DE69910447T2

DE69910447T2 - Verfahren zum messen des durchflusses der einzelnen phasen in einer multi-phasen strömung und zugehörige vorrichtung

Info

Publication number: DE69910447T2
Application number: DE69910447T
Authority: DE
Inventors: Paolo Andreussi
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2019-02-20
Also published as: NO20014016L; CA2359622C; AU3272599A; NO20014016D0; DE69910447D1; CA2359622A1; EP1163495A1; NO334054B1; WO2000049370A1; EP1163495B1; US6546809B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Messung der Strömungsrate jeder Phase bei einer Multiphasenströmung, z. B. einer Gas-(oder Dampf-)Strömung bei dem Vorhandensein eines signifikanten Volumenteils von Flüssigkeit. Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsrate der Phasen einer Multiphasenströmung, die gemäß dem Verfahren arbeitet.
Beschreibung des Standes der Technik
Die Messung der Strömungsrate einer Gas-(oder Dampf-)Strömung bei dem Vorhandensein eines signifikanten Volumenteils der Flüssigkeit oder einer Flüssigkeitsströmung bei dem Vorhandensein eines Gases ist ein übliches technisches Problem in der Verfahrenstechnik. Die Koexistenz von zwei Flüssigkeitsphasen ist ebenfalls ein typischer Zustand. Beispiele der Multiphasenströmungen sind anzutreffen bei der Extraktion endogener Fluidi, derart wie flüssige Kohlenwasserstoffe und mit Gas verbundenes Wasser; gasförmigen Kohlenwasserstoffströmungen (Erdgas), die mit einer Flüssigkeitsphase verbunden sind, die aus Wasser oder geothermischen Fluidi besteht, die durch eine aus Wasserdampf bestehende Dampfphase, und zwar als ein Hauptanteil, und Gas, derart wie das H₂S und einer Flüssigkeitsphase gebildet sind, die im Wesentlichen aus Wasser besteht.
Das Messen der Strömungsrate der maßgebenden Phase bei einer Multiphasenfluidströmung kann im Allgemeinen nicht direkt ausgeführt werden, weil die Genauigkeit des Messens zusehends abnimmt, während sich der Volumenanteil der ergänzenden Phase erhöht. Aus diesem Grund wird die Trennung der einzelnen Phasen zuerst ausgeführt, um zwei Monophasenströmungen zur Folge zu haben, wobei deren Strömungsrate dann auf eine leichte und extrem genaue Weise mittels bekannter Geräte gemessen werden kann.
Weil die Lösung die Handhabung der gesamten Strömung des Fluides erfordert, ist die Verwendung einer sehr großen Separationseinrichtung erforderlich und nicht immer ist diese Lösung logistisch ausführbar und/oder wirtschaftlich günstig, insbesondere wenn erhebliche Strömungsraten erforderlich sind.
Die UK-Patentanmeldung Nr. 2 179 156 offenbart die Lösung des Ableitens eines Anteils der Gesamtströmung einer dreiphasigen Mischung, die in einer Leitung strömt, und das Trennen des Anteils in zwei Phasen, um die durchschnittliche Dichte der Flüssigkeitsphase zu messen. Deshalb ist das Entnahme- und Trennverfahren nicht erforderlich, wenn die Flüssigkeitsdichte bekannt ist. Bei der vorstehenden Offenbarung wird insbesondere ein Messgerät vorgeschlagen, das auf der Basis der Detektion arbeitet, und zwar neben der Flüssigkeitsdichte, das Gesamtvolumen der Strömungsrate der Mischung und die durchschnittliche Dichte der Mischung, um die Strömungsrate jeder Phase zu berechnen. Die Vorrichtung gemäß der UK-Patentanmeldung erfordert das Verwenden eines Volumenmessgerätes der Gesamt-Strömungsgeschwindigkeit, wobei das Messgerät wegen Wartungsproblemen Beschränkungen der Verwendung hat. Zum Beispiel würde bei einer Unterwasserinstallation der Vorrichtung das Reparieren oder der Austausch erheblich kostspielig sein.
Außerdem erfordert die Messung der kombinierten Dichte der Mischung üblicherweise die Anwendung eines γ-Strahlenabsorptionsmessgerätes, welches sehr kostspielig und in einem Produktionsbetrieb schwierig zu installieren ist. Außerdem ist, wenn die Dampfphase die maßgebende Phase ist, das Messen der kombinierten Dichte der Mischung mittels eines γ-Strahlendensitometers kaum genau.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Ausführen eines ausreichend genauen Messens der Strömungsrate jeder Phase bei einer Multiphasenfluidströmung vorzusehen, ohne die Notwendigkeit des Verarbeitens der gesamten Strömung, was die Aufteilung der gesamten Strömung in eine Anzahl von Monophasenströmungen bedeuten würde, und ohne die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten der Messvorrichtungen, basierend auf dem Messen der kombinierten Dichte der Flüssigkeitsphase.
Ein anderes Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung vorzusehen, die gemäß dem vorstehenden Verfahren arbeitet.
Diese Ziele werden mit dem Verfahren und der relevanten Vorrichtung für das Messen der Strömungsrate jeder Phase bei einer Multiphasenfluidströmung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht, deren Hauptmerkmale in den beigefügten Patentansprüchen und 1 und 9 definiert sind.
Die Erfindung sieht entsprechend vor, dass in einem Messabschnitt, wo ein Anteil der Gesamtströmung durch zumindest eine Sonde abgetastet wird, ein Zustand einheitlicher Phasengeschwindigkeit eingerichtet wird, das heißt, dass U_L und U_G (örtliche Geschwindigkeiten der Flüssigkeitsphase und der Gasphase) über den Abschnitt konstant sind, sogar wenn im Allgemeinen U_L und U_G unterschiedliche Werte haben. Unter einer derartigen Bedingung kann, wenn A₁ den Bereich des Strömungsausschnittes bezeichnet und A₂ den Bereich des Abtastausschnittes bezeichnet, das heißt, der wirksame Ausschnitt der Sonde (oder der Sonden), durch welche das Abtasten ausgeführt wird, das Abtasten isokinetisch definiert werden, wenn die Abtastströmungsrate tat sächlich gleich dem Verhältnis A₂/A₁ der Gesamtströmungsrate des Fluidströmungskreuzungsabschnitts A₁ ist.
Deshalb werden in dem Fall des isokinetischen Abtastens der Phasen in einem Ausschnitt, in welchem einheitliche Strömungsbedingungen eingerichtet sind (U_L und U_G konstant durch den Ausschnitt), wenn q_L und q_G die Flüssigkeits- und Gasströmungsraten sind, die in dem abgetasteten Anteil gemessen werden, und Q_L und Q_G die Gesamtmassenströmungsraten der Flüssigkeit und des Gases sind, die durch Ausschnitt A₁ strömen, die folgenden Relationen angewendet:
Wenn q = q_G + q_L die abgetastete Gesamtströmungsrate ist und Q = Q_G + Q_L die Gesamtströmungsrate ist, die durch den Messausschnitt strömt, wobei die jeweils linken Seiten und die rechten Seiten der Gleichungen 1a und 1b addiert werden, erhalten wir: q/Q = A2/A1 (2)
Durch das Dividieren der Gleichung 1a durch die Gleichung 1b erhalten wir ferner: QL/QG = qL/qG (3)
Deshalb können in dem Fall isokinetischen Abtastens der Phasen in einem Ausschnitt, in welchem einheitliche Strömungsbedingungen eingerichtet sind, die Gesamtmassen strömungsraten der Flüssigkeit und des Gases Q_L und Q_G theoretisch direkt aus q_L und q_G erhalten werden, die nach dem Abtasten und der Trennung auf der Basis der Relationen (1a) und (1b) gemessen werden.
Gemäß der Erfindung wird die Gesamtströmungsrate Q oder einer ihrer Anteile Q_G oder Q_L durch Messen des Druckabfalls Δp der Strömung in einem verengten Ausschnitt des Bereiches A₁ erhalten, der typischerweise durch eine Düse nahe dem Abtastpunkt auf der Basis der Relation definiert ist, und zwar allgemein gültig für ein Multiphasensystem: Δp = α.Q2 (4)wo α (welches die Dimension eines spezifischen Volumens hat) der Eichkoeffizient der Düse ist, abhängig von der Geometrie des verengten Ausschnittes, den physikalischen Eigenschaften der Phasen und dem Wert des Verhältnisses Q_L/Q_G zwischen den Strömungsraten der Phasen. Für eine bestimmte Geometrie und kleine Abweichungen der physikalischen Eigenschaften und Phasenströmungsraten ist α mit zuverlässiger Näherung konstant.
Eine geeignete Anwendung der Gleichungen (1a), (1b), (2), (3) und (4) ermöglicht das Bestimmen der Strömungsraten der einzelnen Phasen Q_L und Q_G gemäß einigen möglichen Verfahren, was nachstehend beschrieben wird. Es ist bemerkenswert, dass die Ergebnisse dieser Verfahren durch im Wesentlichen vernachlässigbare Fehler beeinflusst werden, sogar wenn der Zustand (2) des isokinetischen Abtastens nur annähernd betroffen ist. Als eine Tatsache ist in einem Zustand, in welchem die Gasphase die maßgebende Phase ist, sogar wenn das Abtasten nur annähernd isokinetisch ist, die Gleichung (1a) sowieso gültig, welche ermöglicht, Q_L aus dem Messen der Strömungsrate der abgetasteten Flüssigkeit q_L und dem bekannten Wert von A₁/A₂ zu erhalten. In den Fällen, in welchen die Flüssigkeitsphase maßgebend ist, sogar wenn das Abtasten nur annähernd isokinetisch ist, ist die Gleichung (3) sowieso gültig. In beiden Fällen des maßgebenden Gases oder der maßgebenden Flüssigkeit ermöglicht das Messen von Q_L oder das Verhältnis Q_L/Q_G in Kombination mit Gleichung (4), Q und die Phasenströmungsraten Q_L und Q_G zu erhalten.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Weise, durch welche einheitliche Geschwindigkeitszustände bei dem Abtastausschnitt eingerichtet werden. In dem Fall der maßgebenden Strömung einer Flüssigkeitsphase können einheitliche Geschwindigkeitszustände der Phasen durch das Ausführen des Abtastens stromabwärts eines verengten Ausschnittes der Leitung, z. B. des Auslassabschnittes einer Düse, mühelos eingerichtet werden, um Bedingungen hoher Turbulenz bzw. Wirbelbewegung der Phasen zu erhalten. Vor der Düse kann eine Mischeinrichtung oder eine statische Mischeinrichtung vorgesehen werden.
Wenn die maßgebende Phase ein Gas ist (oder ein Dampf) und die vereinzelten ringförmigen Strömungsbedingungen in der Leitung eingerichtet sind, ist die durchschnittliche Geschwindigkeit der Phasen U_G und U_L derart, dass U_G beträchtlich größer als U_L sein kann und die Flüssigkeit in der Leitung auch als ein Film an den Leitungswänden und als vereinzelte Tröpfchen in der Gasphase strömen kann. In diesem Fall ist die Flüssigkeitsgeschwindigkeit in dem Film U_L erheblich geringer als die Geschwindigkeit der in dem Gas enthaltenen Tröpfchen und es ist schwierig, Zustände einheitlicher Geschwindigkeit der Flüssigkeit in dem Abtastausschnitt einzurichten. Um dieses Ergebnis zu erreichen, ist es nicht ausreichend, das Abtasten stromabwärts des verengten Ausschnittes einer Düse auszuführen, aber es ist erforderlich, dass der Abtastausschnitt durch einen oder mehrere Ausschnitte der Leitung und der Düse vorausgeht, in welcher der Flüssigkeitsfilm von der Wand entfernt wird und als eine Konsequenz durch die Gasphase zerstäubt und beschleunigt wird.
Das Vorhandensein von Mischeinrichtungen, Düsen und Ausschnitten von geeigneter Geometrie kann nicht ausreichend sein, um homogene Strömungsbedingungen an dem Abtastausschnitt zu garantieren, insbesondere wenn Druckabfälle durch das Abtastsystem so gering wie möglich gehalten werden müssen. Um diesen möglichen Nachteil zu überwinden und im Allgemeinen die Fehler auf ein Minimum zu verringern, ist es ratsam, das Abtasten durch das Anwenden weiterer symmetrisch angeordneter Sonden an geeigneten Positionen auszuführen.
Die abgetasteten Strömungsraten der Flüssigkeit und des Gases q_L und q_G werden bestimmt durch das Anwenden jeweiliger Messgeräte des bekannten Typs für Monophasenströmung, nachdem die Phasentrennung in einem Gas-Flüssigkeit-Separator des bekannten Typs ausgeführt ist, welcher nur einen kleinen Anteil der Gesamtströmungsrate (ungefähr 5% bis 15% der Gesamtströmungsrate, wobei das Erscheinungsbild gleich zu A₂/A₁ ist) zu behandeln hat, und kann deshalb einen einfachen Aufbau und ein sehr kleines Volumen haben. Danach wird das Messen der abgetasteten Ströme in der Hauptströmung wieder vorgenommen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Merkmale und Vorteile des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung und der relevanten Vorrichtung werden aus der folgenden Beschreibung von möglichen, nicht beschränkenden und veranschaulichenden Ausführungsbeispielen einleuchtend sein, und zwar unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen:
1 ein Funktionsschema einer Vorrichtung zum Messen der Strömungsraten von jeder Phase in einer Multiphasenfluidströmung ist, die auf der Basis des Verfahrens der Erfindung arbeitet;
2 eine axial geschnittene Ansicht der Messeinheit der Vorrichtung von 1 ist.
Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine Messeinheit 1 in einem abwärts strömenden vertikalen Abschnitt 2a einer Leitung 2 zwischen zwei angeflanschten Ausschnitten 2b und 2c angeordnet.
Wie nachstehend ausführlicher ausgeführt ist, weist die Messeinheit 1 zwei aufeinander folgende verengte Ausschnitte 3 und 4 mit Bezug auf die Leitung 2 auf, wobei in Übereinstimmung mit dieser jeweilige Differenzialdruckmessgeräte des bekannten Typs montiert sind, schematisch durch 5 und 6 bezeichnet, geeignet für das Ausführen des Messens des Druckabfalls Δp wegen dem Durchgang der Strömung durch die verengten Ausschnitte 3 und 4.
Unmittelbar stromabwärts des ersten verengten Ausschnittes 3 ist eine Abtasteinheit 7 in der Messeinheit 1 montiert, welche nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Die Abtasteinheit 7 hat die Funktion, eine Strömungsrate q von der Gesamtströmung abzuleiten. Die Abtasteinheit 7 steht mit einer Gas-Flüssigkeits-Separatoreinrichtung 8 des bekannten Typs in Verbindung, zu welcher die abgetastete Strömungsrate q durch die Leitung 28, unterbrochen durch ein Ventil 9, zugeführt wird, und in die Flüssigkeits- und Gasbestandteile aufgeteilt wird. Die Flüssigkeitsphase wird aus dem untersten Teil der Separatoreinrichtung 8 durch die Leitung 10 ausgestoßen, während die Gasphase aus dem Oberteil durch Leitung 11 herauskommt.
Leitungen 10 und 11, welche vorgesehen sind, um die flüssige und die gasförmige abgetastete Strömungsrate in Leitung 2 stromabwärts von Einheit 1 zuzuführen, sind durch jeweilige Strömungsmessgeräte 12 und 13 des bekannten Typs unterbrochen, und zwar zum Vorsehen einer kontinuierlichen Strömungsratenmessung. Stromabwärts des Strömungsmessgerätes 12 ist die Flüssigkeitsleitung 10 ebenfalls durch ein Ventil 14 unterbrochen, welches geschlossen werden kann, um eine diskontinuierliche Messung der Flüssigkeitsströmungsrate q_L auszuführen. Die diskontinuierliche Messung wird durch das Bestimmen der Zeitdauer erreicht, die erforderlich ist, um ein zwischen zwei vorausgehenden Höhen enthaltenes Volumen aufzufüllen, und zwar mittels einer Pegelanzeigeeinrichtung 15, die mit der Separatoreinrichtung 8 verbunden ist. Die Pegelanzeigeeinrichtung 15 ist mit einem Differenzialdruckmessgerät ausgerüstet, um die durchschnittliche Dichte der Flüssigkeit zu erhalten, mittels welcher es in dem Fall einer Zweiphasenflüssigkeit möglich ist, die Strömungsrate der zwei Flüssigkeitsphasen zu berechnen, wenn die Dichte von jeder von ihnen bekannt ist.
Stromabwärts des Strömungsmessgerätes 13 ist die Gasleitung 11 durch ein Ventil 16 unterbrochen, welches betätigt wird, um die abgetastete Strömungsrate q zu steuern.
Die jeweilige Anzeigeeinrichtung 29 des absoluten Druckes und die Anzeigeeinrichtung 17 der Temperatur sind mit Leitung 2 stromaufwärts der Messeinheit 1 verbunden, um die Temperatur T und den Druck P des darin strömenden Fluides zu überwachen. Diskontinuierliche Leitungen 30 verkörpern die elektrischen Verbindungen der vorstehend genannten Ventile und Messgeräte mit einem Datenverarbeitungssystem, z. B. ein üblicher Personal-Computer, der nicht gezeigt ist, der mit geeigneten Hardware- und Softwareeinrichtungen ausgerüstet ist, die nicht gezeigt, noch ausführlich beschrieben sind, insoweit sie bekannte Merkmale für einen Fachmann haben. Insbesondere ist das System zum Empfangen und Verarbeiten des Signals geeignet, das durch die Geräte 5, 6, 12, 13, 15, 17 und 29 übertragen wird, um als eine Funktion der empfangenen Signale, das Betätigungssignal an die Ventile 9, 14 und 16 zu senden, und zwar möglicherweise gemäß programmierbaren Arbeitsabläufen.
Unter Bezugnahme ebenfalls auf 2 weist die Messeinheit 1 eine äußere Eindämmungshülle 18 auf, in welcher ein rohrförmiges Glied 19 mit Innenausschnitt gleich dem Leitungsabschnitt axial in Eingriff ist. Die Düsen 20 und 21 sind axial in der Hülle 18 unmittelbar stromaufwärts und stromabwärts des rohrförmigen Gliedes 19 in Eingriff. Sie definieren eingeengte Ausschnitte 3 und 4 mittels kegelstumpfförmiger Oberflächen 20a, 21a, die sich in der Strömungsrichtung von einem Einlassausschnitt, der gleich dem Strömungsausschnitt des rohrförmigen Gliedes 19 ist, erstrecken, wobei sie axial in der Hülle 18 in Eingriff sind. Druckanzeigeeinrichtungen 5 und 6 sind in Übereinstimmung mit den Düsen 20 und 21 installiert. Der Bereich des verengten Ausschnittes jeder Düse ist gleich A₁. Die erste Düse 20 erstreckt sich teilweise in das rohrförmige Glied 19 und hat einen Ring 22 an dem äußeren Ende in der Hülle 18. Das Ende der Leitung 2 hat einen Durchmesser, der gleich dem Einlassdurchmesser der Düse 20 ist und gegen den Ring 22 angrenzt, wobei eine Dichtung dazwischen gelegen ist. Eine Lippe oder ein ringförmiger Vorsprung 22a ist an der inneren Oberfläche des Ringes 22 ausgebildet, um irgendeinen möglichen Flüssigkeitsfilm zu durchbrechen, der entlang der Leitungswand strömt.
Innerhalb des rohrförmigen Gliedes 19 sind Abtastsonden 24 (drei bei dem gezeigten Beispiel) angeordnet, welche winkelmäßig gleich beabstandet sind, wobei jede von ihnen durch eine im Wesentlichen L-förmige Leitung ausgebildet ist, wobei sie einen radialen Abschnitt 24a aufweist, der sich von der inneren Oberfläche des rohrförmigen Gliedes 19 in der Nähe der ersten Düse 20 erstreckt, und ein axialer Abschnitt 24b in Richtung der ersten Düse 20 ausgerichtet ist. Das freie Ende des axialen Abschnittes 24b hat ein kegelstumpfförmiges Profil 24c und definiert eine jeweilige Abtastöffnung zum Unterbrechen der Strömung an dem Auslass der ersten Düse 20. Die Abtastöffnungen definieren als Ganzes den Abtastausschnitt des Bereiches A₂, der bevorzugt zwischen 5 und 15% von A₁ aufweist.
In Übereinstimmung mit den Abtastsonden 24 ist eine umfängliche Nut 19a an der äußeren Oberfläche des rohrförmigen Gliedes 19 nahe der Hülle 18 ausgebildet, um eine ringförmige Kammer 25 in Zusammenarbeit mit der Hülle 18 zu definieren. Axiale Abschnitte 24a der Abtastsonden 24 kommunizieren mit der ringförmigen Kammer 25, welche dann wieder mit einer Auslassleitung 26 kommuniziert, die sich radial und auswärts aus dem ringförmigen Glied 19 durch eine Öffnung 27 erstreckt, die an der Hülle 18 ausgebildet ist. Deshalb kann die gesamte abgetastete Strömungsrate q in den Einlass der Separationseinrichtung 8 von den Sonden 24 durch die Kammer 25, die Leitung 26 und die Leitung 28 strömen.
Stromaufwärts der zweiten Düse 21 ist ein jeweiliger Ring 23 ähnlich vorgesehen, wobei der Ring zwischen der Düse 21 und dem rohrförmigen Glied 19 installiert ist und eine Lippe oder einen ringförmigen Vorsprung 23a mit derselben Funktion wie die des Ringes 22 hat. Ähnliche Düsen 20 und 21 sind so gestaltet, um das Entfernen des Flüssigkeitsfilmes von den Wänden zu ermöglichen und ein Mischen davon zu bewirken. Insbesondere sind sie mit Lippen oder ringförmigen Vorsprüngen 20b und 21b an den Enden ihrer jeweiligen sich einander nähernden Abschnitte versehen.
Das Verfahren zum Ausführen des Messens gemäß der Erfindung ist unterschiedlich, je nachdem, ob ein kontinuierliches oder ein diskontinuierliches Messen und folglich ein kontinuierliches oder diskontinuierliches Abtasten ausgeführt wird.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird vorausgesetzt, dass ein diskontinuierliches Messen ausgeführt wird. Das Abtasten wird durch Öffnen des Ventils 9 ausgeführt und die Menge der abgetasteten Strömung wird mittels des Ventils 16 gesteuert. Diese Steuerung wird am Beginn der Betätigung ausgeführt und muss nur wiederholt werden, wenn wesentliche Änderungen bei den Betriebsbedingungen auftreten. Als ein vorbereitender Schritt, das heißt, wenn das Abtasten wirkungslos bzw. außer Betrieb ist (Ventil 9 geschlossen), wird der Druckabfall ΔP₁, der in der Gesamtströmung Q₁ (unbekannt) vorkommt, durch das Messgerät 6 gemessen, und zwar in Übereinstimmung mit der zweiten Düse 21.
Dann wird der Druckabfall ΔP₂, der in der Strömung Q₂ = Q₁ – q auftritt, das heißt, wenn das Abtasten wirksam wird (Ventil 9 ist offen), durch Messgerät 6 in Übereinstimmung mit der zweiten Düse 21 gemessen. In der Zwischenzeit separiert die Separationseinrichtung 8 die abgetastete Strömungsrate 9 in ihre flüssigen q_L und gasförmigen q_G Bestandteile, welche in die Leitungen 10 und 11 zugeführt und gemessen werden. Während die Flüssigkeitsströmungsrate q_L, sowohl diskontinuierlich durch Ventil 14 und Pegelanzeigeeinrichtung 15, als auch kontinuierlich zumindest bezüglich des Zeitintervalls, während welchem das Abtasten durch das Messgerät 12 (nur ein derartiges Messsystem kann mittelmäßig vorgesehen werden) ausgeführt wird, wobei die Gasströmungsrate q_G auf eine kontinuierliche Weise nur durch das Messgerät 13 über dasselbe Abtastzeitintervall gemessen werden kann.
Das Datenverarbeitungssystem arbeitet auf der Basis eines Algorithmus, welcher Q₁ als den einzigen unbekannten Ausdruck aus der folgenden Relation berechnet:
erhalten aus (4) durch Annehmen, dass der Düsenkoeffizient α unter geringen Abweichungen der Betriebsbedingungen konstant ist.
Um festzustellen, dass das Abtasten in einer isokinetischen Weise ausgeführt ist, muss kontrolliert werden, dass die Gleichung (2) zumindest annähernd erfüllt ist. Der Wert der linken Seite der Gleichung (2) muss zwischen ± 20% des Wertes der rechten Seite aufweisen, welcher durch geometrische Parameter des Messgerätes (verengter Strömungsausschnitt des Bereiches A₁ und Abtastausschnitt des Bereiches A₂) definiert ist. Wenn das nicht der Fall ist, muss das Abtasten mit einer abweichenden Einstellung bzw. Regulierung des Ventils 16 wiederholt werden, bis die vorstehend genannte Bedingung erfüllt ist.
Aus Gleichung (3), welche gültig ist, sogar wenn das Abtasten nur annähernd isokinetisch ist, können Q_G und Q_L, erhalten werden, wenn in Betracht gezogen wird, dass ihre Summe gleich Q₁ ist.
Wenn die maßgebende Phase (wie ein Volumen) die Gasphase ist, haben experimentelle Versuche gezeigt, dass es günstig ist, die Gasströmungsrate aus der Gleichung (5) direkt wie folgt zu erhalten:
und die Flüssigkeitsströmungsrate aus (1a). Dies kann durch die Tatsache gerechtfertigt werden, dass wegen der größeren Trägheit der Flüssigkeit bezüglich des Gases der abgetastete Flüssigkeitsanteil gleich dem Verhältnis A₂/A₁ ist, sogar wenn das Gasabtasten nicht exakt isokinetisch ist.
Es ist bemerkenswert, dass das vorstehend beschriebene Verfahren die Systemeichung erlaubt, das heißt, um das experimentelle Berechnen des Düsenkoeffizienten zu vermeiden, der in Gleichung (4) vorhanden ist. Ferner ist es möglich, wenn das System auf eine kontinuierliche Weise betätigt werden muss, wie dies nachstehend beschrieben wird, die Systemselbsteichung mit dem diskontinuierlichen Verfahren auszuführen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, das kontinuierliche Abtasten und die Messung durch das Verwenden des Druckwertes auszuführen, der entweder an beiden Düsen 20 und 21 oder nur an der zweiten Düse 21 festgestellt wird. In dem ersten Fall werden die folgenden Relationen angewendet: Δp20 = α20·Q1 2 (7) Δp21 = α21·(Q1 – q)2 (8)durch welche die Strömungsraten kreuzende Düsen 20 und 21 (Q₁ bzw. Q₁ – q) auf die jeweiligen Druckabfälle Bezug haben.
Durch Betätigen in einer ähnlichen Weise wie für das diskontinuierliche Abtasten kann Q₁ aus der folgenden Relation erhalten werden:
welche Gleichung (5) ersetzt. Im Allgemeinen ist α₂₀ verschieden von α₂₁ und beide Koeffizienten müssen als eine Funktion der Betriebsbedingungen, der physikalischen Eigenschaften des Fluides und der für jede spezifische Anwendung relevanten Geometrie bekannt sein. Diese Betätigungsweise setzt voraus, dass die Koeffizienten α₂₀, α₂₁ mit ausreichender Genauigkeit mittels Düseneichung oder System-Selbsteichung bekannt sind, die das diskontinuierliche Verfahren verwendet, und insbesondere wird vorausgesetzt, dass ihr Verhältnis als eine Konstante bei der Abweichung der Betriebsbedingungen in Betracht gezogen werden kann.
Die Bestätigung ist, dass das Abtasten isokinetisch geschieht und die Berechnung von Q_G und Q_L wieder mit Gleichungen (2) und (3) jeweils ausgeführt wird. Wie in dem Fall der diskontinuierlichen Messung, wenn die maßgebende Phase die Gasphase ist, geschieht die direkte Berechnung der Gasströmungsrate genauer aus der Relation:
analog der Gleichung (6) und der Flüssigströmungsrate aus Gleichung (1a).
Wie dies vorstehend erwähnt ist, ist ebenfalls eine kontinuierliche Messung möglich, welche, wie in dem diskontinuierlichen Fall, von dem Messen des Druckabfalls Gebrauch macht, der nur von Messgerät 6 der zweiten Düse 21 oder nur von Messgerät 5 der ersten Düse 20 erhalten wird. In diesem Fall muss die Gesamtströmungsrate durch Gleichung (4) berechnet werden, welche für die Düse angewendet wird, die für die Messung verwendet wird. Der Wert des Koeffizienten α ist unter anderem eine Funktion des Verhältnisses X_L zwischen Q_L und Q_G, und die Abhängigkeit muss durch Eichung erhalten werden. Die Gleichung (4) kann umgeschrieben werden als: Δp = α(XL)·(1 + XL)2·QG 2 (11)wo Q² gleich mit (1 + X_L)²·Q² _g und α(X_L) die Abhängigkeit ist, die durch Eichung des Koeffizienten α aus dem Verhältnis X_L bekannt ist. Die Gleichung (11), welche auf Düse 20 oder Düse 21 ohne Unterscheidungen bezogen sein kann, kann bezüglich Q_G gelöst werden, wenn Δp bekannt ist, und zwar mit einem iterativen Verfahren, durch welches ein X_L-Wert als ein erster Versuch auf der Basis eines Wertes von Q_L angenommen wird, der gleich dem aus (1a) berechneten ist. Dieser Wert von Q_L wird im Verlauf der iterativen Berechnung nicht geändert. Der Wert von Q_G wird aus (11) erhalten und wird verwendet, um einen zweiten Wert von X_L zu erhalten. Das Verfahren wird bis zur Annäherung fortgeführt.
Die kontinuierliche Messung erfordert Eichvorgänge, die sogar schwierig sein können, aber erfordert keine Abtastunterbrechungen, und aus diesem Grund kann sie bei einigen Anwendungen bevorzugt werden. Als eine Tatsache kann das kontinuierliche Abtasten, obwohl eventuell weniger genau, leichter praktiziert werden, weil es keine periodische Ventilbetätigung erfordert. Ebenfalls muss bemerkt werden, dass die diskontinuierliche Messung der Flüssigkeitsströmungsrate speziell vorteilhaft, oder sogar erforderlich ist, um sehr niedrige Flüssigkeitsströmungsraten zu messen, welche nicht mittels anderer Verfahren oder Geräte gemessen werden können. Schließlich ist es erwähnenswert, dass, obwohl bei Erhöhung der Kosten, die Vorrichtung in einer derartigen Weise hergestellt werden kann, indem sie sowohl in dem diskontinuierlichen als auch dem kontinuierlichen Modus arbeiten kann, und der diskontinuierliche Modus kann als eine periodische Selbsteichung des kontinuierlichen Modus verwendet werden.
Die Ausschnittsverengungen 3 und 4, die durch Düsen 20 und 21 definiert sind, müssen durch eine Länge des Kanals beabstandet werden, und zwar zumindest gleich fünfmal dem Hauptdurchmesser der Leitung, in welcher die Messeinheit 1 montiert ist, um irgendeine Beeinträchtigung zwischen den jeweiligen Turbulenzen bzw. Wirbelbewegungen, die in dem Fluid veranlasst werden, zu vermeiden.
Es wird erkannt werden, wie das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung es möglich machen, um die Strömungsraten jeder Phase in einer Multiphasenfluidströmung zu erhalten, und zwar durch Wegnehmen einer Proportion der Gesamtfluidströmung mit all den Vorteilen, die diese Art der Betätigung mit sich bringt. Außerdem muss bemerkt werden, dass der maximal auftretende Fehler in irgendeinem Fall völlig kompatibel mit der Mehrzahl der industriellen Anwendungen des Verfahrens ist.
Abweichungen und/oder Modifikationen können bei dem Verfahren zum Messen der Strömungsrate jeder Phase in einer Multiphasenfluidströmung und der relevanten Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung hervorgebracht werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung selbst abzuweichen, wie diese in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist.

Claims

Verfahren für die Messung der Flüssigkeits- und Gasströmungsraten Q_L und Q_G in einer Multiphasenfluidströmung, die in einer Leitung (2) strömt und eine Gesamtströmungsrate Q hat, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte enthält: – Wegnehmen eines Teils der Gesamtströmungsrate Q der Strömung von einem Ausschnitt eines Bereichs A₁, in welchem im Wesentlichen isokinetische Bedingungen bestehen, durch Abtasteinrichtungen (24), die einen Abtastausschnitt eines Bereichs A₂ definieren, wobei A₂ ein Teil von A₁ ist; – Auftrennen des weggenommenen Teils der Fluidströmung in die einzelnen Flüssigkeits- und Gaskomponenten; – Messen der Flüssigkeits- und Gasströmungsraten q_L und q_G, die den weggenommenen Teil der Fluidströmung bilden, und Berechnen ihrer Summe q; – Erhalten von Drucksignalen zum Messen des Druckabfalls Δp, der in der Fluidströmung in wenigstens einem eines ersten verengten Ausschnittes (3) und eines zweiten verengten Ausschnittes (4) auftritt, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Abtastausschnittes liegen; – Berechnen der Gesamtströmungsrate Q oder wenigstens der Strömungsrate Q_G des Gasanteils davon, der in dem entsprechenden verengten Ausschnitt strömt, von dem Druckabfall Δp auf der Basis der Relation Δp = αQ², wobei α der Eichkoeffizient der verengten Ausschnitte ist; – Berechnen des Verhältnisses zwischen dem Strömungsratenwert, der von der Relation erhalten wurde, und der Strömungsrate q des wegge nommenen Teils, um zu verifizieren, daß es wenigstens ungefähr gleich dem Verhältnis A₁/A₂ ist; – Variieren der Abtastteilströmungsrate, wenn das Verhältnis zwischen der Gesamtströmungsrate und der Wegnahmeteilströmungsrate nicht ungefähr gleich A₁/A₂ ist und Wiederholen der Messung; und – Berechnen der Gesamtflüssigkeits- und -gasströmungsraten Q_L und Q_G von den Flüssigkeits-Gasphasenströmungsraten q_L und q_G in dem weggenommenen Teil von den Relationen Q_L =(A₁/A₂)·q_L und Q_G =(A₁/A₂)·q_G
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Schritte: – Erhalten der Drucksignale entsprechend dem zweiten verengten Ausschnitt (21) stromabwärts des Abtastausschnittes in der Abwesenheit und in der Anwesenheit der Abtastung, um die Druckabfälle Δp₁ und Δp₂ entsprechend zu messen, die in der Fluidströmung auftreten; – Erhalten der Gesamtströmungsrate Q₁ von der Relation
wenn die Relation Δp = αQ² verwendet wird, wie bei den Drucksignalen angewandt wurde, die mit und ohne die Abtastung erhalten wurden, wobei der Wert des Koeffizienten α als eine Konstante angenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Schritte: – Erhalten der Drucksignale in den verengten Ausschnitten (20, 21), die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Abtastausschnittes liegen unter Anwesenheit der Abtastung, um die Druckabfälle Δp₂₀ und Δp₂₁ zu messen, die entsprechend in der Fluidströmung auftreten; – Erhalten der Gesamtströmungsrate Q₁ von der Relation
wenn die Relation Δp = αQ² verwendet wird, wie sie auf die Drucksignale von den verengten Ausschnitten angewandt wurde, wobei die Werte der Koeffizienten α₂₀ und α₂₁, durch Eichung erhalten werden.
Verfahren nach Anspruch 1, enthaltend die Schritte: – Erhalten der Drucksignale von entweder dem verengten Ausschnitt, der stromaufwärts oder stromabwärts des Abtastausschnittes (20, 21) liegt, unter Anwesenheit des Abtastens, um den Druckabfall Δp zu messen, der entsprechend in der Fluidströmung auftritt; – Erhalten der Gesamtströmungsrate der Gasphase Q_G durch einen iterativen Prozess von der Relation: Δp = α(XL)·(1 + XL)2·Q2G (11)wenn die Relation Δp = αQ² der Abhängigkeit α(X_L) des Koeffizienten α von dem Verhältnis X_L zwischen den Gesamtflüssigkeits- und -gasströmungsraten Q_L und Q_G verwendet wird, die durch Eichung erhalten wurden.
Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, wobei den Schritten von Anspruch 2 gefolgt wird, um die Eichung der Relation Δp = αQ² für den verengten Ausschnitt sowohl stromabwärts, als auch stromaufwärts des Abtastausschnittes liegend auszuführen.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Teil der Fluidströmung weggenommen wird durch eine Mehrzahl von Abtastöffnungen (24d), die in der Nähe der Längsachse der Leitung (2) liegen.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Verhältnis zwischen der gemessenen Gesamtströmungsrate Q und der weggenommenen Gesamtströmungsrate q ± 20% des Verhältnisses A₁/A₂ ist.
Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen, wobei der Bereich A₂ des Abtastausschnittes zwischen 5 und 15% des Bereichs A₁ des Strömungsausschnittes beträgt.
Vorrichtung zum Messen der Strömungsraten jeder Phase einer Multiphasenfluidströmung gemäß dem Verfahren eines jeglichen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie enthält eine Messeinheit (1), die die Leitung (2) koaxial abfängt, enthaltend wenigstens einen verengten Ausschnitt (3, 4) bezüglich des Ausschnittes der Leitung, Einrichtungen (24) zum Abtasten eines Teils der Fluidströmung, definierend einen Abtastausschnitt, in welchem gleichmäßige Strömungsbedingungen bestehen, welcher Bereich des Abtastausschnittes A₂ ist, das heißt ein Teil des Bereichs A₁ der Leitung, wo das Abtasten durchgeführt wird, Separatoreinrichtungen (8) zum Auftrennen der Phasen des Teils, der mit den Abtasteinrichtungen (24) verbunden ist, Zähleinrichtungen (12, 13, 15) der Werte der Strömungsraten jeder Phase des abgetasteten Teils in Verbindung mit den Separatoreinrichtungen (8), Einrichtungen zum Kontrollieren der Strömungsraten wenigstens einender abgetasteten Teile und der separierten Flüssig- und Gasphasen, Einrichtungen zum Bereitstellen von Drucksignalen (5, 6) in Verbindung mit wenigstens einem der verengten Ausschnitte (3, 4) und Computereinrichtungen zum Verarbeiten der Drucksignale und der Strömungsratenmesssignale und Kontrollieren der Strömung durch die Abtasteinrichtungen in einer solchen Weise, daß das Verhältnis zwischen der abgetasteten Strömungsrate und der Gesamtströmungsrate ungefähr gleich A₂/A₁ ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Messeinheit (1) Mischeinrichtungen des Fluidstroms wenigstens stromaufwärts des Abtastausschnittes enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Messeinheit (1) einen ersten und einen zweiten verengten Ausschnitt (3, 4) enthält, die stromaufwärts bzw. stromabwärts des Abtastausschnittes liegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Abtasteinrichtungen eine Mehrzahl von im Wesentlichen L-förmigen Abtastsonden (24) enthalten, die mit den Separatoreinrichtungen (8) kommunizieren und winkelmäßig gleich beabstandet sind, mit Abtastöffnungen (24d), die den Abtastausschnitt senkrecht zu der Strömungsrichtung definieren und nahe der Längsachse der Leitung (2) liegen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei jede Abtastsonde durch ein Radialteil und ein Axialteil mit einem freien Ende gebildet ist, gemäß dem eine Abtastöffnung gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Messeinheit eine Hülle (18) enthält, mit welcher ein Rohrglied (19) koaxial in Eingriff ist, wobei die ersten und zweiten verengten Ausschnitte (3, 4) definiert sind durch eine erste und eine zweite Düse (20, 21), die koaxial innerhalb der Hülle (18) stromaufwärts bzw. stromabwärts des Rohrgliedes (19) montiert sind, welche Abtastsonden innerhalb der Hülle (18) entsprechend dem Rohrglied (19) verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei jeweilige Lippen (20b, 21b) radial innerhalb der Düsen (20, 21) verlaufen, um jeglichen Flüssigkeitswandfilm zu entfernen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei jeweilige Ringe (22, 23), von denen jeder einen ringförmigen Vorsprung hat, der sich radial einwärts erstreckt, innerhalb der Hülle (18) stromaufwärts einer jeweiligen Düse (20, 21) angeordnet sind.