多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量方法及裝置。本發(fā)明包括圓柱狀V錐節(jié)流裝置，V錐節(jié)流裝置的內(nèi)腔中沿濕氣流流動(dòng)方向依次設(shè)置有節(jié)流錐體和溫度傳感器，節(jié)流錐體通過取壓管道連接有收縮段差壓傳感器和擴(kuò)張段差壓傳感器，壓力傳感器、收縮段差壓傳感器、擴(kuò)張段差壓傳感器和溫度傳感器均連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，V錐節(jié)流裝置的濕氣流入口通過法蘭連接電容探針裝置。本發(fā)明使?jié)駳馔ㄟ^V錐節(jié)流裝置，V錐節(jié)流裝置上設(shè)置有溫度傳感器、差壓傳感器和溫度傳感器，壓力傳感器、差壓傳感器和溫度傳感器將統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)傳給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理。
【專利說明】多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于多相流測(cè)量領(lǐng)域，具體涉及一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量方 法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] "濕氣"作為一種特殊的氣液流，廣泛存在于石油、化工、核能、制冷及冶金等工業(yè) 過程中，其流量及相參數(shù)的測(cè)量對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有十分重要的意義。濕氣包括三相濕氣流和 兩相濕氣流：例如，在天然氣開采過程中，地層中存在游離水以及重碳?xì)浠衔镌趬毫档?時(shí)冷凝形成凝析液，該凝析液為油水混合物。因此，在集輸管道中形成了油、氣、水三相濕 天然氣流；氣井單井氣液在線計(jì)量對(duì)氣田開發(fā)和生產(chǎn)管理都具有十分重要的意義。單井的 氣液流量是氣田開發(fā)地質(zhì)所需錄取的重要?dú)饩畡?dòng)態(tài)資料，是制定氣井生產(chǎn)計(jì)劃和操作要求 的依據(jù)之一，同時(shí)也是氣田管理人員和地質(zhì)研究人員了解氣田的氣藏分布、動(dòng)態(tài)特性、產(chǎn)能 結(jié)構(gòu)，進(jìn)行數(shù)值分析必需的基礎(chǔ)資料。再如，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的濕蒸汽屬于兩相濕氣（汽） 流的范疇，其準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于電站以及核動(dòng)力系統(tǒng)中蒸汽品質(zhì)監(jiān)測(cè)和汽輪機(jī)等裝置的安全經(jīng) 濟(jì)運(yùn)行具有重要意義，但是濕蒸汽測(cè)量存在著難度大、準(zhǔn)確度差、測(cè)量成本高等難點(diǎn)，目前 缺乏相關(guān)可直接測(cè)量?jī)上酀駳饬鞯膬x表，測(cè)量主要采用單相儀表，設(shè)法保持測(cè)量點(diǎn)處蒸汽 的干度以滿足要求，必要時(shí)還應(yīng)采取補(bǔ)償措施，實(shí)現(xiàn)濕蒸汽的測(cè)量。濕氣流屬于多相流，除 了具有多相流的一般流動(dòng)特點(diǎn)外，還具有其特殊性。由于其液相含量低（體積含液率低于 5%?10% )，導(dǎo)致其相對(duì)于普通多相流難以進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。鑒于濕氣測(cè)量的難點(diǎn)和重要 性，國(guó)內(nèi)外均開展了大量研究，提出了一些測(cè)量裝置和測(cè)量方法。
[0003] 目前，常用的濕氣測(cè)量方法是常規(guī)儀表的組合式測(cè)量方法，包括不同節(jié)流元件的 串聯(lián)組合，節(jié)流元件與電容傳感器、聲納傳感器、微波技術(shù)及渦街流量計(jì)的組合等。實(shí)用 新型專利86207384. 7公布了以孔板和文丘里管串聯(lián)組合進(jìn)行氣液流量測(cè)量的方法；專利 ZL200610099064提供了一種雙槽式孔板型混輸計(jì)量裝置；專利ZL200810153806. 9提出了 雙差壓節(jié)流的濕氣測(cè)量方法；專利ZL201210465443. 9提出了雙節(jié)流三差壓濕氣兩相流測(cè) 量系統(tǒng)；美國(guó)專利US 6898986 B2提出了采用兩個(gè)楔形節(jié)流元件與一個(gè)文丘里管組合的氣 液兩相流測(cè)量技術(shù)；專利ZL200720019466提出了基于電容傳感器與標(biāo)準(zhǔn)文丘里管的氣液 兩相流量測(cè)量裝置；美國(guó)專利US 7654155 B2提出了聲納和文丘里管結(jié)合的濕氣測(cè)量方 法。專利ZL200710150184發(fā)明了一種基于改進(jìn)型的狹縫文丘里節(jié)流裝置的氣液兩相流測(cè) 量系統(tǒng)。但是，這些測(cè)量方法及裝置只能夠進(jìn)行氣液兩相流測(cè)量，而當(dāng)濕氣中含有油、氣、水 三相時(shí)，則無法區(qū)分油相和水相的相參數(shù)。
[0004] 專利ZL201110048192公布了一種基于單截面阻抗式長(zhǎng)腰內(nèi)錐傳感器的多相流測(cè) 量方法，該方法根據(jù)連續(xù)相是否導(dǎo)電選擇相應(yīng)的電學(xué)方法計(jì)算各相截面含率，然后結(jié)合單 節(jié)流元件雙差壓測(cè)量模型進(jìn)行多相流過程參數(shù)的測(cè)量。為克服專利ZL201110048192易受 多相流連續(xù)相是否導(dǎo)電的影響的不足，專利ZL201110048160公布了一種基于雙截面阻抗 式長(zhǎng)腰內(nèi)錐傳感器的多相流測(cè)量方法。以上兩個(gè)專利測(cè)量過程均受混合流體的介電常數(shù)影 響較大，因此需要進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償。這兩種方法均能進(jìn)行油、氣、水三相的測(cè)量，但是由 于這兩個(gè)專利是用來測(cè)量普通多相流的，當(dāng)用以測(cè)量多相濕氣流時(shí)，液相的相對(duì)偏差會(huì)急 劇增大。
[0005] 美國(guó)專利US 7293471 B2公布了 一種基于含水率測(cè)量裝置和雙差壓測(cè)量裝置的三 相濕氣流測(cè)量方法及裝置，用于測(cè)量三相濕氣流的流量和相含率等過程參數(shù)。該方法的含 水率測(cè)量采用Y射線或者微波傳感器，使得安全性得不到保障，并且成本較高。
[0006] 專利ZL 201210190815. 1公布了一種氣液兩相流氣相流量在線測(cè)量方法及裝置， 該專利基于單節(jié)流元件，通過測(cè)量單個(gè)差壓，建立測(cè)量方程來測(cè)量氣相流量，但是該發(fā)明專 利只用于測(cè)量氣液混合物中的氣相流量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服上述不足，提供一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量方 法及裝置，進(jìn)行三相濕氣流（油、氣、水三相）或兩相濕氣流（氣（汽）、液兩相）的在線測(cè) 量。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明包括兩相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)，兩相濕氣流在線 測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和圓柱狀V錐節(jié)流裝置，V錐節(jié)流裝置的內(nèi)腔中沿濕氣流 流動(dòng)方向依次設(shè)置有節(jié)流錐體和溫度傳感器，節(jié)流錐體通過取壓管道連接有收縮段差壓傳 感器和擴(kuò)張段差壓傳感器，收縮段差壓傳感器的另一條取壓管道連接節(jié)流錐體的上游以及 壓力傳感器，擴(kuò)張段差壓傳感器的另一條取壓管道連接節(jié)流錐體的下游，壓力傳感器、收縮 段差壓傳感器、擴(kuò)張段差壓傳感器和溫度傳感器均連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0009] 本發(fā)明還包括三相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)，三相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)包括 在V錐節(jié)流裝置的濕氣流入口通過法蘭連接電容探針裝置，電容探針裝置包括置于與V錐 節(jié)流裝置連接的腔體中的電容探針和電極探針，電容探針和電極探針均連接電容信號(hào)處理 模塊，電容信號(hào)處理模塊連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
[0010] 三相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)的測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟一：由壓力傳感器及溫度傳感器測(cè)得濕氣的壓力P和溫度T，根據(jù)已知的濕氣 氣相和油相的組分，計(jì)算得到油、氣、水三相的密度P。、P g、Pw&粘度；
[0012] 步驟二：濕氣中的水相包覆在電容探針表面形成電容信號(hào)C，通過電容信號(hào)處理 模塊中的電容電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V，然后轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)I輸出，經(jīng)過數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)，輸出濕氣含水率a w ;
[0013] 其中，
[0014] α w+ α 〇+ αg = 1
[0015] 式中，α。、ag分別為油和氣相的相含率，則液相混合密度為：
[0016]

【權(quán)利要求】
1. 一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量裝置，其特征在于：包括兩相濕氣流在線測(cè) 量實(shí)施系統(tǒng)，兩相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（12)和圓柱狀V錐節(jié)流裝置 (2)，V錐節(jié)流裝置（2)的內(nèi)腔中沿濕氣流流動(dòng)方向依次設(shè)置有節(jié)流錐體（7)和溫度傳感器 (11)，節(jié)流錐體（7)通過取壓管道連接有收縮段差壓傳感器（9)和擴(kuò)張段差壓傳感器（10)， 收縮段差壓傳感器（9)的另一條取壓管道連接節(jié)流錐體（7)的上游以及壓力傳感器（8)，擴(kuò) 張段差壓傳感器（10)的另一條取壓管道連接節(jié)流錐體（7)的下游，壓力傳感器（8)、收縮段 差壓傳感器（9)、擴(kuò)張段差壓傳感器（10)和溫度傳感器（11)均連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（12)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量裝置，其特征在于： 還包括三相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)，三相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)包括在V錐節(jié)流裝置 (2)的濕氣流入口通過法蘭（3)連接電容探針裝置（1)，電容探針裝置⑴包括置于與V錐 節(jié)流裝置⑵連接的腔體中的電容探針⑷和電極探針（5)，電容探針⑷和電極探針（5) 均連接電容信號(hào)處理模塊（6)，電容信號(hào)處理模塊（6)連接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)（12)。
3. 權(quán)利要求2所述的一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征 在于：三相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)的測(cè)量方法包括以下步驟： 步驟一：由壓力傳感器（8)及溫度傳感器（11)測(cè)得濕氣的壓力P和溫度T，根據(jù)已知 的濕氣氣相和油相的組分，計(jì)算得到油、氣、水三相的密度P。、Pg、Pw及粘度； 步驟二：濕氣中的水相包覆在電容探針（4)表面形成電容信號(hào)C，通過電容信號(hào)處理模 塊（6)中的電容電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)V，然后轉(zhuǎn)化成標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)I輸出，經(jīng)過數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)（12)，輸出濕氣含水率aw; 其中， aW+a 〇+ag= 1 式中，a。、ag分別為油相和氣相的相含率，則液相混合密度為：
步驟三：定義V錐節(jié)流裝置的兩相質(zhì)量流量系數(shù)為
，其中，1118和 Hi1分別為氣、液相質(zhì)量流量，IH1 =mw+m。，mw和m。分別為濕氣中水和油相的質(zhì)量流量；
為濕氣差壓對(duì)應(yīng)的表觀濕氣流量，其中，At為V錐節(jié)流裝置（2)的 喉部流通截面積，Pg為氣相密度，PSV錐節(jié)流裝置（2)的節(jié)流比，
A為V錐 節(jié)流裝置（2)的入口截面積，
；D為節(jié)流裝置內(nèi)徑； 步驟四：根據(jù)洛克哈特-馬蒂內(nèi)利參數(shù)Xui的定義式_
與收縮段兩相質(zhì) 量流量系數(shù)的定義式
，建立濕氣測(cè)量模型
?式中， mapparat;1為收縮段差壓AP1對(duì)應(yīng)的表觀濕氣流量； 步驟五：差壓傳感器測(cè)得的收縮段的差壓AP1，所對(duì)應(yīng)的兩相質(zhì)量流量系數(shù)為K1, 通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到K1與Xui、氣體密度弗魯?shù)聰?shù)Frg及氣液密度比的擬合關(guān)聯(lián)式，即， ^
，其中，氣體密度弗魯?shù)聰?shù)
g為重 力加速度； 步驟六：差壓傳感器測(cè)得擴(kuò)張段的差壓AP2，所對(duì)應(yīng)的兩相質(zhì)量流量系數(shù)為K2,
，K1和K2之差與XwFrg及Pg/Pi滿足以下的關(guān)聯(lián)式，即，
由此可建立雙差壓AP1和AP2與各相流量及相含 率參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，
步驟七：聯(lián)立HlpK1的表達(dá)式和
，再結(jié)合 電容探針測(cè)得的含水率Qw，通過迭代，得到油、氣、水流量111。、1118、1111?及相含率〇。、〇8、〇1?。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其 特征在于：所述
I過以下步驟得出： 濕氣流經(jīng)V錐節(jié)流裝置（2)時(shí)的差壓為AP，所對(duì)應(yīng)的表觀濕氣質(zhì)量流量Hiapparent為：
式中，A為V錐節(jié)流裝置的入口截面積，
^，D為節(jié)流裝置內(nèi)徑；PSV錐節(jié)流 裝置的節(jié)流比
，At為V錐節(jié)流裝置的喉部流通截面積；Pg為氣相密度； 定義V錐節(jié)流裝置的兩相質(zhì)量流量系數(shù)K為：
式中，m為濕氣的真實(shí)流量，為濕氣中氣相質(zhì)量流量mg和液相質(zhì)量流量Hi1之和； 濕氣測(cè)量中一般用洛克哈特-馬蒂內(nèi)利（Lockhart-Martinelli，L-M)參數(shù)，Xui，來表 征液相相對(duì)含率的大小，其定義為濕氣中的液相單獨(dú)流過管道時(shí)的慣性力與氣相單獨(dú)流過 管道內(nèi)時(shí)的慣性力比值的平方根，Xui的表達(dá)式為式（3):
式中，Pi為液相密度；X為質(zhì)量含氣率，x=mg/m;ag、ai分別為氣、液相含率； 由式（1)?（3)可得基于兩相質(zhì)量流量系數(shù)的濕氣測(cè)量模型：
測(cè)得濕氣流經(jīng)V錐節(jié)流裝置時(shí)的收縮段差壓AP1，由式（2)得到其對(duì)應(yīng)的兩相質(zhì)量流 量系數(shù)K1 ;研究表明，K1主要受Xui、氣體密度弗魯?shù)聰?shù)Frg及氣液密度比的影響，即
其中，氣體密度弗魯?shù)聰?shù)
式中，g為重力加速度； 收縮段差壓AP1和擴(kuò)張段的差壓AP2，所對(duì)應(yīng)的兩相質(zhì)量流量系數(shù)K1和K2隨Xui參數(shù) 變化特性不同，其他條件相同時(shí)，K2大于K1，該差異特性可表示為
濕氣的質(zhì)量含氣率X與O具有單調(diào)遞減關(guān)系，并且受氣液密度比和氣體密度弗魯?shù)聰?shù)Frg的影響，即，
由式⑶和（6)，可將式⑶變?yōu)椋?br> 又 〇 =K2-K1 =f(AP1,AP2) (10) 可建立雙差壓AP1和AP2與過程參數(shù)的關(guān)系式：
對(duì)于三相濕氣流，式（11)變?yōu)椋?br> 5.權(quán)利要求1所述的一種多相濕氣流流量與相含率在線測(cè)量裝置的測(cè)量方法，其特征 在于：兩相濕氣流在線測(cè)量實(shí)施系統(tǒng)的測(cè)量方法包括以下步驟： 步驟一：由壓力傳感器（8)及溫度傳感器（11)測(cè)得濕氣的壓力P和溫度T，根據(jù)已知 的濕氣氣相和液相的組分，計(jì)算得到氣、液的密度Pg、Pi及粘度； 步驟二：將差壓傳感器測(cè)得的收縮段的差壓AP1代入方程：
得到收縮段差壓對(duì)應(yīng)的表觀濕氣流量Hiappara^1;其中esv錐節(jié)流裝置⑵的節(jié)流比，
A為V錐節(jié)流裝置（2)的入口截面積，IID為節(jié)流裝置內(nèi)徑；根據(jù)
洛克哈特-馬蒂內(nèi)利參數(shù)Xui的定義式，
與兩相質(zhì)量流量系數(shù)的定義式，
，建立濕氣測(cè)量模型：
式中，At為V錐節(jié)流裝置（2)的喉部流通截面積；Pg、P1分別為氣、液相相密度；mg、mi 分別為氣液相質(zhì)量流量； 步驟三：通過實(shí)驗(yàn)獲得兩相質(zhì)量流量系數(shù)K1與Xui、氣體密度弗魯?shù)聰?shù)Frg及氣液密度 比的擬合關(guān)聯(lián)式，即，
式中，氣體密度弗魯?shù)聰?shù)
g為重力加速度； 步驟四：同理，根據(jù)V錐節(jié)流裝置擴(kuò)張段差壓AP2可得到擴(kuò)張段差壓對(duì)應(yīng)的表觀濕氣 AlL JHL niaririarprit.- 2 ?
結(jié)合擴(kuò)張段的兩相質(zhì)量流量系數(shù)K2可得氣體質(zhì)量流量方程：
通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，獲得K2與XM、Frg及氣液密度比的擬合關(guān)聯(lián)式，即
步驟五：建立兩相質(zhì)量流量系數(shù)I、K2與XM、Frg及氣液密度比的關(guān)聯(lián)式，
根據(jù)權(quán)利3,可建立雙差壓AP1和AP2與各相流量 及相含率參數(shù)的關(guān)聯(lián)式，即，
步驟六：將_
K1或K2的方程代入到
中，通過迭代，得到氣、液相質(zhì)量流量 mg、mi及氣、液相相含率ag、ai。
【文檔編號(hào)】G01N33/00GK104266702SQ201410461930
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月11日
【發(fā)明者】白博峰, 賀登輝 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)