CN116772948A - 应用于超临界流体的组合式流量计及流量测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于超临界流体的组合式流量计及流量测量方法，包括：流体流入管、质量流量计、差压变送器和流体流出管；流体流入管和所述流体流出管分别设于所述质量流量计的两端；所述差压变送器的上游取压点位于所述流体流入管，所述差压变送器的下游取压点位于所述流体流出管；所述质量流量计的流入端的直径小于所述流体流入管的流入端的直径。本发明达到了由质量流量计作为差压变送器测量中的节流部件，由差压变送器测得差压值，同时由质量流量计直接测得流体的密度，差压变送器测得的差压值可结合质量流量计测得的密度至进行修正的目的，从而实现了在对密度不稳定的流体流量进行测量的过程中，能够获得准确的流体流量的技术效果。

Description

应用于超临界流体的组合式流量计及流量测量方法

技术领域

本发明涉及流体测量技术领域，具体而言，涉及一种应用于超临界流体的组合式流量计及流量测量方法。

背景技术

目前，我国的超临界流体理论研究及应用技术处于全球领先地位。超临界流体作为替代工质的潜力将得到更为充分地释放。鉴于超临界流体的独特性，要对其实现准确的、可溯源的流量测量仍是难题。

目前，针对超临界流体的流量测量需求，国内外科研单位尝试采用差压式流量计进行测量。但在实验中发现，由于超临界介质存在非线性压缩特性，其密度随介质压力和温度而变化，因此，无法在测量中保持相对稳定的密度值，致使常规差压式流量计在测量超临界流体时产生很大误差。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种应用于超临界流体的组合式流量计，以解决相关技术中由于超临界流体的密度随介质压力和温度而变化，导致使用差压式流量计不能准确测量超临界流体的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种应用于超临界流体的组合式流量计，该组合式流量计包括：流体流入管、质量流量计、差压变送器和流体流出管；其中，

所述流体流入管和所述流体流出管分别设于所述质量流量计的两端；

所述差压变送器的上游取压点位于所述流体流入管，所述差压变送器的下游取压点位于所述流体流出管；

所述流体流入管包括沿流体流动方向依次设置的缩径段和第一直段，所述缩径段设置为锥形，所述第一直段的第一端与所述缩径段的小径端连接，其第二端与所述质量流量计连接；

所述流体流入管与所述质量流量计的第一端通过第一连接件连接或焊接，所述流体流出管与所述质量流量计的第二端通过第二连接件连接或焊接。

进一步的，流体流出管包括沿流体流动方向依次设置的第二直段和扩径段，所述第二直段的第一端与所述质量流量计连接，其第二端与所述扩径段的小径端连接。

进一步的，差压变送器的上游取压点位于所述缩径段上。

进一步的，差压变送器的下游取压点位于所述第二直段上，下游取压点至所述质量流量计的下游端面的距离为(1×D2)-(2×D2)之间；

所述D2为第一直段的直径。

进一步的，上游取压点位于所述缩径段的斜面长度的1/3-2/3处。

进一步的，上游取压点位于所述缩径段的斜面长度的1/2处。

进一步的，上游取压点至所述质量流量计的上游端面的距离为(2×D2)-(4×D2)之间。

进一步的，上游取压点至所述质量流量计的上游端面的距离为(3×D2)

进一步的，下游取压点至所述质量流量计的下游端面的距离为(1.5×D2)。

进一步的，所述第二直段的长度在(1.5×D2)-(3×D2)之间，所述第一直段的长度为(1×D2)-(2×D2)之间。

进一步的，缩径段的缩进比大于0.67。

进一步的，缩径段的缩进比为0.7。

进一步的，第一连接件和所述第二连接件设置为法兰盘。

根据本发明的另一方面，提供一种应用于超临界流体的流量测量方法，采用上述的组合式流量计，以及包括如下步骤：

流体由流体流入管流入，经过质量流量计后从流体流出管流出；

由质量流量计获取实时流体密度，由差压变送器获取质量流量计两端的差压值和流体压力；

基于所述实时流体密度、所述差压值测得流体流量。

在本发明实施例中，通过设置流体流入管、质量流量计、差压变送器和流体流出管；其中，所述流体流入管和所述流体流出管分别设于所述质量流量计的两端；所述差压变送器的上游取压点位于所述流体流入管，所述差压变送器的下游取压点位于所述流体流出管；所述质量流量计的流入端的直径小于所述流体流入管的流入端的直径，达到了由质量流量计作为差压变送器测量中的节流部件，由差压变送器测得差压值，同时由质量流量计直接测得流体的密度，差压变送器测得的差压值可结合质量流量计测得的密度至进行修正的目的，从而实现了在对密度不稳定的流体流量进行测量的过程中，能够获得准确的流体流量的技术效果，进而解决了相关技术中由于超临界流体的密度随介质压力和温度而变化，导致使用差压式流量计不能准确测量超临界流体的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，使得本发明的其它特征、目的和优点变得更明显。本发明的示意性实施例附图及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据本发明实施例的结构示意图；

其中，1质量流量计，2差压变送器，3流体流入管，31缩径段，32第一直段，33第三直段，4流体流出管，41第二直段，42扩径段，43第四直段。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。

在本发明中，术语“上”、“下”、“内”、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。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

此外，术语“设置”、“设有”、“连接”、“固定”等应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

针对超临界流体的流量测量需求，尝试采用差压式流量计进行测量。但在实验中发现，由于超临界介质具有非线性压缩特性，其密度随介质压力和温度而变化，因此，无法在测量中保持相对稳定的密度值，致使差压式流量计不能准确测量超临界流体。

为解决上述技术问题，如图1所示，本发明实施例提供了一种应用于超临界流体的组合式流量计，该组合式流量计包括：流体流入管3、质量流量计1、差压变送器2和流体流出管4；其中，

流体流入管3和流体流出管4分别设于质量流量计1的两端；

差压变送器2的上游取压点位于流体流入管3，差压变送器2的下游取压点位于流体流出管4；

质量流量计1的流入端的直径小于流体流入管3的流入端的直径。

在本实施例中，将质量流量计1和差压变送器2进行组合来对超界流体进行流量的测量。质量流量计1在单独实现对流体的流量和密度进行测量的同时也作为差压变送器2测量体系中的节流件，因此质量流量计1安装在差压变送器2的上游取压点和下游取压点之间。为使质量流量计1具有节流效果，本实施例中在质量流量计1的流体流入端连接有流体流入管3，并且使得流体流入管3的流入段的直径大于质量流量计1的流入段的直径。因此流体在通过流体流入管3流入质量流量计1的过程中，流体压力会增加，从而有利于增加质量流量计1两端的差压值，进而有利于差压变送器2对流体差压值的测量。在此基础上，本实施例中将差压变送器2的上游取压点布置在流体流入管3上，为便于差压变送器2的下游取压点的布置，本实施例中在质量流量计1的流体流出端连接有流体流出管4，差压变送器2的下游取压点布置在流体流出管4上。

流体流入管3和质量流量计1之间可通过第一连接件连接或直接焊接，同理流体流出管4和质量流量计1之间也可通过第二连接件连接或直接焊接。质量流量计1可选用科里奥利质量流量计，第一连接件和第二连接件均可设置为法兰盘。

本实施例中将差压变送器2和质量流量计1进行结合，由质量流量计1作为差压变送器2测量中的节流件，利用差压变送器2能够测导上游取压点和下游取压点之间的差压值(流体通过质量流量计1的差压值)，同时利用质量流量计1直接测得通过质量流量计1的流体的实时密度，差压变送器2测得的差压值能够结合质量流量计1测得的实时密度进行修正，从而获取准确的超临界流体流量。

质量流量计1能够作为差压变送器2测量体系中的节流件的关键在于质量流量计1的流入端的直径需要小于流体流入管3的流入端的直径，换言之，需要对流体流入管3的内部结构进行改进，使其两端具有直径差。其中一种调整方式在流体流入管3内设置台阶型的结构，使得流体流入管3靠近质量流量计1的一端的直径减小。另一种调整方式为在流体流入管3内设置锥形的缩径结构，同样可使得流体流入管3靠近质量流量计1的一端的直径减小。由于台阶型的结构在流体流入时容易因直接碰撞而产生湍流，导致流体的流速场变化不稳定。因此，优选为在流体流入管3内设置锥形的缩径结构来实现上述目的。

具体的，在本实施例中，如图1所示，流体流入管3包括沿流体流动方向依次设置的缩径段31和第一直段32，第一直段32的第一端与缩径段31的小径端连接，其第二端与质量流量计1连接。

第一直段32的直径与缩径段31的小径端的直径相同，并且可与质量流量计1的流入端直径相同，流体在流入流体流入管3内后通过缩径段31压力增加，在流至第一直段32时压力达到最大值。由于第一直段32具有一定的长度，因此在流体在流经第一直段32后的流速场能够趋于稳定，从而能够减小流体在流经缩径段31后的流速场变化对质量流量计1测量精度的影响。具体的，第一直段32的长度L2为(1×D2)-(2×D2)之间，优选为为1.5×D2，D2为第一直段32的直径。

为使差压变送器2能够更好的对流体的差压进行测量，流体流入管3和流体流出管4能够大致组成文丘里管，因此相应的在本实施例中流体流出管4包括沿流体流动方向依次设置的第二直段41和扩径段42，第二直段41的第一端与质量流量计1连接，其第二端与扩径段42的小径端连接。流体在经过质量流量计1后流入第二直段41，然后再流入扩径段42，流体在经过扩径段42时压力减小。扩径段42整体呈直径沿流体流动方向逐渐增大的锥形，缩径段31的锥角α≈22°，扩径段42的锥角β≈12°。

可以理解的是，在本实施例中流体流入管3除了包括缩径段31和第一直段32以外还包括一定长度的第三直段33，第三直段33连接在缩径段31的大径端且与大径端的直径相同。对应的，流体流出管4除了包括第二直段41和扩径段42以外还包括第四直段43，第四直段43连接在扩径段42的大径端。

为使差压变送器2能够更好的测量差压值，差压变送器2的取压点需要位于整个测量计中差压相对较大的位置。换言之，差压变送器2的上游取压点需要位于流体流入管3上压力较大的位置，而下游取压点则需要位于流体流出管4上压力较小的位置。在本实施例中流体压力相对较大的位置为第一直段32，其次为缩径段31。由于第一直段32连接在缩径段31的小径端，第一直段32的直径较小，流体的压力较大，流体在流动时产生的流速场波动较大，导致差压变送器2在测量时容易产生噪点，影响测量精度。为此，差压变送器2的上游取压点优选为位于缩径段31上。在缩径段31上流体的压力虽不及第一直段32内流体的压力，但是较为稳定，且能够满足差压变送器2的测量要求。

而在流体流出管4上，流体压力较小的位置为第二直段41上且与质量流量计1的下游端面之间具有一定距离的区域，在该区域内流体产生涡流，流速加快，因此压力较小。而在扩径段42内，仅中部的流体压力较小，边缘的流体压力依然较大。并且，在此基础上还需要考虑到由于差压变送器2的下游取压点位于流体流出管4上，而流体流出管4连接在质量流量计1的流出端。因此流体在流经质量流量计1后的流速场不均匀性也会对下游取压点的测量产生影响。

在综合考虑上述两个问题后，本实施例中差压变送器2的下游取压点布置在第二直段41上且至质量流量计1的下游端面的距离L3为(1×D2)-(2×D2)之间，D2为第二直段41和第一直段32的直径。同时由于下游取压点距离质量流量计1的下游端面一定的距离，因此可以减少流体经过质量流量计1后的流速场变化对下游取压点的压力测量的影响。在本实施例中，下游取压点的优选距离为大约为(1.5×D2)。进一步的，第二直段41的长度L4在(1.5×D2)-(3×D2)之间，从而可以进一步降低流体流经质量流量计1后的流速场不均匀性对下游取压点的测量影响。

本实施例通过对下游取压点的选择能够保证流体具有足够的差压的同时可以降低流体流经质量流量计1后的流速场不均匀性对下游取压点的测量影响，提高测量的精准性。

由于上游取压点位于缩径段31上，流体在经过缩径段31时压力逐渐增大，因此缩径段31上远离第一直段32的一端压力较小，而靠近第一直段32的一端压力虽然较大，但是稳定性较差，因此上游取压点在缩径段31上的位置选取需要同时考虑该位置下的流体压力和稳定性。因此，本实施例中选择上游取压点位于缩径段31的斜面长度的1/3-2/3处，在该区域内流体的压力和稳定性能够满足差压变送器2的测量需求。更为优选的，上游取压点位于缩径段31的斜面长度的1/2处，即上游取压点位于缩径段31的斜面的中部。

由于本实施例中的组合流量计包括差压变送器2和质量流量计1，因此差压变送器2的上游取压点和第一直段32的长度也会影响质量流量计1的测量精度。

为此，在本实施例中上游取压点至质量流量计1的上游端面的距离L1为(2×D2)-(4×D2)之间，优选距离为(3×D2)。而第一直段32L2的长度为(1×D2)-(2×D2)之间，优选为(1.5×D2)。通过该设置可以减少流体缩径后的流速场变化对质量流量计1测量精度的影响。

在本实施例中，质量流量计1优选为直管型规格。由于质量流量计1需要起到节流件的作用，因此连接在质量流量计1的流入端的流体流入管3内需要进行缩径。而缩径比除了会影响流体的压力变化以外还会影响流体的雷诺数，并且缩径比也会影响到质量流量计1的最佳精度量程。同时由于差压变送器2的取压点位于质量流量计1的两端，而流体在流经质量流量计1后会存在压降，因此需要考虑缩径比在压紧中的影响。

首先，基于质量流量计1的最佳精度量程进行考虑，以科里奥利质量流量计1为例，在满量程的(25～75)％的范围内测量精度最佳。

其次，基于缩径后会增加雷诺数进行考虑，如下公式：

其中，L为特征长度(圆管中为直径d)；V为特征流速；μ为流体的动力黏滞系数；ν为流体的运动黏滞系数，ν＝μ/ρ。

在流量不变的情况下，流速V与直径d的平方成反比，即V∝1/d²，则

一般情况下，超临界流体的雷诺数在50000左右，已经属于湍流区，极易产生流体状态的改变，若雷诺数再大幅提高，则会因流体噪声影响而显著降低科里奥利质量流量计1的测量精度。因此，最多允许雷诺数升高1.5倍，即缩径比须大于0.67。

最后，基于质量流量计1存在压降进行考虑，以科里奥利质量流量计1为例，通常为50％满量程流量下的压损为0.1MPa，雷诺数约为40000。因此，考虑到科里奥利质量流量计1压损对差压流量计测量的影响，在满足流量需求的前提下，应增大缩径比。

综合上述内容，选取的缩径段31的小径端D2和大径端D1的比值(缩进比)≈0.7。

根据本发明的另一方面，提供一种应用于超临界流体的流量测量方法，采用上述的组合式流量计，以及包括如下步骤：

流体由流体流入管3流入，经过质量流量计1后从流体流出管4流出；

由质量流量计1获取实时流体密度，由差压变送器2获取质量流量计1两端的差压值和流体压力；

基于实时流体密度、差压值测得流体流量。

在此基础上，质量流量计1还可直接获取流体的流量，在根据实时流体密度、差压值和流体压力算得流体流量后能够和质量流量计1直接测得的流量进行对比，能够进一步提高超临界流体流量测量的精准性。

具体的，流体流量q₁可根据如下公式计算：

其中，

c：差压变送器2的流出系数，可对测量采用的差压变送器2进行实验室标定以后得到；

β：缩径段31的小径端D2和大径端D1的比值(缩进比)；

ε：可膨胀系数，可通过查表确定；

由于管道在压力下会有变形，不同的管壁材料、厚度和流体压力范围会导致管道具有不同的可膨胀系数，可基于测量采用的流体流入管3和流体流出管4的材料参数确定；

A：小径端D2的面积；

△p：节流件前后差压值，由差压变送器2测得；

ρ1：工况下流体密度，由质量流量计1测得。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，包括：流体流入管、质量流量计、差压变送器和流体流出管；其中，

所述流体流入管和所述流体流出管分别设于所述质量流量计的两端；所述差压变送器的上游取压点位于所述流体流入管，所述差压变送器的下游取压点位于所述流体流出管；

所述流体流入管包括沿流体流动方向依次设置的缩径段和第一直段，所述缩径段设置为锥形，所述第一直段的第一端与所述缩径段的小径端连接，其第二端与所述质量流量计连接；

所述流体流入管与所述质量流量计的第一端通过第一连接件连接或焊接，所述流体流出管与所述质量流量计的第二端通过第二连接件连接或焊接。

2.根据权利要求1所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述流体流出管包括沿流体流动方向依次设置的第二直段和扩径段，所述第二直段的第一端与所述质量流量计连接，其第二端与所述扩径段的小径端连接。

3.根据权利要求2所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述差压变送器的上游取压点位于所述缩径段上。

4.根据权利要求3所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述差压变送器的下游取压点位于所述第二直段上；

且所述下游取压点至所述质量流量计的下游端面的距离为(1×D2)-(2×D2)之间；

所述D2为所述第一直段的直径。

5.根据权利要求3所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述上游取压点位于所述缩径段的斜面长度的1/3-2/3处。

6.根据权利要求5所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述上游取压点至所述质量流量计的上游端面的距离为(2×D2)-(4×D2)之间。

7.根据权利要求6所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述第二直段的长度在(1.5×D2)-(3×D2)之间，所述第一直段的长度为(1×D2)-(2×D2)之间。

8.根据权利要求1所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述缩径段的缩进比大于0.67。

9.根据权利要求1所述的应用于超临界流体的组合式流量计，其特征在于，所述第一连接件和所述第二连接件设置为法兰盘。

10.一种应用于超临界流体的流量测量方法，采用如权利要求1至9任一项所述的组合式流量计，以及包括如下步骤：

流体由流体流入管流入，经过质量流量计后从流体流出管流出；

由质量流量计获取实时流体密度，由差压变送器获取质量流量计两端的差压值和流体压力；

基于所述实时流体密度、所述差压值测得流体流量。