气液两相流广泛存在于石油、化工、能源等许多工业领域，在有两相流动的系统中，两相流体的流量测量一般是无法避免的，也是未能很好解决的一个难题。分流分相法是近年来出现的一种新型多相流量测量方法，其特点是从被测两相流体中取样分流出一部分两相流体，将其分离成单相气体和单相液体，分别用单相流量仪表测量，然后根据取样流体与主流体间的关系推断出被测两相流体的流量。本文通过管壁取样和整改入口流型的方法改善了取样效果，利用分流分相方法实现了气液两相流量的测量。

　　旋流型管壁取样分配器结构及测量原理

　　气液两相流在管路中流动，其流动特性比较复杂，不同的气量下形成的流型不同，若只是采取管壁上开孔取样，会使得取样缺乏代表性，不能反映整个取样。

　　截面的气液相的分布状况。为了使其不受流型的影响，在设计管壁取样的基础上，又增加设计了整流装置：旋流叶片和整流器。管线来流经过旋流叶片使两相流体产生旋转运动，使得原来不对称分布的液膜、液滴在圆周方向进行混合和重新分布，变成一种关于轴线对称的流型，再经过整流器的整改，进一步改善相分布和速度分布的对称性，最终将分层流、段塞流、波浪流以及不对称的环状流等其它流型转变为对称的环状流，使管壁的每一个小孔取样均趋于一致，实现分流系数的恒定。

　　实验过程中发现图2中(a)的整流器由于其管线内径较大，而整流器的出口段设计的过长，当两相流经过旋流叶片再通过整流器整流后，形成的环状流液膜不能紧贴管壁流动而是形成一股射流。图2(b)的整流器虽然较圆柱式整流器的整流效果有所改善，但当两相流中液相流量较大时，经旋流叶片和整流器整流后的环状流液膜也并非沿着喇叭口流动，而是形成一股射流。为了较好的取样，把整流器的进出口进行了改进，由圆柱形整改成如图2(c)所示的圆弧过渡形状。整流器进出口直径与主管内径相同，紧贴管壁，这样整流后的环状液膜能够直接沿着管壁流动，改善流型的对称性使得周向液膜分布更加均匀。

　　被测两相流体的气相流量 和液相流量 根据它们与分流体气液相流量的比例关系计算：

　　式中，M1G为被测主管气相流量;M1L为被测主管液相流量;KG为气相分流系数，可用关系式 表示;KL为液相分流系数，可用关系式 表示;M3G为分流体的气相流量，由气体流量计测量;M3L为分流体的液相流量，由液体流量计测量。

　　实验管道内径80mm，水平布置，实验介质为空气和水，经泵增压，调节阀调压。水由质量流量计计量，空气由气体流量计计量，然后气液在混合器中混合，进入实验环道。气体流量计量采用金属浮子流量计，液体流量计量采用Rosemount高准质量流量计。分流气体流量计量采用DY015型数字式涡街流量计，分流液体流量通过测量分离器积液体积间接测量。为了观察实验流动情况，加工实验设备均采用有机玻璃管，玻璃管的设计压力为0.5Mpa。

　　气液两相流体经过取样分配器后，主流体沿原通道继续向下游流动，最后在卧式分离器中进行气液分离，分离后的液体进入储罐，放空气体。

　　实验发现：当旋流器、整流器和取样孔的大小方位确定以后，下游的整改效果是随着气液流量的变化而变化的。在气液相流量较小时，液膜只能覆盖部分下游管路，不能形成均匀环状流，随着气、液相流量的增加，整流装置下游管壁被液膜覆盖的面积逐渐扩大。在本实验范围内，气相折算速度 大于30.50m/s，液相折算速度 大于0.08m/s时，出现较完整的环状流。逐渐增加气液相流量，液膜的稳定性和对称性都会得到进一步改善。随后，无论旋流器前的流型如何变化，旋流器和整流器下游的流型都保持为环状流。

　　新型工具解决分流系数大、易堵难题

　　当主管液相流速大于0.08m/s，其液相分流系数趋向于一个稳定值0.073。当液相流速小于0.08m/s时，其液相分流系数呈现分散现象，液相分流系数最大0.079，最小值降到了0.03。液相分流系数与主管气相折算速度关系较小。

　　气相流量对气体分流系数 的影响不太明显， 随主管液相流量的增大而增大，基本上成线性变化。这是因为当分流体在通过小孔时，在分配处造成了两回路的阻力特性不对称。这种不对称性越大，造成的气体分流系数的变化就会越大。对气相分流系数曲线进行直线拟合，计算公式为：

　　(3)

　　上面的拟合曲线表明，气相分流系数 只与液相流量有关，气体流量的影响几乎可以忽略不计。

　　为了检验实验结果的误差大小，对于气液相在主管当中的质量流量利用分流分相法计算分流系数的定义式进行了计算，并与主管当中通过质量流量计测量的实际液相质量流量进行对比分析。测量分流体的液相流量M3L通过体积法测量，气体流量M3G采用数字式涡街流量计测量。分别为利用八孔旋流型管壁取样分配器，采用分流分相法测得的主管液、气相质量流量与相应的实验值的比较。实验结果表明，液相流量测量平均误差(相对误差的平均值)为2.5%，气相流量测量平均误差为3.5%。

　　本文提出的旋流型管壁取样分配器解决了以往分配器存在的分流系数较大，分配器易堵的问题。通过8孔取样和增加整流装置的方法来保证进入管壁取样小孔的气液两相流体的代表性。实验发现，分配器的液相分流系数与旋流叶片前的流型无关，且不随主管当中气液折算速度的变化而变化，为一恒定值0.073。而气相分流系数与主管液相折算速度成线性关系。利用分流分相法测得的液相流量测量相对误差最大值为20.35%，气相流量的最大测量误差为20.94%。

　　在本实验范围内，气相折算速度大于30.50m/s，液相折算速度大于0.08m/s时，才能出现较完整的环状流。实际生产中可能很难达到如此高的气相流速，为了扩大流量测量范围，可以考虑加设几组串联的旋流叶片以增强旋流效果或改进旋流装置的形式，使得在较小气液相流量下也能保持稳定的液相分流系数。