CN103460032A - 测量油水混合物中水的质量分数的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用于测量通过管道的油与水的流动混合物中水和油的质量分数的装置，所述装置包括用于第一次和第二次测量流动油水混合物的声速和温度的传感器部分。所述装置包括与流动流体热连通的温度变换器，所述变换器使所述流动油水混合物在第一次和第二次测量之间的温度发生数值可测的变化。一种用于测量通过管道的油与水的流动混合物中水的质量分数的方法，所述方法包含使用传感器部分来第一次测量流动油水混合物的声速和温度的步骤。

Description

测量油水混合物中水的质量分数的方法和装置

相关申请案的交叉引用

本发明为于2009年3月24日递交的第12/383,431号美国专利申请案的部分继续申请案，在此通过援引将其纳入本文中。

技术领域

本发明涉及对通过管道的油与水的流动混合物中水和油的质量分数进行测量。（如本文所使用，对“本发明”或“发明”的参考涉及示例性的实施例是示例性的并且不一定涉及所附权利要求书涵盖的每个实施例）。具体而言，本发明涉及对流动混合物中水和油的质量分数进行测量，其中温度变换器使流动油水混合物在第一次和第二次测量之间的温度以可测量的量发生改变，从而可通过因为已知的温度变化而发生的混合物的声速变化来确定质量分数。

背景技术

本部分意在向读者介绍可能与本发明的各个方面相关联的所属领域的各个方面。以下论述意在提供信息以便于更好地理解本发明。因此，应当理解的是，应根据这一点来阅读以下论述中的陈述，而不应当将其理解为对现有技术的认可。

近年来，对精确测量含水率（原油中水的含量相对于混合物总量的体积分数）的需求正在不断增加。此类需求增加的原因在于从枯竭油田中提取原油所使用的水和蒸汽的量不断增加，以及使用油轮将原油运抵远离油田的精炼厂所需的运输量的增加，运油船常常通过将海水引入储油罐中来维持标称固定压载状态。

经证实，精确测量含水率十分困难：

1.市场上存在致力于将油水混合物的电容与含水率相互关联的若干种系统。但是，这些系统中存在若干技术难题：（a）如果含水率较高，那么混合物的电导就变得较高，此时电容就不再是测量含水率的好方法；以及（b）电极间的电容（或电阻）的关系可能无法反映流动流体中水的真正的质量分数或体积分数，这是因为相的分布与静电场强度无关。

2.实验表明，在某些情况下，油水混合物的声速测量可用于表示混合物中水和油的质量分数。然而，此方法存在若干缺陷：（a）需要精确测量两相中的每一相的声速和比重，以及（b）随着一相的声速和比重接近另一相的声速和比重，该方法变得越来越不精确（该情况可在重质原油中出现）。

3.许多人依赖对流动的工艺流体进行分批取样来测量含水率，其中对相的分离和测重在线下进行。该方法具有若干明显的缺陷：（a）该方法是劳动密集型的；（b）难以对样本代表总体的良好程度的不确定性进行约束，以及（c）无法实时获取样本数据以响应含水率的突然变化而采取相应措施。

本发明的含水率的测量利用了上述技术2的技术，但通过其独特且迄今为止未被采用的方法克服了该技术以及其他技术的缺陷。

发明内容

本发明涉及油水混合物中水的质量分数的测量。该测量是使用超声波转换器来完成的。该测量所依据的事实是质量分数与已知的温度变化所引起的混合物的声速变化有关。

附图说明

附图体现了本发明的优选实施例和实现本发明的优选方法，其中：

图1示出了声速（60华氏度）相对于含水率（%）的变化。

图2示出了1000psia下声速与纯水的温度的关系。

图3示出了纯水的单位流体温度变化所引起的声速变化。

图4示出了几种原油的声速与温度的关系。

图5示出了灵敏度分布：55种原油的声速与温度比。

图6示出了重质原油每华氏度对应的水油混合物的声速变化。

图7示出了中质原油每华氏度对应的水油混合物的声速变化。

图8示出了轻质原油每华氏度对应的水油混合物的声速变化。

图9为测量本发明的水油混合物中水的质量分数的流程图。

图10示出了本发明的温度和声速传感器组件。

具体实施方式

现在参照附图，其中在若干附图中，同样的附图标记代表类似或相同的部分，具体而言，本文的图9和图10图示出了用于测量通过管道12的油与水的流动混合物中水和油的质量分数的装置10。装置10包括一个传感器部分，用于测量流动油水混合物在第一次和第二次测量时的声速和温度的传感器部分14。装置10包含与流动流体热连通的温度变换器16，该变换器可以在第一次和第二次测量之间使流动油水混合物的温度发生变化，变化数值可以测量。

传感器部分14可以包括第一传感器部分18，用于测量温度变换器16上游的流动油水混合物的声速和温度，以及第二传感器部分20，用于测量温度变换器16下游的流动混合物的声速和温度。温度变换器16可以是向流动混合物添加热能的热交换器，也可以是从流动混合物中带走热能的冷却器。

装置10可以包括控制器22和处理器24，用以通过存储在计算机可读介质中的算法来确定水和油的质量分数，控制器22和处理器24运行该算法，将所述质量分数与已知的温度变化所引起的混合物的声速变化关联起来。油水混合物可以被乳化，从而使分散相的液滴（油或水）分布于连续相（水或油）中。该分散可通过使得流动混合物以一定的速度移动来实现，该速度足以实现乳化且基本上不会产生滑移。装置10可以包括与混合物流体连通的泵26，用以确保使样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，其中一部分流动油水混合物被连续地取样并通过第一传感器部分18和第二传感器部分20以及温度变换器16，从而能够确定测得的温度变化所引起的混合物的声速变化。

在另一个实施例中，装置10可以包括与混合物流体连通的泵26，用以确保使样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，其中流动油水混合物的若干部分连续或相继地被取样。样本（单独或组合地）可以通过第一传感器部分18和第二传感器部分20以及温度变换器16，以确定各个样本位置处测得的温度变化所引起的混合物声速变化。

装置10可以包括用于对与第一传感器部分18连通的流体进行取样的取样设备28。取样设备28可以包括多个设置于对混合物进行取样的管道12中的不同半径处的旋塞30。取样设备28可以包括各个旋塞的阀32，这些阀在足够长的一段时间内保持打开，以确保相关旋塞位置的声速和温度测量值具有代表性。

第一传感器部分18可以包括声速转换器34和反射插塞36。混合物的声速C可以根据转换器发出的超声波脉冲行进至传感器的反射插塞36并返回转换器的传播时间t来确定。

本发明涉及一种用于测量通过管道12的油与水的流动混合物中水的质量分数的方法。该方法包括使用传感器部分14测量对流动油水混合物的声速和温度作第一次测量的步骤。其中包括使用通过与流动流体热连通的温度变换器16使得使流动油水混合物的温度发生数值可测的变化的步骤。其中包括使用传感器部分14对流动油水混合物的声速和温度作第二次测量的步骤。

第一次的测量步骤可以包括使用温度变换器16上游的传感器部分14的第一传感器部分18对流动油水混合物的声速和温度进行测量的步骤，第二次的测量步骤包括使用温度变换器16下游的传感器部分14的第二传感器部分20对流动油水混合物的声速和温度进行测量的步骤。温度变换器16可以是向流动混合物中添加热能的热交换器，也可以是从流动混合物中带走热能的冷却器。

可以有通过存储在计算机可读介质上的算法来确定水的质量分数的步骤，控制器22和处理器24运行该算法，将所述质量分数与已知的温度变化所引起的混合物声速变化关联起来。

可以有对油水混合物进行乳化以使分散相的液滴（油或水）分布于连续相（水或油）中的步骤，所述分散通过流动混合物以一定的速度移动来实现，该速度足以实现乳化且基本上不产生滑移。[“不产生滑移”意味着混合物的两种成分的速度相等。]

可以有使用与混合物流体连通的泵26来抽吸混合物从而确保使得样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，其中流动油水混合物的一部分被连续地取样并通过第一传感器部分18和第二传感器部分20以及温度变换器16，从而能够确定测得的温度变化所引起的混合物声速变化。

在一个替代性实施例中，可以包括使用与混合物流体连通的泵26抽吸混合物从而确保使样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，其中流动油水混合物的若干部分连续或相继地被取样，所述样本（单个或组合）通过第一传感器部分18和第二传感器部分20以及温度变换器16，从而能够确定各个样本位置的测得的温度变化所引起的混合物声速变化。

可以有使用与第一传感器部分18连通的取样设备28对流体进行取样的步骤。该取样设备可以包括使用设置于取样设备28的管道12中的不同半径处的多个旋塞30对混合物进行取样的步骤。

可以有使取样设备28的各个旋塞的阀32在足够长的一段时间保持打开，以确保相关旋塞位置处的声速和温度测量值具有代表性的步骤。可以有根据转换器发出的超声波脉冲行进至传感器的反射插塞36并返回转换器的传播时间t来确定混合物的声速C的步骤。

在本发明的操作中，声速（压力波在物理介质中的传播速度）为介质的刚度和密度之比的函数。为了使声速测量值能够反映油水混合物的成分，必须分散所述两个相，从而使混合物的每个成分的刚度和密度参与到压力波的传播中。此外，压力波的长度必须比分散相的尺寸长，以防止波径中的多相界面过多地分散声能。

当油水混合物以超过4至10英尺每秒的速度流动时，混合物将开始乳化—两相中的一个开始分散。乳化通常在10英尺每秒的速度下完成，尽管在某些情况下可能需要更高的速度。如果油的含量较高，那么水将分散于油中；如果水的含量较高，则情况相反。但在两种情况中，分散相的液滴均较小，且高达1MHz或更高频率的超声波脉冲可以经由足够长的距离被传输和接收，从而使多种超声波测量变得可行。

油水混合物的声速与其组成的声速和其他属性之间的关系推导如下。

在不发生滑移^*的情况下，油与水的混合物的比容v由下式给出：

1）v=Xv₁+(1-X)v₂

此处下标1和2分别指的是水和油。

X为混合物中以重量计的水的含量。更准确地说，

X=W₁/(W₁+W₂)，其中各个W为质量流率。

混合物密度p为比容的倒数：

2）ρ=1/v

混合物成分的密度比容之间也存在类似关系。

混合物的声速c与混合物密度之间存在如下关系：

3） $c^2=g\∂P/{\∂\mathrm{\ρ}|}_s$

此处g为引力常数

P为压强

S为熵

类似的关系适用于混合物成分的声速。

以微分形式表示等式2：

4）dρ=-dv/v²

^*术语滑移用于描述两相混合物中的一相正在以不同于另一相的质量速度移动的状态。不发生滑移意味着两个质量速度相等

使用这个关系式通过压强和比容来表示声速的倒数：

5） $1/c^2=-(1/g{v}^2)\∂v/{\∂P|}_s$

或：

6） $\∂v/{\∂P|}_s=-\left(g{v}^2\right)/c^2$

当熵恒定时，等式（1）对压强进行偏微分得到混合物的声速与其组成之间的关系式：

7） $\∂v/{\∂P|}_s=X({\∂v}_1/{\∂P|}_s)+(1-X)({\∂v}_2/{\∂P|}_s)$

或

8）(-gv^z)/c²=X(-gv₁ ²)/c₁ ²+(1-X)(-gv₂ ²)/c₂ ²

消除等式（8）两边的（-g）项：

9）v²/c²=X(v₁ ²/c₁ ²)+(1-X)(v₂ ²/c₂ ²)

注意到等式（9）为混合物的声导纳的平方-所述导纳并列地描述了两个混合物成分的速度/压强商的特性。

图1绘出了在限定的水质量分数范围内（0至10%）、测得的水油混合物的声速（VOS）与混合物中水的质量分数的关系曲线，其中水和油的属性已知。应注意，本文所用的术语“含水率”为上面定义的水的质量分数X的同义词。严格说来，含水率（WC）是水的体积分数。如果各组成的比重已知，则这两个术语之间的关系就很明确。混合物中水的体积分数V₁/(V₁+V₂)由M₁v₁/(M₁v₁+M₂v₂)给出，其中v₁和v₂分别为水和油的比容。该表达式可转换为以下形式：

V₁/(V₁+V₂)=Xv₁/(Xv₁+(1-X)v₂)。

图1还绘出了使用等式（1）算得的混合物声速与水质量分数的关系曲线。算得的混合物声速（该数值的“质量加权”速度）比测得的速度低大约0.1%。[另一方面，算得的体积加权速度比测得的声速高大约0.07%。体积加权数值的物理意义不确定。]等式（1）所预测的声速与测定的声速不一致可能是由于实验的配置，但也可能是由于滑移—分散相（该情况下为水）的速度不一定与连续相的速度相同。等式（1）不考虑滑移。此外，滑移可能会因测量的细节而异。要实现完全乳化，流体速度需要达到10英尺/秒或以上；在此速度下，液滴非常小。在超过10英尺/秒的速度下，液滴上以接近连续相速度的速度拉动液滴的拖曳力远超液滴的重力，从而导致滑移很小或是没有滑移。该速度之前在3至4英尺/秒的范围内。在此速度下，分散相的较大液滴上的拖曳力未远超重力，且水滴会倾向于以低于连续油相速度的速度移动。

重申一下，如果在流向为水平时测量混合物的声速，且流体速度超过10英尺/秒，则可以避免出现滑移并确保实现乳化。任何使用声速作为含水率的决定性因素的测量都必须符合该要求。

对等式（9）的重新审查揭示了单独使用混合物声速测量含水率存在的多个缺陷。更确切地说，必须准确地得知组成相的声速，而对于测量条件，尤其需要准确得知两相的温度和水相的盐度。这从图1的刻度上来看更为明显：3°F的油温变化可引起250英寸/秒的混合物声速变化，其对应于10%的含水率变化。因此，若要确定（例如）±1%以内的含水率，则测量的温度范围必须优于±0.3°F（在绝对基准之上）。

如上面的背景部分所述，如果各组成成分的声速和密度相等或近似相等，那么直接使用混合物声速来测量含水率会产生额外的困难。可以很容易地从等式（1）中看出这一点；当两相的比重和声速相同时，则K的变化将不会引起混合物声速的变化。

本文所提出的测量含水率的途径利用了水油混合物的各组成成分对温度变化的响应。水的声速对温度升高的响应与油的声速对温度升高的响应非常不同。这种差异可从图2、图3、图4和图5的数据中明显看出。附图的数据描述了声速与温度的关系曲线，大多数含水率测量的温度范围被设为40°F至140°F。图2绘出水的声速对温度的曲线；图3绘出单位华氏度水的声速的增量变化曲线。图4绘出了覆盖特定比重范围的四种典型原油的声速对温度的曲线。图5示出了在所关心的温度范围内，55种不同原油每华氏度的声速的增量变化的条形图。

通过比较图3和图5，可明显看出组成成分的声速对温度变化的响应存在差异。在水中，温度升高可引起的声速变化从从低温时的+7fps/°F变化到关心的温度范围的高温时的接近0。在多数原油中，在整个温度范围内温度升高可引起约-6.7fps/°F±0.3fps/°F的声速变化。对于所有原油，增量为负值，而水的情况与之相反，增量因温度而异可为正值也可为零。

本发明针对含水率测量所提出的含水率测量方法的原理如图6、图7和图8所示，图中示出了对于水质量分数从零至100%的变化范围内的水质量分数，混合物温度升高1°F所引起的声速变化。图6表示典型重质原油的响应，图7表示中质原油，而图8表示轻质原油。每幅图都显示出了针对三种个不同的混合物温度时的声速响应，这三个温度覆盖了全部可能的应用范围：40°F、100°F和140°F。对这些附图的比较显示了使用本发明所提出的方法在测量混合物温度仅有1°F变化的情况下的优势：

·这三个附图的左截距（含水率为0%时）相同，均为-6.7fps/°F。图5示出了该数值是许多原油的特性，无论它们的比重是多少。图5还示出了，与水不同（图3），所有的原油声速-温度曲线的斜率均为负。原油的属性很容易理解。对于任何原油，混合物声速/温度变化对含水率的曲线的左截距可以明确且精确地确定。

·同样地，使用一般精度的温度测量可轻易且精确地确定右截距（含水率为100%时）。纯水的声速对温度曲线（图2）已经极佳地记录在科学文献中；同样地，盐度的影响也有很好的记录，其对曲线斜率的影响很小。相应地，如图3所示，混合物温度测量在比如±2°F以内可精确地确定右截距。

·所述测量并不十分依赖于对组成成分的声速和比重的了解。这正如图6、图7和图8中的曲线形状所示。在两个截距之间，曲线并未大幅偏离线性关系（40°F下重质原油的曲线基本呈线性）。附录A所述的范围计算显示本发明的方法可以优于±0.7%的精度在含水率的全范围（0%至100%）内测量含水率。该结论受以下条件的制约：

°组成成分的声速和重力由±2°F的温度测量确定，

°可进行几千ppm内的盐度估计，

°油的来源已知并且其属性可以使用现有的油属性数据库来确定。

算法

该手段利用了在测得的温度变化为dT时混合物属性变化的测量值或估计值。对等式（9）关于温度求导：

10）d/dT(v²/c²)=Xd/dT(v₁ ²/c₁ ²)+(1-X)d/dT(v₂ ²/c₂ ²)

11）2v/c²dv/dT-2v²/c³dc/dT=X(2v₁/c₁ ²dv₁/dT-2v₁ ²/c₁ ³de₁/dT)+(1-x)(2v₂/c₂ ²dv₂/dT-2v₂ ²/c₂wdc₂/dT)

此处，同样地，不带有下标的项表示混合物的属性，带有下标1的项表示水的属性，带有下标2的项表示油的属性。

等式（11）左边的项dv/dT可以以其组成部分来表示，方法是对等式（1）关于温度求导：

12）dv/dT=Xdv₁/dT+(1-X)dv₂/dT

如果用等式（12）的表达式代替等式11中的dv/dT以及水的质量分数X的求得的结果，则获得如下形式的表达式：

13）X=B/A

此处：

14）B=dc/dT(v²/c³)-dc₂/dT(v₂ ²/c₂ ³)-dv₂/dT(v/_c ²-v₂/c₂ ²)

15）A=dv₁/dT(v/_c ²-v₁/c₁ ²)-dv₂/dT(v/c²-v₂/c₂ ²+dc₁/dT(v₁ ²/c₁ ³)-dc₂/dT(v₂ ²/c₂ ³)

等式（14）和（15）右边的所有的项的都是测得的，或可以通过查表以合适的精度进行估计。更确切地说：

·对于许多原油dc₂/dT是已知的。在本发明中它通常接近6.7fps/°F。

·对于许多原油和精炼产品，dv₂/dT可以通过API或与原油密度与温度相关性的其他表格进行估计。例如，见起重机（Crane）¹中A-7页的图。

·基于对原油进行提取的油田中的油的比容以及在测量装置的入口处通过RTD测得的混合物温度的知识，v₂可从这些相同的查找表中进行估计。

·基于对原油进行提取的油田中的油的声速以及在测量装置的进口处通过RTD测得的混合物温度的知识，c₂是从这些相同的表中进行估计。

·v是混合物的比容，由位于测量装置入口上游处的密度计确定。这个变量也可以通过混合物声速以及组成成分的属性进行估计。

·c是混合物的声速，由位于测量装置的入口处的单径超声波传播时间计。

·dc/dT通过在测量装置的入口与出口处的单径超声波传播时间计之间的声速差，以及在测量装置的入口与出口处的RTD之间的测得的温度差来确定。使用2通阀避开冷却器，不进行加热或冷却来“零化”声速和温度差，从而使微分误差最小化。这个步骤在开始测量之前进行。

如之前所指出的，石油工业通常将存在于石油产品中的水表示为“含水率”。同样如上所指出的，含水率被定义为存在于油水混合物中的水的体积分数。对于不存在滑移的均质混合物，体积分数与由等式（13）、（14）和（15）的算法所确定的质量分数X相关，关系式如下：

16）VF=Xv₁/[Xv₁+(1-x)v_z]

实施方案

¹起重机技术论文编号410，通过引用并入此文中

图9和图10描述了本技术用作含水率测量的一个实施方案。图9示出了在管道12中流动的油水混合物。对管道12的直径进行选择从而将混合物的速度维持在10英尺每秒以上，从而确保乳化以及最小化滑移。取样设备（4个旋塞30位于管道12内的不同半径处）可提高测量的精确程度。根据数值积分法（例如高斯积分）的规则定位旋塞30，并根据积分法的规定在各个位置对质量分数进行加权，从而能够以较低的不确定性进行整体平均含水率计算。

取样旋塞的布置允许通过电磁阀S1至S4的操作来在各个旋塞处依次进行取样。每个阀在足够长的一段时间内保持打开，从而确保相关旋塞位置的声速和温度测量值具有代表性。计量泵26确保了取样管道内的混合物速度维持在使滑移最小化并维持乳化所需的速度之上。

图10示出了一种用于测量声速和温度的传感器的布置。选择传感器管道的直径从而确保在取样泵26流速给定的情况下混合物能够保持乳化。具有必要精度的传感器（RTD或热电偶）测量进入的样本混合物的温度。传感器位于90°入口弯曲处，从而确保样本液体的测量值具有代表性。之后该样本被引导通过第二个90°弯曲处，压电陶瓷声速转换器34位于此处。转换器在脉冲回波模式下操作。通过适当的信号处理，混合物的声速C可通过超声波脉冲行进至传感器的反射插塞36并返回转换器的传播时间t来确定：

2）C=2L/t

其中L为转换器表面至反射插塞的距离，而

t为在流体中的往返传播时间。

对超声波转换器的直径和频率以及传感器管路的配置进行选择从而确保在通过传播时间测量的方式给出传感器组件直径的情况下，传感器组件的壁不会干扰脉冲的传播。此外，传感器组件的这个部分是水平的，从而避免样本混合物中出现由重力引发的滑移。流体速度对声速测量的影响在本质上由脉冲回波布置抵消。

应注意，脉冲传播时间测量将包括脉冲通过非流体介质的传播时间—电缆、电子器件以及转换器组件的声“窗”的延迟。这些延迟可进行计算（或离线测量）。在任何情况下都无需高精度地确定非流体介质中的延迟，因为该方法完全依靠于两个不同温度下的混合物声速的差异。用于以符合测量精度目标的方式处理两次测量的延迟的差异的方法将在附录A中进一步讨论。

图9中入口传感器组件下游的电加热器可将混合物的温度提高预设的量。如附录A所示，基于数字的传播时间测量能够进行在十万分之几的范围内的声速差异（热与冷）的确定，2°F的细微温度升高就足以实现对混合物声速变化的精确测量。注意到如果样本温度冷却2°F，则所提出的方法依然可以有效运作。对加热器或冷却器的选择可以基于进入的油水混合物的温度以及影响加热或冷却所需的电量来决定。

在加热器（或冷却器）的下游，样本混合物被引导通过第二声速和温度传感器组件。通过该传感器组件后，混合物返回管道12，混合物就是从该管道中提取的。

为了获得含水率，采用由等式（13）、（14）、（15）和（16）所描述的算法。

应指出的是，所提出的系统的数据处理应考虑通过在上游和下游位置处测量声速和温度的传感器之间的管道和加热器（或冷却器）的传输延迟。该数据处理必须引入热（或冷）传感器处的测量值与入口传感器处的测量值之间的差别，后者以与传输延迟相等的时间提前进行。该措施是必要的，因为含水率可能会随时间变化；未能考虑传输延迟将引入“噪声”，并可能会向含水率测量值中引入偏差。

加热器功率和流速影响如图9所示的样品系统的性能。显然，如果功率和流速要求较低，那么系统成本将得到最小化。另一方面，加大温度升高（或降低）的量可提高精度。并且较大的超声波转换器可以容纳在较大的传感器管道12的直径内，该管道需要更高的流量。较大的转换器可将接收到的超声波信号的强度最大化，同时仍可避免声波与管道12的管壁的干扰。下表说明了各种设计权衡。

表1

样品系统设计权衡最小流速10fps，比重1.0，比热1.0btu/#/°F

	系统1	系统2	系统3
				温度升高（或降低）	1°F	1°F	2°F
加热器功率增大	2kW	5kW	5kW
				流速	14gpm	34gpm	17gpm
传感器管道直径	0.75英寸	1.2英寸	0.83英寸

附录A分析了上表中测量系统3的不确定性。结论是，在含水率接近0%和100%时，使用该系统测量含水率的不确定性约为±1/2%的含水率。对于中等范围的含水率（20%至70%），该不确定性增至约±2/3%的含水率。增强加热（或冷却）以使系统3中的温度增量（或降低的量）翻倍将使这些不确定性减半。

可能存在除图9和图10所示的实施方案以外的实施方案。例如，在某些管道中，在其首端使用加热器以提高油温，从而降低抽吸功率需求。在加热器上游或下游处的常规温度仪器，连同常规超声波转换器（其可被安装在管道上游和下游的外部）将向系统提供输入，该系统使用与前述算法类似的算法来确定含水率。重申一下，这种安装的数据处理必须考虑冷传感器位置和热传感器位置之间的传输延迟。

尽管已出于说明的目的在以上实施例中详细描述本发明，但应了解，此细节仅出于所述目的，且所属领域的技术人员可在不脱离本发明的精神和范围的情况下在其中作出变化，所附权利要求书可能描述的内容除外。

附录A-含水率计算的不确定性

总结

这个分析确定了属于本文所述类型的系统，其中经乳化的油水混合物的温度升高或降低2°F，在整个含水率范围内能够以优于±0.67%含水率的精度测量含水率。在含水率接近0%和100%时，精度接近±0.5%含水率。这些精度由本文的系统3计算。如果增强加热（或冷却）以使温度变化翻倍，则精度可降低至约为原来的一半。

分析

本文的表格给出了用于测量流动油水混合物样本的含水率的各系统的设计的权衡。图9和图10描述了样品测量系统的布置。在本文的系统3中，5kW的加热器可为流速为17gpm的样本提供2°F的温度增量。该流速可在直径为0.83英寸的管道12中产生10英尺/秒的流体速度，这一速度被认为足以确保几乎无滑移的乳化样本。该系统将用作确定声速变化和温度变化的测量精度，以及用于在整个含水率范围内计算含水率测定精度的其他流体属性的精度的参考。

在±1%含水率的数量级的含水率测量的精度目标表明对混合物声速变化ΔC和由参考系统的加热器产生的混合物温度变化ΔT的测量精度的要求。选择在100°F范围内的输入混合物温度用于分析。对于该混合物温度，单位温度变化所引起的混合物声速变化dC/dT从0%含水率时的-81英寸每秒每°F变化到100%含水率时的+36英寸每秒每°F。根据支持本发明的分析绘制的图12显示，对于重质原油，含水率的中间值与dC/dT有关，根据该关系，连接这些端点的曲线基本呈直线。本例中的中质和轻质原油曲线具有相同的端点，但偏离了线性关系，其原因在于各组成成分的属性的差异，尤其是声速和密度（与声速紧密相关）的差异。为支持本发明而进行的灵敏度分析表明，如果大致了解组成成分的属性，则可对线性关系进行修正，以获得良好的含水率精度（此修正的定量分析之后将在此分析中给出）。但对于所有的油，含水率确定的总体精度取决于dC/dT测量的精度：对于这个实例，1.17英寸每秒每华氏度每%含水率。对于参考系统的样本的2华氏度的温度变化，这相当于1%含水率变化对应2.34英寸/秒的声速变化。因此，问题如下：（1）2.34英寸每秒的混合物声速变化是否能够以足够的精度测量，以支持±1%含水率测量？以及（2）2°F的混合物温度变化是否能够以足够的精度测量，以支持±1%含水率测量？

解决这些问题之前，应注意，在产品温度低于假定的100°F时，斜率较高；因此在声速变化和温度变化的测量精度方面的负担也可得以减轻。另一方面，当产品温度较高时，例如，140°F，斜率较低。但在这种情况下，设计人员可以将周围环境用作散热器从而使样本冷却，例如，5或10°F。对于这些情况，冷却过程需要消耗的电力极少，因此降低的斜率的测量上的负担可以通过由大幅增加的温度变化获得经济上的抵消。

确定ΔC（混合物声速变化）的算法

原油和水的混合物的声速约为55,000英寸每秒，所以检测并测量2.34英寸/秒的变化的要求即相当于约1/24,000的精度要求。图10的传感器组件测得的声速C由下式给出：

A-1）C=2L/t

此处，L为在流体中从转换器窗的表面至反射插塞的距离，并且

t为在流体中的传播时间

如上所述，所测量的时间不仅包括在流体中的传播时间，而且也包括从发射器通过电缆、转换器、声窗和信号检测电子器件传输能量的延迟时间。假定此刻不存在流体延迟τ，且每个传感器的路径长度相等，则加热器元件的上游传感器（C）和下游传感器（H）测定的声速分别为：

A-2A）C_C=2L/(t_C-τ)

A-2B）C_H=2L/(t_H-τ)=2L/(t_C+Δt-τ)

此处Δt为在加热器中加热流体而产生的传播时间差。

声速差ΔC由下式给出

A-3）ΔC=C_H-C_C=2L[1/(t_c+Δt-τ)-1/(t_C-τ)]

将括号中的两项的都乘上乘积(t_C+Δt-τ)(t_c-τ)就得到以下ΔC的表达式：

A-4）ΔC=2L[(t_C-τ)-(t_C+Δt-τ)]/[(t_C+Δt-τ)(t_C-τ)]

在等式（A-4）中进行代数运算：

A-4A） $\mathrm{\ΔC}=-2\mathrm{L\Δt}/{\left[(t_C+\mathrm{\Δt}-\mathrm{\τ})(t_C-\mathrm{\τ})\right]\≅-2\mathrm{L\Δt}/(t_C-\mathrm{\τ})}^2$

等式（A-4A）的近似值的证明如下：对于参考系统的传感器，选择路径长度L为5英寸。通过该路径长度，直径为1/2英寸的3MHz转换器即可产生不会与直径为0.83英寸的传感器管壁相互作用的聚焦束。具有这些参数的3MHz声能包在流体中的净传播时间（tc-τ）在100°F的入口温度下标称为167μ秒。对于1%的含水率变化，加热2°F所引起的声速变化可产生6.5纳秒的传播时间变化Δt。因此相对于tc，Δt可在分母乘积中忽略。

确定混合物声速变化的不确定性

声速变化

的不确定性可通过对等式A-4A进行微分获得。该步骤的结果如下：

A-5） $\∂\mathrm{\ΔC}=2L/{(t_C-\mathrm{\τ})}^2[-\∂\mathrm{\Δt}+2\mathrm{\Δt}/(t_C-\mathrm{\τ})\∂(t_C-\mathrm{\τ})-\mathrm{\Δt}\∂L/L]$

路径长度

和净传播时间

中的不确定性由不随操作条件变化的偏差所支配。它们的净影响可通过在移除加热器或冷却器的情况下测量Δt决定（即，在两个传感器之间不存在温度变化）。在这种情况下，测定的残差Δt和

即表示传播时间和路径长度的净残差偏差，包括因长度不同以及上游传感器和下游传感器的非流体延迟而产生的偏差。

A-6） ${\∂\mathrm{\Δt}}_0={[2\mathrm{\Δt}/(t_C-\mathrm{\τ})\∂(t_C-\mathrm{\τ})-\mathrm{\Δt}\∂L/L]}_0$

相应地，在加热样本时由路径长度和非流体延迟造成的ΔC的不确定性可以通过将

和测得的Δt以代数方法相结合而得到最小化。然而，应注意，与测量Δt相同，更正中存在同时的测量不确定性，所述不确定性将在下面的段落中说明。

存在ΔC的残差不确定性的原因在于，在操作条件下，由热声速传感器和冷声速传感器测定的传播时间之间存在时间差Δt的不确定性。Δt的不确定因素如下表A-l所示。

表A-l.时间差测量中的不确定因素

这些相同的不确定性也会作用于因路径长度和非流体延迟的差异而产生的净偏差的测量，其中温度变化为0。因此，测量参考系统的dC/dT和温度变化所引起的声速变化的总不确定性由下式子给出：

A-7） $\∂\mathrm{\ΔC}=2L/{(t_C-\mathrm{\τ})}^2{[{(\∂\mathrm{\Δt})}^2+{(\∂\mathrm{\Δ}{t}_0)}^2]}^{1/2}=C_C{[{(\∂\mathrm{\Δt})}^2+{(\∂\mathrm{\Δ}{t}_0)}^2]}^{1/2}/(t_C-\mathrm{\τ})$

针对参考系统替换相应数字：

A-7A） $\∂\mathrm{\ΔC}=\mathrm{55,000}\mathrm{in}/s{[{\left(1.88\mathrm{ns}\right)}^2+{\left(1.88\mathrm{ns}\right)}^2]}^{1/2}\left(\mathrm{167,000}\mathrm{ns}\right)=0.88$ 英寸/秒

相对于参考系统中2°F的温度变化所引起的混合物声速变化ΔC（2.34英寸/秒/%含水率），声速变化的不确定性导致测量1%含水率变化的不确定性为0.88/2.34=0.376/1%。因此，存在差异的声速测量不确定性可将测量1%含水率变化的能力降低±0.38%。

确定混合物温度变化ΔT的不确定性；确定dC/dT的总不确定性

该±0.38%的数据并未考虑测量温度增量ΔT的不确定性，该温度增量也用于确定dC/dT。为了有效测量含水率，温度测量系统必须被设计成精确地测量加热（或排热）设备上游和下游的混合物的温度差。图13示出了此用途的系统的样本示意图，该系统在测量热段温度和冷段温度时均使用精确RTD。每个RTD在32°F时的电阻为100Ω，且具有大约0.214Ω/°F的灵敏度。参考系统的温度上升2°F将在电阻桥的各段之间产生0.418mv的差分电压。就该分析而言，假定这个电压的测量精度可以在±0.1mv以内；因此，参考系统中温度增量的测量精度为0.1/0.418=0.24/1%含水率变化或者±0.24%含水率。

与声速偏差相同，电阻桥差中的偏差可通过在“热”和“冷”测量之间的温度差为零时（即不存在加热或冷却）测量差分电压来轻易地消除。然而，同样地，不含加热或冷却的差分电压测量具有的假定不确定性为±0.1mv。相应地，温度增量测量的总不确定性由零偏差测定的不确定性和使用加热测定的不确定性的和的平方根给出，即[2×(0.24%)²]^1/2=±0.34%。

斜率测量dC/dT的总精度为声速和温度分量的和的平方根，即[(0.38%)²+(0.34%)²]^1/2=±0.51%。

表A-2：更正线性含水率与dC/dT曲线的不确定因素

含水率测定的总体不确定性

由组成成分属性引起的最大不确定性为±0.44%；如图14所示，对线性含水率与dC/dT关系的更正达到上表中仅在中间含水率范围内使用的14.9%。在此范围内，参考系统的总测量不确定性为斜率不确定性±0.51%和组成成分不确定性±0.44%的和的平方根或±0.67%。因此，对于0%至100%含水率范围，参考系统的含水率测量的不确定性根据含水率本身的情况而介于±0.51%至0.67%含水率之间。

Claims (21)

1.一种用于测量通过管道的油与水的流动混合物中水和油的质量分数的装置，所述装置包含：

传感器部分，用于第一次和第二次测量流动油水混合物的声速和温度，所述传感器部分包括用于测量温度变换器上游的流动油水混合物的声速和温度的第一传感器部分，以及用于测量所述温度变换器下游的流动混合物的声速和温度的第二传感器部分；以及

与流动流体热连通的温度变换器，所述温度变换器使所述流动油水混合物在所述第一次和所述第二次测量之间的温度发生数值可测的变化。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述温度变换器是向所述流动混合物中添加热能的热交换器，或者是从所述流动混合物中带走热能的冷却器。

3.根据权利要求2所述的装置，其包括控制器和处理器，用以通过存储在非瞬时性计算机可读介质中的算法确定水和油的质量分数，所述控制器和处理器运行所述算法，并将所述质量分数与已知的温度变化所引起的混合物的声速变化进行关联。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述油水混合物被乳化以使得分散相的液滴分布于连续相中，所述液滴是油滴或水滴，所述连续相是油相或水相，所述分散通过所述流动混合物以一定的速度移动来实现，所述速度足以实现乳化且不会产生滑移。

5.根据权利要求4所述的装置，其包括与混合物流体连通的泵,用以确保样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，其中所述流动油水混合物的一部分连续地被取样并通过所述第一传感器部分和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定测定的温度变化所引起的混合物的声速变化。

6.根据权利要求5所述的装置，其包括与混合物流体连通的泵,用以确保样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求，其中所述流动油水混合物的若干部分连续或者相继地被取样，所述样本，单独或组合地，通过所述第一传感器部分和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定每个样本位置处测定的温度变化所引起的混合物的声速变化。

7.根据权利要求6所述的装置，其包括用于对与所述第一传感器部分连通的流体进行取样的取样设备。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述取样设备包括设置于对混合物进行取样的管道的不同半径处的多个旋塞。

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述取样设备包括各个旋塞的阀，所述阀在足够长的一段时间内保持打开，以确保相关旋塞位置处的声速和温度测量值具有代表性。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第一传感器部分包括声速转换器和反射插塞，所述混合物的声速C通过所述声速转换器发出的超声波脉冲行进至所述传感器的所述反射插塞并返回所述声速转换器的传播时间t来确定。

11.一种用于测量通过管道的油与水的流动均质混合物中水和油的体积分数的装置，所述装置包含：

用于第一次和第二次测量流动油水混合物的声速和温度的传感器部分；

与流动流体热连通的温度变换器，所述变换器使所述流动油水混合物在所述第一次和所述第二次测量的温度发生数值可测的变化；以及

与所述传感器部分通信的控制器和处理器，所述传感器根据如下确定流动均质水油混合物在无滑移时的体积分数VF：

VF=Xv₁/[Xv₁+(1-X)v₂]，其中

X为所述油水混合物的质量分数，且X=B/A，此处

B=dc/dT(v²/c³)-dc₂/dT(v₂ ²/c₂ ³)-dv₂/dT(v/_c ²-v₂/c₂ ²),

A=dv₁/dT(v/c²-v₁/c₁ ²)-dv₂/dT(v/c²-v₂/c₂ ²)+de₁/dT(v₁ ²/c₁ ³)-dc₂/dT(v₂ ²/c₂ ³),

v₁和v₂分别为水和油的比容，并且下标1和2分别指的是水和油，

c为所述混合物的声速，并且

dT为温度变化。

12.一种用于测量通过管道的流动油水混合物中水的质量分数的方法，所述方法包含以下步骤：

使用温度变换器上游的传感器部分的第一传感器部分第一次测量所述流动油水混合物的声速和温度；

使用与流动流体热连通的所述温度变换器使得所述流动油水混合物的温度发生数值可测的变化；以及

使用所述温度变换器下游的所述传感器部分的第二传感器部分第二次测量所述流动油水混合物的声速和温度。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述温度变换器是向流动混合物中添加热能的热交换器，或者是从流动混合物中带走热能的冷却器。

14.根据权利要求13所述的方法，其包括通过存储在非瞬时性计算机可读介质上的算法来确定水的质量分数的步骤，所述算法由控制器和处理器运行，所述处理器将质量分数与已知的温度变化所引起的混合物的声速变化进行关联。

15.根据权利要求14所述的方法，其包括将所述油水混合物乳化以使分散相的液滴分布于连续相中的步骤，所述液滴是油滴或水滴,所述连续相是油相或水相，所述分散通过所述流动混合物以一定的速度移动来实现，所述速度足以实现乳化且不会产生滑移。

16.根据权利要求15所述的方法，其包括使用与混合物流体连通的泵抽吸混合物以确保样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，其中所述流动油水混合物的一部分连续被取样并通过所述第一传感器部分和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定测定的温度变化所引起的混合物的声速变化。

17.根据权利要求16所述的方法，其包括使用与混合物流体连通的泵抽吸混合物以确保样本混合物的速度达到或超过乳化速度要求的步骤，其中所述流动油水混合物的多个部分连续或相继地被取样，所述样本，单独或组合地，通过所述第一传感器部分和第二传感器部分以及所述温度变换器，以便确定每个样本位置处测定的温度变化所引起的混合物的声速变化。

18.根据权利要求17所述的方法，其包括使用与所述第一传感器部分连通的取样设备对流体进行取样的步骤。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述取样设备包括使用设置于所述取样设备的管道的不同半径处的多个旋塞对混合物进行取样的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其包括使所述取样设备的各旋塞的阀在足够长的一段时间保持打开，以确保相关旋塞位置处的声速和温度测量值具有代表性。

21.根据权利要求20所述的方法，其包括通过转换器发出的超声波脉冲行进至所述第一传感器部分的反射插塞并返回所述转换器的传播时间t来确定所述混合物的声速C的步骤。

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