CN104075759B - 管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置及方法，该装置主要由管道、旋流器、内管、前隔板、后隔板、消旋器、常规小型分离器以及气体和液体流量计组成；其方法通过采用管内相分隔技术，配合离心和重力分离作用，经多个分离步骤完成气液两相流体在管道内的完全分离，最后分别使用气体和液体流量计测量出各相流量。通过本发明可以大幅度缩小分离法类气液两相流测量装置的体积，改善测量的实时性，并能显著降低制造成本，便于在工程上广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置及方法。
背景技术
本发明中的“相”是指多相流体中物理性质相同的各部分，如气相、液相、油相、水相等。其中气相和液相既可以是单组份物质，也可以是多组分物质的均匀混合体，如空气，原油等。管内相分隔是指把各相分别汇聚隔离到管道内一个特定区域，以便最终实现完全分离的过程。在两相流测量技术中，分离法仍然是目前最可靠和精度最高的技术。因为这种方法是把气液两相流体分离成单相气体和液体后，再分别用单相流量计测量各相流量，实际上等于把多相流计量转化成了单相流计量，因而能够避免流型变化和流动不稳定等因素对测量的影响，同时也就免除了建立专门的多相流标定系统以及相应的量值传递体系的浩瀚工程。如美国专利US4688418“Method and apparatus for determing mass flow rateand quality in a steam line”,公开了一种使用旋风分离器的蒸汽流量干度测量系统。但这类方法的最大缺点是设备庞大、造价高、自动控制系统复杂，且测量的实时性差。这些缺点严重限制了它在工程上的广泛应用。为了缩小分离器的体积，改善测量特性，人们进行了很多尝试，如美国专利US6128962“Three-phase fluid flow measurement system andmethod”，公开了一种使用小型分离器的三相流测量装置。这种方法也称为部分分离法(partial separation)，从中可以看出，分离器的尺寸的确缩小了，但是却牺牲了分离效率，不能将三相流彻底分离成单相流，因而影响了测量精度，为此而必须增加一些修正手段。美国专利US5390547“Multiphase flow separation and measurement system”和US7311001“Multiphase flow measurement apparatus and method”分别公开了一种多相流测量装置,试图不用专门的分离设备，仅利用多相流体管道本身构成一种分离系统。从表面上看，该系统的确省掉了传统的分离器，但是由于所采用的管道直径和长度尺寸都非常大，而且也使用了外置式旋风分离方式，因此实质上它与传统的分离法并没有实质的区别。中国专利ZL98113068.2公开了一种分流分相式测量方法。通过采用成比例的分流手段，使实际进入分离器的流量大为减少，从而成倍降低了所需分离器的体积。但在使用中会遇到一个困难，当两相流中的液相或气相的流量很小(高含气率或低含气率)时，由于经过了分流，因而从分离器流出的液相或气相流量就更小，以至于低于现有最小流量计的测量下限，导致测量困难，甚至无法计量。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置及方法，通过采用管内相分隔技术，配合离心和重力分离作用，经过多个分离步骤完成气液两相流体在管道内的完全分离，从而大幅度缩小分离法类气液两相流测量装置的体积，改善测量的实时性，并显著降低制造成本，以便于在工程上广泛应用。
为了更好地阐明本发明的技术方案，下面先简要分析一下气液两相流在低含气率(体积含气率小于20％～70％)时在管内的流动形态(流型)。
液体02以连续态的形式分布在管道2内，对于水平管道，气体以不连续的气泡3飘浮在管道2的上部。而当管道2垂直放置时，由于受力对称，气泡3会相对均匀地分散在管道2内。如果提高流速，气泡的尺寸会变小，但两相流体始终都不会混合均匀，即气体永远不会破碎成极小的气泡均匀地分散于液体中，形成一种均相流体；相反，在流动过程中两相流体之间总存在一种较强的自发分离趋势：小气泡会合并成大气泡，气体和液体均会自发地分别向特定的区域汇集。但是另一方面，在流动过程中气相和液相之间确实也会相互混合，造成已经聚合成的大气泡随时会被液体打散。流速越高，气液之间的密度差越小，这种混合作用就越明显。事实上在整个流动过程中分离和混合总是相伴在一起，它们会在不同的条件下达到不同的动态平衡。在传统分离器中，主要是利用离心力将气体聚合到分离筒中心，然后再利用重力将其最后分离。为了避免液流重新卷走已聚合的气体(二次携带)，一般在设计上都会严格控制分离筒内的轴向流速。只要轴向流速足够低，这种二次携带就十分微弱。根据设计经验，这一临界流速为0.01米/秒～0.4米/秒，远低于气液两相流体在管道内的正常流速。因此分离器的直径一般总比与之相连的管道直径大好几倍。这就是分离器尺寸难以减小的主要原因。
从上述分析可以看出，分离和混合是同时存在的一对矛盾，两者始终处于一种动态平衡中。如果能在这一动态过程中及时将已经分离出来的气泡与液流隔离，那么平衡就会不断朝着分离的方向发展，直至将液流中所有的气体都分离干净。因此像传统分离器那样，为了避免二次携带而一味增大分离筒的直径(来降低轴向流速)，只是实现气液分离的一种有效方法，但并不是唯一的方法，也绝不是一个必要条件,况且根据离心加速度的公式(a＝V2/R,V为切向流速，R为分离筒的半径)，增大分离筒半径R也会同时降低离心加速度，直接影响分离效果，所以，传统分离法并不能算是最佳的分离方法。事实上只要能促使分离与混合之间的动态平衡不断朝着分离的方向发展，气液两相流体在管道内也是能够实现完全分离的，而且由于直径小，离心力会更大，因而也更有利于强化分离作用。本发明就是依照这一思路而形成的。
本发明采用如下技术方案：
一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，包括管道2，所述管道2分为通过三通9相连通的入口段2a和出口段2b，入口段2a垂直安装，出口段2b则水平安装；所述入口段2a进口处的内壁上安装有旋流器16a，内管12通过前隔板53a和后隔板53b固定在管道入口段2a和三通9的内壁上，内管12的外壁与管道2的入口段2a的内壁之间形成一个夹层空间14；所述出口段2b上依次安装有消旋器52、液体流量计56和阻力调节件53；三通9的另一个垂直支管与常规小型分离器45相连通，常规小型分离器45的顶部有一出口与回气管46相连通，回气管46上安装有气体流量计54，回气管46出口与管道2的出口段2b相连通；所述内管12为一圆管，管壁上没有任何贯穿孔和割缝；所述的前隔板53a为一环形板，其内缘与内管12相连，外缘与入口段2a的内壁相连，环形板上分布有流体通孔；所述的后隔板53b为圆锥管，侧面开有均匀分布的通孔。
所述前隔板53a上的流体通孔为圆孔、方孔或不规则形状的通孔。
所述后隔板53b侧面开的通孔的开孔率不超过10％。
所述旋流器16a由4～8片螺旋叶片组成，其叶片高度小于管道2的入口段2a半径的0.6倍，没有中心轴，直接固定在入口段2a的内壁上。
所述消旋器52为一组与管道2的出口段2b的轴线平行布置的平板，这些平板将出口段2b的内部空间分隔成若干流通面积相等或分布对称的小流道。
所述阻力调节件53为孔板、喷嘴或阀门。
所述常规小型分离器45的下部安装有液位计58a、均气板42和涡轮叶片43，上部安装有波形板组件44。
上述所述的管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置的测量方法：当低含气率气液两相流体从管道2的入口段2a流过旋流器16a时，分散于液体02中的气泡3在离心力的作用下被驱赶到入口段2a的中心线附近，并立即合并成一个气柱03，在惯性和浮力作用下气柱03和一部分液体进入内管12内，而绝大部分液体则被排挤在内管12以外，这部分液体称为液体主流；气柱03在内管12内上升一段距离后，由于旋转的衰减，又重新离散成气泡，接着在浮力作用下从液体中脱离出来，上升进入常规小型分离器45；在常规小型分离器45中脱湿后，气体从其顶部流入回气管46中，经过气体流量计54计量后进入管道2的出口段2b中，重新与液体汇合；而伴随气柱03一起进入内管12的那部分液体，由于重力的作用，其上升速度很快会衰减为零，随后沿着内管12的内壁向下流动，重新与液体主流汇合，结果就会在内管12的上部形成一个自由液面04；未进入内管的液体主流通过前分隔板53a上的通孔进入夹层空间14向上流动，然后在三通9内转向管道2的出口段2b；与此同时，从分离器45中被分离出来的液体，也在重力作用下落入自由液面04内，然后从后隔板53b上的通孔并入液体主流内，一同经过消旋器52整流和液体流量计56计量后，流过阻力调节件53，然后与从回气管46流出的干气汇合，流出测量装置。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
本发明共分三步完成气液两相流体在管道内的完全分离。第一步，通过施加适当的离心力把气泡3驱赶到管道中心线附近并与液体主流相隔离；第二步，依靠浮力和重力作用使气泡从液体中脱离出来；第三步，把气泡中的少量水分分离出去并返回到液体主流中。在气液两相流体实现完全分离后就可以分别用单相流量计测量气体和液体的流量。
为完成上述分离过程，本发明采用的主要隔离装置包括：管道，设置于管道内的内管，以及用于固定内管的前后隔板。采用的强化分离元件包括：旋流器，以及利用重力分离的垂直布置的入口段、内管和后隔板。这些元件既可以把气流中的气泡驱赶到管道中心，同时所产生的离心力也有助于实现相分隔。为了更有效地实现相分隔，分隔过程中需要少量的液体伴随气泡和气柱一起进入气体的汇集区。这些液体的加入既是不可避免的，同时也可以提高整个分离系统的效率。但是为了完成气液两相流体在管内的完全分离，最后还必须要把这些液体从所伴随的气体中分离出去，并返回到液体主流中去。由于它们的量相对较少，并且在流动过程中大部分能依靠重力被分离出去，本发明只设置了一个直径小于或等于管道直径的小型常规分离器，以及与之相连通的液体返回通道。最后，完成气体和液体流量测量装置包括一个气体和一个液体流量计，消旋器以及液位测量和调节装置。
总之，本发明通过采用管内相分隔技术，配合离心和重力分离作用，经过多个分离步骤完成气液两相流体在管道内的完全分离，从而大幅度缩小分离法类气液两相流测量装置的体积，改善测量的实时性，并显著降低制造成本，以便于在工程上广泛应用。
附图说明
图1是低含气率(体积含气率小于20-70％)时气液两相流体在水平管道和垂直管道内的流型示意图；其中：图1A为水平管道的横截面图，图1B为垂直管道视图。
图2是本发明的气液两相流体的流量测量装置的结构示意图，其中箭头标示表示流体的流动方向。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
附图1是根据目前两相流的研究结果，如Mandhane流型图，绘制的气液两相流体在低含气率(体积含气率小于20-70％)时气液两相流体在水平管和垂直管内的流型示意图。此时液体02以连续态的形式分布在管道2内(图中深色部分)，气体以不连续的气泡3飘浮在管道2的上部。当管道2垂直放置时，由于受力对称，气泡3会较均匀地分散在管道2内。
如图2所示，本发明一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，包括管道2，所述管道2分为通过三通9相连通的入口段2a和出口段2b，入口段2a垂直安装，出口段2b则水平安装；所述入口段2a进口处内壁上安装有旋流器16a，内管12通过前隔板53a和后隔板53b固定在管道2和三通9的内壁上；内管12的外壁与管道2的入口段2a的内壁之间形成一个夹层空间14；所述出口段2b上依次安装有消旋器52、液体流量计56和阻力调节件53；三通9的另一个垂直支管与常规小型分离器45相连通，常规小型分离器45的顶部有一出口与回气管46相连通，回气管46上安装有气体流量计54，回气管46出口与管道2的出口段2b相连通；所述内管12为一圆管，管壁上没有任何贯穿孔和割缝；所述的前隔板53a为一环形板，其内缘与内管12相连，外缘与入口段2a的内壁相连，环形板上分布有流体通孔；所述的后隔板53b为圆锥管，侧面开有均匀分布的通孔。
作为本发明的优选实施方式，所述前隔板53a上的流体通孔为圆孔、方孔或不规则形状的通孔。
作为本发明的优选实施方式，所述后隔板53b侧面开的通孔的开孔率不超过10％。
作为本发明的优选实施方式，所述旋流器16a由4～8片螺旋叶片组成，其叶片高度小于管道2的入口段2a半径的0.6倍，没有中心轴，直接固定在入口段2a的内壁上，以便气泡能以最小的阻力从中流过，同时也可以避免因离心力过大把液体中某些轻组分驱赶到管道中心，进而进入内管12内，最后飘浮在内管12的上部形成死液。
作为本发明的优选实施方式，所述消旋器52为一组与管道2的出口段2b的轴线平行布置的平板，这些平板将出口段2b的内部空间分隔成若干流通面积相等或分布对称的小流道。
作为本发明的优选实施方式，所述阻力调节件53为孔板、喷嘴或阀门。阻力调节件53用于平衡液体和气体在分开流动过程中的阻力，控制自由液面04的高低。
作为本发明的优选实施方式，所述常规小型分离器45的下部安装有液位计58a、均气板42和涡轮叶片43，上部安装有波形板组件44。
上述所述的管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置的测量方法：当低含气率气液两相流体从管道2的入口段2a流过旋流器16a时，分散于液体02中的气泡3在离心力的作用下被驱赶到入口段2a的中心线附近，并立即合并成一个气柱03，在惯性和浮力作用下气柱03和一部分液体进入内管12内，而绝大部分液体则被排挤在内管12以外，这部分液体称为液体主流；气柱03在内管12内上升一段距离后，由于旋转的衰减，又重新离散成气泡，接着在浮力作用下从液体中脱离出来，上升进入常规小型分离器45；在常规小型分离器45中脱湿后，气体从其顶部流入回气管46中，经过气体流量计54计量后进入管道2的出口段2b中，重新与液体汇合；而伴随气柱03一起进入内管12的那部分液体，由于重力的作用，其上升速度很快会衰减为零，随后沿着内管12的内壁向下流动，重新与液体主流汇合，结果就会在内管12的上部或分离器45的下部形成一个自由液面04；未进入内管12的液体主流通过前分隔板53a上的通孔进入夹层空间14向上流动，然后在三通9内转向管道2的出口段2b；与此同时，从分离器45中被分离出来的液体，也在重力作用下落入自由液面04内，然后从后隔板53b上的通孔并入液体主流内，一同经过消旋器52整流和液体流量计56计量后，流过阻力调节件53，然后与从回气管46流出的干气汇合，流出测量装置。
Claims (8)
1.一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：包括管道(2)，所述管道(2)分为通过三通(9)相连通的入口段(2a)和出口段(2b)，入口段(2a)垂直安装，出口段(2b)则水平安装；所述入口段(2a)的进口处内壁上安装有旋流器(16a)，内管(12)通过前隔板(53a)和后隔板(53b)固定在管道(2)和三通(9)的内壁上，内管12的外壁与管道2的入口段2a的内壁之间保持一个夹层空间(14)；所述出口段(2b)上依次安装有消旋器(52)、液体流量计(56)和阻力调节件(53)；三通(9)的另一个垂直支管与常规小型分离器(45)相连通，常规小型分离器(45)的顶部有一出口与回气管(46)相连通，回气管(46)上安装有气体流量计(54)，回气管(46)出口与管道(2)的出口段(2b)相连通；所述内管(12)为一圆管，管壁上没有任何贯穿孔和割缝；所述的前隔板(53a)为一环形板，其内缘与内管(12)相连，外缘与入口段(2a)的内壁相连，环形板上分布有流体通孔；所述的后隔板(53b)为圆锥管，侧面开有均匀分布的通孔。
2.根据权利要求1所述的一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述前隔板(53a)上的流体通孔为圆孔、方孔或不规则形状的通孔。
3.根据权利要求1所述的一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述后隔板(53b)侧面开的通孔的开孔率不超过10％。
4.根据权利要求1所述的一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述旋流器(16a)由4～8片螺旋叶片组成，其叶片高度小于管道(2)的入口段(2a)半径的0.6倍，没有中心轴，直接固定在入口段(2a)的内壁上。
5.根据权利要求1所述的一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述消旋器(52)为一组与管道(2)的出口段(2b)的轴线平行布置的平板，这些平板将出口段(2b)的内部空间分隔成若干流通面积相等或分布对称的小流道。
6.根据权利要求1所述的一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述阻力调节件(53)为孔板、喷嘴或阀门。
7.根据权利要求1所述的一种管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述常规小型分离器(45)的下部安装有液位计(58a)、均气板(42)和涡轮叶片(43)，上部安装有波形板组件(44)。
8.采用权利要求1所述的管内相分隔式低含气率气液两相流体流量测量装置的测量方法：其特征在于：当低含气率气液两相流体从管道(2)的入口段(2a)流过旋流器(16a)时，分散于液体(02)中的气泡(3)在离心力的作用下被驱赶到入口段(2a)的中心线附近，并立即合并成一个气柱(03)，在惯性和浮力作用下气柱(03)和一部分液体进入内管(12)内，而绝大部分液体则被排挤在内管(12)以外，这部分液体称为液体主流；气柱(03)在内管(12)内上升一段距离后，由于旋转的衰减，又重新离散成气泡，接着在浮力作用下从液体中脱离出来，上升进入常规小型分离器(45)；在常规小型分离器(45)中脱湿后，气体从其顶部流入回气管(46)中，经过气体流量计(54)计量后进入管道(2)的出口段(2b)中，重新与液体汇合；而伴随气柱(03)一起进入内管(12)的那部分液体，由于重力的作用，其上升速度很快会衰减为零，随后沿着内管(12)的内壁向下流动，重新与液体主流汇合，结果就会在内管(12)的上部或分离器(45)的下部形成一个自由液面(04)；未进入内管的液体主流通过前分隔板(53a)上的通孔进入夹层空间14向上流动，然后在三通(9)内转向管道(2)的出口段(2b)；与此同时，从分离器(45)中被分离出来的液体，也在重力作用下落入自由液面(04)内，然后从后隔板(53b)上的通孔并入液体主流内，一同经过消旋器(52)整流和液体流量计(56)计量后，流过阻力调节件(53)，然后与从回气管(46)流出的干气汇合，流出测量装置。
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