:90-97[21]SpechtDF.Probabilisticneuralnetworks[J].NeutralNetworks，1990，1(3:109-118[22]林宗虎.王树众.王栋.气液两相流和沸腾传热[M].西安:西安交通大学出版社，2003.420--425.[23]王铁峰,王金福,张欢,金涌.超声多普勒测速仪在液-固和气液两相流测量中的应用[J].化工学报,2002,04:427-432.[24]方立军,胡月龙,武生.气液两相流流型识别理论的研究进展[J].锅炉制造,2021,06:33-36.第29卷第3期山西化工Vol.29No.32021年6月SHANXICHEMICALINDUSTRYJun.2021收稿日期:2021212223作者简介:刘丽莎,女,1972年出生,2006年毕业于华中师范大学,硕士研究生,讲师,从事缓蚀剂研究工作。综述与论坛有机膦酸缓蚀剂的研究发展现状刘丽莎(河南质量工程职业学院,河南平顶山467000摘要:介绍了缓蚀剂的类型、缓蚀机理和缓蚀性能,比较了各种缓蚀剂的特点,认为有机膦缓蚀剂具有无毒性、污染小的特点,尤其在应用于高硬度、高pH值和高温水系统时有较好的表现。关键词:腐蚀;缓蚀剂;有机膦酸中图分类号:TG174.42文献标识码:A(2引言世界,一些国家的腐蚀损失甚至占到该国GDP的2.5%~4%。保守估计,我国2007年的腐蚀损失在5000亿元,远远超过自然灾害和各类事故所造成的损失总和,它相当于每年教育经费的总额[1]。在工业设备中,金属是运用最多的水冷换热设备材料,这些金属设备常常会遭到腐蚀,因此研究金属的腐蚀与防护就成为一项非常重要的工作。缓蚀剂防腐是将少量物质加入腐蚀环境中,借助该物质在金属表面上发生的物理、化学作用,降低金属材料溶解速度的方法。所加物质即缓蚀剂。缓蚀剂可以被反复循环使用[1,2]。在循环水系统中常采用添加缓蚀剂来减缓腐蚀速度[3,4]。与其他防腐方法相比,采用缓蚀剂防腐,设备简单、使用方便、投资少、收效快,十分适用于石油、化工、机械等行业,是一项很有发展前途的防腐措施。往水中加入缓蚀剂来降低腐蚀速度的方法大致经历了以下阶段[5]:第1阶段,20世纪50年代使用;第2阶段,使用有机羧酸和无机盐的;第3阶段,20世纪80年代应用有机胺、有机膦酸及其复配物。无机盐类缓蚀剂[6,7],如铬酸盐、锌盐、硅酸盐、亚硝酸盐、钼酸盐、硫酸亚铁、无机磷酸盐等,虽然对金属具有缓蚀性能,但由于其大量使用的水溶性金属缓蚀剂基本为亚硝酸型,该品对人体有严重的毒害作用,因此已逐步被禁用。近几年来,有人研究使用一些低毒性的水溶性缓蚀添加剂,如钼酸盐、硼酸、三乙醇胺等,但其缓蚀效果并不理想,且添加量大,相对成本较高,具有自身带来污染和对水的pH值敏感等缺点。后来,有研究人员合成了有机羧酸和无机盐的复配物,该复配物可充分发挥有机基团和无机基团的协同作用[8],缓蚀性能良好,但合成工艺复杂。有机胺类缓蚀剂主要有季铵盐、咪唑啉类、硫脲类及噻唑类等,是一类吸附型缓蚀剂[9,10]。这类化合物中心原子氮上有一个未共用的电子,对金属产生亲和力,可以吸附在金属表面[11,12],尤其对铜及其合金的缓蚀效果好,但也存在价格昂贵、合成工艺复杂的问题。此外,人们还对植物提取的有机物的缓蚀作用进行了研究[14,15]。有机膦酸分子中含有与碳原子直接相连的磷酸基,磷原子直接与碳原子形成C—P键的键能可达285kJ/mol,故不易水解成正磷酸盐。因此,有机膦・93・2021年6月刘丽莎,有机膦酸缓蚀剂的研究发展现状乙叉基二膦酸。这种含氮烃基膦酸具有类似氨基酸的结构,对金属有较好的螯合性,因而具有很好的缓蚀阻垢作用。目前,国内外已合成出氨基膦酸衍生物并用于金属缓蚀。进入20世纪90年代,以多氨基多醚基甲叉膦酸(PAPEMP为代表的新型含醚有机膦酸得到发展,聚醚基被引入有机膦酸,使其性能有了突破性进展。多氨基多醚基甲叉膦酸(PAPEMP分子结构式如下:其中,n=2~3,相对分子质量在600左右。近年来的研究成果表明,人们已成功地在胺上引入了烃基、芳基等,但引入杂环基的报道却很少。一些含氮的五元杂环化合物,如三唑、吡唑、咪唑、噻唑等,对金属具有良好的协同防腐作用。这是由于O、N、S等杂原子电负性较大,杂原子上含有的未共享电子对能与金属缺电子d轨道反馈成键,从而吸附在金属表面,形成保护膜,起到缓蚀作用。该系列化合物从20世纪60年代开始用于冷却水化学处理,现在已成为水处理化学品中应用最广泛和研究最多的系列物质,并形成了4代产品:、PBTCAHPAAPAPE应用的是第1从缓蚀2221,2,42三羧酸(PBTCA分子引入了—PO3H2基团和—CO2H基团,具有独特的缓蚀阻垢性能,其缓蚀效果优于HEDP、ATMP等第1代产品,且稳定性能高,适合在高温、高硬度、高浓缩倍数的冷却水系统中使用。此外,PBTCA还具有优异的稳定锌离子作用,即使在pH=9.5的环境下也可以使锌离子稳定在水中而不产生Zn(OH2沉淀。此外,PBTCA的耐氧化性优于第1代产品。22羟基膦基乙酸(HPAA是Ciba2Geigy公司开发的一种新型膦羧酸。HPAA与HEDP、PBTCA相比,缓蚀能力大大提高,它能适用于软水、低硬度水中,在低浓度下有很好的缓蚀效果,毒性低,相溶性好,与Zn2+复配增效作用明显,可比得上Cr6+/Zn2+复配。HPAA是目前缓蚀性能最好的膦系产品。由美国开发的膦酰基羧酸(POCA将磷酸盐和聚合物有机地结合起来。POCA对碳酸钙、磷酸钙垢的抑制和颗粒的分散以及对铁金属的缓蚀均具有良好效果,且几乎不与氯作用,对钙有较高的容忍度,是一种兼具阻垢和缓蚀的多功能低磷水处理化学品,同时也是一种有效的锌盐稳定剂。常用膦系列缓蚀剂结构及性能见表1。表1常用有机膦酸缓蚀剂结构及性能表有机膦酸相对分子质量磷质量分数/%分子中基团数目/个—PO3H2—COOH—OH缓蚀能力/mm・a-1HEDP20630.1201PBTCA26411.71303.1HPAA15520.01110.8POCA2000<5.01未知未知1.93结论,特别,对,化学性质稳定,是开发应用最多的缓蚀剂。参考文献:[1]柯伟.中国腐蚀调查报告[M].北京:化学工业出版社,2004.[2]Kok2HuiGoh,Teik2ThyeLim,Peng2CheongChui.Eval2uationoftheeffectofdosage,pHandcontacttimeonhigh2dosephosphateinhibitionforcoppercorrosioncontrolusingresponsesurfacemethodology(RSM[J].Corro2sionScience,2021,50:9182927.[3]李凡修,辛焰.共聚物类阻垢剂的研制进展[J].工业水处理,2000,20(3:7210.[4]王成,江峰,张波,等.有机胺对LY12Al合金的缓蚀作用及对腐蚀疲劳寿命的影响[J].腐蚀科学与防护技术,2001,13(6:3252327.[5]范洪波.新型缓蚀剂的合成与应用[M].北京:化学工业出版社,2004:21223.[6]杨文庆.钼酸盐系缓蚀阻垢剂的进展[J].润滑与密封,1996(1:226.[7]王大中.循环冷却水的钼系缓蚀剂[J].工业水处理,1991(3:8.[8]SchmittG,ScalehAO.Evaluationofenvironmentallyfriendlycorrosioninhibitorsforsourservice[J].Materi2alsPerformance,2000,39(8:62265.[9]颜红侠,张秋禹,马晓燕.盐酸酸洗咪唑啉型缓蚀剂IM的研究[J].应用化工,2001,30(3:21222.・04・山西化工2021年6月[10]朱超,郭稚弧,胡莹,等.水溶性聚丙烯酸齐聚物的缓蚀性能及其吸附等温式的研究[J].腐蚀与防护,2000,21(8:3532355.[11]SchweinsbergDP,HopeGA,TruemanA,etal.AnelectrochemicalandSERSstudyontheactionofpolyvi2nylpyrrolidoneandpolyetvlenimmeasinhibitorsforcopperinaeratedH2SO4[J].CorrosionScience,1996,38(4:5872599.[12]张大全,俞路,陆柱.42(N,N2二正丁基2胺甲基吗啉的合成及气相缓蚀性能[J].华东理工大学学报,1998,24(5:569.[13]MallerB.Amphiphiliccopolymersascorrosi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