CN107389747B - 气液两相干度测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种气液两相干度测量系统，它包括汽液两相加热炉、注水截止阀、三相加热电源、稳压阀、单向截止阀、温度变送器、压力变送器、多层筒式电容传感器、冷凝罐、数据处理单元等装置。本发明可用于高温高压下的蒸汽干度实时准确检测与测量，通过实验装置测试传感器精密特征结构，可广泛用于注汽锅炉实时监测和分层测试的注汽井井下检测等领域。

Description

气液两相干度测量系统

技术领域

本发明涉及热动力技术领域，具体涉及一种气液两相干度测量系统。

背景技术

多层筒式电容传感器具有结构简单、分辨率高、可非接触测量，并能在高 温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作的优点，且响应快。因物体间的电容量 与其结构参数密切相关，通过改变物性参数而改变物体间的电容量来实现对被 测量的检测，这就是电容法测量原理。近年来，基于电容法测量蒸汽干度传感 技术得到了蓬勃的发展，其中一个方向就是在高温高压、测量难度大及准确度 低中测量系统的应用，用于注气井井下，汽轮机机组等环境的测量。电容传感 技术的发展背景主要是由于在实际测量与测试应用中，准确测量蒸汽干度，可 以判定蒸汽加热炉产生的蒸汽品质，对确定汽液两相流分离装置的分离效率非常重要。此外，蒸汽干度的准确测量，对提高蒸汽流量测量的准确性具有重要 意义。例如在野外环境下的注汽井井下测量，准确测量蒸汽干度对油层的分布， 明确各部分油层对注入蒸汽的吸收情况都能有效的掌握。由于在实际测量与测 试应用中，平板电容传感器具有输出阻抗高、寄生电容及泄露电容影响大、稳 定性差、极板间承受电压较小等缺点，无疑其测量的准确性大大降低。采用多 层筒式电容传感器，利用多层电容并联，当流过电容传感器的蒸汽发生微小变 化时，电容值有较大的改变，这不仅极大提高了测量精度，同时可靠性也得到 了保证，因此，使多层筒式电容传感器与平板电容传感器相比更具优势。

在实际应用中，尤其是粘度重质石油(稠油)开采中，需要向注汽井注入 高温高压蒸汽，进行实时准确的测量。实时准确测定注汽井井下蒸汽干度对油 层状况的分析，合理开采，提高采油率及节约能源都有着重要的意义。然而， 对于平板电容传感器结构，稳定度、测量精度、灵敏度以及耐高温耐高压方面 的限制，不符合现在的需求。

在国外，英国电力中心实验室、英国GEC公司、德国汉诺威大学、瑞士BBC 公司和美国西屋公司等都对蒸汽干度测量进行了大量的研究；英国电力中心实 验室MOORE等人基于热力学法研制出一种过热式湿度探针，该探针虽然提高 了热量的利用率，但由于加热面积较小，导致加热件的温度较高，造成局部蒸 汽温度较高而且探针结构复杂，很难应用于实际生产中。美国密西西比州大学 Sunil K.Khijwania等人研制出一种U型光学干度探针，德国斯图加特大学基于 光学法测量原理，研制出了一种新型的微型光学、气动组合式楔形蒸汽干度测 量探针，光学法与热力学法相比，虽然提高了测量精度，但由于受实际可用波 长的限制，只能对蒸汽中直径较小的水滴进行测量，光学法对测量环境要求严 格，设备昂贵，经济性较差。瑞士的Pascal Kronenberg和Pramod K.Rastogi等 人基于光纤光栅法利用聚酞亚胺材料研制出一种湿度传感器，该传感器具有线 性和精确度，但是光纤光栅法对解调器的要求较高，而且不适应于油井高温高 压的环境。因此，目前还没有建立相关基于多层筒式电容法测量干度实验装置。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种气液两相干度测量系统。具体技术方案 如下：

一种气液两相干度测量系统，包括依次管路相连的气液两相加热炉、检测 装置和冷凝装置，所述冷凝装置还与所述气液两相加热炉管路连接并形成水循 环，所述气液两相加热炉和所述检测装置之间设有第一阀门，所述冷凝装置与 所述气液两相加热炉之间设有第二阀门；所述汽液两相加热炉上部设有注水口， 下部设有加热装置，底部设有排气口；所述检测装置包括压变检测器、温变检 测器、电容传感器及数据处理单元，所述电容传感器由多个筒式传感器并联形 成，所述压变检测器、温变检测器及电容传感器均与所述数据处理单元电连接； 水体经由所述注水口进入到所述气液两相加热炉内，通过所述加热装置加热呈 气液两相混合物，并通过所述检测装置检测后，再经由所述冷凝装置冷却后回 到所述气液两相加热炉中。

根据本发明提供的气液两相干度测量系统，可用于高温高压下的蒸汽干度 实时准确检测与测量，可广泛用于蒸汽锅炉、对传感器体积有要求的测试进行 蒸汽干度的检测等领域，并且通过冷凝装置、汽液两相加热炉等形成水循环系 统，节能环保。

根据本发明的一个示例，所述冷凝装置包括冷凝罐和设置在冷凝罐内的冷 凝管路，所述冷凝罐的顶部设有出水口，底部设有注水口，所述冷凝管路一端 与所述检测装置管路连接，另一端与所述气液两相加热炉管路连接。

根据本发明的一个示例，所述冷凝罐包括多个依次连接的弯折段或弯曲段。

根据本发明的一个示例，所述冷凝管路内设有绕流结构。

根据本发明的一个示例，所述检测装置外部套设有绝缘保温结构。

根据本发明的一个示例，所述电充传感器的最外层电极接地。

根据本发明的一个示例，所述加热装置包括电源和与电源箱连接的加热棒。

根据本发明的一个示例，所述气液两相加热炉顶部还设有安全阀。

根据本发明的一个示例，所述筒式电容传感器的基板总数为4-6层。

根据本发明的一个示例，所述筒式电容传感器的电容极板的材质包括3铬 13不锈钢。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描 述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是本实施例的气液两相干度测量系统的结构示意图；

图2是本实施例的气液两相干度测量系统的多层筒式电容传感器的结构示 意图；

图3是本实施例的气液两相干度测量系统的气液两相加热炉的结构示意图；

图4是本实施例的气液两相干度测量系统的冷却装置的结构示意图；

图5是本实施例的气液两相干度测量系统的工作状态示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至 终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下 面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解 为对本发明的限制。

下面参考附图来详细描述根据本发明的气液两相干度测量系统。

结合附图1-5所示，本实施例提出了一种气液两相干度测量系统，包括图示 中的以下结构：汽液两相加热炉1、注水结构2、加热装置3、稳压阀4和单向 截止阀5、温度变送器6和压力变送器7、多层筒式电容传感器8、冷凝罐9、 数据处理单元10。

本实施例的汽液两相加热炉1通过管路与温度变送器6和压力变送器7、多 层筒式电容传感器8相连接，并且在汽液两相加热炉1和上述的检测装置之间 设有稳定阀4(即第一阀门)，而温度变送器6和压力变送器7、多层筒式电容 传感器8与冷凝罐9相连接，冷凝罐9与汽液两相加热炉1相连接，并且在冷 凝罐9和汽液两相加热炉1之间设有单向截止阀5(即第二阀门)，这样一来在 汽液两相加热炉1中加热产生的气液两相混合物在第一阀门打开后进入到温度 变送器6和压力变送器7、多层筒式电容传感器8组成的检测装置中，温度变送 器6和压力变送器7、多层筒式电容传感器8对其进行数据检测并将检测信息发 送至信号处理单元10，由信号处理单元10产生检测结果，然后经过检测后的气 液两相混合物通过管路进入到冷凝罐9中，通过冷凝处理后由单向截止阀5再 次回到加热炉中，完成水加热-冷凝循环。

具体的，如图1和3所示，本实施例的汽液两相加热炉1包括炉体和设置 在炉体底部的加热装置3，加热装置包括三相电源301和加热棒302，在炉体的 上部设有注水口和截止阀组成的注水结构2，并且在炉体的顶部设有安全阀11， 提高安全性，在炉体的底部设有排空结构12，用于排出炉体内的空气，而且在 炉体内也设有温度变送器和压力变送器，用于与上述的温度变送器6和压力变 送器7进行结果比对。

具体的，如图1和4所示，本实施例的冷凝装置包括冷凝罐9和设置在冷 凝罐内的冷凝管路901，冷凝罐9的顶部设有出水口902，底部设有注水口903， 冷凝管路一端与检测装置管路连接，另一端与气液两相加热炉1管路连接，当 后经过检测后的气液两相混合物通过管路进入到冷凝罐时，注水口不断注入冷 水，并且在加满冷凝罐9后通过出水口902排出，汽液两相流在流动的过程中 直接与冷凝水大面积接触，汽液两相流被迅速冷却吸收，冷凝水在这一过程中 变成高温水，高温水经由冷凝罐上部的出水口902排出。

有利的，本实施例的冷凝罐为多个弯曲或弯折管道组成，图示中为螺旋状 的盘管，当然具体的形式不止于此。更有利的，为了延长气液两相混合物在冷 凝管路901中的流动时间，使得冷凝水能对气液两相混合物更充分的冷却降温， 提高冷却效率，本实施例还可以在冷凝管路中设有绕流结构，例如在一个或多 个弯曲的冷却管设有缩径段，又或者在冷凝罐内设有多个凸起结构等。

另外，申请人还发现：由于该多层筒式电容传感器是由N个筒式电容传感 器并联形成的，就组成了由N个筒式电容传感器构成的多层筒式电容传感器。 每个电容传感器其内经为R₁、外径为R₂，长度为L，的电容，一定湿度的蒸汽 作为介质时有，且满足如下关系

式中ε₀、ε_m分别真空介电常数、湿蒸汽的等效介电常数，C_m为待测电容值。 当圆筒形电容器相互并联时，总容量为

式中r_(k+1)i为第(k+1)个圆筒电极的内半径；r_k为第k个圆筒电极的外半 径；r为极板总数。按照上面的极板半径取值关系，在忽略极板厚度的条件下， 可以得到圆筒形电容器并联的电容值。

在电容传感器结构不变的条件下，当电容传感器极板间介质的相对介电常 数由原来的ε_m增大到(ε_m+Δε)时，设电容器的电容值由原来的C增大到 (C+ΔC)，得到关系式为：

由公式可知，电容值的相对变化量与介质的介电常数ε_m、介电常数的变化 量Δε、以及电极板个数n有关。当介电常数和其变化量不变时，极板总数n越 大，电容的相对变化量就会越大，分辨率就会越高，测量结果也就越准确。因 此本实施例的极板总数n的取值范围是4-6层，考虑极板间隔离和承压特性，推 荐极板个数为6层，这样既能提升测量电容的分辨率，又能便于实物加工制作， 极板间隔有制作工艺，推荐间距为3mm。不仅提高了测量结果的精准度，而且 不会对生产加工造成影响，并且满足结构要求。

另外，申请人通过实验研究筒式电容极板制备工艺，为了减小环境温度、 湿度等变化所产生的误差，保证绝缘材料的绝缘性，环境温度变化指使电容传 感器内各零件几何尺寸和相互间几何位置及某些介质的介电常数发生改变，从 而改变传感器的电容量，产生温度附加误差。因此，必须从选材、设计、加工 工艺等方面减小误差和保证绝缘材料具有较高的绝缘性能，本项目拟采用3铬 13材料制作电容极板。此外，考虑到注汽井高温高压的环境，将电容传感器下 到井中时，需要绝缘保护措施，测量检测处理电路放置在保温桶中，如图2所 示，将多层筒式电容传感器及其电路设置在绝缘桶13内。

另外，该传感器装置是将多层圆筒形极板制成同轴圆筒形电容传感器，当 流过电容传感器的蒸汽发生微小变化时，电容值有较大的改变。为了减小测量 中发生振动，而影响测量结果的准确性，使用强度和绝缘性能较好的部件将各 极板固定，并且最外层极板接地，以减小杂散电容的干扰。

综上所述，根据本实施例提供的气液两相干度测量系统，具有以下有益效 果：

1、可用于高温高压下的蒸汽干度实时准确检测与测量，可广泛用于蒸汽锅 炉、对传感器体积有要求的测试进行蒸汽干度的检测等领域，适用性广泛；

2、通过冷凝装置和汽液两相加热炉形成水循环系统，充分利用并节约水资 源；

3、将极板总数n设计为4-6，提高了测量结果的精准度，而且不会对生产 加工造成影响，并且满足结构要求；

4、将多层筒式电容传感器及其电路设置在绝缘桶内，避免误差；

5、使用强度和绝缘性能较好的部件将各极板固定，并且最外层极板接地， 降低杂散电容的干扰。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、 “宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位 或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简 化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的 方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对 重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二” 的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多 个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、 “固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或 成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中 间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对 于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的 具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下” 可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。 而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正 上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二 特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅 仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具 体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结 构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中， 对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的 具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的 方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书 中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例 是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的 范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (3)

1.一种气液两相干度测量系统，其特征在于，包括依次相连接的气液两相加热炉、检测装置和冷凝装置，所述冷凝装置还与所述气液两相加热炉相连接并形成水循环，所述气液两相加热炉和所述检测装置之间设有第一阀门，所述冷凝装置与所述气液两相加热炉之间设有第二阀门；

所述气液两相加热炉上部设有注水口，下部设有加热装置，底部设有排气口；所述检测装置包括压变检测器、温变检测器、电容传感器及数据处理单元，所述电容传感器由多个筒式传感器并联形成，所述压变检测器、温变检测器及电容传感器均与所述数据处理单元电连接；

水体经由所述注水口进入到所述气液两相加热炉内，通过所述加热装置加热呈气液两相混合物，并通过所述检测装置检测后，再经由所述冷凝装置冷却后回到所述气液两相加热炉中；所述筒式电容传感器的基板总数为6层；

所述冷凝装置包括冷凝罐和设置在冷凝罐内的冷凝管路，所述冷凝罐的顶部设有出水口，底部设有注水口，所述冷凝管路一端与所述检测装置相连接，另一端与所述气液两相加热炉相连接；所述冷凝罐包括多个依次连接的弯折段或弯曲段；所述冷凝管路内设有绕流结构；

所述检测装置外部套设有绝缘保温结构；所述电容传感器的最外层电极接地；所述加热装置包括电源和与电源箱连接的加热棒。

2.根据权利要求1所述的气液两相干度测量系统，其特征在于，所述气液两相加热炉顶部还设有安全阀。

3.根据权利要求1所述的气液两相干度测量系统，其特征在于，所述筒式电容传感器的电容极板的材质包括3铬13不锈钢。

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