專利名稱：用于測量濕氣的組成和流速的方法和裝置的制作方法
用于測量濕氣的組成和流速的方法和裝置本發(fā)明涉及用于測量主要包含氣體的多相流體的單個組分的方法和裝置，如權(quán)利要求1和18的前序部分分別定義的。自二十世紀(jì)八十年代初期，如何計量油水氣混合物就已經(jīng)成為石油工業(yè)感興趣的問題。其后，進(jìn)行了大量的研究來開發(fā)適合在工業(yè)環(huán)境中使用的三相流量計。油氣工業(yè)中的多相流通常定義為其中游離氣體(也表示為GVF)的量低于管體積的90-95%的液體和氣體的混合物。對于95% -99. 99%范圍內(nèi)的GVF，多相流經(jīng)常被稱為濕氣，其中液體部分是水和冷凝物(輕油)。但是，典型的濕氣井具有高于97%的GVF，并且最常見的是GVF在99. 5-99. 9%范圍內(nèi)。存在若干技術(shù)和已知的儀器來測量多相氣體和濕氣，如下面將進(jìn)一步進(jìn)行描述的。這樣的儀器必須是適度精確的(對于每一相來說，通常優(yōu)于速度的士5% )、無干擾的、 可靠的、流型獨(dú)立的且在全組分分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的測量。盡管近年來已提出大量解決方案，但是仍沒有任何商業(yè)上可利用的三相濕氣流量計滿足所有的這些要求。除了嚴(yán)格的測量要求之外，儀器還需要在苛刻和腐蝕性環(huán)境中諸如海平面下數(shù)千米表現(xiàn)可靠。在管內(nèi)部，流動的多相流體可在超過1000巴的壓力且高于200°C的溫度下以l-50m/s的速度行進(jìn)。 其中還經(jīng)常存在沙，而沙能夠損壞儀器的內(nèi)部。濕氣流量計越來越多地用于井測試和分配測量(allocationmeasurement)。為了使油/氣田的生產(chǎn)和壽命達(dá)到最佳，經(jīng)營者需要能夠定期監(jiān)測油氣田中每一口井的產(chǎn)量。 這樣做的常規(guī)方式是使用計量分離器。計量分離器昂貴，占用生產(chǎn)平臺上寶貴的空間，且由于需要穩(wěn)定的流動條件而需要長時間監(jiān)測每一口井。此外，計量分離器僅是中等精確的 (一般為每相流速的士 5-10 ，并且無法用于連續(xù)監(jiān)測井?？梢允紫仁褂脻駳饬髁坑嫶嬗嬃糠蛛x器，并且長期作為每一口井的永久性裝置。這樣的布置將節(jié)省一般與井測試有關(guān)的生產(chǎn)損耗。對于典型的離岸安裝，這樣的損耗估計為大約2%。當(dāng)使用公共管線將不同公司擁有的許多井的產(chǎn)出輸送到處理廠時，需用分配計量。目前這是通過使每一口井的產(chǎn)出在進(jìn)入公共管線之前通過計量分離器來實現(xiàn)的。然而，除了上述計量分離器的不利之處外， 還需要通往每一口井的專用測試管線。永久安裝的濕氣流量計將對分配計量提供顯著的優(yōu)勢。油氣藏中的地層水是典型的鹽水。在正常的情況下，井不應(yīng)產(chǎn)生任何地層水。事實上，除了嚴(yán)重的管線腐蝕之外，管線中的地層水還可導(dǎo)致水化物形成和結(jié)垢。如果油氣田經(jīng)營者已知井中地層水和淡水的量(也稱為總水分?jǐn)?shù))，則可將化學(xué)抑制劑注射到井內(nèi)液氣流(well stream)中以限制這些水造成的不利影響?？蛇x地，可改變井的生產(chǎn)率以使產(chǎn)生的地層水最少或減少產(chǎn)生的地層水或完全關(guān)閉井以節(jié)約管線基礎(chǔ)設(shè)施。測量遠(yuǎn)程操作的水下井的地層水和淡水含量尤其令人關(guān)注，這是因為這樣的設(shè)施中的管線成本是嚴(yán)重的。對于大多數(shù)水下設(shè)施來說，將井合并成公共管線并將多相流體輸送到處理廠是常見的。這樣的處理廠可位于海底設(shè)施的數(shù)百公里之外，導(dǎo)致在海底有長的多相輸送管。因此，若沒有濕氣流量計可能要花費(fèi)數(shù)月來檢測并確認(rèn)產(chǎn)生鹽水的井，濕氣流量計能夠?qū)Ξa(chǎn)生的水進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。
濕氣流量計還需要對于配置參數(shù)的不確定性是穩(wěn)健的。市售的濕氣計的典型配置參數(shù)為濕氣中包含的所有流體的密度、電容率(介電常數(shù))、質(zhì)量吸收系數(shù)和粘度數(shù)據(jù)。對于其中液體和氣體的分離是基于濕氣的密度測量和已知的氣相和液相的密度值的濕氣流量計，測量的液體分?jǐn)?shù)(liquidfraction)(水和油)受氣體密度值的高度影響。實際上，氣體的密度值決定了液體分?jǐn)?shù)測量的零點(diǎn)。在大多數(shù)實際生活的應(yīng)用中，氣體密度的不確定性可在2-7%的量級，并且由于油氣藏組成的變化而隨時間顯著改變。這可導(dǎo)致液體部分的顯著測量誤差，該誤差可容易地達(dá)到百分之幾百的量級。對于操作壓力為150巴的典型濕氣應(yīng)用來說，測量的混合物(濕氣)密度可為112.7kg/m3。假定氣體密度為110kg/m3， 而冷凝物(油)密度為650kg/m3，則計算的GVF結(jié)果為99. 5%，即管中0. 5%的體積是液體。另一方面，如果氣體密度有5%誤差，以致真實的氣體密度為104. ^g/m3而不是IlOkg/ m3，則計算的GVF結(jié)果為98. 5%，這對應(yīng)于1. 5%的液體分?jǐn)?shù)。對于上面的實例，5%的氣體密度變化導(dǎo)致200%的液體分?jǐn)?shù)(和液體流速)的測量誤差。如果測量的混合物密度略低 (即111. 35kg/m3)，則基于110kg/m3的氣體密度計算的GVF結(jié)果為99. 75 %，對應(yīng)于0. 25 % 的液體分?jǐn)?shù)。同樣，如果氣體密度有5%誤差，以致真實的氣體密度為104. 5kg/m3而不是 110kg/m3，則計算的GVF結(jié)果為98. 75%，這對應(yīng)于1. 25%的液體分?jǐn)?shù)，造成了液體分?jǐn)?shù)的 400%測量誤差。因此，與氣體密度不確定性相關(guān)的液體部分的測量不確定性隨管中氣體分?jǐn)?shù)的增加而指數(shù)增加。測量的液體分?jǐn)?shù)的任何誤差都與濕氣計的計算的流速的對應(yīng)測量誤差直接相關(guān)， 因為流速是通過將測量的分?jǐn)?shù)乘以管中流體的速度得到的。市售的無干擾的多相計的一些實例顯示于US 5，103，181、US6，097，786、US 5，135，684和WO 2007/129897.使用核子密度計來測量混合物密度，并(直接或間接)使用該混合物密度來將多相混合物分離成液體和氣體。因此，多相計受到氣體密度的任何未知變化或差異的顯著影響，如上面實例中所概述的。還熟知的是可基于測量管的截止頻率來測量多相混合物的組成。這樣的設(shè)備的實例見于 US 4423623、US 5455516、US 5331284、US 6614238、US 6109097 和 US 5351521，它們描述了基于不同頻率下的損耗或相位測量來測量管的截止頻率并基于后者確定多相混合物的組成的方法。然而，所有這些方法都受到高氣體分?jǐn)?shù)下氣體密度變化的高度影響，并且將不能提供濕氣的液體組分的準(zhǔn)確測量。用于測量多相流體流速的設(shè)備是熟知的。這些設(shè)備可基于檢測流中的液體微滴和氣體微滴的變化的測量信號的交互關(guān)聯(lián)。通過發(fā)射載波信號到流中并測量響應(yīng)，接收信號包含擾動造成的振幅(損耗)、相位或頻率調(diào)節(jié)引起的流的變化信息。通過對彼此相距已知距離的管的兩個截面進(jìn)行測量，可創(chuàng)建在等于多相流在兩個截面之間行進(jìn)所耗費(fèi)的時間內(nèi)變化的兩個時間變化信號?；陔姶泡d波信號的這樣的設(shè)備的實例公開于US4402230、US 4459858、US 4201083、US 4976154、W094/17373、US 6009760 和 US 5701083。用于測量流速的其他設(shè)備可基于測量橫跨管中的節(jié)流部(restriction)，諸如文丘里管、孔、V型錐體或流混合器的壓差。這樣的設(shè)備的實例可見于US 4638672、US 4974452、US 6332111、US 6335959、US 6378380、US 6755086、US 6898986、US 6993979、US 5，135，684、WO 00/45133和W003/034051。所有這些設(shè)備都受到與以上實例中描述的相同的限制，其中給定的氣體密度的任何誤差都將導(dǎo)致測量的液體流速的顯著誤差。
使用流的統(tǒng)計信息來獲得多相流的組成的流量計也是已知的。一個這樣的實例見于US 5.576.974。這樣的設(shè)備通常非常依賴于統(tǒng)計信息來提供任何實際應(yīng)用中的可靠結(jié)果。如在US 5. 576. 974中，水分?jǐn)?shù)和氣體分?jǐn)?shù)二者均是基于微波測量計算的。穿過濕氣流或自濕氣流反射的微波信號的統(tǒng)計波動與微滴大小、微滴數(shù)目和液體微滴中的水量相關(guān)。 液體微滴的量的增加和液體微滴中的水量的增加均引起微波信號統(tǒng)計波動的增加。因此， 諸如US 5. 576. 974中描述的單純依賴于一種傳感器的信息的設(shè)備將不能可靠地區(qū)分與氣 /液比的變化相比，由于水/油比的變化造成的組成變化。管中任何液膜的存在將使對統(tǒng)計信息的解讀進(jìn)一步復(fù)雜化，因為液膜的潛在時間變化與液體微滴相比具有完全不同的頻率。其他這樣的設(shè)備可對由氣相中小的液體微滴造成的小變化不敏感，因為在許多情況下， 這種小的液體微滴可分散為細(xì)霧，使得難以用基于聲音變化、壓力變化等的感測技術(shù)來檢測小的變化。GB 2. 221. 042是單純依賴于基于單一傳感器的統(tǒng)計方法的測量方法的實例， 其不能提供濕氣流條件下的準(zhǔn)確測量。GB 2. 221. 042中描述的方法還可導(dǎo)致不穩(wěn)定的測量，這是因為存在適合測量參數(shù)的多個解(即油、水和氣體分?jǐn)?shù)的多種組合)。本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有解決方案的上述局限。本發(fā)明的目的是提供濕氣的油、水和氣的流速的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的目的是當(dāng)諸如密度和電容率的氣體性質(zhì)包含很大不確定性時提供濕氣的液體分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的目的是當(dāng)諸如密度和電容率的氣體性質(zhì)隨時間改變時提供濕氣的液體分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的目的是當(dāng)液體以微滴形式被包含在氣相中時提供液體分?jǐn)?shù)和氣體分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的目的是當(dāng)液體以微滴形式被包含在氣相中且沿管壁存在液膜時提供液體分?jǐn)?shù)的準(zhǔn)確測量。本發(fā)明的目的是提供用于流量調(diào)節(jié)和測量的緊湊結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的目的是允許對多相流量計使用簡單校準(zhǔn)程序。本發(fā)明的目的是允許對多相流量計使用簡單驗證程序。本發(fā)明的目的是提供在濕氣流條件下具有高測量準(zhǔn)確性的多相流量計。本發(fā)明的目的是提供流動濕氣的管中極小的壓力降。本發(fā)明的目的是提供用于執(zhí)行濕氣流量測量的無干擾設(shè)備。本發(fā)明的目的是允許濕氣流量計的緊湊安裝。本發(fā)明的目的是提供用于執(zhí)行測量的緊湊的機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，如權(quán)利要求1中定義的，本發(fā)明包括用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的方法，該方法包括以下步驟a.基于電磁測量確定所述多組分混合物的電容率，b.確定所述多組分的密度，c.獲得溫度和壓力，d.基于所述流體混合物各組分的密度和介電常數(shù)的知識以及上述步驟a-c的結(jié)果來計算所述多組分混合物的水分?jǐn)?shù)，本發(fā)明的特征在于用于確定所述多組分混合物的液體分?jǐn)?shù)和流速的方法，其中e.計算與所述電磁測量相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)，f.使用經(jīng)驗獲得的曲線，基于步驟d的統(tǒng)計參數(shù)和步驟e的計算的水分?jǐn)?shù)來計算液體分?jǐn)?shù)，g.得到所述多組分混合物的速度，和h.基于步驟a_g，計算所述多組分混合物中的單個組分的流速。根據(jù)本發(fā)明的裝置的特征在于獨(dú)立權(quán)利要求18中定義的特征。從屬權(quán)利要求2-17和19- 定義了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案。
下面將參考附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中

圖1顯示本發(fā)明主要元件的縱截面示意圖，圖2顯示根據(jù)本發(fā)明的用于測量油、水和氣的分?jǐn)?shù)和流速的裝置的示例性實施方案的縱截面示意圖，圖3顯示將統(tǒng)計電參數(shù)與濕氣的液體分?jǐn)?shù)關(guān)聯(lián)的曲線，圖4顯示隨時間變化的所測量的濕氣的液體分?jǐn)?shù)對隨時間變化的參考值，圖5顯示根據(jù)本發(fā)明的用于進(jìn)行電磁測量的裝置的示例性實施方案的縱截面示意圖，圖6顯示根據(jù)本發(fā)明的用于進(jìn)行電磁測量的裝置的示例性實施方案的縱截面示意圖，圖7顯示根據(jù)本發(fā)明的用于進(jìn)行電磁測量的裝置的示例性實施方案的縱截面示意圖，圖8顯示根據(jù)本發(fā)明的用于進(jìn)行電磁測量的裝置的示例性實施方案的縱截面示意圖。本發(fā)明涉及用于測量管中濕氣混合物的流速和體積分?jǐn)?shù)的方法和裝置。本發(fā)明含有如圖ι所示的五種元件。管狀部分1、用于測量濕氣混合物的速度的設(shè)備2、用于測量濕氣混合物的水分?jǐn)?shù)的設(shè)備3、用于測量濕氣混合物的密度的設(shè)備4和用于測量濕氣混合物的統(tǒng)計波動的設(shè)備5。流動方向可以是向上或向下。設(shè)備還可以水平或任何其他傾角放置； 然而，垂直向上和向下流動是優(yōu)選的方向。設(shè)備還包含出于補(bǔ)償目的的用于測量溫度和壓力的元件；但是為簡潔起見，附圖和進(jìn)一步的描述中省略了這些元件。這些設(shè)備中的一些可合并在一起，如圖2所示，其中用于進(jìn)行電容率測量的設(shè)備14也可用于測量流量的統(tǒng)計波動。然后可將文丘里管用作測量濕氣速度的流量設(shè)備(flow device) 0文丘里管由管 1中成為窄通道11的收斂部分10組成。可以通過借助壓力變送器6測量上游壓力7和窄通道中的壓力8來確定流體的流速。優(yōu)選的流向如箭頭9所示?？赏ㄟ^將測量由γ源15發(fā)射的γ光子的γ探測器16的測量結(jié)果與用天線14 進(jìn)行的電射頻的測量結(jié)果相組合來確定濕氣的水分?jǐn)?shù)和密度。天線14實際上是插入管中的共軸導(dǎo)體。使用圖2所示的裝置獲得水分?jǐn)?shù)和密度的方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，并且也描述于WO 2007/129897o然后可將使用天線14進(jìn)行的電測量用于獲得流的統(tǒng)計波動的測量結(jié)果。直接與管的直徑成比例的電測量是優(yōu)選的，因為微滴直徑也與管直徑相關(guān)。電參數(shù)諸如管的波導(dǎo)截止頻率、由管的直徑變化(諸如文丘里管的發(fā)散部分1 反射的波的相位或頻率特征、或所述管內(nèi)擴(kuò)散電磁波的所測量的相位系數(shù)或衰減系數(shù)是非常合適的電參數(shù)或管內(nèi)共振腔或結(jié)構(gòu)的共振頻率。事實上，可使用管內(nèi)擴(kuò)散電磁波的任何損耗或相位測量或管中介質(zhì)的反射波的測量的損耗或相位。測量信號的波長應(yīng)優(yōu)選是小的，以使得該信號能夠檢測小的液體微滴引起的小變化?；跍y量截止頻率、管中共振腔的頻率、和擴(kuò)散電磁波的反射特征或相位或衰減系數(shù)的大多數(shù)設(shè)備使用具有小波長的信號。典型的頻率范圍是100-5000MHZ， 這取決于管直徑，但是也可使用更大或更小的頻率。如何能夠使用圖2中顯示的裝置獲得大多數(shù)這些電參數(shù)的實例進(jìn)一步描述于WO 2007/129897和W02005/057142中，它們通過引用并入。管內(nèi)共振腔的共振頻率也可用作電信號。適合這一目的的設(shè)備的實例可見于WO 03/034051。這一設(shè)備還可用于測量濕氣的水分?jǐn)?shù)。電容和電感傳感器也廣泛用于測量多相流體的電容率和水分?jǐn)?shù)。還可使用從電容和電感傳感器獲得的電信號；但是，這些設(shè)備不太適合，原因是電信號的低頻率和由此的大波長，并因此不太適合捕獲小變化，而這是準(zhǔn)確的濕氣的液體測量所需要的。當(dāng)獲得水分?jǐn)?shù)和電測量的統(tǒng)計波動時，可使用圖3中顯示的經(jīng)驗獲得的關(guān)系以迭代方式來計算濕氣的液體分?jǐn)?shù)。圖3的χ軸17是管中所測量的反射或波導(dǎo)截止頻率的統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差乘以比例因子， 比例因子是液體中水含量的函數(shù)。圖3的y軸18是以百分?jǐn)?shù)表示的管總體積中的液體分?jǐn)?shù)(水+冷凝物)。這一曲線是基于以K^St0的Matoil測試設(shè)施，在120 barg的操作壓力下，對氣體、冷凝物和水進(jìn)行經(jīng)驗測量得到的，并且對微滴/氣體混合物是有效的。該曲線還可通過使用校正因子進(jìn)行修正以便用于其中所包含的一些液體作為沿壁的薄膜與液體微滴的組合的應(yīng)用。校正因子可基于經(jīng)驗測量獲得。那么確定濕氣組成的程序就變?yōu)?)進(jìn)行電測量諸如行進(jìn)的電磁波的相位系數(shù)或衰減系數(shù)、管截止頻率、反射頻率或共振頻率。如何能夠獲得這些特征中的一些特征的實例描述于WO 2007/129897和WO 2005/057142。2)使用基于Y射線的密度計(15、16)測量濕氣的密度，如W02007/U9897和WO 2005/057142 所述。3)計算濕氣(如多相混合物)的水分?jǐn)?shù)。如何能夠進(jìn)行此計算的實例可見于WO 2007/U9897或WO 2005/057142。除油、氣和水的電容率(介電常數(shù))和質(zhì)量衰減外，這些流體的密度也假定是預(yù)先知曉的。WO 2007/129897提供了如何能夠獲得這些參數(shù)的進(jìn)一步
fn息ο4)基于步驟3的所測量的水分?jǐn)?shù)和液體分?jǐn)?shù)的第一估值來計算水液體比(水液體比WjR =液體分?jǐn)?shù)中水的百分比)?？墒褂貌襟E3的所計算的液體分?jǐn)?shù)作為第一估值或液體分?jǐn)?shù)的前一計算的結(jié)果。5)計算步驟1中進(jìn)行的電測量的統(tǒng)計參數(shù)，諸如過去10-100次測量的標(biāo)準(zhǔn)差。也可使用更少或更多次的測量；但是，太少的測量可增加測量不確定性，而太多測量可導(dǎo)致不期望的動力學(xué)行為，諸如對液體含量快速變化的慢響應(yīng)。6)計算由實驗獲得的WjR相關(guān)性校正因子，并將其乘以步驟5的統(tǒng)計參數(shù)以獲得圖3中的曲線20的χ值17。7)使用曲線20計算濕氣的液體分?jǐn)?shù)18。8)使用步驟7的液體分?jǐn)?shù)和步驟3的水分?jǐn)?shù)計算WjR的更新值，并重復(fù)步驟6_8 直至計算的WjR收斂為穩(wěn)定值。當(dāng)完成步驟1-8時，就確定了濕氣的組成(即油、水和氣的百分比)。獲得濕氣的液體分?jǐn)?shù)的主導(dǎo)因素是圖3所示的曲線。因為該曲線主要取決于電信號的統(tǒng)計波動和濕氣的水分?jǐn)?shù)，并且由步驟1-3得到的水分?jǐn)?shù)測量幾乎不受氣體密度誤差的影響，所以液體分?jǐn)?shù)測量(和GVF)變得幾乎不受氣體密度的顯著誤差的影響。因為水分?jǐn)?shù)是在沒有使用任何步驟5的統(tǒng)計參數(shù)的獨(dú)立計算中獲得的，所以步驟1-8的測量算法變得穩(wěn)健，避免了液體分?jǐn)?shù)計算不受控制的擴(kuò)增或計算有多個解，原因是液體含量的增加和水分?jǐn)?shù)的增加二者均通過W^R相關(guān)性校正因子提供圖3中χ-值17的增加。但是，因為水分?jǐn)?shù)是在使用圖3的曲線20的計算循環(huán)之前的步驟1-3中計算的，所以在步驟6-8的迭代循環(huán)過程中，水分?jǐn)?shù)是固定的，而僅有液體分?jǐn)?shù)是變化的。圖顯示了在 Texas 的 South West Research Center 的濕氣測試設(shè)施,在 120barg 壓力下進(jìn)行的上述方法的測試。X-軸顯示了 3000秒的時段，y-軸21顯示了 GVF(氣體分?jǐn)?shù))。粗線23是參考?xì)怏w分?jǐn)?shù)，而細(xì)線M是根據(jù)本發(fā)明的所測量的氣體分?jǐn)?shù)。當(dāng)油(冷凝物)、水和氣的分?jǐn)?shù)以及油、水和氣的密度已知時，可基于使用流量設(shè)備2獲得多相流體的速度。流量設(shè)備可以是基于測量壓力降的設(shè)備6諸如文丘里管或通過使用如WO 2007/129897和WO 2005/057142所述的交互關(guān)聯(lián)技術(shù)的設(shè)備。還可使用基于測量壓差的其他流量設(shè)備2諸如V形錐體或孔板和多爾管。這些是眾所周知的測量原理，關(guān)于如何使用這些設(shè)備的進(jìn)一步信息可見于挪威油氣測量學(xué)會(Norwegian Society for Oil and Gas Measurement)出片反白勺 Handbook of MultiPhase Metering ( $才目)。當(dāng)除了管的橫截面積之外還已知濕氣的液體組分和氣體組分的速度時，可容易地計算濕氣(油、水和氣)的單個組分的流速。步驟1-8中描述的方法實際上是對氣相中包含的微滴進(jìn)行計數(shù)的方法。通過使用根據(jù) S. Geraldine 等人的“New correction method for wet gasflow metering based on two phase flow modeling Validation on industrialAir/Oil/Water tests at low and high pressure”(基于雙相流建模的濕氣流量計量的新校正方法在低壓和高壓下對工業(yè)空氣/油/水測試的驗證)，第沈?qū)脟H北海流量測量研討會-2008 [1]的基于文丘里管的計算濕氣流速的模型，除了氣體速度之外，還可獲得液體微滴直徑、微滴速度、液膜厚度和液膜速度。這一信息可用于對圖3中的曲線20提供另外的校正因子。校正因子可基于經(jīng)驗獲得的關(guān)系得到并以下列方式執(zhí)行1)進(jìn)行電測量諸如行進(jìn)的電磁波的相位系數(shù)或衰減系數(shù)、管截止頻率或反射頻率，如 WO 2007/129897 和 WO 2000/057142 所述。2)使用基于Y射線的密度計(15、16)測量濕氣的密度，如W02007/U9897和WO 2005/057142 所述。3)計算濕氣(如多相混合物)的水分?jǐn)?shù)，如WO 2007/U9897、N0324812或WO 2005/057142所述。除油、氣和水的電容率(介電常數(shù))和質(zhì)量衰減外，這些流體的密度也假定是預(yù)先知曉的。W02007/U9897提供了如何能夠獲得這些參數(shù)的進(jìn)一步信息。4)基于步驟3的所測量的水分?jǐn)?shù)和液體分?jǐn)?shù)的第一估值來計算水液體比(水液體比WjR =液體分?jǐn)?shù)中水的百分比)?？墒褂貌襟E3的所計算的液體分?jǐn)?shù)作為第一估值或液體分?jǐn)?shù)的前一計算的結(jié)果。5)計算步驟1中進(jìn)行的電測量的統(tǒng)計參數(shù)，諸如過去10-100次測量的標(biāo)準(zhǔn)差。也可使用更少或更多次的測量；但是，太少的測量可增加測量不確定性，而太多測量可導(dǎo)致不期望的動力學(xué)行為，諸如對液體含量快速變化的慢響應(yīng)。6)計算由實驗獲得的WjR相關(guān)性校正因子、微滴直徑校正因子和薄膜分?jǐn)?shù)校正因子，并將它們乘以步驟5的統(tǒng)計參數(shù)以獲得圖3中的曲線20的χ值17。7)使用曲線20計算濕氣的液體分?jǐn)?shù)18。8)使用步驟7的液體分?jǐn)?shù)和步驟3的水分?jǐn)?shù)計算WjR的更新值，并重復(fù)步驟6_8 直至計算的WjR收斂為穩(wěn)定值。9)使用[1]中描述的方法和模型，基于步驟8的所測量的分?jǐn)?shù)和文丘里管6的所測量的△壓力來計算液體微滴的速度、液膜的速度、液膜、氣體的速度以及薄膜厚度和微
滴直徑。10)重復(fù)步驟6-9，直至步驟9中計算的所有參數(shù)收斂為穩(wěn)定值。除了上述元件之外，測量裝置還包含用于進(jìn)行電測量的元件和用于進(jìn)行計算的計算機(jī)；但是，如何實現(xiàn)進(jìn)行這些測量和計算所需的電子設(shè)備和軟件是公知的。發(fā)射和反射方法是用于材料表征的公知方法，如圖5和6所示。電磁方法可基于圖 5所示的穿過壁的輻射縫23，或通過使用圖6所示的開口端的共軸導(dǎo)體M。共軸電纜M上發(fā)射脈沖或連續(xù)頻率?；诜瓷浠氐焦草S導(dǎo)體上的振幅和相位變化的測量結(jié)果，可確定管內(nèi)材料的電容率。圖5和6所示的發(fā)射和反射傳感器的設(shè)計和工作原理進(jìn)一步描述于Chen ^AW "Microwave Electronics-measurement and material characterization" ( ^ 波電子設(shè)備-測量和材料表征)，Wiley Q004)和"PermittivityMeasurements of Thin Liquid Film Layers using open-ended Coaxial Probes，，(使用開 O 的共$由探針的薄液膜層的電容率測量)，Meas. Sci. Technol. ,7(1996)，1164-1173。圖7顯示的兩個天線也可用于進(jìn)行電磁測量。天線是被絕緣材料與管壁隔開的共軸導(dǎo)體，并略微穿透到管中，充當(dāng)管內(nèi)部的偶極天線。發(fā)射天線觀和接收天線觀也可制造為組裝到管中的分立單元27或制造為單獨(dú)的天線。天線還可沿管的周圍定位或沿管軸向定位或處于任何軸向和徑向位置的組合。因此，此設(shè)備可用于測量管的介質(zhì)內(nèi)電磁波的損耗、相位?；谟糜谶M(jìn)行電磁測量的三天線的相似布置顯示于圖8。天線是被絕緣材料與管壁隔開的共軸導(dǎo)體，并略微穿透到管中，充當(dāng)管內(nèi)部的偶極天線。天線可制造為圖8所示的一個緊湊的探針單元35，其中發(fā)射天線33和兩個接收天線34、32是通過陶瓷或玻璃與金屬外殼35電絕緣的。設(shè)備可用于測量管內(nèi)電磁波的相位和損耗，其還可進(jìn)一步擴(kuò)展為測量管內(nèi)行進(jìn)的電磁波的相位系數(shù)和損耗系數(shù)。WO 2007/129897提供了如何能夠使用這一設(shè)備獲得這些參數(shù)的進(jìn)一步信息。在對本發(fā)明的以上描述中，使用Y光子吸收來確定濕氣的密度。也可使用確定濕氣的密度的其他設(shè)備，諸如(但不限于)文丘里管與交互關(guān)聯(lián)速度測量組合、具有不同流動特性對流體密度的多個質(zhì)量流量設(shè)備的組合或基于油+氣的流體的烴組成的狀態(tài)方程模型。但是，基于Y光子吸收的密度測量是用于確定濕氣的密度的優(yōu)選方法。
多相混合物的水分?jǐn)?shù)還可通過使用以下來獲得US 5. 135. 684中描述的雙重能量質(zhì)量吸收測量、或NO 304333中描述的電容/電感測量原理與單一能量質(zhì)量吸收相結(jié)合、 或W000/45133中顯示的電容/電感測量原理與交互關(guān)聯(lián)和文丘里管相結(jié)合。以上獲得的水分?jǐn)?shù)測量隨后可與諸如行進(jìn)的電磁波的相位系數(shù)或衰減系數(shù)、管截止頻率或反射、或管內(nèi)行進(jìn)的電磁波或自管中的介質(zhì)反射的電磁波的損耗或相位的反射或測量的統(tǒng)計計算相結(jié)合，以計算濕氣的液體分?jǐn)?shù)。圖5和6中所示的設(shè)備或圖2中所示的至少兩個天線14的任何組合可與測量濕氣的水分?jǐn)?shù)和密度的任何技術(shù)聯(lián)合使用，以獲得用于確定濕氣的液體分?jǐn)?shù)和流速的期望的電磁測量。
權(quán)利要求
1.一種用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的方法， 該方法包括以下步驟a.基于電磁測量確定所述多組分混合物的電容率，b.確定所述多組分的密度，c.獲得溫度和壓力，d.基于所述流體混合物的各組分的密度和電容率的知識以及上述步驟a-c的結(jié)果來計算所述多組分混合物的水分?jǐn)?shù)，所述方法的特征在于用于確定所述多組分混合物的液體分?jǐn)?shù)和流速的方法，其中e.計算與所述電磁測量相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)，f.使用經(jīng)驗獲得的曲線，基于步驟e的所述統(tǒng)計參數(shù)和步驟d的所計算的水分?jǐn)?shù)來計算所述液體分?jǐn)?shù)，g.得到所述多組分混合物的速度，和h.基于步驟a_g來計算所述多組分混合物的單個組分的流速。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電容率是基于測量所述管內(nèi)的電磁波的損耗而確定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電容率是基于測量所述管內(nèi)的電磁波的相位變化而確定的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電容率是基于測量所述管內(nèi)的反射電磁波的相位或損耗而確定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電容率是基于電磁測量所述管內(nèi)的共振頻率而確定的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電容率是基于測量從所述管內(nèi)的介質(zhì)反射的電磁波的能量損耗和/或相移而測量的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述統(tǒng)計參數(shù)是從根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一項的測量而計算的。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中使用標(biāo)準(zhǔn)差作為統(tǒng)計參數(shù)。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述密度是基于測量光子吸收而確定的。
10.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中針對所述液體的微滴大小校正步驟 e的所述經(jīng)驗獲得的曲線。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中針對沿所述管的壁存在的液膜校正步驟e的所述經(jīng)驗獲得的曲線。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述速度是基于測量橫跨所述管中的節(jié)流部的壓力降而測量的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用文丘里管來提供壓力降。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用V形錐體來提供壓力降。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用多爾管來提供壓力降。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中使用孔來提供壓力降。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求1-11中任一項所述的方法，其中在確定所述多組分混合物的速度時使用交互關(guān)聯(lián)技術(shù)。
18.一種用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的裝置，該裝置包括管狀部分和以下元件a.用于確定所述多組分混合物的電容率的電磁設(shè)備，b.用于確定所述多組分混合物的密度的設(shè)備，c.用于確定溫度和壓力的設(shè)備，d.用于基于所述流體混合物的各組分的密度和介電常數(shù)的知識來計算所述多組分混合物的水分?jǐn)?shù)的設(shè)備，所述裝置的特征在于用于確定所述多組分混合物的液體分?jǐn)?shù)和流速的設(shè)備含有e.用于計算統(tǒng)計參數(shù)的數(shù)學(xué)程序，f.用于基于所述統(tǒng)計參數(shù)和所述水分?jǐn)?shù)來計算所述多組分混合物的所述液體分?jǐn)?shù)的經(jīng)驗獲得的曲線和數(shù)學(xué)程序，g.用于測量所述多組分混合物的速度的設(shè)備，和h.用于計算所述多組分混合物的單個分?jǐn)?shù)的流速的設(shè)備。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，包括用于發(fā)射電磁到所述管狀部分中并記錄從所述管狀部分接收到的電磁能量的設(shè)備。
20.根據(jù)權(quán)利要求18-19所述的裝置，包括用于在所述管狀部分內(nèi)提供電磁共振的設(shè)備。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的裝置，包括用于在所述管狀部分內(nèi)提供電磁共振的設(shè)備。
22.根據(jù)前述權(quán)利要求18-20中任一項所述的裝置，包括用于發(fā)射電磁能量到所述管狀部分中并記錄從所述管狀部分反射的電磁能量的設(shè)備。
23.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，包括用于測量所述管狀部分的窄通道中的所述速度的設(shè)備。
24.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，其中使用文丘里管確定所述速度。
25.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，其中使用V形錐體確定所述速度.
26.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，包括用于通過使在所述管狀部分的兩個橫截面中進(jìn)行的交互關(guān)聯(lián)測量來測量所述速度的設(shè)備。
27.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，包括用于確定所述多組分混合物的密度的放射源和光子探測器。
28.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，包括確定所述多組分混合物的密度的多個壓力降測量。
29.根據(jù)權(quán)利要求18-22所述的裝置，包括確定所述多組分混合物的密度的壓力降設(shè)備和交互關(guān)聯(lián)速度設(shè)備的組合。
全文摘要
一種用于確定管中包含氣體和至少一種液體的多組分混合物的流體的流速的方法，該方法包括以下步驟a.基于電磁測量確定所述多組分混合物的電容率，b.計算與所述電磁測量相關(guān)的統(tǒng)計參數(shù)，c.確定所述多組分的密度，d.獲得溫度和壓力，e.基于所述流體混合物各組分的密度和介電常數(shù)的知識，以及上述步驟a-c的結(jié)果，計算所述多組分混合物的水分?jǐn)?shù)，該方法的特征在于用于確定所述多組分混合物的液體分?jǐn)?shù)和流速的方法，f.使用經(jīng)驗獲得的曲線，基于步驟b的統(tǒng)計參數(shù)和步驟e的所計算的水分?jǐn)?shù)來計算液體分?jǐn)?shù)，g.得到所述多組分混合物的速度，和h.基于步驟a-g，計算所述多組分混合物中的單個組分的流速。還公開了用于實施該方法的裝置。
文檔編號G01F1/74GK102246008SQ200980149415
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月12日
發(fā)明者伊格維·莫頓·斯基伽達(dá)爾, 安斯汀·維基 申請人:多相儀表公司