CN110132365B - 一种冲量压差喷嘴、油气水三相流量计量装置及计量方法 - Google Patents

一种冲量压差喷嘴、油气水三相流量计量装置及计量方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多相流体计量技术领域，尤其涉及一种冲量压差喷嘴、油气水三相流量计量装置及计量方法，包括壳体、检测组件和喷嘴主体，检测组件包括磁力感应元件和第一磁块，喷嘴主体位于壳体内，喷嘴主体上设有进流口，进流口正对壳体的进口设置，喷嘴主体的一端面设有的出流口，且出流口靠近壳体的出口，喷嘴主体的另一端面设有第一磁块，磁力感应元件设置于壳体外，且与第一磁块磁极相斥设置。在流体冲击传递至第一磁块后，第一磁块通过互斥的磁力将冲击传递至磁力感应单元，由此得到流体的冲量，通过第一磁块与磁力感应元件的使用，既达到传递压力的目的，又避免了流体对磁力感应元件的污染和腐蚀作用。装置结构简单，操作简便。

Description

一种冲量压差喷嘴、油气水三相流量计量装置及计量方法
技术领域
本发明涉及多相流体计量技术领域，尤其涉及一种冲量压差喷嘴、油气水三相流量计量装置及计量方法。
背景技术
目前油、气、水三相计量，可以分解为两个技术要点：一是应将三相视为液相总量和气相两相计量，二是进行液相组分测量。
将油、气、水视为气、液两相流，以往的测量方法主要有：(1)相关法；(2)容积法；(3)节流法；(4)涡轮流量计法；(5)激光多普勒法；(6)PIV(Particle Image Velocimeter)法；(7)热线、热膜风速仪法；(8)过程层析成象技术法(Process Tomography，简称PT)；(9)核磁共振法；(10)直接法等。以上几种方法在测量气、液两相流时应用比较广泛，但有的需要结合密度计来测含气率。
进行多相流测试的另一技术要点是液相组分测量，以往的测量方法主要有：(1)电磁波检测法；(2)电容法；(3)电导法；(4)密度法；(5)短波持水率计法；(6)微波法；(7)荧光法；(8)组分表法等。
油、气、水混合多相流各种组分的直接定量测量，一直是一项迫切需要而又难以解决的技术难题。尽管有应用以上各种方法的多相流流量计的成果出现，但应用新的原理与方法的适应性强、稳定性好的高精度(全量程精度5％)直接定量测量的多相流流量计产品一直是一个空白。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是解决现有的三相混合流体流量计量难以进行各组分的直接定量测量的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种冲量压差喷嘴，包括壳体、检测组件和喷嘴主体，所述检测组件包括磁力感应元件和第一磁块，所述喷嘴主体位于所述壳体内，所述喷嘴主体上设有进流口，所述进流口正对所述壳体的进口设置，所述喷嘴主体的一端面设有的出流口，且所述出流口靠近所述壳体的出口，所述喷嘴主体的另一端面设有所述第一磁块，所述磁力感应元件设置于所述壳体外，且与所述第一磁块磁极相斥设置。
其中，所述磁力感应元件包括传感器和磁力接触件，所述磁力接触件一端铰接于所述壳体上，另一端与所述传感器接触，且所述磁力接触件的磁极与所述第一磁块的磁极相斥设置。
其中，述磁力接触件包括连杆、第二磁块和触针，所述连杆一端与所述壳体铰接，另一端与所述第二磁块连接，所述触针一端固定于所述磁块上，另一端与所述传感器接触，所述第二磁块的磁极与所述第一磁块的磁极相斥设置。
其中，还包括设置于所述壳体的内壁与所述喷嘴主体的外壁之间的封隔组件，所述封隔组件包括沿所述喷嘴主体内流体的流动方向的主封隔件和副封隔件，且所述主封隔件位于所述进流口两侧。
其中，所述封隔组件为柔性封隔环，所述柔性封隔环的内表面与所述喷嘴主体的外壁连接，所述柔性封隔环的外表面与所述壳体的内壁连接。
其中，还包括沿所述喷嘴主体内流体的流动方向设置的多个悬浮固定组件，所述悬浮固定组件包括磁力内环与磁力外环，所述磁力内环套设于所述喷嘴主体上，所述磁力外环固定于所述壳体的内壁上且与所述磁力内环对应设置，所述磁力内环与所述磁力外环之间具有间隙。
其中，所述进流口为沿所述喷嘴主体的周向设置的多个筛孔。
本发明还提供了一种油气水三相流量计量装置，包括气液分离器，所述气液分离器上具有第一出口与第二出口，所述第一出口处连通第一计量通路，所述第二出口处连通第二计量通路，所述第一计量通路上设有单向气体流量计，所述第二计量通路上沿流体流动方向依次设有第一三相混合密度计、如权利要求1-7任一项所述的冲量压差喷嘴和第二三相混合密度计。
其中，所述第一三相混合密度计上设有压力传感器，所述第一三相混合密度计与所述第二三相混合密度计之间设有压差传感器。
本发明还提供了一种利用上述油气水三相流量计量装置进行油气水三相流量的计量方法，包括如下步骤：
(1)多相混合流中油、气、水各相的份额αo1、αg1、αw1由如下方程组求解得到：
Figure GDA0002574919210000031
αo1+αw1+αg1＝1
Figure GDA0002574919210000032
其中，
Figure GDA0002574919210000033
为所述第一三相混合密度计示出的测量值；
Figure GDA0002574919210000034
为所述第二三相混合密度计示出的测量值；
ρg1为所述第一三相混合密度计中气相的密度，
Figure GDA0002574919210000035
ρg2为所述第二三相混合密度计中气相的密度，
Figure GDA0002574919210000036
其中，P1为所述压力传感器上示出的压力值；ΔP12为所述差压传感器上示出的压力值；Po为标准状态下的压力；to为绝对温度；ρg为标准状态下的气相密度；
(2)多相混合质量流量Qmix由如下方程求解得到：
Figure GDA0002574919210000041
其中，Vmix为多相混合流速度；F为所述冲量压差喷嘴的所述传感器示出的冲量值；
Figure GDA0002574919210000042
为所述第一三相混合密度计示出的测量值；ΔP为所述喷嘴主体内进流口与出流口的差压；
(3)多相混合流中油、气、水各相的流量Qo、Qg、Qw由如下方程求解得到：
Qo＝αo1Qmix；Qg＝αg1Qmix；Qw＝αw1Qmix。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明冲量压差喷嘴多相流体由壳体的进口流入后通过进流口进入喷嘴主体内，然后经喷嘴主体的出流口喷出，喷嘴主体获得的多相流体喷出的冲量通过其上与出流口相对的第一磁块传递至壳体外部的磁力感应元件上，第一磁块的磁极与磁力感应元件的磁极相斥，在流体冲击传递至第一磁块后，第一磁块通过互斥的磁力将冲击传递至磁力感应单元，由此得到流体的冲量，通过第一磁块与磁力感应元件的使用，既达到传递压力的目的，又避免了流体对磁力感应元件的污染和腐蚀作用。通过本发明可获得多项流体的喷出冲量，装置结构简单，操作简便。
本发明油气水三相流量计量装置中包括上述的冲量压差喷嘴，油、气、水流量首先进入气液分离装置，将气流量中的段塞状的气流量分离至第一计量通路中，并通过单相气体流量计进行计量，余下的泡状气流量，主要是泡状流及泡沫状流，则混合在油、水液流量Qo和Qw中，一并通过第二计量通路进行计量，第二计量通路上依次设有第一三相混合密度计、冲量差压喷嘴和第二三相混合密度计，通过第一三相混合密度计的测量值、第二三相混合密度计的测量值及冲量差压喷嘴上的喷射冲量，通过一定的公式换算可快速的到油气水三相流量；由此本发明进一步优化了计量原理，采用了喷嘴式冲量差压的多相流测量远离，使得装置达到更好的测量效果，实现了多项流体流量高精度，即全量程精度优于5％，直接定量测量的效果。
除了上面所描述的本发明解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本发明的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明。
附图说明
图1是本发明实施例冲量压差喷嘴的结构示意图；
图2是本发明实施例冲量压差喷嘴的检测组件的结构示意图；
图3是图1中A-A向剖视图；
图4是本发明实施例油气水三相流量计量装置的结构示意图。
图中：1：壳体；2：检测组件；3：喷嘴主体；4：封隔组件；5：悬浮固定组件；10：气液分离器；20；第一计量通路；30：第二计量通路；40：第一三相混合密度计；50：冲量压差喷嘴；60：第二三相混合密度计；70：单向气体流量计；11：进口；12：出口；21：磁力感应元件；22：第一磁块；31：进流口；32：出流口；41：主封隔件；42：副封隔件；51：磁力内环；52：磁力外环；53：间隙；211：传感器；212：磁力接触件；2121：连杆；2122：第二磁块；2123：触针。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”、“多根”、“多组”的含义是两个或两个以上，“若干个”、“若干根”、“若干组”的含义是一个或一个以上。
实施例一
如图1、图2和图3所示，本发明实施例一提供的一种冲量压差喷嘴，包括壳体1、检测组件2和喷嘴主体3，检测组件2包括磁力感应元件21和第一磁块22，喷嘴主体3位于壳体1内，喷嘴主体3上设有进流口31，进流口31正对壳体1的进口11设置，喷嘴主体3的一端面设有的出流口32，且出流口32靠近壳体1的出口12，喷嘴主体3的另一端面设有第一磁块22，磁力感应元件21设置于壳体1外，且磁力感应元件21与第一磁块22磁极相斥设置。
本发明冲量压差喷嘴多相流体由壳体的进口流入后通过进流口进入喷嘴主体内，然后经喷嘴主体的出流口喷出，喷嘴主体获得的多相流体喷出的冲量通过其上与出流口相对的第一磁块传递至壳体外部的磁力感应元件上，第一磁块的磁极与磁力感应元件的磁极相斥，在流体冲击传递至第一磁块后，第一磁块通过互斥的磁力将冲击传递至磁力感应单元，由此得到流体的冲量，通过第一磁块与磁力感应元件的使用，既达到传递压力的目的，又避免了流体对磁力感应元件的污染和腐蚀作用。通过本发明可获得多项流体的喷出冲量，装置结构简单，操作简便。
其中，磁力感应元件21包括传感器211和磁力接触件212，磁力接触件212一端铰接于壳体1上，磁力接触件212另一端与传感器211接触，且磁力接触件212的磁极与第一磁块22的磁极相斥设置。磁力接触件一端与壳体可转动连接，另一端设有磁极且与第一磁块配合，接收第一磁块通过相斥的磁力传递的冲量，并将冲量传递至传感器，由此获得流体喷出喷嘴主体3时的冲量。
其中，磁力接触件212包括连杆2121、第二磁块2122和触针2123，连杆2121一端与壳体1铰接，连杆2121另一端与第二磁块2122连接，触针2123一端固定于磁块22上，触针2123另一端与传感器211接触，第二磁块2122的磁极与第一磁块22的磁极相斥设置。本实施例磁力接触件采用磁力触针的形式，连杆的一端连接第二磁块，磁极与第一磁块相斥设置，触针接触传感器传递冲量。本实施例中第一磁块与第二磁快可选用永磁铁。
其中，本发明冲量压差喷嘴还包括设置于壳体1的内壁与喷嘴主体3的外壁之间的封隔组件4，封隔组件4包括沿喷嘴主体3内流体的流动方向的主封隔件41和副封隔件42，且主封隔件41位于进流口31两侧。其中，封隔组件4为柔性封隔环，柔性封隔环的内表面与喷嘴主体3的外壁连接，柔性封隔环的外表面与壳体1的内壁连接。封隔组件最大限度地消除喷嘴主体与壳体之间的摩擦阻力，避免对检测组件的磁力冲量检测传递造成影响，两个主封隔组件分别位于进流口两侧，避免流体向除喷嘴主体内部之外的区域扩散，保证流体进入壳体后完全流进喷嘴主体内，提高冲量测量的准确性。本实施例中封隔组件采用柔性迷宫结构的封隔环。
其中，本发明冲量压差喷嘴还包括沿喷嘴主体3内流体的流动方向设置的多个悬浮固定组件5，悬浮固定组件5包括磁力内环51与磁力外环52，磁力内环51套设于喷嘴主体3上，磁力外环52固定于壳体1的内壁上且与磁力内环51对应设置，磁力内环51与磁力外环52之间具有间隙53。固定在喷嘴主体上的磁力内环和固定在壳体上的磁力外环间的斥力使得喷嘴主体在壳体内部悬浮起来，进一步稳定喷嘴主体，减小摩擦。
其中，进流口31为沿喷嘴主体3的周向设置的多个筛孔。筛孔对流体进行分流缓冲，保证进入喷嘴主体中的流体均匀稳定。
实施例二
如图4所示，本发明实施例二提供了油气水三相流量计量装置，包括气液分离器10，气液分离器10上具有第一出口与第二出口，第一出口处连通第一计量通路20，第二出口处连通第二计量通路30，第一计量通路20上设有单向气体流量计70，第二计量通路30上沿流体流动方向依次设有第一三相混合密度计40、如上述实施例一的冲量压差喷嘴50和第二三相混合密度计60。
本发明油气水三相流量计量装置中包括上述的冲量压差喷嘴，油、气、水流量首先进入气液分离装置，将气流量中的段塞状的气流量分离至第一计量通路中，并通过单相气体流量计进行计量，余下的泡状气流量，主要是泡状流及泡沫状流，则混合在油、水液流量Qo和Qw中，一并通过第二计量通路进行计量，第二计量通路上依次设有第一三相混合密度计、冲量差压喷嘴和第二三相混合密度计，通过第一三相混合密度计的测量值、第二三相混合密度计的测量值及冲量差压喷嘴上的喷射冲量，通过一定的公式换算可快速的到油气水三相流量；由此本发明进一步优化了计量原理，采用了喷嘴式冲量差压的多相流测量远离，使得装置达到更好的测量效果，实现了多项流体流量高精度，即全量程精度优于5％，直接定量测量的效果。
其中，第一三相混合密度计40上设有压力传感器，第一三相混合密度计40与第二三相混合密度计60之间设有压差传感器。通过第一三相混合密度计上的压力传感器，与第一三相混合密度与第二三相混合密度之间的压差传感器，可实现在上述装置测量的基础上结合差压测试方法。
本发明的气液分离装置可采用气液重力式或旋流式分离器等。
实施例三
本发明实施例三提供了利用上述实施例二的油气水三相流量计量装置进行油气水三相流量的计量方法，
包括如下步骤：
(1)多相混合流中油、气、水各相的份额αo1、αg1、αw1由如下方程组求解得到：
Figure GDA0002574919210000091
αo1+αw1+αg1＝1
Figure GDA0002574919210000092
其中，
Figure GDA0002574919210000093
为第一三相混合密度计示出的测量值；
Figure GDA0002574919210000094
为第二三相混合密度计示出的测量值；
ρg1为第一三相混合密度计中气相的密度，
Figure GDA0002574919210000095
ρg2为第二三相混合密度计中气相的密度，
Figure GDA0002574919210000096
其中，P1为压力传感器上示出的压力值；ΔP12为差压传感器上示出的压力值；Po为标准状态下的压力；to为绝对温度；ρg为标准状态下的气相密度；
(2)多相混合质量流量Qmix由如下方程求解得到：
Figure GDA0002574919210000097
其中，Vmix为多相混合流速度；F为冲量压差喷嘴的传感器示出的冲量值；
Figure GDA0002574919210000098
为第一三相混合密度计示出的测量值；ΔP为喷嘴主体内进流口与出流口的差压；
(3)多相混合流中油、气、水各相的流量Qo、Qg、Qw由如下方程求解得到：
Qo＝αo1Qmix；Qg＝αg1Qmix；Qw＝αw1Qmix。
综上所述，本发明冲量压差喷嘴多相流体由壳体的进口流入后通过进流口进入喷嘴主体内，然后经喷嘴主体的出流口喷出，喷嘴主体获得的多相流体喷出的冲量通过其上与出流口相对的第一磁块传递至壳体外部的磁力感应元件上，第一磁块的磁极与磁力感应元件的磁极相斥，在流体冲击传递至第一磁块后，第一磁块通过互斥的磁力将冲击传递至磁力感应单元，由此得到流体的冲量，通过第一磁块与磁力感应元件的使用，既达到传递压力的目的，又避免了流体对磁力感应元件的污染和腐蚀作用。通过本发明可获得多项流体的喷出冲量，装置结构简单，操作简便。本发明油气水三相流量计量装置中包括上述的冲量压差喷嘴，油、气、水流量首先进入气液分离装置，将气流量中的段塞状的气流量分离至第一计量通路中，并通过单相气体流量计进行计量，余下的泡状气流量，主要是泡状流及泡沫状流，则混合在油、水液流量Qo和Qw中，一并通过第二计量通路进行计量，第二计量通路上依次设有第一三相混合密度计、冲量差压喷嘴和第二三相混合密度计，通过第一三相混合密度计的测量值、第二三相混合密度计的测量值及冲量差压喷嘴上的喷射冲量，通过一定的公式换算可快速的到油气水三相流量；由此本发明进一步优化了计量原理，采用了喷嘴式冲量差压的多相流测量远离，使得装置达到更好的测量效果，实现了多项流体流量高精度，即全量程精度优于5％，直接定量测量的效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种冲量压差喷嘴，其特征在于：包括壳体、检测组件和喷嘴主体，所述检测组件包括磁力感应元件和第一磁块，所述喷嘴主体位于所述壳体内，所述喷嘴主体上设有进流口，所述进流口正对所述壳体的进口设置，所述喷嘴主体的一端面设有的出流口，且所述出流口靠近所述壳体的出口，所述喷嘴主体的另一端面设有所述第一磁块，所述磁力感应元件设置于所述壳体外，且与所述第一磁块磁极相斥设置。
2.根据权利要求1所述的冲量压差喷嘴，其特征在于：所述磁力感应元件包括传感器一和磁力接触件，所述磁力接触件一端铰接于所述壳体上，另一端与所述传感器一接触，且所述磁力接触件的磁极与所述第一磁块的磁极相斥设置。
3.根据权利要求2所述的冲量压差喷嘴，其特征在于：所述磁力接触件包括连杆、第二磁块和触针，所述连杆一端与所述壳体铰接，另一端与所述第二磁块连接，所述触针一端固定于所述磁块上，另一端与所述传感器一接触，所述第二磁块的磁极与所述第一磁块的磁极相斥设置。
4.根据权利要求1所述的冲量压差喷嘴，其特征在于：还包括设置于所述壳体的内壁与所述喷嘴主体的外壁之间的封隔组件，所述封隔组件包括沿所述喷嘴主体内流体的流动方向的主封隔件和副封隔件，且所述主封隔件位于所述进流口两侧。
5.根据权利要求4所述的冲量压差喷嘴，其特征在于：所述封隔组件为柔性封隔环，所述柔性封隔环的内表面与所述喷嘴主体的外壁连接，所述柔性封隔环的外表面与所述壳体的内壁连接。
6.根据权利要求1所述的冲量压差喷嘴，其特征在于：还包括沿所述喷嘴主体内流体的流动方向设置的多个悬浮固定组件，所述悬浮固定组件包括磁力内环与磁力外环，所述磁力内环套设于所述喷嘴主体上，所述磁力外环固定于所述壳体的内壁上且与所述磁力内环对应设置，所述磁力内环与所述磁力外环之间具有间隙。
7.根据权利要求1所述的冲量压差喷嘴，其特征在于：所述进流口为沿所述喷嘴主体的周向设置的多个筛孔。
8.一种油气水三相流量计量装置，其特征在于：包括气液分离器，所述气液分离器上具有第一出口与第二出口，所述第一出口处连通第一计量通路，所述第二出口处连通第二计量通路，所述第一计量通路上设有单向气体流量计，所述第二计量通路上沿流体流动方向依次设有第一三相混合密度计、如权利要求1-7任一项所述的冲量压差喷嘴和第二三相混合密度计。
9.根据权利要求8所述的油气水三相流量计量装置，其特征在于：所述第一三相混合密度计上设有压力传感器二，所述第一三相混合密度计与所述第二三相混合密度计之间设有压差传感器三。
10.一种利用权利要求9所述的油气水三相流量计量装置进行油气水三相流量的计量方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)多相混合流中油、气、水各相的份额αo1、αg1、αw1由如下方程组求解得到：
Figure FDA0002574919200000021
αo1+αw1+αg1＝1
Figure FDA0002574919200000022
其中，
Figure FDA0002574919200000023
为所述第一三相混合密度计示出的测量值；
Figure FDA0002574919200000024
为所述第二三相混合密度计示出的测量值；
ρg1为所述第一三相混合密度计中气相的密度，
Figure FDA0002574919200000025
ρg2为所述第二三相混合密度计中气相的密度，
Figure FDA0002574919200000026
其中，P1为所述压力传感器二上示出的压力值；ΔP12为所述压差传感器三上示出的压力值；Po为标准状态下的压力；to为绝对温度；ρg为标准状态下的气相密度；ρo为标准状态下的油相密度；ρw为标准状态下的水相密度；t1为多相流经所述第一三相混合密度计时的在线绝对温度；t2为多相流经所述第二三相混合密度计时的在线绝对温度；
(2)多相混合质量流量Qmix由如下方程求解得到：
Figure FDA0002574919200000031
其中，Mmix为多相混合质量；Vmix为多相混合流速度；F为所述冲量压差喷嘴的传感器一示出的冲量值；
Figure FDA0002574919200000032
为所述第一三相混合密度计示出的测量值；ΔP为所述喷嘴主体内进流口与出流口的差压；
(3)多相混合流中油、气、水各相的流量Qo、Qg、Qw由如下方程求解得到：
Qo＝αo1Qmix；Qg＝αg1Qmix；Qw＝αw1Qmix。
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