CN1004301B - 皮托管型流体测量装置的改进以及在液/气两相或多相系统中安装该装置的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于管道中的皮托管型流动测量仪，特征是一个大体上方形的传感部分构成一离流体的非流线体，包括一较大圆角前缘，其上设有３个以上的冲击孔，一对平面部分从其向后分开延伸到一对横向分开的小圆角侧缘，再与非流线体的面对出流端部分作用，构成一能在很宽流动范围条件下稳定流动系数的流动分离区，分离区的长度至少是半径的５倍。本发明还包括一种在两相或多相流动系统中安装探头的方法。

Description

皮托管型流体测量装置的改进以及在液／气两相或多相系统中安装该装置的方法

本发明涉及一种皮托管型流体测量装置，该装置包括一个非圆型截面的管状体（18）;把管状壳体与一个导管连接的装置，使壳体一部分在导管内，另一部分在导管外;一个在管状体内把该管状体分成两个增压腔的隔墙;以及在上述另一部分中把增压腔连接到测量仪器上的通道;在管状体上的若干孔，至少有一个孔对着导管的进流端，一个孔对着导管的出流端。

在US-A-4154100中，皮托管型流体测量装置最重要的特性是具有一个所谓“非流线体”形状，分割在管道中流动的流体，并在其两侧建立精确的流体分离区。依靠建立这些区域，以及将处于其下游的管体做成使液流能在很宽流体状况范围不与管体重新附着。由两个或多个进流端孔测到的平均动态流体压力，和另外出流端孔在流过探头尾部的流体中测到的参照压力或出流端压力之间的压差，用一修正因数（流动系数）修正，由此确定的压力比没有这种特性的皮托管型流量计更为精确和可靠。

测量流体流量的皮托管型流量计多年来得到了广泛应用，其中某些早期装置本世纪初已经获得了专利。从表面看来它们具有结构简单的特点，但实际上它们相当复杂并且还应当更深入研究怎样改进它们的灵敏性以及在更宽的流体状况下能够将其制作得更精确。例如，用于在一根管道中测量多种流体，多种气体，甚至两相流体的装置，必然比在例如承受流动流体（空气）的飞机机翼前缘上，其流动特性接近理想的或良好的薄层流动特性处所用的装置更复杂，这是因为有管道对流体特性的影响。低压范围的流动被证明为最难精确测量，这是由于正是在此范围内，有些因素有很深的影响，譬如，对着进流端的孔的非准直性，使其不能检测“滞点压力”。此处流体速度基本为零，或探头上孔本身之间压差引起流体在其之间流动，这在动态压力读数上视作错误。所有最普通的流体之一的流动速率，即蒸汽的速率被认为为很难精确确定，在其它流体，甚至在某些两相系统中产生良好效果的皮托管型探头在蒸汽中也不能正常工作，至少不能在长时间正常工作。

如US-A-4154100中所示，如果垂直于流体流动的非流线型管体的侧缘被制成锐利的，装置的精确度以及一定雷诺数的信号强度得以改善。锐利拐角这种效果的原因是，当流体围绕光滑连续管体流动时，将随管体轮廓流动直到流体中惯性力使流体脱离管体表面并使流体或多或少地沿直线流动。但是，当流体开始脱离管体表面时，进流端和对着出流端表面之间压差的变化就不再与靠近管体的流速有关。因此，如果这样的管体用作流体检测装置，所获得的信号不能与一定流速下的流率成比例关系。如果流体靠某些方法，如尖锐侧缘，使其以非常低的速度离开管体，进流端和出流端表面之间压差将保持与流体速度成比例，这样也就和流率成比例。

事实上，这些探头的侧缘并不一定是“刀刃”状的锋利，而是在其锐利度和非流线型管体横向宽度之间存在一种关系，该横向宽度将一个这样的侧缘从另一个侧缘分开，如果遵守这种关系将使仪器在其整个可操作和实际应用范围内保持精度。申请人已经发现，这种关系可以表示如下：

r/b₀＜0.2

其中“r”为侧缘的半径，b₀为非流线型管体横向宽度，即：半径r等于零或这些侧缘为锐利的时候这些侧缘分开的距离。

使液流沿确定的分离线脱离非流线型管体并且不再返回该处在流动分离区探头出流端的整个表面产生相当均匀低压。这个低压使对取向不那么敏感而且还使对着出流端的出流端压力检测孔的定位精度要求降低。

在单相流体测量应用中，普遍的实际应用总是将管道或导管中探头的传感部分安装在管道的直径上或至少安装在非常近管道的直径上，允许误差在5°范围。同样的实际应用在两相系统中也使用，在两相系统中液体粒子掺入气体。但是，申请人已经发现，这种方法对于包括气体组份的多相系统并不正确。事实上，在热和冷的两相系统中要获得最好结果必须用完全不同的安装标准，更具体地说，现在已经确定，在热的两相系统中，如蒸汽管线中，最好这样安装探头，尽可能使其包括读出机构的头端以比其远端或尾端低大约10°的角度安装。这意味着在垂直布置的蒸汽管道中，探头应当向上倾斜，使其尾端超过其头端大约10°原因是连接在头端的精密电子装置不能经受超过82℃（180°F）的温度。因此，使探头倾斜并允许进流端和面对出流端的增压腔或腔室部分地充有水即起到缓冲剂作用，以防止对电子读出装置的损坏。在水平管线中也采用同样的安装方法使探头的头端部安装在管道最低点或向两边任何一侧倾斜小于80°角安装。

相反地，在冷的多相系统中，例如想要在井口测量从井口喷出的湿天然气流流速，它不时含有水、钻井泥浆，悬浮固体、油和其它污物，探头的头端应当位于尾端上方，这样这些污物即可排出，只在气相中做总的测量。

因此，探头的尾端最好应当在头端下面向下倾斜大约10°的角度。

本发明要解决的问题是要提供一种新颖的改进的用于受约束流体环境中的皮托管型流体测量探头，特别适用于多相系统，其中一相是液体，另一相是气体。

根据本发明，这一问题用这里提出的流体测量装置得到解决。该装置特征在于由流动流体冲击的管体面对进流端部分包括一个凸出的前缘，分离一对基本上呈平面的部分，该于平面部分终止于一对横向隔开的侧缘（margins），配合限定流量分离区，有效地从上述管体分离流过的流体，侧缘的凸出曲率为半径不大于其间横向距离的0.2，进流端所述孔在上述前缘上。

现在借助实例并参照所附示意图对实施本发明的流体测量探头加以说明，其中：

图1是侧视图，该部分已经断开并图示其截面，详细表示在一个垂直布置的导管中，在用来测量热的液-气相状态的流动时，探头向上倾斜的取向;

图2是与图1类似的局剖侧视图并且同一比例，但表示探头向下倾斜，这是因为该探头用于包含液体和气体的冷的多相系统的测量;

图3是沿图1中3-线取的截面并稍微放大比例;

图4是一个示意图，表示在非流线型管体相对两侧的流体分离区的圆度相对于分离该区域的横向距离之间的容许关系。

参照图1到图3，数字10通指流体测量装置或安装在垂直布置的大管道或导管12壁上的“探头”。在侧壁16上的一个孔14容纳探头10的“传感器部分”18，该探头横穿到远离的侧壁20。传感器18的中心线或轴线和管道12的中心线相交叉。但是，与常规相反，在测量包括液体和气体组份的多相系统流速时，传感器18根据多相系统是热的或冷的向上或向下相对于管道12倾斜。

任何常用的固定件如套筒22都能用来使探头10相对于中心线保持在适当位置。探头10的传感器部分在管道外部终接于头端24中，该头端24包括管道26和28，这两个管道26和28分别联接在高压增压腔30和低压增压腔32。这些管道再与高压表G₁和低压表G₂联接。

隔墙或隔板34分离并隔绝增压腔30和32，如图3所示。三个或者更多的面对进流端的所谓“冲击孔”36把管道12中流动流体连接在高压增压腔30。同时，其它的“出流端孔”38同样把流动流体连接在低压增压腔32。

在图1和图2中，流体为向上流动。如箭头所示，孔36在传感器部分18的下部并开口在增压腔32下面的增压腔30上。同样地，孔38在传感器的上部，并开口在增压腔32上。孔36和38的排列在进流端面和出流端面上是一致的。增压腔上的孔口也是一致的。如果流动方向相反的话探头的取向保持如两个图所示，孔和增压腔的作用将改变，传感器部分上部的孔38将变为冲击孔，同时，下面的孔36将变为出流端孔。

在某些应用中，堵塞可能是个问题，增压腔的布置要好过在那些象在US-A-3581565;3803921和4154100中所示的，包括一个所谓“内塞管”的传感器。当用在探头部分长时间使用会堵住的环境时，尽管大容积增压腔30、32要好过内塞管，由于孔36和38的尺寸同样是关键性的，因此，它们不能提供一个完整的解决方案。

在流体测量中，滞点压力确定的越精确，则精度越高。从定义上看，由于滞点压力表明流体具有零速和最大压力的点，因此，仅仅有理由推断开孔越小，才能越精确地找到这一点。不幸的是，这一规范与没有堵塞问题的系统的要求不一致，很明显，这是由于压力检测孔越大，则越不容易被堵住。

本发明提供分别布置在大圆弧的前缘40和尾缘42的大直径孔36和38。由于在对着进流端圆形表面上开有大的，实际上不可能堵塞的开口，即使它们在一侧或另一侧稍微偏开探头中心线上滞点，它们检测的压力与滞点压力并没有大的区别。如果在锐利轮廓的前缘或取向多少垂直于流动方向的平面前缘上开有同样尺寸的孔，假如这些孔不是精确地位于探头的中心线上，压力读数就会基本上不同于滞点压力值。提供具有这些平缓圆轮廓的对着进流端前缘40，还可得到同样出乎意料的好处，探头甚至可以稍微绕其轴转动，而不把由这些超尺寸孔确定的对着进流端的冲击孔移动到本质上不同于滞点压力的区域。在此，同样尺寸的孔位于锐利轮廓或基本上呈平面的前缘时，并不产生这样的效果。虽然，只有在对着进流端的前缘40存在要被检测的滞点压力，但对于各种实际用途来说，在图示的，对称于横向中心线的双向探头中，最好使对着进流端的前缘40和对着出流端的尾缘42形成相同轮廓。

形成压力检测孔36和38的孔应当是足够大以防止堵塞。对于沿管道上各点检测的压力的精确平均来说，冲击孔沿部分18的间隔是关键性的，但是，所述装置的这一方面由于是根据所谓“切比雪夫（Chebyshef）”位置的，因此并不构成本发明的任何部分。每个检测孔必须代表在管道具体面积的速度并且由任一个孔表示的面积必须精确地等于由任何另一个孔表示的面积。

再参照图1，探头的头端H的位置比其尾端T要低，流体被留在头端，有些部分伸进增压腔30和32。很明显，在增压腔30的液平面由靠近管道14侧壁16对着进流端的冲击孔36F的位置确定，因为任何高于这个水平面的流体都将被排出。在增压腔32中，也有相应的对着出的流端的参照孔38F确定低压腔中的液平面。但是要注意到重要的一点是，由于探头向上倾斜，在增压腔30中流体P₁及留在腔32的分开的流体P₂都分别盖住到管道26和28的进口44和46。这种安装用于包含液体以及一种及多种热的气体组份。例如：湿的或干的蒸汽的两相或多相系统。由于探头的倾斜，使液相P₁和P₂形成隔绝屏障，防止了热蒸汽对测量仪器（G₁和G₂）的直接作用，业已发现，大约10°的向上倾斜即可在大多数热的液-气相应用中隔绝测量仪器。图1所示向上倾斜20°左右，主要是为了强调图示，而最小的，以保证流体量把测量仪器与热气体作用隔绝开的倾斜角度是最佳的。图1的安装应当在蒸汽温度接近大约82℃（180°F）或更高，已经知道将要发生损坏时使用。

不论流动是如图1所示向上的还是向下的都没有任何区别，流体量P₁和P₂的相同夹带将最终发生。对于向下流动，装置可能须要灌注流体以在将是对着出流端的低压增压腔30中产生液量P₁，这是由于此时腔30背着绕非流线型管体流动的流体。因此，将没有流体直接到达增压腔30。即使该腔没有灌注，冷凝最终也会引起流体聚集在该腔中。现在，在校准测量仪器时，这些流体量必须也存在，因为对于所有的实际用途来说，它们在正常运转时存在，即使其大小变化，也是很微小的。

在有很少液相存在的地方，如过热蒸汽，一定量的不管怎样可得的流体最终将冷凝出并形成流体量P₁和P₂，但是这将有区别，热蒸汽将不断蒸发被截留的液体，这样就降低了流体量P₁和P₂的液面。最后，在一组给定的操作条件下达到平衡。在这种情况下，仪器即可由此校准。

图2表示与图1相反的情况，其中液-气系统为冷的而不是热的，因此，没有理由把测量仪器与无害的气相隔开。正相反，应当保证与测量仪器的直接接触，并且这种接触由把探头向下倾斜而建立，使液体量Q₁和Q₂在探头尾端形成。这些液体量的液平面由尾端孔36T和38T的位置决定。Q₁和Q₂并不影响仪器的校准。图2中向下倾斜的角度出于图示的目的已经放大。如果倾斜度大约只是图示的一半的话，该系统即能令人满意地起作用。在图2向下倾斜角的情况下;保持在冲击孔36T下面的低压腔30中的流体量将只有极少几滴。

对于液-气，两相或多相系统，还应当提到在非垂直工作的管道中用于安装探头的方法，实际上，在水平工作的管道中的安装，在热的和冷的多相情况下，由于探头的中心线可以置于管道的直径上而不是倾斜的而变得更简单。在热的液-气系统的情况下，探头在水平管道中的轴应当置在尽量靠近一个垂直平面，使其头端比其尾端低至少10°。从另一种方法看，探头的头端可以从管道最低点向任一方向上移动一个小于80°的角度。由于头端必须在尾端上方，冷的液-气状态就更为简单，就象探头安装在单相系统中一样，安装探头最方便，即：使探头的轴与管道垂直排列的直径重合。当然，只要其头端保持比尾端高至少10，探头可以向一侧或另一侧倾斜，但这样作只是不必要地使安装复杂化，除非有其它原因要求这样做。例如：由于空间限制。

参照图3，探头的传感部分18被制成一个外套48。在外套48中插入管状衬垫50A和50B。外套48横截面基上为正方形并带有等腰三角形的衬垫。外套的前缘40和尾缘42被做成圆角形，侧缘52R和52L也同样做成圆角形，这些侧缘构成流动分离区，但圆角较小。衬垫的基部56A和56B共同确定隔墙壁34，同时衬垫臂58R、58L、60R和60L以紧密配合而对面的关系紧贴外套内壁。如图所示。除了图示的三角形衬垫之外的衬垫也能应用，例如：用矩形衬垫。矩形衬垫将把隔墙板34置于在其拐角之间，等于方形外套中间的位置上，而不是在其对角线性上，无论隔板位于何处，必须把两腔的压力互相隔开。它们的大小最好大到能够装在外套的周界内，但不一定是相同尺寸或相同形状。但是生产制造双向单元的简便性要求采用如图所示的某种对称形状。

应当注意到，构成分离流体的非流线型管体的探头18的侧缘（图3所示52R和52L）以“r”稍微呈圆角，如图4所示。分离这些侧缘或流体分离区的距离由“b₀”表示并且预先限定。申请人已经发现，虽然锐利轮廓的侧缘产生最明确地限定的流体分离区，它们并不一定是必要的，因为实际上在由这些流体分离区的半径“r”除以分离流体的距离“b₀”的比率不超过0.2时，由仪器检测的压力精度上的降低，或在信号强度上的严重降低并不能被检测到。具有这种流体分离区所要求的锐利度，就可以避免使用昂贵的机器和修整操作，用采用可变形管材的简单的轧制技术来代替，而大大降低成本。

Claims (9)

1、一种皮托管型流体测量装置包括一个基本方形截面的管状体（18），用于使管体一个部分位于导管（16）内部而另一部分位于导管（16）外部的装置，一个在管状体中把管体分为两个增压腔（30、32）的隔板墙（34），在所述另一部分上的通道（28）把增压腔与测量仪器（G₁和G₂）相连接，在管体上有若干孔（36，38），至少一个孔对着导管的进流端，一个孔对着导管的出流端，每个进流端孔（36F、36T）位于管体的一个前缘（40）处，其特征在于：

由流体流动冲击的对着上流端的管体（18）部分包括一个分离一对基本上呈平面状部分的凸出前缘（40），这对平面部分终接于一对共同确定流体分离区的横向隔开的侧缘（margns）（52L、52R），这些流体分离区有效地从上述管体分离流过的流体，侧缘的凸出曲率为其半径不大于侧缘之间横向距离的0.2倍。

2、根据权利要求1的装置，其特征在于，前缘（40）的曲率半径大于上述侧缘（52L、52R）的曲率半径（r）。

3、根据权利要求1的装置，其特征在于，管体（18）的截面一般为菱形，管体包括一个对着出流端并具有凸出的圆形尾缘的部分（48）;还有第二对基本上呈平面状的部分以渐扩展的关系伸向进流端，使上述尾缘（48）与其两侧呈圆角的侧缘（52L、52R）互相联接。

4、一种在含有液体和气体两种组份的两相或多相流体中安装皮托管型流体测量装置的方法，上述测量装置具有一个管状体（18），一个隔壁（34）在管体的长度上延伸，把其内部分为两个隔绝的增压腔（30、32），在管体上沿长度间隔开的三个或更多的孔（36、38），开口在各自的上述增压腔，在一端的头端（H）包括联接在每个上述增压腔并可以和压力测量仪器（G₁、G₂）联接的通道（28，26），一个封闭的尾端（T）对着头端，该方法的特征在于上述头端（H）和尾端（T）中的一端置在高于另一端的位置，使液体量收集在每一个增压腔（30、32）中。

5、根据权利要求4的方法，其特征在于，在垂直导管中上述管体相对于水平的倾斜角至少为10°。

6、根据权利要求4或5的方法，其特征在于，当在温度低于将损坏测量仪器（G₁、G₂）的温度下测量包含气体组份的冷系统的流速时，头端（H）高于尾端（T）一定量，使滞留在增压腔（30、32）低端的流体离开通向压力测量仪器的通道。使上述液体量不再覆盖上述压力测量仪器，而使其直接与上述冷气体接触。

7、根据权利要求4或5的方法，其特征在于，当测量热系统流速而其气体组份温度足以损坏测量仪器（G₁、G₂）时，尾端（T）高于头端（H）一定量，使收集在增压腔中的液体盖住上述导向上述测量仪器（G₁、G₂）的通道（28），在测量仪器和上述热气体之间提供一个隔绝屏障。

8、根据权利要求4的方法，其特征在于，当测量热系统的流动速率而且气体组份温度大约在82℃或更高时，尾端（T）高于头端至少10度角。

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