CN104266702A - 多相湿气流流量与相含率在线测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多相湿气流流量与相含率在线测量方法及装置。本发明包括圆柱状V锥节流装置，V锥节流装置的内腔中沿湿气流流动方向依次设置有节流锥体和温度传感器，节流锥体通过取压管道连接有收缩段差压传感器和扩张段差压传感器，压力传感器、收缩段差压传感器、扩张段差压传感器和温度传感器均连接数据处理系统，V锥节流装置的湿气流入口通过法兰连接电容探针装置。本发明使湿气通过V锥节流装置，V锥节流装置上设置有温度传感器、差压传感器和温度传感器，压力传感器、差压传感器和温度传感器将统计的数据传给数据处理系统进行处理。

Description

多相湿气流流量与相含率在线测量方法及装置

技术领域

本发明属于多相流测量领域，具体涉及一种多相湿气流流量与相含率在线测量方法及装置。

背景技术

“湿气”作为一种特殊的气液流，广泛存在于石油、化工、核能、制冷及冶金等工业过程中，其流量及相参数的测量对工业生产具有十分重要的意义。湿气包括三相湿气流和两相湿气流：例如，在天然气开采过程中，地层中存在游离水以及重碳氢化合物在压力降低时冷凝形成凝析液，该凝析液为油水混合物。因此，在集输管道中形成了油、气、水三相湿天然气流；气井单井气液在线计量对气田开发和生产管理都具有十分重要的意义。单井的气液流量是气田开发地质所需录取的重要气井动态资料，是制定气井生产计划和操作要求的依据之一，同时也是气田管理人员和地质研究人员了解气田的气藏分布、动态特性、产能结构，进行数值分析必需的基础资料。再如，蒸汽发生器产生的湿蒸汽属于两相湿气(汽)流的范畴，其准确测量对于电站以及核动力系统中蒸汽品质监测和汽轮机等装置的安全经济运行具有重要意义，但是湿蒸汽测量存在着难度大、准确度差、测量成本高等难点，目前缺乏相关可直接测量两相湿气流的仪表，测量主要采用单相仪表，设法保持测量点处蒸汽的干度以满足要求，必要时还应采取补偿措施，实现湿蒸汽的测量。湿气流属于多相流，除了具有多相流的一般流动特点外，还具有其特殊性。由于其液相含量低(体积含液率低于5％～10％)，导致其相对于普通多相流难以进行准确测量。鉴于湿气测量的难点和重要性，国内外均开展了大量研究，提出了一些测量装置和测量方法。

目前，常用的湿气测量方法是常规仪表的组合式测量方法，包括不同节流元件的串联组合，节流元件与电容传感器、声纳传感器、微波技术及涡街流量计的组合等。实用新型专利86207384.7公布了以孔板和文丘里管串联组合进行气液流量测量的方法；专利ZL200610099064提供了一种双槽式孔板型混输计量装置；专利ZL200810153806.9提出了双差压节流的湿气测量方法；专利ZL201210465443.9提出了双节流三差压湿气两相流测量系统；美国专利US6898986 B2提出了采用两个楔形节流元件与一个文丘里管组合的气液两相流测量技术；专利ZL200720019466提出了基于电容传感器与标准文丘里管的气液两相流量测量装置；美国专利US 7654155 B2提出了声纳和文丘里管结合的湿气测量方法。专利ZL200710150184发明了一种基于改进型的狭缝文丘里节流装置的气液两相流测量系统。但是，这些测量方法及装置只能够进行气液两相流测量，而当湿气中含有油、气、水三相时，则无法区分油相和水相的相参数。

专利ZL201110048192公布了一种基于单截面阻抗式长腰内锥传感器的多相流测量方法，该方法根据连续相是否导电选择相应的电学方法计算各相截面含率，然后结合单节流元件双差压测量模型进行多相流过程参数的测量。为克服专利ZL201110048192易受多相流连续相是否导电的影响的不足，专利ZL201110048160公布了一种基于双截面阻抗式长腰内锥传感器的多相流测量方法。以上两个专利测量过程均受混合流体的介电常数影响较大，因此需要进行温度和压力补偿。这两种方法均能进行油、气、水三相的测量，但是由于这两个专利是用来测量普通多相流的，当用以测量多相湿气流时，液相的相对偏差会急剧增大。

美国专利US 7293471 B2公布了一种基于含水率测量装置和双差压测量装置的三相湿气流测量方法及装置，用于测量三相湿气流的流量和相含率等过程参数。该方法的含水率测量采用γ射线或者微波传感器，使得安全性得不到保障，并且成本较高。

专利ZL 201210190815.1公布了一种气液两相流气相流量在线测量方法及装置，该专利基于单节流元件，通过测量单个差压，建立测量方程来测量气相流量，但是该发明专利只用于测量气液混合物中的气相流量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种多相湿气流流量与相含率在线测量方法及装置，进行三相湿气流(油、气、水三相)或两相湿气流(气(汽)、液两相)的在线测量。

为了达到上述目的，本发明包括两相湿气流在线测量实施系统，两相湿气流在线测量实施系统包括数据处理系统和圆柱状V锥节流装置，V锥节流装置的内腔中沿湿气流流动方向依次设置有节流锥体和温度传感器，节流锥体通过取压管道连接有收缩段差压传感器和扩张段差压传感器，收缩段差压传感器的另一条取压管道连接节流锥体的上游以及压力传感器，扩张段差压传感器的另一条取压管道连接节流锥体的下游，压力传感器、收缩段差压传感器、扩张段差压传感器和温度传感器均连接数据处理系统。

本发明还包括三相湿气流在线测量实施系统，三相湿气流在线测量实施系统包括在V锥节流装置的湿气流入口通过法兰连接电容探针装置，电容探针装置包括置于与V锥节流装置连接的腔体中的电容探针和电极探针，电容探针和电极探针均连接电容信号处理模块，电容信号处理模块连接数据处理系统。

三相湿气流在线测量实施系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：由压力传感器及温度传感器测得湿气的压力P和温度T，根据已知的湿气气相和油相的组分，计算得到油、气、水三相的密度ρ_o、ρ_g、ρ_w及粘度；

步骤二：湿气中的水相包覆在电容探针表面形成电容信号C，通过电容信号处理模块中的电容电压转换电路转换成电压信号V，然后转化成标准电流信号I输出，经过数据处理系统，输出湿气含水率α_w；

其中，

α_w+α_o+α_g＝1

式中，α_o、α_g分别为油和气相的相含率，则液相混合密度为：

${\mathrm{\ρ}}_l=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o}{{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\α}}_o};$

步骤三：定义V锥节流装置的两相质量流量系数为其中，m_g和m_l分别为气液相质量流量，m_l＝m_w+m_o，m_w和m_o分别为湿气中水和油相的质量流量；为湿气差压对应的表观湿气流量，其中，A_t为V锥节流装置的喉部流通截面积，ρ_g为气相密度，β为V锥节流装置的节流比，A为V锥节流装置的入口截面积，D为节流装置内径；

步骤四：根据洛克哈特-马蒂内利参数X_LM的定义式与收缩段两相质量流量系数的定义式建立湿气测量模型式中，m_apparent,1为收缩段差压△P₁对应的表观湿气流量；

步骤五：差压传感器测得的收缩段的差压△P₁，所对应的两相质量流量系数为K₁，通过实验标定得到K₁与X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，其中，气体密度弗鲁德数 ${\mathrm{Fr}}_g=\frac{m_g}{A{\mathrm{\ρ}}_g\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}},$ g为重力加速度；

步骤六：差压传感器测得扩张段的差压△P₂，所对应的两相质量流量系数为K₂，K₁和K₂之差与X_LM、Fr_g及ρ_g/ρ_l满足以下的关联式，即，由此可建立双差压△P₁和△P₂与各相流量及相含率参数的关联式， $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g);$

步骤七：联立m_g、K₁的表达式和 $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g),$ 再结合电容探针测得的含水率α_w，通过迭代，得到油、气、水流量m_o、m_g、m_w及相含率α_o、α_g、α_w。

所述 $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g)$ 通过以下步骤得出：

湿气流经V锥节流装置时的差压为ΔP，所对应的表观湿气质量流量m_apparent为：

$m_{\mathrm{apparent}}=\frac{A{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(1\right)$

式中，A为V锥节流装置的入口截面积，D为节流装置内径；β为V锥节流装置的节流比，A_t为V锥节流装置的喉部流通截面积；ρ_g为气相密度；

定义V锥节流装置的两相质量流量系数K为：

$K=\frac{m}{m_{\mathrm{apparent}}}=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}}---\left(2\right)$

式中，m为湿气的真实流量，为湿气中气相质量流量m_g和液相质量流量m_l之和；

湿气测量中一般用洛克哈特-马蒂内利(Lockhart-Martinelli，L-M)参数，X_LM，来表征液相相对含率的大小，其定义为湿气中的液相单独流过管道时的惯性力与气相单独流过管道内时的惯性力比值的平方根，X_LM的表达式为式(3)：

$X_{\mathrm{LM}}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}=\frac{1-x}{x}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}=\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\α}}_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(3\right)$

式中，ρ_l为液相密度；x为质量含气率，x＝m_g/m；α_g、α_l分别为气、液相含率；

由式(1)～(3)可得基于两相质量流量系数的湿气测量模型：

$m_g=\frac{m_{\mathrm{apparent}}K}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(4\right)$

测得湿气流经V锥节流装置时的收缩段差压ΔP₁，由式(2)得到其对应的两相质量流量系数K₁；研究表明，K₁主要受X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的影响，即

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(5\right)$

其中，气体密度弗鲁德数

${\mathrm{Fr}}_g=\frac{m_g}{A{\mathrm{\ρ}}_g\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(6\right)$

式中，g为重力加速度；

收缩段差压ΔP₁和扩张段的差压ΔP₂，所对应的两相质量流量系数K₁和K₂随X_LM参数变化特性不同，其他条件相同时，K₂大于K₁，该差异特性可表示为

Φ＝K₂-K₁   (7)

湿气的质量含气率x与Φ具有单调递减关系，并且受气液密度比和气体密度弗鲁德数Fr_g的影响，即，

$x=f(\mathrm{\Φ},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(8\right)$

由式(3)和(6)，可将式(8)变为：

$\mathrm{\Φ}=f(x,{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g)---\left(9\right)$

又

Φ＝K₂-K₁＝f(ΔP₁,ΔP₂)   (10)

可建立双差压ΔP₁和ΔP₂与过程参数的关系式：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g)---\left(11\right)$

对于三相湿气流，式(11)变为：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{{\mathrm{\ρ}}_o,\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g).$

两相湿气流在线测量实施系统的测量方法，包括以下步骤：

步骤一：由压力传感器及温度传感器测得湿气的压力P和温度T，根据已知的湿气气相和液相的组分，计算得到气、液的密度ρ_g、ρ_l及粘度；

步骤二：将差压传感器测得的收缩段的差压△P₁代入方程：

$m_{\mathrm{apparent},1}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_1}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$

得到收缩段差压对应的表观湿气流量m_apparent,1；其中，β为V锥节流装置的节流比，A为V锥节流装置的入口截面积，D为节流装置内径；根据洛克哈特-马蒂内利参数X_LM的定义式，与两相质量流量系数的定义式，建立湿气测量模型：

$m_g=\frac{K_1{m}_{\mathrm{apparent},1}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

式中，A_t为V锥节流装置的喉部流通截面积；ρ_g、ρ_l分别为气、液相相密度；m_g、m_l分别为气液相质量流量；

步骤三：通过实验获得两相质量流量系数K₁与X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})$

式中气体密度弗鲁德数g为重力加速度；

步骤四：同理，根据V锥节流装置扩张段差压△P₂可得到扩张段差压对应的表观湿气流量m_apparent,2：

$m_{\mathrm{apparent},2}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_1}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$

结合扩张段的两相质量流量系数K₂可得气体质量流量方程

$m_g=\frac{K_2{m}_{\mathrm{apparent},2}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

通过实验标定，获得K₂与X_LM、Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即 $K_2=f_2(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l});$

步骤五：建立两相质量流量系数K₁、K₂与X_LM、Fr_g及气液密度比的关联式，由式(11)，可得双差压△P₁和△P₂与各相流量及相含率参数的关联式，即，

步骤六：将及K₁或K₂的方程代入到 $m_g=\frac{K_1{m}_{\mathrm{apparent},1}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 或 $m_g=\frac{K_2{m}_{\mathrm{apparent},2}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 中，通过迭代，得到气、液相质量流量m_g、m_l及气、液相相含率α_g、α_l。

与现有技术相比，本发明使湿气通过V锥节流装置，V锥节流装置上设置有温度传感器、差压传感器和温度传感器，压力传感器、差压传感器和温度传感器将统计的数据传给数据处理系统进行处理，最后获得气、液两相流量及相含率，本发明不受测量介质介电常数变化的影响，并且在湿气范围内不受流型变化的影响；具有系统简单、结构紧凑、安全可靠、使用灵活的优点，在满足测量精度的前提下可有效降低测量系统的成本。

进一步的，本发明的电容探针测量系统和V锥测量系统可以组合使用，当湿气中含有油、气、水三相(如，湿天然气等)，并且需要获得各相流量及相含率时，可采用电容探针装置与V锥测量装置组合测量，最终获得油、气、水三相流量及相含率。

附图说明

图1 V锥节流装置收缩段和扩张段两相质量流量系数K₁和K₂随X_LM变化关系图(D＝50mm，β＝0.65，P＝0.1～0.4MPa，Fr_g＝0.3～2.0)；

图2Φ与质量含气率x及压力P、气体密度弗鲁德数Fr_g的关系(D＝50mm，β＝0.65，P＝0.1～0.4MPa，Fr_g＝0.3～2.0)；

图3本发明的三相湿气流在线测量实施系统图；

图4本发明的三相湿气流在线测量流程图；

图5本发明的两相湿气流在线测量实施系统图；

图6本发明的两相湿气流在线测量流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的基础理论为：

湿气流经V锥节流装置时的差压为ΔP，所对应的表观湿气质量流量m_apparent为：

$m_{\mathrm{apparent}}=\frac{A{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(1\right)$

式中，A为V锥节流装置的入口截面积，D为节流装置内径；β为V锥节流装置的节流比，A_t为V锥节流装置的喉部流通截面积；ρ_g为气相密度；

定义V锥节流装置的两相质量流量系数K为：

$K=\frac{m}{m_{\mathrm{apparent}}}=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}}---\left(2\right)$

式中，m为湿气的真实流量，为湿气中气相质量流量m_g和液相质量流量m_l之和；

湿气测量中一般用洛克哈特-马蒂内利(Lockhart-Martinelli，L-M)参数，X_LM，来表征液相相对含率的大小，其定义为湿气中的液相单独流过管道时的惯性力与气相单独流过管道内时的惯性力比值的平方根，X_LM的表达式为式(3)：

$X_{\mathrm{LM}}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}=\frac{1-x}{x}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}=\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\α}}_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(3\right)$

式中，ρ_l为液相密度；x为质量含气率，x＝m_g/m；α_g、α_l分别为气、液相含率；

由式(1)～(3)可得基于两相质量流量系数的湿气测量模型：

$m_g=\frac{m_{\mathrm{apparent}}K}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(4\right)$

测得湿气流经V锥节流装置时的收缩段差压ΔP₁，由式(2)得到其对应的两相质量流量系数K₁；研究表明，K₁主要受X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的影响，即

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(5\right)$

其中，气体密度弗鲁德数

${\mathrm{Fr}}_g=\frac{m_g}{A{\mathrm{\ρ}}_g\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(6\right)$

式中，g为重力加速度；

由图1可知，ΔP₁和扩张段的差压ΔP₂，所对应的两相质量流量系数K₁和K₂随X_LM参数变化特性不同，其他条件相同时，K₂大于K₁；该差异特性可表示为

Φ＝K₂-K₁   (7)

参见图2，研究发现：湿气的质量含气率x与Φ具有单调递减关系，并且受气液密度比和气体密度弗鲁德数Fr_g的影响，即，

$x=f(\mathrm{\Φ},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(8\right)$

由式(3)和(6)，可将式(8)变为

$\mathrm{\Φ}=f(x,{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g)---\left(9\right)$

又

Φ＝K₂-K₁＝f(ΔP₁,ΔP₂)   (10)

可建立双差压ΔP₁和ΔP₂与过程参数的关系式：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g)---\left(11\right)$

因此，对于V锥节流装置，通过测量收缩段和扩张段的压差ΔP₁和ΔP₂，可由式(11)得到双差压与过程参数的关系；式(4)、(5)和(11)即为本发明的单V锥节流装置双差压测量的理论基础。

参见图3，本发明的三相湿气流在线测量实施系统，包括数据处理系统12和圆柱状V锥节流装置2，V锥节流装置2的内腔中沿湿气流流动方向依次设置有节流锥体7和温度传感器11，节流锥体7通过取压管道连接有收缩段差压传感器9和扩张段差压传感器10，收缩段差压传感器9的另一条取压管道连接节流锥体7的上游以及压力传感器8，扩张段差压传感器10的另一条取压管道连接节流锥体7的下游，压力传感器8、收缩段差压传感器9、扩张段差压传感器10和温度传感器11均连接数据处理系统12，V锥节流装置2的湿气流入口通过法兰3连接电容探针装置1，电容探针装置1包括置于与V锥节流装置2连接的腔体中的电容探针4和电极探针5，电容探针4和电极探针5均连接电容信号处理模块6，电容信号处理模块6连接数据处理系统12。

参见图4，本发明的三相湿气流在线测量实施系统的数据处理方法包括：

步骤一：由压力及温度传感器测得湿气的压力P和温度T，根据已知的湿气气相和油相的组分，计算得到油、气、水三相的密度ρ_o、ρ_g、ρ_w及粘度；

步骤二：湿气中的水相包覆在电容探针表面形成电容信号C，通过电容电压转换电路转换成电压信号V，然后转化成标准电流信号I输出，再经过数据处理系统，输出湿气含水率α_w，

其中，

α_w+α_o+α_g＝1   (12)

式中，α_o为油相含率，则液相混合密度为

${\mathrm{\ρ}}_l=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o}{{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\α}}_o};---\left(13\right)$

步骤三：三相湿气流中，液相质量流量m_l为油、水两相质量流量之和，即

m_l＝m_w+m_o   (14)

式中，m_w，m_o分别为湿气中水和油相的质量流量；

则V锥节流装置的两相质量流量系数为：

$K=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}}=\frac{m_g+m_o+m_w}{m_{\mathrm{apparent}}};---\left(15\right)$

步骤四：差压传感器测得的收缩段的差压ΔP₁和扩张段的差压ΔP₂对应的两相质量流量系数分别为K₁和K₂；对于三相湿气流，式(11)变为：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g);---\left(16\right)$

步骤五：收缩段差压ΔP₁对应的湿气测量模型为：

$m_g=\frac{K_1{m}_{\mathrm{apparent},1}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(17\right)$

式中，m_apparent,1为收缩段差压ΔP₁对应的表观湿气流量，

$m_{\mathrm{apparent},1}=\frac{{\mathrm{A\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ΔP}}_1}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}};---\left(18\right)$

步骤六：通过实验获得两相质量流量系数K₁与X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l});---\left(19\right)$

步骤七：联立方程(12)～(19)，通过迭代，当满足Δm_g≤0.1％时，迭代停止，此时，得到油、气、水流量m_o、m_g、m_w及相含率α_o、α_g、α_w。

参见图5，本发明的两相湿气流在线测量实施系统，包括数据处理系统12和圆柱状V锥节流装置2，V锥节流装置2的内腔中沿湿气流流动方向依次设置有节流锥体7和温度传感器11，节流锥体7通过取压管道连接有收缩段差压传感器9和扩张段差压传感器10，收缩段差压传感器9的另一条取压管道连接节流锥体7的上游以及压力传感器8，扩张段差压传感器10的另一条取压管道连接节流锥体7的下游，压力传感器8、收缩段差压传感器9、扩张段差压传感器10和温度传感器11均连接数据处理系统12。

参见图6，本发明的两相湿气流在线测量实施系统的数据处理方法包括：

步骤一：由压力及温度传感器测得湿气的压力P和温度T，根据已知的湿气气相和液相的组分，计算得到气、液的密度ρ_g、ρ_l及粘度；

步骤二：将差压传感器测得的收缩段的差压ΔP₁代入方程(1)中，得到收缩段差压对应的表观湿气流量m_apparent,1为：

$m_{\mathrm{apparent},1}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ΔP}}_1}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(18\right)$

则湿气测量模型为：

$m_g=\frac{K_1{m}_{\mathrm{apparent},1}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}};---\left(20\right)$

步骤三：通过实验获得两相质量流量系数K₁与X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l});---\left(21\right)$

步骤四：同理，根据V锥节流装置扩张段差压ΔP₂可得到扩张段差压对应的表观湿气流量m_apparent,2

$m_{\mathrm{apparent},2}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g{\mathrm{\ΔP}}_2}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(22\right)$

结合扩张段的两相质量流量系数K₂可得气体质量流量方程：

$m_g=\frac{K_2{m}_{\mathrm{apparent},2}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}};---\left(23\right)$

步骤五：通过实验标定获得K₂与X_LM、Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即

$K_2=f_2(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l});---\left(24\right)$

步骤六：由式(9)～(11)，可得差压ΔP₁、ΔP₂与过程参数的关系为

$\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_2}}-\frac{1}{\sqrt{{\mathrm{\ΔP}}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g);---\left(25\right)$

步骤七：将式(25)及K的方程代入到式(18)或式(21)中，通过迭代，当满足Δm_g≤0.1％时，迭代停止，此时得到气、液相质量流量m_g、m_l及气、液相相含率α_g、α_l。

Claims (5)

1.一种多相湿气流流量与相含率在线测量装置，其特征在于：包括两相湿气流在线测量实施系统，两相湿气流在线测量实施系统包括数据处理系统(12)和圆柱状V锥节流装置(2)，V锥节流装置(2)的内腔中沿湿气流流动方向依次设置有节流锥体(7)和温度传感器(11)，节流锥体(7)通过取压管道连接有收缩段差压传感器(9)和扩张段差压传感器(10)，收缩段差压传感器(9)的另一条取压管道连接节流锥体(7)的上游以及压力传感器(8)，扩张段差压传感器(10)的另一条取压管道连接节流锥体(7)的下游，压力传感器(8)、收缩段差压传感器(9)、扩张段差压传感器(10)和温度传感器(11)均连接数据处理系统(12)。

2.根据权利要求1所述的一种多相湿气流流量与相含率在线测量装置，其特征在于：还包括三相湿气流在线测量实施系统，三相湿气流在线测量实施系统包括在V锥节流装置(2)的湿气流入口通过法兰(3)连接电容探针装置(1)，电容探针装置(1)包括置于与V锥节流装置(2)连接的腔体中的电容探针(4)和电极探针(5)，电容探针(4)和电极探针(5)均连接电容信号处理模块(6)，电容信号处理模块(6)连接数据处理系统(12)。

3.权利要求2所述的一种多相湿气流流量与相含率在线测量装置的测量方法，其特征在于：三相湿气流在线测量实施系统的测量方法包括以下步骤：

步骤一：由压力传感器(8)及温度传感器(11)测得湿气的压力P和温度T，根据已知的湿气气相和油相的组分，计算得到油、气、水三相的密度ρ_o、ρ_g、ρ_w及粘度；

步骤二：湿气中的水相包覆在电容探针(4)表面形成电容信号C，通过电容信号处理模块(6)中的电容电压转换电路转换成电压信号V，然后转化成标准电流信号I输出，经过数据处理系统(12)，输出湿气含水率α_w；

其中，

α_w+α_o+α_g＝1

式中，α_o、α_g分别为油相和气相的相含率，则液相混合密度为：

${\mathrm{\ρ}}_l=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\ρ}}_o{\mathrm{\α}}_o}{{\mathrm{\α}}_w+{\mathrm{\α}}_o};$

步骤三：定义V锥节流装置的两相质量流量系数为其中，m_g和m_l分别为气、液相质量流量，m_l＝m_w+m_o，m_w和m_o分别为湿气中水和油相的质量流量；为湿气差压对应的表观湿气流量，其中，A_t为V锥节流装置(2)的喉部流通截面积，ρ_g为气相密度，β为V锥节流装置(2)的节流比，A为V锥节流装置(2)的入口截面积，D为节流装置内径；

步骤四：根据洛克哈特-马蒂内利参数X_LM的定义式与收缩段两相质量流量系数的定义式建立湿气测量模型式中，m_apparent,1为收缩段差压△P₁对应的表观湿气流量；

步骤五：差压传感器测得的收缩段的差压△P₁，所对应的两相质量流量系数为K₁，通过实验标定得到K₁与X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，其中，气体密度弗鲁德数 ${\mathrm{Fr}}_g=\frac{m_g}{A{\mathrm{\ρ}}_g\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}},$ g为重力加速度；

步骤六：差压传感器测得扩张段的差压△P₂，所对应的两相质量流量系数为K₂，K₁和K₂之差与X_LM、Fr_g及ρ_g/ρ_l满足以下的关联式，即，由此可建立双差压△P₁和△P₂与各相流量及相含率参数的关联式， $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g);$

步骤七：联立m_g、K₁的表达式和 $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g),$ 再结合电容探针测得的含水率α_w，通过迭代，得到油、气、水流量m_o、m_g、m_w及相含率α_o、α_g、α_w。

4.根据权利要求3所述的一种多相湿气流流量与相含率在线测量装置的测量方法，其特征在于：所述 $\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{\mathrm{\ρ}}_o,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g)$ 通过以下步骤得出：

湿气流经V锥节流装置(2)时的差压为ΔP，所对应的表观湿气质量流量m_apparent为：

$m_{\mathrm{apparent}}=\frac{A{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\ΔP}}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}---\left(1\right)$

式中，A为V锥节流装置的入口截面积，D为节流装置内径；β为V锥节流装置的节流比，A_t为V锥节流装置的喉部流通截面积；ρ_g为气相密度；

定义V锥节流装置的两相质量流量系数K为：

$K=\frac{m}{m_{\mathrm{apparent}}}=\frac{m_g+m_l}{m_{\mathrm{apparent}}}---\left(2\right)$

式中，m为湿气的真实流量，为湿气中气相质量流量m_g和液相质量流量m_l之和；

湿气测量中一般用洛克哈特-马蒂内利(Lockhart-Martinelli，L-M)参数，X_LM，来表征液相相对含率的大小，其定义为湿气中的液相单独流过管道时的惯性力与气相单独流过管道内时的惯性力比值的平方根，X_LM的表达式为式(3)：

$X_{\mathrm{LM}}=\frac{m_l}{m_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}=\frac{1-x}{x}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l}}=\frac{{\mathrm{\α}}_l}{{\mathrm{\α}}_g}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_l}{{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(3\right)$

式中，ρ_l为液相密度；x为质量含气率，x＝m_g/m；α_g、α_l分别为气、液相含率；

由式(1)～(3)可得基于两相质量流量系数的湿气测量模型：

$m_g=\frac{m_{\mathrm{apparent}}K}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}---\left(4\right)$

测得湿气流经V锥节流装置时的收缩段差压ΔP₁，由式(2)得到其对应的两相质量流量系数K₁；研究表明，K₁主要受X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的影响，即

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(5\right)$

其中，气体密度弗鲁德数

${\mathrm{Fr}}_g=\frac{m_g}{A{\mathrm{\ρ}}_g\sqrt{\mathrm{gD}}}\sqrt{\frac{{\mathrm{\ρ}}_g}{{\mathrm{\ρ}}_l-{\mathrm{\ρ}}_g}}---\left(6\right)$

式中，g为重力加速度；

收缩段差压ΔP₁和扩张段的差压ΔP₂，所对应的两相质量流量系数K₁和K₂随X_LM参数变化特性不同，其他条件相同时，K₂大于K₁，该差异特性可表示为

Φ＝K₂-K₁   (7)

湿气的质量含气率x与Φ具有单调递减关系，并且受气液密度比和气体密度弗鲁德数Fr_g的影响，即，

$x=f(\mathrm{\Φ},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})---\left(8\right)$

由式(3)和(6)，可将式(8)变为：

$\mathrm{\Φ}=f(x,{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g)---\left(9\right)$

又

Φ＝K₂-K₁＝f(ΔP₁,ΔP₂)   (10)

可建立双差压ΔP₁和ΔP₂与过程参数的关系式：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_l,{\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_l,m_g)---\left(11\right)$

对于三相湿气流，式(11)变为：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_2}}-\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\Δ}{P}_1}}=f({\mathrm{\ρ}}_g,{\mathrm{\ρ}}_w,{{\mathrm{\ρ}}_o,\mathrm{\α}}_g,{\mathrm{\α}}_w,{\mathrm{\α}}_o,m_g).$

5.权利要求1所述的一种多相湿气流流量与相含率在线测量装置的测量方法，其特征在于：两相湿气流在线测量实施系统的测量方法包括以下步骤：

步骤一：由压力传感器(8)及温度传感器(11)测得湿气的压力P和温度T，根据已知的湿气气相和液相的组分，计算得到气、液的密度ρ_g、ρ_l及粘度；

步骤二：将差压传感器测得的收缩段的差压△P₁代入方程：

$m_{\mathrm{apparent},1}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_1}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$

得到收缩段差压对应的表观湿气流量m_apparent,1；其中β为V锥节流装置(2)的节流比，A为V锥节流装置(2)的入口截面积，D为节流装置内径；根据洛克哈特-马蒂内利参数X_LM的定义式，与两相质量流量系数的定义式，建立湿气测量模型：

$m_g=\frac{K_1{m}_{\mathrm{apparent},1}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

式中，A_t为V锥节流装置(2)的喉部流通截面积；ρ_g、ρ_l分别为气、液相相密度；m_g、m_l分别为气液相质量流量；

步骤三：通过实验获得两相质量流量系数K₁与X_LM、气体密度弗鲁德数Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即，

$K_1=f_1(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l})$

式中，气体密度弗鲁德数g为重力加速度；

步骤四：同理，根据V锥节流装置扩张段差压△P₂可得到扩张段差压对应的表观湿气流量m_apparent,2：

$m_{\mathrm{apparent},1}=\frac{A_t\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_g\mathrm{\Δ}{P}_1}}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^4}}$

结合扩张段的两相质量流量系数K₂可得气体质量流量方程：

$m_g=\frac{K_2{m}_{\mathrm{apparent},2}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$

通过实验标定，获得K₂与X_LM、Fr_g及气液密度比的拟合关联式，即 $K_2=f_2(X_{\mathrm{LM}},{\mathrm{Fr}}_g,\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l});$

步骤五：建立两相质量流量系数K₁、K₂与X_LM、Fr_g及气液密度比的关联式，根据权利3，可建立双差压△P₁和△P₂与各相流量及相含率参数的关联式，即，

步骤六：将及K₁或K₂的方程代入到 $m_g=\frac{K_1{m}_{\mathrm{apparent},1}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 或 $m_g=\frac{K_2{m}_{\mathrm{apparent},2}}{1+X_{\mathrm{LM}}/\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_g/{\mathrm{\ρ}}_l}}$ 中，通过迭代，得到气、液相质量流量m_g、m_l及气、液相相含率α_g、α_l。