CN107543586B - 管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置及方法，该装置主要由测量管道、旋流装置、电磁流量计、差压变送器等组成；该测量方法使用旋流装置使管内流体发生旋流并产生相分隔状态，利用电磁流量计和差压变送器测得关于两相流量的电磁输出和差压输出，通过联立计算，得到两相流各相流量，这样就形成了以相分隔为基础，结合双参数测量的组合法；本发明将两相流体实现管内相分隔后再进行测量，可以消除两相流中分散相随机分布和不均匀的特性；在基于特定的流型下，对于电磁流量计和差压变送器，都可以推导出流量计算公式；和已有的测量方法相比，本发明能够降低两相流测量的难度，改善测量精确性，扩大应用范围；同时电磁流量计和差压变送器的使用也提高了测量的可靠性和实时性，在工程上将得到广泛应用。
Description
技术领域
本发明属于两相流体测量技术领域，具体涉及一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置及方法，用于确定重相由导电相(如地表水、工业用水等)和轻相由非导电相(如空气、天然气、油等)组成的两相流体各相流量。。
背景技术
两相流动广泛存在于现代化工业生产与日常生活中，而管路内两相流更是经常出现在石油、化工、医药、食品等工程领域。所以准确在线测量两相流各参数，如各相流量，相含率等，对于工业生产具有重要的作用。然而由于两相流流型多样、流动机理复杂，使得针对两相流的测量研究仍为热点和难点。其中将成熟的单相流量检测技术与测量仪表应用于两相流参数测量受到了广泛的研究(参见专利200610129787.7、200810151346.6)。然而基于一种单相流检测技术(单参数测量)或其组合法(双参数或多参数测量)在更广泛的多相流范围内是难以胜任两相流体测量任务的。因为多相流具有不同的流型，而即使在同一类流型下，各相流体在管道内的相分布和速度分布仍具有很强的随机性，根本不存在类似单相流状态下的连续均匀分布形式。因而仅靠一个或几个有限的单相流检测元件是难以准确响应这种分布多样性的多相流体参数的。专利201510188815.1提供了一种基于电磁涡流检测的两相流相含率测量方法。该方法利用缠绕在管路上的激励线圈与检测线圈的相位差，得到混合介质的电导率；再根据两相流中各相电导率的值求得相含率。然而即使相含率相同，如果相分布差异较大，那么激励线圈与检测线圈的相位差也会不同，反之亦然。所以两相流相分布的随机性和多样性会使此方法产生较大误差。专利200610129787.7发明了一种基于截面测量的气液两相流测量方法及装置。该发明使用V型内锥节流元件，测量气液两相流流量。由于其流量计算式是根据分相流动模型获得的，所以会存在一定的适用范围和不确定性。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置及方法，用于确定重相由导电相(如地表水、工业用水等)和轻相由非导电相(如空气、天然气、油等)组成的两相流体各相流量。该测量方法使用旋流装置使得管内流体发生旋流并产生相分隔状态，然后利用电磁流量计和差压变送器测得关于两相流量的电磁输出和差压输出，通过联立计算，最终得到两相流各相流量；本发明是将两相流体实现管内相分隔后再进行测量，因此可以消除两相流中相分布的随机性和不均匀性。相分隔后的两相流相分布为对称均匀的环状流，基于此特定流型，无论是对于电磁流量计，还是差压变送器，都可以从基本理论推导出流量计算公式。这样就形成了以相分隔为基础，结合双参数测量的组合法。和已有的测量方法相比，基于相分隔的方法能够降低两相流测量的难度，改善测量精确性，扩大应用范围；同时电磁流量计和差压变送器的使用也提高了测量的可靠性和实时性。本方法简单可靠，无需对两相流体进行分离，也不需要使用密度计、两相流体总流量计等，在工程上将得到广泛应用。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置，包括测量管道1，所述测量管道1内上游即进口处设置有旋流装置4，旋流装置4下游的测量管道1上连接有电磁流量计6和差压变送器5；
所述差压变送器5设置在测量管道1上的两个取压点有两种布置方式，第一种布置方式为径向布置：两个取压点位于同一管道截面上，一个取压点在壁面上，另一个取压点布置在旋流装置4的尾椎4‐1处，由取压管10引出；第二种布置方式为轴向布置：两个取压点都位于壁面上，且周向位置相同，轴向存在一定距离。
所述测量管道1为任意方向放置。
所述旋流装置4为叶片式旋流器、旋流叶轮或纽带式旋流器。
所述的一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置的两相流测量方法，两相流体首先流经旋流装置4，产生切向速度，从而产生离心力。由于两相流体存在密度差，在离心力的作用下，重相流体被旋至测量管道1的管壁处，轻相流体则聚集在测量管道1的管道中心，最终形成具有“轻相核8‐重相环9”的环状流，实现相分隔状态；电磁流量计6和差压变送器5安装在旋流装置4的下游，在“轻相核8‐重相环9”环状流这种特定相分布的流型下，得到关于两相流量的电磁流量计输出"Qout＝fE(Q重，Q轻)"和差压变送器输出"P＝fP(Q重，Q轻)"。再通过两式联立，计算出轻相和重相各自的体积流量，其中Q重为重相体积流量，Q轻为轻相体积流量。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明的一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置的测量方法，该测量方法使用旋流装置使得管内流体发生旋流并产生相分隔状态，然后利用电磁流量计和差压变送器测得关于两相流量的电磁输出和差压输出，通过联立计算，最终得到两相流各相流量。本发明是将两相流体实现管内相分隔后再进行测量，因此可以消除两相流中相分布的随机性和不均匀性。相分隔后的两相流相分布为对称均匀的“轻相核8‐重相环9”环状流，基于此特定流型，无论是对于电磁流量计，还是差压变送器，都可以从基本理论推导出流量计算公式。这样就形成了以相分隔为基础，结合双参数测量的组合法。和已有的测量方法相比，基于相分隔的方法能够降低两相流测量的难度，改善测量精确性，扩大应用范围；同时电磁流量计和差压变送器的使用也提高了测量的可靠性和实时性。本方法简单可靠，无需对两相流体进行分离，也不需要使用密度计、两相流体总流量计等，在工程上将得到广泛应用。
附图说明
图1一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置结构示意图，其中取压点布置方式为径向布置。
图2一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置结构示意图，其中取压点布置方式为轴向布置。
具体实施方式
下面用具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置，包括测量管道1，所述测量管道1内上游即进口处设置有旋流装置4，旋流装置4下游的测量管道1上连接有电磁流量计6和差压变送器5。
所述差压变送器5设置在测量管道1上的两个取压点有两种布置方式，如图1所示，第一种布置方式为径向布置：两个取压点位于同一管道截面上，一个取压点在壁面上，另一个取压点布置在旋流装置4的尾椎4‐1处，由取压管10引出；如图2所示，第二种布置方式为轴向布置：两个取压点都位于壁面上，且周向位置相同，轴向存在一定距离。
所述测量管道1可以为任意方向放置。
作为本发明的优选实施方式，所述旋流装置4为叶片式旋流器、旋流叶轮或纽带式旋流器。
下面以油水两相流为例，对本发明的两相流流量测量方法进行说明，该方法不只限于油/水两相流，还包括如空气/水、蒸汽/水等其他介质的两相流测量中。
如图1和图2所示，本发明一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置的两相流测量方法，两相流体首先流经旋流装置4，产生切向速度，从而产生离心力。由于两相流体存在密度差，在离心力的作用下，重相流体3被旋至管壁处，轻相流体2则聚集在管道中心，最终形成具有“轻相核8‐重相环9”的环状流，实现有相界面7的相分隔状态。电磁流量计6和差压变送器5安装在旋流装置4的下游。
在旋转中心‐环状流这种特定相分布的流型下，可以从理论上得到关于两相流流量的电磁流量计输出(参见专利CN201510075775.X)：
其中Qout是电磁流量计6的输出流量值，Qw是水的体积流量，αo是截面含油率。
由于油水两相之间的密度差异不大，油相与水相之间的滑移速度很小。我国大部分油田现在处于开采的中后期，含油率βo一般小于10％。当βo≤10％时，截面含油率αo与体积含油率βo的大小足够接近(参见Wang等在Flow Measurement and Instrumentation期刊发表的文章“Phase‐isolation of upward oil–water flow using centrifugalmethod”)，两者测量结果的误差在可以接受的范围内(0.25％～8.5％)，因此可以认为截面含油率αo与体积含油率βo可以近似用一种简单关系互换，因此可以将式(1)变形为自变量为油体积流量Qo和水体积流量Qw，因变量为Qout的函数关系式：
Qout＝fE(Qw,Qo) (2)
差压变送器5的两个取压点可为两种布置方式。当两个取压点为径向布置，管内为“轻相核油‐重相环水”环状流时，从理论上可推得：
式中ΔPr是两个取压点径向布置时的差压，ρo和ρw分别是油和水的密度,D是管道内径，a和C分别是流量系数和修正系数，可以通过标定获得。
所以当测得电磁流量计输出的流量Qout和差压变送器输出的差压ΔPr后，即可联立(3)和(2)，求出油水的体积流量。
差压变送器的两个取压点可为两种布置方式。当两个取压点为轴向布置，管内为“轻相核油‐重相环水”环状流时，可推得：
式中：ΔPz是两个取压点轴向布置时的差压，a和ζ分别是流量系数和修正系数，可以通过标定获得。
所以当测得电磁流量计输出的流量Qout和差压变送器输出的差压ΔPz后，即可联立(2)和(4)，求出油水的体积流量。
Claims (3)
1.一种管内相分隔式电磁差压相结合的两相流测量装置的两相流测量方法，该测量装置包括测量管道(1)，所述测量管道(1)内上游即进口处设置有旋流装置(4)，旋流装置(4)下游的测量管道(1)上连接有电磁流量计(6)和差压变送器(5)；所述差压变送器(5)设置在测量管道(1)上的两个取压点有两种布置方式，第一种布置方式为径向布置：两个取压点位于同一管道截面上，一个取压点在壁面上，另一个取压点布置在旋流装置(4)的尾椎(4-1)处，由取压管(10)引出；第二种布置方式为轴向布置：两个取压点都位于壁面上，且周向位置相同，轴向存在一定距离；
其特征在于：所述两相流测量方法为：两相流体首先流经旋流装置(4)，产生切向速度，从而产生离心力；由于两相流体存在密度差，在离心力的作用下，重相流体被旋至测量管道(1)的管壁处，轻相流体则聚集在测量管道(1)的管道中心，最终形成具有“轻相核-重相环”的环状流，实现相分隔状态；电磁流量计(6)和差压变送器(5)安装在旋流装置(4)的下游，在旋转中心-环状流这种特定相分布的流型下，得到关于两相流量的电磁流量计输出"Qout＝fE(Q重，Q轻)"和差压变送器输出"P＝fP(Q重，Q轻)"；再通过两式联立，计算出轻相和重相各自的体积流量，其中Q重为重相体积流量，Q轻为轻相体积流量。
2.根据权利要求1所述的两相流测量方法，其特征在于：所述测量管道(1)为任意方向放置。
3.根据权利要求1所述的两相流测量方法，其特征在于：所述旋流装置(4)为叶片式旋流器、旋流叶轮或纽带式旋流器。
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