基於單截面阻抗式長腰內錐傳感器的多相流測量方法
2023-06-10 23:46:26
專利名稱：基於單截面阻抗式長腰內錐傳感器的多相流測量方法
技術領域：
本發明屬於流體測量技術領域，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，用於確定連續相為導電相或者非導電相的多相流各相組分含率、流速及流量 等參數。本發明以油/氣/水多相流測量為描述對象，但並不僅限於該應用，在其他工業過 程和化學反應中本發明的測量方法仍適用。
背景技術：
多相流通常指同時存在兩種或兩種以上物質的流動，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。管路內多相流經常出現在動 力、核能、化工、石油、製冷、冶金、管道輸送、宇航、醫藥、食品等現代工程領域與設備中，如 不實現對其流動過程參數的準確測量就無法保證有關設備的可靠設計和安全運行。多相流 在自然界和工業過程中存在的廣泛性和應用的重要性使其在國民經濟和日常生活中佔有 十分重要的地位。隨著動力工業及石化工業迅速發展，以及對環境保護的日益重視，促使多 相流領域研究工作迅速發展，目前已成為國內外給予極大關注的前沿學科。由於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複雜，特徵參數也比單相流多。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法、容積法、 節流法、渦輪式檢測法、雷射都卜勒法、PIV粒子成像測速法、熱線熱膜風速儀、過程層析成 像技術、核磁共振法以及科裡奧利法等，這幾種方法應用範圍廣泛，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的物性參數和工藝參數為函數的相含率計算式；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，一般採用測量裝置直接測量法確定相含率。應用傳統的單相流測量儀表與兩相流輔助參數測量手段相結合是解決管道內多 相流過程參數測量間題的一種主要思路。差壓式流量計，如孔板、文丘裡管、噴嘴和內錐式 流量計等，是目前應用最多的一種工業在線流量測量儀表，在多相流過程參數測量領域的 研究也比較普遍。其中內錐式流量計將流體節流收縮到管道中心軸線附近的概念從根本上 改變為利用同軸安裝在管道中心的錐體將流體逐漸節流收縮到管道內壁，通過測量錐體前 後差壓確定流體流量。內錐流量計能在更短的直管段條件下，以更寬的量程比對潔淨或髒 汙流體實現更準確、更有效的流量測量，但是其自身結構特點也存在一些缺點在錐體尾部 存在漩渦區造成此處取壓信號存在脈動，使測量精度和重複性降低，且整體壓損較大，如根 據多相流的流動特徵對內錐式流量計做結構變形，如內文丘裡管、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定性。基於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，通過測量管道內流體的電學參數(電阻抗、介電常數等) 變化實現多相流各相組分含率的測量，該方法根據測量參數的不同而分為電容式、電導式等模態。如果採用多模態傳感器與多工作模式(激勵測量策略)組合方法，利用各模態的測 量優勢，通過組合優化可實現多相流過程參數的綜合提取，及流動信息的全面準確地獲得。專利CN99257650. 4、CN200420093532. 6、CN200420061026. 9 分別公布了一種用於 節流裝置的異型文丘裡管、紡錘體流量計、梭式流量計，均為克服內錐流量計一些不足而設 計的。異型文丘裡管相對內錐流量計在腰部，增加等直徑段，形成環形流通空間，有助於改 善流出係數的穩定性，但是將動能轉化為勢能的出口圓錐形擴散段短而角度大，流體通過 錐體後分離而產生漩渦，永久壓損相對內錐流量計並無明顯改善。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別紡錘體流量計的節流件是流線型的紡錘體，而梭 式流量計的節流件是由前錐體、中間等直徑段體和後錐體組成的梭形體，節流件沿管道軸 線安裝，中間具有一段足夠長的等直徑段，與管道內壁之間形成均勻的環形通道。這兩種變 形體在流出係數穩定性，抗擾流性及低壓損性均優於內錐流量計，但是節流件過長G倍於 管道內徑)，在管徑較大時顯得比較笨重，並且測量多相流過程參數相對單一，需要配合其 他流量計才能完成過程參數的測量。專利CN86207384、CN200810151346. 6, CN03234526. 7 分別公布了文丘裡管節流裝
置與孔板節流裝置組合、內錐節流裝置與文丘裡管節流裝置組合、雙內錐節流裝置組合及 英國Solartron公司提出的「混合器+雙文丘裡管」溼氣測量裝置，採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流裝置組合測量氣液兩相流過程參數。利用均 相流模型，對不同流量係數的節流裝置上得到的差壓信號進行處理，獲得氣相質量含率，然 後由混合流體總的質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。該組合方法只適用於測量混合較均勻的兩相流體，並且兩個節流裝置組裝在 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等公布了採用過程層析成像技術測量多相流過程參數。過程層析成像 由獲取被測物場信息的敏感器空間陣列、數據採集與處理單元、圖像重建與物場參數提取 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建立敏感場，通過數據採集 及處理單元對反映不同敏感區域內被檢測物場介質分布的信號進行採集和處理，然後使用 圖像算法重建出反映介質分布的圖像，在此基礎上採用一定的信息處理方法提取所需的參 數。然而層析成像技術在實時性、測量精度和圖像質量等方面尚未滿足工業應用的要求，且 多相流的快速變化特性與層析成像圖像重建算法的複雜性衝突，可能會導致計算結果存在 較大誤差。
發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術存在的不足，提供兩種針對不同性質連續相進 行測量的多相流過程參數測量方法，兩種測量方法分別根據各傳感器自身特點實現傳感器 間的信號互補及冗餘，實現測量最優化的多相流測量方法。本發明提出的兩種測量方法，將 一種長腰內錐節流裝置與一種單截面電學敏感傳感器相組合，不對測量流體進行預分離或 混合，實現連續相是導電相或者是非導電相的多相流過程參數，如分相含率(截面相含率、質量相含率)、分相流速、體積流量和質量流量的準確測量。本發明的技術方案如下一種用於連續相為非導電相的基於單截面阻抗式長腰內錐傳感器的多相流測量 方法，採用的傳感器包括錐體節流件、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，所述的錐體節流件為一種長腰內錐節流裝置，由前段圓錐體、作為錐體腰部的中 段柱狀體、後段圓錐體三段構成，通過支架同軸固定於管道中心，與管道的管壁形成環形流 通空間；所述的收縮壓降差壓變送器的兩個取壓孔，一個設置在錐體節流件上遊處，另一個 設置在環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置在錐 體節流件上遊和下遊壓力恢復處；所述的電學敏感傳感器包括一組分布在環形流通空間且 處於管道相同截面位置的電極，該組電極由一個或一個以上的內電極和一個或一個以上的 外電極構成，內電極為錐體節流件或固定在錐體腰部表面的電極，外電極固定在管道內壁； 當選通內電極中的一個和外電極中的一個作為一個電極對時，選通的這兩個電極，一個為 激勵電極和測量電極，一個為接地電極，該測量方法包括下列步驟1)採集由錐體節流件產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採集電信號；3)按照下面的單節流件的雙差壓模型，得到總質量流量、各相質量流量、各相質量 含率與相含率之間的關係式a.根據公式
權利要求
1. 一種基於單截面阻抗式長腰內錐傳感器的多相流測量方法，用於連續相為非導電 相的多相流測量，採用的傳感器包括錐體節流件、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，所述的錐體節流件為一種長腰內錐節流裝置，由前段圓錐體、作為錐 體腰部的中段柱狀體、後段圓錐體三段構成，通過支架同軸固定於管道中心，與管道的管壁 形成環形流通空間；所述的收縮壓降差壓變送器的兩個取壓孔，一個設置在錐體節流件上 遊處，另一個設置在環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 分別設置在錐體節流件上遊和下遊壓力恢復處；所述的電學敏感傳感器包括一組分布在環 形流通空間且處於管道相同截面位置的電極，該組電極由一個或一個以上的內電極和一個 或一個以上的外電極構成，內電極為錐體節流件本身或固定在錐體腰部表面的電極，外電 極固定在管道內壁；當選通內電極中的一個和外電極中的一個作為一個電極對時，選通的 這兩個電極，一個為激勵電極和測量電極，一個為接地電極，該測量方法包括下列步驟1)採集由錐體節流件產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採集電信號；3)按照下面的單節流件的雙差壓模型，得到總質量流量、各相質量流量、各相質量含率 與相含率之間的關係式a.根據公式
2. 一種基於單截面阻抗式長腰內錐傳感器的多相流測量方法，用於連續相為導電相的 多相流測量，採用的傳感器包括錐體節流件、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，所述的錐體節流件為一種長腰內錐節流裝置，由前段圓錐體、作為錐體腰 部的中段柱狀體、後段圓錐體三段構成，通過支架同軸固定於管道中心，與管道的管壁形成 環形流通空間；所述的收縮壓降差壓變送器的兩個取壓孔，一個設置在錐體節流件上遊處， 另一個設置在環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 置在錐體節流件上遊和下遊壓力恢復處；所述的電學敏感傳感器包括一組分布在環形流通 空間且處於管道相同截面位置的電極，該組電極由一個或一個以上的內電極和一個或一個 以上的外電極構成，內電極為錐體節流件本身或固定在錐體腰部表面的電極，外電極固定 在管道內壁；當選通內電極中的一個和外電極中的一個作為一個電極對時，選通的這兩個 電極，一個為激勵電極和測量電極，一個為接地電極，該測量方法包括下列步驟1)採集由錐體節流件產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採集電信號；3)按照下面的單節流件的雙差壓模型，得到總質量流量、各相質量流量、各相質量含率 與相含率之間的關係式e.根據公式
全文摘要
本發明屬於流體測量技術領域，涉及基於單截面阻抗式長腰內錐傳感器的多相流測量方法，採用的傳感器包括錐體節流件、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。本發明根據連續相的性質不同，提出兩種具有同樣發明構思的測量方法，包括下列步驟採集由錐體節流件產生的兩對差壓信號；利用電學敏感傳感器採集電信號；按照單節流件的雙差壓模型，計算總質量流量、各相質量流量及各相質量含率；根據連續相是否導電選擇相應的電學方法計算各相截面含率；選取相應的計算模型，計算油氣水三相流的過程參數。本發明具有測量精度高、可靠性高、可獲取測量信息多、成本低等特點，可廣泛應用於石油、化工、能源動力、冶金等行業。
文檔編號G01N27/60GK102147385SQ20111004819
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者於雪連, 董峰, 譚超, 魏燦 申請人:天津大學