CN111323087B - 基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置及方法 - Google Patents

基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置及方法，装置包括进口管道、旋流器、文丘里喷嘴、中心引压管，文丘里喷嘴上游壁面引压管，文丘里喷嘴喉部壁面引压管及差压传感器。本发明还涉及使用该装置测量湿气中气相和液相的方法，首先利用旋流器将来流湿气的流型调制成强制环状流，再流经文丘里喷嘴；然后利用差压传感器测量强制环状流状态下的径向离心差压ΔPr和文丘里喷嘴上游与喉部之间的轴向节流差压ΔPz；最后根据建立的湿气虚高和液气质量流量比特性方程，利用迭代算法求得湿气流中气相质量流量Wg和液相质量流量Wl。本发明适用工业现场的天然湿气或湿蒸汽的测量，具有结构可靠、测量精度高、与测量流型无关、可实时测量等优点。

Description

基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置及方法
技术领域
本发明属于多相流流量测量技术领域，特别是涉及基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置及方法。
背景技术
在天然气的工业过程中，如采集、输送等，管道内常伴有凝析油、压裂返排液、注采水及地层水等液态介质。当液相为离散相，气相为连续相时，这种流动即为湿气流动状态。一般情况下，人们用气体体积含率(GVF)定义湿气，根据国家质量监督局出版的GB/Z335588，湿气被定义为“气相体积比大于95％的气液两相流”。由此可见，湿气属于多相流范畴，是一种气相体积含率较高的多相流形态。由于湿气中液相含率较低，且分布随机，加之气液之间存在速度滑移，使得气液含量的测量变得异常复杂。随着天然气工业的不断发展，对湿气测量精度的要求也越来越高。
按照测量方式的不同，目前湿气测量方式可分为两类，即分离式测量和不分离式测量。分离式测量是先用分离设备将湿气分离成单相气体和单相液体后，再通过正常的单相流量计进行测量，从而把气液两相流量的测量转为单相流量测量。分离式测量具有工作可靠、测量精度高、测量范围宽且不受气液两相流流型变化影响的优点，但分离设备体积庞大，价格昂贵，并需要建立专门的计量站和测试管线，增加了流量计的开发和使用成本。不分离式湿气测量是无需对气液进行分离，在不分离的情况下根据给出的测量模型对气液两相进行测量。优点是占用空间小、测量成本低，缺点是无法消除流型对测量结果的影响、测量模型中参数获取困难。
综上所述，现有的湿气气液不分离测量方法尽管装置体积小，但是不能消除流型影响，且过于依赖经验的多相测量模型，因此具有测量精度低、适用范围窄的缺点；而现有的气液分离后再测量的方法尽管测量精度较高，但是存在着分离器体积大、结构复杂、制造成本高、工艺及操作要求高、不便于井口安装的缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置和方法，采用旋流器对管内气液两相流进行旋流分离，液相在离心力的作用下被甩至管壁侧以液膜或液环的形式贴壁流动，而气相则以气核的形式在管道中心侧流动，形成强制环状流状态，通过差压传感器分别测量文丘里喷嘴轴向节流差压和入口处强制环状流状态下的径向离心差压，最后通过给出的气液计量模型计算气液相的流量。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置，包括进口管道、位于进口管道内部的旋流器、位于旋流器下游且与进口管道同轴心的文丘里喷嘴、位于旋流器和文丘里喷嘴之间的进口管道管壁上的中心引压管和文丘里喷嘴上游壁面引压管、位于进口管道管壁上并与文丘里喷嘴的喉部连通的文丘里喷嘴喉部壁面引压管、测量中心引压管和文丘里喷嘴上游壁面引压管之间的径向离心差压的差压传感器Ⅰ、测量文丘里喷嘴上游壁面引压管和文丘里喷嘴喉部壁面引压管之间的轴向节流差压的差压传感器Ⅱ。
进一步的，所述旋流器由四～八个螺旋叶片或直叶片圆周布置；叶片外缘与进口管道内壁紧密接触。
进一步的，所述旋流器与文丘里喷嘴之间的距离为1～2倍的进口管道内径。
进一步的，所述中心引压管为倒L型，且中心引压管进口开口方向朝向文丘里喷嘴方向，并且中心引压管进口的中心轴线与进口管道中心轴线重合。
进一步的，所述文丘里喷嘴上游壁面引压管进口中心轴线与中心引压管进口的端面相重合。
本发明的第二目的是提供基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：湿气来流由进口进入上述基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置，经旋流器作用，液相在管壁侧以液膜或液环的形式流动，而气相则汇集到管道中心侧以气核的形式流动，进而将湿气流型重整为强制环状流；
通过差压传感器Ⅰ测量中心引压管和文丘里喷嘴上游壁面引压管之间的径向离心差压ΔPr，通过差压传感器Ⅱ测量文丘里喷嘴上游壁面引压管和文丘里喷嘴喉部壁面引压管之间的轴向节流差压ΔPz。
步骤二：由公式
Figure GDA0003175397320000031
求得轴向节流差压与径向离心差压的比值M。
步骤三：由公式
Figure GDA0003175397320000032
求得湿气条件下气相流量的初始虚高Φ＝Φ0；其中a1＝0.8932，b1＝0.0376，c1＝1.2650，d1＝-0.0386，n1＝0.0086。
步骤四：由单相流体流过文丘里时的质量流量计算公式
Figure GDA0003175397320000033
及公式
Figure GDA0003175397320000034
得到气相质量流量Wg＝Wg0，式中Cd为流量系数，可由实际工况标定；ε为热膨胀系数；ρg为气相密度；β为节流比，喉部直径d与入口直径D之比。
步骤五：由气相弗劳德数的计算公式
Figure GDA0003175397320000035
得到弗劳德数Frg，式中，ρl为液相密度；g为重力加速度，D为入口管径。
步骤六：将气相弗劳德数Frg和步骤二计算的M数带入公式
Figure GDA0003175397320000036
求得湿气条件下气相的虚高Φ；式中a1＝0.8932，b1＝0.0376，c1＝1.2650，d1＝-0.0386，m1＝-1.6790，n1＝0.0086。
步骤七：重复步骤四计算气相质量流量Wg＝Wg1，若
Figure GDA0003175397320000037
时，则Wg＝Wg1，并由公式
Figure GDA0003175397320000038
求得液相质量流量Wl，其中a2＝-0.9537，b2＝0.2744，c2＝0.1602，d2＝0.0430，m2＝-0.0518，n2＝0.2756，终止计算程序；若
Figure GDA0003175397320000039
时，重复步骤五、六、七。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)消除了湿气流型对湿气测量结果的影响。在旋流器作用下，将不同流型的湿气来流都转变为液相贴壁流动、气相聚集在管中心流动的强制环状流，消除了流型波动对测量的影响。
(2)安装要求低。由于旋流器对湿气来流的整流作用，减小了对测量装置入口直管段长度的要求；装置进出口设置有法兰，安装简单便捷。
(3)整个测量装置结构简单，没有运动部件、工作可靠，生产和运行成本低；测量算法模型简单，所需变量少，可以实现对湿气的实时测量。
(4)测量精度高。在测量过程中借助差压传感器即可以实现气液两相流量的测量，由于差压传感器技术成熟，且差压测量精度高，因此湿气的测量精度高。
附图说明
图1为基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的剖视图，箭头方向为流体流动方向。
图2为图1中的旋流器示意图。
图3为本发明所提供的基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法流程图。
其中：进口管道1、旋流器2、文丘里喷嘴3、中心引压管4、中心引压管进口4.1、文丘里喷嘴上游壁面引压管5、文丘里喷嘴上游壁面引压管进口5.1、文丘里喷嘴喉部壁面引压管6、文丘里喷嘴喉部壁面引压管进口6.1、进口法兰7、出口法兰8、差压传感器Ⅰ9、差压传感器Ⅱ10。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本发明，但不对本发明的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明所述的一种基于环状流的文丘里天然气湿气测量装置，包括进口管道1、位于进口管道1内部的旋流器2、位于旋流器2下游且与进口管道1同轴心的文丘里喷嘴3、位于旋流器2和文丘里喷嘴3之间的进口管道1管壁上的中心引压管4和文丘里喷嘴上游壁面引压管5、位于进口管道1管壁上并与文丘里喷嘴3的喉部连通的文丘里喷嘴喉部壁面引压管6、测量中心引压管4和文丘里喷嘴上游壁面引压管5之间的径向离心差压的差压传感器Ⅰ9、测量文丘里喷嘴上游壁面引压管5和文丘里喷嘴喉部壁面引压管6之间的轴向节流差压的差压传感器Ⅱ10。进口管道1进出口分别连接进口法兰7和出口法兰8。
如图2所示，所述旋流器2由四～八个螺旋叶片或直叶片圆周布置；叶片外缘与进口管道1内壁紧密接触。所述旋流器2与文丘里喷嘴3之间的距离为1～2倍的进口管道1内径。
所述中心引压管4为倒L型，且中心引压管进口4.1开口方向朝向文丘里喷嘴3方向，并且中心引压管进口4.1的中心轴线与进口管道1中心轴线重合。所述文丘里喷嘴上游壁面引压管进口5.1中心轴线与中心引压管进口4.1的端面相重合。
湿气来流由进口进入湿气测量装置以后，首先流经旋流器2，在旋流器2的作用下，将随机分布的液相通过离心力的作用下甩至管壁侧，以液膜或液环的形式流动，而气相则汇集到管道中心侧以气核的形式流动，进而将湿气流型重整为强制环状流。强制环状流状态下的湿气流通过差压传感器Ⅰ9测量中心引压管4和文丘里喷嘴上游壁面引压管5之间的径向离心差压ΔPr；然后，强制环状流状态下的湿气再流经文丘里喷嘴，通过差压传感器Ⅱ10测量文丘里喷嘴上游壁面引压管5和文丘里喷嘴喉部壁面引压管6之间的轴向节流差压ΔPz；最后，湿气流流出文丘里喷嘴以后，由测量装置的出口流出。
参照图3基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法：
步骤一：湿气来流由进口进入上述基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置，经旋流器2作用，液相在管壁侧以液膜或液环的形式流动，而气相则汇集到管道中心侧以气核的形式流动，进而将湿气流型重整为强制环状流；
通过差压传感器Ⅰ9测量中心引压管4和文丘里喷嘴上游壁面引压管5之间的径向离心差压ΔPr，通过差压传感器Ⅱ10测量文丘里喷嘴上游壁面引压管5和文丘里喷嘴喉部壁面引压管6之间的轴向节流差压ΔPz。
步骤二：由公式
Figure GDA0003175397320000051
求得轴向节流差压与径向离心差压的比值M。
步骤三：由公式
Figure GDA0003175397320000052
求得湿气条件下气相流量的初始虚高Φ＝Φ0；其中a1＝0.8932，b1＝0.0376，c1＝1.2650，d1＝-0.0386，n1＝0.0086。
步骤四：由单相流体流过文丘里时的质量流量计算公式
Figure GDA0003175397320000061
及公式
Figure GDA0003175397320000062
得到气相质量流量Wg＝Wg0。式中Cd为流量系数，可由实际工况标定；ε为热膨胀系数；ρg为气相密度；β为节流比(喉部直径d与入口直径D之比)。
步骤五：由气相弗劳德数的计算公式
Figure GDA0003175397320000063
得到弗劳德数Frg。式中，ρl为液相密度；g为重力加速度，D为入口管径。
步骤六：将气相弗劳德数Frg和步骤二计算的M数带入公式
Figure GDA0003175397320000064
求得湿气条件下气相的虚高Φ；式中a1＝0.8932，b1＝0.0376，c1＝1.2650，d1＝-0.0386，m1＝-1.6790，n1＝0.0086。
步骤七：重复步骤四计算气相质量流量Wg＝Wg1，若
Figure GDA0003175397320000065
时，则Wg＝Wg1，并由公式
Figure GDA0003175397320000066
求得液相质量流量Wl，其中a2＝-0.9537，b2＝0.2744，c2＝0.1602，d2＝0.0430，m2＝-0.0518，n2＝0.2756，终止计算程序；若
Figure GDA0003175397320000067
时，重复步骤五、六、七。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，其特征在于，
所述基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置，包括进口管道(1)、位于进口管道(1)内部的旋流器(2)、位于旋流器(2)下游且与进口管道(1)同轴心的文丘里喷嘴(3)、位于旋流器(2)和文丘里喷嘴(3)之间的进口管道(1)管壁上的中心引压管(4)和文丘里喷嘴上游壁面引压管(5)、位于进口管道(1)管壁上并与文丘里喷嘴(3)的喉部连通的文丘里喷嘴喉部壁面引压管(6)、测量中心引压管(4)和文丘里喷嘴上游壁面引压管(5)之间的径向离心差压的差压传感器Ⅰ(9)、测量文丘里喷嘴上游壁面引压管(5)和文丘里喷嘴喉部壁面引压管(6)之间的轴向节流差压的差压传感器Ⅱ(10)；
所述基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤一：湿气来流由进口进入上述基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置，经旋流器(2)作用，液相在管壁侧以液膜或液环的形式流动，而气相则汇集到管道中心侧以气核的形式流动，进而将湿气流型重整为强制环状流；
通过差压传感器Ⅰ(9)测量中心引压管(4)和文丘里喷嘴上游壁面引压管(5)之间的径向离心差压ΔPr，通过差压传感器Ⅱ(10)测量文丘里喷嘴上游壁面引压管(5)和文丘里喷嘴喉部壁面引压管(6)之间的轴向节流差压ΔPz；
步骤二：由公式
Figure FDA0003175397310000011
求得轴向节流差压与径向离心差压的比值M；
步骤三：由公式
Figure FDA0003175397310000012
求得湿气条件下气相流量的初始虚高Φ＝Φ0；其中a1＝0.8932，b1＝0.0376，c1＝1.2650，d1＝-0.0386，n1＝0.0086；
步骤四：由单相流体流过文丘里时的质量流量计算公式
Figure FDA0003175397310000013
及公式
Figure FDA0003175397310000014
得到气相质量流量Wg＝Wg0；式中Cd为流量系数，可由实际工况标定；ε为热膨胀系数；ρg为气相密度；β为节流比，喉部直径d与入口直径D之比；
步骤五：由气相弗劳德数的计算公式
Figure FDA0003175397310000021
得到弗劳德数Frg；式中，ρl为液相密度；g为重力加速度，D为入口管径；
步骤六：将气相弗劳德数Frg和步骤二计算的M数带入公式
Figure FDA0003175397310000022
求得湿气条件下气相的虚高Φ；式中a1＝0.8932，b1＝0.0376，c1＝1.2650，d1＝-0.0386，m1＝-1.6790，n1＝0.0086；
步骤七：重复步骤四计算气相质量流量Wg＝Wg1，若
Figure FDA0003175397310000023
时，则Wg＝Wg1，并由公式
Figure FDA0003175397310000024
求得液相质量流量Wl，其中a2＝-0.9537，b2＝0.2744，c2＝0.1602，d2＝0.0430，m2＝-0.0518，n2＝0.2756，终止计算程序；若
Figure FDA0003175397310000025
时，重复步骤五、六、七。
2.根据权利要求1所述的基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，其特征在于，所述旋流器(2)由四～八个螺旋叶片或直叶片圆周布置；叶片外缘与进口管道(1)内壁紧密接触。
3.根据权利要求1或2所述的基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，其特征在于，所述旋流器(2)与文丘里喷嘴(3)之间的距离为1～2倍的进口管道(1)内径。
4.根据权利要求1所述的基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，其特征在于，所述中心引压管(4)为倒L型，且中心引压管进口(4.1)开口方向朝向文丘里喷嘴(3)方向，并且中心引压管进口(4.1)的中心轴线与进口管道(1)中心轴线重合。
5.根据权利要求1所述的基于强制环状流技术的湿气流量实时测量装置的测量方法，其特征在于，所述文丘里喷嘴上游壁面引压管进口(5.1)中心轴线与中心引压管进口(4.1)的端面相重合。
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