CN1560570A - 分时式多相流体比例分流方法及装置 - Google Patents

Abstract

分时式多相流体比例分流方法及装置，通过一分流器将流过分流器的多相流体按一恒定的时间比例交替地全部流向分流回路和主流回路，其中流向分流回路的时间份额小于主流回路的份额，并且交替切换的频率应保证分流精度和分流回路及主流回路的流动连续性，进入分流回路的各相流量始终与被测多相流体的总流量成比例，该比值等于分流回路的分时份额，且在主流回路上安装有调节阀，在两回路之间设置了差压变送器，其测压点分别位于调节阀上游和分离测量系统的上游。本发明能有效克服现有方法受多相流流型影响的缺点，精确实现恒比例连续稳定分流。

Description

分时式多相流体比例分流方法及装置

技术领域

本发明属于管道内多相流体流量和相含量测量领域，特别涉及一种分时式多相流体比例分流方法及装置。

背景技术

分流取样是多相流测量中的一项常用技术，通过分流取样可以用体积比较小的装置测量多相流体的相含量和流量。中国专利ZL98113068.2公开了一种两相流测量方法，该方法通过成比例地从两相流中分流出一股两相混合物，将其分离成单相流体后，应用单相流量计测量出各相流体的流量大小，然后根据分流比例确定被测两相流的各相总流量。显然分流比例的精度会直接影响总流量的测量精度，分流比愈恒定，总流量的测量精度就愈高。同样，在应用取样法测量多相流体的相含量时，也必须保证所取样品的代表性。目前工程中常用的取样方式大多是通过固定于管道内的取样管或取样器直接进行分流，取出的样品实际上始终来自于管道流通截面上某一点或某一区域。由于多相流体中的各相含量在管道流通截面上的分布很不均匀，而且分布形式还随流量和相含量不断变化，因而样品的代表性往往较差。为提高取样精度，改善样品的代表性，常在取样器前对多相流体进行混合或整流处理，如中国专利ZL01219181.7提出采用搅拌叶轮和多孔板对混合物进行混合，美国专利US6546809提出采用一种喷嘴对多相流体进行混合，中国专利ZL98251787.4采用旋流器对两相流体进行整流。通过混合或整流虽然能使取样精度得到一定程度的提高，但缺点是会增加流动阻力损失，而且混合和整流效果还与多相流的流量和相含量有关，只有在设计工况下才能达到较好的效果，当偏离设计工况时效果将变差。美国专利US6343516公开了一种自动沿管道直径或弦进行移动取样的装置，该装置通过一个旋转的转筒使取样口沿管道某一直径或弦来回移动，以得到多相流沿该直径(或该弦)的平均样品。但该方法仍无法得到多相流沿整个流通截面的平均样品。中国专利ZL98251787.4也同时公开了一种旋转式分流取样方法，通过转鼓的旋转作用使分流通道的扇形入口绕管道轴线同步旋转，从而获得两相流在整个流通截面上的平均样品，但无法在同一时刻获得这样的样品，因而对于瞬时流量和相分布随时间变化剧烈的流型，如弹状流(或段塞流)，该方法也较难取得真正具有代表性的样品。

美国专利US6134951公开了一种间歇式分流取样装置，分流过程主要通过一个换向阀门和位于换向阀门上游的质量流量计来实现。质量流量计用于测量多相流的总流量，换向阀门则以间歇的方式将管道内的多相流全部导向分流回路，以获得一定数量的代表该流体相含量的样品。在连续取样时，取样的时间间隔为0.01秒到60分钟。换向阀门的另一个作用是提高质量流量计的背压，使流经该流量计的多相流能保持在一种特定的流型下，以保证流量计的可靠性和测量精度。该方法的优点是，当被测多相流体的流量和相含量相对稳定时，由于所分流出的样品来自于管道的整个流通截面，而不是某一区域，因而不论多相流体在流通截面上的分布形式如何，样品都具有很好的代表性。缺点是，首先，换向阀门不可能达到较高的取样频率，也不宜长时间连续工作，因而，当被测多相流的流量和相含量随时间变化剧烈时，取样误差就会较大，而且也无法保证分流回路内的多相流体流动的连续性和稳定性，影响相含量的测量精度。其次，所取样品的流量与被测多相流的总流量之间不存在恒定的比例关系，其体积份额可以从0.1％变化到90％。所取样品仅用于测量多相流体中的各相相对含量，如油-气-水三相流中的含水率、含气率和含油率，无法独立地确定被测多相流的各相总流量。总流量必须依赖安装于被测多相流体管道上的质量流量计来计量。这不但会增加测量系统的成本和维护费用，而且仪表在多相流中的可靠性往往也很差，甚至根本无法工作。另外，换向阀虽然可以提高质量流量计的背压，使得多相流能在一定的范围内保持在某一种特定的流型下，从而使流量计的工作条件得到一定的改善，但这不可避免地会造成很大的阻力损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种连续稳定的，能够保证样品的代表性不受流型变化影响，使所分流出的流量与被测多相流体的总流量能始终保持恒定的比例关系，通过对样品的测量来准确确定被测多相流的总流量和相含量，避免直接对全部多相流进行测量的分时式多相流体比例分流方法和装置。

为达到上述目的，本发明采用的方法是：通过一分流器将流过分流器的多相流体按一恒定的时间比例交替地全部流向分流回路和主流回路，其中流向分流回路的时间份额小于主流回路的份额，进入分流回路的各相流量始终与被测多相流体的各相总流量成比例，该比值等于分流回路的分时份额，且在主流回路上安装有调节阀，在两回路之间设置了差压变送器，其测压点分别位于调节阀上游和分离测量系统的上游。

本发明的装置包括与管道相连接的过滤器，过滤器的出口与分流器的入口相连通，其特点是，分流器的出口一路通过主流回路分流室与主流回路相连通，另一路通过分流回路分流室与分流回路相连通，在主流回路和分流回路之间设置有差压变送器，主流回路上还设置有用以调节主流回路阻力的调节阀，分流回路上还设置有分离测量系统，多相流体经过分离测量系统测量后，经由返回管路重新与主流回路内的多相流汇合再经管路流出。

本发明分时式多相流体比例分流装置的另一特点是：分流器包括外壳，转轴通过轴承设置在外壳内，在转轴上设置有转轮，转轮上沿周向均匀开设有两个以上形状相同的流道，且在转轮圆周的外围还交替分布有与主流回路相连通的主流回路分流室和与分流回路相连通的分流回路分流室，主流回路分流室的入口大于分流回路分流室的入口；分流器的流道的入口位于转轮的中心，而出口位于转轮的外缘，且入口的宽度大于出口的宽度，同时流道的轮廓为螺旋线；分流器的主流回路分流室和分流回路分流室分别包含与流道数目等的若干分室，同一组分室在结构上完全相同，而主流回路分流室的各分室入口宽度大于分流回路分流室的各分室入口宽度；两组分室绕转轮外围圆周交替间隔排列，主流回路分流室的各分室出口通过主流回路通道与主流回路相连通，分流回路分流室的各分室出口通过分流回路通道与分流回路相连通。

由于本发明采用分配时间即分时的方式对多相流进行分流，即在一个很短的时间区间内(分流时间内)将被测多相流平稳地全部导向分流回路，而在另一相对较长的时间区间内又将多相流平稳地全部导向主流回路，如此周期性地交替循环以实现从多相流中进行分流。在分流过程中，只要交替切换的频率足够高，分流周期足够短(完成一次完整的分流循环的时间)，同时也保证在交替切换过程中不对多相流施加任何附加作用，不影响流动方式和流量大小，那么，分流回路和主流回路内的流动过程就接近于连续流动，并且在一个分流周期内，多相流也近似于稳态流动。这样不论遇到何种流型，进入分流回路的多相流体都具有与被测多相流体高度一致的相含量，其流量大小仅与分流时间成比例，分流比(分流回路的流量与被测多相流的总流量之比)等于分流时间与总时间的比(分时比)，只要保持分时比恒定也就保证了分流比恒定。

上述关系可以用下列式子进一步说明。分流比的定义为

$K=\frac{m}{M}=\frac{m_i}{M_i}----\left(1\right)$

式中，m-分流回路内的多相流体流量；

      M-被测多相流体的总流量；

      m_i-分流回路内某一相的流量；

      M_i-被测多相流中某一相的总流量；

      K-分流比。

分时比的定义为

$\mathrm{\μ}=\frac{T_d}{T}=\frac{T_d}{T_d+T_m}----\left(2\right)$

式中，T_d-分流时间，即在一个分流周期内多相流全部导向分流回路的时间；

      T_m-在一个分流周期内多相流全部导向主流回路的时间；

      T-分流周期，即完成一个完整分流循环的时间，等于T_d与T_m之和；

      μ-分时比；

根据分时原理，进入分流回路的多相流体的平均流量和任一相的平均流量为

将式(3)代入式(1)可以证明分流比等于分时比

$K=\frac{\mathrm{\μ}\·M}{M}=\frac{\mathrm{\μ}\·M_i}{M_i}=\mathrm{\μ}----\left(4\right)$

附图说明

图1是本发明的整体结构原理示意图；

图2是本发明分流器3的主视图；

图3是本发明分流器3的左视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明包括与管道1相连接的过滤器2，过滤器2的出口与分流器3的入口相连通，分流器3的出口一路通过主流回路分流室6与主流回路7相连通，另一路通过分流回路分流室5与分流回路10相连通，在主流回路7和分流回路10之间设置有差压变送器11，主流回路7上还设置有用以调节主流回路阻力的调节阀8，分流回路10上还设置有分离测量系统12，多相流体经过分离测量系统12测量后，经由返回管路13重新与主流回路7内的多相流汇合，再经管路9流出。

本发明管道1内的多相流体流过过滤器2后进入分流器3，在分流器3内，处于旋转运动的流道4周期性地将全部多相流平稳地交替导向分流回路10和主流回路7，其中分流回路分流室5和主流回路分流室6分别为分流回路10和主流回路7的分流室，用于单向接收从流道4流出的多相流体。当流道4对准分流回路分流室5时，多相流全部导向分流回路10，而当流道4对准主流回路分流室6时，多相流全部导向主流回路7。流道4每旋转一周，就完成一次分流切换，而且切换过程完全是自动和平稳地进行的。显然，分流时间就等于流道4在主流回路分流室6的范围内的运动时间。流道4的旋转运动既可以由多相流驱动，也可以由外加动力驱动，转速可以保持恒定，也可以依流速而变化。当转速随流速变化时，虽然分流周期T和分流时间T_d会随着变化，但分时比μ仍为一恒定值。根据式(4)，分流比也会保持恒定。

进入分流回路10的多相流体经过分离测量系统12测量后，经由返回管路13重新与主流回路7内的多相流汇合，再经管路9流向下游。进入主流回路7的多相流体则直接经调节阀8和管路9流向下游。调节阀8用以调节主流回路7的阻力，使主流回路7与分流回路10的阻力保持平衡。差压变送器11用于监测两回路之间的阻力平衡状态，协助调节阀8进行阻力调节。差压变送器11的一侧连接在分流回路10上，另一侧则连接在主流回路7上。

参见图2、3，本发明的分流器3包括外壳17，转轴16通过轴承15设置在外壳17内，在转轴16上设置有转轮14，转轮14可以通过轴承15自由旋转，既可以由多相流直接驱动，也可以采用电动机来驱动。转轮14上包含2以上形状相同，沿周向均等分布的流道4。流道4的入口20位于转轮14的中心区，而出口21位于转轮14的外缘，并且入口20的宽度大于出口21的宽度，同时流道4的轮廓为螺旋线，从而使多相流体流过流道时能对转轮14产生旋转力矩，驱动转轮旋转，并进入分流室23。分流室23包含6个分室，其中A、B、C3个(分室的数目与流道4的数目相等)分室共同构成了主流回路的分流室6。这3个分室的入口尺寸完全相同，且绕转轮14的外围圆周均等分布，出口由通道19连接到主流回路7；相应地a、b、c3个分室共同构成了分流回路的分流室5，其特性与前者相似，只是入口宽度小于前者，出口由通道22连接到分流回路10。

多相流体流过流道4后从其出口流向分流室23。根据动量矩原理，多相流从流道4出口流出时，就会对转轮产生旋转力矩，从而驱动转轮旋转。当三个流道的出口分别位于a、b、c3个分室的入口范围内时，分流回路10的流体通道处于接通状态，多相流体能顺利流向分流回路10，而另一方面，由于此时转轮外缘的实心部分正好将A、B、C3个分室的入口堵住，故多相流体不能进入主流回路7，并且主流回路7内的流体也不能倒流。相应地，当三个流道的出口分别位于A、B、C3个分室的入口的范围内时，多相流体将全部流向主流回路7。随着转轮14的旋转，多相流就会不断地在分流回路10和主流回路7之间交替切换，而且切换过程完全是自动和平稳地进行的。转轮的旋转速度愈高，交替切换的频率也就愈高，分流回路10和主流回路7内的多相流体流动也就愈接近于连续流动状态。

在一个旋转周期内，流道出口在a、b、c3个分室入口范围内的运动时间就等于分流时间T_d，相应地在A、B、C3个分室范围内的运动时间就等于T_m，可用计算式表示为

$T_d=\frac{3\·L_d}{R\·\mathrm{\ω}}----\left(5\right)$

$T_m=\frac{3\·L_m}{R\·\mathrm{\ω}}----\left(6\right)$

式中，L_d-a、b、c分流室的入口宽度(弧长)；

      L_m-A、B、C分流室的入口宽度(弧长)；

      R-分流室入口圆半径；

      ω-转轮的角速度。

转轮旋转一周的时间就是一个分流周期T

$T=T_d+T_m=\frac{3(L_d+L_m)}{R\·\mathrm{\ω}}=\frac{L}{R\·\mathrm{\ω}}----\left(7\right)$

式中L为分流室入口的圆周长。将式(5)和式(7)代入式(2)可以得出这种分流器的分时比为

$\mathrm{\μ}=K=\frac{T_d}{T}=\frac{3L_d}{L}----\left(8\right)$

从式(8)可以看出，分时比只与a、b、c3个分室的入口宽度(弧长)L_d有关，而与转轮的旋转速度无关。因此通过改变a、b、c3个分室的宽度，就可以改变分时比，也就是分流比。分流室的结构尺寸一旦确定，分时比或分流比就是个常数。当转轮采用多相流驱动时，转轮的旋转速度会随来流流速的增高而提高，但分流比不会改变。

本发明的分流原理可以很方便地推广为同时从多相流中成比例地分流出多股多相流的方法和装置。

Claims (5)

1、一种分时式多相流体比例分流方法，其特征在于：通过一分流器将流过分流器的多相流体按一恒定的时间比例交替地全部流向分流回路和主流回路，其中流向分流回路的时间份额小于主流回路的份额，进入分流回路的各相流量始终与被测多相流体的各相总流量成比例，该比值等于分流回路的分时份额，且在主流回路上安装有调节阀，在两回路之间设置了差压变送器，其测压点分别位于调节阀上游和分离测量系统的上游。

2、一种分时式多相流体比例分流装置，包括与管道[1]相连接的过滤器[2]，过滤器[2]的出口与分流器[3]的入口相连通，其特征在于：分流器[3]的出口一路通过主流回路分流室[6]与主流回路[7]相连通，另一路通过分流回路分流室[5]与分流回路[10]相连通，在主流回路[7]和分流回路[10]之间设置有差压变送器[11]，主流回路[7]上还设置有用以调节主流回路阻力的调节阀[8]，分流回路[10]上还设置有分离测量系统[12]，多相流体经过分离测量系统[12]测量后，经由返回管路[13]重新与主流回路[7]内的多相流汇合再经管路[9]流出。

3、根据权利要求2所述的分时式多相流体比例分流装置，其特征在于：所说的分流器[3]包括外壳[17]，转轴[16]通过轴承[15]设置在外壳[17]内，在转轴[16]上设置有转轮[14]，转轮[14]上沿周向均匀开设有两个以上形状相同的流道[4]，且在转轮[14]圆周的外围还交替分布有与主流回路[7]相连通的主流回路分流室[6]和与分流回路[10]相连通的分流回路分流室[5]，主流回路分流室[6]的入口大于分流回路分流室[5]的入口。

4、根据权利要求2所述的分时式多相流体比例分流装置，其特征在于：所说的分流器[3]的流道[4]的入口[20]位于转轮[14]的中心，而出口[21]位于转轮[14]的外缘，且入口[20]的宽度大于出口[21]的宽度，同时流道[4]的轮廓为螺旋线。

5、根据权利要求2所述的分时式多相流体比例分流装置，其特征在于：所说的分流器[3]的主流回路分流室[6]和分流回路分流室[5]分别包含与流道[4]数目等的若干分室，同一组分室在结构上完全相同，而主流回路分流室[6]的各分室入口宽度大于分流回路分流室[5]的各分室入口宽度；两组分室绕转轮[14]外围圆周交替间隔排列，主流回路分流室[6]的各分室出口通过主流回路通道[19]与主流回路[7]相连通，分流回路分流室[5]的各分室出口通过分流回路通道[22]与分流回路[10]相连通。

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