CN102435245B - 一种蒸汽流量计量装置及计量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及蒸汽流量及热值在线计量的一种蒸汽流量计量装置及计量方法，该装置主要包括单能伽马传感器，文丘里流量计，温度变送器，压力变送器，蒸汽入口连接管段，蒸汽出口连接管段，其功能在于有效实时测量蒸汽中的饱和水量和饱和蒸汽量。其测量方法为：单能伽马传感器测量截面饱和蒸汽干度，文丘里流量计测量总蒸汽质量流量，同时考虑饱和蒸汽和饱和水可能存在的滑差（相速度差），采用汽液环状流滑差解析解的方法，从而用计算机系统可以实时计算出饱和蒸汽量，饱和水量以及它们对应的热值。此测量方法可直接分辨、测量蒸汽中的汽液两相，不同于传统的单相计量加密度修正的方法，没有附加误差，不受流型、气液相变的影响，测量精度更高。

Description

一种蒸汽流量计量装置及计量方法

技术领域

本发明涉及蒸汽流量及热值的在线计量技术领域，特别在油田蒸汽驱动稠油生产过程中，可以用来实现对注入蒸汽进行实时计量的一种蒸汽流量计量装置，本发明还包括使用该计量装置计量蒸汽流量的计量方法。

背景技术

蒸汽是石油化工企业重要的二次能源，从企业效益出发，降低生产成本需要降低对蒸汽的消耗。谈节能降耗，首先是能源计量，在油田蒸汽驱动稠油生产过程中,只有对注入蒸汽实施了准确计量，才能够明确节能的量化指标。近年来，国内稠油资源的不断勘探和开发，90% 以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驱动进行稠油开采，但由于注入蒸汽高温高压气液夹带的特殊性，在准确计量方面存在诸多困难，长期以来一直是流量测量中的老大难问题。目前，工业中通常采用涡街流量计、差压式流量计（以孔板流量计为代表）或弯管流量计对蒸汽进行计量。计量蒸汽常用质量流量，质量流量大小与蒸汽的密度有关，而蒸汽的密度又直接受蒸汽的压力及温度的影响。在蒸汽计量过程中，随着热汽压力及温度的不断变化，密度也随着变化，使质量流量也随着变化，如果计量仪表不能跟踪这种变化，势必造成较大的计量误差。因此，在蒸汽计量过程中一般都通过压力及温度补偿来达到密度补偿。但由于蒸汽是比较特殊的介质，随着工况如温度、压力的变化，单相性质的过热蒸汽经常会转变为饱和蒸汽，形成气液两相流介质，这样就使得传统的单相仪表很难实时反映这种变化，更不可能对“饱和蒸汽”和“饱和水”进行实时分别准确计量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是克服传统仪表不能实时跟踪蒸汽计量中相变状态，提供一种采用单能伽马测蒸汽干度加文丘里测总质量流量的技术路线，可以直接实现在线测量蒸汽中汽液两相的各自质量，从而得到总流量热值的一种蒸汽流量计量装置，本发明还提供使用该计量装置计量蒸汽流量的计量方法。

本发明的技术问题通过下述技术方案解决：

本发明的第一种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口装一入口连接法兰，入口连接法兰之后的管线上依次装有温度变送器和压力变送器，所述的管线为水平管线，所述水平管线上在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。

本发明的第二种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰，所述的管线为竖直管线，所述竖直管线上入口连接法兰之后连接一入口盲三通，入口盲三通上依次装有温度变送器和压力变送器，在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。

本发明的第三种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰，所述的管线为倒U型管线，所述倒U型管线上入口连接法兰之后连接一入口盲三通，入口盲三通上依次装有温度变送器和压力变送器，在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。

所述的单能伽马传感器测量蒸汽截面相分率和蒸汽截面干度。

上述三种蒸汽计量装置计量蒸汽的方法，包括以下步骤：

1）由单能伽马传感器测量饱和蒸汽相分率                                                

;

2）由压力变送器和温度变送器实时测量管道压力和温度；

3）计算饱和水和饱和蒸汽的密度，得到流体的混合密度  和蒸汽干度X；

4)利用文丘里管测量总流量差压值，对测量的数据进行计算，求得总质量流量

，饱和蒸汽流量

 和饱和水流量

；

 5）对汽液相速度差带来的测量饱和蒸汽流量

和真实饱和蒸汽流量

的差值

、饱和水流量

和真实饱和水流量

的差值

采用汽液环状流滑差解析解的方法进行补偿。

所述的蒸汽干度通过伽马射线吸收公式计算得到：

其中： 

表示物质水的质量吸收系数，与状态无关；

：分别表示在线测量时和空管状态下的伽马射线计数；

 

：伽马射线穿过的距离；

，

 分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线线性吸收系数

 ，

分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度

蒸汽的干度：

 所述的饱和蒸汽和饱和水的质量流量根据总质量流量和干度计算得到

总质量流量：

其中：

和文丘里尺寸及流出系数相关

饱和蒸汽质量流量：    

饱和水质量流量：      

本发明采用单能伽马和文丘里相结合的测量装置，单能伽马可以准确分辨出饱和蒸汽和饱和水的比例( 相分率 )，结合文丘里的差压测量就可以计量出总质量流量，同时采用汽液环状流滑差解析解的方法来处理饱和蒸汽和饱和水之间可能存在的相速度差，从而实时、准确地测量到“饱和蒸汽”质量流量和“饱和水”质量流量，以及它们总的热值，属于一种新型油田工业现场在线蒸汽计量装置。

附图说明

图1为本发明第一种蒸汽计量装置结构示意图；

图2本发明第二种蒸汽计量装置结构示意图；

图3本发明第三种蒸汽计量装置结构示意图。

图中， 1入口连接法兰，2温度变送器，3压力变送器，4单能伽马传感器，5差压变送器，6文丘里，7蒸汽流量计装置出口，8入口盲三通，9成撬管线，10水平管线，11竖直管线。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的第一种蒸汽计量装置为水平安装结构。包括一管线，管线入口装一入口连接法兰1，入口连接法兰1之后的管线上依次装有温度变送器2和压力变送器3，其特征在于所述的管线为水平管线10，所述水平管线10上在压力变送器3之后连接文丘里6，所述文丘里6的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器5，所述文丘里6上装一差压变送器5，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里6之后为管线出口7。

其工作过程为蒸汽流体由入口连接法兰1进入蒸汽流量计，流体依次经过温度变送器2，压力变送器3，单能伽马传感器4和文丘里6，最后通过蒸汽量流量计装置出口7进行下游管线。其中，温度变送器和压力变送器用于测量在线温度和压力，用于流量工况、标况转换以及密度、热值等转换。单能伽马传感器测量蒸汽中的截面干度。文丘里和差压表用来实时测量总的蒸汽质量流量。

如图2所示，本发明的第二种蒸汽计量装置为竖直安装结构。包括一竖直管线11，管线入口端装一入口连接法兰1，入口连接法兰1之后连接一入口盲三通8，入口盲三通8上依次装有温度变送器2和压力变送器3，压力变送器3之后连接文丘里6，所述文丘里6的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器5，所述文丘里6上装一差压变送器5，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里6之后为管线出口7。

其过程为蒸汽流体由入口连接法兰1进入蒸汽流量计，流体首先经过入口盲三通8，对流体起混合作用，同时把水平流态改变成竖直流态，然后流体依次经过温度变送器2，压力变送器3，单能伽马传感器4和文丘里6，最后通过蒸汽量流量计装置出口7进行下游管线。其中，温度变送器和压力变送器用于测量在线温度和压力，用于流量工况、标况转换以及密度、热值等转换。单能伽马传感器测量蒸汽中的截面干度。文丘里和差压表用来实时测量总的蒸汽质量流量。

图3示出了本发明的第三种蒸汽计量装置，为倒U型成撬安装结构。包括一倒U型管线9，倒U型管线9入口端装一入口连接法兰1，入口连接法兰1之后连接一入口盲三通8，入口盲三通8上依次装有温度变送器2和压力变送器3，压力变送器3之后连接文丘里6，所述文丘里6的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器5，所述文丘里6上装一差压变送器5，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里6之后为管线出口7。

其过程为蒸汽流体由入口连接法兰1进入蒸汽流量计，流体首先经过入口盲三通8，对流体起混合作用，同时把水平流态改变成竖直流态，然后流体依次经过温度变送器2，压力变送器3，单能伽马传感器4和文丘里6，为使得本测试装置成撬，安装倒U型管线9，最后通过蒸汽量流量计装置出口7进行下游管线。其中，温度变送器和压力变送器用于测量在线温度和压力，用于流量工况、标况转换以及密度、热值等转换。单能伽马传感器测量蒸汽中的截面干度。文丘里和差压表用来实时测量总的蒸汽质量流量。

本发明的蒸汽计量方法，包括以下步骤：

1）根据蒸汽中汽液两相对伽马射线线性衰减系数不同的原理，由单能伽马传感器测量饱和蒸汽相分率

;

2）通过安装在管线上的压力变送器3和温度变送器2实时测量管道压力和温度；

3）计算饱和水和饱和蒸汽的密度，得到流体的混合密度  和蒸汽干度 

；

4)利用文丘里管测量总流量差压值

，同时考虑汽液滑差，对测量的数据进行计算，求得总质量流量 

，饱和蒸汽流量 

 和饱和水流量 

；

计算方法和过程如下：

（1）在蒸汽计量过程中，通过实液介质水的单能伽马传感器标定，可以得到水的质量吸收系数

，根据质量吸收系数的定义和物理特性，无论水是处于什么样的物理状态（ 气态、液态或固态，或是否产生相变 ），由于成分不变，此吸收系数是一定值。

伽马射线和物质相互作用的物理方程式为：

 

其中：

：分别表示在线测量时和空管状态下的伽马射线计数；

 ：伽马射线穿过的距离；

相流体的截面相分率；

相流体的线性衰减系数。

在蒸汽计量中，假设“饱和水”和“饱和蒸汽”截面相分率是 ，其伽马射线吸收公式为：

 

其中： 

，

 分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线线性吸收系数

，

 分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度

因此可以得到蒸汽的干度：

 （2）根据总质量流量和干度分别得到“饱和蒸汽”和“饱和水”质量流量。

总质量流量 ：  

                       

饱和蒸汽质量流量：    

饱和水质量流量：       

5）由于蒸汽计量中，汽液可能存在相速度差使得直接测量饱和蒸汽量

和真实饱和蒸汽量

存在一个差值

，直接测量饱和水量

和真实饱和水量

存在一个差值

，故采用汽液环状流滑差解析解的方法对其进行补偿。

其中：

为常数，由蒸汽流量计计量尺寸决定

，表示“饱和水”的粘度

，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线粘度比

，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度比

，表示摩擦阻力系数，是流体雷诺数和管壁相对粗糙度的函数

，是蒸汽计量装置中文丘里计量的总流量。

6）最后可得到饱和水、饱和蒸汽质量流量及热值：

饱和蒸汽质量流量：    

饱和水质量流量：        

饱和蒸汽热值( 焓 )：  

饱和水热值( 焓 )：    

总质量热值( 焓 )：    

其中：

是饱和蒸汽和饱和水在特定压力和温度下的焓值。

Claims (4)

1.一种蒸汽计量装置计量蒸汽的方法，包括以下步骤：

1）由单能伽马传感器测量饱和蒸汽相分率α;

2）由压力变送器和温度变送器实时测量管道压力和温度；

3）计算饱和水和饱和蒸汽的密度，得到流体的混合密度ρ_mix和蒸汽干度X；

4)利用文丘里管测量总流量差压值ΔP，对测量的数据进行计算，求得总质量流量Q，饱和蒸汽流量Q₁和饱和水流量Q₂；

5）对汽液相速度差带来的测量饱和蒸汽流量Q1和真实饱和蒸汽流量Q₁‘的差值ΔQ_蒸汽、饱和水流量Q₂和真实饱和水流量Q₂‘的差值ΔQ_饱和水采用汽液环状流滑差解析解的方法进行补偿，具体如下：蒸汽计量中可能存在相速度差使得直接测量饱和蒸汽流量Q₁和真实饱和蒸汽流量Q₁‘存在一个差值ΔQ_蒸汽，直接测量饱和水流量Q₂和真实饱和水流量Q₂‘存在一个差值ΔQ_饱和水：

其中：

K₁，K₂为常数，由蒸汽流量计计量尺寸决定

μ_饱和水，表示“饱和水”的粘度

μ_R，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线粘度比

ρ_R，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度比

f，表示摩擦阻力系数，是流体雷诺数和管壁相对粗糙度的函数

Q_t，是蒸汽计量装置中文丘里计量的总流量

最后可得到饱和水、饱和蒸汽质量流量：

饱和蒸汽质量流量：Q‘₁＝Q₁+ΔQ_蒸汽

饱和水质量流量：Q‘₂＝Q₂+ΔQ_饱和水；

所述的蒸汽计量装置包括一管线，管线入口装一入口连接法兰(1)，入口连接法兰(1)之后的管线上依次装有温度变送器（2）和压力变送器（3），所述的管线为水平管线（10），所述水平管线（10）上在压力变送器（3）之后连接文丘里（6），所述文丘里（6）的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器（4），所述文丘里（6）上装一差压变送器（5），用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里（6）之后为管线出口（7）。

2.一种蒸汽计量装置计量蒸汽的方法，包括以下步骤：

1）由单能伽马传感器测量饱和蒸汽相分率α;

2）由压力变送器和温度变送器实时测量管道压力和温度；

3）计算饱和水和饱和蒸汽的密度，得到流体的混合密度ρ_mix和蒸汽干度X；

4)利用文丘里管测量总流量差压值ΔP，对测量的数据进行计算，求得总质量流量Q，饱和蒸汽流量Q₁和饱和水流量Q₂；

5）对汽液相速度差带来的测量饱和蒸汽流量Q1和真实饱和蒸汽流量Q₁‘的差值ΔQ_蒸汽、饱和水流量Q₂和真实饱和水流量Q₂‘的差值ΔQ_饱和水采用汽液环状流滑差解析解的方法进行补偿，具体如下：蒸汽计量中可能存在相速度差使得直接测量饱和蒸汽流量Q1和真实饱和蒸汽流量Q₁‘存在一个差值ΔQ_蒸汽，直接测量饱和水流量Q₂和真实饱和水流量Q₂‘存在一个差值ΔQ_饱和水：

其中：

K₁，K₂为常数，由蒸汽流量计计量尺寸决定

μ_饱和水，表示“饱和水”的粘度

μ_R，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线粘度比

ρ_R，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度比

f，表示摩擦阻力系数，是流体雷诺数和管壁相对粗糙度的函数

Q_t，是蒸汽计量装置中文丘里计量的总流量

最后可得到饱和水、饱和蒸汽质量流量：

饱和蒸汽质量流量：Q‘₁＝Q₁+ΔQ_蒸汽

饱和水质量流量：Q‘₂＝Q₂+ΔQ_饱和水；

所述的蒸汽计量装置包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰(1)，所述的管线或为竖直管线（11），或为倒U型管线（9），所述竖直管线（11）或倒U型管线（9）上在入口连接法兰(1)之后连接一入口盲三通（8），入口盲三通（8）上依次装有温度变送器（2）和压力变送器（3），压力变送器（3）之后连接文丘里（6），所述文丘里（6）的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器（4），所述文丘里（6）上装一差压变送器（5），用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里（6）之后为管线出口（7）。

3.根据权利要求1或2所述的蒸汽计量装置计量蒸汽的方法，其特征在于所述的蒸汽干度通过伽马射线吸收公式计算得到：

μ_蒸汽＝μ_m*ρ_蒸汽

μ_饱和水＝μ_m*ρ_饱和水

其中：

μ_蒸汽，μ_饱和水分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线线性吸收系数

ρ_蒸汽，ρ_饱和水分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度

D是指伽玛射线穿过的距离；

N_x和N_o分别表示在线测量时和空管状态下的伽玛射线计数；

蒸汽的干度：

4.根据权利要求1或2所述的蒸汽计量装置计量蒸汽的方法，其特征在于所述的饱和蒸汽和饱和水的质量流量根据总质量流量和干度计算得到：

总质量流量： $Q=K\sqrt{\mathrm{\ΔP}*{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{mix}}}$

饱和蒸汽μ_蒸汽质量流量：Q₁=Q*X

饱和水μ_饱和水质量流量：Q₂=Q*（1-X）

其中Ｋ是与文丘里尺寸相关的系数。

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