CN104132703B - 基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置及方法，该装置包括相互连通的主管路进口段、主管路渐缩段、小主管路、主管路渐扩段和主管路出口段，小主管路内上游设有旋流装置，旋流装置下游设置导流管，导流管出口连接分离罐入口，分离罐上端为轻相出口管路，下端为重相出口管路，轻相出口管路和重相出口管路的出口均与小主管路连通，在轻相出口管路内装有轻相流量计，在轻相出口管路和重相出口管路之间的小主管路上装有重相流量计，在旋流装置和导流管间或分离罐内设有和脉冲电源相连接的脉冲电极；本发明还提供了测量方法，本发明大幅强化了分离能力，节约了电能，改善了测量的实时性和精确性，缩小了体积，便于在工程上广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于多相流流量测量技术领域，具体涉及一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置及方法。
背景技术
在石油开采、环保化工等领域经常需要将互不相容的两相流体进行测量，目前传统的液液两相流体的测量方法是先将两相流体在大分离罐内通过重力或离心方法分离成单相流体后，再分别用单相流量计进行测量，如公开号CN101025080A采用的方法是通过重力原理自然沉降进行分离。由于重力分离速度太慢，且设备体积大，而实际生产往往需要将两相流体进行快速分离，因此测量的实时性和便捷性很差。公开号CN2931780和专利CN102251766 A分别提出了一种通过离心分离原理进行油水分离的装置，这两种方法虽然可以实现快速分离，但实践表明，仅靠离心力难以将油水彻底分离，从分离装置流出的油相中常含有15％-50％水分，因此应用于测量领域误差过大。
公开号为1580733的专利提供了一种液液两相流测量方法，该方法先利用混流器将两相流搅匀成为均相流，然后测得总体积流量，再根据节流元件不可压缩流体体积流量计算公式得到流体的分相流量，由于诸如流量系数等参数都是通过经验公式获得，因而都离不开两相流体流量标定系统，并需要建立浩瀚复杂的两相流量量值传递系统，这就严重限制了它在工程上的应用。
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基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置及方法，结合了旋流分离技术和高频高压脉冲电脱技术，在不改变流体流动方向的状况下实现了两相流体在管内的完全分隔，轻相中不再含有残余的重相，重相中也不再含有轻相，随后流体通过导流管进入分离罐实现快速分离后，再分别使用流量计实时准确测出两相的流量；本发明最大的优点是大幅强化了分离能力，节约了电能，改善了测量的实时性和精确性，缩小了测量装置的体积，并能提高自动化程度，便于在工程上广泛应用。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，包括液液两相流体依次流过的相互连通的主管路进口段1、主管路渐缩段2、小主管路3、主管路渐扩段4和主管路出口段5，所述小主管路3内上游设置有旋流装置6，旋流装置6下游设置导流管7，导流管7的出口连接分离罐8的入口，分离罐8的上端为轻相出口管路9，下端为重相出口管路10，分离罐8内设置有液位计11，所述轻相出口管路9和重相出口管路10的出口均与小主管路3连通，在轻相出口管路9和重相出口管路10内均装有调节阀12，调节阀12和分离罐8内的液位计11相互配合，用来监测分离罐8内的重相液位高度不低于分离罐8底面，不高于轻相出口管路9；在轻相出口管路9内装有轻相流量计13，在轻相出口管路9和重相出口管路10之间的小主管路3上装有重相流量计14，在所述旋流装置6和导流管7间或分离罐8内设置有脉冲电极16，所述脉冲电极16和脉冲电源17相连接。
所述旋流装置6和小主管路3的管壁之间是相对静止布置，旋流装置6的中心是一直径为小主管路3管内径五分之一至二分之一的圆柱棒，围绕圆柱棒的是四片螺旋角不小于180°的不锈钢片，圆柱棒的来流侧为半球状，下游侧为锥体。
所述脉冲电源17采用电压、频率、占空比能够连续调节的高频高压脉冲矩形波脉冲电源，电压幅值调节范围为1K-7KV，脉冲频率调节范围为1KHz～10KHz，占空比调节范围为0.1～0.9。
当液液两相流体重相多轻相少时，所述脉冲电极16设置在旋流装置6和导流管7间，脉冲电极16包括正电极16-1和负电极16-2，其中正电极16-1是一根直径不大于5mm金属棒，靠首尾两端的两个支撑环18固定在小主管路3管内正中心，负电极16-2和正电极16-1的长度相同，负电极16-2紧贴小主管路3管壁内侧周向布置一周或与小主管路3管壁间隔预设距离周向布置一周。
所述分离罐8设置在小主管路3的上方，其直径不大于小主管路3的直径；所述导流管7呈“倒L”型，入口端位于小主管路3的管道正中心，呈喇叭口状，其直径大小要确保能导流出小主管路3内的全部轻相流体；所述轻相出口管路9和重相出口管路10在小主管路3的不同位置处汇合，轻相出口管路9和重相出口管路10与小主管路3汇合处的上游均装有孔板15。
当液液两相流体中轻相多重相少时，所述脉冲电极16设置在分离罐8内，脉冲电极16包括正电极16-1和负电极16-2，正电极16-1和负电极16-2采用金属网交错分层布置。
所述导流管7为一直管，设置在小主管路3的正中心，随着流体流入方向直径逐渐缩小，其入口直径确保能流过全部轻相流体；所述分离罐8设置在小主管路3和导流管7的顶部，所述导流管7与分离罐8接触连通或不接触，当导流管7与分离罐8接触连通时，分离罐8位于导流管7四周的底部开有重相流体流出的通孔，当导流管7与分离罐8不接触时，分离罐8的底部开有轻相流体流入和重相流体流出的通孔；所述重相出口管路10与小主管路3垂直连通并位于导流管7中部的位置，所述重相出口管路10将小主管路3分为两段，重相出口管路10的两端均与小主管路3连通。
所述轻相出口管路9和重相出口管路10在小主管路3的同一位置处汇合，轻相出口管路9和重相出口管路10与小主管路3汇合处的上游装有孔板15。
上述所述测量装置，当液液两相流体重相多轻相少时，其测量方法为：液液两相流体首先通过主管路进口段1流经主管路渐缩段2加速，再依次流经小主管路3内的旋流装置6和脉冲电极16，在旋流场产生的离心作用和脉冲电极产生的脉冲电场的共同作用下，轻相流体被分隔至小主管路3的管道中心，重相流体被分隔到小主管路3的管壁周围，随后导流管7将管道中心的全部轻相流体和少部分重相流体导流至分离罐8，其余大部分重相流体则继续沿着小主管路3向下游流动；进入分离罐8的两相流体通过快速重力分离后，轻相流体从分离罐8上端的轻相出口管路9流出，并经过轻相流量计13进行测量，少部分重相流体通过分离罐8底部的重相出口管路10返回至小主管路3，汇同没有进入导流管7的大部分重相流体一起经过重相流量计14进行计量；全部轻相流体最后返回至小主管路3中；液位计11和调节阀12用来控制分离罐8内的重相流体液位不低于分离罐8底面，不高于轻相出口管路9。
上述所述测量装置，当液液两相流体中轻相多重相少时，其测量方法为：液液两相流体首先通过主管路进口段1流经主管路渐缩段2加速，再流经小主管路3内的旋流装置6，经过旋流场产生的离心作用，轻相流体被分隔至小主管路3的管道中心，重相流体被分隔到小主管路3的管壁四周，管道中心的全部轻相流体和少部分重相流体通过导流管7进入分离罐8，进入分离罐8的两相流体通过电脱和重力分离后，轻相流体从分离罐8上端的轻相出口管路9流出，并经过轻相流量计13进行测量，重相流体始终存在小主管路3中，其流量将通过位于重相出口管路10上的重相流量计14测量，全部轻相流体最后返回至小主管路3中；液位计11和调节阀12用来控制分离罐8内的重相流体液位不低于分离罐8底面，不高于轻相出口管路9。
和现有技术相比较，本发明具有如下优点：
本发明和传统的液液两相流体的测量方法相比较，在方法上结合了旋流分离技术和高频高压脉冲电脱技术，其中旋流场产生的离心作用是实现管内液液两相分隔的关键，高频高压脉冲电脱技术能够让轻相中含有的细小重相液滴聚合形成大液滴，然后通过重力沉淀或者离心脱离的方式将其分离出来。本发明装置在不改变流体流动方向的状况下实现了两相流体在管内的完全分隔，轻相中不再含有残余的重相，重相中也不再含有轻相，随后流体再通过导流管进入分离罐实现快速分离后，再分别使用流量计实时准确测出两相的流量。本发明最大的优点是大幅强化了分离能力，节约了电能，改善了测量的实时性和精确性，缩小了测量装置的体积，并能提高自动化程度，便于在工程上广泛应用。
附图说明
图1为第一种液液两相流体流量测量装置结构示意图。
图2a为第一种装置结构脉冲电极的负电极紧贴小主管路管壁内侧周向布置一周的结构示意图。
图2b为第一种装置结构脉冲电极的负电极与小主管路管壁间隔预设距离周向布置一周的结构示意图。
图3为第二种液液两相流体流量测量装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更详细的说明。
如图1和图3所示，本发明一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，包括液液两相流体依次流过的相互连通的主管路进口段1、主管路渐缩段2、小主管路3、主管路渐扩段4和主管路出口段5，所述小主管路3内上游设置有旋流装置6，旋流装置6下游设置导流管7，导流管7的出口连接分离罐8的入口，分离罐8的上端为轻相出口管路9，下端为重相出口管路10，分离罐8内设置有液位计11，所述轻相出口管路9和重相出口管路10的出口均与小主管路3连通，在轻相出口管路9和重相出口管路10内均装有调节阀12，调节阀12和分离罐8内的液位计11相互配合，用来监测分离罐8内的重相液位高度不低于分离罐8底面，不高于轻相出口管路9；在轻相出口管路9内装有轻相流量计13，在轻相出口管路9和重相出口管路10之间的小主管路3上装有重相流量计14，在所述旋流装置6和导流管7间或分离罐8内设置有脉冲电极16，所述脉冲电极16和脉冲电源17相连接。
作为本发明的优选实施方式，所述旋流装置6和小主管路3的管壁之间是相对静止布置，旋流装置6的中心是一直径为小主管路3管内径五分之一至二分之一的圆柱棒，围绕圆柱棒的是四片螺旋角不小于180°的不锈钢片，圆柱棒的来流侧为半球状，下游侧为锥体。
作为本发明的优选实施方式，所述脉冲电源17采用电压、频率、占空比能够连续调节的高频高压脉冲矩形波脉冲电源，电压幅值调节范围为1K-7KV，脉冲频率调节范围为1KHz～10KHz，占空比调节范围为0.1～0.9。
如图1所示，当液液两相流体重相多轻相少时，所述脉冲电极16设置在旋流装置6和导流管7间，如图2所示，脉冲电极16包括正电极16-1和负电极16-2，其中正电极16-1是一根直径不大于5mm金属棒，靠首尾两端的两个支撑环18固定在小主管路3管内正中心，负电极16-2和正电极16-1的长度相同，如图2a所示，负电极16-2紧贴小主管路3管壁内侧周向布置一周，或如图2b所示，负电极16-2与小主管路3管壁间隔预设距离周向布置一周，其中图2b的结构中正负电极的距离比图2a中结构缩短，能够制造出更强的电场强度，更有利于重相液滴的聚合和脱离。
所述支撑环18是绝缘材料制作，目的是用来固定脉冲电极16的正电极16-1和负电极16-2。
如图1所示，所述分离罐8是一段立式透明管，设置在小主管路3的上方，其直径不大于小主管路3的直径；包括一个进口两个出口，进口连接导流管7，位于分离罐8下端，上端出口连接轻相出口管路9，底部出口连接重相出口管路10。
如图1所示，所述导流管7呈“倒L”型，入口端位于小主管路3的管道正中心，呈喇叭口状，其直径大小要确保能导流出小主管路3内的全部轻相流体；所述轻相出口管路9和重相出口管路10在小主管路3的不同位置处汇合，轻相出口管路9和重相出口管路10与小主管路3汇合处的上游均装有孔板15。
作为本发明的优选实施方式，所述孔板15装在轻相出口管路9和重相出口管路10与小主管路3连接处上游10-20mm处。其作用是在连接处上游产生负压，便于支路流体顺利流入。
如图3所示，当液液两相流体中轻相多重相少时，所述脉冲电极16设置在分离罐8内，脉冲电极16包括正电极16-1和负电极16-2，正电极16-1和负电极16-2采用金属网交错分层布置。
如图3所示，所述导流管7为一直管，设置在小主管路3的正中心，随着流体流入方向直径逐渐缩小，其入口直径确保能流过全部轻相流体；所述分离罐8设置在小主管路3和导流管7的顶部，所述导流管7与分离罐8接触连通或不接触，当导流管7与分离罐8接触连通时，分离罐8位于导流管7四周的底部开有重相流体流出的通孔，当导流管7与分离罐8不接触时，分离罐8的底部开有轻相流体流入和重相流体流出的通孔；所述重相出口管路10与小主管路3垂直连通并位于导流管7中部的位置，所述重相出口管路10将小主管路3分为两段，重相出口管路10的两端均与小主管路3连通。
如图3所示，所述轻相出口管路9和重相出口管路10在小主管路3的同一位置处汇合，轻相出口管路9和重相出口管路10与小主管路3汇合处的上游装有孔板15。
如图1所示，当液液两相流体重相多轻相少时，其测量方法为：液液两相流体首先通过主管路进口段1流经主管路渐缩段2加速，再依次流经小主管路3内的旋流装置6和脉冲电极16，在旋流场产生的离心作用和脉冲电极产生的脉冲电场的共同作用下，轻相流体被分隔至小主管路3的管道中心，重相流体被分隔到小主管路3的管壁周围，随后导流管7将管道中心的全部轻相流体和少部分重相流体导流至分离罐8，其余大部分重相流体则继续沿着小主管路3向下游流动；进入分离罐8的两相流体通过快速重力分离后，轻相流体从分离罐8上端的轻相出口管路9流出，并经过轻相流量计13进行测量，少部分重相流体通过分离罐8底部的重相出口管路10返回至小主管路3，汇同没有进入导流管7的大部分重相流体一起经过重相流量计14进行计量；全部轻相流体最后返回至小主管路3中；液位计11和调节阀12用来控制分离罐8内的重相流体液位不低于分离罐8底面，不高于轻相出口管路9。
如图3所示，当液液两相流体中轻相多重相少时，其测量方法为：液液两相流体首先通过主管路进口段1流经主管路渐缩段2加速，再流经小主管路3内的旋流装置6，经过旋流场产生的离心作用，轻相流体被分隔至小主管路3的管道中心，重相流体被分隔到小主管路3的管壁四周，管道中心的全部轻相流体和少部分重相流体通过导流管7进入分离罐8，进入分离罐8的两相流体通过电脱和重力分离后，轻相流体从分离罐8上端的轻相出口管路9流出，并经过轻相流量计13进行测量，重相流体始终存在小主管路3中，其流量将通过位于重相出口管路10上的重相流量计14测量，全部轻相流体最后返回至小主管路3中；液位计11和调节阀12用来控制分离罐8内的重相流体液位不低于分离罐8底面，不高于轻相出口管路9。
Claims (10)
1.一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：包括液液两相流体依次流过的相互连通的主管路进口段(1)、主管路渐缩段(2)、小主管路(3)、主管路渐扩段(4)和主管路出口段(5)，所述小主管路(3)内上游设置有旋流装置(6)，旋流装置(6)下游设置导流管(7)，导流管(7)的出口连接分离罐(8)的入口，分离罐(8)的上端为轻相出口管路(9)，下端为重相出口管路(10)，分离罐(8)内设置有液位计(11)，所述轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)的出口均与小主管路(3)连通，在轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)内均装有调节阀(12)，调节阀(12)和分离罐(8)内的液位计(11)相互配合，用来监测分离罐(8)内的重相液位高度不低于分离罐(8)底面，不高于轻相出口管路(9)；在轻相出口管路(9)内装有轻相流量计(13)，在轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)之间的小主管路(3)上装有重相流量计(14)，在所述旋流装置(6)和导流管(7)间或分离罐(8)内设置有脉冲电极(16)，所述脉冲电极(16)和脉冲电源(17)相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述旋流装置(6)和小主管路(3)的管壁之间是相对静止布置，旋流装置(6)的中心是一直径为小主管路(3)管内径五分之一至二分之一的圆柱棒，围绕圆柱棒的是四片螺旋角不小于180°的不锈钢片，圆柱棒的来流侧为半球状，下游侧为锥体。
3.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述脉冲电源(17)采用电压、频率、占空比能够连续调节的高频高压脉冲矩形波脉冲电源，电压幅值调节范围为1K-7KV，脉冲频率调节范围为1KHz～10KHz，占空比调节范围为0.1～0.9。
4.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：当液液两相流体重相多轻相少时，所述脉冲电极(16)设置在旋流装置(6)和导流管(7)间，脉冲电极(16)包括正电极(16-1)和负电极(16-2)，其中正电极(16-1)是一根直径不大于5mm金属棒，靠首尾两端的两个支撑环(18)固定在小主管路(3)管内正中心，负电极(16-2)和正电极(16-1)的长度相同，负电极(16-2)紧贴小主管路(3)管壁内侧周向布置一周或与小主管路(3)管壁间隔预设距离周向布置一周。
5.根据权利要求4所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述分离罐(8)设置在小主管路(3)的上方，其直径不大于小主管路(3)的直径；所述导流管(7)呈“倒L”型，入口端位于小主管路(3)的管道正中心，呈喇叭口状，其直径大小要确保能导流出小主管路(3)内的全部轻相流体；所述轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)在小主管路(3)的不同位置处汇合，轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)与小主管路(3)汇合处的上游均装有孔板(15)。
6.根据权利要求1所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：当液液两相流体中轻相多重相少时，所述脉冲电极(16)设置在分离罐(8)内，脉冲电极(16)包括正电极(16-1)和负电极(16-2)，正电极(16-1)和负电极(16-2)采用金属网交错分层布置。
7.根据权利要求6所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述导流管(7)为一直管，设置在小主管路(3)的正中心，随着流体流入方向直径逐渐缩小，其入口直径确保能流过全部轻相流体；所述分离罐(8)设置在小主管路(3)和导流管(7)的顶部，所述导流管(7)与分离罐(8)接触连通或不接触，当导流管(7)与分离罐(8)接触连通时，分离罐(8)位于导流管(7)四周的底部开有重相流体流出的通孔，当导流管(7)与分离罐(8)不接触时，分离罐(8)的底部开有轻相流体流入和重相流体流出的通孔；所述重相出口管路(10)与小主管路(3)垂直连通并位于导流管(7)中部的位置，所述重相出口管路(10)将小主管路(3)分为两段，重相出口管路(10)的两端均与小主管路(3)连通。
8.根据权利要求6所述的一种基于管内相分隔技术的液液两相流体流量测量装置，其特征在于：所述轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)在小主管路(3)的同一位置处汇合，轻相出口管路(9)和重相出口管路(10)与小主管路(3)汇合处的上游装有孔板(15)。
9.采用权利要求1至5任一项所述测量装置的测量方法，其特征在于：液液两相流体首先通过主管路进口段(1)流经主管路渐缩段(2)加速，再依次流经小主管路(3)内的旋流装置(6)和脉冲电极(16)，在旋流场产生的离心作用和脉冲电极产生的脉冲电场的共同作用下，轻相流体被分隔至小主管路(3)的管道中心，重相流体被分隔到小主管路(3)的管壁周围，随后导流管(7)将管道中心的全部轻相流体和少部分重相流体导流至分离罐(8)，其余大部分重相流体则继续沿着小主管路(3)向下游流动；进入分离罐(8)的两相流体通过快速重力分离后，轻相流体从分离罐(8)上端的轻相出口管路(9)流出，并经过轻相流量计(13)进行测量，少部分重相流体通过分离罐(8)底部的重相出口管路(10)返回至小主管路(3)，汇同没有进入导流管(7)的大部分重相流体一起经过重相流量计(14)进行计量；全部轻相流体最后返回至小主管路(3)中；液位计(11)和调节阀(12)用来控制分离罐(8)内的重相流体液位不低于分离罐(8)底面，不高于轻相出口管路(9)。
10.采用权利要求6至8任一项所述测量装置的测量方法，其特征在于：液液两相流体首先通过主管路进口段(1)流经主管路渐缩段(2)加速，再流经小主管路(3)内的旋流装置(6)，经过旋流场产生的离心作用，轻相流体被分隔至小主管路(3)的管道中心，重相流体被分隔到小主管路(3)的管壁四周，管道中心的全部轻相流体和少部分重相流体通过导流管(7)进入分离罐(8)，进入分离罐(8)的两相流体通过电脱和重力分离后，轻相流体从分离罐(8)上端的轻相出口管路(9)流出，并经过轻相流量计(13)进行测量，重相流体始终存在小主管路(3)中，其流量将通过位于重相出口管路(10)上的重相流量计(14)测量，全部轻相流体最后返回至小主管路(3)中；液位计(11)和调节阀(12)用来控制分离罐(8)内的重相流体液位不低于分离罐(8)底面，不高于轻相出口管路(9)。
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