CN201327400Y - 湿蒸汽两相流流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于计量技术类。为克服已有技术中湿蒸汽两相流在线即时测量设备的不足特提出本方案——湿蒸汽两相流流量计。它是由测量总流量的垂直管段、节流元件和测量、显示用的流量计算机所组成，在垂直管段上装有压差传感器和压力传感器，在节流元件的两端装有压差传感器，三个传感器测得的数据输送至流量计算机。经流量计算机内存储的测量各相流量、总流量及蒸汽的干度的数学模型及各种物质的参数程序进行计算，及时地显示各项测量结果。它具有结构简单、制造成本低、无需进行汽液分离、无放射性元器件、压力损失很小、工作范围宽广、能实现稳定的在线测量等特点。

Description

湿蒸汽两相流流量计

技术领域：

本实用新型属于计量技术类。它具体涉及一种用于稠油开发、石油化工、能源动力、及民用供热系统中常见的湿蒸汽两相流体各相流量的计量装置的结构。

背景技术：

湿蒸汽(或汽-水)两相流作为一种高效二次能源广泛应用于稠油开发、石油化工、能源动力、及民用供热等领域。湿蒸汽两相流体的各相流量或总流量和干度的实时在线测量一直是困扰人们的一个国际性技术难题。全世界每年因湿蒸汽两相流体未能得到精确计量所造成的经济损失难以估量，尤其是在稠油注汽热采开发中的经济损失更为严重。虽然已有这方面的专利，但因其要么测量精度达不到工业要求，要么未能实现真正意义上流量和干度双参数的同时测量，至今未见可供工业应用的产品。美国德士古(Texaco)石油公司于上世纪八十年代研发出了一种孔板-临界流喷嘴组合式湿蒸汽干度计(美国专利US4836032)，但因临界流喷嘴造成压力的损失高达50％，使该技术未能得到广泛应用。

发明内容：

本实用新型的目的是为克服对湿蒸汽两相流各相流量实现精确即时测量的困难特提出本方案——湿蒸汽两相流流量计，它利用湿蒸汽两相流体流经一个节流元件与一个位于该节流装置上游或下游的垂直管段时压差及管内流体压力的测量，可同时实现对湿蒸汽两相流体各相流量、总流量和干度的在线精确计量，并具有测量精确及工作稳定的特点。

按如上构思，本方案所提出的湿蒸汽两相流流量计的特征是：它由测量湿蒸汽两相混合物平均密度的垂直管段、测量湿蒸汽两相流体总流量的节流元件和计算、记录并显示湿蒸汽两相流体各相流量的流量计算机所构成，在垂直管段的两端装有A压差传感器和压力传感器，在节流元件的两端装有B压差传感器，A压差传感器、压力传感器及B压差传感器的输出数据线与计算机连接。

在本方案中，其节流元件采用文丘里管结构，也可采用节流喷嘴或节流孔板结构。其可连续运算即时显示各相流量，流量计算机内装有饱和水蒸汽物性和经过实验验证的湿蒸汽两相流体流过垂直管段与节流元件时的两相流动力学模型的计算程序。

本方案体现出如下的优点：该两相流流量计是从垂直管段测得压差和压力值，从节流原件的两端测得动压差，送入计算机，按该机内存储的饱和水蒸汽物理特性的数值和经过实验验证的湿蒸汽两相流体流过垂直管段与节流元件时的两相流动力学模型计算程序，则得出两相流各自的流量及蒸汽的干度。由于它是串接在工作的管路之中，即做到无须停车的在线检测。它还具有结构简单、制造成本低、无需进行汽液分离、无放射性元器件、压力损失小、工作范围宽广、性能稳定等特点。

附图说明：

图1是本方案湿蒸汽两相流流量计的结构示意图。

图2、图3是在实际使用状态下增设一便于获得稳定均相流的弯头的结构示意图。

图4是文丘里管9的结构示意图。

图5是节流喷嘴10的结构示意图。

图6是节流孔板11的结构示意图。

具体实施方式：

为弥补湿蒸汽两相流流量的精确地在线即时测量设备的不足，特提出本方案。它是由垂直管段2、节流元件1、流量计算机8所组成，在垂直管段上装有A压差传感器6和压力传感器7，在节流元件的两端装有B压差传感器5，前述的三个传感器得到的数值送入流量计算机8，该流量计通过法兰3和法兰4与工作管路串接。流量计算机8装有饱和水蒸汽物性和湿蒸汽两相流体流过垂直管段与节流元件时的两相流动力学模型的计算程序。被测湿蒸汽两相流体首先垂直向上流动经过与进口法兰3相连接的垂直管段2，由压差传感器6测得其流经垂直管段时的压降ΔP_1，，被测湿蒸汽两相流体然后通过节流元件1，由压差传感器5测得其通过节流元件时的压降ΔP₂；湿蒸汽两相流体的压力P用压力传感器7测量。上述三个传感器的输出信号被直接输入流量计算机8，流量计算机连续计算、记录并显示被测湿蒸汽两相流体的各相流量，或湿蒸汽两相流体的总质量流量和蒸汽干度。

下面以汽液两相流均相流摸型为例，进一步说明本实用新型的计算过程。根据节流元件(如孔板、文丘里管、及节流喷嘴等)的流量公式，湿蒸汽两相流体的总质量流量M_T和在管道内平均流速u_M可分别表示为，

$M_T=\mathrm{\α}{\mathrm{\β}}^{2}A\sqrt{2{\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{\Δ}{P}_2}---\left(1\right)$

$u_M=\mathrm{\α}{\mathrm{\β}}^2\sqrt{2\mathrm{\Δ}{P}_2/{\mathrm{\ρ}}_M}---\left(2\right)$

其中A是管道的截面积，β是节流元件的喉部内经与管道内经之比，α是节流元件的流量系数，ρ_M是湿蒸汽两相混合物的平均密度，ΔP₂是节流元件的动压差。

湿蒸汽两相流体向上流经垂直管段的总压差ΔP₁是重位压差与摩擦压差之和，可表示为，

$\mathrm{\Δ}{P}_1={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}\frac{{\mathrm{\ρ}}_M{u}_M^2}{2}---\left(3\right)$

其中g是重力加速度，h是垂直管段上两个取压点之间的距离，λ是垂直管段内壁的摩阻系数，D是垂直管段的内经。将式(2)代入式(3)得，

$\mathrm{\Δ}{P}_1={\mathrm{\ρ}}_M\mathrm{gh}+\mathrm{\λ}\frac{h}{D}{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\β}}^4\mathrm{\Δ}{P}_2---\left(4\right)$

在测得湿蒸汽两相混合物流经垂直管段的总压差ΔP₁和节流元件的动压差ΔP₂后，便可由式(4)计算出湿蒸汽两相混合物的平均密度ρ_M，进而可由式(1)计算出湿蒸汽两相流体的总质量流量M_T，由式(5)计算出湿蒸汽两相流体的干度x。

$\mathrm{\χ}=\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_G}{{\mathrm{\ρ}}_M}\right)\left(\frac{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_M}{{\mathrm{\ρ}}_L-{\mathrm{\ρ}}_G}\right)---\left(5\right)$

其中ρ_G和ρ_L分别为湿蒸汽两相流汽相和液相的密度。

根据定义，湿蒸汽两相流体的汽相质量流量M_G和液相质量流量M_L可分别用式(6)和式(7)计算。

M_G＝M_Tx    (6)

M_L＝M_T(1-x)    (7)

具体实施步骤：根据上述工原理，本实用新型对湿蒸汽两相流体的在线实时计量分为如下三个步骤：

1.压差传感器A5和压差传感器B6分别测出湿蒸汽两相流体流经节流元件1和垂直管段2段时的压差ΔP₂和ΔP₁，压力传感器测出湿蒸汽两相流体的压力P；压差传感器A5、压差传感器B6和压力传感器7的输出信号全部输入流量计算机8。

2.根据压力传感器7测得的压力P，流量计算机8用存储其内的饱和水蒸气物性的计算程序计算出湿蒸汽两相流的相关物性参数。

3.根据已算得的湿蒸汽两相流的相关物性参数和由压差传感器A5及压差传感器B6测量的湿蒸汽两相流体通过节流元件1及垂直管段2时的压差ΔP₂和ΔP₁，流量计算机8由式(4)和(1)分别计算出湿蒸汽两相流体的平均密度ρ_M和总质量流量M_T，再由式(6)和式(7)分别计算出汽相和液相的质量流量M_G和M_L。

在实际应用中，均相流可用安装在入口连接法兰3处的静态混合器或直角弯头(12)来实现。如果垂直管段2上游有足够长的流型稳定管段，式(1)、(2)、(3)、及(4)应该用更精确的汽液两相流体动力学模型来代替。

本实用新型中的节流元件可以是孔板、文丘里管、和节流喷嘴中的任何一种。它们可以是标准的、或非标准的。该节流元件还可以用其它压差式流量计代替，例如锥型流量计(即V-Cone)、阿纽巴流量计(Annubar)、及靶式流量计。

根据上述原理制成的湿蒸汽两相流体流量计具有结构简单、制造成本低、无需进行汽液分离、无放射性元器件、压力损失很小、工作范围宽广、性能稳定等特点，可实现对稠油开发、石油化工、能源动力及民用供热系统中常见的湿蒸汽两相流体进行自动在线计量。

Claims (2)

1.一种湿蒸汽两相流流量计，其特征是它由测量湿蒸汽两相混合物平均密度的垂直管段(2)、测量湿蒸汽两相流体总流量的节流元件(1)和计算、记录并显示湿蒸汽两相流体各相流量的计算机(8)所构成，在垂直管段的两端装有A压差传感器(6)和压力传感器(7)，在节流元件的两端装有B压差传感器(5)，B压差传感器(5)、A压差传感器(6)及压力传感器(7)的输出数据线与计算机(8)连接。

2.按照权利要求1所述的湿蒸汽两相流流量计，其特征是其节流元件采用文丘里管(9)结构，也可采用节流喷嘴(10)或节流孔板(11)结构。

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