CN108896120A - 涡街节流一体式气液两相流量计及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了涡街节流一体式气液两相流量计及其应用方法，包括智能差压流量变送器和涡街节流测量装置，涡街节流测量装置通过导压管连接至智能差压流量变送器；涡街节流测量装置包括旋涡发生体、用于检测旋涡频率及流体温度的涡街温度一体化检测探头；旋涡发生体安装在涡街节流测量装置吼道处，涡街温度一体化检测探头插入在吼道处。本发明将节流式流量计与涡街流量计结构深度融合，降低流量计整体长度，简化结构，使涡街流量计和节流式流量计所测流体处于相同压力、温度工况系统，保证两者所测工况流量的一致性，提高了混合流体密度、气液流量测量精度；同时将涡街传感器和温度传感器一体化设计，减少管道开孔及传感器数量，进一步简化结构。
Description
技术领域
本发明属于流量测量技术领域，具体涉及应用于气井的涡街节流一体式气液两相流量计及其应用方法。
背景技术
传统的气田单井计量主要采用气液分离计量工艺，流程复杂，投资高。近年来，国内气田应用了各类气液两相不分离计量装置，直接用于气井井口气液两相计量，如国内专利一种锥形孔板气液两相流量计(ZL201420671672.0)，该流量计通过测量孔板差压波动幅度值（即计算差压方根的相对方差）来计算含液率，进而得出气液流量，但由于流体机械杂质、气流波动、差压传感器精度等因素影响，差压波动幅度值不能完全反映含液率，导致计量误差增大，适用范围有限，同时投资成本高。
发明内容
本发明提供一种涡街节流一体式气液两相流量计及其应用方法，目的一是在气液不分离的情况下，提高气液流量测量精度，得出准确的气液单相流量值；目的二是简化流量计的结构、降低投资成本。
为此，本发明提供了涡街节流一体式气液两相流量计，包括上下布设的智能差压流量变送器和涡街节流测量装置，所述涡街节流测量装置包括水平放置的节流管道，节流管道的两端分别通过两根导压管连接至智能差压流量变送器；所述节流管道的管壁上安装着涡街温度变送器，涡街温度变送器通过信号线与智能差压流量变送器连接；
所述涡街节流测量装置采集通过节流管道的流体产生的旋涡频率和流体温度，并传输给涡街温度变送器，涡街温度变送器处理后通过信号线传输给智能差压流量变送器，同时智能差压流量变送器通过导压管采集节流管道的前后压差和静压信号，智能差压流量变送器根据采集到的旋涡频率、流体温度、差压和静压信号，计算气液单相流量。
所述涡街节流测量装置还包括旋涡发生体、用于检测旋涡频率及流体温度的涡街温度一体化检测探头、差压取压孔；所述节流管道内腔为文丘里结构，旋涡发生体安装在文丘里结构中部的吼道处，涡街温度一体化检测探头位于旋涡发生体下游且探头一端垂直插入在吼道处，另一端与涡街温度变送器连接，所述差压取压孔用于连接导压管。
所述涡街温度一体化检测探头将旋涡信号检测传感器和温度传感器一体化封装，用于检测旋涡频率及流体温度。
所述旋涡发生体为三角柱结构，竖直安装在节流管道的吼道处，且三角柱的上下两个端面与节流管道的内管壁接触。
所述导压管上安装着取压阀。
所述节流管道的两端安装着法兰，差压取压孔开设在两个法兰上，导压管的一端通过差压取压孔连通至节流管道内，导压管的另一端连接至智能差压流量变送器。
所述差压取压孔开设在节流管道两端外壁上，导压管的一端通过差压取压孔连通至节流管道内，导压管的另一端连接至智能差压流量变送器。
涡街节流一体式气液两相流量计的应用方法：涡街节流一体式气液两相流量计的节流管道的上游管口通过上游管线连接至气井井口，所述上游管线上安装着截断阀，节流管道的下游管口通过下游管线连接至去采气管线，所述下游管线上安装着闸阀；
从气井井口出来的气液两相流体经上游管线、截断阀后通过涡街节流一体式气液两相流量计，气液两相流体在节流管道的前后产生差压，同时在旋涡发生体后产生旋涡，涡街温度一体化检测探头检测旋涡频率及流体温度并通过涡街温度变送器处理后传输给智能差压流量变送器，同时智能差压流量变送器通过导压管采集节流管道的前后压差和静压信号，智能差压流量变送器根据采集到的旋涡频率、流体温度、差压和静压信号，计算气液单相流量。
本发明的有益效果：本发明提供的这种涡街节流一体式气液两相流量计及其应用方法，将节流式流量计与涡街流量计结构深度融合，设计成涡街节流一体式气液两相流量计，降低流量计整体长度，简化结构，使涡街流量计和节流式流量计所测流体处于相同压力、温度工况系统，保证两者所测工况流量的一致性，有利于提高混合流体密度、气液流量测量精度；同时将涡街传感器和温度传感器一体化设计，减少管道开孔及传感器数量，进一步简化结构；并将两种流量计测量原理结合，计算出气液混合流体平均密度，进而得出气液单相流量。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是涡街节流一体式气液两相流量计的结构示意图。
图2是涡街节流测量装置的结构示意图。
图3是涡街节流一体式气液两相流量计的安装框图。
附图标记说明：1.法兰；2.取压阀；3.导压管；4.涡街节流测量装置；5.涡街温度变送器；6.智能差压流量变送器；7.信号线；8.节流管道；9.旋涡发生体；10.涡街温度一体化检测探头；11.差压取压孔；12.上游管线；13.截断阀；14.下游管线；15.闸阀；16.气井井口；17.涡街节流一体式气液两相流量计；801.吼道。
具体实施方式
实施例1：
本实施例提供了一种涡街节流一体式气液两相流量计，如图1所示（图中箭头为液体流动方向），包括上下布设的智能差压流量变送器6和涡街节流测量装置4，所述涡街节流测量装置4包括水平放置的节流管道8，节流管道8的两端分别通过两根导压管3连接至智能差压流量变送器6；所述节流管道8的管壁上安装着涡街温度变送器5，涡街温度变送器5通过信号线7与智能差压流量变送器6连接；
涡街节流一体式气液两相流量计的工作原理如下：
所述涡街节流测量装置4采集通过节流管道8的流体产生的旋涡频率和流体温度，并传输给涡街温度变送器5，涡街温度变送器5处理后通过信号线7传输给智能差压流量变送器6，同时智能差压流量变送器6通过导压管3采集节流管道8的前后压差和静压信号，智能差压流量变送器6根据采集到的旋涡频率、流体温度、差压和静压信号，计算气液单相流量。
需要特别说明的是，智能差压流量变送器6为差压变送器二次开发，并将传统的流量计算仪模块化内置在变送器内，采集差压、静压信号，同时接收涡街温度变送器5提供的旋涡频率及流体温度信号，具备信号处理、气液流量计算及显示功能。涡街温度变送器5将涡街温度一体化检测探头10采集的旋涡频率信号及流体温度信号进行处理，并通过信号线7采用RS485通讯方式将旋涡频率及温度信号传输至智能差压流量变送器6。
本实施例通过将节流式流量计与涡街流量计结构深度融合，设计成涡街节流一体式气液两相流量计，使涡街流量计和节流式流量计所测流体处于相同压力、温度工况系统，保证两者所测工况流量的一致性，有利于提高混合流体密度、气液流量测量精度。解决气井气液两相在线计量难题，代替传统的分离计量工艺，简化工艺流程，降低投资。
实施例2：
在实施例1的基础上，如图2所示（图中箭头为液体流动方向），所述涡街节流测量装置4还包括旋涡发生体9、用于检测旋涡频率及流体温度的涡街温度一体化检测探头10、差压取压孔11；所述节流管道8内腔为文丘里结构，旋涡发生体9安装在文丘里结构中部的吼道801处，涡街温度一体化检测探头10位于旋涡发生体9下游且探头一端垂直插入在吼道801处，另一端与涡街温度变送器5连接，所述差压取压孔11用于连接导压管3。
具体地说，节流管道8为改进型文丘里结构，它关于腰部中心线对称，如图2所示，中段为吼道801，吼道801的两端是向外扩径的喇叭形管段，在喇叭形管段的端部是直筒管段。在本实施例中，将吼道801延长，是为了便于安装旋涡发生体9和涡街温度一体化检测探头10；差压取压孔11通过导压管3、取压阀2与智能差压流量变送器6相连，测量涡街节流测量装置4前后差压及静压信号。
特别地，涡街节流测量装置4将节流式流量计（节流管道8）和涡街流量计（旋涡发生体9）深度融合，设计成涡街节流一体式气液两相流量计，降低流量计整体长度，简化结构，使涡街流量计和节流式流量计所测流体处于相同压力、温度工况系统，保证两者所测工况流量的一致性，有利于提高混合流体密度、气液流量测量精度。
实施例3：
在实施例2的基础上，所述涡街温度一体化检测探头10将旋涡信号检测传感器和温度传感器一体化封装，用于检测旋涡频率及流体温度。
本实施例将涡街传感器和温度传感器一体化设计，减少管道开孔及传感器数量，进一步简化结构。
实施例4：
在实施例2的基础上，所述旋涡发生体9为三角柱结构，竖直安装在节流管道8的吼道801处，且三角柱的上下两个端面与节流管道8的内管壁接触。
旋涡发生体9是涡街流量计的核心部件，它的主要功能是迫使旋涡在其轴向产生同步分离，把三维的管流变成二维的旋涡流，具体地，旋涡发生体9竖直安装在节流装置吼道801中，流体从旋涡发生体9两侧通过，在其后面产生一定频率的旋涡。
实施例5：
在实施例1的基础上，所述导压管3上安装着取压阀2。所述节流管道8的两端安装着法兰1，差压取压孔11开设在两个法兰1上，导压管3的一端通过差压取压孔11连通至节流管道8内，导压管3的另一端连接至智能差压流量变送器6。具体地，如图1所示，差压取压孔11开设在节流管道8两端外壁上，导压管3的一端通过差压取压孔11连通至节流管道8内，导压管3的另一端连接至智能差压流量变送器6。
实施例6：
如图3所示，涡街节流一体式气液两相流量计的应用方法：涡街节流一体式气液两相流量计的节流管道8的上游管口通过上游管线12连接至气井井口，所述上游管线12上安装着截断阀13，节流管道8的下游管口通过下游管线14连接至去采气管线，所述下游管线14上安装着闸阀15；
从气井井口出来的气液两相流体经上游管线12、截断阀13后通过涡街节流一体式气液两相流量计，气液两相流体在节流管道8的前后产生差压，同时在旋涡发生体9后产生旋涡，涡街温度一体化检测探头10检测旋涡频率及流体温度并通过涡街温度变送器5处理后传输给智能差压流量变送器6，同时智能差压流量变送器6通过导压管3采集节流管道8的前后压差和静压信号，智能差压流量变送器6根据采集到的旋涡频率、流体温度、差压和静压信号，计算气液单相流量。
从气井井筒出来的气液两相流体经一系列弯头、阀门后通过本流量计，流体会在节流装置前后产生差压、在旋涡发生体9后产生旋涡，通过测量旋涡频率、流体温度、差压、静压信号，采用涡街流量计流量计算公式即可测量流体体积流量，由于节流式流量计和涡街流量计为同一测量通道，为同一压力温度系统，因此两者所测流量应相等。采用节流式流量计流量计算公式及涡街流量计计算的体积流量即可反推出气液混合流体平均密度。在已知气液单相密度的前提下，即可推导出气液各相流量。具体地，计算气液单相流量的步骤包括：
气液两相流体经过三角柱形的旋涡发生体9时，在其两侧交替产生两列旋涡，旋涡的释放频率与流体平均速度有关，根据式（1）计算出流体平均流速v，
（1）
上式中，f为涡街温度一体化检测探头10检测出的旋涡释放频率，v为流体流过旋涡发生体的平均速度，d为旋涡发生体特征宽度，St为斯特劳哈尔数，无量纲；
气液两相流体的体积流量：
（2）
上式中，为体积流量，d为旋涡发生体特征宽度，f为旋涡释放频率，A为流体流过旋涡发生体9的截面积，St为斯特劳哈尔数，无量纲；
气液两相流体的质量流量：
（3）
上式中，为质量流量，C为流出系数，β为节流管道8直径比（,D为吼道801入段或者出口段的管道直径，d为吼道801直径），ε为膨胀系数，d为吼道801直径，气液两相流体的压力、温度已知时，以上参数可直接计算得出；为气液混合流体工况平均密度，是未知量；为差压，由智能差压流量变送器（6）测得；
由于节流流量和涡街流量为同一测量通道，均是通过节流管道8，同时处于同一压力温度下，因此：
（4）
由式（4）和式（3）即可推导出气液混合流体平均密度：
（5）
当气液混合较均匀时，气液滑脱效应较小，可不考虑气液流速差，混合流体工况体积流量为气、液单相工况体积流量之和，混合流体质量流量为气、液单相质量流量之和：
（6）
（7）
已知气、液标况密度，根据压力、温度参数即可得出气、液工况密度，由式（5）、（6）、（7）即可推导出气、液两相工况体积流量：
（8）
（9）
根据流体压力、温度参数，即可得出气、液标况体积流量，完成气液单相流量的计算。
本发明通过将节流式流量计与涡街流量计结构深度融合，设计成涡街节流一体式气液两相流量计，降低流量计整体长度，简化结构，使涡街流量计和节流式流量计所测流体处于相同压力、温度工况系统，保证两者所测工况流量的一致性，有利于提高混合流体密度、气液流量测量精度；同时将涡街传感器和温度传感器一体化设计，减少管道开孔及传感器数量，进一步简化结构；并将两种流量计测量原理结合，计算出气液混合流体平均密度，进而得出气液单相流量。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (8)
1.涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：包括上下布设的智能差压流量变送器（6）和涡街节流测量装置（4），所述涡街节流测量装置（4）包括水平放置的节流管道（8），节流管道（8）的两端分别通过两根导压管（3）连接至智能差压流量变送器（6）；所述节流管道（8）的管壁上安装着涡街温度变送器（5），涡街温度变送器（5）通过信号线（7）与智能差压流量变送器（6）连接；
所述涡街节流测量装置（4）采集通过节流管道（8）的流体产生的旋涡频率和流体温度，并传输给涡街温度变送器（5），涡街温度变送器（5）处理后通过信号线（7）传输给智能差压流量变送器（6），同时智能差压流量变送器（6）通过导压管（3）采集节流管道（8）的前后压差和静压信号，智能差压流量变送器（6）根据采集到的旋涡频率、流体温度、差压和静压信号，计算气液单相流量。
2.如权利要求1所述的涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：所述涡街节流测量装置（4）还包括旋涡发生体（9）、用于检测旋涡频率及流体温度的涡街温度一体化检测探头（10）、差压取压孔（11）；所述节流管道（8）内腔为文丘里结构，旋涡发生体（9）安装在文丘里结构中部的吼道（801）处，涡街温度一体化检测探头（10）位于旋涡发生体（9）下游且探头一端垂直插入在吼道（801）处，另一端与涡街温度变送器（5）连接，所述差压取压孔（11）用于连接导压管（3）。
3.如权利要求2所述的涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：所述涡街温度一体化检测探头（10）将旋涡信号检测传感器和温度传感器一体化封装，用于检测旋涡频率及流体温度。
4.如权利要求2所述的涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：所述旋涡发生体（9）为三角柱结构，竖直安装在节流管道（8）的吼道（801）处，且三角柱的上下两个端面与节流管道（8）的内管壁接触。
5.如权利要求1所述的涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：所述导压管（3）上安装着取压阀（2）。
6.如权利要求2所述的涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：所述节流管道（8）的两端安装着法兰（1），差压取压孔（11）开设在两个法兰（1）上，导压管（3）的一端通过差压取压孔（11）连通至节流管道（8）内，导压管（3）的另一端连接至智能差压流量变送器（6）。
7.如权利要求2所述的涡街节流一体式气液两相流量计，其特征在于：所述差压取压孔（11）开设在节流管道（8）两端外壁上，导压管（3）的一端通过差压取压孔（11）连通至节流管道（8）内，导压管（3）的另一端连接至智能差压流量变送器（6）。
8.如权利要求1～7中任一权利要求所述的涡街节流一体式气液两相流量计的应用方法，其特征在于：涡街节流一体式气液两相流量计的节流管道（8）的上游管口通过上游管线（12）连接至气井井口，所述上游管线（12）上安装着截断阀（13），节流管道（8）的下游管口通过下游管线（14）连接至去采气管线，所述下游管线（14）上安装着闸阀（15）；
从气井井口出来的气液两相流体经上游管线（12）、截断阀（13）后通过涡街节流一体式气液两相流量计，气液两相流体在节流管道（8）的前后产生差压，同时在旋涡发生体（9）后产生旋涡，涡街温度一体化检测探头（10）检测旋涡频率及流体温度并通过涡街温度变送器（5）处理后传输给智能差压流量变送器（6），同时智能差压流量变送器（6）通过导压管（3）采集节流管道（8）的前后压差和静压信号，智能差压流量变送器（6）根据采集到的旋涡频率、流体温度、差压和静压信号，计算气液单相流量。
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