CN103076057B - 一种多相流流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多相流流量计，包括各相含率测量装置和多相流速测量装置，所述各相含率测量装置包括能够向多相流体中发射不同能量X射线的发射装置、探测从所述多相流体中出射X射线的探测器以及能够根据X射线的衰减系数与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的处理器，所述处理器连接所述探测器。本发明提供的多相流流量计能够用于油、水、气多相流流量计量，能够完全实现无接触测量。

Description

一种多相流流量计

技术领域

本发明涉及一种用于油水气多相流流量计量的仪器仪表。

背景技术

近年来，随着客户需求及石油工业生产与输运条件的提升，油水气多相流量计的产学研水平都在不断提高。用户对油气水流量的稳定精确定量监测有了更高要求。从油井开采出的原油，是油、水、天然气等多相介质组成的混合物，处理这种混合物首先要进行气液分离，剩下的油水混合液体经脱水处理后得到含水率很低的成品油进行外输或销售。在原油气液分离、脱水处理等一系列生产活动中，需要及时准确地掌握原油中各相物质的含率情况及流量，以便控制生产过程，保证生产出合格的成品原油。因此，原油各相流量指标是石化行业石油采集、提炼及运输过程中一个重要参数，对原油进行油、气、水三相流量的准确在线检测在原油生产、贸易中有着重要作用。

传统三相计量方法，不论是直接在线式，还是先进行气液两相分离的部分分离式（如CN200720032795，CN200920032689），针对各相含率测量，均是采用容积法、密度法、射线法、差压法测量出气相含率，结合电容、密度、微波法、差压法或射线法进一步计算出油和水的比例（如：CN1112677，CN1186236，CN1789969，CN2359692，CN86105543A，CN2359692Y，CN1086602A，CN2383068Y）。以上含率测试除射线法，均属于接触测量，由于原油腐蚀性较强，结垢、结蜡严重，对常用材料有明显腐蚀，另外管道内部温度较高，压力很大，这些均对接触器件的耐腐性、耐温耐压性等提出了要求，一些接触式仪表长期运行可靠性差。而传统射线法利用²⁴¹Am、¹³³Ba、¹³⁷Cs等放射源发出的γ射线，能量单一，辐射危害持续存在，且存在贮源、倒源时的操作风险。

测得各相含率后，传统三相计量装置或者采用互相关算法和滑差模型计算各相流速从而得到流量，或者采用各式流量计（气体涡流流量计、皮囊流量计、容积式流量计，文丘里流量计等）并结合各相含率获得各相流量。目前所有多相流计量装置中，没有完全利用无接触式方式，通过含率和流速直接进行流量计量的设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种完全实现无接触式的多相流流量计，以用于油、水、气多相流流量计量，其对含率与流速测量均与样品无接触。

本发明提供的多相流流量计，包括各相含率测量装置和多相流速测量装置，所述各相含 率测量装置包括能够向多相流体中发射不同能量X射线的发射装置、探测从所述多相流体中出射的X射线的探测含率用探测器以及能够根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的处理器，所述处理器连接所述探测器。

优选地，所述多相流速测量装置包括能够对所述多相流某特征点在一段路径内采集两次出射X射线的闪烁体探测器阵列，所述多相流速测量装置能够对两次采集的出射信号进行相关运算，找出两次采集信号的渡越时间，进而计算出特征点的速度，即获得流速。

更优选地，所述相关运算的相关函数如下：

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}y\left(t\right)x(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

相关函数R_xy(τ)在τ=t₀时取最大值，t₀为信号渡越时间，流速即为υ=L/t₀。

优选地，根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的方法如下：在油水质量衰减系数相当的高能信号区，出射信号强度与多相流中液体含量直接相关，通过高能信号的衰减与气液含率变化的对应标定出气液比例；在油水质量衰减系数明显不同的低能信号区，出射信号强度与混合物中油水比例相关，通过低能信号的衰减与油水含率变化的对应标定出某固定液相质量高度中的油水比例，同时结合高低能区两组数据，得出完整的三相含率结果。

更优选地，油水质量衰减系数相当的高能信号区为90keV以上的高能信号区；油水质量衰减系数不同的低能信号区为65keV以下的低能信号区。

优选地，所述探测含率用探测器为半导体探测器。

另外，所述多相流各相含率测量装置和所述多相流各相含率测量方法也是本发明要保护的内容。

具体来讲，所述多相流各相含率测量装置包括能够向多相流体中发射不同能量X射线的发射装置、探测从所述多相流体中出射的X射线的探测器以及能够根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的处理器，所述处理器连接所述探测器。

所述多相流各相含率测量方法具体包括：向多相流体中发射不同能量X射线的发射装置、探测从所述多相流体中出射X射线，根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率。

优选地，根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的方法如下：存在油水质量衰减系数相当的高能信号区，此时出射信号强度与多相流中液体含量直接相关，能够通过高能信号的衰减与气液含率变化的对应标定出气液比例；也存在油水质量衰减系数明显不同的低能信号区，出射信号强度与混合物中油水比例相关，能够通过低能信号的衰减与油水含率变化的对应标定出某固定液相质量高度中的油水比例，同时结合高低能区两组数 据，得出完整的三相含率结果。

本发明提供的多相流流量计，不经过任何分离步骤即可达到计量目的，测量过程中与样品无接触，对管道内流体状态几乎不产生影响，并且在高含气、高凝点原油、高流速情况下依旧可以保持高准确性。本发明提供的多相流流量计，采用光机作为信号发射装置，发出连续能量的谱线，与物质存在多种作用效应，断电以后，就不再具有危害性。整套系统设计紧紧依附管道，占据空间小，并采用自主设计的控制和数据处理软件，测量过程可采用单点、连续、间歇多种方式，设定后自动记录，无需人员值守。系统的信号发射与接收装置采用了新型准直技术，既保证数据的代表性、实时性又便于辐射防护，另外，装配过程排除了电磁干扰，提高系统稳定性，测试结果可靠性得到进一步提高。

附图说明

图1为水、油、甲烷等物质的质量衰减系数随射线能量变化的趋势图。

图2为本发明多相流流量计的结构示意图

图3为本发明多相流流量计的原理示意图。

图4为利用第二探测器对同一质量高度，不同油水比例的样品进行测试的结果图，分别测量了6、7、8、9、10cm五个质量高度，6、7、8、9、10cm五个质量高度从上到下依次表示。

图5表示了测量2vol%、5vol%、10vol%、20vol%、30vol%含气量下，不同管道输运泵运转频率时的流速。

图中：1-X光机（即X射线发生器），2-第一探测器（线阵探测器），3-第二探测器（半导体探测器），4-第三探测器（线阵探测器）。

具体实施方式

下面首先描述本发明的多相流流量计的工作原理和具体实施方式，随后对其计量效果进行举例说明。

本发明的一个方面涉及多相流含率检测方法。该方法是基于光在物质中传播所遵循的朗伯定律：

$I=I_0{e}^{-\mathrm{\μ}\·1}=I_0{e}^{-{\mathrm{\μ}}_m\·\mathrm{\ρ}\·1}$

其中，I是出射光强度，I₀是入射光强度，μ是光在物质中的衰减系数（包含了散射衰减和吸收衰减），l是光在物质中传播路径长度，μ_m是光在物质中的质量衰减系数，ρ是物质密度，μ_m=μ/ρ。

不同物质对于不同能量电磁波（光也是一种电磁波）的衰减系数不同，当信号经过油、水、气混合物时，透过信号强度会随着油、水、气三相比例的变化而变化，从而可以根据对接收信号的分析计算获得各相物质的质量/体积百分含率。由于短波长的电磁波穿透能力较强，所以通常采用X、γ射线作为探测信号。

图1为水、油、甲烷等物质的质量衰减系数随射线能量变化的趋势图。从图1中看出，对于水、原油和甲烷等物质，当射线能量较低时（小于30keV），质量衰减系数相差较大，而当射线能量较高时（大于50keV），质量衰减系数的差别减小，射线能量更高时（大于90keV），质量衰减系数基本相同。

利用以上特点，本发明的多相流量计采用具备高能量分辨率的半导体探测器，结合能量谱线中高低能信号即可进行油、水、气三相含率的在线检测，不需要经过物相分离：在90keV以上的高能区，油水质量衰减系数相当，即等质量的油和水对高能信号的衰减一样，此时出射信号强度与三相流中液体体积/质量百分含量直接相关，所以可以通过高能信号的衰减与气液含率变化的对应标定出气液比例；在65keV以下的低能信号区，油水质量衰减系数明显不同，对于一定质量高度的油水两相混合物，出射信号强度与混合物中油水比例相关，所以可以通过低能信号的衰减与油水含率变化的对应标定出某固定液相质量高度中的油水比例。同时结合高低能区两组数据，从而得出完整的三相含率结果。

本发明的另一个方面涉及多相流流速的检测方法。采用互相关函数算法：对管道内某特征点在一段路径L内进行两次信号采集，并对两次采集的信号进行相关运算，找出两路采集信号的渡越时间，进而计算出特征点的速度，即获得流速。

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}y\left(t\right)x(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$

相关函数R_xy(τ)在τ=t₀时取最大值，t0为信号渡越时间，流速即为υ=L/t₀（视作匀速运动）。

本发明的多相流流量计可以采用一个半导体探测器同时测量油水气三相含率，利用一对同步触发的闪烁体探测器阵列测量流速。

下面结合图2具体介绍本发明的多相流流量计的一实施方式，所述细节不用于限制本发明的范围。

如图2所示，在多相流输送主管段相向放置一台X光机（X射线发生器）1和三台探测器，第一探测器2、第三探测器4为一对同步触发GOS闪烁体线阵探测器，第二探测器3为CZT半导体探测器，第一探测器2、第三探测器4分别放置在第二探测器3的两侧，也可放置在第二探测器3的同侧，第一探测器2、第三探测器4相距一定距离以保证流速测量的精度和代表性。

具体工作方式如图3所示，利用发生控制器调节X光机的管电压和出束电流，输出一定强度的100keV以上的X射线，射线经过测量管道（经过了前准直器和后准直器），在油、水、气混合物中发生衰减后被第二探测器接收，第二探测器在积分时间内的高低能量段计数与管道内油水气三相比例相关。管道内某特征点依次流经第一探测器、第三探测器，在第一探测器、第三探测器扫描图像上反应计算出渡越时间，该值与流速直接相关。为了保证特征点近似匀速地流过第一探测器、第三探测器之间，通常在探测器前段管道内装设一段多相流导流板，从而确保计量准确性。

油水气三相含率和流速数据实时传送至主控计算机（处理器）处理，结合同一时刻的两组数据，将计算得到完整的各相流量。

另外，X射线发生器与第二探测器可单独作为油水气三相含率检测系统测量多相流的各相含率，X射线发生器与第一探测器、第三探测器可单独作为测速系统。

系统设计中，在射线出射端和信号接收端均安装了准直器，利用铅皮对射线通道进行辐射防护制成屏蔽箱体，系统包括了控制和数据处理单元，配套专用软件，并采用远程传输装置在主控室对检测装置进行远程控制、数据采集与样品标定等。

以下列举利用图2所示装置进行多相流含率测量的过程和结果。

油水气三相含率检测

管道传输压力0.1MPa，内部温度40℃，进样主管道内径80mm。设置光机管电压120KV，管电流0.5mA。利用第二探测器高能端（100KeV左右）计数测量液相高度，从而得到气液比例；确定液相高度后，利用低能端（40KeV左右）和高能端比值测量油水比率。

测量了6、7、8、9、10cm五个质量高度的样品，探测器2测得的信号值统计如下：

表1

质量高度（cm）	6	7	8	9	10
						信号值	207.25	192.75	162.25	138.5	11525

根据数据线性拟合的结果为：

y=14.85-x/23.825

其中，y为质量高度，x为探测器2所测信号值。 

利用第二探测器对同一质量高度，不同油水比例的样品进行测试，一共测量了6、7、8、9、10cm五个质量高度，获得的规律结果如图4所示：6、7、8、9、10cm五个质量高度在图4中从上到下依次表示。

标定完毕，使用未知三相比例的盲样来检验算法的正确性。实验共采集了八组数据，读 入处理后得到表2所示结果。

表2三相盲样测试结果

从验证结果分析，对于三相含率检测，含气率的相对误差最高约16.5%，含油/含水绝对误差最高5%，精度优于业内7%的误差水平。

流速测量

第二探测器（半导体探测器）测量各相含率同时，第一探测器和第三探测器(探测器线阵探测器)同时进行流速测量。设置第一探测器和第三探测器积分时间3ms，同步线触发。分别测量2vol%、5vol%、10vol%、20vol%、30vol%含气量下，不同管道输运泵运转频率时的流速。

从结果看出，线阵测速值随着输运泵运转频率的增大而增大，相同频率下，低含气率测得的流速较高含气率的流速大，这与实际工况相符。

以上所述仅为本发明的典型实施方式，并非用来限定本发明的实施范围；在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员凡是依本发明内容所做出各种相应的变化与修改，都属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多相流流量计，包括各相含率测量装置和多相流速测量装置，其特征在于，所述各相含率测量装置包括能够向多相流体中发射不同能量X射线的发射装置、探测从所述多相流体中出射的X射线的探测含率用探测器以及能够根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的处理器，所述处理器连接所述探测器；所述多相流速测量装置包括能够对所述多相流某特征点在一段路径内采集两次出射X射线的闪烁体探测器阵列，所述多相流速测量装置能够对两次采集的出射信号进行相关运算，找出两次采集信号的渡越时间，进而计算出特征点的速度，即获得流速；所述相关运算的相关函数如下：

$R_{xy}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}x\left(t\right)y(t+\mathrm{\τ})dt=\frac{1}{T}{\∫}_0^{\mathrm{\τ}}y\left(t\right)x(t-\mathrm{\τ})dt$

相关函数R_xy(τ)在τ＝t₀时取最大值，t₀为信号渡越时间，流速即为υ＝L/t₀；

所述探测含率用探测器为半导体探测器。

2.根据权利要求1所述的多相流流量计，其特征在于，根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的方法如下：在油水质量衰减系数相当的高能信号区，出射信号强度与多相流中液体含量直接相关，通过高能信号的衰减与气液含率变化的对应标定出气液比例；在油水质量衰减系数明显不同的低能信号区，出射信号强度与混合物中油水比例相关，通过低能信号的衰减与油水含率变化的对应标定出某固定液相质量高度中的油水比例，同时结合高低能区两组数据，得出完整的三相含率结果；油水质量衰减系数相当的高能信号区为90keV以上的高能信号区；油水质量衰减系数不同的低能信号区为65keV以下的低能信号区。

3.多相流各相含率测量方法，其特征在于，向多相流体中发射不同能量X射线的发射装置、探测从所述多相流体中出射X射线，根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率；根据X射线的衰减与液体含量和油水比例的相关性而计算各相含率的方法如下：存在油水质量衰减系数相当的高能信号区，此时出射信号强度与多相流中液体含量直接相关，能够通过高能信号的衰减与气液含率变化的对应标定出气液比例；也存在油水质量衰减系数明显不同的低能信号区，出射信号强度与混合物中油水比例相关，能够通过低能信号的衰减与油水含率变化的对应标定出某固定液相质量高度中的油水比例，同时结合高低能区两组数据，得出完整的三相含率结果。