CN103323066A - 一种低含液率气液两相流测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低含液率气液两相流测量方法及测量系统，其中测量方法为：建立低含液率气液两相流组合测量模型，根据所述组合测量模型计算气相质量流量为W_G及液相质量流量为W_L。采用上述方案，可用于对凝析天然气的气液分相流量进行实时、在线测量，从而对气藏、气井以及天然气处理设备进行实时的监控和及时的操作优化，大大提高天然气生产管理水平和经济效益。

Description

一种低含液率气液两相流测量方法及测量系统

技术领域

本发明属于低含液率气液两相流测量技术领域，尤其涉及的是一种基于科氏效应与超声测速原理组合的低含液率气液两相流测量方法及测量系统。

背景技术

在石油、天然气工业中，凝析天然气一般是指在工作条件下气相体积含率大于90%，液相与其它组分体积含率小于10%的气井产出物。其中液相成份可能是由携带的和由于地面生产系统温度降低而凝析生成的烷烃类轻组分、饱和水以及为防止水合物形成而人工加入的注剂等组成；有时还有部分沙粒、铁屑等固相成份，所以凝析天然气计量属于特殊的多相流测量范畴，现有的计量技术一般将它简化为低含液率气液两相流的测量问题。

凝析天然气的气相体积含率高于90%，其中液体的存在使得常规的单相气体测量仪表无法可靠工作；在传统的分离法计量中，分离器也无法实现气液两相的完全分离，从而分离后的气体中仍然含有少量液体。自20世纪80年代后期开始，国内外不少的研究机构针对湿气的计量开展了大量的研究。到目前为止，虽然已有声称能够计量湿气的流量计，但是由于性价比低且缺少第三方检验等原因，并没有被石油公司所认可和接受，油田现场仍采用测试分离器配以单相流测量仪表的计量方式。基于测试分离器的计量方式存在工艺复杂、占据空间大、成本高等缺点，而且计量为间歇式（如测试频率为1次/天），从而无法对气藏、气井以及天然气处理设备进行实时的监控和及时的操作优化，大大限制了天然气生产管理水平和经济效益的提高。

现有的计量技术研究中通常把凝析天然气简化为低含液率气液两相流，并将其计量问题归结为低含液率气液两相流的双参数测量问题，其中双参数为气液分相流量或者某一相的流量和相含率。气液两相流动中存在着复杂多变的相界面，对流动机理的研究难度较大，两相流参数检测技术仍然属于一个亟待探索开发的领域。

针对气液两相流的参数检测，国内外研究人员所采取的技术路线主要有以下三类：（1）采用传统的单相流仪表与两相流参数测量模型相结合；（2）采用近代新技术，如激光多普勒测速技术、过程层析成像技术、全息技术等；（3）采用现代信息处理技术，如状态估计、参数辨识、模型识别、人工神经网络等建立软测量模型。

以上技术路线（1）将成熟的单相流测量原理和方法与气液两相流理论相结合，通过建立气液两相流参数测量模型对单相流测量结果进行修正，实现气液两相流的双参数测量。以上技术路线（2）和（3）所涉及的新型检测技术和信息处理方法在气液两相流参数检测方面的优势在于能够提供更丰富的流场信息，在特定的流动条件下能够达到较高的测量精度；但是其劣势在于这些新技术和新方法所需要的设备复杂且价格较高，软测量模型适用范围有限且模型参数往往需要在线标定。

依据所直接测量的参数的不同，常规的单相流流量测量仪表分为：速度式、质量式和容积式。速度式流量计包括：直接测量流速的电磁流量计、超声波流量计、相关流量计等和将流速变换为差压、位移、转速、频率等信号的差压式流量计、浮子流量计、涡轮流量计、涡街流量计等。质量式流量计能够直接测量流体的质量，如科氏流量计。

应用差压式流量计时所采用的节流元件主要有孔板、槽式孔板、文丘里管及改进的文丘里管和V型内锥等，气液两相同时流过节流元件时所产生的差压相对于等量的单相气体流过时会有所不同，从而使单相流量计对气相流量产生“过读”，研究中通常建立基于“过读”相关式的气液两相流参数测量模型来实现对气相流量测量值的修正。目前所提出的“过读”相关式均为在一定理论假设和实验条件下得到的半经验模型，因此在实际应用中需要依据实际工作条件作进一步修正，可见模型的通用性较差。

涡轮流量计具有可移动的部件——涡轮，在气液两相流条件下液体有时会在涡轮处产生“液塞”，对涡轮叶片产生断续的冲击，使得涡轮叶片的磨损非常严重。对应用涡街流量计进行气液两相流测量的研究主要集中在较低的液相含率条件下，此时涡街流量计能够产生稳定的、重复性较好“过读”，而在液相含率较高时，实验数据表明流量计的“过读”重复性很差，难以建立稳定的“过读”模型。

基于单相流测量原理，采用传统的单相流仪表仅能获得气液两相流双参数中的一个，而另一参数仍需要通过其他手段获得。因此，“组合测量”的方法，即基于两个不同的单相流测量原理有机组合以实现对双参数的测量是一有效途径。

英国Solartron公司开发了基于“混合器+双文丘里管”的凝析天然气流量计。混合器的作用是使气液相之间的速度差尽可能小，管道截面的气液相分布尽可能均匀，利用多相流体力学的均相流模型对不同流量系数的文丘里管上得到的差压信号进行运算，获得气相质量含率，然后由所测混合物总质量流量计算得到气液相分相质量流量。置信概率为90%时，气相测量精度为±3%，液相精度为±7%，基本满足生产计量需求。但是，混合器的存在大大增加了流量计的压力损失，限制了该流量计可应用的流量范围；用于组合测量的一次测量元件均为文丘里管，测量原理相同，测量特性的差异性较弱，限制了该流量计流量参数测量精度的提高。

中国专利CN101382445B和CN101413817B分别发明了基于锥形节流装置和文丘里节流装置组合的双差压节流湿气测量装置和利用双节流装置实现的湿气测量方法。以上两个专利所涉及的湿气测量装置和方法采用了内锥与文丘里两种基于不同节流原理的测量元件，两个节流元件的测量特性形成了较强的差异性。该测量装置和方法的缺点在于：上游节流元件对所测量的气液两相流产生干扰，具有不同几何参数的节流元件在不同流动条件下对两相流动过程和流动特性产生不同程度的复杂的影响，从而为下游节流元件的测量过程引入噪声，限制了该湿气测量装置所适用的流动条件范围和流动参数测量精度的提高。

中国专利CN101715546B发明了一种基于科氏流量计和压差流量计组合的湿气测量方法。科氏流量计和压差流量计基于两种不同的单相流测量原理，两种原理的流量测量特性差异较大。在模型算法方面，该测量方法将科氏流量计的表观输出值作为预先训练后的神经网络的输入，神经网络通过对表观输出值进行处理，输出校正后的测量值。神经网络作为数据处理模型，其缺点在于：模型泛化能力较差，其适用范围局限于训练数据所覆盖的范围；模型物理意义不明确，其输出会出现无物理意义的异常值。压差式流量计以节流元件为一次测量元件，其缺点在于：节流元件对所测量的气液两相流产生干扰，具有不同几何参数的节流元件在不同流动条件下对两相流动过程和流动特性产生不同程度的影响，从而为下游科氏流量计的测量过程引入噪声，限制了该湿气测量方法所适用的流动条件范围和流动参数测量精度的提高。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于科氏效应与超声测速原理组合的低含液率气液两相流测量方法及测量系统。

本发明的技术方案如下：

一种低含液率气液两相流测量方法，其中，建立低含液率气液两相流组合测量模型，根据所述组合测量模型计算气相质量流量为W_G及液相质量流量为W_L。

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，所述组合测量模型包括基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型及基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型。

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，所述基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型的计算公式为公式18：

其中组合测量模型设定为水平放置的管道模型，超声波流量计的探头为A和B，其中，A探头位于管道模型的左下方，B探头位于管道模型的右上方，探头A和B位于同一水平面，且A和B的连线与管道中心轴线相交，均可接收和发射超声波，设A和B之间的距离为L，C为管道内流体流速为零时的超声波传播速度，V为超声波传播路径上流体的平均速度，θ为超声波传播路径与V之间的夹角（锐角），t₁和t₂分别为超声波由A到B和由B到A传播时所需的时间，A_G和A_L分别为气相和液相所占据的管道横截面积，其中管道总横截面积为A，管道内直径为D，由超声波流量计工作原理给出公式1、公式2及公式3：

公式1：t₁=L/(C+Vcosθ)

公式2：t₂=L/(C-Vcosθ)

公式3： $V=\frac{D}{\sin \left(2\mathrm{\θ}\right)}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

x为气相质量含率，x的计算公式为公式4：

α为气相体积截面含率，α的计算公式为公式5：设定实际条件下真实的气相体积流量为Q_G，超声波流量计的测量输出值为Q_GU，实际的气体密度为ρ_G，则有如下计算公式6：

$\frac{Q_{\mathrm{GU}}}{Q_G}=\frac{V*A}{V*A_G}=\frac{1}{\mathrm{\α}}$

由公式4和5以及滑移比S的定义可知：α可表示为x的函数，如公式9所示：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)S}$

其中S为气液两相之间的滑移比，定义为公式10：

$S=\frac{w_G}{w_L}$

其中w_G和w_L分别为气相和液相的平均流动速度，滑移比S由公式11至公式17之一计算，其中ρ_G为气体的密度，其计算公式为公式8：

其中，ρ_G0为标准状况下气体的密度，P₀=101325Pa，T₀=293.15K，P和T分别为压力变送器和温度变送器的实际测量值；ρ_L为液相流体的密度，μ_G和μ_L分别为气相和液相流体的动力粘度，在实际测量情况下ρ_L、μ_G和μ_L为已知量：

公式11： $S=0.28{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.36}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{-0.64}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_L}{{\mathrm{\μ}}_G}\right)}^{0.07}$

公式12： $S={\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{-1/3}$

公式13： $S={\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.26}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_L}{{\mathrm{\μ}}_G}\right)}^{0.13}$

公式14： $S={[1-x(1-\frac{{\mathrm{\ρ}}_L}{{\mathrm{\ρ}}_G})]}^{0.5}$

公式15： $S=2.22{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{-0.35}$

公式16： $S=0.18{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.4}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{-0.67}{\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_L}{{\mathrm{\μ}}_G}\right)}^{0.07}$

公式17： $S=0.26{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.33}{\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_L}\right)}^{-0.67}.$

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型根据洛克哈特-马蒂内利参数的范围选择不同的计算公式，洛克哈特-马蒂内利参数表达式为公式20：

当洛克哈特-马蒂内利参数为0<X≤0.3时，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型采用计算公式为公式19：W_C=K₁*X+K₂*W_G+K₃，其中W_C为科氏流量计的质量流量测量输出值；当洛克哈特-马蒂内利参数为0.3<X≤1.1时，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型采用计算公式为公式21：ρ_C=K₄*X+K₅，其中ρ_C为科氏流量计的密度测量输出值。上述公式中，K₁、K₂和K₃及K₄和K₅通过对实验数据进行处理获得。

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，根据洛克哈特-马蒂内利参数的范围不同组合测量模型有两种不同的形式，当洛克哈特-马蒂内利参数为0<X≤0.3时，组合测量模型为联立公式18和公式19，从而得到组合测量模型之一，即公式22： $\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ W_C=K_1*X+K_2*W_G+K_3\end{array}\right.,$ 公式22中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过公式22得出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将得出的W_G和x代入x的计算公式4，从而解出液相质量流量W_L；当洛克哈特-马蒂内利参数为0.3<X≤1.1时，组合测量模型为联立公式18和公式21，从而得到组合测量模型之二，即公式23， $\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{Gu}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ {\mathrm{\&rho;}}_C=K_4*X+K_5\end{array}\right.,$ 公式23中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过求解公式23中得出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将得出的W_G和x代入x的计算公式4，从而计算得出液相质量流量W_L。

所述的应用一种低含液率气液两相流测量方法的测量系统，其中，包括基于超声测速原理的非接触式气相体积流量测量单元、基于科氏效应的气相质量含率测量单元、压力变送器和流量计算机相互连接。

所述的测量系统，其中，所述气相体积流量测量单元为单通道超声波流量计；所述气相质量含率测量单元为科氏流量计。

所述的测量系统，其中，所述科氏流量计提供温度输出。

所述的测量系统，其中，还包括温度变送器与所述流量计算机相连接。

采用上述方案，具有以下优势：

1、基于超声测速原理的超声波流量计对流体流速进行无接触测量，不会对气液两相流动过程产生附加干扰，从而在组合测量过程中不会为另一测量过程引入噪声，可提高测量精度。

2、基于超声测速原理的超声波流量计对流体流速进行无接触测量，与节流元件相比，不会产生附加压力损失，从而可增加测量范围。

3、基于科氏效应的科氏流量计具有可测量多个参数的特点，如质量流量和密度，多参数输出的特点为组合测量模型中组合方式的选择提供更多的自由度，从而可依据不同的测量条件选择不同的组合方式建立不同的组合模型，可增加测量范围，提高测量精度。

4、可用于对凝析天然气的气液分相流量进行实时、在线测量，从而对气藏、气井以及天然气处理设备进行实时的监控和及时的操作优化，大大提高天然气生产管理水平和经济效益。

附图说明

图1为本发明低含液率气液两相流测量系统的示意图；

图2a为本发明单通道超声波流量计探头水平安装时的俯视图；

图2b为本发明单通道超声波流量计探头水平安装时的右视图；

图3为本发明方法中W_C-K₂*W_G与X之间的关系图；

图4为本发明方法中ρ_C与X之间的关系图；

图5为本发明方法中组合测量模型计算所得的气相质量流量与真实气相质量流量之间的关系图；

图6为本发明方法中组合测量模型计算所得的液相质量流量与真实气相质量流量之间的关系图；

图7为本发明方法中组合测量模型计算所得的气相质量流量的相对误差与气相质量流量之间的关系图；

图8为本发明方法中组合测量模型计算所得的液相质量流量的相对误差与液相质量流量之间的关系图；

图9为本发明方法中组合测量模型计算所得的气相质量流量的相对误差与L-M参数之间的关系图；

图10为本发明方法中组合测量模型计算所得的液相质量流量的相对误差与L-M参数之间的关系图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1-图10所示，本发明提出了将用于测量单相流的科氏流量计和超声波流量计进行组合，基于科氏效应与超声测速原理组合的低含液率气液两相流的双参数测量方法。包括测量系统和测量模型，针对水平管内气液两相分层流和环状流，可以用于凝析天然气的气相流体和液相流体的分相流量测量。

本发明的方法采用的测量系统包括基于超声测速原理的非接触式气相体积流量测量单元102、基于科氏效应的气相质量含率测量单元103、压力变送器101、温度变送器104和流量计算机105。其中气相体积流量测量单元102可为单通道超声波流量计，气相质量含率测量单元103可为科氏流量计，当科氏流量计提供温度输出时，可以省去温度变送器104。

本发明的方法采用的测量模型详述如下：

1、基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型：

本发明所述的低含液率气液两相流为分层流或者环状流，采用单通道超声波流量计对气相体积流量进行测量。超声波流量计的探头为A和B，其中，A探头位于管道模型的左下方，B探头位于管道模型的右上方，探头A和B位于同一水平面，且探头A和B的连线与管道中心轴线相交，探头A和B均可接收和发射超声波。在图2b显示出气液两相流为分层流时液相202与探头之间的相对位置，其中图2b中A和B为超声波流量计的探头，均可接收和发射超声波，A和B之间的距离为L，C为管道内流体流速为零时的超声波传播速度，V为超声波传播路径上流体的平均速度，θ为超声波传播路径与V之间的夹角（锐角），t₁和t₂分别为超声波由A到B和由B到A传播时所需的时间，A_G和A_L分别为气相和液相所占据的管道横截面积（管道总横截面积为A=A_G+A_L），管道内直径为D。

由超声波流量计工作原理给出如下表达式(1)-(3)：

t₁=L/(C+Vcosθ)    （1）

t₂=L/(C-Vcosθ)    （2）

$V=\frac{D}{\sin \left(2\mathrm{\&theta;}\right)}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})---\left(3\right)$

设气液两相流中气相质量流量为W_G，液相质量流量为W_L，气相质量流量在气液两相流总质量流量中的比例为气相质量含率，表示为x，x由计算式(4)定义，α为气相体积截面含率（由计算式(5)定义）。

$x=\frac{W_G}{W_G+W_L}---\left(4\right)$

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{A_G}{A}=\frac{A_G}{A_G+A_L}---\left(5\right)$

设实际条件下真实的气相体积流量为Q_G，超声波流量计的测量输出值为Q_GU，实际的气体密度为ρ_G，基于超声波流量计的工作原理并结合图2，可得计算式（6），由体积流量和质量流量的关系可得计算式（7），由理想气体的性质可得计算式（8）。

$\frac{Q_{\mathrm{GU}}}{Q_G}=\frac{V*A}{V*A_G}=\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}---\left(6\right)$

W_G=Q_G*ρ_G    （7）

${\mathrm{\&rho;}}_G={\mathrm{\&rho;}}_{G0}*\frac{P}{P_0}*\frac{T_0}{T}---\left(8\right)$

ρ_G0为标准状况下气体的密度（标准状况P₀=101325Pa，T₀=293.15K），P和T分别为压力和温度变送器的实际测量值。

由式(4)和(5)以及滑移比S的定义可知：α可表示为x的函数，如式(9)所示：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)S}---\left(9\right)$

S为气液两相之间的滑移比，定义为：

$S=\frac{w_G}{w_L}---\left(10\right)$

其中w_G和w_L分别为气相和液相的平均速度。滑移比S可以由式(11)-(17)之一计算（其中x为气相质量含率，ρ_G为气相流体的密度，由式（8）计算，ρ_L为液相流体的密度，μ_G和μ_G分别为气相和液相流体的动力粘度，在实际测量情况下ρ_L、μ_G和μ_G均为已知量）：

$S=0.28{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.36}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.64}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}---\left(11\right)$

$S={\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-1/3}---\left(12\right)$

$S={\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.26}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.13}---\left(13\right)$

$S={[1-x(1-\frac{{\mathrm{\&rho;}}_L}{{\mathrm{\&rho;}}_G})]}^{0.5}---\left(14\right)$

$S=2.22{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.35}---\left(15\right)$

$S=0.18{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.4}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.67}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}---\left(16\right)$

$S=0.26{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.33}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.67}.---\left(17\right)$

综合以上表达式可得基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型，如下：

$W_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}---\left(18\right)$

式(18)中气相质量流量W_G和气相质量含率x为未知量，x由基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型提供，S由式(11)-(17)之一计算。

2、基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型

基于科氏效应的气相质量含率测量单元采用科氏流量计，科氏流量计至少有两个输出参数，分别为：质量流量测量输出值W_C和密度测量输出值ρ_C。

通过对测试数据进行处理发现科氏流量计的气相质量流量测量输出值W_C与L-M参数（Lockhart-Martinelli参数，即洛克哈特-马蒂内利参数，表示为X）之间存在以下关系：

W_C=K₁*X+K₂*W_G+K₃    （19）

式中系数K₁、K₂和K₃通过测试数据进行确定，L-M参数的表达式为：

$X=\frac{1-x}{x}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}}---\left(20\right)$

通过对测试数据进行处理发现科氏流量计的密度测量输出值ρ_C与L-M参数之间存在以下关系：

ρ_C=K₄*X+K₅    （21）

式中系数K₄和K₅通过测试数据进行确定。

式(19)和(21)均为基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型。

3、基于科氏效应和超声测速原理组合的测量模型之一

综合表达式(18)和(19)得到组合测量模型之一如下：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ W_C=K_1*X+K_2*W_G+K_3\end{array}\right.---\left(22\right)$

其中，滑移比S由式（11）-（17）之一计算，L-M参数X由式（20）计算，x由式（4）计算。

组合测量模型之一的方程组（22）中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过求解方程组（22）解出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将解出的W_G和x代入x的计算式（4），从而解出液相质量流量W_L。总之，通过对组合测量模型之一进行求解，可获得低含液率气液两相流的气相质量流量和液相质量流量。

4、基于科氏效应和超声测速原理组合的测量模型之二

综合表达式(18)和(21)得到组合测量模型之二如下：

$\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{Gu}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ {\mathrm{\&rho;}}_C=K_4*X+K_5\end{array}\right.---\left(23\right)$

其中，滑移比S由式（11）-（17）之一计算，L-M参数X由式（20）计算，x由式（4）计算。

组合测量模型之二的方程组（23）中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过求解方程组（23）解出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将解出的W_G和x代入x的计算式（4），从而解出液相质量流量W_L。总之，通过对组合测量模型之二进行求解，可获得低含液率气液两相流的气相质量流量和液相质量流量。

实施例2

如图1-图10所示，在上述实施例的基础上，管道系统压力（绝压）为0.2MPa，管道直径为50mm，沿流动方向依次安装压力变送器、单通道超声波流量计、科氏流量计。科氏流量计可以提供流体的温度测量值。

图3所示为基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型式(19)中所涉及的W_C-K₂*W_G与X之间的关系。在此实例中，通过对测试数据进行线性拟合获得系数K₁、K₂、和K₃的值，在此实施例中，K₁=2363，K₂=1.5，K₃=-280。

图4所示为基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型式(21)中所涉及的ρ_C与X之间的关系，在此实例中，通过对测试数据进行线性拟合获得系数K₄和K₅的值，在此实施例中，K₄=71.5，K₅=2.2。

在此实施例中，基于超声测速原理的气液两相流测量模型中滑移比S由式(11)计算。

综上，此实施例中的组合测量模型如下：

当0<X≤0.3时，

$\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*0.28*{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.36}*{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.64}*{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}}\\ W_G=2363*\frac{1-x}{x}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}}+1.5*W_G-280\end{array}\right.---\left(24\right)$

当0.3<X≤1.1时，

$\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*0.28*{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.36}*{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.64}*{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}}\\ {\mathrm{\&rho;}}_C=71.5*\frac{1-x}{x}\sqrt{\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}}+2.2\end{array}\right.---\left(25\right)$

需要注意的是，在此实施例中X的范围是：0<X≤1.1。

以上组合测量模型的求解步骤如下：

令F=(1-x)/x，从而组合测量模型的变量成为W_G和F，通过求解得到的F计算x，进而再通过求解得到的W_G和x计算出W_L，即最终的气相质量流量和液相质量流量。

①假设0.3<X≤1.1，选用式(25)作为计算模型进行求解；通过对式(25)的第二个方程进行整理，用ρ_C表示F，即可求解出F。

②由求解出的F结合式（20）计算出X，判断0.3<X≤1.1是否成立；若成立则接受F的计算值，再由F计算获得x，然后将F代入式(25)的第一个方程并求解获得W_G，进而通过x和W_G计算得到W_L，若不成立则放弃以上计算结果，再选用式(24)作为计算模型。

③应用式(24)作为计算模型，首先通过对式(24)的第二个方程进行整理，用W_G表示F，然后将F的表达式代入式(24)的第一个方程中，得到W_G=f(W_G)的方程形式，进而应用迭代法求解得出W_G，然后通过F的表达式求得F，由F计算获得x，进而通过x和W_G计算得到W_L。

图5为此实施例中组合测量模型计算所得的气相质量流量与真实气相质量流量之间的关系图，图中显示了±5%的相对误差限。

图6为此实施例中组合测量模型计算所得的液相质量流量与真实气相质量流量之间的关系图，图中显示了±5%的相对误差限。

图7为此实施例中组合测量模型计算所得的气相质量流量的相对误差与气相质量流量之间的关系图。

图8为此实施例中组合测量模型计算所得的液相质量流量的相对误差与液相质量流量之间的关系图。

图9为此实施例中组合测量模型计算所得的气相质量流量的相对误差与L-M参数之间的关系图。

图10为此实施例中组合测量模型计算所得的液相质量流量的相对误差与L-M参数之间的关系图。

实施例3

在上述实施例的基础上，如图1-图10所示，本发明提供一种低含液率气液两相流测量方法，其中，建立低含液率气液两相流组合测量模型，根据所述组合测量模型计算气相质量流量为W_G及液相质量流量为W_L。

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，所述组合测量模型包括基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型及基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型。

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，所述基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型的计算公式为公式18：

其中组合测量模型设定为水平放置的管道模型，超声波流量计的探头为A和B，其中，A探头位于管道模型的左下方，B探头位于管道模型的右上方，探头A和B位于同一水平面，且A和B的连线与管道中心轴线相交，均可接收和发射超声波，设A和B之间的距离为L，C为管道内流体流速为零时的超声波传播速度，V为超声波传播路径上流体的平均速度，θ为超声波传播路径与V之间的夹角（锐角），t₁和t₂分别为超声波由A到B和由B到A传播时所需的时间，A_G和A_L分别为气相和液相所占据的管道横截面积，其中管道总横截面积为A，管道内直径为D，由超声波流量计工作原理给出公式1、公式2及公式3：

公式1：t₁=L/(C+Vcosθ)

公式2：t₂=L/(C-Vcosθ)

公式3： $V=\frac{D}{\sin \left(2\mathrm{\&theta;}\right)}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

x为气相质量含率，x的计算公式为公式4：

α为气相体积截面含率，α的计算公式为公式5：

设定实际条件下真实的气相体积流量为Q_G，超声波流量计的测量输出值为Q_GU，实际的气体密度为ρ_G，则有如下计算公式6：

$\frac{Q_{\mathrm{GU}}}{Q_G}=\frac{V*A}{V*A_G}=\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}$

由公式4和5以及滑移比S的定义可知：α可表示为x的函数，如公式9所示：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)S}$

其中S为气液两相之间的滑移比，定义为公式10：

$S=\frac{w_G}{w_L}$

其中w_G和w_L分别为气相和液相的平均流动速度，滑移比S由公式11至公式17之一计算，其中ρ_G为气体的密度，其计算公式为公式8：

其中，ρ_G0为标准状况下气体的密度，P₀=101325Pa，T₀=293.15K，P和T分别为压力变送器和温度变送器的实际测量值；ρ_L为液相流体的密度，μ_G和μ_L分别为气相和液相流体的动力粘度，在实际测量情况下ρ_L、μ_G和μ_L为已知量：

公式11： $S=0.28{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.36}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.64}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}$

公式12： $S={\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-1/3}$

公式13： $S={\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.26}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.13}$

公式14： $S={[1-x(1-\frac{{\mathrm{\&rho;}}_L}{{\mathrm{\&rho;}}_G})]}^{0.5}$

公式15： $S=2.22{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.35}$

公式16： $S=0.18{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.4}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.67}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}$

公式17： $S=0.26{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.33}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.67}.$

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型根据洛克哈特-马蒂内利参数的范围选择不同的计算公式，洛克哈特-马蒂内利参数表达式为公式20：

当洛克哈特-马蒂内利参数为0<X≤0.3时，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型采用计算公式为公式19：W_C=K₁*X+K₂*W_G+K₃，其中W_C为科氏流量计的质量流量测量输出值；当洛克哈特-马蒂内利参数为0.3<X≤1.1时，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型采用计算公式为公式21：ρ_C=K₄*X+K₅，其中ρ_C为科氏流量计的密度测量输出值。上述公式中，K₁、K₂和K₃及K₄和K₅通过对实验数据进行处理获得。

所述的低含液率气液两相流测量方法，其中，根据洛克哈特-马蒂内利参数的范围不同组合测量模型有两种不同的形式，当洛克哈特-马蒂内利参数为0<X≤0.3时，组合测量模型为联立公式18和公式19，从而得到组合测量模型之一，即公式22： $\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ W_C=K_1*X+K_2*W_G+K_3\end{array}\right.,$ 公式22中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过公式22得出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将得出的W_G和x代入x的计算公式4，从而解出液相质量流量W_L；当洛克哈特-马蒂内利参数为0.3<X≤1.1时，组合测量模型为联立公式18和公式21，从而得到组合测量模型之二，即公式23， $\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{Gu}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ {\mathrm{\&rho;}}_C=K_4*X+K_5\end{array}\right.,$ 公式23中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过求解公式23中得出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将得出的W_G和x代入x的计算公式4，从而计算得出液相质量流量W_L。

所述的应用一种低含液率气液两相流测量方法的测量系统，其中，包括基于超声测速原理的非接触式气相体积流量测量单元、基于科氏效应的气相质量含率测量单元、压力变送器和流量计算机相互连接。

所述的测量系统，其中，所述气相体积流量测量单元为单通道超声波流量计；所述气相质量含率测量单元为科氏流量计。

所述的测量系统，其中，所述科氏流量计提供温度输出。

所述的测量系统，其中，还包括温度变送器与所述流量计算机相连接。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种低含液率气液两相流测量方法，其特征在于，建立低含液率气液两相流组合测量模型，根据所述组合测量模型计算气相质量流量为W_G及液相质量流量为W_L。

2.如权利要求1所述的低含液率气液两相流测量方法，其特征在于，所述组合测量模型包括基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型及基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型。

3.如权利要求1所述的低含液率气液两相流测量方法，其特征在于，所述基于超声测速原理的低含液率气液两相流测量子模型的计算公式为公式18：

其中组合测量模型设定为水平放置的管道模型，超声波流量计的探头为A和B，其中，A探头位于管道模型的左下方，B探头位于管道模型的右上方，探头A和B位于同一水平面，且A和B的连线与管道中心轴线相交，均可接收和发射超声波，设A和B之间的距离为L，C为管道内流体流速为零时的超声波传播速度，V为超声波传播路径上流体的平均速度，θ为超声波传播路径与V之间的夹角（锐角），t₁和t₂分别为超声波由A到B和由B到A传播时所需的时间，A_G和A_L分别为气相和液相所占据的管道横截面积，其中管道总横截面积为A，管道内直径为D，由超声波流量计工作原理给出公式1、公式2及公式3：

公式1：t₁=L/(C+Vcosθ)

公式2：t₂=L/(C-Vcosθ)

公式3： $V=\frac{D}{\sin \left(2\mathrm{\&theta;}\right)}(\frac{1}{t_1}-\frac{1}{t_2})$

x为气相质量含率，x的计算公式为公式4：

α为气相体积截面含率，α的计算公式为公式5：

设定实际条件下真实的气相体积流量为Q_G，超声波流量计的测量输出值为Q_GU，实际的气体密度为ρ_G，则有如下计算公式6：

$\frac{Q_{\mathrm{GU}}}{Q_G}=\frac{V*A}{V*A_G}=\frac{1}{\mathrm{\&alpha;}}$

由公式4和5以及滑移比S的定义可知：α可表示为x的函数，如公式9所示：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{1}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)S}$

其中S为气液两相之间的滑移比，定义为公式10：

$S=\frac{w_G}{w_L}$

其中w_G和w_L分别为气相和液相的平均流动速度，滑移比S由公式11至公式17之一计算，其中ρ_G为气体的密度，其计算公式为公式8：

其中，ρ_G0为标准状况下气体的密度，P₀=101325Pa，T₀=293.15K，P和T分别为压力变送器和温度变送器的实际测量值；ρ_L为液相流体的密度，μ_G和μ_L分别为气相和液相流体的动力粘度，在实际测量情况下ρ_L、μ_G和μ_L为已知量：

公式11： $S=0.28{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.36}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.64}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}$

公式12： $S={\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-1/3}$

公式13： $S={\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.26}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.13}$

公式14： $S={[1-x(1-\frac{{\mathrm{\&rho;}}_L}{{\mathrm{\&rho;}}_G})]}^{0.5}$

公式15： $S=2.22{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.35}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.35}$

公式16： $S=0.18{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.4}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.67}{\left(\frac{{\mathrm{\&mu;}}_L}{{\mathrm{\&mu;}}_G}\right)}^{0.07}$

公式17： $S=0.26{\left(\frac{1-x}{x}\right)}^{-0.33}{\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)}^{-0.67}.$

4.如权利要求1所述的低含液率气液两相流测量方法，其特征在于，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型根据洛克哈特-马蒂内利参数的范围选择不同的计算公式，洛克哈特-马蒂内利参数表达式为公式20：

当洛克哈特-马蒂内利参数为0<X≤0.3时，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型采用计算公式为公式19：W_C=K₁*X+K₂*W_G+K₃，其中W_C为科氏流量计的质量流量测量输出值；当洛克哈特-马蒂内利参数为0.3<X≤1.1时，所述基于科氏效应的低含液率气液两相流测量子模型采用计算公式为公式21：ρ_C=K₄*X+K₅，其中ρ_C为科氏流量计的密度测量输出值。上述公式中，K₁、K₂和K₃及K₄和K₅通过对实验数据进行处理获得。

5.如权利要求1所述的低含液率气液两相流测量方法，其特征在于，根据洛克哈特-马蒂内利参数的范围不同组合测量模型有两种不同的形式，当洛克哈特-马蒂内利参数为0<X≤0.3时，组合测量模型为联立公式18和公式19，从而得到组合测量模型之一，即公式22： $\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{GU}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ W_C=K_1*X+K_2*W_G+K_3\end{array}\right.,$ 公式22中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过公式22得出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将得出的W_G和x代入x的计算公式4，从而解出液相质量流量W_L；当洛克哈特-马蒂内利参数为0.3<X≤1.1时，组合测量模型为联立公式18和公式21，从而得到组合测量模型之二，即公式23， $\left\{\begin{array}{c}{W}_G=\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G*Q_{\mathrm{Gu}}}{1+\left(\frac{1-x}{x}\right)*\left(\frac{{\mathrm{\&rho;}}_G}{{\mathrm{\&rho;}}_L}\right)*S}\\ {\mathrm{\&rho;}}_C=K_4*X+K_5\end{array}\right.,$ 公式23中有两个未知数，即气相质量流量W_G和气相质量含率x，首先通过求解公式23中得出气相质量流量W_G和气相质量含率x，再将得出的W_G和x代入x的计算公式4，从而计算得出液相质量流量W_L。

6.如权利要求1所述的应用一种低含液率气液两相流测量方法的测量系统，其特征在于，包括基于超声测速原理的非接触式气相体积流量测量单元、基于科氏效应的气相质量含率测量单元、压力变送器和流量计算机相互连接。

7.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述气相体积流量测量单元为单通道超声波流量计；所述气相质量含率测量单元为科氏流量计。

8.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述科氏流量计提供温度输出。

9.如权利要求6所述的测量系统，其特征在于，还包括温度变送器与所述流量计算机相连接。

Images