CN104568375B - 一种段塞流参数非介入测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种段塞流参数非介入测量装置及方法。该装置包括超声回波测量探头、超声回波采集模块、信号分析处理模块、段塞流参数输出模块。两只超声探头结构和性能参数完全相同，分别布置在被测气液两相流管道的外壁12点钟位置。根据上下游两只超声回波测量探头所测量的回波信号衰减特征，分辨两个探头所在处管道内壁是大气泡还是液塞，并确定出超声回波波形开始变化的时间，进而实现液塞速度、长度和频率的非介入测量。本发明为完全非介入测量装置，不需对现有管线进行改动，不存在介质泄漏风险，不受管内温度、压力、气液物性等参数的变化的影响，无需声速校正，在管外壁即可实现管内气液两相段塞流特征参数的准确测量。

Description

一种段塞流参数非介入测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种段塞流参数非介入测量装置及方法，具体地说是一种用于测量气液两相混输管路中段塞流参数的装置及方法。

背景技术

段塞流是气液混输管路中一种常见的流型，它在许多操作条件(正常操作、启动、停输、清管、输量变化等)下都会出现。段塞流表现液塞和大气泡交替流过管道截面，因此在段塞流型下，管道的压力和持液率会发生急剧变化，从而严重影响下游会引起下游油气处理设备中的液位剧烈波动。段塞流特征参数主要有液塞频率，液塞长度、液塞速度。对弹状流动参数进行时时测量，是研究段塞流流动流动规律，以及对段塞流进行控制的前提和基础。

当前段塞流参数测量主要通过对反映两相流流动特性的波动信号进行分析处理来实现的。根据信号来源不同，主要有压力（差压）波动法以及探针测量法等。

LiPY等人在《Int.J.MultiphaseFlow》(国际多相流杂志，1987,13（1）：13-20）发表了“Detectionofslugflowfrompressuremeasurements(基于压力信号的段塞流测量)”，该文报道了采用压力信号测量段塞流速度。何利民等人在《化工学报》（2003,54（2）：227-230）发表了“测量水平管道液塞速度和长度的差压波动分析法”，文章采用差压信号对段塞流速度和长度进行了测量。测量压力或差压信号需要对现有管线进行开孔以便安装引压，增加了介质泄漏风险。

常见的探针测量装置有电导探针、电容探针、光纤探针等多种形式。王鑫等人在《工程热物理学报》（2006，27（1）：71-74）发表了“水平管道段塞流液塞速度实验研究”，该文报道了采用电导探针互相关技术测量液塞速度的方法。该方法同样是一种介入式方法，影响管道内清管器的通过，传感器件容易污损，测量时需要对现有管道系统进行调整改造。此外，该方法对被测介质有明确要求，对于气、油两相流，由于气相和液相介质均不导电，该方法将无法使用。

发明内容

本发明的目的是克服上述段塞流参数测量方法的局限，以在管壁中往复传播的超声回波为分析对象，提出一种利用气、液相与管壁接触时超声回波衰减特性的差异来进行段塞流参数测量的装置。其优点是不改变现有管路结构，在管道外壁即可实现对管内段塞流参数的准确测量，无需声速校正，不受管内介质温度、压力，物性等参数变化的影响，具有结构简单、操作方便，适用范围广、安全性能好等特点。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种段塞流参数非介入测量装置包括超声回波测量探头、超声回波采集模块、信号分析处理模块、段塞流参数输出模块，超声回波测量探头有两只，分别通过数据线与超声回波采集模块相连，超声回波采集模块通过数据线与信号处理模块相连，信号处理模块通过数据线与段塞流参数输出模块相连。

两个超声探头结构和性能参数完全相同，分别布置在被测气液两相流管道的外壁12点钟位置，上游超声回波测量探头和下游超声回波测量探头间距0.5m-1m。

两只超声回波测量探头的端面与被测管道外壁贴合，探头端面与被测管道外壁之间的间隙由超声耦合剂填充。

一种段塞流参数非介入测量方法包括如下步骤：

1）应用超声回波采集模块对上下游两超声回波测量探头测量的回波信号进行同时采集，采集数据的时间长度为5min-30min。

2）超声回波采集模块记录的两超声回波数据输入信号分析处理系统，信号分析处理系统根据上下游超声回波测量探头测量的回波信号的衰减特征，确定液塞头部和尾部分别到达和离开两测量探头的四个时刻：

T_1H——液塞头部到达上游超声回波测量探头的时间，

T_1T——液塞尾部离开上游超声回波测量探头的时间，

T_2H——液塞头部到达下游超声回波测量探头的时间，

T_2T——液塞尾部离开下游超声回波测量探头的时间，

液塞速度Vs用公式或公式计算，

3）根据由步骤2）得到的液塞速度Vs计算液塞长度Ls，液塞长度Ls用公式L_s=V_s（T_1T-T_1H）或L_s=V_s（T_2T-T_2H）计算，

4）统计某一时间段内经过上游超声回波测量探头或下游超声回波测量探头的液塞个数n，根据n计算液塞频率f，计算公式如下：

$f=\frac{n}{T}$

其中：T——统计时间长短，

5）根据统计时间内测量的液塞个数n，计算平均液塞速度和平均液塞长度公式如下：

${\stackrel{\_}{V}}_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Si}}$

${\stackrel{\_}{L}}_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{Si}}$

其中：

i——统计时间内第i个液塞，

V_Si——统计时间内第i个液塞的速度，

L_Si——统计时间内第i个液塞的长度，

6）由步骤4）计算的液塞频率f，以及步骤5）计算的平均液塞速度和平均液塞长度由段塞流参数输出模块显示输出。

本发明在测量过程中，根据气相和液相超声回波特性的差别判断探头所在位置处与管道内壁接触的是液体还是气体，从而确定段塞流的液塞头部和尾部达到和离开超声回波测量探头的时间，进而测量出液塞速度、液塞长度和液塞频率。本发明为完全非介入监测装置，即可用于金属管道亦可适用于非金属管道。在管外壁即可实现管内气液流型的准确测量，不需对现有管线进行改动，不存在介质泄漏风险，不受管内温度、压力等参数的变化的影响，且无需声速校正。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明探头安装示意图；

图3为气、液相两相分别和管壁接触时超声回波衰减波形示意图；

图4为段塞流型下液塞和大气泡分别通过超声探头时的回波衰减特性示意图；

图5为本发明液塞速度测量原理示意图；

图6为本发明液塞长度测量原理示意图。

具体实施方式

由图1所示，本发明包括超声回波测量探头2，超声回波测量探头3，超声回波采集模块4，信号分析处理模块5以及段塞流参数输出模块6，超声回波测量探头2和超声回波测量探头3分别通过数据线与超声回波采集模块4相连，超声回波采集模块4通过数据线与信号分析处理模块5相连，信号分析处理模块5通过数据线与段塞流参数输出模块6相连。

超声回波测量探头2和超声回波测量探头3结构和性能参数完全相同，分别布置在被测气液两相流管道1的外壁12点钟位置，位于上游的超声回波测量探头2和位于下游超声回波测量探头3的间距为0.5m-1m。

超声回波测量探头2和超声回波测量探头3的端面与被测管道1的外壁8贴合，探头端面与被测管道1的外壁8之间的间隙由超声耦合剂7填充。

超声回波测量探头2，超声回波测量探头3测量的壁面超声回波信号经超声回波采集模块4采集后传输到信号分析处理模块5上进行分析计算。段塞流参数输出模块6用于输出显示液塞速度、液塞长度、液塞频率等段塞流特征参数。

本发明测量原理详细说明如下：

超声波通过两种不同的物质时，会在其接触界面上发生反射和透射，其声压反射率和透射率分别用（1）和（2）式计算。

反射率：

$R_i=\frac{Z_2-Z_1}{Z_2+Z_1}---\left(1\right)$

透射率：

$T_i=\frac{{2Z}_2}{Z_2+Z_1}---\left(2\right)$

R-反射率；T-透射率；Z₁-介质1声阻抗；Z₂-介质2声阻抗。

若壁面材料为钢材，气、液相介质分别为空气和水，则可查知：空气的声阻抗为Z_A＝0.00004×10⁶/(g·cm^-2·s)，水的声阻抗Z_W＝0.148×10⁶/(g·cm^-2·s)，钢材的声阻抗Z_S＝4.5310⁶/(g·cm^-2·s)。

发生第一次回波时，当钢管内壁为液体介质（水）时，声压反射系数：

当钢管内壁为气体介质（空气）时，声压反射系数：

比较上式中的反射率，发现其差别为0.064左右，其dB值相差为

可见第一次回波气、液回波差别很小，但如果超声波在钢壁中往复透射10次，其差别为5.7dB，可见随着回波次数的增加，气、液回波特性的差异日益明显。这就是说当气、液相分别和管壁接触时，超声检测探头所测的回波信号衰减特性完全不同。

布置在气液两相流管道1的外壁上的超声回波测量探头2和超声回波测量探头3向管内垂直发射超声波，由于气相与固体壁面之间的声阻抗差别要远大于相应的液相，根据公式（1）和（2）可知，当管内壁与气相接触时，发生透射的能量相对较少，大部分能量被反射回来，重新被超声探头所接受。因此当管壁与气相接触时其回波衰减速率要远小于管壁与液相接触时回波衰减速率。图3为气、液相两相分别和管壁接触时超声回波衰减波形示意图，图3-a为管内壁9和气相接触时的回波衰减图，图3-b为管内壁9和液相接触时回波衰减图。从图上可以看出，二者回波特性有明显差别。当管内壁9与液相接触时，由于有一部分发生了透射，能量衰减很快，而管内壁9和气相接触时，透射率相对较小，回波衰减缓慢。根据管内壁9回波特性的差别即可判断与探头所在位置处与管内壁9接触的是气相还是液相。

由图4所示，当管道内为段塞流型时，大气泡10和液塞11交替流过管截面，当液塞11的头部到达超声回波测量探头2或超声回波测量探头3时，管截面被液相占据，此时探头所在处管内壁9为液相，超声回波衰减较为迅速。当液塞11的尾部离开超声回波测量探头2和超声回波测量探头3后，与超声回波测量探头2和超声回波测量探头3接触的管内介质为气相，此时所测量的回波信号衰减特性将发生突变。

本发明根据超声回波测量探头2和超声回波测量探头3所测量的回波信号衰减特征，可以分别确定出两个探头所在处管道内壁是大气泡10还是液塞11，并确定出超声回波波形开始变化的时间，进而实现液塞速度、长度和频率的非介入测量。

一种段塞流参数非介入测量方法，包括如下步骤：

1）应用超声回波采集模块4对超声回波测量探头2和超声回波测量探头3测量的回波信号进行同时采集，为提高测量精度和进行统计平均，采集数据的时间长度为5min-30min。

2）超声回波测量探头2和超声回波测量探头3具有完全相同的特性，二者间隔为L，把上、下游超声回波测量探头、测量管道及被测流体所组成的系统视为一个信号系统。在气液两相流管道1中某个液塞会依次通过安装在上游的超声回波测量探头2和安装在下游的超声回波测量探头3。超声回波采集模块4记录的两超声回波数据输入信号分析处理模块5，信号分析处理模块5根据上下游超声回波测量探头测量的回波信号的衰减特征的变化，确定液塞头部和尾部分别到达和离开两测量探头的四个时刻：

T_1H——液塞头部到达超声回波测量探头2的时间，

T_1T——液塞尾部离开超声回波测量探头2的时间，

T_2H——液塞头部到达超声回波测量探头3的时间，

T_2T——液塞尾部离开超声回波测量探头3的时间，

时间△T_H=(T_2H-T_1H)为液塞头部到达上下两测量探头的时间间隔，△T_T=(T_2T-T_1T)为液塞尾部离开上下两测量探头的时间间隔。

液塞头部通过间距L所用的时间为(T_2H-T_1H），两探头之间的间距为L，因此液塞速度用下式计算：

$V_s=\frac{L}{(T_{2H}-T_{1H})}---\left(3\right)$

认为在测量过程中液塞做匀速运动，且液塞和大气泡均不会发生变形，则液塞头部通过上下游两超声传感探头的时间间隔△T_H与液塞尾部离开上下游两超声传感探头的时间间隔△T_T基本一致。则液塞速度还可用下式计算：

$V_s=\frac{L}{(T_{2T}-T_{1T})}---\left(4\right)$

3）根据由步骤2）得到的液塞速度Vs计算液塞长度Ls，液塞长度Ls计算方法如下：

当液塞头部刚开始通过和液塞尾部离开超声回波测量探头位置时，超声回波特性均会发生变化。由图5所示，由超声回波测量探头2或超声回波测量探头3测量的超声回波信号可以确定出液塞头部到达超声传感探头到液塞尾部离开超声探头的时间间隔τ_s，在根据式（3）或（4）确定出液塞速度后，因τ_s=（T_1T-T_1H），则液塞长度Ls可以用下式计算：

L_s=V_s（T_1T-T_1H）（5）

同样，认为在测量过程中液塞做匀速运动，且不会发生变形。则液塞头部和尾部通过安装在上游的超声回波测量探头2和时间间隔和通过安装在下游的超声回波测量探头3基本一致，即τ_s=（T_1T-T_1H）=（T_2T-T_2H），则液塞长度Ls还可以用下式计算：

L_s=V_s（T_2T-T_2H）（6）

4）统计某一时间段内经过上游超声回波测量探头2或下游超声回波测量探头3的液塞个数n，根据n计算液塞的频率f，计算公式如下：

$f=\frac{n}{T}---\left(7\right)$

其中：T——统计时间长短，

5）根据统计时间内通过的液塞个数n，计算平均液塞速度和平均长度，公式如下：

${\stackrel{\_}{V}}_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Si}}---\left(8\right)$

${\stackrel{\_}{L}}_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_{\mathrm{Si}}---\left(9\right)$

其中：

i——统计时间内第i个液塞，

V_Si——统计时间内第i个液塞的速度，

L_Si——统计时间内第i个液塞的长度。

6）由步骤4）计算的液塞频率f，以及步骤5）计算的平均液塞速度和平均液塞长度由段塞流参数输出模块6显示输出。

本发明能够在线实时测量，为完全非介入式测量装置，不需要对现有管道进行改动，对测量管道管径、管壁材料、测量气液相介质性质以及温度、压力均无要求，适用范围宽广。

Claims (1)

1.一种段塞流参数非介入测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)应用超声回波采集模块对上下游两超声回波测量探头测量的回波信号进行同时采集，采集数据的时间长度为5min-30min，

2)超声回波采集模块记录的两超声回波数据输入信号分析处理模块，信号分析处理模块根据上下游超声回波测量探头测量的回波信号的衰减特征，确定液塞头部和尾部分别到达和离开两测量探头的四个时刻：

T_1H——液塞头部到达上游超声回波测量探头的时间，

T_1T——液塞尾部离开上游超声回波测量探头的时间，

T_2H,——液塞头部到达下游超声回波测量探头的时间，

T_2T——液塞尾部离开下游超声回波测量探头的时间，

液塞速度Vs用公式 $V_s=\frac{L}{(T_{2H}-T_{1H})}$ 或公式 $V_s=\frac{L}{(T_{2T}-T_{1T})}$ 计算，

3)根据由步骤2)得到的液塞速度Vs计算液塞长度Ls，液塞长度Ls用公式L_s＝V_s(T_1T-T_1H)或L_s＝V_s(T_2T-T_2H)计算，

4)统计某一时间段内经过上游超声回波测量探头或下游超声回波测量探头的液塞个数n，根据n计算液塞频率f，计算公式如下：

$f=\frac{n}{T}$

其中：T——统计时间长短，

5)根据统计时间内测量的液塞个数n，计算平均液塞速度和平均液塞长度公式如下：

${\stackrel{\‾}{V}}_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{V}_{Si}$

${\stackrel{\‾}{L}}_S=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}{L}_{Si}$

其中：

i——统计时间内第i个液塞，

V_Si——统计时间内第i个液塞的速度，

L_Si——统计时间内第i个液塞的长度，

6)由步骤4)计算的液塞频率f，以及步骤5)计算的平均液塞速度和平均液塞长度由段塞流参数输出模块显示输出；

所述的段塞流参数非介入测量方法采用段塞流参数非介入测量装置进行测量，所述段塞流参数非介入测量装置包括：超声回波测量探头、超声回波采集模块、信号分析处理模块、段塞流参数输出模块，超声回波测量探头有两只，分别通过数据线与超声回波采集模块相连，超声回波采集模块通过数据线与信号分析处理模块相连，信号分析处理模块通过数据线与段塞流参数输出模块相连；两个所述超声回波测量探头的结构和性能参数完全相同，分别布置在被测气液两相流管道的外壁12点钟位置，上游超声回波测量探头和下游超声回波测量探头间距0.5m-1m；

两只超声回波测量探头的端面与被测管道外壁贴合，探头端面与被测管道外壁之间的间隙由超声耦合剂填充。