CN109900590B

CN109900590B - 一种测量气液两相流管道持液率的方法

Info

Publication number: CN109900590B
Application number: CN201910250057.XA
Authority: CN
Inventors: 刘磊; 王珊; 孙宇晗; 周芳德
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2019-03-29
Filing date: 2019-03-29
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2039-03-29
Also published as: CN109900590A

Abstract

本发明公开一种测量气液两相流管道持液率的方法，其主要过程为：选择压力容器，其容积与气液两相流管道的容积两者大小相近，将气体在压力容器与管道之间分压，依据分压前后的气体热力学参数计算分压系数。若分压系数在0.5至2.0的范围内，则利用分压系数计算出管道持液率，否则，重新选择压力容器的大小，直至使分压系数满足0.5至2.0的范围要求后，再依据分压系数计算管道的持液率。该方法所采用的测量装置简单，技术方案易于实施，能够准确、可靠地测量气液两相流管道的持液率，可为管道运行维护人员、实验研究人员解决管道持液率测量的实际问题。

Description

一种测量气液两相流管道持液率的方法

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及管道气液两相流参数的测量，具体涉及一种测量气液两相流管道持液率的方法。

背景技术

管道中的持液率是指在气液两相流条件下管道中的液体所占管内总体积的比率，管道持液率是管道气液两相流的重要参数之一。油气田中有大量的气液两相流混输管道，多数是长距离埋地管道，其中的持液率测量还是一个技术难题。化学工程中也存在大量的气液两相流管道，其中的持液率测量也需要一种简单可靠的方法。实验室中涉及管道气液两相流的实验时，也需要一种简单可靠的方法来测量管道持液率。对相关专利文献的检索表明，管道持液率的测量方法比较多，通常采用的方法有γ射线法、电导探针法、电容或者介电常数法、超声多普勒法、快关阀门取样法，等等。这些方法都有其局限性，例如，对于埋在地下距离较长的油气混输管道、有积液的天然气管道等，这些方法都难以对其进行持液率的测量。

发明内容

为了解决油气混输管道、天然气积液管道、化工以及实验室中气液两相流管道的持液率测量问题，本发明提出一种测量气液两相流管道持液率的方法，本发明能够准确、可靠地测量管道持液率，能够为管道运行维护人员、实验研究人员解决管道持液率测量的实际问题，具有潜在的推广应用价值与经济效益。

本发明采用的技术方案如下：

一种测量气液两相流管道持液率的方法，包括如下步骤：

S1：确定待测量持液率的气液两相流管道的容积，在气液两相流管道上设置用于测量气液两相流管道内温度的第一温度传感器，以及用于测量气液两相流管道内压力的第一压力传感器；

选择压力容器，使压力容器的容积与气液两相流管道的容积之比为预设值；在压力容器上设置用于测量压力容器内温度的第二温度传感器和第二压力传感器；在压力容器的底部设置排液阀，在压力容器的上端设置气路阀门；

在气路阀门上连接能够使气液两相流管道与压力容器相连通的旁通管，在旁通管上处于气路阀门与气液两相流管道之间的部分设置第三阀门；

S2：关闭第三阀门以及气液两相流管道两端的第一阀门与第二阀门，测量气液两相流管道中的压力和温度，并依据所测压力和温度获取气体的压缩因子；

S3：打开排液阀，排空压力容器，而后关闭排液阀和气路阀门；通过排空压力容器或者向压力容器加压，使压力容器中的气体压力与待测的气液两相流管道中的气体压力两者之间的压差不小于预设值；测量压力容器中气体的压力和温度，并依据所测压力和温度获取气体的压缩因子；

S4：打开气路阀门和第三阀门，使压力容器与气液两相流管道之间相互分压，直至气液两相流管道中气体的压力与压力容器中气体的压力相等；此时测量气液两相流管道以及压力容器中气体的压力与温度，并依据所测压力和温度获取相应气体的压缩因子；

S5：依据S2～S4中，压力容器与气液两相流管道之间相互分压前后气体的压力、温度和压缩因子计算分压系数；

S6：判断分压系数是否在预设范围内，若在，则进行S7，否则重新选择压力容器，重复步骤S2～S5，直至分压系数在预设范围内；

S7：根据分压系数计算气液两相流管道的持液率。

S5中，分压系数η按如下方法计算：

其中，P_container1和P_tube1分别是分压前压力容器和气液两相流管道中气体的绝对压力，P₂是分压后压力容器和气液两相流管道中气体的绝对压力；T_container1和T_tube1分别是分压前压力容器和气液两相流管道中气体的绝对温度，T_container2和T_tube2分别是分压后压力容器和气液两相流管道中气体的绝对温度；Z_container1和Z_tube1分别是分压前压力容器和气液两相流管道中气体的压缩因子，Z_container2和Z_tube2分别是分压后压力容器和气液两相流管道中气体的压缩因子。

S7中，气液两相流管道持液率H_L按如下计算方法计算：

其中，V_container为压力容器的容积，V_tube为气液两相流管道的容积，η为分压系数。

S3中，压力容器中的气体压力与待测的气液两相流管道中的气体压力两者之间的压差不小于0.2MPa。

S6中，分压系数的预设范围为0.5～2.0。

压力容器的容积与气液两相流管道的容积之比为0.5～2。

S3中，向压力容器加压时，利用外接气源向压力容器中加压。

压力容器可以采用压力罐、气液分离器、管束或一段管道。

本发明具有如下有益效果：

本发明测量气液两相流管道持液率的方法先确定待测量持液率的气液两相流管道的容积，在气液两相流管道上设置用于测量气液两相流管道内温度的第一温度传感器，以及用于测量气液两相流管道内压力的第一压力传感器；选择压力容器，使压力容器的容积与气液两相流管道的容积之比为预设值；在压力容器上设置用于测量压力容器内温度的第二温度传感器和第二压力传感器；在压力容器的底部设置排液阀，在压力容器的上端设置气路阀门；在气路阀门上连接能够使气液两相流管道与压力容器相连通的旁通管，在旁通管上处于气路阀门与气液两相流管道之间的部分设置第三阀门；接着在正是测量该待测量持液率的气液两相流管道持液率时，先关闭第一阀门、第二阀门和第三阀门，测量气液两相流管道中的压力和温度，并依据所测压力和温度获取气体的压缩因子；然后排空压力容器，关闭排液阀和气路阀门；向压力容器加压，使压力容器中的气体压力与待测的气液两相流管道中的气体压力两者之间的压差不小于预设值，测量压力容器中气体的压力和温度，并依据所测压力和温度获取气体的压缩因子；接着打开气路阀门和第三阀门，使压力容器与气液两相流管道之间相互分压，直至气液两相流管道中气体的压力与压力容器中气体的压力相等；此时测量气液两相流管道以及压力容器中气体的压力与温度，并依据所测压力和温度获取相应气体的压缩因子；然后根据压力容器与气液两相流管道之间相互分压前后气体的压力、温度和压缩因子计算分压系数，分压系数应在预设范围内，否则，重新选择压力容器的大小，使分压系数满足预设范围要求；最后根据分压系数计算气液两相流管道的持液率。本发明的上述技术方案易于实施，能够准确、可靠地测量气液两相流管道的持液率。本发明不仅可以在油气田中用于测量油气长距离混输管道的持液率、有积液的天然气管道的持液率，还可用于化工流程中气液两相流管道、实验室中气液两相流管道以及其他气液两相流管道的持液率测量。

附图说明

本发明的附图用于对本发明的进一步理解，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为本发明实施例中测量待测量持液率时装置的连接示意图。

图2为本发明测量气液两相流管道持液率的方法的实施流程图。

图1中：1、第一阀门，2、管道，3、第一温度传感器，4、第一压力传感器，5、第二阀门，6、第二压力传感器，7、第二温度传感器，8、排液阀，9、压力容器，10、气路阀门，11、旁通管，12、第三阀门。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案更加清楚，下面结合几种不同的情形说明具体实施方式，所述具体实施方式并不构成对本发明技术方案的不当限定。

如图1所示，在实施本发明测量气液两相流管道持液率的方法前的准备工作包括：

确定待测量持液率的气液两相流管道2的容积，在气液两相流管道2上设置用于测量气液两相流管道2内温度的第一温度传感器3，以及用于测量气液两相流管道2内压力的第一压力传感器4；

选择压力容器9，使压力容器9的容积与气液两相流管道2的容积之比为预设值；在压力容器9上设置用于测量压力容器9内温度的第二温度传感器7和第二压力传感器6；在压力容器9的底部设置排液阀8，在压力容器9的上端设置气路阀门10；

在气路阀门10上连接能够使气液两相流管道2与压力容器9相连通的旁通管11，在旁通管11上处于气路阀门10与气液两相流管道2之间的部分设置第三阀门12。

其中，作为本发明优选的实施方案，压力容器9的容积与气液两相流管道2的容积之比为0.5～2。压力容器9可采用管束或一段管道。

本发明测量气液两相流管道持液率的方法基于以下原理进进行：

参见附图1，气液两相流管道2中的气体与压力容器9中的气体，若两者之间的压差在0.2MPa以上，则可将气液两相流管道2与压力容器9两者连通，使气体在气液两相流管道2与压力容器9之间分压。以P_tube1和T_tube1分别表示分压前气液两相流管道2中气体的绝对压力与绝对温度，则分压前气液两相流管道2中气体的状态方程为：

其中，V_tube为气液两相流管道的容积(单位：m³)，H_L为气液两相流管道持液率(无量纲)，n_tube1为分压前气液两相流管道中气体物质的量(单位：mol)，R为通用气体常数(R＝8.314J·mol^-1·K^-1)，Z_tube1为分压前气液两相流管道中气体的压缩因子或偏差系数(无量纲)。气体的压缩因子是气体的物性参数之一，依据气体压力P_tube1和温度T_tube1可获得Z_tube1的值。

类似地，以P_container1和T_container1分别表示分压前压力压力容器9中气体的绝对压力与绝对温度，则分压前容器中的状态方程为：

其中，V_container为压力容器的容积(单位：m³)，n_container1为分压前容器中气体物质的量(单位：mol)，Z_container1为分压前容器中气体的压缩因子或偏差系数(无量纲)。依据气体压力P_container1和温度T_container1可获得Z_container1的值。

气体在气液两相流管道2与压力容器9间分压之后，气液两相流管道2中的气体压力与压力容器9中的气体压力相等，以P₂表示分压后气液两相流管道2中的压力与压力容器9中的压力，即

P₂＝P_tube2＝P_container2

以P₂和T_tube2分别表示分压后气液两相流管道2中气体的绝对压力与绝对温度，则由分压后气液两相流管道2中气体的状态方程可得：

其中，n_tube2为分压后气液两相流管道中气体物质的量(单位：mol)，Z_tube2为分压后气液两相流管道中气体的压缩因子或偏差系数(无量纲)。依据气体压力P₂和温度T_tube2可获得Z_tube2的值。

类似地，以P₂和T_container2分别表示分压后压力容器9中气体的绝对压力与绝对温度，则分压后由压力容器9中气体的状态方程可得：

其中，n_container2为分压后压力容器中气体物质的量(单位：mol)，Z_container2为分压后压力容器中气体的压缩因子或偏差系数(无量纲)。依据气体压力P₂和温度T_container2可获得Z_container2的值。

分压前和分压后，气液两相流管道2与压力容器9中的气体摩尔总量不变，即

n_tube1+n_container1＝n_tube2+n_container2

本发明依据上述气体分压原理，得到气液两相流管道持液率与气体热力学参数的关系如下：

本发明的技术方案定义分压系数η如下：

分压系数是本发明方法的重要技术参数。理想的分压系数是η＝1，分压系数若与1偏离过大，则本方法的测量误差会明显增大。

本发明的技术方案依据分压系数计算气液两相流管道持液率，计算方法如下：

具体的，待上述测量前的准备工作完成之后，本发明提出的测量气液两相流气液两相流管道持液率的方法，具体包括以下步骤：

1)通过排液阀8，将所选压力容器9中的液体排空。

2)使第三阀门12处于关闭状态。

3)将待测的气液两相流管道2的进口端的第一阀门1和出口端的第二阀门5关闭，使气液两相流体停留在气液两相流管道2中，测量气液两相流管道2中的绝对压力和绝对温度，并依据所测绝对压力和绝对温度获取气体的压缩因子；此处的绝对压力、绝对温度和压缩因子即为分压前气液两相流管道中气体的相应参数。

4)通过外接气源等方法，使压力容器9中的气体压力与待测的气液两相流管道2中的气体压力两者之间有0.2MPa以上的压差。

5)测量压力容器9中气体的绝对压力和绝对温度，并依据所测绝对压力和绝对温度获取气体的压缩因子；此处的绝对压力、绝对温度和压缩因子即为分压前压力容器中气体的相应参数。

6)通过旁通管11、第三阀门12和气路阀门10将所选压力容器9与待测的气液两相流管道2相连通。

7)若待测的气液两相流管道2中的压力比所选压力容器9中的压力高，待测的气液两相流管道2向所选压力容器9分压；若待测的气液两相流管道2中的压力比所选压力容器9中的压力低，所选压力容器9向待测的气液两相流管道2分压。

8)分压后，气液两相流管道2中气体的压力与所选压力容器9中气体的压力两者达到相等，此时测量气液两相流管道2以及压力容器9中气体的绝对压力与绝对温度，并依据所测绝对压力和绝对温度获取相应气体的压缩因子；此处的绝对压力、绝对温度和压缩因子即为分压后气液两相流管道2以及压力容器9中气体的相应参数。

9)依据分压前后的气体热力学参数计算分压系数。分压系数应在0.5至2.0的范围内，否则，重新选择压力容器9的大小，使分压系数满足0.5至2.0的范围要求。

10)分压系数η是一个无量纲系数，按如下方法计算：

其中，P_container1和P_tube1分别是分压前容器和气液两相流管道中气体的绝对压力(单位：Pa)，P₂是分压后容器和气液两相流管道中气体的绝对压力(单位：Pa)，P₂＝P_tube2＝P_container2；T_container1和T_tube1分别是分压前容器和气液两相流管道中气体的绝对温度(单位：K)，T_container2和T_tube2分别是分压后容器和气液两相流管道中气体的绝对温度(单位：K)；Z_container1和Z_tube1分别是分压前容器和气液两相流管道中气体的压缩因子，Z_container2和Z_tube2分别是分压后容器和气液两相流管道中气体的压缩因子。

11)确定了分压系数，气液两相流管道持液率按如下计算方法计算：

其中，H_L为气液两相流管道持液率，V_container为容器的容积，V_tube为气液两相流管道的容积，η为分压系数。

实施例1

位于山区中的某天然气井从井口到中转站有一段1千米长的天然气管道，该管道埋于地下，管道内径为62mm，生产过程中发现该段管道有积液，拟测量该段管道中的持液率。具体实施方式如下：

1)通过计算得到待测管道的容积为3.02m³，选择容积为2m³的压力容器。

2)通过排液阀，将所选压力容器中的液体排空。

3)在待测管道上，安装一带阀门的旁通管，并使该阀门处于关闭状态。

4)将待测管道的进口端和出口端关闭，测得管道中的绝对压力P_tube1＝1.0MPa，绝对温度T_tube1＝297K；依据P_tube1＝1.0MPa和T_tube1＝297K，获得管道中气体的压缩因子Z_tube1＝0.98。

5)往压力容器中注入与待测管道中相同的气体，使压力容器中的气体压力与待测管道中的气体压力两者之间的压差在0.2MPa以上，测得压力容器中气体的绝对压力P_container1＝0.4MPa，绝对温度T_container1＝295K。

6)依据P_container1＝0.4MPa和T_container1＝295K，获得容器中气体的压缩因子Z_container1＝0.99。

7)将所选压力容器与待测管道相连接，管道的压力高于容器的压力，使管道向所选容器分压。

8)分压后，管道中的压力与所选压力容器中的压力两者达到相等，此时测得管道与压力容器中气体的绝对压力P₂＝P_tube2＝P_container2＝0.74MPa，测得管道中气体的绝对温度为T_tube2＝295K，测得压力容器中气体的绝对温度T_container2＝294K。依据P₂＝0.74MPa和T_tube2＝295K，获得分压后管道中气体的压缩因子Z_tube2＝0.99；依据P₂＝0.74MPa和T_container2＝294K获得分压后容器中气体的压缩因子Z_container2＝0.99。

9)按如下方法计算分压系数η：

分压系数在0.5至2.0范围内，符合要求。

10)确定了分压系数，按如下方法计算管道持液率H_L：

实施例2

在实验室中开展水-空气两相流的模拟实验研究，已知一段长30m的不锈钢水平管道，内径40mm，该段管道的两端安装有快关阀门，拟测量该段管道中的持液率。具体实施方式如下：

1)通过计算得到该段待测管道的容积为0.0377m³。选择内径为120mm、长1.5m的不锈钢管作为分压用的压力容器，其体积为0.0265m³。

2)将所选压力容器中的液体排空。

3)使用待测管道两端的快关阀门，将气液两相流体关闭于待测管道中，测得管道中的绝对压力P_tube1＝0.2MPa，绝对温度T_tube1＝308K；依据P_tube1＝0.2MPa和T_tube1＝308K，获得空气的压缩因子Z_tube1＝1.0。

4)往压力容器中注入与待测管道中相同的气体，使压力容器中的气体压力与待测管道中的气体压力两者之间有0.2MPa以上的压力差，测得压力容器中气体的绝对压力P_container1＝0.4MPa，绝对温度T_container1＝309K。

5)依据P_container1＝0.4MPa和T_container1＝309K，获得容器中气体的压缩因子Z_container1＝1.0。

6)将所选压力容器与待测管道相连接，容器的压力高于管道的压力，使容器向待测管道分压。

7)分压后，管道中的压力与所选压力容器中的压力两者达到相等，此时测得管道与压力容器中的绝对压力为0.31MPa，测得管道中的绝对温度为310K，测得压力容器中的绝对温度为310K。依据P₂＝0.31MPa和T_tube2＝310K，获得分压后管道中气体的压缩因子Z_tube2＝1.0；依据P₂＝0.31MPa和T_container2＝310K获得分压后容器中气体的压缩因子Z_container2＝1.0。

8)按如下方法计算分压系数η：

分压系数在0.5至2.0范围内，符合要求。

9)确定了分压系数，按如下方法计算管道持液率H_L：

。

Claims

1.一种测量气液两相流管道持液率的方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：确定待测量持液率的气液两相流管道(2)的容积，在气液两相流管道(2)上设置用于测量气液两相流管道(2)内温度的第一温度传感器(3)，以及用于测量气液两相流管道(2)内压力的第一压力传感器(4)；

选择压力容器(9)，使压力容器(9)的容积与气液两相流管道(2)的容积之比为预设值；在压力容器(9)上设置用于测量压力容器(9)内温度的第二温度传感器(7)和第二压力传感器(6)；在压力容器(9)的底部设置排液阀(8)，在压力容器(9)的上端设置气路阀门(10)；

在气路阀门(10)上连接能够使气液两相流管道(2)与压力容器(9)相连通的旁通管(11)，在旁通管(11)上处于气路阀门(10)与气液两相流管道(2)之间的部分设置第三阀门(12)；

S2：关闭第三阀门(12)以及气液两相流管道(2)两端的第一阀门(1)与第二阀门(5)，测量气液两相流管道(2)中的压力和温度，并依据所测压力和温度获取气体的压缩因子；

S3：打开排液阀，排空压力容器(9)，而后关闭排液阀(8)和气路阀门(10)；通过排空压力容器或者向压力容器(9)加压，使压力容器(9)中的气体压力与待测的气液两相流管道(2)中的气体压力两者之间的压差不小于预设值；测量压力容器(9)中气体的压力和温度，并依据所测压力和温度获取气体的压缩因子；

S4：打开气路阀门(10)和第三阀门(12)，使压力容器(9)与气液两相流管道(2)之间相互分压，直至气液两相流管道(2)中气体的压力与压力容器(9)中气体的压力相等；此时测量气液两相流管道(2)以及压力容器(9)中气体的压力与温度，并依据所测压力和温度获取相应气体的压缩因子；

S5：依据S2～S4中，压力容器(9)与气液两相流管道(2)之间相互分压前后气体的压力、温度和压缩因子计算分压系数；

S6：判断分压系数是否在预设范围内，若在，则进行S7，否则重新选择压力容器(9)，重复步骤S2～S5，直至分压系数在预设范围内；

S7：根据分压系数计算气液两相流管道(2)的持液率；

S6中，分压系数的预设范围为0.5～2.0。

2.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流管道持液率的方法，其特征在于，S5中，分压系数η按如下方法计算：

其中，P_container1和P_tube1分别是分压前压力容器(9)和气液两相流管道(2)中气体的绝对压力，P₂是分压后压力容器(9)和气液两相流管道(2)中气体的绝对压力；T_container1和T_tube1分别是分压前压力容器(9)和气液两相流管道(2)中气体的绝对温度，T_container2和T_tube2分别是分压后压力容器(9)和气液两相流管道(2)中气体的绝对温度；Z_container1和Z_tube1分别是分压前压力容器(9)和气液两相流管道(2)中气体的压缩因子，Z_container2和Z_tube2分别是分压后压力容器(9)和气液两相流管道(2)中气体的压缩因子。

3.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流管道持液率的方法，其特征在于，S7中，气液两相流管道持液率H_L按如下计算方法计算：

4.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流管道持液率的方法，其特征在于，S3中，压力容器(9)中的气体压力与待测的气液两相流管道(2)中的气体压力两者之间的压差不小于0.2MPa。

5.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流管道持液率的方法，其特征在于，压力容器(9)的容积与气液两相流管道(2)的容积之比为0.5～2。

6.根据权利要求1所述的一种测量气液两相流管道持液率的方法，其特征在于，S3中，向压力容器(9)加压时，利用外接气源向压力容器(9)中加压。