CN106979808B - 一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法 - Google Patents

一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法 Download PDF

Info

Publication number
CN106979808B
CN106979808B CN201710211603.XA CN201710211603A CN106979808B CN 106979808 B CN106979808 B CN 106979808B CN 201710211603 A CN201710211603 A CN 201710211603A CN 106979808 B CN106979808 B CN 106979808B
Authority
CN
China
Prior art keywords
flow
phase
ultrasonic
flowmeter
target
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201710211603.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN106979808A (zh
Inventor
张洪军
卢超
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Daqing Jia Hongda petroleum drilling equipment Co.,Ltd.
Original Assignee
China Jiliang University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Jiliang University filed Critical China Jiliang University
Priority to CN201710211603.XA priority Critical patent/CN106979808B/zh
Publication of CN106979808A publication Critical patent/CN106979808A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106979808B publication Critical patent/CN106979808B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F7/00Volume-flow measuring devices with two or more measuring ranges; Compound meters

Abstract

本发明公开了一种基于整流技术的超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量技术。测量系统包括倒U型测量管路、喷嘴整流器、超声流量计、靶式流量计、压力和温度传感器等。喷嘴整流器、超声流量计和靶式流量计安装于倒U型管的下降侧。湿气流经喷嘴整流器被调整为准均相流;传播时差法工作的超声流量计测得湿气的表观体积流量;结合超声流量计测得的表观体积流量,靶式流量计测得湿气的表观密度;在湿气气相组分已知、液相不可压并密度已知的情况下,根据压力和温度参数可以计算出气相密度;根据湿气表观流量、表观密度和分相密度,最终计算得出气相和液相的分相体积含率,以及分相体积流量与质量流量,从而实现湿天然气流量的在线不分离测量。

Description

一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法
技术领域
本发明涉及天然气流量计量技术领域,具体为基于整流技术的超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量技术。
背景技术
在油气计量领域,湿天然气(下面简称湿气)是一种特殊的气液两相流形态,一般指气相体积含率大于90%,液相与其他组分体积含率小于10%的油气混合物。美国石油学会将Lockhart-Martinelli(L-M)参数的气液两相流定义为湿气。虽然液相成份的体积含量通常不多,但是由于液相的存在增加了湿气流动的不稳定性,其动力学特性极其复杂。由于液滴重力及气体表面张力的作用,一部分大的液滴便沉积在管壁,形成连续的环状液膜。一般水平管道中存在的湿气流型主要为环状流、分层流。这些流型不利于湿气流量测量,对湿气流量计量的准确性造成了较大的影响。
目前湿气流量计量的方案主要有:
(1)分离法:通过分离器将湿气完全分离成气相和液相部分,这种分离器一般使用重力或通过旋流分离作用实现气液分离。再用成熟的单相流量计分别进行计量。但由于分离设备一般比较昂贵且占地面积较大,不适合在偏远的沙漠和海洋石油平台使用。
(2)直接测量法:用单相气体流量计直接测量湿气。应用较多的有差压式流量计,如孔板、文丘里流量计等。还有非压差法,如涡街流量计,涡轮流量计,超声波流量计等。由于没有使用多相流量仪表,无法获得液量的信息,液相的存在会引起压降增大造成虚高。所以需要建立一个湿气测量半经验公式模型进行修正。业内一般认为虚高和气液两相的Lockhart-Martinelli参数有关,所以对L-M参数进行迭代计算来进行修正。所有的修正都是针对气相流量进行修正。这种方法存在以下几个缺点:一是根据实验结果来进行修正而没有明确的动力学机制;二是没有对液相流量进行修正;三是这种方法仅适用于含气量高的一段较窄的量程。
(3)组合式测量的方法:使用辐射、超声、示踪等技术对湿气进行测量或者将这些技术与传统流量计结合的方式。这种技术在国外的公司有使用。不过这种技术对实验场地和设备的要求比较高,维护使用比较复杂。还有一些技术可能会有辐射的风险,会对工作人员的健康造成影响。
由于液相的存在使得湿气计量的误差大,在液相占比较大时甚至无法计量。目前湿气流量计还需要根据实际工况进行参数修正,湿气流量计的结构各异,数学模型也各不相同,对工况的适应性不强。开发高精度低成本的湿气流量计,是国内外石油天然气工业生产所迫切需要的。
发明内容
湿气流量测量最终需要得到的是分相流量和分相体积含率,为了解决现有技术中存在的上述技术问题,本发明采用超声与靶式流量计组合的方式实现湿气的不分离测量。具体技术方案如下:
一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统,由喷嘴整流器,超声流量计,靶式流量计,连接管路,压力传感器,温度传感器和计算机处理单元组成,测量管路为倒U型管,喷嘴整流器,超声流量计和靶式流量计依次安装于倒U型管的下降侧,超声流量计,靶式流量计,压力传感器,温度传感器分别和计算机处理单元连接。
进一步的,所述喷嘴整流器由喷嘴和下游阻尼网组成。
一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统的测量方法,
(1)采用喷嘴整流器获得均相流动:
湿气在流经喷嘴出口时,管道横截面积变小湿气流速增大,形成射流流动,原来贴壁流动的液体在气相的粘性剪切力作用下撕裂成细小液滴,分布在整个流动通道,下游阻尼网上的细丝网格进一步将大尺寸液滴切割撕裂为小液滴,使管道中的湿气调整为均相(或准均相)流动;
(2)利用超声流量计测得湿气表观流量:
上游换能器u和下游换能器d分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离,管线的内直径为D,超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为ts,逆流速度为tn,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ;顺流和逆流传播时间分别为
Figure BDA0001260457310000031
其中,c是超声波在静止流体介质中的声速,V是流体介质的流动速度,ts和tn为顺流和逆流传播时间;
将(1)式中声速c消掉,可以得到
Figure BDA0001260457310000032
体积流量可以根据流速、管道流通面积等计算得出,即
Q0=kAsV (3)
其中k为流量系数,As为超声流量计测量管流通面积;
(3)利用靶式流量计获得分相含率和分相流量:
靶式流量计在测量管道的轴线中心安装一块迎着来流的圆盘形靶板(11),对于单相流动或均相流动,靶板上受到的力和流体流速的平方成正比;即
Figure BDA0001260457310000033
式中,CD为流动阻力系数,在一定的雷诺数范围内CD可认为是常数,At为圆靶面积,ρ0为湿气表观密度,Vt为靶板与测量管内壁间环形通道的流速,
Figure BDA0001260457310000034
其中Atf为环形通道中的面积;
Figure BDA0001260457310000035
式带入(4)式可以得到
Figure BDA0001260457310000036
表观密度与分相密度、分相含率的关系见公式(6a)、(6b);得到气相含率αg和液相含率αl(见公式(7a)和(7b)):
ρ0=αgρglρl (6a)
αgl=1 (6b)
Figure BDA0001260457310000041
Figure BDA0001260457310000042
假如气相和液相之间不存在速度滑移,即两相流动速度相同,则气相和液相的体积流量分别为
Qg=αgQ0 (8a)
Ql=αlQ0 (8b)
其中,Qg、Ql分别为气相和液相体积流量。
气相和液相质量流量分别为
Figure BDA0001260457310000043
Figure BDA0001260457310000044
本发明具有的有益效果是:
湿气的流型非常复杂,流动的不稳定性和多变的流型给湿气流量精确计量造成了困扰。本项发明通过喷嘴整流器将湿气中常出现的环状流、分层流流型变成均相流,如此一来就可以通过超声与靶式流量计的组合的方式实现湿气流量的在线不分离测量。
超声流量计无插入部件,对流动无干扰,无附加压力损失。靶式流量计结构简单,没有转动、滑动等可动部件,避免磨损和束缚机构,与差压式流量计相比,不需易堵、易漏和易冻的导压管,也不需切断阀、沉降器等辅助设施,给安装和维修带来了方便。靶式流量计还可进行防超量程损坏设计,提高仪表的适用性。
倒U型管测量管道布置,使得测量传感器处避免了积液问题,避免液相重力分层问题。
综上所述,超声流量计及靶式流量计都没有活动部件,结实耐用,一般不会造成堵塞、磨损严重等情况,便于后期的维护及修理。在采用有效的喷嘴整流器实现均相流动后,超声与靶式流量计组合能够有效地进行湿气流量不分离测量,并且能够适应现场复杂、恶劣的测试条件。
附图说明
图1为基于整流技术的超声与靶式流量计组合式湿气流量测量系统图。
图2为喷嘴整流器整流及超声与靶式流量计测量管路工作示意图。
图3为传播时差法超声流量计工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,本发明的超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统由喷嘴整流器1,超声流量计2,靶式流量计3,连接管路4,压力传感器5,温度传感器6和计算机处理单元7组成。测量管路为倒U型管,喷嘴整流器1,超声流量计2和靶式流量计3依次安装于倒U型管的下降侧。
整个测量系统工作原理如下:
(1)采用喷嘴整流器1获得均相流动
在水平管道中湿气流动常见的流型为环状流和分层流。为了获得均相流动(或近似均相流动)以方便测量,需要对进入流量计量管段的流动进行整流,为此,本发明设计了一个喷嘴整流器。如图2所示,喷嘴整流器1安装于倒U型管的下降段,喷嘴整流器由喷嘴8和下游阻尼网9组成。湿气在流经喷嘴8出口时,管道横截面积变小湿气流速增大,形成射流流动,原来贴壁流动的液体在气相的粘性剪切力作用下撕裂成细小液滴,分布在整个流动通道,下游阻尼网9上的细丝网格进一步将大尺寸液滴切割撕裂为小液滴,使管道中的湿气尽可能地调整为均相流动。倒U型管的设计一方面使得测量管段不会出现液相分层问题,另一方面可防止传感器部位积液。
(2)利用超声流量计测得湿气表观流量
时差法超声流量计(Transit Time Ultrasonic Flowmeter)工作原理如图3所示。它是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波,通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来测量流体的流速,再通过流速来计算流量的一种速度式流量测量方法。
图3中有两个超声波换能器10:上游换能器u和下游换能器d,两个换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离,管线的内直径为D,超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为ts,逆流速度为tn,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流动的原因,超声波顺流传播L长度距离所用的时间比逆流传播所用的时间短,顺流和逆流传播时间分别为
Figure BDA0001260457310000061
其中,c是超声波在静止流体介质中的声速,V是流体介质的流动速度,ts和tn为顺流和逆流传播时间。
将(1)式中声速c消掉,可以得到
Figure BDA0001260457310000062
上式中不出现声速c,消除了声速变化的影响,这样一来,流体成分、温度、压力等变化所带来的声速变化影响无需考虑。
体积流量可以根据流速、管道形状和尺寸计算得出,即
Q0=kAsV (3)
其中k为流量系数,As为超声流量计测量管流通面积。
(3)利用靶式流量计获得分相含率和分相流量
靶式流量计3在测量管道的轴线中心安装一块迎着来流的圆盘形靶板11,对于单相流动或均相流动,靶板上受到的力和流体流速的平方成正比。即
Figure BDA0001260457310000063
式中,CD为流动阻力系数,在一定的雷诺数范围内CD可认为是常数,At为圆靶面积,ρ0为湿气表观密度,Vt为靶板与测量管内壁间环形通道的流速,
Figure BDA0001260457310000064
其中Atf为环形通道中的面积。
Figure BDA0001260457310000065
式带入(4)式可以得到
Figure BDA0001260457310000071
当湿气组分已知时,气相密度ρg是温度t和压力P的函数,气相密度ρg可根据压力传感器5,温度传感器6测得的压力和温度参数计算得出;液相密度ρl一般可认为不随温度压力变化。湿气表观密度与分相密度、分相含率的关系见公式(6a)、(6b)。于是可以得到气相含率αg和液相含率αl(见公式(7a)和(7b))。
ρ0=αgρglρl (6a)
αgl=1 (6b)
Figure BDA0001260457310000072
Figure BDA0001260457310000073
假如气相和液相之间不存在速度滑移,即两相流动速度相同,则气相和液相的体积流量分别为
Qg=αgQ0 (8a)
Ql=αlQ0 (8b)
其中,Qg、Ql分别为气相和液相体积流量。
气相和液相质量流量分别为
Figure BDA0001260457310000074
Figure BDA0001260457310000075

Claims (1)

1.一种利用超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统的湿天然气流量测量方法,所述超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统由喷嘴整流器(1),超声流量计(2),靶式流量计(3),连接管路(4),压力传感器(5),温度传感器(6)和计算机处理单元(7)组成,测量管路为倒U型管,喷嘴整流器(1),超声流量计(2)和靶式流量计(3)依次安装于倒U型管的下降侧,超声流量计(2),靶式流量计(3),压力传感器(5),温度传感器(6)和计算机处理单元(7)连接;所述喷嘴整流器(1)由喷嘴(8)和下游阻尼网(9)组成;
其特征在于:
(1)采用喷嘴整流器(1)获得均相流动:
湿气在流经喷嘴(8)出口时,管道横截面积变小湿气流速增大,形成射流流动,原来贴壁流动的液体在气相的粘性剪切力作用下撕裂成细小液滴,分布在整个流动通道,下游阻尼网(9)上的细丝网格进一步将大尺寸液滴切割撕裂为小液滴,使管道中的湿气调整为均相或准均相流动;
(2)利用超声流量计测得湿气表观流量:
上游换能器u和下游换能器d分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离,管线的内直径为D,超声波行走的路径长度为L,超声波顺流速度为ts,逆流速度为tn,超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ;顺流和逆流传播时间分别为
Figure FDA0002437996780000011
其中,c是超声波在静止流体介质中的声速,V是流体介质的流动速度,ts和tn为顺流和逆流传播时间;
将(1)式中声速c消掉,可以得到
Figure FDA0002437996780000012
体积流量可以根据流速、管道流通面积等计算得出,即
Q0=kAsV (3)
其中k为流量系数,As为超声流量计测量管流通面积;
(3)利用靶式流量计获得分相含率和分相流量:
靶式流量计(3)在测量管道的轴线中心安装一块迎着来流的圆盘形靶板(11),对于单相流动或均相流动,靶板上受到的力和流体流速的平方成正比;即
Figure FDA0002437996780000021
式中,CD为流动阻力系数,在一定的雷诺数范围内CD可认为是常数,At为圆靶面积,ρ0为湿气表观密度,Vt为靶板与测量管内壁间环形通道的流速,
Figure FDA0002437996780000022
其中Atf为环形通道中的面积;
Figure FDA0002437996780000023
式带入(4)式可以得到
Figure FDA0002437996780000024
表观密度与分相密度、分相含率的关系见公式(6a)、(6b);得到气相含率αg和液相含率αl(见公式(7a)和(7b)):
ρ0=αgρglρl (6a)
αgl=1 (6b)
Figure FDA0002437996780000025
Figure FDA0002437996780000026
假如气相和液相之间不存在速度滑移,即两相流动速度相同,则气相和液相的体积流量分别为
Qg=αgQ0 (8a)
Ql=αlQ0 (8b)
其中,Qg、Ql分别为气相和液相体积流量。
气相和液相质量流量分别为:
Figure FDA0002437996780000031
Figure FDA0002437996780000032
CN201710211603.XA 2017-03-31 2017-03-31 一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法 Active CN106979808B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710211603.XA CN106979808B (zh) 2017-03-31 2017-03-31 一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710211603.XA CN106979808B (zh) 2017-03-31 2017-03-31 一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106979808A CN106979808A (zh) 2017-07-25
CN106979808B true CN106979808B (zh) 2020-06-16

Family

ID=59343788

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710211603.XA Active CN106979808B (zh) 2017-03-31 2017-03-31 一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106979808B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108955797A (zh) * 2018-08-13 2018-12-07 金卡智能集团股份有限公司 一种用于气体计量的稳流器及气体计量仪表
CN110836784B (zh) * 2018-08-16 2021-12-03 广州极飞科技股份有限公司 喷洒系统及基于其的故障检测方法、故障类型确定方法
CN112763683B (zh) * 2019-11-04 2023-09-26 中国石油天然气股份有限公司 用于湿天然气检测的混合装置和湿天然气的检测系统
US11415442B2 (en) 2020-10-30 2022-08-16 Honeywell International Inc. Ultrasonic flow tube having a plurality of outer pipes surrounding a center pipe positioned between an inlet wall and an outlet wall having transducers therein
CN114440961A (zh) * 2020-11-06 2022-05-06 中国石油化工股份有限公司 一种小型不分离两相计量装置和计量系统
CN112945318B (zh) * 2021-01-29 2022-12-06 天津大学 基于液膜厚度测量和涡街流量计的湿气分相流量测量方法
CN113049047B (zh) * 2021-01-29 2022-12-02 天津大学 基于牛顿迭代的涡街湿气分相流量测量方法
CN113959679B (zh) * 2021-09-29 2023-07-18 西安交通大学 一种长距离混输管线多相流型转变位置预测系统及方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1673690A (zh) * 2005-04-27 2005-09-28 薛国民 同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量方法及系统
CN101363745A (zh) * 2007-08-07 2009-02-11 上海麦登电子设备有限公司 多相流计量方法及多相流质量流量计
CN101672676A (zh) * 2009-10-14 2010-03-17 西北工业大学 气液多相流流量测量装置与测量方法
CN202471152U (zh) * 2012-01-06 2012-10-03 兰州海默科技股份有限公司 一种蒸汽流量计量装置
CN203053492U (zh) * 2013-01-15 2013-07-10 北京杰利阳能源设备制造有限公司 天然气和凝析油/水的气液两相流量测量装置
CN205066893U (zh) * 2015-10-28 2016-03-02 丹东通博测控工程技术有限公司 便携式在线流量表检定仪
CN205483094U (zh) * 2016-02-25 2016-08-17 中国计量学院 倒u型管与靶式流量计组合式天然气湿气流量测量系统

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1673690A (zh) * 2005-04-27 2005-09-28 薛国民 同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量方法及系统
CN101363745A (zh) * 2007-08-07 2009-02-11 上海麦登电子设备有限公司 多相流计量方法及多相流质量流量计
CN101672676A (zh) * 2009-10-14 2010-03-17 西北工业大学 气液多相流流量测量装置与测量方法
CN202471152U (zh) * 2012-01-06 2012-10-03 兰州海默科技股份有限公司 一种蒸汽流量计量装置
CN203053492U (zh) * 2013-01-15 2013-07-10 北京杰利阳能源设备制造有限公司 天然气和凝析油/水的气液两相流量测量装置
CN205066893U (zh) * 2015-10-28 2016-03-02 丹东通博测控工程技术有限公司 便携式在线流量表检定仪
CN205483094U (zh) * 2016-02-25 2016-08-17 中国计量学院 倒u型管与靶式流量计组合式天然气湿气流量测量系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN106979808A (zh) 2017-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106979808B (zh) 一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法
CN102435245B (zh) 一种蒸汽流量计量装置及计量方法
US7963172B2 (en) Multiphase flowmeter using a combination of pressure differentials and ultrasound doppler readings
US4856344A (en) Measuring flow in a pipe
CN101438135B (zh) 单相和多相流体测量
US7987733B2 (en) Determination of density for metering a fluid flow
CN102759383B (zh) 基于单节流元件的气液两相流气相流量在线测量方法及装置
CN105222831A (zh) 一种气液两相流计量装置和方法
US20100138168A1 (en) Apparatus and a method of measuring the flow of a fluid
RU2013103767A (ru) Многофазный расходомер и способ измерения пленки жидкости
Hua et al. Wet gas meter based on the vortex precession frequency and differential pressure combination of swirlmeter
WO1993017305A1 (en) Flow measurement system
Mattingly Volume flow measurements
CN109506724B (zh) 一种气液两相流计量装置和方法
CN202158878U (zh) 用于燃油终端结算的超声波流量测量的装置
CN205858315U (zh) 一种气井井口气液两相计量装置
Ifft et al. Pipe elbow effects on the V-cone flowmeter
CN202471152U (zh) 一种蒸汽流量计量装置
CN103323066B (zh) 一种低含液率气液两相流测量方法及测量系统
US11698281B2 (en) Real-time measurement of two-phase mass flow rate and enthalpy using pressure differential devices
CN205861140U (zh) 一种气液两相质量流量计
CN202013214U (zh) 压差-微波式油气水三相流量计
Spencer et al. Intercomparison of measurements and computations of flow through a contraction and a diffuser
CN103353319A (zh) 基于直通型气体超声波流量计的湿气流量测量方法
Waluś Mathematical modelling of an ultrasonic flowmeter primary device

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhang Hongjun

Inventor after: Lu Chao

Inventor before: Zhang Hongjun

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20211222

Address after: 163000 3-051b, Fuxing animal husbandry community, Lamadian Town, Ranghulu District, Daqing City, Heilongjiang Province

Patentee after: Daqing Jia Hongda petroleum drilling equipment Co.,Ltd.

Address before: 310018, No. 258, source street, Xiasha Higher Education Park, Hangzhou, Zhejiang

Patentee before: China Jiliang University