CN1673690A - 同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量方法和系统。包括弯管、温度变送器、压力变送器、两个差压变送器、A/D转换器、相关分析器和计算机。弯管上对称安装两组差压传感器，对两个差压信号进行相关分析得出流体流过弯管的平均流速和总体积流量。然后，基于混合流体密度与差压和流速的函数关系求得混合流体密度，再根据两个单相流体的密度计算出每相流体的相含率，得到分相流量。本发明利用结构简单的弯管传感器解决了同时测量两相流流量和相含率的难题，不需要进行两相分离，系统压力损失小，可靠性好，具有温度、压力补偿功能，测量准确性高，成本低，适用于石油、石化等工业领域各种两相流流量和相含率的测量。

Description

同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量方法及系统

所属技术领域

本发明属于计量检测技术领域，更进一步涉及一种用于石油、化工等工业领域的气液、液液、液固等两相流的流量和含率同时测量的弯管相关测量方法及系统。

背景技术

气液、液液、液固等两相流动普遍存在于石油、化工等工业领域，两相流计量通常采用不分离计量和部分分离计量两种方式。不分离计量采用常规仪表组合，在一定条件下按照单相流对多相流体进行分析和测量，测量误差较大。部分分离计量通过分离器，将各相流体分离，然后分别计量。两相流计量有两个方面关键技术，其一是用于计量气体和液体的流量计，其二是用于测量分相含率的相含率仪表。流量测量通常采用容积式流量计、涡轮流量计、差压流量计、电磁流量计、超声流量计、质量流量计等多种形式。天然气计量常采用差压流量计、旋进漩涡流量计，部分采用气体超声流量计。油水混合物计量常采用容积式流量计或涡轮流量计，配以含水分析仪测量含水率，然后计算出油水各相流量。相含率测量常用射线衰减、电容、电导、光纤反射、电磁波传播相移、微波吸收、过程层析成像等方法。

常规流量计用于多相流流量测量存在的问题有，绝大多数流量计适用于单相介质或成分性质稳定的混合介质，而两相流流型变化复杂，随工艺条件的变化流体密度、粘度、含气率、含水率等参数变化较大，常规流量计不适应；而且计量工艺要求测量仪表测量范围度宽、响应时间短、压力损失小，但常规流量计压力损失相对较大，受最小启动流量限制，而且对多组分混合时计量误差大；采用常规流量计只能测得多相流的总流量，并不能获得分相流量，为了得到分相流量还必须配备相含率分析仪表，通常的相含率测量仪表有振动管密度计、电容分析仪、射线衰减分析仪、成像含率分析仪等仪表，配备此类仪表增加了两相计量装置的体积重量、费用成本和管理难度，尤其是放射性相含率分析仪表在工业现场受到工业卫生、安全环保多方面的管理限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、压力损失小、不需进行相分离、并实现同时测量两相流流量和相含率的新方法和系统。

系统包括一定角度的测量弯管、弯管的弯度范围在(90°～180°)之间，弯管入口和出口连接3～5D直管，一个温度变送器、一个压力变送器、两个差压变送器、A/D转换器、相关分析器和计算机。两个差压变送器经A/D转换器分别与相关分析器和计算机连接，其它传感器经A/D转换器与计算机连接，相关分析器与计算机连接。

方法步骤是：在弯管上对称安装两组差压传感器，测量流体流过弯管时在弯管内外侧产生的差压信号，两个差压信号经过A/D转换电路送入相关分析器和计算机，相关分析器对两个差压信号进行相关分析，得出流体流过两个差压取压口所需时间，送入计算机。计算机根据两个差压取压口的距离计算出流体流过弯管的平均流速，将平均流速乘以弯管截面面积获得流体的总体积流量。然后，计算机基于混合流体密度与弯管差压和流速的函数关系可以求得混合流体密度，计算机采集流体温度和压力信号确定两个单相流体的密度，从而计算出每相流体的相含率，得到分相流量。

本发明的的优点：利用结构简单的一个弯管传感器通过差压相关分析解决了同时测量两相流流量和相含率的难题，系统不需要进行两相分离，测量管路无阻流元件、系统压力损失小，无可动元件、可靠性好，双差压信号相关分析测得的流速与流体物性无关，系统自带温度、压力补偿功能，测量准确性高，成本低，适用于石油、石化等工业领域各种两相流流量和相含率的测量。

附图说明

附图是本发明的结构示意图。

具体实施方式

如附图所示，此同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量系统包括弯管1，差压变送器2、3，两组差压取压口4、5和6、7，温度变送器8，压力变送器9，A/D转换器10，相关分析器11，计算机12。

当流体以一定流速流过弯管1时，在离心力作用下弯管内外侧产生压力差，取压口4、5和取压口6、7分别连接两个差压变送器2、3，可以同时检测弯管两个对称部位的差压值，差压与流速、流体密度、弯管结构尺寸参数的函数关系为

$\mathrm{\ΔP}=\mathrm{c\ρd}\frac{v^2}{R}---\left(1\right)$

式中：ΔP-弯管内外侧压力差，MPa；

c-流量常数；

ρ-流体密度，kg/m³；

V-流体平均流速，m/s；

d-弯管内径，mm；

R-弯管中心曲率半径，mm。

由式(1)可见，当流体以一定速度流过弯管时，当流体密度不变时在弯管各处产生的差压是相等的；如果流体是多相流体则流体密度是波动的，检测出的差压信号也是一个波动值，如果某一时刻流过取压口4、5位置的流体密度为ρ，则经过时间τ＝L/v(L是弯管两个对称取压口4、5和6、7对应截面中心的弧线距离)，密度为ρ的流体到达另一取压口6、7位置，两个差压传感器检测的差压信号应该是延迟时间τ的相似波形，即二者相关。

差压传感器2、3检测的两个差压信号x(t)、y(t)经过A/D转换器10，分别送入相关分析器11和计算机12。相关分析器11对两个差压信号x(t)、y(t)进行相关分析

$R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x(t-\mathrm{\τ})y\left(t\right)d_t---\left(2\right)$

得出延迟时间τ，送入计算机12，计算机根据弯管两个对称取压口4、5和6、7对应截面中心的弧线距离L和延迟时间τ即可求出流体流过弯管的平均流速为

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}---\left(3\right)$

弯管截面积为

$A=\frac{1}{4}{\mathrm{\πd}}^2---\left(4\right)$

则流过弯管的总体积流量为

$Q=\frac{1}{4}\mathrm{\π}{\mathrm{vd}}^2=\frac{{\mathrm{L\πd}}^2}{4\mathrm{\τ}}---\left(5\right)$

由(1)～(5)式可见，通过两个差压信号的相关分析法获得的流体体积流量与流体的密度、粘度等物性无关，只与弯管的管径、取压口的位置有关，受到的影响因素很少，通过弯管几何尺寸的准确加工和测量，通过相关分析法准确计算获得延迟时间，流体的流量测量可以达到较高的准确度。

由(1)式变换可得到流体密度为

$\mathrm{\ρ}=\frac{R}{\mathrm{cd}}\frac{1}{v^2}\mathrm{\ΔP}---\left(6\right)$

计算机根据相关分析获得的流速、事先置入的弯管几何参数和差压变送器2测得的差压值，按照式(6)计算出流体的实时密度ρ。温度变送器8和压力变送器9测得流体实时温度T、实时压力P，经过A/D转换器送入计算机，计算机从存储模块中提取两相流体在温度T、压力P时的分相密度ρ₁和ρ₂，设其中一相的相含率为X，则另一相的相含率为1-X。

可以得到相1的含率X为

$X=\frac{\mathrm{\ρ}-{\mathrm{\ρ}}_2}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2}---\left(7\right)$

则相2的含率为

$1-X=\frac{{\mathrm{\ρ}}_1-\mathrm{\ρ}}{{\mathrm{\ρ}}_1-{\mathrm{\ρ}}_2}---\left(8\right)$

相1的体积流量为

                      Q₁＝XQ                                    (9)

相2的体积流量为

                      Q₂＝(1-X)Q                                (10)

两相的总质量流量为

                      G＝ρQ                                     (11)

相1的质量流量为

                      G₁＝ρ₁Q₁                              (12)

相2的质量流量为

                      G₂＝ρ₂Q₂                              (13)

Claims (3)

1.一种同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量方法，其特征在于方法的步骤为：

1)在弯管1上对称安装两组差压传感器2、3，测量流体流过弯管时在弯管内外侧产生的差压信号 $\mathrm{\ΔP}=\mathrm{c\ρd}\frac{v^2}{R},$ 两个差压信号x(t)、y(t)经过A/D转换器10送入相关分析器11和计算机12，相关分析器11对两个差压信号x(t)、y(t)进行相关分析 $R_{\mathrm{xy}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}x(t-\mathrm{\τ})y\left(t\right)d_t,$ 得出流体流过两组差压取压口4、5和6、7所需时间τ，计算机根据两组差压取压口的距离L和流体流过的时间计算出流体流过弯管的平均流速 $v=\frac{L}{\mathrm{\τ}},$ 将平均流速乘以弯管截面面积获得流体的总体积流量 $Q=\frac{\mathrm{L\π}{d}^2}{4\mathrm{\τ}}.$

2)基于混合流体密度与弯管差压和流速的函数关系 $\mathrm{\ρ}=\frac{R}{\mathrm{cd}}\frac{1}{v^2}\mathrm{\ΔP}$ 求得混合流体密度ρ，计算机12通过温度变送器8和压力变送器9采集流体温度T和压力P信号，进而在计算机存储器中查询确定两个单相流体的密度，从而计算出每相流体的相含率，得到分相流量。

2.一种同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量系统，其特征在于：测量弯管1上对称开有两组对称差压取样口4、5和6、7，连接两个差压变送器2、3，另在弯管入口直管处安装有一个温度变送器8、一个压力变送器9，两个差压变送器2、3经A/D转换器10分别与相关分析器11和计算机12连接，其它传感器经A/D转换器与计算机连接，相关分析器与计算机连接。

3.根据权利2要求所述的一种同时测量两相流流量和含率的弯管相关测量系统，其特征在于所说的测量弯管1与两组对称差压取压口4、5和6、7，弯管的弯度范围在(90°～180°)之间，弯管入口和出口连接3～5D直管，两组差压取压口在弯管上的位置对称。