專利名稱：基于多截面阻抗式雙差壓長腰內(nèi)錐的多相流測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種融合差壓測量原理與電學測量原理 的測量方法，用于確定連續(xù)相從導電相到非導電相范圍內(nèi)的多相流各相組分含率、流速及 流量等參數(shù)。本發(fā)明以油/氣/水多相流測量為描述對象，但并不僅限于該應用，在其他工 業(yè)過程和化學反應中本發(fā)明的測量方法仍適用。
背景技術(shù)：
多相流通常指同時存在兩種或兩種以上物質(zhì)的流動，包括氣液兩相流、氣固兩相 流、液固兩相流、液液兩相流以及氣液液和氣液固多相流等。管路內(nèi)多相流經(jīng)常出現(xiàn)在動 力、核能、化工、石油、制冷、冶金、管道輸送、宇航、醫(yī)藥、食品等現(xiàn)代工程領(lǐng)域與設(shè)備中，如 不實現(xiàn)對其流動過程參數(shù)的準確測量就無法保證有關(guān)設(shè)備的可靠設(shè)計和安全運行。多相流 在自然界和工業(yè)過程中存在的廣泛性和應用的重要性使其在國民經(jīng)濟和日常生活中占有 十分重要的地位。隨著動力工業(yè)及石化工業(yè)迅速發(fā)展，以及對環(huán)境保護的日益重視，促使多 相流領(lǐng)域研究工作迅速發(fā)展，目前已成為國內(nèi)外給予極大關(guān)注的前沿學科。由于多相流各相間存在界面效應和相對速度，相界面在時間和空間上均呈隨機變 化，致使多相流的流動特性遠比單相流復雜，特征參數(shù)也比單相流多。目前油氣水三相流測 量方法可以分為兩方面1、將多相流視作氣液兩相流進行流量的測量。2、對多相流中各相 組分含率的測量。其中將多相流視作氣液兩相流測量流量的方法主要有相關(guān)法、容積法、 節(jié)流法、渦輪式檢測法、激光多普勒法、PIV粒子成像測速法、熱線熱膜風速儀、過程層析成 像技術(shù)、核磁共振法以及科里奧利法等，這幾種方法應用范圍廣泛，但需其他輔助測量手段 (如密度計等)測量含氣率。相含率的測量方法有兩種，一是間接法，即通過實驗回歸或理 論推導得出以氣液兩相介質(zhì)的物性參數(shù)和工藝參數(shù)為函數(shù)的相含率計算式；二是測量裝置 直接測量法，如電磁波檢測法、電導法、電容法、熱學法、微波法、Y組分表法和核磁共振法 等。在實際測量中，一般采用測量裝置直接測量法確定相含率。應用傳統(tǒng)的單相流測量儀表與兩相流輔助參數(shù)測量手段相結(jié)合是解決管道內(nèi)多 相流過程參數(shù)測量問題的一種主要思路。差壓式流量計，如孔板、文丘里管、噴嘴和內(nèi)錐式 流量計等，是目前應用最多的一種工業(yè)在線流量測量儀表，在多相流過程參數(shù)測量領(lǐng)域的 研究也比較普遍。其中內(nèi)錐式流量計將流體節(jié)流收縮到管道中心軸線附近的概念從根本上 改變?yōu)槔猛S安裝在管道中心的錐體將流體逐漸節(jié)流收縮到管道內(nèi)壁，通過測量錐體前 后差壓確定流體流量。內(nèi)錐流量計能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔凈或臟 污流體實現(xiàn)更準確、更有效的流量測量，但是其自身結(jié)構(gòu)特點也存在一些缺點在錐體尾部 存在漩渦區(qū)造成此處取壓信號存在脈動，使測量精度和重復性降低，且整體壓損較大，如根 據(jù)多相流的流動特征對內(nèi)錐式流量計做結(jié)構(gòu)變形，如內(nèi)文丘里管、紡錘體流量計和梭式流 量計等，能有效提高其在多相流測量中的精度和穩(wěn)定性。基于電學敏感原理的多相流測量 方法已有較好的理論和應用基礎(chǔ)，通過測量管道內(nèi)流體的電學參數(shù)(電阻抗、介電常數(shù)等) 變化實現(xiàn)多相流各相組分含率的測量，該方法根據(jù)測量參數(shù)的不同而分為電容式、電導式
5等模態(tài)。如果采用多模態(tài)傳感器與多工作模式(激勵測量策略)組合方法，利用各模態(tài)的測 量優(yōu)勢，通過組合優(yōu)化可實現(xiàn)多相流過程參數(shù)的綜合提取，及流動信息的全面準確地獲得。專利CN99257650. 4、CN200420093532. 6、CN200420061026. 9 分別公布了一種用于 節(jié)流裝置的異型文丘里管、紡錘體流量計、梭式流量計，均為克服內(nèi)錐流量計一些不足而設(shè) 計的。異型文丘里管相對內(nèi)錐流量計在腰部，增加等直徑段，形成環(huán)形流通空間，有助于改 善流出系數(shù)的穩(wěn)定性，但是將動能轉(zhuǎn)化為勢能的出口圓錐形擴散段短而角度大，流體通過 錐體后分離而產(chǎn)生漩渦，永久壓損相對內(nèi)錐流量計并無明顯改善。紡錘體流量計和梭式流 量計十分接近，僅在外形輪廓上有所區(qū)別紡錘體流量計的節(jié)流件是流線型的紡錘體，而梭 式流量計的節(jié)流件是由前錐體、中間等直徑段體和后錐體組成的梭形體，節(jié)流件沿管道軸 線安裝，中間具有一段足夠長的等直徑段，與管道內(nèi)壁之間形成均勻的環(huán)形通道。這兩種變 形體在流出系數(shù)穩(wěn)定性，抗擾流性及低壓損性均優(yōu)于內(nèi)錐流量計，但是節(jié)流件過長G倍于 管道內(nèi)徑)，在管徑較大時顯得比較笨重，并且測量多相流過程參數(shù)相對單一，需要配合其 他流量計才能完成過程參數(shù)的測量。專利CN86207384、CN200810151346. 6, CN03234526. 7 分別公布了文丘里管節(jié)流裝
置與孔板節(jié)流裝置組合、內(nèi)錐節(jié)流裝置與文丘里管節(jié)流裝置組合、雙內(nèi)錐節(jié)流裝置組合及 英國Solartron公司提出的“混合器+雙文丘里管”濕氣測量裝置，采用雙差壓法測量氣液 兩相含率及流量，即兩種同類或不同類的節(jié)流裝置組合測量氣液兩相流過程參數(shù)。利用均 相流模型，對不同流量系數(shù)的節(jié)流裝置上得到的差壓信號進行處理，獲得氣相質(zhì)量含率，然 后由混合流體總的質(zhì)量流量計算得到混合流體中氣液分相流量，同時對氣液流量進行溫度 和壓力補償。該組合方法只適用于測量混合較均勻的兩相流體，并且兩個節(jié)流裝置組裝在 一起不能保證空間上的一致性，因此兩相流在流動過程中流型和過程參數(shù)很難保持一致， 容易違背組合式測量的前提條件——兩相流體流過每個組成部分時其基本參數(shù)不變的原 則，即存在原理性誤差。專利US 5485743、US 5130661、US 6857323、US 6940286、CN99209502. 6、 CN200680055193. 4等公布了采用過程層析成像技術(shù)測量多相流過程參數(shù)。過程層析成像 由獲取被測物場信息的敏感器空間陣列、數(shù)據(jù)采集與處理單元、圖像重建與物場參數(shù)提取 單元組成，敏感器陣列在一定的工作模式下依次在測量空間內(nèi)建立敏感場，通過數(shù)據(jù)采集 及處理單元對反映不同敏感區(qū)域內(nèi)被檢測物場介質(zhì)分布的信號進行采集和處理，然后使用 圖像算法重建出反映介質(zhì)分布的圖像，在此基礎(chǔ)上采用一定的信息處理方法提取所需的參 數(shù)。然而層析成像技術(shù)在實時性、測量精度和圖像質(zhì)量等方面尚未滿足工業(yè)應用的要求，且 多相流的快速變化特性與層析成像圖像重建算法的復雜性沖突，可能會導致計算結(jié)果存在 較大誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種能夠測量多相流過程參 數(shù)，并根據(jù)各傳感器自身特點實現(xiàn)傳感器間的信號互補及冗余，實現(xiàn)測量最優(yōu)化的多相流 測量方法。本發(fā)明可實現(xiàn)連續(xù)相從導電相到非導電相范圍內(nèi)的多相流過程參數(shù)，如分相含 率(截面相含率、質(zhì)量相含率)、分相流速、體積流量和質(zhì)量流量的準確測量，通過分析測量 信號進行流型識別，以優(yōu)化測量結(jié)果。本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種基于多截面阻抗式雙差壓長腰內(nèi)錐的多相流測量方法，采用的傳感器包括錐 體節(jié)流件、收縮壓降差壓變送器、永久壓損差壓變送器，電學敏感傳感器，所述的錐體節(jié)流 件為一種長腰內(nèi)錐節(jié)流裝置，由前段圓錐體、作為錐體腰部的中段柱狀體、后段圓錐體三段 構(gòu)成，通過支架同軸固定于管道中心，與管道的管壁形成環(huán)形流通空間；所述的收縮壓降差 壓變送器的兩個取壓孔，一個設(shè)置在錐體節(jié)流件上游處，另一個設(shè)置在環(huán)形流通空間處或 錐體尾部；所述的永久壓損差壓變送器的兩取壓孔分別設(shè)置在錐體節(jié)流件上游和下游壓力 恢復處；所述的電學敏感傳感器包括四組分布在環(huán)形流通空間不同截面上的電極，該四組 電極中有兩組電極的結(jié)構(gòu)和空間排列方式均相同，用于檢測多相流的電導率，稱為電阻電 極對，另外兩組電極的結(jié)構(gòu)和空間排列方式均相同，用于檢測多相流的介電常數(shù)，稱為電容 電極對；每組電極由一個或一個以上的內(nèi)電極和一個或一個以上的外電極構(gòu)成，內(nèi)電極固 定在錐體腰表面，外電極固定在管道內(nèi)壁；測量時一次選通位于同一個截面上的一個內(nèi)電 極和其對應的外電極分別作為激勵/測量電極與接地電極，該測量方法包括下列步驟1)采集由錐體節(jié)流件產(chǎn)生的兩對差壓信號收縮壓降差壓信號△ P和永久壓損差 壓信號S P ；2)利用電學敏感傳感器采集電信號；3)按照下面的單節(jié)流件的雙差壓模型，得到總質(zhì)量流量、各相質(zhì)量流量、各相質(zhì)量 含率與相含率之間的關(guān)系式a.根據(jù)公式
權(quán)利要求
1. 一種基于多截面阻抗式雙差壓長腰內(nèi)錐的多相流測量方法，采用的傳感器包括錐體 節(jié)流件、收縮壓降差壓變送器、永久壓損差壓變送器，電學敏感傳感器，所述的錐體節(jié)流件 為一種長腰內(nèi)錐節(jié)流裝置，由前段圓錐體、作為錐體腰部的中段柱狀體、后段圓錐體三段構(gòu) 成，通過支架同軸固定于管道中心，與管道的管壁形成環(huán)形流通空間；所述的收縮壓降差壓 變送器的兩個取壓孔，一個設(shè)置在錐體節(jié)流件上游處，另一個設(shè)置在環(huán)形流通空間處或錐 體尾部；所述的永久壓損差壓變送器的兩取壓孔分別設(shè)置在錐體節(jié)流件上游和下游壓力恢 復處；所述的電學敏感傳感器包括四組分布在環(huán)形流通空間不同截面上的電極，該四組電 極中有兩組電極的結(jié)構(gòu)和空間排列方式均相同，用于檢測多相流的電導率，稱為電阻電極 對，另外兩組電極的結(jié)構(gòu)和空間排列方式均相同，用于檢測多相流的介電常數(shù)，稱為電容電 極對；每組電極由一個或一個以上的內(nèi)電極和一個或一個以上的外電極構(gòu)成，內(nèi)電極固定 在錐體腰表面，外電極固定在管道內(nèi)壁；測量時一次選通位于同一個截面上的一個內(nèi)電極 和其對應的外電極分別作為激勵/測量電極與接地電極，該測量方法包括下列步驟1)采集由錐體節(jié)流件產(chǎn)生的兩對差壓信號收縮壓降差壓信號△P和永久壓損差壓信 號δ ρ ；2)利用電學敏感傳感器采集電信號；3)按照下面的單節(jié)流件的雙差壓模型，得到總質(zhì)量流量、各相質(zhì)量流量、各相質(zhì)量含率 與相含率之間的關(guān)系式a.根據(jù)公式和^^2計算出等效質(zhì)量流量wmtpl、Wmtp2，式中，ε為可膨脹性系數(shù)，C1為收縮壓降A(chǔ)p為差壓信號標定出的流出系數(shù)、C2為永久壓損δ ρ為差壓信號標定出的流出系數(shù)，Atl為環(huán)形流通空間的流通面積，A為管道流通面積，β為流通截面的等效直徑比，Pg為氣相密度； WWb.將公式詔=+ h ；豹="^1 = 義+ 相比，計算L-M參數(shù)X，式中， 為W mgW mg(j>\、(j>2兩相流乘子，Wfflg為氣相質(zhì)量流量，ai; bi; a2, b2為標定試驗參數(shù)；c.根據(jù)公式P= z + l = —J—+1得到氣相質(zhì)量含率χ、液相質(zhì)量含率1-x與截面含^ \ Pi油率α。、截面含水率Ciw、截面含氣率ag之間的關(guān)系式，式中^為兩相流乘子，Pg為氣相密度，P1為液相密度，A=T^A+T^八’ α。為截面含油率、α ￥為截面含水率、％為g g截面含氣率，P。為油相密度，P w為水相密度；_ SC1J0^Appgd.根據(jù)公式——J2APPgΥ得到氣相質(zhì)量流量Wg、液相質(zhì)量流量巧、總 w _ ^Λ ^2aPPsm Vi-^4 a^-xypg/Pi +bix質(zhì)量流量Wm與截面含油率α。、截面含水率aw、截面含氣率αg的關(guān)系式；4)根據(jù)差壓信號和電信號測量數(shù)據(jù)，進行流型的分類、識別與判斷，判斷出流體中連續(xù) 相是導電相還是非導電相；5)根據(jù)連續(xù)相是否是導電相，采用不同的計算模型計算油氣水三相流的過程參數(shù)，如 果連續(xù)相是非導電相，采用的計算模型如下a.根據(jù)電容電極對采集的電壓信號，計算混合流體的介電常數(shù)εm;b.已知油相介電常數(shù)ε。、水相介電常數(shù)εw及氣相介電常數(shù)ε g，根據(jù)公 式
全文摘要
本發(fā)明屬于流體測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及基于多截面阻抗式雙差壓長腰內(nèi)錐的多相流測量方法，采用的傳感器包括錐體節(jié)流件、收縮壓降差壓變送器、永久壓損差壓變送器，電學敏感傳感器，該測量方法包括下列步驟采集由錐體節(jié)流件產(chǎn)生的兩對差壓信號；利用電學敏感傳感器采集電信號；按照單節(jié)流件的雙差壓模型，計算總質(zhì)量流量、各相質(zhì)量流量及各相質(zhì)量含率；根據(jù)差壓信號和電信號測量數(shù)據(jù)，利用支持向量機實現(xiàn)流型的分類、識別與預判，測混合流體介電常數(shù)采用電容模型，測混合流體電導率采用電導率模型，計算油氣水三相流的過程參數(shù)。本發(fā)明不受多相流連續(xù)相是否導電的影響，具有測量精度高、可靠性高、可獲取測量信息多等特點。
文檔編號G01N27/60GK102147382SQ20111004791
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者董峰, 譚超, 魏燦 申請人:天津大學