CN102401672B - 用于测量管内的流的特性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于测量管内的流的特性的装置。公开了一种用于测量管内的流的物理特性的装置。在一示范性实施例中，该装置包括：中空环(150)，其具有外壁(190)和内壁(195)，外壁(190)可固定地附连到测量计凸缘(110)，测量计凸缘(110)插入于管的两个部段之间，传感器安装到内壁(195)上以便于准确的流测量。

Description

用于测量管内的流的特性的装置

技术领域

本文的主题大体而言涉及插入式流量计，且更特定而言涉及一种改进的插入式流量计，其能测量流的物理特性，流包括物质的多于一种相态，例如液体和气体，这种插入式流量计也被称作多相流量计。

背景技术

流量计关于管内的流的特性提供关键测量，例如流过该管的材料的流率和体积，以及压力、温度和其它测量。这在工业应用中尤为如此，诸如在使用流量计测量化学加工或石油炼制设施中的材料流量的那些应用中。所产生的数据不仅用于监控并量化设施输出，而且也评估总体设施条件和操作性能。置于这些工业系统中的插入式测量计因此必须在本质上牢靠以便在各种设施应用中经历的恶劣环境-例如在较宽地变化的温度极端值内、高流率和高压-中运作，同时产生高度准确的测量以便恰当地量化生产水平且评定操作特性。

若干装置目前用于执行工业应用中的流测量。举例而言，在一方案中，压力传感器沿着位于管中央的一个或多个锥形插塞放置。插塞占据流行进穿过的管直径的一部分，从而在材料移动经过时造成对流的干扰。通过测量在插塞周围的压差，可确定流率。选择插塞的形状以增强在材料流过插塞的轮廓时造成压差的选定的流特性。这种方案的一个限制在于使用该插塞操纵流可能需要显著较长的直管。这可在工业应用中造成困难且增加成本，诸如在炼制中，其中，复杂的管网络和其它设备可能会限制可用空间。在现有管网络内改型插入式测量计的情形下，改型该系统以容纳新测量计可能耗时且成本较高，特别是在高压系统中-其中管壁可能很厚且由昂贵材料制成。

其它方案采用孔板，孔板具有伸入到管内的流中的压力传感器，以造成流的部分阻挡且测量压力。由于采用插塞或孔板的插入式测量计放置于管内且通过设计起作用来减小管的面积以限制流，以便产生压差(从压差来确定流率)，这种测量计降低了管网络的效率。继而，需要额外的能量来运输与无阻挡的系统将需要的相同的量的材料，从而增加了操作成本。

此外，测量准确性可取决于插塞或孔板在管中央的定位，在工业环境中，可能难以正确地建立且随着时间维持插塞或孔板在管中央的定位。此外，使用限制流的中央插塞可导致材料累积和最终随着时间的过去而堵住管，或者在极端情况下，导致管和配件破裂。在高流量或高压环境中，悬置的插塞或孔板或者附连到其上的构件可能会脱离且被流带走，造成对系统内的下游构件的损坏。

近来，从压差确定流率的技术不能区分物质的不同相态，例如液体和气体。许多工业应用常常运输包括物质的多于一种相态的材料。因此，在存在这种多相流的情形下，例如在石油炼制中(其中可存在液体原油和天然气两者)，插入式流量计不能确定流的含量和在管内运输的各种组分的体积。不准确地确定流的含量可能会在依赖于上游流量计算的下游系统中造成问题，且也可能会导致流含量的不准确评价-例如在所测量的原油包含高天然气含量的情况下。

将有利的是提供一种插入式流量计，其不仅在机械上是牢靠的以及能被改型到工业应用中经历的有限空间和恶劣环境中和在该有限空间和恶劣环境中操作，而且其还提供流特性的高度准确的测量且其能区分在流中存在的物质的不同相态。

发明内容

公开了一种用于测量管内的流的特性的装置，在一实施例中，其包括：测量计凸缘，其具有前凸缘表面和后凸缘表面；中央通路，其穿过测量计凸缘从前凸缘表面延伸到后凸缘表面；环，其具有内壁和外壁，外壁可固定地附连到测量计凸缘，且环基本上垂直于前凸缘表面；以及传感器，其位于内壁上以测量流的特性。

附图说明

因此以可理解本发明的特征的方式，可通过参考某些实施例来对本发明进行详细描述，这些实施例中的某些实施例在附图中示出。但将要指出的是，附图只是说明本发明的某些实施例且因此不应认为限制其范围，因为本发明的范围涵盖其它同等有效的实施例。附图未必按照比例绘制，重点大体放在说明本发明的某些实施例的特征上。因此，为了进一步理解本发明，可对结合附图来阅读的下文的详细描述进行参照，在附图中：

图1是在本发明的一实施例中的多相插入式测量计的示范性透视图。

图2是本发明的一实施例中的、在管内的多相插入式测量计的示范性截面侧视图。

图3是本发明的一实施例中的、在管内的多相插入式测量计的面向流的端部的示范性截面视图。

图4是本发明的一实施例中的、具有多种类型的传感器的多相插入式测量计的示范性截面侧视图。

图5是本发明的一实施例中的紧凑多相插入式测量计的示范性截面侧视图。

部件列表：

100 多相插入式测量计

110 测量计凸缘

112 前凸缘表面

115 螺栓槽道

116 中央通路

118 后凸缘表面

120 螺栓

130 螺母

140 线材

150 环

152 前端

154 后端

155 前斜面

158 后斜面

160 EIS传感器

170 超声发射器

175 超声接收器

180 压力传感器

185 热传感器

190 外壁

195 内壁

198 腔室

200 前管

205 后管

210 前管凸缘

215 螺栓槽道

220 后管凸缘

225 螺栓槽道

具体实施方式

图1示出在一实施例中的多相插入式测量计100的示范性透视图。在一示范性实施例中，多相插入式测量计100可包括附连到测量计凸缘100上的环150。该环150可为圆柱形的，具有外壁190和内壁195，且大小可设置成使得环150占合地装配于管的内径内，多相插入式测量计100将在该管内对流进行测量。

图2示出在一实施例中在管内的多相插入式测量计100的示范性截面侧视图。该管可(例如)为任何类型的中空管道。内壁195形成腔室198，腔室198在两端打开，流穿过这两端。可选择腔室198的直径以适合任何给定设计特征，同时使得管的面积缩窄最小。在一实施例中，环150完全环绕该环放置在其中的管的内壁，而在其它实施例中，环150可仅环绕管内壁的一个或数个部分。环150可由(例如)不锈钢、因科镍合金(inconel)、其它异金属、陶瓷或塑料制成。可基于各种考虑来选择所用材料，包括其抗腐蚀性和其电绝缘性质。

参看图2，环150上的延伸到进入流中最远的点可为前端152。多相插入式测量计100的后端154可为环150上的延伸到流的方向中最远的点。前斜面155可位于前端152附近，使得内壁195形成沿流的方向从前端152向内导向环150的中心的倾斜表面，减小环150内的腔室198的直径。取决于所选的环150厚度，流行进经过的腔室198的直径可更大或更小。此外，可选择前斜面155的形状-且更一般地为内壁195的总体形状和轮廓，以便选择性地修改流的性质和特性，以实现所需结果，例如，增强流中的不稳定性或使该不稳定性减到最小，以便对它们进行测量。

测量计凸缘110可固定地附连到环150的外壁190上。测量计凸缘110可由例如不锈钢、因科镍合金、其它异金属、陶瓷或塑料制成，且可形成带中央通路116的圆盘形结构，环150可穿过该中央通路116。可基于各种考虑来选择所用材料，包括其抗腐蚀性和其电绝缘性质。在一实施例中，环150通过物理手段，诸如紧固件或焊接而可固定地附连到测量计凸缘110。在其它实施例中，环150和测量计凸缘110可为由单件材料制成的一体结构。图3是在一实施例中在管内的多相插入式测量计100的面向流的端部的示范性截面图。如图2和图3所示，测量计凸缘110在基本上垂直于外壁190的径向方向上从环150向外延伸。

测量计凸缘110提供对多相插入式测量计100的支承且便于将该装置安装于管线内。可选择测量计凸缘110的厚度，以适合特定设计需要和强度要求。测量计凸缘110具有平面前凸缘表面112和平面后凸缘表面118，环150从平面前凸缘表面112延伸。在一实施例中，环150可在中央通路116内附连到测量计凸缘110上。在其它实施例中，环150可在前凸缘表面112、后凸缘表面118或者这两者上附连到测量计凸缘110。在一实施例中，测量计凸缘110可包含在测量计凸缘110周围延伸的多个螺栓槽道115。各个螺栓槽道可为延伸穿过测量计凸缘110的中空通道且基本上平行于环150而延伸。

参看图2，多相插入式测量计100可安装于管的两个部段-前管200与后管205-之间，前管200可携带材料到多相插入式测量计100，后管205可携带材料远离多相插入式测量计100。通往多相插入式测量计100的前管200的端部装配有前管凸缘210。前管凸缘210可具有形状和直径与前管200的形状和直径相同的中空内腔，流可穿过该内腔，且面向多相插入式测量计100的前管凸缘210的端部形成平面表面，其基本上垂直于前管200延伸。远离多相插入式测量计100而引导的后管205的端部装配有后管凸缘220。后管凸缘220具有形状和直径与后管205的形状和直径相同的中空内腔，流可穿过该内腔，而面向多相插入式测量计100的后管凸缘220的端部形成平面表面，其基本上垂直于后管205延伸。前管凸缘210与后管凸缘220一起提供相对的平面表面，其便于将两个管部段联结在一起。在一实施例中，螺栓槽道215和225可分别延伸穿过前管凸缘210和后管凸缘220，使得螺栓槽道115、215和225一起形成穿过前管凸缘210、测量计凸缘110和后管凸缘220的邻接中空通道，螺栓120可穿过该通道。

在新设施中，前管凸缘210和后管凸缘220可分别作为前管200和后管205的邻接的一体部分来制造。在其中多相插入式测量计安装于现有管网络中的改型应用中，前管凸缘210和后管凸缘220可分别由多种手段，包括(例如)夹持或焊接而可固定地附连到前管200和后管205。平坦的圆盘形测量计凸缘110的大小设置成与前管凸缘210和后管凸缘220两者的平面表面形成界面连接，使得测量计凸缘110的前凸缘表面112压靠在前管凸缘210的平坦平面表面上，且后凸缘表面118压靠在后管凸缘的平坦平面表面上，使得环150可牢固地安装于前管200与后管205之间。在一实施例中，在前管凸缘210、测量计凸缘110和后管凸缘220上的相对应的螺栓槽道115可允许螺栓120穿过前管凸缘210、测量计凸缘110和后管凸缘220，其中，螺栓120在相对端由螺母130固定，以确保在三个构件之间的紧密防漏密封。垫片可放置于前管凸缘210、测量计凸缘110与后管凸缘220之间，以确保密封的连接。在安装之后，测量计凸缘110向环150提供较强的刚性支承结构，以在定位于流中时牢固地保持它就位。在其它实施例中，前管凸缘210、测量计凸缘110和后管凸缘220可由其它机械手段，包括(例如)夹具而固定在一起。在更进一步的实施例中，多相插入式测量计100可与前管凸缘210或后管凸缘220中的一个或两者一体地形成。

两个或更多个电阻抗频谱(EIS)传感器160可位于环150上，其可允许多相流量计执行多相流测量，其不仅确定流率也确定构成该流的物质的状态。EIS传感器160可放置于环150的内壁195上，使得EIS传感器160绕环150的周边具有基本上等距的间隔。在其它实施例中，EIS传感器可在内壁195的仅一部分中隔开。

使用单个测量计凸缘110安装多相插入式测量计100允许简单的现场维护和测量计的替换(若需要)。如图3所示，线材140可从EIS传感器160延伸通过位于测量计凸缘110中的槽道而穿过测量计凸缘110，且从多相插入式测量计100出来，其中它们可整合到其它信息处理和控制系统内。在一实施例中，可使用玻璃-金属密封件来密封槽道。在其它实施例中，可通过某些其它密封机制来密封槽道。在其它实施例中，这些线材可电感地耦接到外部线材和处理系统。

多相插入式测量计100并不需要直管延展大的长度，从而便于容易地将测量计改型到现有工业系统内。因此多相插入式测量计100可易于与现有测量设备整合以提供冗余或补充测量，诸如在现有的管线内(in-line)超声测量计、科里奥利测量计(coriolis meter)或夹合式流量计之后或之前安装。举例而言，多相插入式测量计100可在科里奥利测量计之前安装，其提供流的非常准确的质量测量来既确定构成该流的物质的含量又确定构成该流的物质的相态。

图4是在一实施例中的具有多种类型的传感器的多相插入式测量计100的示范性截面侧视图。在此实施例中，除了EIS传感器之外，其它测量装置可位于环150上。举例而言，如图4所示，超声发射器170可与相对应的超声接收器175一起位于环150上，以便获得超声渡越时间测量结果，根据该超声渡越时间测量结果可确定流率。在其它实施例中，作为单独的发射器或接收器的替代，超声换能器可位于环150上。超声构件可被布置成以便从相对应的超声构件直接测量超声脉冲或者测量来自该环150内的反射脉冲。沿着环150定位的其它仪器可包括测量压力或压差的一个或多个压力传感器180，以及热传感器185。此外，一个或多个扭转密度计、砂检测器和/或声速传感器可位于环150上。

将传感器在环150上绕管(测量通过它的流)的内周边放置通过保持管的大部分敞开且无阻塞而最小化流限制。这也最小化了微粒在测量计上累积，从而降低维护成本且提高操作性能和系统寿命，以及减小构件将会分离且随着流带走到下游构件的可能性。

还如图4所示，环150还可具有后斜面158，以便于流从多相插入式测量计100平滑地过渡回到后管205的全直径。在多相插入式测量计100的内壁195上的其它轮廓和变化可产生或最小化流内的不稳定性，以实现所需的流特性以进行测量。举例而言，内壁195可在多相插入式测量计100内形成至少一个文丘里管，其中，内壁195的一部分向内呈锥形以使得流可通过的截面积变窄，之后为受限制的恒定面积部分，其通往其中内壁195朝向管向外扩展的部分。在其它实施例中，环150的前端152可延伸到前管200内和/或后端154可延伸到后管205内。图5示出紧凑型多相插入式测量计的示范性截面侧视图，其在一实施例中具有等于测量计凸缘宽度的宽度，其中环150的前端152和环150的后端154都不延伸超过测量计凸缘110的宽度。

本书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这样的其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果它们包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，则这样的其它实例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种用于测量管内的流的特性的装置，包括：

具有前凸缘表面(112)和后凸缘表面(118)的测量计凸缘(110)；

穿过所述测量计凸缘(110)从所述前凸缘表面(112)延伸到所述后凸缘表面(118)的中央通路(116)；

具有内壁(195)和外壁(190)的环(150)，所述外壁(190)可固定地附连到所述测量计凸缘(110)且所述外壁(190)具有外径，且所述外径沿所述环的整个长度大致等于所述管的内径以使所述环可插入到所述管的凸缘内，且所述环(150)的所述长度基本上垂直于所述前凸缘表面(112)；以及

位于所述内壁(195)上以测量所述流的所述特性的传感器。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是电阻抗频谱传感器(160)。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是超声传感器。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是压力传感器(180)。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是热传感器(185)。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是扭转密度计。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是声速传感器。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器是砂检测器。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环(150)还包括前斜面(155)，所述前斜面(155)位于所述环(150)的前端(152)附近，此处所述流进入所述装置。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环(150)还包括后斜面(158)，所述后斜面(158)位于所述环(150)的后端(154)附近，此处所述流离开所述装置。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述内壁(195)形成文丘里管。

12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量计凸缘(110)和所述环(150)由单件邻接的材料制成。

13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环(150)环绕所述管的内径的一部分。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环(150)位于所述中央通路(116)内且延伸超过所述测量计凸缘(110)而进入所述流内。

15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环(150)位于所述中央通路(116)内且并不延伸超过所述测量计凸缘(110)而进入所述流内。