CN202994215U - 双节流三差压湿气两相流测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于两相流量测量技术领域，涉及一种双节流三差压湿气两相流测量系统，包括相互连接的第一节流装置和第二节流装置，第一节流装置包括固定在测量管道内的锥体；第二节流装置为文丘里节流装置；在第一节流装置的上游与喉部分别设置取压处，在第二节流装置的上游与喉部及下游分别设置取压处，第一节流装置的上游与喉部的取压处通过对外引压管连接到第一差压变送器上，第二节流装置的上游与喉部的取压处通过对外引压管连接到第二差压变送器上，第二节流装置的喉部与下游取压处通过对外引压管连接到第三差压变送器上。本实用新型具有结构简单，无可动部件，实施方便，测量范围宽，精度高，安全可靠等特点。

Description

双节流三差压湿气两相流测量系统

技术领域

本实用新型属于两相流量测量技术领域，涉及一种湿气两相流测量装置。

背景技术

湿气作为气液两相流的一种特殊形态，在工业过程中广泛存在着。气体和液体都是流体，单独流动时它们的流动规律基本相同，都遵从基本的质量守恒和能量守恒方程，数学模型也都基本相似，但当它们共同存在并同时流动时，由于两相流体的介质特性存在较大的差异，如流体密度、粘度、摩阻系数等物性参数各不相同，两相流体间相互作用，相互影响，同时受压力、流速等工况条件的影响，使得湿气气液两相的流动与单相流动相比表现出了更为复杂的特性，在单相流动中的许多准则关系和分析方法都不能直接应用到湿气气液两相流的研究中。近几十年来，由于传统工业和新兴工业，如石油天然气工业、化学工程、冶金工程、核反应堆工程、航空航天工程等领域的急速发展，对湿气气液两相流的测量提出了越来越高地要求，同时也推动了该领域的研究得到更加深入快速的发展，国内外学者根据湿气流动的特点，提出了诸多理论模型和研究方法，并解决了一定的实际工业问题，然而已有的研究成果表明，湿气气液两相流的测量问题非常复杂，检测的难度很大，目前检测手段都存在一定的局限性。由于固有的复杂性、多样性以及测量手段的局限性，无论是在理论上还是方法上，这方面的研究尚处于发展阶段，因此湿气的流量测量在相当长的一段时间内都将是国内外研究的热点。

利用标准孔板流量计配合大型气液分离器，是目前油气田使用最为广泛的一种对湿天然气进行计量的方式，然而在工业现场的使用过程中还存在很多实际的问题。孔板的几何形状会因为长时间的使用而产生磨损，尤其是对孔板计量精度有较大影响的尖锐边角，其尖锐度是随着使用逐渐变化的，如果没有得到及时的检查和维护则会产生较大的计量误差；单一孔板所能适应的最佳流量测量范围有限，由于不同气井轮流切换计量，以及气井产量本身的波动，实际工业现场中的流量范围变化相对较大，由于大多数时候无法对孔板进行及时的更换，测量范围往往超出了标准；配套使用的二次仪表，压力、差压、温度变送器的使用对测量精度也有较大的影响，当差压变送器在测量下限附近使用时，最终的流量测量结果会有非常大的误差。由于这些因素的影响，孔板现场使用的精度大致在±3%，对于一些使用不当的情况，测量精度相应会进一步下降，在极端恶劣的情况下测量的误差可达±15%~±20%。这些都是在没有考虑孔板积液的情况的估计，事实上没有分离器能做到100%的完全分离效果，气体从分离器流出的过程中都会带出少量的液滴，由于孔板特殊的结构，随着长时间的使用，在孔板的上下游都会形成一定的积液，进而对测量造成极大的影响,有研究表明在含液1%情况下，由积液造成的孔板测量误差可达10%以上。

中国专利ZL 200810151346.6提出了一种双差压节流湿气测量装置，由直管内嵌普通锥形芯体和标准文丘里两个节流装置构成，在两个节流装置上分别取出一级差压信号，通过两节流装置的中心收缩和边壁收缩差异性鲜明设计结构，实现气液两相流量的测量。实践证明，该实用新型专利存在以下缺点：（1）该专利装置的锥形节流装置节流比范围在0.6~0.85之间，文丘里节流装置的节流比在0.3~0.5之间，经工业现场性能验证，该设计存在交叉测量范围较窄的缺点，量程比不足三分之一，在工况流量变化范围较大情况下使用受到限制；（2）该专利装置仅在规定的节流比范围内取两个差压信号，即锥体差压与文丘里的前差压信号，由于两节流装置为普通结构形式，没有充分优化，导致测量精度不高和测量范围不宽等缺憾；同时，系统没有考虑冗余设计，当装置任意取压出现意外，如堵塞等情况发生，整个系统立即处于瘫痪状态，影响系统的正常运行。（3）该专利装置中的锥形芯体喉部处长度较小，小于1个毫米，在气相高速流动区域内，由于没有足够的加速空间，气液两相混合不够充分，因此气相对液相的加速不足，所测量的差压信号对液相不够敏感，导致量程范围较窄；（4）装置中利用锥形芯体的尾部流场区域取压，锥体差压信号幅值不高，且该流场易形成漩涡，差压信号质量较差，导致总体信噪比不够理想；（5）该专利装置中的锥体下游为漩涡产生的静压回流区，当管道中存在细小颗粒杂质时，引压通道易堵塞（6）该专利装置的文丘里喉部依照标准文丘里设计，喉部长度与喉部直径1:1设计，深入研究表明，该装置用于测量气液两相流时，由于喉部流通路径过小，液相通过喉部时被气相加速同样不够充足，使得气液两相混合不够充分，影响喉部取压信号质量，因此信噪比尚待提高；（7）该专利装置的文丘里扩张段扩张角度设计不理想，使得下游扩张段容易形成回流，造成积液，最终影响系统对更高液相含率的辨识能力；（8）该专利装置中取压方式为单点取压，采用外挂式独立的小型气液隔离罐实现气液隔离兼取压，测量信号的信噪比低，气液隔离效率低；（9）该专利装置中全部排污阀位于气液隔离罐下端，其现有设计不能实现隔离罐与测量主管路的整体同步排污；（10）该专利装置中全部气液隔离罐位于计量管的一侧，影响着整体装置的重量平衡性，安装后由于旋转扭矩的存在，影响装置的安全及使用寿命。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的上述问题，提出一种更加适用于湿气气液两相流量测量系统，通过采用长喉颈特色的双节流装置及其相应的三级差压，并改进取压方式，实现对气液两相更宽量程，更高精度，更高含液和可靠性的在线不分离测量。本实用新型采用如下技术方案：

一种双节流三差压湿气两相流测量系统，包括相互连接的第一节流装置和第二节流装置，所述的第一节流装置包括固定在测量管道内的锥体，所述锥体的喉长与管道内径之比在0.3~1.5之间；所述的第二节流装置为文丘里节流装置，其喉部的喉长与其喉部孔径之比在4~8之间，扩张段的扩张角度小于7°；在第一节流装置的上游与喉部分别设置取压处，在第二节流装置的上游与喉部及下游分别设置取压处，第一节流装置的上游与喉部的取压处通过对外引压管连接到第一差压变送器上，第二节流装置的上游与喉部的取压处通过对外引压管连接到第二差压变送器上，第二节流装置的喉部与下游取压处通过对外引压管连接到第三差压变送器上，第一节流装置上游取压处还通过对外引压管连接到一个压力变送器。

作为优选实施方式，在测量管道的每个取压处与轴线垂直的同一平面的管壁上开设四个内部取压孔，水平方向最大直径处两个，垂直方向最大值径处两个，在四个内部取压孔的外周固定一个环室结构，该环室与测量管道本体同轴，固定于测量管道本体取压处外壁上，形成具有一定容量空间的气液隔离腔室，在腔室垂直轴线的上方开设有接对外引压管的引压口，引压口与管壁的四个内部取压孔不在同一平面上；在腔室垂直轴线的下方开设有接对外排污管的排污口，排污口与四个内部取压孔不在一个平面上；所述的第二节流装置的下游取压处与扩张管段出口之间的距离为测量管道内径的5~9倍。

本实用新型具有如下的有益效果：

（1）本实用新型对锥体和文丘结构进行优化（如节流比、喉部长度、喉部取压位置，扩张段的扩张角度、下游压力恢复段的取压位置等几何参数合理），将双节流装置的锥体差压信号、文丘里前、后差压信号三者结合，有效提高湿气装置的测量范围、测量精度以及测量可靠性等性能指标。

（2）采用复合型一体化环室气液隔离取压器取压，该取压器为具有一定气液容量的环形腔室，可容纳测量主管路取压面上的4个取压孔，能够实现气液的快速有效隔离，整体装置同步排污，整体装置的重量平衡性好，测量信号信噪比高，重复性好。

附图说明

图1-a、图1-b本实用新型的双节流三差压湿气两相流测量系统结构图，前者为正视图，后者为侧视图。

图2本实用新型的流体边壁收缩长喉颈锥形节流装置及其环室取压方式示意图；

图3-a、图3-b本实用新型的长喉颈文丘里节流装置及其环室取压方式的示意图，左图为正视图，右图为剖面图。

图4本实用新型采用的环室气液隔离取压器结构示意图，a为主视图，b为a的剖面图。

图5双节流三级差压单相流体流出系数关系图。

图6双节流三级差压随着X_LM变化关系图。

附图说明如下：1压力变送器，21第一差压变送器，22第二差压变送器，23第三差压变送器，3温度变送器，4两阀组，5取压器环室，6对外引压管接取压装置，7对外引压管接排污装置，8排污阀，9流体边壁收缩长喉颈锥形节流装置喉部加长型锥体，10长喉颈文丘里节流装置喉部，11上游直管段，12，锥体尾部支撑，13锥体锁紧螺母，14管壁取压孔，15下游直管段，16测量管道17气液隔离腔室。

具体实施方式

下面参照附图和相关实验数据对本实用新型做进一步详述。

本实用新型系统图如图1所示，包括位于前端的第一节流装置即流体边壁收缩长的喉颈锥形节流装置和位于后端的第二节流装置即长喉颈文丘里节流装置，分别如图2、图3。本实用新型装置第一个区别以往的湿气流量测量装置在于两个节流装置可提供三级差压信号，且两个节流装置均具有更为优化的结构与测压方法，可实现对测量范围、测量精度的有效改善，同时确保其可靠性、安全性及其工作效率。

第一节流装置为锥形测量装置，在测量管道的中部设置有一个流体边壁收缩长喉颈锥形节流装置喉部加长型锥体9，通过锥体尾部支撑12和3锥体锁紧螺母13固定在测量管道的管壁上。锥体9的喉部加长，与管道内径之比在0.3~1.5之间。第二节流装置为文丘里节流装置，其喉部10为长喉颈，喉部长度为喉部直径的4～8倍之间，其后差压将下游直管段15上的取压处作为高端压力，喉部取压处作为低端压力，高端压力的取压与扩张管段出口之间的距离为管道内径的5~9倍。

在第一节流装置的上游与喉部分别取压，连接到第一差压变送器21上，在第二节流装置的上游与喉部分别取压，连接到第二差压变送器22上，在第二节流装置的喉部与下游分别取压并连接到第三差压变送器23上。第二、三差压变送器共同使用喉部的环室气液隔离取压器5取压。上游入口处装有压力变送器1，该变送器的引压管可由第一差压变送器的上游对外引压管6旁路引出，温度变送器固定在装置后端，用于测量管路内的温度。

本实用新型湿气装置采用如图4a和-b所示的环室气液隔离取压器进行压力测量，不但可以有效实现气液隔离且效率高，测出的压力信号信噪比高。取压处共五个，每处设置一个取压器5，与测量装置的本体同轴设计，复合于测量管道取压处外壁，可实现装置系统整体重心平衡。

环室气液隔离取压器的具体结构为：在测量管道16的取压处与轴线垂直的同一平面的管壁上开设四个取压孔14，水平方向最大直径处两个，垂直方向最大值径处两个，在四个取压孔14的外周固定一个环室结构，该环室与测量管道16本体同轴，固定于测量管道16本体取压处外壁上，形成具有一定容量空间的气液隔离腔室17，在腔室垂直轴线的上方开设有接对外引压管6的引压口，引压口不在四个取压孔14所在的平面上，防止小孔射流直接喷入对外的引压管；在腔室垂直轴线下方设置有排污管7，接排污阀等排污装置。腔室内径为测量装置主管道内径的1.1～2.5倍之间，腔室内部长度为测量装置主管道内径的0.8倍~2.5之间。取压孔的孔径与管道内径之比在0.05~0.15之间，取压孔的高度与管道内径之比在0.06~0.2之间。取压器对外排污孔与内部取压孔不在一个平面上，排污管方向竖直向下，能够实现整体装置同步排污。

根据第一节流装置前差压、第二节流装置的前后差压获得的单相流体流出系数与流体雷诺数的关系图如图5所示，流出系数均为恒定值，从单相流体测量特性上可以看出，文丘里管的收缩段和扩张段均可独立用于流量测量。

第一节流装置前差压、第二节流装置的前\后差压与表征液相含率的L-M参数即X_LM参数的关系图如图6所示，第一节流装置的差压随着X_LM的增大而增大，第二节流装置的前差压随着X_LM的增大而增大，但斜率远大于第一节流装置的斜率；第二节流装置的后差压随着X_LM的增大而逐渐减小，呈现相反的趋势。三级差压随液相含率变化的趋势均具一定的规律性，通过这三级信号的相互补偿，即可实现量程范围的有效拓宽。本实用新型由于引入第二节流装置的后差压信息，在高质量含气率工况下（GMF>60%），可实现气相10:1的测量范围；在低质量含气率（20%<GVF<60%）时，可实现气相5:1的测量范围。

Claims (3)

1.一种双节流三差压湿气两相流测量系统，包括相互连接的第一节流装置和第二节流装置，所述的第一节流装置包括固定在测量管道内的锥体，所述锥体的喉长与管道内径之比在0.3~1.5之间；所述的第二节流装置为文丘里节流装置，其喉部的喉长与其喉部孔径之比在4~8之间，扩张段的扩张角度小于7°；在第一节流装置的上游与喉部分别设置取压处，在第二节流装置的上游与喉部及下游分别设置取压处，第一节流装置的上游与喉部的取压处通过对外引压管连接到第一差压变送器上，第二节流装置的上游与喉部的取压处通过对外引压管连接到第二差压变送器上，第二节流装置的喉部与下游取压处通过对外引压管连接到第三差压变送器上，第一节流装置上游取压处还通过对外引压管连接到一个压力变送器。

2.根据权利要求1所述的双节流三差压湿气两相流测量系统，其特征在于，在测量管道的每个取压处与轴线垂直的同一平面的管壁上开设四个内部取压孔，水平方向最大直径处两个，垂直方向最大值径处两个，在四个内部取压孔的外周固定一个环室结构，该环室与测量管道本体同轴，固定于测量管道本体取压处外壁上，形成具有一定容量空间的气液隔离腔室，在腔室垂直轴线的上方开设有接对外引压管的引压口，引压口与管壁的四个内部取压孔不在同一平面上；在腔室垂直轴线的下方开设有接对外排污管的排污口，排污口与四个内部取压孔不在一个平面上。

3.根据权利要求1所述的双节流三差压湿气两相流测量系统，其特征在于，所述的第二节流装置的下游取压处与扩张管段出口之间的距离为测量管道内径的5~9倍。

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