CN104655213B - 一种超临界二氧化碳流量测量方法及流量计 - Google Patents
一种超临界二氧化碳流量测量方法及流量计 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于石油、化工、食品、环保等使用超临界二氧化碳领域的流量检测与控制领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳流量测量方法及流量计，通过压力传感器测量管道内的压力P，通过温度传感器测量管道内的液体温度T，并通过射流反冲力传感器测量检测气、液、固态流体流动时对传感器的反冲力，通过反冲力、冲击角度、射流扩散曲线测量，通过压力P、温度T测量计算其质量流量，解决了超临界二氧化碳多相混合、相互转变等状态的流量质量计量问题。
Description
技术领域
本发明属于石油、化工、食品、环保等使用超临界二氧化碳领域的流量检测与控制领域，尤其涉及一种超临界二氧化碳流量测量方法及流量计。
背景技术
随着工艺技术的发展，超临界的二氧化碳在石油、化工等领域使用场所越来越多。
由于其廉价、消除碳排放、综合利用与回收以及它具有的超强渗透性和各种化学特性，对采油、钻井、化工工艺等新的应用极其广泛并带来很好的经济效益。
对于使用部门的计量问题一直未得到解决，无论是计量收费还是控制工艺参数等重要环节都需要准确计量，以便进行其它工作。
计量困难的原因是该物质在超临界状态的品相不定，可以在气体、固体、液体状态相互转变，压缩系数、密度和粘度均随温度和压力改变具有非线性变化，工作温度在-30°到150°宽范围，工作压力在3-60MPa范围，从而给计量带来很大困难。另外。由于呈液态的二氧化碳与水可生成碳酸，对管线及运动部件产生腐蚀并破坏，因此流量计内不得有运动部件切需要耐腐蚀。由于常规的质量、容积流量计的原理所规定的计量方式已不适应该种物质的计量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种质量法超临界二氧化碳流量计，使用方便、操作简单、精度高，使用时与以往的流量连接相同，使其可在任何现场和任合场所进行有效检测，解决了超临界二氧化碳的准确计量问题。
本发明是这样实现的：
一种超临界二氧化碳流量测量方法，
通过压力传感器测量管道内的压力P，通过温度传感器测量管道内的液体温度T，并通过射流反冲力传感器测量检测气、液、固态流体流动时对传感器的反冲力，通过反冲力、冲击角度、射流扩散曲线测量，通过压力P、温度T测量计算其质量流量，具体包括如下的步骤：
1)计算在压力、温度可变情况下流体的密度：
A＝(P*Mco2)/(Z*T*Rco2) (1)
式(1)中：A为密度，单位为Kg/m3；P为压力，单位为MPa；
T为温度，单位为K；Z为压缩因子，无量纲；Mco2为二氧化碳分子量，为44.01；Rco2为二氧化碳的气体常数，取值0.008257，A的单位为：MPa*m3/Kmol*k；
整理得：A＝5329.83*P/Z*(t+273.15) 式中t为温度，单位为摄氏度；
2)通过压力P以及温度T计算压缩因子；
3)将步骤2)计算的压缩因子代入公式(1)中，计算得出流体密度A；
4)质量流量Q的计算：Q＝K*(F*S/A)^0.5，
式中：Q为流量公斤/每秒；S为射孔面积，单位为平方分米；F为测得反冲力，单位为牛顿；A为流体密度单位为：公斤/立方分米；K为射流扩散曲线系数；射流扩散曲线系数是使用质量计量后的气体进入流量计，通过试验测出流量计检测的数据，进行多次试验后将误差回归成线性求出系数K即为射流扩散曲线系数，射流扩散曲线系数为本领域技术人员通过上述的介绍可以得知的系数。冲击角度为0度。
传感器安装架为倒U型结构，传感器安装在倒U型结构中，与流量计管道平行形成被测物质通道，垂直于被测物质通道设置混合射流通孔，射流通孔出口设置垂直于射流通孔的射流反冲力测量板，测量板下方安装射流反冲力传感器，通过射流反冲力传感器测量出流体对射流反冲力测量板的冲力大小。
进一步地，采用多维收缩法计算压缩因子：
Z＝0.274×[(P/7.366)/(T/304.2)]×{0.7937×[-G+(G×G+4×H×H×H)^1/2]^1/3-(1.2599×H)/[-G+(G×G+4×H×H×H)^1/2]^1/3+[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/[9×(P/7.366)]} (2)
式(2)中：Z为压缩因子，无量纲且恒小于1；
P为检测压力，单位Mpa，T为检测温度，单位K；
式(2)中H＝1/(P/7.366)-[(P/7.366)+8×(T/304.2)/[9×(P/7.366)]^2G＝-1/(P/7.366)+{[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/[3×(P/7.366)^2]}+2×{-[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/3×(P/7.366)}^3；
采用生物化学遗传方式计算法计算压缩因子：
Z＝K0×Z0+K1×Z1+K2×Z2+K3×Z3 (3)
式中：Z为压缩因子，无量纲且恒小于1；K0、K1、K2、K3为Z0、Z1、Z2、Z3的相应系数；
其中：K0＝(u-u1)×(u-u2)×(1-u)/(u1×u2)；
K1＝u×(u-u2)×(u-1)/[u1×(u1-1)×(u1-u2)]；
K2＝u×(u-u1)×(u-1)/[u2×(u2-1)×(u2-u1)]；
K3＝u×(u-u1)×(u-u2)/[(u1-1)×(u2-1)]；
u＝(P^0.03-7.5^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)P为检测压力，单位为MPa；
u1＝(16^0.03-7.5^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)
u2＝(30^0.03-16^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)
Z0＝1.0151-0.2873×t^-3.33-0.0855×t^-6.66-0.2077×t^-9.99
Z1＝1.0387-1.3784×t^-4.66+0.58×t^-9.32+0.09×t^-13.98
Z2＝1.0677-1.6632×t^-4.06+1.86×t^-8.92-0.7218×t^-13.38
Z3＝1.1541-0.8172×t^-4.04+1.1726×t^-8.08-0.5099×t^-12.12
式中t＝T/304.2 T为检测温度，单位为K，
式中：摄氏温度+273.15＝K氏温度。式中B^a为B的a次幂；B^-a＝1/B^a；
本发明还提供一种超临界二氧化碳流量计，该流量计包括两端设置安装法兰的管段，在管段内设置有射流反冲力传感器，所述射流反冲力传感器的安装架为倒U型结构，安装架的开口朝向流体流向，安装架与管段平行形成被测物质通道，垂直于被测物质通道设置混合射流通孔，倒U型安装架内射流通孔出口下方设置垂直于射流通孔的射流反冲力测量板，测量板下方安装传感器体，通过传感器体测量出流体对射流反冲力测量板的冲力大小，在管段上进口侧与射流反冲力传感器设置压力传感器，在管段上出口侧与射流反冲力传感器设置有温度传感器。
进一步地，该流量计还包括微处理器，射流反冲力传感器、温度传感器以及压力传感器采集的数据传递至微处理器，微处理器进行数据的处理。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
1、解决了超临界二氧化碳多相混合、相互转变等状态的流量质量计量问题；
2、可以在宽范围压力、温度、密度和压缩系数变化状况下进行检测；
3、首次采用遗传算法、多维收索算法进行数学模型建立，计算准确性高；
4、由于采取了技术措施，提高和达到了流量计的需要检测精度；
5、大大减少了传感器维修、保养成本及使用成本；
6、合理使用了进口元器件，使系统的可靠性大大提高。
7.消除了普通流量计中的运动部件、采用射流反冲力传感器、增加了射流控制等固定部件，由于反冲力传感器的低端特性线性度高使流量计低端测量可比常规流量计高的很多。由于被测物质的密度是温度、压缩系数和压力的非线性函数，这是常规流量计是根本无法测量的。
8.由于密度是压力、温度、压缩系数的非线性函数关系，必须使用发冲力测量使用间接法计量物质的质量，而变量范围很广，采用常规查表计算单片机的内存不足，因此需要建立数学模型在单片机采用后通过数学模型计算得出测量数据，这样可以是有效的内存得到可靠使用达到目的。
附图说明
图1是本发明实施例提供的设备结构示意图；
图2是本发明实施例提供的电路的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1结合图2，一种超临界二氧化碳流量计，该流量计包括两端设置安装法兰的管段1，在管段1内设置有射流反冲力传感器，射流反冲力传感器的安装架14为倒U型结构，安装架14的开口朝向流体流向，安装架14与管段1平行形成被测物质通道4，垂直于被测物质通道设置混合射流通孔6，倒U型安装架14内射流通孔6出口下方设置垂直于射流通孔的射流反冲力测量板8，测量板8下方安装传感器体7，通过传感器体7测量出流体对射流反冲力测量板的冲力大小，在倒U型的开口端设置有管段盖5，管段盖5中间有孔，液体通过孔流出。在管段1上进口侧与射流反冲力传感器设置压力传感器2，在管段上出口侧与射流反冲力传感器设置有温度传感器3。管段4通过两侧的法兰10与设备连接，各传感器的引线13通过管道连接在电路11上。
该射流反冲力传感器采用射流通孔检测气、液、固态流体流动时对传感器的反冲力，通过反冲力、冲击角度、射流扩散曲线参数测量通过压缩系数、压力、温度测量计算其质量流量
该流量计还包括微处理器，射流反冲力传感器、温度传感器以及压力传感器采集的数据传递至微处理器，微处理器进行数据的处理。在电路连接上，包括变送器、微处理器、温度传感器、电源适配器，压力传感器、射流反冲力传感器，射流反冲力传感器的输出端连接变送器，温度传感器、压力传感器的输出端直接连接在微处理器上，变送器将射流反冲力变化信号转换成1-5V稳定直流信号，变送器的输出端连接微处理器，直流信号传递至微处理器，通过微处理器连接的液晶显示器12进行显示。变送器以及微处理器通过连接电源稳压器供电，电源稳压器连接DC电源或者电池，本实施例中变送器通过使用美国产专用变送集成电路芯片将毫伏量级的力输出变化量转换成1-5V稳定直流信号。微处理器使用美国产12位字长C8051F微处理器，片内24位AD转换器，通过软件进行数据处理，传口输出数据驱动彩色触摸液晶显示器予以显示文字、图片和数据。液晶显示器采用台湾产3，5英寸中文彩色触摸液晶显示器，工作温度范围为-10-50°。电源稳压器：供给传感器、变送器24VDC和微处理器3.3VDC。
一种超临界二氧化碳流量测量方法，
通过压力传感器测量管道内的压力P，通过温度传感器测量管道内的液体温度T，并通过射流反冲力传感器测量检测气、液、固态流体流动时对传感器的反冲力，通过反冲力、冲击角度、射流扩散曲线测量，通过压力P、温度T测量计算其质量流量，具体包括如下的步骤：
1)计算在压力、温度可变情况下流体的密度：
A＝(P*Mco2)/(Z*T*Rco2) (1)
式(1)中：A为密度，单位为Kg/m3；P为压力，单位为MPa；
T为温度，单位为K；Z为压缩因子，无量纲；Mco2为二氧化碳分子量，为44.01；Rco2为二氧化碳的气体常数，取值0.008257，A的单位为：MPa*m3/Kmol*k；
整理得：A＝5329.83*P/Z*(t+273.15) 式中t为温度，单位为摄氏度；
2)通过压力P以及温度T计算压缩因子；
3)将步骤2)计算的压缩因子代入公式(1)中，计算得出流体密度A；
4)质量流量Q的计算：Q＝K*(F*S/A)^0.5，
式中：Q为流量公斤/每秒；S为射孔面积，单位为平方分米；F为测得反冲力，单位为牛顿；A为流体密度单位为：公斤/立方分米；K为射流扩散曲线系数；射流扩散曲线系数是使用质量计量后的气体进入流量计，通过试验测出流量计检测的数据，进行多次试验后将误差回归成线性求出系数K即为射流扩散曲线系数，射流扩散曲线系数为本领域技术人员通过上述的介绍可以得知的系数。冲击角度为0度。
传感器安装架为倒U型结构，传感器安装在U型结构中，与流量计管道平行形成被测物质通道，垂直于被测物质通道设置混合射流通孔，射流通孔出口设置垂直于射流通孔的射流反冲力测量板，测量板下方安装射流反冲力传感器，通过射流反冲力传感器测量出流体对射流反冲力测量板的冲力大小。
采用多维收缩法计算压缩因子：
Z＝0.274×[(P/7.366)/(T/304.2)]×{0.7937×[-G+(G×G+4×H×H×H)^1/2]^1/3-(1.2599×H)/[-G+(G×G+4×H×H×H)^1/2]^1/3+[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/[9×(P/7.366)]} (2)
式(2)中：Z为压缩因子，无量纲且恒小于1；
P为检测压力，单位Mpa，T为检测温度，单位K；
式(2)中H＝1/(P/7.366)-[(P/7.366)+8×(T/304.2)/[9×(P/7.366)]^2G＝-1/(P/7.366)+{[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/[3×(P/7.366)^2]}+2×{-[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/3×(P/7.366)}^3；
还可以采用生物化学遗传方式计算法计算压缩因子：
Z＝K0×Z0+K1×Z1+K2×Z2+K3×Z3 (3)
式中：Z为压缩因子，无量纲且恒小于1；K0、K1、K2、K3为Z0、Z1、Z2、Z3的相应系数；
其中：K0＝(u-u1)×(u-u2)×(1-u)/(u1×u2)；
K1＝u×(u-u2)×(u-1)/[u1×(u1-1)×(u1-u2)]；
K2＝u×(u-u1)×(u-1)/[u2×(u2-1)×(u2-u1)]；
K3＝u×(u-u1)×(u-u2)/[(u1-1)×(u2-1)]；
u＝(P^0.03-7.5^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)P为检测压力，单位为MPa；
u1＝(16^0.03-7.5^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)
u2＝(30^0.03-16^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)
Z0＝1.0151-0.2873×t^-3.33-0.0855×t^-6.66-0.2077×t^-9.99
Z1＝1.0387-1.3784×t^-4.66+0.58×t^-9.32+0.09×t^-13.98
Z2＝1.0677-1.6632×t^-4.06+1.86×t^-8.92-0.7218×t^-13.38
Z3＝1.1541-0.8172×t^-4.04+1.1726×t^-8.08-0.5099×t^-12.12
式中t＝T/304.2 T为检测温度，单位为K，
式中：摄氏温度+273.15＝K氏温度。式中B^a为B的a次幂；B^-a＝1/B^a；
采用本实施例中设备进行测试，通过使用配套研发的专用质量法流量计标定试验台进行标定试验，得到试验数据表格，并计算器误差。
1、试验样品：
工业用50Kg二氧化碳瓶装气体
2、试验条件：
在室内实验，气温为20°
3、试验数据表格：
| 序号 | 称重折算流量(Kg/h) | 检测流量数值(Kg/h) | 平均误差(％) | 备注 |
| 1 | 2.58 | 2.62 | 1.5 | 10次平均 |
| 2 | 10.56 | 10.76 | 1.8 | 10次平均 |
| 3 | 40.55 | 40.67 | 2.9 | 10次平均 |
| 4 | 100.11 | 100.40 | 0.3 | 10次平均 |
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种超临界二氧化碳流量计，其特征在于，该流量计包括两端设置安装法兰的管段，在管段内设置有射流反冲力传感器，所述射流反冲力传感器的安装架为倒U型结构，安装架的开口朝向流体流向，安装架与管段平行形成被测物质通道，垂直于被测物质通道设置混合射流通孔，倒U型安装架内射流通孔出口下方设置垂直于射流通孔的射流反冲力测量板，测量板下方安装传感器体，通过传感器体测量出流体对射流反冲力测量板的冲力大小，在管段上进口侧与射流反冲力传感器设置压力传感器，在管段上出口侧与射流反冲力传感器设置有温度传感器。
2.如权利要求1所述的超临界二氧化碳流量计，其特征在于，该流量计还包括微处理器，射流反冲力传感器、温度传感器以及压力传感器采集的数据传递至微处理器，微处理器进行数据的处理。
3.一种利用权利要求1所述的超临界二氧化碳流量计的超临界二氧化碳流量测量方法，通过压力传感器测量管道内的压力P，通过温度传感器测量管道内的液体温度T，并通过射流反冲力传感器测量检测气、液、固态流体流动时对传感器的反冲力，通过反冲力、冲击角度、射流扩散曲线测量，通过压力P、温度T测量计算其质量流量，
具体包括如下的步骤：
1)计算在压力、温度可变情况下流体的密度：
A＝(P*Mco2)/(Z*T*Rco2) (1)
式(1)中：A为密度，单位为Kg/m3；P为压力，单位为MPa；
T为温度，单位为K；Z为压缩因子，无量纲；Mco2为二氧化碳分子量，为44.01；Rco2为二氧化碳的气体常数，取值0.008257，Rco2的单位为：MPa*m3/Kmol*k；
整理得：A＝5329.83*P/Z*(t+273.15)式中t为温度，单位为摄氏度；
2)通过压力P以及温度T计算压缩因子；
3)将步骤2)计算的压缩因子代入公式(1)中，计算得出流体密度A；
4)质量流量Q的计算：Q＝K*(F*S/A)^0.5，
式中：Q为流量，千克/每秒；S为射孔面积，单位为平方分米；F为测得反冲力，单位为牛顿；A为流体密度单位为：千克/立方分米；K为射流扩散曲线系数；冲击角度为0度。
4.按照权利要求3所述的超临界二氧化碳流量测量方法，其特征在于，采用多维收缩法计算压缩因子：
Z＝0.274×[(P/7.366)/(T/304.2)]×{0.7937×[-G+(G×G+4×H×H×H)^1/2]^1/3-(1.2599×H)/[-G+(G×G+4×H×H×H)^1/2]^1/3+[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/[9×(P/7.366)]} (2)
式(2)中：Z为压缩因子，无量纲且恒小于1；P为检测压力，单位Mpa，T为检测温度，单位K；
式(2)中：
H＝1/(P/7.366)-[(P/7.366)+8×(T/304.2)/[9×(P/7.366)]^2
G＝-1/(P/7.366)+{[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/[3×(P/7.366)^2]}+2×{-[(P/7.366)+8×(T/304.2)]/3×(P/7.366)}^3。
5.按照权利要求3所述的超临界二氧化碳流量测量方法，其特征在于，
采用生物化学遗传方式计算法计算压缩因子：
Z＝K0×Z0+K1×Z1+K2×Z2+K3×Z3 (3)
式中：Z为压缩因子，无量纲且恒小于1；K0、K1、K2、K3为Z0、Z1、Z2、Z3的相应系数；
其中：K0＝(u-u1)×(u-u2)×(1-u)/(u1×u2)；
K1＝u×(u-u2)×(u-1)/[u1×(u1-1)×(u1-u2)]；
K2＝u×(u-u1)×(u-1)/[u2×(u2-1)×(u2-u1)]；
K3＝u×(u-u1)×(u-u2)/[(u1-1)×(u2-1)]；
u＝(P^0.03-7.5^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)P为检测压力，单位为MPa；
u1＝(16^0.03-7.5^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)
u2＝(30^0.03-16^0.03)/(60^0.03-7.5^0.03)
Z0＝1.0151-0.2873×t^-3.33-0.0855×t^-6.66-0.2077×t^-9.99
Z1＝1.0387-1.3784×t^-4.66+0.58×t^-9.32+0.09×t^-13.98
Z2＝1.0677-1.6632×t^-4.06+1.86×t^-8.92-0.7218×t^-13.38
Z3＝1.1541-0.8172×t^-4.04+1.1726×t^-8.08-0.5099×t^-12.12
式中t＝T/304.2 T为检测温度，单位为K。
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| CN1076777A (zh) * | 1992-03-26 | 1993-09-29 | 上海机械学院 | 气(汽)液两相流量和质量含气率的测量方法 |
| CN1251652A (zh) * | 1997-03-27 | 2000-04-26 | 罗斯蒙德公司 | 带信号处理的涡旋流量计 |
| CN1587917A (zh) * | 2004-09-13 | 2005-03-02 | 浙江大学 | 采用垂直引流流道及双出口结构的射流流量计 |
| CN201748939U (zh) * | 2010-08-30 | 2011-02-16 | 宁波水表股份有限公司 | 一种射流流量传感器的结构形式 |
| CN103335682A (zh) * | 2013-07-15 | 2013-10-02 | 成都千嘉科技有限公司 | 一种天然气的气体流量计量方法 |
-
2015
- 2015-01-16 CN CN201510023357.6A patent/CN104655213B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 液态CO_2质量流量计量;陈晓威;《钻采工艺》;20030630(第03期);第28-31页 * |
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