CN102759383A - 基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置。首先通过室内实验进行标定，获得两相流量系数K与洛克哈特-马蒂内利参数X_LM、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式以及K与液体弗鲁德数Fr_l、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，从而建立两相流量测量模型，然后根据测得两相压力、温度及节流元件两端的差压信号，通过迭代得到气相质量流量。本发明的方法具有系统简单、成本低廉、精度较高的特点，能够满足工业现场的测量要求。

Description

基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置

技术领域

本发明属于多相流测量领域，涉及一种气液两相流在线测量的方法及装置，特别涉及基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置。

背景技术

气液两相流广泛存在于石油、化工、核能、制冷及冶金等工业领域中，气液两相流量的测量对工业生产具有十分重要的意义。例如，在天然气开采过程中，气井井口产物往往是带有水和凝析液的气液两相流，该两相流量是监控气井和气藏动态特性的重要依据。对于气液两相流量的测量目前采用的方法主要有分离方法和在线测量法。传统的分离方法采用分离器将各相分离后单独计量，投资成本高、设备庞大，并且不能在线测量，效率低下；在传统的分离法基础上，专利ZL98113061.2提出了一种分流分离分相计量的方法，即通过在主管道上安装的分配器分流出一部分两相流体，引入到分离器进行完全分离，分离后的单相气体和液体再采用单相流量计分别计量。主管道的气液流量根据分流出的流量按比例换算得到，最后再将分离出的气液流体汇入到主管道中。该方法存在的问题是分流计量部分的流体气液比率与主管道中的比率一致性较难保证，取样比率本身可能会受流型、流量波动等因素的影响。在线测量法无需分离气液两相流，直接进行流量测量。目前应用较多的是常规仪表的组合式测量方法，包括不同节流元件的串联组合，节流元件与电容传感器、声纳传感器、微波技术及涡街流量计的组合等。实用新型专利86207384.7提出了以孔板和文丘里管串联组合进行气液流量测量；专利ZL200610099064提供了一种双槽式孔板型混输计量装置；专利ZL200810153806.9提出了双差压节流的湿气（气液两相流的特殊形态）测量方法。美国专利US 6898986 B2提出了采用两个楔形节流元件与一个文丘里管组合的气液两相流测量技术；专利ZL200720019466提出了基于电容传感器与标准文丘里管的气液两相流量测量装置；美国专利US 7654155 B2提出了声纳和文丘里管结合的湿气测量方法。专利ZL200710150184发明了一种基于改进型的狭缝文丘里节流装置的气液两相流测量系统。此外，一些商业化的气液两相流量计，如英国Solartron ISA公司基于双差压原理的Dualstream Ⅱ装置，挪威的Roxar公司基于微波技术和差压技术的Roxar气液两相流量计以及美国Agar公司利用涡街流量计和双文丘里管开发的气液两相测量装置等，均是采用了组合式的测量方法。但是，上述专利所涉及的测量装置和方法以及现有的商业化的气液两相测量装置结构复杂，价格太高，从而制约了其推广应用，如天然气井口的气液两相流量计量等。

发明内容

本发明的目的在于提出一种系统简单、成本低廉、精度较高的基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置。

为达到上述目的，本发明的装置包括安装在测量管道上的差压流量计，在差压流量计上安装有与数据采集处理器相连接的压力变送器、差压变送器和温度变送器。

所述的数据采集处理器的输出端还安装有输出显示设备。

本发明的在线测量方法，包括以下步骤：

1）两相流体流经压差流量计，由安装在压差流量计上的差压变送器、温度变送器和压力变送器测得两相流体的差压ΔP_tp、温度T及压力P，由压力P及温度T计算气液两相流的气相密度ρ_g和液相密度ρ_l，根据下式得到气液两相的质量流量m_apparent：

$m_{\mathrm{apparent}}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$

其中，A_t为差压流量计最小流通截面处的面积；ρ_g为气相密度；β为差压流量计的节流比，A为测量管道截面积，

D为管道内径；

2）通过实验获得两相流量系数K与洛克哈特-马蒂内利参数X_LM、气体弗鲁德数F_rg及气液密度比的拟合关联式，即，

同时，再得到K与液体弗鲁德数Fr_l、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即， $K_2=f_2({\mathrm{Fr}}_l,{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}),$ 其中， $K=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}},$ $X_{\mathrm{LM}}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}},$ 气体和液体弗鲁德数分别为 ${\mathrm{Fr}}_g=\frac{U_{\mathrm{sg}}}{\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}$ 和 ${\mathrm{Fr}}_l=\frac{U_{\mathrm{sl}}}{\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}},$ $U_{\mathrm{sg}}=\frac{4m_g}{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\ρ}}_g},$ $U_{\mathrm{sl}}=\frac{4m_l}{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\ρ}}_l},$ 式中，m_g，m_l分别为气液相质量流量，ρ_l为液相密度，U_sg和U_sl分别为气液相的表观流速，g为重力加速度，D为管道内径；

3）根据差压流量计的两相流体气相质量流量的测量模型 $m_g=\frac{m_{\mathrm{apparent}}\·K}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}},$ 可知， $m_{g1}=\frac{m_{\mathrm{apparent}}\·K_1}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 和 $m_{g2}=\frac{m_{\mathrm{apparent}}\·K_2}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}},$ 对于同一节流元件有：m_g1=m_g2=m_g,K₁＝K₂，通过迭代法即可得到气相的质量流量m_g。

本发明的测量方法的优点为：采用单个节流元件单差压测量，辅以必要的压力和温度变送器，使得测量系统结构简单、紧凑，在满足测量精度的前提下可有效的降低测量装置的成本。

附图说明

图1为本发明的一般实施测量系统图；

图2为本发明采用V内锥流量计进行测量的实施系统图；

图3为本发明的流程图；

图4为V内锥流量计采用本发明的方法测得的气相流量的误差分析图。

具体实施方式

下面结合附图并以V内锥节流元件为例对本发明的单节流元件单差压气液两相流气相流量测量方法做进一步的说明。

参见图1，本发明的一般实施方式。差压流量计1通过法兰2（或者其他连接方式）安装于测量管道3上，压力变送器4测量流经差压流量计1的气液两相流的压力，差压变送器5检测差压流量计1的压差，同时在流量计的下游安装一个温度变送器6获得气液两相流的温度。将上述压力变送器、温度变送器和差压变送器测得的压力、温度和压差通过数据采集系统7进行采集处理和传输，最终在数据显示单元8上进行输出显示。

下面结合实施实例V内锥流量计进一步详述本发明的实施方法。

图2为采用V内锥流量计进行空、气水两相流量测量的实施系统图。带有V内锥节流元件9的差压流量计1通过法兰2安装于测量管道3上。对于气液两相流测量，V锥前端的直管段长度为5～7D，锥体尾部下游直管段长度为3～6D，D=50mm为管道3内径；V内锥9以悬臂的方式固定在管道3上，V内锥9的节流比β=0.55，前锥角α=45°，后锥角γ=135°。压力变送器4测量流经V内锥流量计1的气液两相流的压力P，差压变送器5两相流体流经V内锥节流元件9的压差△P_tp，同时V内锥流量计1下游安装的温度变送器6获得气液两相流的温度T。将上述压力变送器、温度变送器和差压变送器测得的压力P、温度T和压差△P_tp通过数据采集系统7进行采集处理和传输，最终在数据显示单元8上进行输出显示。

数据处理方法如图3所示，详述如下：

1）由压力P及温度T计算气液两相流的密度ρ_g和ρ_l，再结合气液两相差压△P_tp并根据公式（1）得到气液两相的质量流量m_apparent。

$m_{\mathrm{apparent}}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(1\right)$

其中，A_t为最小流通截面积，

d为V锥最大的截面处的直径；ρ_g为气相密度；β为节流元件的节流比，

A为安装管道截面积，

2）定义两相流量系数如式（2）所示。通过实验获得两相流量系数K与洛克哈特-马蒂内利参数X_LM、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式（3）；同时，再得到K与液体弗鲁德数Fr_l、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式（4）。对于本实施案例K₁和K₂的关联式分别如式（3′）和式（4′）所示。

$K=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}}---\left(2\right)$

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(3\right)$

$K_2=f_2({\mathrm{Fr}}_l,{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(4\right)$

$K_1=(-1.0665+\frac{0.72296}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}+0.72003{\mathrm{Fr}}_g)X_{\mathrm{LM}}+0.93665---\left(3^{\′}\right)$

$K_2=(-11.353+\frac{0.74988}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}+\frac{10.569}{{\mathrm{Fr}}_g}){\mathrm{Fr}}_l+0.93685---\left(4^{\′}\right)$

其中，

${\mathrm{Fr}}_g=\frac{4m_g}{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\ρ}}_g\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(5\right)$

${\mathrm{Fr}}_l=\frac{4m_l}{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\ρ}}_l\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(6\right)$

$X_{\mathrm{LM}}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(7\right)$

式中，m_g、m_l分别为气液相质量流量，ρ_l为液相密度，U_sg和U_sl分别为气液相的表观流速，g为重力加速度。

3）根据两相流体的气相质量流量的测量模型（式（8））可得方程（9）和（10）。

$m_g=\frac{m_{\mathrm{apparent}}\·K}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(8\right)$

$m_{g1}=\frac{m_{\mathrm{apparent}}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}\{(-1.0665+\frac{0.72296}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}+0.72003{\mathrm{Fr}}_g)X_{\mathrm{LM}}+0.93665\}---\left(9\right)$

$m_{g2}=\frac{m_{\mathrm{apparent}}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}\{(-11.353+\frac{0.74988}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}+\frac{10.569}{{\mathrm{Fr}}_g}){\mathrm{Fr}}_l+0.93685\}---\left(10\right)$

对于同一V锥节流元件有：m_g1=m_g2,K₁＝K₂，根据方程（1）～（10）通过迭代，并且当△m_g≤0.1%时，即可得到气相的质量流量m_g。

图4为V内锥流量计工作压力为0.1～0.48MPa下采用本发明的方法测得的气相流量的误差分析图。可以看出，气相相对误差小于3.0%，可满足工业现场的需求。

Claims (2)

1.一种基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量装置，其特征在于：包括安装在测量管道（3）上的差压流量计（1），在差压流量计（1）上安装有与数据采集处理器（7）相连接的压力变送器（4）、差压变送器（5）和温度变送器（6）。

2.一种如权利要求1所述装置的基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法，其特征在于包括以下步骤：

1）两相流体流经压差流量计（1），由安装在压差流量计（1）上的差压变送器（5）、温度变送器（6）和压力变送器（4）测得两相流体的差压ΔP_tp、温度T及压力P，由压力P及温度T计算气液两相流的气相密度ρ_g和液相密度ρ_l，根据公式（1）得到气液两相的质量流量m_apparent：

$m_{\mathrm{apparent}}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{tp}}}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(1\right)$

其中，A_t为差压流量计（1）的最小流通截面积；ρ_g为气相密度；β为差压流量计（1）的节流比，

A为测量管道（3）截面积，D为管道（3）内径；

2）通过实验获得两相流量系数K与洛克哈特-马蒂内利参数X_LM、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，同时，再得到K与液体弗鲁德数Fr_l、气体弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即， $K_2=f_2({\mathrm{Fr}}_l,{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}),$ 其中， $K=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}},$ $X_{\mathrm{LM}}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}},$ 气体和液体弗鲁德数分别为 ${\mathrm{Fr}}_g=\frac{U_{\mathrm{sg}}}{\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}$ 和 ${\mathrm{Fr}}_l=\frac{U_{\mathrm{sl}}}{\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}},$ $U_{\mathrm{sg}}=\frac{4m_g}{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\ρ}}_g},$ $U_{\mathrm{sl}}=\frac{4m_l}{\mathrm{\π}{D}^2{\mathrm{\ρ}}_l},$ 式中，m_g，m_l分别为气液相质量流量，ρ_l为液相密度，U_sg和U_sl分别为气液相的表观流速，g为重力加速度，D为管道内径；

3）根据差压流量计1的两相流体的气相质量流量的测量模型 $m_g=\frac{m_{\mathrm{apparent}}\·K}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}},$ 可知， $m_{g1}=\frac{m_{\mathrm{apparent}}\·K_1}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 和 $m_{g2}=\frac{m_{\mathrm{apparent}}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}},$ 对于同一节流元件有：m_g1=m_g2=m_g,K₁＝K₂，通过迭代法即可得到气相的质量流量m_g。

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