CN202471152U - 一种蒸汽流量计量装置 - Google Patents

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陈继革
潘艳芝
吴国栋
吴治永
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本实用新型提供了一种蒸汽流量计量装置，包括一管线，管线入口装一入口连接法兰，入口连接法兰之后的管线上依次装有温度变送器和压力变送器，所述的管线为水平管线，所述水平管线上在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。本实用新型采用汽液环状流滑差解析解的方法，从而用计算机系统可以实时计算出饱和蒸汽量，饱和水量以及它们对应的热值。采用本实用新型装置测量蒸汽，可直接分辨、测量蒸汽中的汽液两相，不同于传统的单相计量加密度修正的方法，没有附加误差，不受流型、气液相变的影响，测量精度更高。

Description

一种蒸汽流量计量装置
技术领域
本实用新型涉及蒸汽流量及热值的在线计量技术领域，特别在油田蒸汽驱动稠油生产过程中，可以用来实现对注入蒸汽进行实时计量的一种蒸汽流量计量装置。 
背景技术
蒸汽是石油化工企业重要的二次能源，从企业效益出发，降低生产成本需要降低对蒸汽的消耗。谈节能降耗，首先是能源计量，在油田蒸汽驱动稠油生产过程中,只有对注入蒸汽实施了准确计量，才能够明确节能的量化指标。近年来，国内稠油资源的不断勘探和开发，90% 以上依靠蒸汽吞吐或蒸汽驱动进行稠油开采，但由于注入蒸汽高温高压气液夹带的特殊性，在准确计量方面存在诸多困难，长期以来一直是流量测量中的老大难问题。目前，工业中通常采用涡街流量计、差压式流量计（以孔板流量计为代表）或弯管流量计对蒸汽进行计量。计量蒸汽常用质量流量，质量流量大小与蒸汽的密度有关，而蒸汽的密度又直接受蒸汽的压力及温度的影响。在蒸汽计量过程中，随着热汽压力及温度的不断变化，密度也随着变化，使质量流量也随着变化，如果计量仪表不能跟踪这种变化，势必造成较大的计量误差。因此，在蒸汽计量过程中一般都通过压力及温度补偿来达到密度补偿。但由于蒸汽是比较特殊的介质，随着工况如温度、压力的变化，单相性质的过热蒸汽经常会转变为饱和蒸汽，形成气液两相流介质，这样就使得传统的单相仪表很难实时反映这种变化，更不可能对“饱和蒸汽”和“饱和水”进行实时分别准确计量。 
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是克服传统仪表不能实时跟踪蒸汽计量中相变状态，提供一种采用单能伽马测蒸汽干度加文丘里测总质量流量的技术路线，可以直接实现在线测量蒸汽中汽液两相的各自质量，从而得到总流量热值的一种蒸汽流量计量装置。 
本实用新型的技术问题通过下述技术方案解决： 
本实用新型的第一种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口装一入口连接法兰，入口连接法兰之后的管线上依次装有温度变送器和压力变送器，所述的管线为水平管线，所述水平管线上在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。
本实用新型的第二种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰，所述的管线为竖直管线，所述竖直管线上入口连接法兰之后连接一入口盲三通，入口盲三通上依次装有温度变送器和压力变送器，在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。 
本实用新型的第三种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰，所述的管线为倒U型管线，所述倒U型管线上入口连接法兰之后连接一入口盲三通，入口盲三通上依次装有温度变送器和压力变送器，在压力变送器之后连接文丘里，所述文丘里的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里上装一差压变送器，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里之后为管线出口。 
所述的单能伽马传感器测量蒸汽截面相分率、蒸汽截面干度。 
本实用新型采用单能伽马和文丘里相结合的测量装置，单能伽马可以准确分辨出饱和蒸汽和饱和水的比例( 相分率 )，结合文丘里的差压测量就可以计量出总质量流量，同时采用汽液环状流滑差解析解的方法来处理饱和蒸汽和饱和水之间可能存在的相速度差，从而实时、准确地测量到“饱和蒸汽”质量流量和“饱和水”质量流量，以及它们总的热值，属于一种新型油田工业现场在线蒸汽计量装置。 
附图说明
图1为本实用新型第一种蒸汽计量装置结构示意图； 
图2本实用新型第二种蒸汽计量装置结构示意图；
图3本实用新型第三种蒸汽计量装置结构示意图。
图中， 1入口连接法兰，2温度变送器，3压力变送器，4单能伽马传感器，5差压变送器，6文丘里，7蒸汽流量计装置出口，8入口盲三通，9成撬管线，10水平管线，11竖直管线。 
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明。 
如图1所示，本实用新型的第一种蒸汽计量装置为水平安装结构。包括一管线，管线入口装一入口连接法兰1，入口连接法兰1之后的管线上依次装有温度变送器2和压力变送器3，其特征在于所述的管线为水平管线10，所述水平管线10上在压力变送器3之后连接文丘里6，所述文丘里6的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里6上装一差压变送器5，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里6之后为管线出口7。 
其工作过程为蒸汽流体由入口连接法兰1进入蒸汽流量计，流体依次经过温度变送器2，压力变送器3，单能伽马传感器4和文丘里6，最后通过蒸汽量流量计装置出口7进行下游管线。其中，温度变送器和压力变送器用于测量在线温度和压力，用于流量工况、标况转换以及密度、热值等转换。单能伽马传感器测量蒸汽中的截面干度。文丘里和差压表用来实时测量总的蒸汽质量流量。 
如图2所示，本实用新型的第二种蒸汽计量装置为竖直安装结构。包括一竖直管线11，管线入口端装一入口连接法兰1，入口连接法兰1之后连接一入口盲三通8，入口盲三通8上依次装有温度变送器2和压力变送器3，压力变送器3之后连接文丘里6，所述文丘里6的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里6上装一差压变送器5，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里6之后为管线出口7。 
其过程为蒸汽流体由入口连接法兰1进入蒸汽流量计，流体首先经过入口盲三通8，对流体起混合作用，同时把水平流态改变成竖直流态，然后流体依次经过温度变送器2，压力变送器3，单能伽马传感器4和文丘里6，最后通过蒸汽量流量计装置出口7进行下游管线。其中，温度变送器和压力变送器用于测量在线温度和压力，用于流量工况、标况转换以及密度、热值等转换。单能伽马传感器测量蒸汽中的截面干度。文丘里和差压表用来实时测量总的蒸汽质量流量。 
图3示出了本实用新型的第三种蒸汽计量装置，为倒U型成撬安装结构。包括一倒U型管线9，倒U型管线9入口端装一入口连接法兰1，入口连接法兰1之后连接一入口盲三通8，入口盲三通8上依次装有温度变送器2和压力变送器3，压力变送器3之后连接文丘里6，所述文丘里6的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里6的上装一差压变送器5，用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里6之后为管线出口7。 
其过程为蒸汽流体由入口连接法兰1进入蒸汽流量计，流体首先经过入口盲三通8，对流体起混合作用，同时把水平流态改变成竖直流态，然后流体依次经过温度变送器2，压力变送器3，单能伽马传感器4和文丘里6，为使得本测试装置成撬，安装倒U型管线9，最后通过蒸汽量流量计装置出口7进行下游管线。其中，温度变送器和压力变送器用于测量在线温度和压力，用于流量工况、标况转换以及密度、热值等转换。单能伽马传感器测量蒸汽中的截面干度。文丘里和差压表用来实时测量总的蒸汽质量流量。 
本实用新型的蒸汽计量方法，包括以下步骤： 
1）根据蒸汽中汽液两相对伽马射线线性衰减系数不同的原理，由单能伽马传感器测量饱和蒸汽相分率 ;
2）通过安装在管线上的压力变送器3和温度变送器2实时测量管道压力和温度；
3）计算饱和水和饱和蒸汽的密度，得到流体的混合密度 
Figure DEST_PATH_IMAGE002
 和蒸汽干度 
Figure DEST_PATH_IMAGE003
；
4)利用文丘里管测量总流量差压值
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，同时考虑汽液滑差，对测量的数据进行计算，求得总质量流量率 
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，饱和蒸汽流量率 
Figure DEST_PATH_IMAGE006
 和饱和水流量率 ；
计算方法和过程如下：
（1）在蒸汽计量过程中，通过实液介质水的单能伽马传感器标定，可以得到水的质量吸收系数
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，根据质量吸收系数的定义和物理特性，无论水是处于什么样的物理状态（ 气态、液态或固态，或是否产生相变 ），由于成分不变，此吸收系数是一定值。
伽马射线和物质相互作用的物理方程式为： 
Figure DEST_PATH_IMAGE009
           
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
：分别表示在线测量时和空管状态下的伽马射线计数；
D：伽马射线穿过的距离；
：i相流体的截面相分率；
Figure DEST_PATH_IMAGE012
：i相流体的线性衰减系数。
在蒸汽计量中，假设“饱和水”和“饱和蒸汽”截面相分率是 
Figure 871304DEST_PATH_IMAGE001
，其伽马射线吸收公式为： 
Figure DEST_PATH_IMAGE013
Figure DEST_PATH_IMAGE014
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中： 
Figure DEST_PATH_IMAGE016
 分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线线性吸收系数
 分别表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度
因此可以得到蒸汽的干度：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
（2）根据总质量流量和干度分别得到“饱和蒸汽”和“饱和水”质量流量。
总质量流量率 ：         
Figure DEST_PATH_IMAGE019
Figure DEST_PATH_IMAGE020
饱和蒸汽质量流量率：    
Figure 476860DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure DEST_PATH_IMAGE021
饱和水质量流量率：       
Figure 318914DEST_PATH_IMAGE007
=
3）由于蒸汽计量中，汽液可能存在相速度差使得直接测量饱和蒸汽量和真实饱和蒸汽量
Figure DEST_PATH_IMAGE023
存在一个差值
Figure DEST_PATH_IMAGE024
，直接测量饱和水量
Figure 154594DEST_PATH_IMAGE007
和真实饱和水量
Figure DEST_PATH_IMAGE025
存在一个差值，故采用汽液环状流滑差解析解的方法对其进行补偿。
Figure DEST_PATH_IMAGE027
Figure DEST_PATH_IMAGE028
其中： 
为常数，由蒸汽流量计计量尺寸决定
Figure DEST_PATH_IMAGE030
，表示“饱和水”的粘度
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线粘度比
Figure DEST_PATH_IMAGE032
，表示“饱和蒸汽”和“饱和水”的在线密度比
Figure DEST_PATH_IMAGE033
，表示摩擦阻力系数，是流体雷诺数和管壁相对粗糙度的函数
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，是蒸汽计量装置中文丘里计量的总流量。
4）最后可得到饱和水、饱和蒸汽质量流量及热值： 
饱和蒸汽质量流量率：    
Figure DEST_PATH_IMAGE035
饱和水质量流量率：        
Figure DEST_PATH_IMAGE036
饱和蒸汽热值率( 焓 )：  
Figure DEST_PATH_IMAGE037
=
Figure DEST_PATH_IMAGE038
饱和水热值率( 焓 )：    
Figure DEST_PATH_IMAGE039
=
Figure DEST_PATH_IMAGE040
总质量热值率( 焓 )：    
Figure DEST_PATH_IMAGE041
其中：
Figure DEST_PATH_IMAGE042
是饱和蒸汽和饱和水在特定压力和温度下的焓值。

Claims (3)

1.一种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口装一入口连接法兰(1)，入口连接法兰(1)之后的管线上依次装有温度变送器（2）和压力变送器（3），其特征在于所述的管线为水平管线（10），所述水平管线（10）上在压力变送器（3）之后连接文丘里（6），所述文丘里（6）的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里（6）上装一差压变送器（5），用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里（6）之后为管线出口（7）。
2.一种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰(1)，其特征在于所述的管线为竖直管线（11），所述竖直管线（11）上在入口连接法兰(1)之后连接一入口盲三通（8），入口盲三通（8）上依次装有温度变送器（2）和压力变送器（3），压力变送器（3）之后连接文丘里（6），所述文丘里（6）的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里（6）上装一差压变送器（5），用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里（6）之后为管线出口（7）。
3.一种蒸汽计量装置，包括一管线，管线入口端装一入口连接法兰(1)，其特征在于所述的管线为倒U型管线（9），所述倒U型管线（9）上入口连接法兰(1)之后连接一入口盲三通（8），入口盲三通（8）上依次装有温度变送器（2）和压力变送器（3），压力变送器（3）之后连接文丘里（6），所述文丘里（6）的入口上游或者喉部设一单能伽马传感器，所述文丘里（6）上装一差压变送器（5），用以实时测量流体流过文丘里产生的差压值，文丘里（6）之后为管线出口（7）。
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