【摘 要】
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在天然气输送管道中,天然气与液膜中的自由水在高压和低温的条件下极易形成天然气水合物,从而形成含水合物液膜。液膜中的水合物易堵塞管线和仪表设备,严重时将导致安全事故。研究适用于管道内含水合物液膜的厚度测量方法,对于集输管道的安全有效运行具有重要意义。本课题提出电阻法和超声渡越时间法相融合的液膜厚度测量方法,针对平底容器中的液膜和水平圆形管道中的液膜分别优化设计了平面式和凹面式电-声复合传感器,在对液
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在天然气输送管道中,天然气与液膜中的自由水在高压和低温的条件下极易形成天然气水合物,从而形成含水合物液膜。液膜中的水合物易堵塞管线和仪表设备,严重时将导致安全事故。研究适用于管道内含水合物液膜的厚度测量方法,对于集输管道的安全有效运行具有重要意义。本课题提出电阻法和超声渡越时间法相融合的液膜厚度测量方法,针对平底容器中的液膜和水平圆形管道中的液膜分别优化设计了平面式和凹面式电-声复合传感器,在对液膜厚度测量原理进行分析的基础上,以数值模拟和实验研究为主要手段,对单相水液膜和含天然气水合物液膜的厚度进行了测量,研究了传感器的电学和声学测量特性,评价了电-声复合传感器的性能指标,形成了基于电-声联合的液膜厚度测量新方法。首先,以灵敏度和非线性误差为性能指标,优化了同轴双环电极的结构,进而制作了平面式电-声复合传感器,设计并搭建了液膜厚度测量系统,开展了静态平面液膜厚度测量实验,分析了液膜厚度测量范围以及测量精度。研究结果表明:电阻法适合于测量较薄液膜,而超声渡越时间法适合于测量较厚液膜,采用电-声联合方法对2.4mm～10.0mm厚度范围液膜进行了测量,测量误差范围为4.93%～5.35%,验证了基于电-声联合的液膜厚度测量方法可实现宽范围、高精度测量。其次,以电场空间灵敏度和声场空间灵敏度为指标,对凹面式电-声复合传感器电极结构参数和超声发射频率进行了优化。研究结果表明:（1）当圆形电极A的半径r1与A、B两电极的间距d AB之和为4mm时,靠近该电极约6mm范围内为电阻法的高灵敏度区域;（2）电极结构系数CE越大,电场平均灵敏度越高;（3）超声波发射频率为1MHz时,声场灵敏度较高且灵敏度均匀性较好。最后,采用优化后的凹面式电-声复合传感器对管道中单相水液膜、含天然气水合物液膜进行了仿真测量。针对单相水液膜,考察了电场参数的分布以及超声波传播特性,采用电阻法和超声渡越时间法分别对0.8mm～6.0mm和5.0mm～20.0mm的液膜厚度进行了测量。针对含水合物液膜,分析了不同颗粒空间分布下的电场和声场参数分布,将液膜分为含水合物颗粒液膜和含水合物沉积层液膜,分别采用电阻法和超声渡越时间法进行厚度测量,考察了水合物截面体积含率对传感器电学测量特性的影响规律,获得了液膜厚度与液膜电阻的关系,分析了水合物沉积层厚度对声学测量特性的影响。研究结果表明:（1）采用凹面式电-声复合传感器测量单相水液膜厚度,测量范围得以拓宽（0.8mm～20.0mm）,且实现了高灵敏度、高精度测量;（2）电阻法适用于测量水合物颗粒液膜的厚度,超声渡越时间法适用于测量含水合物沉积层液膜的厚度,凹面式电-声复合传感器能够对不同分布形态下含水合物液膜的厚度进行准确测量。通过开展本课题的研究,为复杂液膜的厚度测量提供了新的方法,为电-声复合传感器的结构参数优化以及含水合物液膜厚度测量特性的实验研究提供了理论和模型基础,同时为工程应用中的厚度变化范围大、相分布复杂的液膜的厚度测量方法研究提供了借鉴。
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