CN116412866A - 一种气液两相流测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气液两相流测量系统及测量方法所述超声波流量计以及所述容积式流量计按顺序依次设置在所述第一管道上；所述超声波流量计上设有压力测量单元；所述超声波流量计与所述容积式流量计之间设有温度测量单元；所述超声波流量计用于测量一定时间内通过的流体的流量值；所述容积式流量计用于测量一定时间内通过的流体的流量值。本发明的有益效果为通过在第一管道内同时增加超声波流量计与容积式流量计，分别测量管道内的气液两相流的流量，并通过管道内的流体的计算关系，计算出气相流量值与液相流量值，实现了在未分离气液两相流的情况下，对气相流量值以及液相流量值进行实时在线检测的过程。
Description
技术领域
本发明涉及气液两相流测量技术领域，具体而言，涉及一种气液两相流测量系统及测量方法。
背景技术
气液两相流是指在管道流体流动过程中有两个不同的相，分别是气相和液相，由于气液两相均为流体，两相间具有可变形的界面，气相为可压缩流体、液相为不可压缩流体，气液两相的物理、化学性质存在较大差异，且气液两相之间存在速度滑移，因而流动过程非常的复杂。国内外关于这类流动的研究甚多，但由于难度较大，一直发展不快。气液两相流普遍的存在于石油天然气工业上游领域的生产过程中，如天然气井口产出的天然气都是含有水的湿天然气，为了满足工业现场生产的应用要求，需要对井口产出的气液混合流体进行准确的计量。
目前，在石油天然气工业中对湿气及气液两相流的测量主要是分离法，即采用分离器将气液两相流分离为气相和液相，再分别采用单相仪表进行测量，设备庞大，工艺流程复杂，成本高昂，且需要专人维护，大多数时候都是分时轮换计量，无法实现连续在线计量。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中，对气液两相流进行测量，将气液两相流进行分离测量，无法实现对传输的流体体积进行连续在线测量，目的在于提供一种气液两相流测量系统及测量方法，实现了直接对流过的流体体积进行在线实时测量。
本发明通过下述技术方案实现：
一种气液两相流测量系统，包括第一管道、超声波流量计以及容积式流量计，所述超声波流量计以及所述容积式流量计按顺序依次设置在所述第一管道上；所述超声波流量计与所述容积式流量计之间还设有压力测量单元以及温度测量单元，且所述压力测量单元、所述温度测量单元依次设置在所述第一管道上；
所述超声波流量计用于测量一定时间内通过的流体的流量值；
所述容积式流量计用于测量一定时间内通过的流体的流量值。
传统地在对气液两相流的流体流量进行测量的时候，往往再用的是分离法，将气相流体与液相流体分开，在分别采用单相仪表分别对获得的气相流体与液相流体进行测量，但是在采用这种方法对气液两相流进行测量的时候，采用的设备比较庞大，且需要操作人员对设备进行维护，且对流体进行测量的时候，只能是分时轮换计量来实现，无法对输出的流体流量进行在线的实时计量，本发明提供了一种气液两相流测量系统，通过在第一管道内同时增加超声波流量计与容积式流量计，分别测量管道内的气液两相流的流量，并通过管道内的流体的计算关系，计算出气相流量值与液相流量值，实现了在未分离气液两相流的情况下，对气相流量值以及液相流量值进行实时在线检测的过程。
优选地，所述系统还包括除砂器与过滤器，所述除砂器输出端与所述过滤器输入端连接，所述过滤器输出端与所述第一管道连接。
在系统中增加除砂器与过滤器，用于对输出的气体进行杂质过滤，增加了对气液两相流流量值计算的准确性。
优选地，所述超声波流量计镶嵌入所述第一管道内设置，且所述超声波流量计镶嵌入所述第一管道内的长度范围为：
d为所述第一管道的直径长度。
优选地，所述超声波流量计为对射式超声流量计，且所述对射式超声流量计采用竖直向上的流动方向或竖直向下的流动方向进行安装。
优选地，所述的容积式流量计为罗茨流量计或刮板流量计或往复活塞流量计。
优选地，所述温度测量单元为温度传感器，所述压力测量单元为压力传感器。
本发明还提供了一种气液两相流测量方法，采用如上所述的测量系统进行测量，方法步骤包括：
S1：通过所述容积式流量计测量一定时间内流过的流体流量值V1；
S2：通过所述超声波流量计测量在一定时间内，流过的流体流量值V2；
S3：通过所述温度测量单元测量在所述第一管道内的温度值，以及通过所述压力测量单元测量在所述第一管道内的压力值，并基于参数温度值与压力值，计算气液流速的滑速比s；
S4：基于参数V1、V2、s，计算获气相流体流量值Va与液相流体流量值Vg。
优选地，所述步骤S3的子步骤包括：
通过所述温度测量单元测量在所述第一管道内的温度值，以及通过所述压力测量单元测量在所述第一管道内的压力值；
基于参数温度值与参数压力值，采用气体状态方程进行计算，获得气相流体密度ρg，采用液体密度计测量液相流体密度ρl；；
基于参数ρg、ρl，计算获得滑速比s。
优选地，所述液相流体流量值Vg具体表达式与气相流体流量值Va具体表达式分别为：
优选地，所述滑速比s具体表达式为：
α为固定系数。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明提供的一种气液两相流测量系统及测量方法，利用容积式流量计对气液两相流的总体积进行测量，利用超声流量计对气液两相流中的气相流速以及表观流量进行测量，利用温度和压力测量单元对气液两相流体的温度和压力进行测量，实现对气液两相流体中气相流体的密度测量。通过气液两相流中气体密度和液体密度的分析，对气体和液体的流速差进行测算，综合容积式流量计和超声流量计的测量结果，实现对气相和液相流量的测量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为测量系统示意图
图2为超声波流量计示意图
图3为测量方法示意图
图4为两个流量计设置的具体示意图
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
实施例一
本实施例提供了一种气液两相流测量系统，在本实施例提供的技术方案中，不需要对湿天然气两相流进行分离，根据超声流量计和容积式流量计4测量结果的分析推导计算出气液两相流混合物中气体和液体的分相流量；利用容积式流量计4对气液两相流的总体积进行测量，利用超声流量计对气液两相流中的气相流速以及表观流量进行测量，利用温度和压力测量单元6对气液两相流体的温度和压力进行测量，实现对气液两相流体中气相流体的密度测量。通过气液两相流中气体密度和液体密度的分析，对气体和液体的流速差进行测算，综合容积式流量计4和超声流量计的测量结果，实现对气相流量以及液相流量的测量。
如图1与图4所示，设置的测量系统包括第一管道7、超声波流量计3以及容积式流量计4，所述超声波流量计3以及所述容积式流量计4按顺序依次设置在所述第一管道7上；所述超声波流量计3上设有压力测量单元6；所述超声波流量计3与所述容积式流量计4之间设有温度测量单元5；所述超声波流量计3用于测量一定时间内通过的流体的流量值；所述容积式流量计4用于测量一定时间内通过的流体的流量值。
在第一管道7内设置的超声波流量计3以及容积式流量计4，设置的超声波流量计3可以用来测量流体流过超声波流量计3的流量值，设置的容积式流量计4可以用来测量流过容积式流量计4的流量值，并且根据获得的流量值进行计算。
在本实施例中，将第一管道7内设置压力测量单元6，采用压力传感器来对第一管道7内的压力值的大小进行检测，将温度测量单元5设置为温度传感器，用来测量第一管道7内的实时温度，当操作人员可以通过实时测量获得的压力值与温度值，分别采用气体状态方程以及液体状态方法计算，获得相应的气相流体的密度ρg以及液相流体的密度ρl，在根据获得的密度来计算气液两相流的滑速比s。
在本实施例中，在设置的超声波流量计3前，系统还包括除砂器1与过滤器2，所述除砂器1输出端与所述过滤器2输入端连接，所述过滤器2输出端与所述第一管道7连接，在工业中，直接获得的气液两相流，包含一定的固体杂质，因此为了使得气液两相流的流量值计算的更准确，就需要对这些固定杂质进行滤除，能够使得最终计算出来的结果更准确。
所述超声波流量计镶嵌入所述第一管道内设置，且所述超声波流量计镶嵌入所述第一管道内的长度范围为：
d为所述第一管道的直径长度，将超声波流量计嵌入第一管道内壁一定距离进行设置，能够实现对第一管道内的流量进行测算。
在本实施例中，将超声波流量计3设置为对射式超声流量计，但是本实施例对具体设置的超声波流量计3不做具体的限制，且所述对射式超声流量计采用竖直向上的流动方向或竖直向下的流动方向进行安装。
在本实施例中，所述的容积式流量计4为罗茨流量计或刮板流量计或往复活塞流量计，但是本实施例不对具体设置的流量计做限制。
具体实现测量的原理：
容积式流量计4的测量原理是采用定排量的方法，利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个的已知体积,并重复不断地进行充满和排放该体积部分的流体而累加计量出流体总量的流量。因此，容积式流量计4可以实现对气液两相总体积的准确测量。
当气液两相流流过容积式流量计时，可得到式(1)，其中Va为气液两相流体中液相体积流量、Vg为气液两相流中气相的体积流量、V1为容积式流量计体积流量测量值
Va+Vg＝V1(1)
当气液两相流流过超声流量计时，如下图所示，气液两相流在竖直管道中呈现环状流状态，即气体在管道中心流动，液体在管道四周流动，气体的流速为ug，气体的流通面积为Ag，液体的流速为ua，液体的流通面积为Aa，管道的流通面积为A，根据流量与流速的关系，有如下关系式
ug*Ag＝Vg (2)
ua*Aa＝Va (3)
Aa+Ag＝A (4)
如图2所示，超声流量计的基本测量原理是利用超声在管道中正反行程的传播速度差，对流体的流速进行测量，并通过测量得到的流速，并利用管道的流通面积得到管道中流体的流量，超声波流量计用于气液两相流测量时仍然可准确的测量气液两相流中气相流体的流速，同时对于超声波流量计而言其管道流通面积是固定的，即为管道的流通面积A，此时超声波流量计的体积测量值V2有如下关系；
V2＝ug*A (5)
将式(4)带入式(5)中，可得
V2＝ug*(Ag+Aa)＝ug*Ag+ug*Aa (6)
在气液两相流的研究中，有气液流速滑速比s的概念，滑速比s定义为气相流速与液相流速之比，其定义如下式(7)所示
s＝ug/ua (7)
由气液滑速比的定义式(7)，可得
ug＝ua*s (8)
将(8)式带入(6)式，可得
V2＝ug*(Ag+Aa)＝ug*Ag+s*ua*Aa (9)
将(3)、(4)式的关系带入到(9)式中整理，可得
V2＝ug*(Ag+Aa)＝ug*Ag+s*ua*Aa＝Vg+s*Va (10)
利用式(10)和式(1)两个关系式可得气体的流量Vg和液体的流体Vl分别如下式所示
根据研究，气液两相流速滑速比s主要与气相和液相的密度相关，在典型的测量范围内有如下近似关系：
α为待定系数，需要通过实验进行测定；ρg为气相流体密度，ρl为液相流体密度。对于本测量系统而言，液体密度为已知量，通过定期取样离线测定后，作为参数提供给本系统。液体密度的测量方法典型的可采用液体密度计进行测量。
V1为容积式流量计体积流量测量值，V2为超声流量计体积流量测量值，P为压力单元压力测量值，T为温度测量单元温度测量值，ρg为气液两相流中气相流体密度，ρl为气液两相流中液相流体密度，ug为管道中气相流体流速，ul为管道中液相流体流速。
气相流体的密度ρg利用气相组分信息和压力温度测量单元测得的温度和压力，通过气体状态方程进行计算，液相流体的密度由ρl通过取样等手段提前测得。因此，通过前期实验测定并建立气液滑速比与气液密度比之间的函数关系，通过容积式流量计4与超声流量计相互组合，即可实现对气液两相流中气相与液相流体的流量测量。
本实施例公开的一种气液两相流测量系统，利用容积式流量计4对气液两相流的总体积进行测量，利用超声流量计对气液两相流中的气相流速以及表观流量进行测量，利用温度和压力测量单元6对气液两相流体的温度和压力进行测量，实现对气液两相流体中气相流体的密度测量。通过气液两相流中气体密度和液体密度的分析，对气体和液体的流速差进行测算，综合容积式流量计4和超声流量计的测量结果，实现对气相和液相流量的测量。
实施例二
本实施例公开了一种气液两相流测量方法，如图3所示，本实施例采用的是实施例一中的测量系统进行测量，本实施例中，方法计算的原理与实施例一中计算的原理相同，方法步骤包括：
S1：通过所述容积式流量计测量一定时间内流过的流体流量值V1；
S2：通过所述超声波流量计测量在一定时间内，流过的流体流量值V2；
S3：通过所述温度测量单元测量在所述第一管道内的温度值，以及通过所述压力测量单元测量在所述第一管道内的压力值，并基于参数温度值与压力值，计算气液流速的滑速比s；
所述步骤S3的子步骤包括：
通过所述温度测量单元测量在所述第一管道内的温度值，以及通过所述压力测量单元测量在所述第一管道内的压力值；
基于参数温度值与参数压力值，采用气体状态方程进行计算，获得气相流体密度ρg以及液相流体密度ρl；
基于参数ρg、ρl，计算获得滑速比s。
S4：基于参数V1、V2、s，计算获气相流体流量值Va与液相流体流量值Vg。
所述液相流体流量值Vg具体表达式与气相流体流量值Va具体表达式分别为：
所述滑速比s具体表达式为：
α为固定系数。
V1为容积式流量计体积流量测量值，V2为超声流量计体积流量测量值，P为压力单元压力测量值，T为温度测量单元温度测量值，ρg为气液两相流中气相流体密度，ρl为气液两相流中液相流体密度，ug为管道中气相流体流速，ul为管道中液相流体流速。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气液两相流测量系统，其特征在于，包括第一管道(7)、超声波流量计(3)以及容积式流量计(4)，所述超声波流量计(3)以及所述容积式流量计(4)按顺序依次设置在所述第一管道(7)上；所述超声波流量计(3)与所述容积式流量计(4)之间还设有压力测量单元(6)以及温度测量单元(5)，且所述压力测量单元(6)、所述温度测量单元(5)依次设置在所述第一管道(7)上；
所述超声波流量计(3)用于测量一定时间内通过的流体的流量值；
所述容积式流量计(4)用于测量一定时间内通过的流体的流量值。
2.根据权利要求1所述的一种气液两相流测量系统，其特征在于，所述系统还包括除砂器(1)与过滤器(2)，所述除砂器(1)输出端与所述过滤器(2)输入端连接，所述过滤器(2)输出端与所述第一管道(7)连接。
3.根据权利要求2所述的一种气液两相流测量系统，其特征在于，所述超声波流量计(3)镶嵌入所述第一管道(7)内设置，且所述超声波流量计(3)镶嵌入所述第一管道(7)内的长度范围为：
d为所述第一管道(1)的直径长度。
4.根据权利要求2所述的一种气液两相流测量系统，其特征在于，所述超声波流量计(3)为对射式超声流量计，且所述对射式超声流量计采用竖直向上的流动方向或竖直向下的流动方向进行安装。
5.根据权利要求4所述的一种气液两相流测量系统，其特征在于，所述的容积式流量计(4)为罗茨流量计或刮板流量计或往复活塞流量计。
6.根据权利要求4所述的一种气液两相流测量系统，其特征在于，所述温度测量单元(5)为温度传感器，所述压力测量单元(6)为压力传感器。
7.一种气液两相流测量方法，其特征在于，采用如权利要求1～6任一所述的测量系统进行测量，方法步骤包括：
S1：通过所述容积式流量计(4)测量一定时间内流过的流体流量值V1；
S2：通过所述超声波流量计测量(3)在一定时间内，流过的流体流量值V2；
S3：通过所述温度测量单元测量(5)在所述第一管道(1)内的温度值，以及通过所述压力测量单元测量(6)在所述第一管道(1)内的压力值，并基于参数温度值与压力值，计算气液流速的滑速比s；
S4：基于参数V1、V2、s，计算获气相流体流量值Va与液相流体流量值Vg。
8.根据权利要求7所述的一种气液两相流测量方法，其特征在于，所述步骤S3的子步骤包括：
通过所述温度测量单元测量(5)在所述第一管道(1)内的温度值，以及通过所述压力测量单元(6)测量在所述第一管道(1)内的压力值；
基于参数温度值与参数压力值，采用气体状态方程进行计算，获得气相流体密度ρg，采用液体密度计测量液相流体密度ρl；
基于参数ρg、ρl，计算获得滑速比s。
9.根据权利要求8所述的一种气液两相流测量方法，其特征在于，所述液相流体流量值Vg具体表达式与气相流体流量值Va具体表达式分别为：
10.根据权利要求8所述的一种气液两相流测量方法，其特征在于，所述滑速比s具体表达式为：
α为固定系数。
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