CN1022509C - 使用科里欧利斯型流量计进行的气体/液体流量测量 - Google Patents

Abstract

揭示了一种确定蒸汽质量和质量流率的方法，该方法使用Coriolis型仪器。已知质量的、流动流流经该仪器，利用该仪器的频率型输出和转角型输出可以得出各种相关因数。未知的流动流的质量就可以确定出。

Description

本发明涉及两相流量测量领域，具体地说，本发明提供一种测量方法和一种测量装置，用以测量流动中流体流的气体和液体的相对量，尤其是测量蒸汽质量。

例如，一种增强回收含油层中烃的方法是注入蒸汽。为了恰当地运用这种增强回收技术，必须知道被注入蒸汽的“质量”，即被注入蒸汽的汽化气与汽化气加液体的比值。

业已提出很多方法测量地表蒸汽管道中的蒸汽质量，例如第4，662，219号美国专利文件揭示了利用串联的两个孔板测定蒸汽质量的一种方法，该专利文件在此作为各种用途的参考文件，并已转让给本发明的受让人。然而，由于这样的方法不是直接测量液体流的质量和/或密度，因此实际上只供间接测定蒸汽质量。在很多情况下，只有在一些条件限定的范围内，它们才是准确的。

也转让给本发明受让人的，在此作为各种用途参考的第747706号共同未决申请揭示了测量液体流中油和水的相对量的一种方法，但是没说明或提出确定蒸汽质量的方法。

“Q-Bar”装置也得到描述，它在测量两相流中很有用。例如，Baker    Packers销售的“Steamcheck    Energy    Monitor”（蒸汽检验能量监视器）应用调谐管的“峰值”谐振频率来确定蒸汽质量。这种装置仅用该蒸汽的一个样品并且已经发现只有限定的准确度。

因此需要一种改进的、确定蒸汽质量的方法。

现在揭示一种确定流动的气体/液体流质量的方法，该方法包括的步骤有：至少使第一气体/液体流流过Coriolis型流量计，而第一气体/液体流具有第一已知质量;使第一已知质量与Coriolis型 流量计的转角型参数和频率型参数作相关处理，以确定一组相关因数;使第二气体/液体流流过Coriolis流量计;以及根据相关因数计算第二气体/液体流的质量。

在一个实施例中，转角型参数是Coriolis流量计的电流输出。进行相关步骤可应用下式：

mA＝f（WT，ρm、λ或x）

式中：

mA是视在密度（总是与电流输出有关），

WT是实在的、总的两相质量流率，

λ是无滑流（no-slip）液体滞流量（holdup），

ρm是实在的、均匀的（homogeneous）两相混合物密度，

x是实在的、均匀的汽化气质量系数（或蒸汽质量），其定义为W_V/W_T。

进行相关步骤还可用下列公式：

Hz＝g（W_T，ρm、λ或x）

式中：

Hz是视在质量流率（一般是一个频率型参数）。

图1示出Coriolis型流量计;

图2示出测试实用装置所用的试验设备;

图3是采用这里描述的本发明的实际质量与计算质量的比较图;

图4是采用这里描述的本发明的、实际的总质量流率与计算的总质量流率比较图。

在本文的叙述中，两相蒸汽用来作为一个例子，显然，该方法可以用于其它的气体/液体流，例如天然气/天然气液体流。参照图1，Coriolis质量流量计测量一个很小的力，该力是蒸汽流体在流经U形敏感器管1时产生的，即在该管的振动垂直于流动方向时由流体颗粒的加速度或减速度产生的。该力类似于使空气流环绕着转动的地球流动的Coriolis力，还类似于轮船和飞机导航系统中所用的陀螺力。

由于流体流动在敏感器管上感生的力是Coriolis力/陀螺力。图1示出一个管子，有一种流体质量为m，速度为v流经该管，该管以角速率ω绕O-O轴旋转。

流动感生力的大小可由下式表示：

F＝2mω×v    （1）

式中： F是力， F、 ω和 ν是向量，而x是矢量积运算符。

敏感器管的角速度 ω并不要求是常数，但能以峰值角速度ωp振荡，相关联的力也是振荡的，其峰值Fp正比于流体质量m和速度 ν。

该流体在每个支臂上施加的力F₁和F₂反向（相位差180°）。当该管绕O-O轴振动时，这些力绕R-R轴产生振荡力矩（Oscillatingmoment）（△M），该力矩可用下式表示：

△M＝F₁r₁+F₂r₂（2）

由于F₁＝F₂，r₁＝r₂，由公式1和2可得出：

△M＝2Fr＝4mvωγ    （3）

那末，m（单位质量/单位长度）乘以v（单位长度/单位时间）得出△Q（单位质量/单位时间），即质量流率，公式3可写为：

△M＝4ωγ△Q    （4）

由敏感管内所有的流体颗粒产生的绕R-R轴的总力矩（M）可对公式4积分得出：

M＝∫△M＝4ωγQ    （5）

力矩M产生角偏移或使该敏感器绕R-R轴扭转，在振动管行程的中点处达到其最大值。在行程的上限和下限处无扭转，因为在这些点上ω为零，由M造成θ的偏移可由该敏感器管的弹性刚度加以阻滞，一般说来，任一扭力弹簧的转矩T定义为：

T＝K_sθ （6）

由于T＝M，质量流率Q可以通过合并公式5和6与θ相关。

Q＝（K_s/4ωγ）θ （7）

质量流率可用（图1）敏感器2、3所示通过测量偏移角θ的结果得出。这个测量可通过测量由每个敏感器检测各自支臂的中点截面上的相对时间来实现。零流量的时差为零，随着流量的增加，使θ增加，信号之间的时差△t也增加。在行程中点处，管速Vt乘以△t在几何上与θ有关。

tgθ＝（Vt/2γ）△t    （8）

如果θ值小，则趋向等于tgθ。另外，对于小转角而言，Vt是ω和管长度L的乘积，即：

θ＝Lω△t/2γ    （9）

合并公式7，得出：

θ＝（KsLω/8γ²ω）＝（KsL/8γ²）△t （10）

于是质量流率Q只与时间间隔和几何常数成 正比。要注意到，Q与ω无关，从而也与敏感器管的振动频率无关。

测量振动的U形管的方法还提供一个输出，该输出正比于该仪表中流体的密度，该输出是一个方波，频率为该振动系统的固有频率。一个弹簧系统的固有频率f可由质量m和弹性系数k直接算出：

$\mathrm{f\; =\; K}\sqrt{\frac{1}{m}}\mathrm{(11)}$

在流量管的情况下，振动系统可以分为管子质量m和流体质量mf。由于管子容积是常数，因此流体质量正比于流体密度（p）。于是密度可直接用管子的频率f和常数k₁和k₂表示：

p＝（k₁/f²）+k²（12）

常数k₁和k₂可以通过使敏感器管充满两种已知密度的流体（在相同温度下）和注意由此得出的频率来确定。

第747，706号专利申请文件已经揭示了使用上述仪器测定质量流量、密度和两相液体流的一些量的方法，但尚未揭示使用Coriolis型仪器测量蒸汽质量，并且假定两相液体的所有相都以相同的速度运动。为了确定气体和液体的相对量，必须计算出两相的汽化气和液体的压缩率差和液体流经该管的速度差。

业已发现，Coriolis仪器的视在的质量流输出（在一个实施例中，频率输出）取决于总质量流率和在流量管内两相分布。可以来用混合物密度或无滑流液体滞流量来表征相分布。于是，一种最小平方分析法可以利用视在的质量流输出和流量参数之间的下列相关关系，并使用下式中的任一公式计算。

Hz＝K₁W_T（K₂）ρm（K₃） （13）

Hz＝K₄W_T（K₅）λ（K₆） （14）

式中：

Hz是视在的质量流率输出（在一实施例中是频率），

W_T是两相质量流率（lb/min（磅/分）），

ρm是混合物密度（lb/ft³（磅/英尺³）），定义为[（x/ρ_V）+（1-x/ρ_L）]^-1，其中ρ_V是汽化气密度，ρ_L是液体密度），

λ是无滑流液体滞流量（定义为（W_L/ρ_L）/（W_L/ρ_L+W_V/ρ_V），其中W_L是液体质量流量，W_V是汽化气质量流量），

Ki是常数。

公式13和14中W_T的指数通常近似于1，这就说明视在的物质量流量输出近似地正比于质量流率。λ和ρm项是修正项，考虑了两相的特点。

来自Coriolis仪器的视在密度输出（在一个实施例中，电流输出）正比于和基于U形管的振动频率。视在密度输出与气体流率相关，还与液体滞流量或混合物密度相关。所得出的相关关系可由以下公式中的任一公式给出：

式中：

mA是视在密度（在一个实施例中，是电流输出），

W_v是汽化气流率（lb/min（磅/分）），

ρm是混合物密度（lb/ft³（磅/英尺³）），

λ是无滑流液体滞流量，

Ci是常数。

当使用密度值时，线压力的影响是存在的，当无滑流液体滞流量当作相关参数（式16）时，线压力的影响认为消除了，因而是较佳的。

应用以上公式，已知的并且变化质量的两相流体允许流经U形管。采用最小平方分析法来确定公式13和15或14和16中的Ci和Ki值。然后，允许未知质量的流体流流经该U形管，测量蒸汽的压力和温度，以及Coriolis仪器的电流输出和频率输出。然后确定蒸汽质量如下：

a.估计蒸汽质量x;

b.根据蒸汽的压力和温度，由标准蒸汽表确定汽化气密度ρv和液体密度ρ₂;

c.由下式计算混合物密度ρm;

ρ＝[（x/ρ_v）+（1-x/ρ_L）]^-1

d.由公式13计算W_T，由公式15计算W_V，然后由下式计算W_L;

W_L＝W_T-W_V

e.根据质量和下式计算x;

x＝W_V/W_V+W_L

f.调整x的估算值并返回步骤b。

用叠代逼近法试算，直到估算的质量和计算所得的质量收敛于一个可接收的水平为至。

示例：

应用图2所示的试验装置来检测上述发明的实 用情况，使用空气和水以测试Coriolis仪器3的两相流测量性能。

压缩空气经过压缩空气管4流入该系统，水经水箱5和水管6通过水泵7流入该系统。空气和水的流率分别由仪器8和9监测。空气和水的流率分别由阀门10和11调节。空气和水混合后，在静态混合器12中充分搅拌和散布开，采用管道压力范围为20～120psig（表压（磅/英寸²））。

流量测试是在高的空气和水比值下进行的，以模拟蒸汽流条件。在此空气和水的比率范围时，夹带由空气流进入而产生细小水滴的流动是均匀的（homogeneous）。

在每次测试操作期间，空气流率保持一定，而水流率允许变化。在相同的空气流率条件下进行的测试在不同的管压下要重复进行。

实验是在以下情况下进行的：空气的流率范围为100～167scfm（标准立方英尺/分），水的流率范围为0.5～2.6gpm（加仑/分），管压范围为20～120psia（绝对压强（磅/英寸²））。

数据采集系统13用以记录以下流动数据，即包括：空气和水的流率，管道静态压力，Coriolis仪器的频率F和电流C的输出。根据Coriolis仪器的频率输出进行以下全面质量的观测：

1.频率输出随着质量流率的增加而增大，这表明该仪器的Coriolis原理适用于两相流;

2.低于某一阈值时，该频率输出不响应质量流率的变化;

3.在每一空气流率时，频率输出随着管压的增加而增加，对于管压的这种依赖性部分地是由两相混合物的压缩率造成的。

在测试中所用的Coriolis仪器（由MicroMofion公司生产的）的电流输出范围为4～20mA（毫安）。在两相流测试期间，实际的输出范围为4～8mA。两相混合物的低密度说明了低的电流输出值。

由于该流是均匀的，因此混合物密度可利用无滑流滞流量值进行计算。图3和图4示出了在不同的空气流率和管压时电流输出与混合物密度之间很好的相关关系。由于在高的空气和水的比值的条件下，管压对电流输出有影响，混合物密度与管压成正比。

高于上述阈值的、含有质量率的频率数据，用来研究量参数之间的相关关系。

频率输出取决于总质量流率和在流量管内的两相分布。应用混合物密度或无滑液液体滞流量来表征相分布。最小平方分析得出频率输出和流量参数之间的下列相关关系：

Hz＝0.7186W_T1.0511ρm0.2274 （17）或

Hz＝10.3354W_T0.7945λ0.3802 （18）

式中：

Hz是该仪器的频率输出，Hz（赫芝）;

W_T是两相质量流率，lb/min;

ρm是混合物密度，lb/ft³;

λ是无滑流液体滞流量。

λ和ρm项是修正项，它考虑了两相的性能。

电流输出与空气流率和液体滞流量或混合物密度相关，所得出的相互关系如下：

mA＝11.1465W_a-0.2805ρm0.0647 （19）或

mA＝15.2262W_a-0.1774λ0.1122 （20）

式中：

mA是电流输出，mA，

W_a是空气流率，lb/min，

ρm是混合物密度，lb/ft³，

λ是无滑流液体滞流量

将预期的质量Xcalc和流率W_Tcalc与根据图3和图4中的三种独立的试的测量值相比较。

可以理解的是，上述实施例的意图是解说性的，也是没有限定性的。最值得注意的是，本发明可以用于测量除了蒸汽以外的流动流中的液体和汽化气的相对量。因此，本发明的范围不应以上述描述来解释，而应用所附的权利要求与其相应的充分宽的范围来解释。

Claims (7)

1、一种确定流动的气体/液体流中各组分的总质量流速和相态分布的方法，其特征在于包括如下步骤：

使至少第一气体/液体流流径Coriolis型流量计，该第一气体/液体流具有一种第一已知总质量流速和组分相态分布；

由Coriolis型质量流量计上获得第一视在总质量流速输出和第一视密度输出；

使第一已知总质量流速和相态分布与从Coriolis型质量流量计上获得的第一视在质量流速输出及第一视密度输出之间建立相关联的关系，以确定一组相关联等式；

使第二气体/液体流流径Coriolis型流量计；

由Coriolis型质量流量计上获得第二视在质量流速输出和第二视密度输出；以及

根据上述相关等式和第二视在质量流速输出及第二视在密度输出，计算第二气体/流体流的总质量流速和组分相态分布。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上述建立相关联关系的步骤采用两个相关联等式，以作由Coriolis型质量流量计得出的第一视在质量流速输出及第一视密度输出与气体/液体两相态流的真实质量流速及组分相态分布参数之间建立如下关系：

Hz＝f（Wt;Y）

mA＝g（Wt;Y）

式中Hz为代表从Coriolis型质量流量计得出的第一视在质量流速输出的频率输出;mA为代表从Coriolis型质量流量计得出的第一视密度输出的电流输出;Wt为气体/液体流动流的真实两相态质量流速;Y为气体/液体流动流的组分相态分布参数。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，上述的相关联等式具有如下形式：

Hz＝K₁Wt^（K2）ρm^（K3）

mA＝C₁W^（G2） _Vρm^（C3）

其中，K₁、K₂、K₃、C₁、C₂及C₃为关联常数，ρm为气体/液体混合物的均匀密度。

4、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在上述的两个等式中，气体/液体均匀密度的混合参数ρm可由无滑流液体滞流参数“λ”所取代。

5、根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在上述两个等式中，气体/液体均匀密度的混合参数ρm可由汽相的单一质量系数“X”所取代。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气体/液体流包括各种不同组分的两相态流。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于包括以下步骤：根据总质量流速和第二组分相态分布确定第二气体/液体流中气体与液体的相对数量。

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