DE3447656A1

DE3447656A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der durchflussmengen der fluessigen und gasfoermigen phase eines fliessenden zweiphasenfluids

Info

Publication number: DE3447656A1
Application number: DE19843447656
Authority: DE
Inventors: Marcel Arnaudeau; Philipe Paris Rousset
Original assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Current assignee: IFP Energies Nouvelles IFPEN
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1985-07-11
Also published as: NL192543B; GB2152213B; BE901408A; NO159881C; AU573669B2; NO159881B; ES8701378A1; NL8403966A; FR2557690B1; WO1990007100A1; NL192543C; NO845289L; GB8432800D0; US4817439A; CA1232683A; GB2152213A; ES539531A0; AU3724685A; DE3447656C2; FR2557690A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und der gasförmigen Phase eines fließenden Zweiphasenfluids.

Zum Beispiel durch die französische Patentanmeldung Nr. 79 31031 sind Vorrichtungen für das Pumpen eines Zweiphasenf luids bekannt, das aus einem Geraisch von Flüssigkeit und in der Flüssigkeit nicht gelöstem Gas besteht. Diese Vorrichtungen funktionieren jedoch nur bei j enen Werten der Durchflußmengen der beiden Phasen und des Mengenverhältnisses von gasförmiger zur flüssigen Phase (GOR) unter den thermodynamisehen Strömungsbedingungen, die zwischen bestimmten Grenzwerten liegen, welche ihrerseits von der Geometrie und der Kinematik der Vorrichtung abhängen. Daher mußte man Regler verwirklichen, mit welchen am Eingang der Pumpe relativ konstante Durchflußmengen und Mengenverhältnisse gewährleistet werden können.

Um den Betrieb dieser Regler zu ermöglichen, müssen die Werte der Durchflußmengen einer jeden der beiden Phasen und des Mengenverhältnisses des Zweiphasenfluids im Zufluß genau gemessen werden.

Die Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung stellen, mit welchen derartige Messungen durchgeführt werden können.

Daher bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und gasförmigen Phase eines fließenden Zweiphasenfluids, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Zweiphasenfluid derart um eine Längsachse in Drehung gebracht wird, daß eine koaxiale

Strömung erzeugt wird, wobei eine aus der gasförmigen Phase gebildete röhrenförmige Schicht entsteht, die von einer aus der flüssigen Phase gebildeten röhrenförmigen Schicht umgeben wird, ferner dadurch daß im Abfluß jenes Bereiches, in dem das Zweiphasenfluid in Drehung gebracht wird, einerseits die Dicken der röhrenförmigen Schichten der flüssigen und der gasförmigen Phase und andererseits die Strömungsgeschwindigkeit mindestens der flüssigen Phase gemessen werden und ferner dadurch, daß mit Hilfe der gemessenen Werte für die Dicke und die Geschwindigkeit das Volumen und die Masse der Durchflußmengen einer jeden Phase sowie das Mengenverhältnis von gasförmiger zur flüssigen Phase unter den thermodynamischen Bedingungen des Zweiphasenfluids durch Vergleich mit mathematisehen Modellen und/oder Experimenten bestimmt werden.

Diese Messungen können mit jeder angemessenen Methode durchgeführt werden, zum Beispiel mit der Heizdrahttechnik oder mit Hilfe eines Pitotrohres, die Dicke der jeweiligen Schichten wird jedoch am besten durch Messungen der unterschiedlichen Absorption einer Gammastrahlung in den Phasen und die Strömungsgeschwindigkeit nach dem Dopplereffekt bestimmt.

In bestimmten Anwendungsfällen dieses Verfahrens ist das Mengenverhältnis groß, wobei die Dicke der Flüssigkeitsschicht sehr klein ist. Die Genauigkeit der Messungen kann um ein Vielfaches gesteigert werden, wenn die Dicke der Flüssigkeitsschicht für einen kurzen Zeitraum erhöht wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Messungen nach Hinzufügen einer Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser in das fließende Zweiphasenfluid vorgenommen werden und/oder durch Änderung der Drehgeschwindigkeit des Zweiphasenfluids.

In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Dicken- und Geschwindigkeitsmessungen in vorgegebenen Abständen durchgeführt, und das Hinzufügen der zusätzlichen Flüssigkeit und/oder die Änderung der Drehgeschwindigkeit des Fluids wird dann ausgelöst, wenn die

momentanen Werte der Schichtendicke und/oder die Strömungsgeschwindigkeit von den entsprechenden mittleren, vorher gemessenen Werten abweichen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für den Einsatz des obigen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie einen festen, röhrenförmigen Außenbehälter enthält und ferner eine axiale Längswelle, die in dem Behälter angeordnet und an Mittel angeschlossen ist, mit welchen sie mit vorgegebenen, wechselnden Drehzahlen in Drehung gebracht werden kann, ferner einen innen im Außenbehälter koaxial angebrachten röhrenförmigen Behälter, der kraftschlüssig mit der Welle in Drehung gebracht werden kann, wobei sich der Innenbehälter in der Länge nur über einen Teil des Außenbehälters erstreckt, ferner Mittel zur Einführung eines Zweiphasenfluids in den Außenbehälter und Ausgabemittel für das Zweiphasenfluid vom Außenbehälter über den Abfluß des Innenbehälters, wobei der Außenbehälter in einem Bereich zwischen dem Abflußende des Innenbehälters und den Ausgabemitteln Mittel für die Messung der Dicken der röhrenförmigen Schichten der gasförmigen und der flüssigen Phase, welche sich in dem Innenbehälter gebildet haben und ferner Mittel für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit mindestens der flüssigen Phase enthält.

Die Mittel zur Messung der Dicke können eine Gammastrahlungsquelle und eine Anzahl gegenüber angeordneter Gammastrahlungsempfänger enthalten, und die Mittel zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit können nach dem Dopplereffekt arbeiten.

in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Mittel zur Einführung einer Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser vorgesehen, welche am Zufluß des Innenbehälters geregelt wird.

Diese Mittel zur Einführung einer Flüssigkeitsmenge können zum Beispiel jenes Typs sein, wie er in der französischen Patentanmeldung Nr. 82 17245 beschrieben ist.

Günstigerweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Elektromotor mit veränderlicher Drehzahl, welcher die Drehbewegung der Welle und des Innenbehälters antreibt.

Nachstehend wird eine besondere Ausführungsform der Erfindung als nicht erschöpfendes Beispiel anhand beigefügter Zeichnung beschrieben, in welcher wie folgt zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung im Achsschnitt,

Fig. 2 eine Ansicht, ebenfalls im Achsschn'itt, jedoch in größerem Maßstab, des Meßbereiches dieser Vorrichtung,

Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt entlang der Strecke T 5 III-III aus Fig. 2,

Fig. 4 die Veränderung der Dicke der Flüssigkeitsschicht einer koaxialen Zweiphasenströmung je nach Mengenverhältnis von gasförmiger zur flüssigen Phase bei verschiedenen Drehzahlen und konstanter Flüssigkeitsdurchflußmenge,

Fig. 5 die Veränderung dieser selben Dicke je nach Mengenverhältnis bei verschiedenen Durchflußmengen der flüssigen Phase und konstanter Drehzahl,

Fig. 6 die Veränderung der Geschwindigkeit der flüssigen Phase je nach Mengenverhältnis bei verschiedenen Durchflußmengen der flüssigen Phase und konstanter Drehzahl,

Fig. 7 die Veränderung der Geschwindigkeit der flüssigen Phase je nach Mengenverhältnis bei verschiedenen Drehzahlen und konstanter Flüssigkeitsdurchflußmenge. Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Meßvorrichtung enthält einen festen röhrenförmigen Außenbehälter 1, in dessen Innerem koaxial ein röhrenförmiger Innenbehälter 2 angebracht ist, welcher durch einen Motor 3 mit veränderlicher Drehzahl über eine Welle 4 in Drehbewegung gebracht werden kann.

Am Eingang der Vorrichtung ist eine von einer Pumpe gespeiste Vorrichtung zur Flüssigkeitseinspritzung 5 vorgesehen, wie sie zum Beispiel in der französischen Patentanmeldung Nr. 82 17245 beschrieben ist. Die Meßkammer 7 befindet sich gleich im Abfluß des Innenbehälters 2, auf die Meßkammer folgt ein Durchflußregler jeglichen bekannten Typs 8, der sich seinerseits vor dem Ausgang 9 der Vorrichtung befindet.

Die jeweiligen Meßwandler eines Doppler-Senders 10 und eines entsprechenden Empfängers 11 sind in der Meßkammer 7 entlang einer Mantellinie des röhrenförmigen Außenbehälters 1 angeordnet.

Eine Gammastrahlungsquelle 12 und die entsprechenden Empfänger 13 sind in ein und derselben Ebene senkrecht zur Welle 4 angeordnet.

Die Ein- und Ausgänge der Meßmittel 10, 11, 12 und 13 sind an eine Verarbeitungseinheit 14 angeschlossen, die ebenfalls den Betrieb der Pumpe 6 und des Motors 3 mit veränderlicher Drehzahl steuert.

im Betrieb löst der Motor 3 durch den Antrieb des röhrenförmigen Behälters 2 die 'Drehbewegung des in die Vorrichtung dringenden Zweiphasenfluids aus, so daß dieses am Ausgang des Behälters in Form einer inneren röhrenförmigen Gasströmung 15 und einer äußeren röhrenförmigen Flüssigkeitsströmung 16 auftritt. Die Gasströmung hat eine Achsgeschwindigkeit V_, und die Flüssigkeitsströmung hat eine Achsgeschwindigkeit V .

Xj

Die Geschwindigkeit V wird direkt vom Doppler-

Xj

System 10, 11 ermittelt, wohingegen die Dicke e der flüssigen Schicht von der Verarbeitungseinheit 14 mit Hilfe der von den Empfängern 13 gelieferten Signalen ermittelt wird. Die Gammastrahlung wird tatsächlich im wesentlichen von der flüssigen Phase absorbiert, so daß diese Signale für die Dicke e repräsentativ sind.

Bekanntermaßen sind bei einer gegebenen Geometrie der Vorrichtung, bei einer gegebenen Drehgeschwindigkeit

-ίο'- 34Α7656

des Hchcilters 2 und bei einer bestimmten zweiphasigen Durchflußmenge und einem bestimmten Mengenverhältnis die Dicke e der Flüssigkeitsschicht sowie die Geschwindigkeiten V_ und V einer jeden Phase definiert. Daher können die Volumen und Massen der Durchflußmengen sowie die tatsächlichen Mengenverhältnisse unter Berücksichtigung der Gleitgeschwindigkeiten der Phasen anhand der Dicken der Schichten und ihrer Geschwindigkeiten durch Vergleich mit vorher bestimmten Modellen ermittelt werden.

Fig. 4 bis 7 zeigen Beispiele derartiger Beziehungen von Dicke e und Geschwindigkeit V einerseits

Xj

zu dem Mengenverhältnis (GOR) andererseits.

Tatsächlich wurde die Dicke der Flüssigkeitsschicht in diesen Schaubildern auf die dimensionslose Größe ■- gebracht, wobei Re der Innenradius des Behälters 1 und Ri der Außenradius der Welle 4 ist.

Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß man, wenn man die Dicke e der Flüssigkeitsschicht und ihre Achsgeschwindigkeit V_T sowie die Drehzahl W des Motors 3 kennt, daraus zuerst das Mengenverhältnis GOR,und dann die Flüssigkeitsmenge Q ableiten kann, mit welcher sich dann die Gasmenge errechnen läßt.

Für den Fall, daß das Mengenverhältnis zu groß ist, das heißt, daß die Dicke e zu klein ist, um eine gültige Messung mit Hilfe der Empfänger 13 durchführen zu können, dann kann die Verarbeitungseinheit 14 den Betrieb der Pumpe 6 steuern, das heißt die Durchflußmenge Q_n. erhöhen, wodurch die Dicke e, wie sich aus

Xl

Fig. 5 ergibt, vergrößert wird. Die Einheit 14 kann ebenfalls eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit steuern, was auf die Dicke e, wie sich aus Fig. 4 ergibt, die gleiche Auswirkung hat. Aus den so erhaltenen neuen Werten e und V kann man das Mengenverhältnis und die

Xj

geänderte Flüssigkeitsmenge ableiten, und da der Unterschied der Drehgeschwindigkeiten oder der Flüssigkeitsmenge vor und nach der Änderung bekannt ist, kann man

die Dicke e und die Geschwindigkeit V_ vor der Änderung

Xj

ableiten.

In der Praxis werden die Messungen mit einer definierten Häufigkeit durchgeführt, und jede bedeutende Abweichung der momentanen Meßwerte von den mittleren, früher ermittelten Meßwerten bewirkt das Auslösen der Pumpe 6, wodurch die Flüssigkeitsdurchflußmenge erhöht oder
die Drehzahl des Motors 3 geändert wird, so daß eine genaue Messung erfolgt: "■ ' "

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, es lassen
sich verschiedene Varianten und Änderungen beibringen,
die keineswegs über den Rahmen der Erfindung hinausgehen.

Claims

PATENTANWALT!·: - * '..·

STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3447656

W1DENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22

Institut Francais du Petrole 28. Dezember 1984

DEA-2 6 969

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und gasförmigen Phase eines fließenden Zweiphasenfluids

PATENTANSPRÜCHE

1 . Verfahren zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und der gasförmigen Phase eines fließenden Zweiphasenf luids, dadurch gekennzeichnet , daß das Zweiphasenfluid derart um eine Längsachse in Drehung gebracht wird, daß eine koaxiale Strömung erzeugt wird, wobei eine röhrenförmige Schicht (15) entsteht, die aus der gasförmigen Phase gebildet wird und die von einer röhrenförmigen Schicht (16) umgeben wird, die aus der flüssigen Phase gebildet wird, ferner dadurch, daß im Abfluß jenes Bereiches, in dem das Zweiphasenfluid in Drehung gebracht worden ist, einerseits die Dicken der röhrenförmigen Schichten der flüssigen Phase (e) und der gasförmigen Phase und andererseits dio Strömung ijgeschwin-

digkeit mindestens der flüssigen Phase (V ) gemessen werden und ferner dadurch, daß mit Hilfe der gemessenen Werte für die Dicke und die Geschwindigkeit das Volumen und die Masse der Durchflußmengen einer jeden Phase sowie das Mengenverhältnis von gasförmiger zur flüssigen Phase unter den thermodynamischen Bedingungen des Zweiphasenfluids durch Vergleich mit mathematischen Modellen und/oder mit Experimenten bestimmt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der jeweiligen Schichten durch Messungen der unterschiedlichen Absorption einer Gammastrahlung in den genannten Phasen gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Strömungsgeschwindigkeiten nach dem Dopplereffekt gemessen werden.
4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Messungen nach Hinzufügen einer zusätzlichen vorbestimmten Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser, in das durchfließende Zweiphasenfluid durchgeführt werden und/oder durch Änderung der Drehgeschwindigkeit des Zweiphasenfluids.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicken- und Geschwindigkeitsmessungen in vorgegebenen Abständen durchgeführt werden und daß das Hinzufügen der zusatzIichen Flüssigkeit und/oder die Änderung der Drehgeschwindigkeit dann ausgelöst werden, wenn die momentanen Werte der Schichtendicken und/oder der Strömungsgeschwindigkeiten von den entsprechenden mittleren, vorher gemessenen Werten abweichen.
6. Vorrichtung für den Einsatz des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen festen, röhrenförmigen Außenbehälter (1) enthält, ferner eine axiale Längswelle

(4), die in dem Behälter angeordnet und an Mittel (3) angeschlossen ist, mit deren Hilfe sie mit bestimmten wechselnden Drehzahlen in Drehung gebracht werden kann, ferner einen röhrenförmigen Behälter (2), der koaxial innen im Außenbehälter angebracht ist und der kraftschlüssig mit der Welle in Drehung gebracht werden kann, wobei sich der Behälter in der Länge nur über einen Teil des Außenbehälters erstreckt, ferner Mittel zur Einführung eines Zweiphasenfluids in den Außenbehälter und Ausgabemittel (9) für das Zweiphasenfluid vom Außenbehälter über den Abfluß des Innenbehälters, wobei der Außenbehälter in einem Bereich (7) zwischen dem Abflußende des Innenbehälters und den Ausgabemitteln Mittel (12,13) für die Messung der Dicken der röhrenförmigen Schichten der gasför-

migen Phase und der flüssigen Phase, welche sich in dem Innenbehälter gebildet haben, und ferner Mittel (10,11) für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit mindestens der flüssigen Phase enthält.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Mittel für die Dickenmessung eine Gammastrahlungsquelle (12) und eine Anzahl gegenüber angeordneter Gammastrahlungsempfänger (13) enthalten.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit (10,11) nach dem Dopplereffekt arbeiten.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß sie Mittel (5,6) enthält, mit welchen eine Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser eingeführt werden kann, die im Zufluß des Innenbehälters geregelt wird.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Elektromotor mit veränderlicher Drehzahl (3) enthält, welcher die Drehbewegung der Welle (4) und des Innenbehälters (2) antreibt.