CN103946696A - 用于多相流体的高侧电流测量技术 - Google Patents

Abstract

提供技术供测量多相计量系统中的一个或更多参数。多相计量系统包含被配置为传输流过程的一个或更多流成分的传输构造。电极可以设置得与传输构造的横截面同心，以确定流经横截面积的流体的参数。多相计量系统包含具有测量电路的测量电子设备，测量电路包含具有实质上等于多相计量系统的寄生阻抗的阻抗的平衡负载。测量电子设备还包含适于基于由测量电路感测的电流来确定一个或更多参数，诸如流速、流量等的处理器。

Description

用于多相流体的高侧电流测量技术

背景技术

流过程可以包含其中流体流经导管的过程。流过程涉及若干不同的产业，诸如油气、精炼、食品和饮料、化学和石化、发电、药物、以及水和废水处理产业。在各种流过程中涉及的流体可以是单相流体（例如气体、水、或液体/液体混合物等）和/或多相混合物（例如油和沙子、或液体/固体混合物等）。多相混合物可以包含具有多于一相的、诸如两相液体/气体混合物、固体/气体混合物、固体/液体混合物、液体/液体混合物、携带气体的液体或者三相混合物的材料的流。

在某些产业、诸如油气产业中，可以监控或测量流过程，以确定流动流体中不同成分的量和/或流体成分的流率。例如，当从海洋汲取油气时，油、水、气体和沙子会以不同量并以不同速率经由管道汲取。测量该多相混合的量和/或流率可以改善油气生产过程。例如，汲取油气的过程可以响应于汲取的混合中高量的水或者沙子来调节。

用于监控或者测量油气流过程中不同流体成分的一些技术包含使用多相计量系统来测量流经管道的不同流体的阻抗。然而，流过程有时可能涉及可能难以监控的高阻抗流体。此外，根据要测量的流体的本质，流经导管的流体的流动模式、和/或多相计量系统的配置、寄生阻抗可能干扰对流过程的精确监控并测量。常规的多相计量技术可能对于测量涉及相对高阻抗流体和/或高寄生阻抗的流过程不够充分精确。

发明内容

一个实施例包含被配置为测量与测量的负载相关的一个或更多参数的系统。系统包含具有第一输入和第二输入的差分放大器。系统还包含连接至差分放大器的第一输入的电极。电极被配置为输送经由测量的负载的电流。连接至差分放大器的第一输入的第一感测阻抗被配置为携带经由测量的负载或者并联于测量的负载的寄生负载的一个或更多负载的电流。系统还包含连接至差分放大器的第二输入并连接至系统的地的平衡负载。平衡负载被配置为对寄生负载进行平衡。系统还包含连接至第二输入的第二感测阻抗。第二感测阻抗具有实质上等于第一感测阻抗的阻抗的阻抗，被配置为携带经由平衡负载的电流。

在另一个实施例中，提供一种多相计量系统。多相计量系统包含被配置为传输流过程的一个或更多流成分的传输管道。多相计量系统还包含一个或更多电极，被配置为测量流经传输管道的一个或更多流成分的一个或更多参数。此外，多相计量系统包含的测量电子设备具有与一个或更多电极通信的测量电路。测量电路包含的平衡负载具有实质上等于多相计量系统的寄生阻抗的阻抗。

另一个实施例包含监控多相流体计量系统中的流参数的方法。该方法包括感测所述多相流体计量系统中跨流成分的一部分的差分电压降；以及使用平衡负载来平衡所述多相流体计量系统的寄生阻抗。

附图说明

当参考附图阅读下面的具体实施方式时，本发明的上述和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中，各图中同样的附图标记代表同样的部分，其中：

图1是依据本公开的技术的、用于确定与流经管道的一个或更多流体关联的参数的多相计量系统的概要图；

图2-4是依据本公开的技术的、多相计量系统中的管道的剖视图的概要图；

图5是依据本公开的技术的、连接至多相计量电路的传感器的剖视图的概要图；以及

图6是依据本公开的技术的、适于测量经由多相流过程的电流的电路的电路图。

具体实施方式

本公开的实施例涉及用于经由对体积进行测量来更精确地确定电阻抗的系统和方法。确定电阻抗可以涉及测量体积的电条件，诸如跨体积的电压和流经体积的电流。在一些实施例中，测量跨体积的电压和感测经由体积的电流可以涉及测量布置在体积上的电极对之间的电条件。例如，阻抗测量系统的一个实施方式包含多相计量系统，该多相计量系统可以包含绕导管布置的电极。电极可以被配置为经由导管和/或经由流经导管的流体来传输和/或接收电流。多相计量系统还可以包含电路，该电路适于基于电极测量来计算并处理流经导管的流体的各种参数。

图1提供了用于确定与流经管道的一个或更多流体关联的参数的多相计量系统的一个示例。多相计量系统10包含适于传输流体的导管，诸如管子或者管道12。系统10可以包含绕传输管道12布置的一个或更多电极14，电极14可以电连接至测量电子设备16，测量电子设备16具有适于接收并分析电极测量的一个或更多处理器17和电路18，以确定与流经管道12的流体相关的一个或更多参数。

例如，在油气生产中，一般称作流成分的油、水、气体、和/或沙子可以经由海洋生产平台经由管道12汲取。该流成分可以同时流经管道12，不同流成分的分布还可以在管道12内以各种模式流动。管道12可以具有实质上圆形的横截面，并可以适于传输各种类型的流成分。流成分可以以不同的轴向和/或径向模式流动，并可以在管道12内分层和/或不分层。

在一些实施例中，多相计量系统10可以被用于监控与经由传输管道12的各种流成分的流动模式相关的参数。例如，系统10可以被用于连续测量流成分的一个或更多参数，诸如流速、体积流率等。系统10可以包含绕管道12设置的一个或更多电极14。例如，在一些实施例中，电极14可以布置在具有实质上圆形横截面的电极体15。电极体15可以相对于管道12位于同心，使得当流成分经由管道12行进时，可以测量经由管道12的横截面行进的一部分流成分的一个或更多参数。

电极14可以适于测量经由管道12的横截面积行进的流成分的电特性，电极体15围绕管道12定位。例如，图2是具有布置得与管道12的截面同心的多个电极14的管道12的横截面示意图。在一些实施例中，一个或更多电极14（例如传输电极14a）可以经由流成分传输电流，并且对应的电极14（例如接收电极14b）可以测量响应于传输的电流而产生的对应的电场。在一些实施例中，测量电子设备16可以适于将电流传输至流成分。例如，测量电子设备16可以包含信号产生器，信号产生器可以被用于经由传输电极14向管道12和流成分施加交流电压。测量电子设备16还可以包含适于测量并输出流成分的电响应的电路18。

如图2所示，每个电极对可以相对设置，诸如分别为传输和接收电极14a和14b、14c和14d、14e和14f、以及14g和14h。在一些实施例中，如图3所示，电极对可以相邻地配对，诸如分别为传输和接收电极14i和14j、14k和14l、14m和14n、以及14o和14p。此外，在一些实施例中，如图4所示，电极对可以另外不同地配对，诸如分别为传输和接收电极14q和14r、14s和14t、14u和14v、以及14w和14x。在一个或更多实施例中，电极对可以布置并被配置为传输电流和/或测量经由管道12行进的流成分的电条件。应该注意的是图2-4中的每个包含围绕管道12的轴向截面设置的8个电极14，但在其他实施例中，不同数量的电极14可以围绕管道12的轴向截面布置，并且电极14还可以被布置在管道12的多个轴向截面。此外，在一些实施例中，多相计量系统10可以涉及围绕管道12的电极14的不同布置。例如，电极对可以跨管道12的纵向长度布置。

此外，在一些实施例中，电极14可以设置在管道12的内表面上（即设置在管道12的与流成分相邻侧），如图1-4中示出的那样。在其他实施例中，电极14还可以设置在管道12的外表面（即设置在管道12的与流成分相对侧），如图5所示。在一些实施例中，电极14的屏蔽可以由同轴线缆20的屏蔽24连接至测量电路18。

可以由多相计量系统10的测量电子设备16来测量并分析在每个电子对之间产生的电场，以基于测量的电条件来确定流成分的各种参数。测量电子设备16可以包含处理器17，处理器17可以基于测量的流成分的电特性来确定各种参数。例如，处理器17可以确定电极对（例如传输电极14a和接收电极14b）之间的差分电压，以确定在电极对之间行进的一个或更多流成分的阻抗。由于诸如油、水、气体和沙子的不同流体成分中的每个都具有不同的阻抗，因此处理器17可以基于测量的阻抗来确定流成分的各种参数，诸如不同流成分的数量、流速、体积流率等。此外，由于若干电极对可以绕管道12的横截面积布置，因此可以确定经由横截面积行进的实质上所有的流成分。例如，处理器17可以基于绕横截面积设置的电极体15的电极测量，来分解经由管道12的横截面积的流动流的横截面。

根据测量的流成分的本质、其中流成分经由管道12传输的过程、和/或同轴线缆20的长度（图5），不期望的寄生阻抗可能有时会干扰精确地测量经由流成分的差分电压和/或感测电流，流成分经由管道12行进。尤其是，以相对高的速度经由管道12移动并且负载阻抗具有相对小改变的流成分可能难以精确测量并分析。例如，在油气生产期间汲取的流体可以以相对高的速度经由管道12流动。该流成分可以以相对高的频率在管道12中以不同的轴向和/或径向模式流动。此外，经由管道12汲取的不同流成分的数量在流过程期间可能改变，但是不同流成分的比率的显著改变可能导致可能难以检测的、负载阻抗的相对小的改变。此外，当寄生阻抗干扰计量系统时，阻抗的小改变可能会特别难以检测。在一些系统中，相对大的寄生阻抗可能会汲取泄漏电流，该泄漏电流大于负载电流或者在电极对之间测量的电流。

在一些实施例中，测量电子设备16可以包含补偿寄生阻抗的电路18，使得可以更精确地检测负载电流。图6是代表本公开的一个或更多实施例中测量电路18的电路图。在一些实施例中，测量电路18代表传输与接收电极对（例如图2中传输电极14a与接收电极14b）之间的电关系。例如，电阻R_sense26可以代表可以连接至差分放大器30的输入38和地的直流电源36的接收电极14b的电阻。电源36可以代表由传输电极14a传输的电流。电路18可以放大跨高侧R_sense26的差分电压降，以确定流经管道12的流成分的电流。流成分被代表为电路18中并串联连接至R_sense26的负载28。

可以从电源36汲取电流的寄生阻抗在电路18中代表作为并联于测量的负载28的寄生负载32。根据寄生负载32，经由寄生负载32汲取的电流可以大于经由测量的负载28汲取的电流。在该实例中，常规地可以具有连接至地的另一个输入40的差分放大器30因为由并联于测量的负载28的寄生负载32创造的大共模电压，可能不能精确地测量经由测量的负载28的差分电压。

在一些实施例中，测量电路18可以包含连接在差分放大器30的输入40与电源地之间的平衡负载34。电路18还可以包含连接至电源36的第二电阻R_sense′44，第二电阻R_sense′44串联于平衡负载34，并且并联于感测电阻R_sense26。平衡负载34具有可以实质上等于寄生负载32的阻抗的阻抗，第二电阻R_sense′44可以实质上等于感测电阻R_sense26。这样，来自流经平衡负载34的电流的电压降可以实质上等于来自流经寄生负载32的电流的电压降。因为差分放大器30可以产生与其2个输入38和40的电压的差成比例的输出42，因此当平衡阻抗34等于寄生阻抗32时，寄生电容32的阻抗可能不会显著影响差分放大器30的输出42。

由于差分放大器30的输出42可以与跨传输（例如电极14a）与接收（例如电极14b）电极对之间的流成分测量的电压的差成比例，因此输出42可以被用于确定测量的流成分的特性。在一个实施例中，多个电极对（例如电极对14a和14b、电极对14c和14d、以及电极对14e和14f）可以遍及流过程连续被用于测量每个对之间的差分电压，并且来自每个电极对的对应的输出42可以并行传输至一个或更多处理器17。在一些实施例中，多个处理器17中的每个可以被用于并行处理来自多个电极对测量的每个输出42。在其他实施例中，多个输出42可以被多路复用传输至一个处理器17用来处理。一个或更多处理器17可以确定在每个电极对之间测量的流成分的电特性，诸如阻抗。基于连续测量的输出42，一个或更多处理器17可以实质上实时确定不同流成分的参数。例如，一个或更多处理器17可以在测量过程期间连续确定不同流成分的数量、流速、体积流率等。

在一些实施例中，R_sense′44可以在10Ω至1kΩ之间。例如，在一个实施例中，R_sense′44可以约为200Ω。在一些实施例中，平衡负载34可以具有在1pF至500pF之间的阻抗。例如，在一个实施例中，平衡负载34可以具有约30pF的阻抗。此外，在一些实施例中，测量的负载28的阻抗的大小可以在5Ω与1MΩ之间。在不同实施例中，根据被测量的负载和/或被用于测量负载的系统，R_sense′44、平衡负载34和测量的负载28的每个可以不同。例如，在多相计量系统中，寄生负载32可以被诸如同轴线缆20的长度和/或测量的负载28的阻抗等参数影响。因此，为了平衡跨评价的寄生负载32的电压降，平衡负载34可以基于同轴线缆20的长度、测量的负载28的阻抗和/或已知的寄生负载阻抗。

应该注意的是，测量电路18的各种元件被代表为具有电阻或者电容的电阻或者负载，但在一个或更多实施例中，测量电路可以包含对由电源36提供的电流具有不同电响应的元件。例如，电阻R_sense26一般代表电极14中的感测电子设备的电阻，感测电子设备可以包含具有除了由电阻R_sense26代表的电阻之外的电容的额外的元件。此外，示例范围的寄生和平衡负载32和34以法拉提供，但在一些实施例中，平衡负载34可以具有实质上匹配寄生负载32的阻抗的电阻性成分。

此外，本公开中说明了多相计量系统作为用于具有寄生阻抗平衡电路的阻抗测量系统的一个示例，但一个或更多实施例可以适于不同类型的测量系统，并且可能不限于多相计量。此外，油气生产被用作示例，用于可以利用该多相计量技术的产业，但本公开可以应用到其他产业，不限于油气生产。

该书面说明使用包含优选模式的示例公开了本发明，另外能使本领域的技术人员实践本发明，包含制造并使用任何设备或系统并执行任何整合的方法。本发明的可专利的范围由权利要求限定，并可以包含本领域的技术人员能想到的其他示例。如果该其他示例具有没有不同于权利要求的字面语言的构成要素，或者如果其包含与权利要求的字面语言具有非实质差异的等同构成要素，那么该其他示例预期落入权利要求的范围内。

Claims (21)

1. 一种系统，被配置为测量与测量的负载相关的一个或更多参数，所述系统包括：

差分放大器，具有第一输入和第二输入；

电极，连接至所述第一输入，其中，所述电极被配置为输送经由所述测量的负载的电流；

第一感测阻抗，连接至所述第一输入，其中，所述第一感测阻抗被配置为携带经由所述测量的负载或者与所述测量的负载并联的寄生负载的一个或更多负载的电流；

平衡负载，连接至所述第二输入并连接至所述系统的地，其中，所述平衡负载被配置为平衡所述寄生负载；以及

第二感测阻抗，连接至所述第二输入，其中，所述第二感测阻抗包括实质上等于所述第一感测阻抗的阻抗，其中，所述第二感测阻抗被配置为携带经由所述平衡负载的电流。

2. 如权利要求1所述的所述系统，其中，所述第一输入连接在所述第一感测阻抗与所述测量的负载之间。

3. 如权利要求1所述的所述系统，包括被配置为测量经由导管的流过程的电极体，其中，所述电极体包括一个或更多电极。

4. 如权利要求3所述的所述系统，其中，所述测量的负载包括一个或更多所述流过程的流成分，其中，所述一个或更多电极被配置为感测经由所述一个或更多流成分的各个电流。

5. 如权利要求1所述的所述系统，其中，与测量的负载相关的所述一个或更多参数包括所述测量的负载的一个或更多流成分的流速，其中，所述一个或更多流成分包括水、油、气体、沙子及其组合。

6. 如权利要求1所述的所述系统，包括适于传输所述测量的负载的管道，其中，所述电极被配置为耦合至所述管道，以感测经由所述测量的负载的所述电流。

7. 一种多相计量系统，包括：

传输管道，被配置为传输一个或更多流过程的流成分；

一个或更多电极，被配置为测量流经所述传输管道的所述一个或更多流成分的电条件；以及

测量电子设备，包括与所述一个或更多电极通信的测量电路，并且包括平衡负载，所述平衡负载具有实质上等于所述多相计量系统的寄生阻抗的阻抗。

8. 如权利要求7所述的多相计量系统，其中，所述电条件包括所述一个或更多流成分上的电压降、经由所述一个或更多流成分的电流、所述一个或更多流成分的阻抗、或者其组合。

9. 如权利要求7所述的多相计量系统，其中，所述一个或更多电极被布置在电极体中，所述电极体布置得实质上与所述传输管道的横截面同心。

10. 如权利要求7所述的多相计量系统，其中，所述测量电子设备包括处理器，所述处理器被配置为从所述一个或更多电极接收所述电条件测量，并被配置为基于所述电条件来确定与所述一个或更多流成分相关的一个或更多参数。

11. 如权利要求10所述的多相计量系统，其中，所述一个或更多参数包括所述传输管道的横截面积中的一个或更多所述流成分的流速、体积流率、以及数量中的一个或更多。

12. 如权利要求7所述的多相计量系统，包括差分放大器，所述差分放大器被配置为输出与跨所述一个或更多流成分的一部分的所述差分电压降成比例的电压。

13. 如权利要求12所述的多相计量系统，其中，所述差分放大器包括第一输入和第二输入，并且其中，所述第一输入连接至所述一个或更多电极中的一个，以测量所述一个或更多流成分的所述一部分的电条件。

14. 如权利要求13所述的多相计量系统，其中，所述平衡负载布置在所述第二输入与所述多相测量系统的地之间。

15. 如权利要求13所述的多相计量系统，其中，所述测量电路包括平衡阻抗，所述平衡阻抗包括实质上等于所述一个或更多电极中的一个的阻抗的阻抗，其中，所述第二输入连接在所述平衡阻抗与所述平衡负载之间。

16. 如权利要求15所述的多相计量系统，其中，所述平衡阻抗在10Ω至1kΩ之间。

17. 如权利要求7所述的多相计量系统，其中，所述平衡负载在1pF至500pF之间。

18. 如权利要求7所述的多相计量系统，其中，所述一个或更多流成分的测量的部分的阻抗的大小在5Ω与1MΩ之间。

19. 一种监控多相流体计量系统中的流参数的方法，所述方法包括：

感测所述多相流体计量系统中的跨流成分的一部分的差分电压降；以及

使用平衡负载来平衡所述多相流体计量系统的寄生阻抗。

20. 如权利要求19所述的所述方法，包括输出与第一电压输入和第二电压输入之间的电压差成比例的电压，其中，所述第一电压输入包括所述流成分的所述一部分上的电压降以及所述寄生阻抗上的所述电压降，并且所述第二电压输入包括所述平衡负载上的电压降。

21. 如权利要求20所述的所述方法，包括基于所述输出电压来确定所述流参数。