管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法

2023-08-22 14:05:01

管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法
【專利摘要】一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法，該裝置主要由管道、旋流器、內管、前隔板、後隔板、消旋器、常規小型分離器以及氣體和液體流量計組成；其方法通過採用管內相分隔技術，配合離心和重力分離作用，經多個分離步驟完成氣液兩相流體在管道內的完全分離，最後分別使用氣體和液體流量計測量出各相流量。通過本發明可以大幅度縮小分離法類氣液兩相流測量裝置的體積，改善測量的實時性，並能顯著降低製造成本，便於在工程上廣泛應用。
【專利說明】管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於流量測量【技術領域】，具體涉及一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法。

【背景技術】
[0002]本發明中的「相」是指多相流體中物理性質相同的各部分，如氣相、液相、油相、水相等。其中氣相和液相既可以是單組份物質，也可以是多組分物質的均勻混合體，如空氣，原油等。管內相分隔是指把各相分別匯聚隔離到管道內一個特定區域，以便最終實現完全分離的過程。在兩相流測量技術中，分離法仍然是目前最可靠和精度最高的技術。因為這種方法是把氣液兩相流體分離成單相氣體和液體後，再分別用單相流量計測量各相流量，實際上等於把多相流計量轉化成了單相流計量，因而能夠避免流型變化和流動不穩定等因素對測量的影響，同時也就免除了建立專門的多相流標定系統以及相應的量值傳遞體系的浩澈工程。如美國專利 US4688418 「Method and apparatus for determing mass flowrate and quality in a steam line」，公開了一種使用旋風分離器的蒸汽流量幹度測量系統。但這類方法的最大缺點是設備龐大、造價高、自動控制系統複雜，且測量的實時性差。這些缺點嚴重限制了它在工程上的廣泛應用。為了縮小分離器的體積，改善測量特性，人們進行了很多嘗試，如美國專利 US6128962 「Three-phase fluid flow measurement systemand method」，公開了一種使用小型分離器的三相流測量裝置。這種方法也稱為部分分離法(partial separat1n),從中可以看出，分離器的尺寸的確縮小了，但是卻犧牲了分離效率，不能將三相流徹底分離成單相流，因而影響了測量精度，為此而必須增加一些修正手段。美國專利 US539O5^:7 「Multiphase flow separat1n and measurement system」和US7311001 「Multip hase flow measurement apparatus and method，，分別公開了一種多相流測量裝置，試圖不用專門的分離設備，僅利用多相流體管道本身構成一種分離系統。從表面上看，該系統的確省掉了傳統的分離器，但是由於所採用的管道直徑和長度尺寸都非常大，而且也使用了外置式旋風分離方式，因此實質上它與傳統的分離法並沒有實質的區另O。中國專利ZL98113068.2公開了一種分流分相式測量方法。通過採用成比例的分流手段，使實際進入分離器的流量大為減少，從而成倍降低了所需分離器的體積。但在使用中會遇到一個困難，當兩相流中的液相或氣相的流量很小(高含氣率或低含氣率)時，由於經過了分流，因而從分離器流出的液相或氣相流量就更小，以至於低於現有最小流量計的測量下限，導致測量困難，甚至無法計量。


【發明內容】

[0003]為了克服上述現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法，通過採用管內相分隔技術，配合離心和重力分離作用，經過多個分離步驟完成氣液兩相流體在管道內的完全分離，從而大幅度縮小分離法類氣液兩相流測量裝置的體積，改善測量的實時性，並顯著降低製造成本，以便於在工程上廣泛應用。
[0004]為了更好地闡明本發明的技術方案，下面先簡要分析一下氣液兩相流在低含氣率(體積含氣率小於20%?70%)時在管內的流動形態(流型)。
[0005]液體02以連續態的形式分布在管道2內，對於水平管道，氣體以不連續的氣泡3飄浮在管道2的上部。而當管道2垂直放置時，由於受力對稱，氣泡3會相對均勻地分散在管道2內。如果提高流速，氣泡的尺寸會變小，但兩相流體始終都不會混合均勻，即氣體永遠不會破碎成極小的氣泡均勻地分散於液體中，形成一種均相流體；相反，在流動過程中兩相流體之間總存在一種較強的自發分離趨勢:小氣泡會合併成大氣泡,氣體和液體均會自發地分別向特定的區域匯集。但是另一方面，在流動過程中氣相和液相之間確實也會相互混合，造成已經聚合成的大氣泡隨時會被液體打散。流速越高，氣液之間的密度差越小，這種混合作用就越明顯。事實上在整個流動過程中分離和混合總是相伴在一起，它們會在不同的條件下達到不同的動態平衡。在傳統分離器中，主要是利用離心力將氣體聚合到分離筒中心，然後再利用重力將其最後分離。為了避免液流重新捲走已聚合的氣體(二次攜帶)，一般在設計上都會嚴格控制分離筒內的軸向流速。只要軸向流速足夠低，這種二次攜帶就十分微弱。根據設計經驗，這一臨界流速為0.01米/秒?0.4米/秒，遠低於氣液兩相流體在管道內的正常流速。因此分離器的直徑一般總比與之相連的管道直徑大好幾倍。這就是分離器尺寸難以減小的主要原因。
[0006]從上述分析可以看出，分離和混合是同時存在的一對矛盾，兩者始終處於一種動態平衡中。如果能在這一動態過程中及時將已經分離出來的氣泡與液流隔離，那麼平衡就會不斷朝著分離的方向發展，直至將液流中所有的氣體都分離乾淨。因此像傳統分離器那樣，為了避免二次攜帶而一味增大分離筒的直徑(來降低軸向流速)，只是實現氣液分離的一種有效方法，但並不是唯一的方法，也絕不是一個必要條件，況且根據離心加速度的公式(a = V2/R, V為切向流速，R為分離筒的半徑)，增大分離筒半徑R也會同時降低離心加速度，直接影響分離效果，所以，傳統分離法並不能算是最佳的分離方法。事實上只要能促使分離與混合之間的動態平衡不斷朝著分離的方向發展，氣液兩相流體在管道內也是能夠實現完全分離的，而且由於直徑小，離心力會更大，因而也更有利於強化分離作用。本發明就是依照這一思路而形成的。
[0007]本發明採用如下技術方案:
[0008]一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，包括管道2，所述管道2分為通過三通9相連通的入口段2a和出口段2b，入口段2a垂直安裝，出口段2b則水平安裝；所述入口段2a進口處的內壁上安裝有旋流器16a，內管12通過前隔板53a和後隔板53b固定在管道入口段2a和三通9的內壁上，內管12的外壁與管道2的入口段2a的內壁之間形成一個夾層空間14 ;所述出口段2b上依次安裝有消旋器52、液體流量計56和阻力調節件53 ;三通9的另一個垂直支管與常規小型分離器45相連通，常規小型分離器45的頂部有一出口與回氣管46相連通，回氣管46上安裝有氣體流量計54，回氣管46出口與管道2的出口段2b相連通；所述內管12為一圓管，管壁上沒有任何貫穿孔和割縫；所述的前隔板53a為一環形板，其內緣與內管12相連，外緣與入口段2a的內壁相連，環形板上分布有流體通孔；所述的後隔板53b為圓錐管，側面開有均勻分布的通孔。
[0009]所述前隔板53a上的流體通孔為圓孔、方孔或不規則形狀的通孔。
[0010]所述後隔板53b側面開的通孔的開孔率不超過10%。
[0011]所述旋流器16a由4?8片螺旋葉片組成，其葉片高度小於管道2的入口段2a半徑的0.6倍，沒有中心軸，直接固定在入口段2a的內壁上。
[0012]所述消旋器52為一組與管道2的出口段2b的軸線平行布置的平板，這些平板將出口段2b的內部空間分隔成若干流通面積相等或分布對稱的小流道。
[0013]所述阻力調節件53為孔板、噴嘴或閥門。
[0014]所述常規小型分離器45的下部安裝有液位計58a、均氣板42和渦輪葉片43，上部安裝有波形板組件44。
[0015]上述所述的管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法:當低含氣率氣液兩相流體從管道2的入口段2a流過旋流器16a時，分散於液體02中的氣泡3在離心力的作用下被驅趕到入口段2a的中心線附近，並立即合併成一個氣柱03，在慣性和浮力作用下氣柱03和一部分液體進入內管12內，而絕大部分液體則被排擠在內管12以夕卜，這部分液體稱為液體主流；氣柱03在內管12內上升一段距離後，由於旋轉的衰減，又重新離散成氣泡，接著在浮力作用下從液體中脫離出來，上升進入常規小型分離器45 ;在常規小型分離器45中脫溼後，氣體從其頂部流入回氣管46中，經過氣體流量計54計量後進入管道2的出口段2b中，重新與液體匯合；而伴隨氣柱03 —起進入內管12的那部分液體，由於重力的作用，其上升速度很快會衰減為零，隨後沿著內管12的內壁向下流動，重新與液體主流匯合，結果就會在內管12的上部形成一個自由液面04 ;未進入內管的液體主流通過前分隔板53a上的通孔進入夾層空間14向上流動，然後在三通9內轉向管道2的出口段2b ;與此同時，從分離器45中被分離出來的液體，也在重力作用下落入自由液面04內，然後從後隔板53b上的通孔併入液體主流內，一同經過消旋器52整流和液體流量計56計量後，流過阻力調節件53，然後與從回氣管46流出的幹氣匯合，流出測量裝置。
[0016]和現有技術相比較，本發明具有如下優點:
[0017]本發明共分三步完成氣液兩相流體在管道內的完全分離。第一步，通過施加適當的離心力把氣泡3驅趕到管道中心線附近並與液體主流相隔離；第二步，依靠浮力和重力作用使氣泡從液體中脫離出來；第三步，把氣泡中的少量水分分離出去並返回到液體主流中。在氣液兩相流體實現完全分離後就可以分別用單相流量計測量氣體和液體的流量。
[0018]為完成上述分離過程，本發明採用的主要隔離裝置包括:管道，設置於管道內的內管，以及用於固定內管的前後隔板。採用的強化分離元件包括:旋流器，以及利用重力分離的垂直布置的入口段、內管和後隔板。這些元件既可以把氣流中的氣泡驅趕到管道中心，同時所產生的離心力也有助於實現相分隔。為了更有效地實現相分隔，分隔過程中需要少量的液體伴隨氣泡和氣柱一起進入氣體的匯集區。這些液體的加入既是不可避免的，同時也可以提高整個分離系統的效率。但是為了完成氣液兩相流體在管內的完全分離，最後還必須要把這些液體從所伴隨的氣體中分離出去，並返回到液體主流中去。由於它們的量相對較少，並且在流動過程中大部分能依靠重力被分離出去，本發明只設置了一個直徑小於或等於管道直徑的小型常規分離器，以及與之相連通的液體返回通道。最後，完成氣體和液體流量測量裝置包括一個氣體和一個液體流量計，消旋器以及液位測量和調節裝置。
[0019]總之，本發明通過採用管內相分隔技術，配合離心和重力分離作用，經過多個分離步驟完成氣液兩相流體在管道內的完全分離，從而大幅度縮小分離法類氣液兩相流測量裝置的體積，改善測量的實時性，並顯著降低製造成本，以便於在工程上廣泛應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是低含氣率(體積含氣率小於20-70% )時氣液兩相流體在水平管道和垂直管道內的流型示意圖；其中:圖1A為水平管道的橫截面圖，圖1B為垂直管道視圖。
[0021]圖2是本發明的氣液兩相流體的流量測量裝置的結構示意圖，其中箭頭:彳標示表示流體的流動方向。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作更詳細的說明。
[0023]附圖1是根據目前兩相流的研究結果，如Mandhane流型圖，繪製的氣液兩相流體在低含氣率(體積含氣率小於20-70%)時氣液兩相流體在水平管和垂直管內的流型示意圖。此時液體02以連續態的形式分布在管道2內(圖中深色部分)，氣體以不連續的氣泡3飄浮在管道2的上部。當管道2垂直放置時，由於受力對稱，氣泡3會較均勻地分散在管道2內。
[0024]如圖2所示，本發明一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，包括管道2，所述管道2分為通過三通9相連通的入口段2a和出口段2b，入口段2a垂直安裝，出口段2b則水平安裝；所述入口段2a進口處內壁上安裝有旋流器16a，內管12通過前隔板53a和後隔板53b固定在管道2和三通9的內壁上；內管12的外壁與管道2的入口段2a的內壁之間形成一個夾層空間14 ;所述出口段2b上依次安裝有消旋器52、液體流量計56和阻力調節件53 ;三通9的另一個垂直支管與常規小型分離器45相連通，常規小型分離器45的頂部有一出口與回氣管46相連通，回氣管46上安裝有氣體流量計54，回氣管46出口與管道2的出口段2b相連通；所述內管12為一圓管，管壁上沒有任何貫穿孔和割縫；所述的前隔板53a為一環形板，其內緣與內管12相連，外緣與入口段2a的內壁相連，環形板上分布有流體通孔；所述的後隔板53b為圓錐管，側面開有均勻分布的通孔。
[0025]作為本發明的優選實施方式，所述前隔板53a上的流體通孔為圓孔、方孔或不規則形狀的通孔。
[0026]作為本發明的優選實施方式，所述後隔板53b側面開的通孔的開孔率不超過10%。
[0027]作為本發明的優選實施方式，所述旋流器16a由4?8片螺旋葉片組成，其葉片高度小於管道2的入口段2a半徑的0.6倍，沒有中心軸，直接固定在入口段2a的內壁上，以便氣泡能以最小的阻力從中流過，同時也可以避免因離心力過大把液體中某些輕組分驅趕到管道中心，進而進入內管12內，最後飄浮在內管12的上部形成死液。
[0028]作為本發明的優選實施方式，所述消旋器52為一組與管道2的出口段2b的軸線平行布置的平板，這些平板將出口段2b的內部空間分隔成若干流通面積相等或分布對稱的小流道。
[0029]作為本發明的優選實施方式，所述阻力調節件53為孔板、噴嘴或閥門。阻力調節件53用於平衡液體和氣體在分開流動過程中的阻力，控制自由液面04的高低。
[0030]作為本發明的優選實施方式，所述常規小型分離器45的下部安裝有液位計58a、均氣板42和渦輪葉片43，上部安裝有波形板組件44。
[0031]上述所述的管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法:當低含氣率氣液兩相流體從管道2的入口段2a流過旋流器16a時，分散於液體02中的氣泡3在離心力的作用下被驅趕到入口段2a的中心線附近，並立即合併成一個氣柱03，在慣性和浮力作用下氣柱03和一部分液體進入內管12內，而絕大部分液體則被排擠在內管12以夕卜，這部分液體稱為液體主流；氣柱03在內管12內上升一段距離後，由於旋轉的衰減，又重新離散成氣泡，接著在浮力作用下從液體中脫離出來，上升進入常規小型分離器45;在常規小型分離器45中脫溼後，氣體從其頂部流入回氣管46中，經過氣體流量計54計量後進入管道2的出口段2b中，重新與液體匯合；而伴隨氣柱03 —起進入內管12的那部分液體，由於重力的作用，其上升速度很快會衰減為零，隨後沿著內管12的內壁向下流動，重新與液體主流匯合，結果就會在內管12的上部或分離器45的下部形成一個自由液面04 ;未進入內管12的液體主流通過前分隔板53a上的通孔進入夾層空間14向上流動，然後在三通9內轉向管道2的出口段2b ;與此同時，從分離器45中被分離出來的液體，也在重力作用下落入自由液面04內，然後從後隔板53b上的通孔併入液體主流內，一同經過消旋器52整流和液體流量計56計量後，流過阻力調節件53，然後與從回氣管46流出的幹氣匯合，流出測量裝置。
【權利要求】
1.一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:包括管道(2)，所述管道(2)分為通過三通(9)相連通的入口段(2a)和出口段(2b)，入口段(2a)垂直安裝，出口段(2b)則水平安裝；所述入口段(2a)的進口處內壁上安裝有旋流器(16a)，內管(12)通過前隔板(53a)和後隔板(53b)固定在管道(2)和三通(9)的內壁上，內管12的外壁與管道2的入口段2a的內壁之間保持一個夾層空間(14);所述出口段(2b)上依次安裝有消旋器(52)、液體流量計(56)和阻力調節件(53);三通(9)的另一個垂直支管與常規小型分離器(45)相連通，常規小型分離器(45)的頂部有一出口與回氣管(46)相連通，回氣管(46)上安裝有氣體流量計(54)，回氣管(46)出口與管道(2)的出口段(2b)相連通；所述內管(12)為一圓管，管壁上沒有任何貫穿孔和割縫；所述的前隔板(53a)為一環形板，其內緣與內管(12)相連，外緣與入口段(2a)的內壁相連，環形板上分布有流體通孔；所述的後隔板(53b)為圓錐管，側面開有均勻分布的通孔。
2.根據權利要求1所述的一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:所述前隔板(53a)上的流體通孔為圓孔、方孔或不規則形狀的通孔。
3.根據權利要求1所述的一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:所述後隔板(53b)側面開的通孔的開孔率不超過10%。
4.根據權利要求1所述的一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:所述旋流器(16a)由4~8片螺旋葉片組成，其葉片高度小於管道(2)的入口段(2a)半徑的0.6倍，沒有中心軸，直接固定在入口段(2a)的內壁上。
5.根據權利要求 1所述的一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:所述消旋器(52)為一組與管道(2)的出口段(2b)的軸線平行布置的平板，這些平板將出口段(2b)的內部空間分隔成若干流通面積相等或分布對稱的小流道。
6.根據權利要求1所述的一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:所述阻力調節件(53)為孔板、噴嘴或閥門。
7.根據權利要求1所述的一種管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特徵在於:所述常規小型分離器(45)的下部安裝有液位計(58a)、均氣板(42)和渦輪葉片(43)，上部安裝有波形板組件(44)。
8.採用權利要求1所述的管內相分隔式低含氣率氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法:其特徵在於:當低含氣率氣液兩相流體從管道(2)的入口段(2a)流過旋流器(16a)時，分散於液體(02)中的氣泡(3)在離心力的作用下被驅趕到入口段(2a)的中心線附近，並立即合併成一個氣柱(03)，在慣性和浮力作用下氣柱(03)和一部分液體進入內管(12)內，而絕大部分液體則被排擠在內管(12)以外,這部分液體稱為液體主流；氣柱(03)在內管(12)內上升一段距離後，由於旋轉的衰減，又重新離散成氣泡，接著在浮力作用下從液體中脫離出來，上升進入常規小型分離器(45);在常規小型分離器(45)中脫溼後，氣體從其頂部流入回氣管(46)中，經過氣體流量計(54)計量後進入管道(2)的出口段(2b)中，重新與液體匯合；而伴隨氣柱(03) —起進入內管(12)的那部分液體，由於重力的作用，其上升速度很快會衰減為零，隨後沿著內管(12)的內壁向下流動，重新與液體主流匯合，結果就會在內管(12)的上部或分離器(45)的下部形成一個自由液面(04);未進入內管的液體主流通過前分隔板(53a)上的通孔進入夾層空間14向上流動，然後在三通(9)內轉向管道⑵的出口段(2b);與此同時，從分離器(45)中被分離出來的液體，也在重力作用下落入自由液面(04)內，然後從後隔板(53b)上的通孔併入液體主流內，一同經過消旋器(52)整流和液體流量計(56)計量後，流過阻力調節件(53)，然後與從回氣管(46)流出的幹氣匯合，流出測量裝置 。
【文檔編號】G01F15/08GK104075759SQ201410276763
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優先權日:2014年6月19日
【發明者】王棟, 王帥, 衛鵬凱, 楊楊 申請人:西安交通大學