JP3678618B2 - Multiphase fluid flow meter and multiphase fluid flow rate calculation method - Google Patents

Multiphase fluid flow meter and multiphase fluid flow rate calculation method Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相流体流量計に関し、より詳細には、タービン質量流量計を用い、油ガス田等から産出される油・水およびガスの混合体からなる多相流体を、各々の流量を相分離することなく、その流量を個別に得る多相流体流量計に関する。
【0002】
【従来の技術】
石油および天然ガスは、水力・原子力と並び現在、主要なエネルギ源であるが、有限の地球資源であり、可採埋蔵量の約半分は開発環境の厳しい深海域あるいは氷海域に属し、しかも、油ガス田は小規模化してきており、これらの坑井から産出される油・水・ガスの混相流(以後、多相流と記す)の分離・精製工程においては、コスト削減のための合理化が求められている。このために、深海域等の坑井から産出される多相流体は、相分離されることなく、陸地に高圧移送され、採油井採収工程を経て分離精製され、油・ガスは目的地に向け送油・送ガスされ、水分は排水処理される。この場合、採油井採収工程に向け高圧移送された多相流体は、まず、採油井の管理や採取工程ないし出荷の管理のために流量計測される。通常、多相流の流量計測においては、相分離工程を経て、ガス・油・水等の単相流にしてから、ガス流量と油および水の各々の流量が計測される。しかし、この方法では、相分離のための設備費用が嵩むという問題点があるため、多相流体の状態のままで、気相のガスおよび液相である油と水の流量を計測できる流量計測技術が要求されている。
【0003】
このため、従来、多相流体を相分離することなく多相流体を計測する多くの試みがなされている。例えば、可動部を持たない多相流体流量計測法として、密度計と超音波流量計を利用した相互相関法によるもので、密度計としてγ線式密度計等を用いて気液二相流の平均密度を測定し、平均密度からボイド率を求めて該ボイド率と超音波流量計で計測した多相流体の体積流量から各々の流量を求める方式である。この場合更に、水分率を計測する要素を追加することによって油および水の流量を測定できるが、γ線式密度計のように高価なセンサを必要とし、コスト高を招くという問題がある。
【0004】
また、Archer等が「水平二相流における流量計測に関するソウトウェアー技術」(SPE Production Engneering August 1991)に記載されているように、気液二相流体が流れている直管の軸方向に定められた数箇所の位置で圧力値と断面平均ボイド率を測定して、測定された圧力と差圧変動波形の統計的特徴とボイド率の統計的特徴とを利用して気液二相流の各相の流体流量を求める方法がある。
【0005】
また、「タービン流量計による気液二相流の各相体積流量の同時計測法」(日本機械学会論文集(B編),62巻593号(1996-1),論文No.95-0135)において、タービン流量計の羽根車の回転数と該タービン流量計の前後の差圧を測定することにより、二相流体の各相の体積流量を同時に計測する方法を提案している。すなわち、タービン流量計に気液二相流を流したときの特性において、タービン流量計の流路断面積Aと翼車平均半径RAおよび回転角速度ωの積に対する体積流量Qの比である無次元数としての回転比εは、羽根車の軸受の摩擦トルクが単相流の場合と同じであるが、気液二相流の流体力による翼車のトルクはボイド率αにより変わること、ホモジナイザの使用により、気液二相流においては、気液体積流量比βが実ボイド率に略等しいことから、回転比εと気液体積流量比βの関係が求められることを応用したものである。
【0006】
更に、本出願人は、以前、ブレードの取り付け角度が異なる2つの羽根車(以後、翼車と記す)をスプリングで同軸に接続し、該2つの翼車の流体トルク差に比例した捩れ偏位の時間差に比例して質量流量を計測するタービン質量流量計を用いて、油・水・ガスの多相流の各相の体積流量および質量流量を計測するものを出願している(特開昭10−281845号公報、以下「先願発明」という)。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記した気液二相流の各相の流量を密度計と超音波流量計を用いて計測する方法は、水分と油とを判別できず、油採掘における油の他に水分を含む液相をもつ多相流体流量計測には適用できない。
【0008】
また、Archer等が提案した圧力波形やボイド率波形を確率的に処理して統計的特徴から各相の流速(見かけの流速)を求める方法は、油田坑口から噴出する多相流をオンラインで計測することを可能とするが、この場合も液相の油と水との流量を求めることが不可能である。更には、流管内において気液二相流の流れを一様化した状態で圧力計や差圧計およびボイド率計等のセンサにより圧力波形やボイド率波形を正しく検出し、流管上流での曲りや勾配による流動変動をなくすためには長大な流管と数多くのセンサを必要としコスト高を招くという問題がある。
【0009】
更に、タービン流量計を用いた気液二相流の各相体積流量の同時計測法においても気液二相流が、油と水およびガスからなる多相流である場合は油と水分を判別できず、油と水各々の体積流量および質量流量を求めることは不可能である。
【0010】
更に、タービン流量計としてブレードの取り付け角度が異なる2つの羽根車(以下、「翼車」という)をスプリングで同軸に接続し、該2つの翼車の流体トルク差に比例した捩れ偏位の時間差に比例して質量流量を計測する方式のものを用いて、油・水・ガスの多相流の各相の体積流量および質量流量を計測する先願発明は、計測の理論や方法について述べられているが、その計算手法や具体的な手段、例えば、回転比や回転トルク比の求め方や各流量の演算方法等が欠落しているために、実際上、多相流量の計測は困難であった。以下、この先願発明の多相流体流量計について説明する。
【0011】
図9は、先願発明に係る多相流体流量計の構成を示す図である。
図中、1はタービン質量流量計、2は流管(多相流体流量計管体)、3′,4′は整流器、5,6は軸受、7は第1翼車、8は第2翼車、9,10は回転軸、11はスプリング、12,13はピックアップ、14′はラインミキサ、15,16は圧力計、17は差圧計、18′は演算部、19は出力部、20は温度計、21は流管である。
【0012】
先願発明に係る多相流体流量計は、図に示すように、タービン質量流量計1の上流側に、流入する多相流を均等に混合するラインミキサ14′が挿着され、タービン質量流量計1の後流に多相流体の温度を計測する温度計20が挿入された流管21が接合されている。
ラインミキサ14′は、45°方向に交差し固定された邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを90°位相をずらして直列に複数個接続したスタティクミキサからなる。
【0013】
また、圧力を測定するためにラインミキサ14′の上流側の2aに圧力計15がタービン質量流量計1の下流側2dに圧力計16が、圧力計15,16から求められる圧力損失ΔPを計測する差圧計17と、更に、タービン質量流量計1で計測された多相流体の体積流量QMPと液体質量流量GLおよび気体体積流量QG,油体積流量QO,水分体積流量QW等を演算出力する変換器18′と出力部19が設けられている。
以下、これら構成要素および出力の演算方法について説明する。
【0014】
タービン質量流量計1は、既知のもので、ブレードの取り付け角度θ1の第1翼車7と、第1翼車7の後流側にスプリング11で同軸に接続された取り付け角度θ2(θ1>θ2)の第2翼車8が、軸受5を有する上流側の整流器3′と、軸受6を有する下流側の整流器4′に、回転軸9と回転軸10とで回転自在に支持されている。第1翼車7と第2翼車8のブレード数は等しく、翼車の回転は、流管2の各々の翼車の周方向で軸方向に並設されたピックアップ12,13により電磁的に検出される。
【0015】
以上のごとく構成されたタービン質量流量計1に、質量流量Gの流体が矢印方向に流速υで流入したとき、スプリング11で連結された各々の翼車は、一体になり流速υに比例した角速度ωで回転する。また、第1翼車7と第2翼車8とはスプリング11で連結されているので、第1翼車7と第2翼車8が流体から受けるトルク差に比例し、スプリング11のバネ定数kで定まる捩り偏位角δが生ずる。
また、翼車全体は流速υに比例した回転角速度ωで回転しているので、ピックアップ12,13の検出信号から翼車が偏位角δだけ回転するのに要する時間tを検出し、捩り偏位角δを求める。
【0016】
前記において、単相流体を計測するタービン流量計では、翼車の回転角速度ωは流速υに比例することを述べた。しかし、この比例関係は、実際のタービン流量計では高レイノルズ(Re数)領域においては成立するが、低Re数領域では成立せず、非線形領域が生ずる。これは、翼車のブレードに作用する単相流の粘性抵抗係数がRe数特性をもっており、層流や層流と乱流の中間域では粘性抵抗係数が変化することによる。その他の理由として、翼車の回転力に比べて軸受摩擦トルクは高Re数領域では無視できるが、低流速域では軸受摩擦域では軸受摩擦トルクの影響を無視できなくなるからである。
【0017】
タービン流量計においては、このような特性を解析するために無次元化した特性式が用いられ、無次元値として、
回転比ε=ARAω/Q
但し、A:流管の通路断面積,RA:翼車の平均半径,Q:体積流量
が求められる。回転比εは、被測定流体を理想流体として翼車の形状寸法および出口流体の遅れに相当する滑り係数のみにより定められる項と、軸受摩擦トルクや流体抵抗による遅れ要素の項の和として各々無次元化され分離算出される。
【0018】
二相流体の場合も、同様の方法により、回転比が求められるが、二相流の場合の回転比εTPは、上記翼車の滑り係数の値が変わらず、これにボイド率αと気相流速υGおよび液相流速υLが、半径r方向に一定と仮定して、二相体積流量QTPおよび質量流量Gを以下のように求める。
【0019】
1.まず、質量流量Gを、第1翼車7と第2翼車8の捩り偏位角δから求める。
2.次に、先に述べた通り、ホモジナイザを使用することにより気液二相流においては、気液体積流量比βが実ボイド率に略等しく、回転比εTPと気液体積流量比βの関係が求められることから、二相体積流量QTPを、翼車の角速度ωと二相流の場合の回転比εTP から求める。
3.差圧計17により求めた圧力計15,16の差圧から圧力損失ΔPを計測し、ボイド率βを求め、液体量(油量+水分量)と気体量(ガス量)を算出する。
4.1.で求めた質量流量Gを、2.で求めた体積流量QTPに液相率(1−β)を乗じた液体流量QTP(1−β)で割り、平均密度を計算し、水分率を求め、油量と水分量を算出する。
【0020】
上記1.〜4.に従って求められた各流量が、十分な精度が得られない要因として、
(1)上流側に翼車ブレード角θ1が下流側翼車ブレード角θ2よりも大きかった。
(2)その演算に使用される演算式は、質量流量計1に流入する多相流が、均一に混合されたものとして理論的に求めたものであるので、スタティクミキサのみからなるラインミキサ14′では、特に、対象が気液流体では、その混合度が十分なものが得られず、中に含まれる気泡が大きく、求められた各流量は、誤差を含んだものとなった。
(3)さらに、上記した体積流量Qを求める演算式は、ボイド率のみの関数と仮定したが、水分率にも関係することが分かったこと、質量流量Gについては、前後翼車の位相差である偏位角δから求まると仮定したが、それ以外、ボイド率及び水分率にも依存することが明らかになったが、上記演算過程ではそれらを加味してなかった。
(4)回転比ε は、一義的に決まる定数ではなく、ボイド率と水分率の複雑な関数である。
上述4つの事項があることが、実験、解析を繰り返し行うことにより判明した。
【0021】
本発明は、先願発明の改良に係り、上述した実情に鑑みてなされたもので、ブレードの取り付け角度が異なる2つの翼車において下流側翼車のブレード角を上流側翼車ブレード角よりも大きくした翼車をスプリングで同軸に接続し、該2つの翼車の流体トルク差に比例した捩れ偏位の時間差に比例して質量流量を計測する方式のタービン質量流量計を用いて、上流側に新たに考案した多相流体を十分に混合するホモジナイザを設け、タービン質量流量計から得られる測定値をより理論式に即したものとし、また、各流量を計算で求める際、体積流量については、ボイド率に加え、水分率を考慮するようにし、質量流量については、ボイド率及び水分率をも考慮するようにして、回転比と、本発明で新たに導入した回転トルク比のボイド率及び水分率との複雑な関数関係をベスト値選択方式を採用し取り込むようにし、より実体に即した油・水・ガスの多相流の各相の体積流量および質量流量をより精度を向上させて計測することを目的とするものである。
【0022】
【課題を解決するための手段】
本発明は、多相流体流量計であって、気体と油および水からなる多相流体が流れる流管内に、スプリングで同軸一体に接続された流れ方向と平行に回転可能に支持されたブレードの取り付け角度の異なる2つの翼車において下流側翼車のブレード角を上流側翼車ブレード角よりも大きくした翼車と、前記流管の前記2つの翼車の周方向で軸方向に並設された2つのピックアップとからなるタービン質量流量計と、前記翼車の上流側に挿着された圧力損失が小さく高効率のホモジナイザと、前記流管内に配置された各構成要素に因る圧力損失を計測するための所定箇所の流体圧を計測する2つの圧力計と、前記2つの圧力計の差圧を計測する差圧計と、前記多相流体の温度を計測する温度計とを具備したことを特徴とするものである。
さらに、本発明は、前記ホモジナイザとして、45°方向に交差し固定された邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを90°位相をずらして直列に複数個接続したスタティクミキサ部と短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合した捻れフィン束部とを連接したホモジナイザを用いたことを特徴とする。
さらに、本発明は、前記捻れフィンエレメントのプレート面に、透孔を設けたことを特徴とする。
さらに、本発明は、前記所定箇所を、前記ホモジナイザの上流、前記ホモジナイザと前記タービン質量流量計の間、前記タービン質量流量計の2つの翼車の間、前記タービン質量流量計の下流としたことを特徴とする。
【0023】
さらに、本発明は、前記各多相流体流量計において、計測時間tの間に計測された前記翼車の回転数Nと、複数回計測され伝送された前記2つの翼車間に生ずる偏位角δの回転時間差△tと、前記差圧計の出力である圧力損失△P、前記多相流体の温度Tの平均値を計算するステップと、
流体温度Tの平均値TAの多項式から、油成分の密度ρO及び水の密度ρWを計算し、前記回転数Nと計測時間tから、回転角速度ωを計算し、時間差△tの平均値△tA、計測時間t、回転数N及びバネ定数kから見掛けの回転トルクMを計算し、これより初期トルクM0を減じて回転トルクMSを計算するステップと、
ある密度階差△ρをもって、階差液相密度を計算するエリアで、初期値ρL1=ρOを与え、ρL2=ρO+△ρを計算するステップと、
水分率計算エリアで、初期値液相密度ρL1から、α1を計算するステップと、
あるボイド率階差(△β)をもって階差ボイド率を計算する階差ボイド率計算エリアで、初期値β1=βm1nを与え、次にβ2=βm1n+△βを計算するステップと、
水分率α(W/C)とボイド率βの関数であるところの回転比εmpの式からεmp1、εmp2を計算し、計算総体積流量Qmp1、Qmp2を、前記回転角速度ω1,ω2に流路断面積A、翼車の平均半径RAを乗じ、それぞれεmp1、εmp2で除して求め、総体積流量Qmp、液相密度ρLと圧力損失△Pの関数である計算ボイド率βE1、βE2を求め、この計算ボイド率βE1、βE2と階差ボイド率β1、β2との差の絶対値△βE1、△βE2を求めるステップと、
求められた△βE1と△βE2を比較し、△βE2≦△βE1なら、βE2とQmp2が記憶され、△βE2>△βE1なら、βE1とQmp1が残り、次のβE3とQmp3とを計算するために、以前のステップに戻り、再び△βE3と△βE2又は、△βE3と△βE1が比較されるステップと、
このようにj=1〜nにわたって、この計算ループが、n回繰り返され、最後まで勝ち残ったQmpjとβEjが、チャンピオン(最良値)QmpbjとβEbjとして残るステップと、
このチャンピオン(最良値)QmpbjとβEbjを用いて、水分率α(W/C)とボイド率βの関数である回転トルク比ξmpに、α1とβEbjを代入して、先に求めた回転トルクMSに流路断面積Aを乗じ、回転トルク比ξmpと最良総体積流量Qmpbj及び翼車の平均半径RAで除して総質量流量Gmp1を求め、この総質量流量Gmp1を最良総体積流量Qmpbjと最良液相率(1−βEbj)で除して、計算液相密度ρLE1を計算し、ρL1とρLE1との差の絶対値△ρLE1を計算し、初期値とするステップと、
次のρLiの計算のため、以前のステップに戻り、△ρLE2と△ρLE1が比較され、△ρLE2≦△ρLE1なら、ρLE2とGmp2が記憶され、△ρLE2>△ρLE1なら、ρLE1とGmp1が残り、次のρLE3とGmp3とを計算するために、以前のステップに戻り、再び△ρE3と△ρE2又は、△ρE3と△ρE1が比較されるステップと、
このように比較値が小さい方のGmp及びρLEが、記憶データとして残り、大きい方のGmp及びρLEは捨てられ、i=1〜nのn回循環計算が行われ、最後まで残ったチャンピオン(最良値)が最良総質量流量Gmpbと最良液相密度ρLbとして選ばれ、それを使って、最終的な水分率αEが計算されるステップと、
最後まで生き残った最良総体積流量Qmpb、最良ボイド率βEb、最良総質量流量Gmpb、最良液相密度ρLb、最終的な水分率αEが出力されるステップと、
この出力された各最良値を用いて、多相流体の体積流量QMPと液体質量流量GLおよび気体体積流量QG,油体積流量QO,水分体積流量QWを演算するステップと、
を備えたことを特徴とする多相流体流量を求める方法である。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の多相流体流量計の構成の一実施例を示す図である。なお、先願発明と同一の構成要素には、同じ符号を付している。
タービン質量流量計1、流管(多相流体流量計管体)2、軸受5,6、第1翼車7、第2翼車8、回転軸9,10、スプリング11、ピックアップ12,13、圧力計15,16、差圧計17、演算部18、出力部19、温度計20、流管21は、先願発明と共通している。
3,4はサポートフィンで、単に軸受5,6を支えるもので格別整流作用は必要としない。
14は先願発明のラインミキサ14′に代わるもので、先願発明のラインミキサ14′と同じ構造のスタティックミキサからなるスタティックミキサ部14−1と、本発明特有の構造である捻れフィン束部14−2とで構成されるホモジナイザである。
【0025】
本発明の多相流体流量計は、タービン質量流量計1の上流側に、流入する多相流を均質に混合するホモジナイザ14が挿着され、タービン質量流量計1の下流に多相流体の温度を計測する温度計20が挿入された流管21が接合されている。
また、ホモジナイザ14の上流側2aに圧力計15が、タービン質量流量計1の下流側2dに圧力計16がそれぞれ配置され、圧力計15,16から求められる圧力損失ΔP(P1−P2)を計測する差圧計17と、更に、タービン質量流量計1で計測された多相流体の体積流量QMPと液体質量流量GLおよび気体体積流量QG,油体積流量QO,水分体積流量QW等を演算出力する演算部18と出力部19が設けられている。
本願発明のこれら構成要素および出力の演算方法について、以下、詳細に説明する。
【0026】
タービン質量流量計1は、前記した通り既知のものである。但し第1翼車7のブレード取付角θ1と第2翼車のブレード取付角θ2はθ1<θ2であること、第1翼車7と第2翼車8のブレードは各々任意の数で等しくなくともよいことである。
【0027】
ホモジナイザ14は、スタティックミキサ部14−1と、捻れフィン束部14−2からなり、スタティクミキサ部14−1は、従来のラインミキサ14′に用いられた45°方向に交差し固定された邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを90°位相をずらして直列に複数個接続したものである。捻れフィン束部14−2は、短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合したものである。
【0028】
図2は、本発明のホモジナイザの一実施例を示す図である。図2(A)は、正面図、図2(B)は、左側面図、図2(C)は、捻れフィンエレメントの構成を示す図である。
流管2内に、スタティックミキサ部14−1と、捻れフィン束部14−2からなるホモジナイザ14が、タービン質量流量計1の上流側に挿着されている。a1,a2は、スタティックミキサ部14−1のスタティックミキサエレメント、b1〜b19は、捻れフィン束部14−2を構成する捻れフィンエレメントで、c1〜c19は、捻れフィンエレメントb1〜b19を固定するリングである。
【0029】
ホモジナイザ14の上流側のスタティックミキサ部14−1は、複数平板を45°方向に交差させた邪魔板からなるスタティックエレメントa1,a2を90°位相をずらせて連接したものである。また、捻れフィン束部14−2は、短冊状のプレートをその長手方向と直角に一回転捻った捻れフィンエレメントb1〜b19の両端をリングc1〜c19に固着し、そのリング同士を、図2(B)の側面図に示すようにパイプ断面全面にわたって概ね19個束ね接合した構成となっている。
【0030】
ホモジナイザ14は、先願発明におけるラインミキサ14′に比べて抵抗係数及び圧力損失が小さく、捻れフィン束部14−2では、ほとんど圧力損失を受けない。また、多相流体が、捻れフィン束部14−2を通過する際、各捻れフィンエレメントb1〜b19の表面に沿って流体が流れることにより、流体は回転させられ、せん断力が作用し、多相流体の中に含まれる気泡は、連続的に次々と切断され、微細化され、ホモジナイザ14の出口では、気泡の大きさが細かく且つ均一なものとなる。そして、それは流管断面全体にわたって同様に作用し、多相流体、特に問題となる気液二相流においては気体と液体が十分に均質に混合されて、あたかも単一相の流体のごとき特性を呈することが分かった。そのため本ホモジナイザを使用することにより、多相流量計は気液体積流量比をボイド率として計測することになり、各相流量計測精度が向上する。
【0031】
また、先願発明におけるラインミキサ14′は、下流に旋回流を発生させるので、タービン質量流量計に流入する前に整流する必要があったが、本発明のホモジナイザ14は、前記したように捩れフィンエレメントb1〜b19が、それに沿って流れる流体に回転運動を与えるが、回転運動は、各捻れフィンエレメント毎に流管断面を分割してそれぞれ独立して発生するため、回転運動による遠心力は互いに打ち消しあって、遠心力のない流れ(旋回流なし)となり、下流には旋回流が発生しないので、本発明では、先願発明において採用されていた整流器3,4が不必要となり、構造上もより簡便なもので済む。
【0032】
以上のごとく構成された本発明の多相流体流量計に、質量流量Gの流体が矢印方向に流速υで流入したときのタービン質量流量計1の作用は、先願発明と同様で、スプリング11で連結された各々の翼車は、一体になり流速υに比例した角速度ωで回転する。また、第1翼車7と第2翼車8とはスプリング11で連結されているので、第1翼車7と第2翼車8が流体から受けるトルク差に比例し、スプリング11のバネ定数kで定まる捩り偏位角δが生ずる。この捩り偏位角δは、多相流の質量流量Gmp及び体積流量Qmpによって変化する。
【0033】
そして、翼車全体は流速υに比例した回転角速度ωで回転しているので、ピックアップ12,13の検出信号から翼車が偏位角δだけ回転するのに要する時間△tを検出し、捩り偏位角δを求める。
この時間差△tは、総質量流量Gmpを決定するために使われ、翼車全体の回転角速度ωは総体積流量Qmpを決定するために使用される。また、温度計により計測された流体温度Tは、液体の密度ρLを補正するために使用される。
この多相流体流量計は、翼車の回転角速度ω、時間差△t、流体温度T及び圧力損失△Pを測定することによって、油、水及びガスからなる三相流体の各流量を求めるものである。
【0034】
総体積流量Qmpは、前記無次元化した特性式における無次元値である回転比εmpとの関係から次式で表わされる。
mp=ARAω/εmp …(1)
ただし A:流管断面積=π(Ra 2−Rb 2
ここで
a:翼車外半径
b:翼車内半径
A:翼車の平均半径
(={(Ra 2+Rb 2)/2}1/2
【0035】
また、圧力損失△Pは、次式で表わされる。
△P=c1ρL(1−β)2-Zmp 2 …(2)
ここで
ρL:液相密度
β:ガスボイド率
1:実験によって定まる定数
Z:実験によって定まる指数
【0036】
そして、2つの翼車7,8間に生じた偏位角度δと翼車が流体のエネルギーから受ける回転トルクMSの間には、次の釣合関係式が得られる。

Figure 0003678618
ここで
ρmp:流体密度
υmp:流体速度
mp:流体の質量流量
ξmp:回転トルク比
【0037】
従って、三相流の質量流量 Gmp
mp =k・δ・A/〔ξmp・Qmp・RA〕 …(4)
また、液相密度ρL
ρL =Gmp /〔(1−β)・Qmp 〕 …(5)
と表わされる。
一方、油の密度ρo及び水の密度ρWは、一般的に温度Tの関数であるから、流体の温度を測定することによって計算でき、
ρO=f3(T) …(6)
ρW=f4(T) …(7)
と表わされる。
水分率αは、液相密度ρLとの関係で次式が成り立つ。
ρL=αρW+(1−α)ρO …(8)
【0038】
従って、水分率αは
α=(ρL−ρO)/(ρW−ρO) …(9)
よって、液相の体積流量QL
L=(1−β)Qmp …(10)
なので、油の体積流量QO及び水の体積流量QW
O=(1−α)QL …(11)
W=α・QL …(12)
と表すことが出来る。
液相流の質量流量GL、油の質量流量GO、及び水の質量流量GWは、それぞれ、
L=ρL・QL …(13)
O=ρO・QO …(14)
W=ρW・QW …(15)
と表わされる。
【0039】
以上(1)〜(15)式を、演算部18で、繰り返しのループ計算方式により自動的に計算する。
図3は、この繰り返しのループ計算方式の処理手順を示すフローチャート図である。
これらの式において最も重要なファクタは、回転比εmpと回転トルク比ξmpであるが、これらは一義的に決まる定数ではなく、実験の結果、ガスボイド率βと水分率α(W/C)の複雑な関数であることが分かった。
図4及び図5は、ガス−油−水からなる三相流の回転比εmpと回転トルク比ξmp それぞれの水分率α(W/C)をパラメータとしたガスボイド率βの特性の測定例を示す図である。
この図から分かるように、回転比εmpと回転トルク比ξmpは、両方ともボイド率βの上昇に伴ってスリップが大きくなってくると言える。しかも、水分率α(W/C)が、パラメータとなって上下している。 これは、油と水の混相では、油中水と水中油で劇的な粘度変化があり、それにガスがからまった三相粘度が、複雑に翼車の軸と軸受けの摩擦係数に影響を与えているからと推察される。
しかしながら、ガスボイド率βと水分率α(W/C)の関数として表せないことはない。したがって、便宜的に
εmp=f1(α,β) …(16)
ξmp=f2(α,β) …(17)
として表すことにする。
【0040】
本発明に係るループ計算方式を若干説明すると、ボイド率βと水分率α(W/C)が、全ての流量値に絡んでくるため、液相密度決定のための大ループ計算と、その中に含まれるボイド率決定のための小ループ計算から構成されている。これは数学的に表現すれば、i×j個のマトリックス計算をしていることになる。
図6は、液相密度ρLとボイド率βの関係のマトリックスを示す図である。
即ち1計測ポイントにおいて、図6のごとく液相密度のキャンディデートi個とボイド率のキャンディデートj個の中から例えば斜線部に示す最良値1組が選ばれる手法である。
【0041】
以下、図3のフローチャートを、詳細に説明する。
まず、翼車の平均半径RA、流路断面積A、バネ定数k、スプリング初期トルクMO及び以後の計算に必要な円周率(π)の値、重力加速度(g)の値など定数設定を予め演算部16に入力する(ステップS1)。
計測時間tの間に、計測された翼車の回転数Nと、複数回計測され伝送された前記測定値である時間差△t、圧力損失△P、流体温度Tの平均値を計算する(ステップS2)。
流体温度Tの平均値TAの多項式から、油成分の密度ρO及び水の密度ρWを計算し、前記回転数Nと計測時間tから、回転角速度ωを計算し、時間差△tの平均値△tA、計測時間t、回転数N及びバネ定数kから見掛けの回転トルクMを計算し、これより初期トルクM0を減じて回転トルクMSを計算する(ステップS3)。
【0042】
ある密度階差△ρをもって、階差液相密度を計算するエリアで、初期値ρL1=ρOを与え、ρL2=ρO+△ρを計算する(ステップS4)。
水分率計算エリアで、初期値液相密度ρL1から、α1を計算するステップS5)。
あるボイド率階差(△β)をもって階差ボイド率を計算する階差ボイド率計算エリアで、初期値β1=βm1nを与え、次にβ2=βm1n+△βを計算する(ステップS6)。
水分率α(W/C)とボイド率βの関数であるところの回転比εmpの式からεmp1、εmp2を計算し、計算総体積流量Qmp1、Qmp2を、前記回転角速度ω1,ω2に流路断面積A、翼車の平均半径RAを乗じ、それぞれεmp1、εmp2で除して求め、総体積流量Qmp、液相密度ρLと圧力損失△Pの関数である計算ボイド率βE1、βE2を求め、この計算ボイド率βE1、βE2と階差ボイド率β1、β2との差の絶対値△βE1、△βE2を求める(ステップS7)。
【0043】
次に、求められた△βE1と△βE2を比較し、△βE2≦△βE1なら、βE2とQmp2が記憶され、△βE2>△βE1なら、βE1とQmp1が残り、次のβE3とQmp3とを計算するために、ステップS6に戻り、ステップS7を介し、再び△βE3と△βE2又は、△βE3と△βE1が比較される(ステップS8)。
このようにj=1〜nにわたって、この計算ループが、n回繰り返され、最後まで勝ち残ったQmpjとβEjが、チャンピオン(最良値)QmpbjとβEbjとして残る(ステップS9)。
次に、このチャンピオン(最良値)QmpbjとβEbjを用いて、水分率α(W/C)とボイド率βの関数である回転トルク比ξmpに、α1とβEbjを代入して、先に求めた回転トルクMSに流路断面積Aを乗じ、回転トルク比ξmpと最良総体積流量Qmpbj及び翼車の平均半径RAで除して総質量流量Gmp1を求め、この総質量流量Gmp1を最良総体積流量Qmpbjと最良液相率(1−βEbj)で除して、計算液相密度ρLE1を計算し、ρL1とρLE1との差の絶対値△ρLE1を計算し、初期値とする(ステップS10)。
【0044】
そして、次のρLiの計算のため、ステップS4に戻り、ステップS5〜S10を経て、△ρLE2と△ρLE1が比較され、△ρLE2≦△ρLE1なら、ρLE2とGmp2が記憶され、△ρLE2>△ρLE1なら、ρLE1とGmp1が残り、次のρLE3とGmp3とを計算するために、ステップS4に戻り、ステップS5〜S10を介し、再び△ρE3と△ρE2又は、△ρE3と△ρE1が比較される(ステップS11)。
このように比較値が小さい方のGmp及びρLEが、記憶データとして残り、大きい方のGmp及びρLEは捨てられ、i=1〜nのn回循環計算が行われ、最後まで残ったチャンピオン(最良値)が最良総質量流量Gmpbと最良液相密度ρLbとして選ばれ(ステップS12)、それを使って 最終的な水分率αEが計算される(ステップS13)。
【0045】
そして、最後まで生き残った最良総体積流量Qmpb、最良ボイド率βEb、最良総質量流量Gmpb、最良液相密度ρLb、最終的な水分率αEが出力される(ステップS14)。
この出力された各最良値を用いて、多相流体の体積流量QMPと液体質量流量GLおよび気体体積流量QG,油体積流量QO,水分体積流量QW等を演算部18で演算し、出力部19から出力する。
このようにして求められた各流量は、実体にあったもので、十分に実用に耐える精度を有することが証明された。
【0046】
図7は、本発明のホモジナイザの他の実施例を示す図である。図7(A)は、正面図、図7(B)は、左側面図、図7(C)は、捻れフィンエレメントの構成を示す図である。
本実施例に係るホモジナイザは、図2のものと比べ全体構成は、同じであるが、捻れフィンエレメントの構成が相違する。図7(C)に示すように、各捻れフィンエレメントに円形の透孔d1〜dN(Nは任意数)が、並べて設けられている。
本実施例の特性も、図2のものとほとんど変わらないが、ホモジナイザ下流の気・液混合流体に含有される気泡の大きさは、捻れフィンエレメントb′1〜b′19に開けられた透孔d1〜dNにより、気泡の切断が促進され、図2のものに比べて、さらに細かく且つ均一になることが分かった。
この実施例に係るホモジナイザを使用することにより、より測定精度の向上をはかることができる。
【0047】
図8は、本発明の多相流体流量計の差圧を取り出すための圧力計の設置箇所の他の例を示す図である。
図1の実施例では、多相流体流量計の差圧を取り出すための圧力計の設置箇所を、ホモジナイザ14の上流側2aとタービン質量流量計1の下流側2dに配置し、差圧ΔPを採用したが、多相流体流量計が設置された流管2内に配置された前記ホモジナイザ14、前記タービン質量流量計1の各構成要素に因る圧力損失を計測できる箇所ならどこでもよく、例えば、図8に示すようにホモジナイザ14の上流2a、ホモジナイザ14とタービン質量流量計1の間2b、タービン質量流量計1の第1翼車7と第2翼車8の間2c、タービン質量流量計1の下流2dのうちの任意の2カ所を選択し、その差圧△P、△P1〜△P5を演算に採用すればよい。
【0048】
【発明の効果】
本発明によれば、上流側に測定対象の油・水・ガスからなる多相流体の混合効率が高く、気泡の微細化、均質化に優れているホモジナイザ、下流側にタービン質量流量計を設け、ホモジナイザの上流とタービン質量流量計の下流の間の圧力損失を生ずる任意の箇所の差圧を計測するようにしたので、遠隔移送された油・水・ガスからなる多相流体を相分離することなく安価に正確な油体積流量,水体積流量およびガス体積流量を計測することができる。
【0049】
さらに、本発明によれば、ホモジナイザは、下流に旋回流を発生しないので、間に整流器を設けなくてもタービン質量流量計の測定精度に影響を与えなく、高精度な質量流量および体積流量を計測することができる。
【0050】
さらに、本発明によれば、検出された測定値から各流量を計算で求める際、体積流量にボイド率に加え、水分率を考慮し、質量流量については、ボイド率及び水分率をも考慮するようにして、その上、回転比と、回転トルク比のボイド率及び水分率との複雑な関数関係をベスト値選択方式を採用し取り込むようにし、より実体に即した油・水・ガスの多相流の各相の体積流量および質量流量を得ることができる。
また、ベスト値選択方式による計算は、繰り返し演算は必要であるものの演算そのものは簡単で、演算部のマイクロコンピュータなら短時間で計算可能で、オンラインで各流量を求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の多相流体流量計の一実施例の構成を示す図である。
【図2】 図1の多相流体流量計に用いられるホモジナイザの一実施例の構成を示す図である。
【図3】 本発明の多相流体流量計において実施される多相流体流量を求める演算処理手順を示すフローチャート図である。
【図4】 ガス−油−水からなる三相流の回転比εmp の水分率α(W/C)をパラメータとしたガスボイド率βの特性の測定例を示す図である。
【図5】 ガス−油−水からなる三相流の回転トルク比ξmpの水分率α(W/C)をパラメータとしたガスボイド率βの特性の測定例を示す図である。
【図6】 本発明の多相流体流量を求める演算処理の一部を説明するための液相密度ρLとボイド率βの関係のマトリックスを示す図である。
【図7】 図1の多相流体流量計に用いられるホモジナイザの他の実施例を示す図である。
【図8】 本発明の多相流体流量計の差圧を取り出すための圧力計の設置個所の他の例を示す図である。
【図9】 先願発明に係る多相流体流量計の構成を示す図である。
【符号の説明】
1…タービン質量流量計、2…流管(タービン質量流量計管体)、3,4…サポートフィン、3′,4′…整流器、5,6…軸受、7…第1翼車、8…第2翼車、9,10…回転軸、11…スプリング、12,13…ピックアップ、14…ホモジナイザ、14′…ラインミキサ、15,16…圧力計、17…差圧計、18…演算部、19…出力部、20…温度計、21…流管。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a multi-phase fluid flow meter, and more specifically, a multi-phase fluid composed of a mixture of oil / water and gas produced from an oil / gas field or the like using a turbine mass flow meter. The present invention relates to a multiphase fluid flow meter that individually obtains the flow rate without phase separation.
[0002]
[Prior art]
Oil and natural gas are currently the main energy sources as well as hydropower and nuclear power, but they are finite earth resources, and about half of the recoverable reserves belong to deep seas or ice seas where the development environment is severe, Oil and gas fields are becoming smaller, and rationalization for cost reduction is achieved in the separation and refining process of multiphase flow (hereinafter referred to as multiphase flow) of oil, water, and gas produced from these wells. Is required. For this purpose, the multiphase fluid produced from wells in the deep sea area, etc. is transferred to the land at high pressure without being phase-separated, separated and refined through the extraction well collection process, and oil and gas are delivered to the destination. Oil and gas are sent to the water, and water is drained. In this case, the flow rate of the multiphase fluid that has been transferred to the oil collection well collecting process at high pressure is first measured for the management of the oil collection well, the sampling process, or the shipment. Usually, in the flow measurement of a multiphase flow, the gas flow rate and the respective flow rates of oil and water are measured after a single-phase flow of gas, oil, water, etc. through a phase separation step. However, this method has the problem of increasing the cost of equipment for phase separation, so it is possible to measure the flow rate of gas and liquid oil and water in the state of a multiphase fluid. Technology is required.
[0003]
For this reason, many attempts have been made to measure a multiphase fluid without phase separation of the multiphase fluid. For example, a multiphase fluid flow measurement method without moving parts is based on a cross-correlation method using a density meter and an ultrasonic flow meter, and a gas-liquid two-phase flow is measured using a γ-ray density meter as a density meter. In this method, the average density is measured, the void rate is obtained from the average density, and the respective flow rates are obtained from the void rate and the volume flow rate of the multiphase fluid measured by an ultrasonic flowmeter. In this case, the flow rate of oil and water can be measured by adding an element for measuring the moisture content, but there is a problem that an expensive sensor such as a γ-ray density meter is required and the cost is increased.
[0004]
As described in Archer et al., “Software Technology for Flow Rate Measurement in Horizontal Two-Phase Flow” (SPE Production Engneering August 1991), it is defined in the axial direction of a straight pipe through which gas-liquid two-phase fluid flows. The pressure value and cross-sectional average void fraction were measured at several locations, and each of the gas-liquid two-phase flow was measured using the measured pressure, the statistical characteristics of the differential pressure fluctuation waveform, and the statistical characteristics of the void ratio. There is a method for determining the fluid flow rate of the phase.
[0005]
Also, "Simultaneous measurement method for volume flow of each phase of gas-liquid two-phase flow with turbine flow meter" (The Japan Society of Mechanical Engineers, Proceedings B, Vol.62, No.593 (1996-1), Paper No.95-0135) Proposed a method for simultaneously measuring the volume flow of each phase of a two-phase fluid by measuring the rotational speed of the impeller of the turbine flow meter and the differential pressure before and after the turbine flow meter. That is, in the characteristics when a gas-liquid two-phase flow is passed through the turbine flow meter, the flow passage cross-sectional area A and the impeller average radius R of the turbine flow meterAThe rotation ratio ε as a dimensionless number, which is the ratio of the volumetric flow rate Q to the product of the rotational angular velocity ω, is the same as the case where the friction torque of the impeller bearing is a single-phase flow, but the flow of gas-liquid two-phase flow The impeller torque due to physical strength varies depending on the void ratio α. By using a homogenizer, the gas-liquid volume flow ratio β is approximately equal to the actual void ratio in the gas-liquid two-phase flow. It applies that the relationship of the flow rate ratio β is required.
[0006]
Further, the present applicant previously connected two impellers (hereinafter referred to as impellers) having different blade mounting angles coaxially with springs, and the torsional displacement proportional to the fluid torque difference between the two impellers. An application has been filed for measuring the volumetric flow rate and mass flow rate of each phase of a multiphase flow of oil, water, and gas using a turbine mass flow meter that measures the mass flow rate in proportion to the time difference of No. 10-281845, hereinafter referred to as “prior application”).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
The method of measuring the flow rate of each phase of the gas-liquid two-phase flow described above using a density meter and an ultrasonic flow meter cannot discriminate between water and oil, and a liquid phase containing moisture in addition to oil in oil mining. It cannot be applied to multiphase fluid flow measurement.
[0008]
The method proposed by Archer et al. For probabilistically processing the pressure waveform and void fraction waveform to determine the flow velocity (apparent flow velocity) of each phase from statistical characteristics is measured online for multiphase flow ejected from the oilfield wellhead. In this case as well, it is impossible to determine the flow rates of the liquid phase oil and water. Furthermore, pressure and void rate waveforms are correctly detected by sensors such as pressure gauges, differential pressure gauges and void rate meters with the gas-liquid two-phase flow in the flow tube made uniform, and bending upstream of the flow tube is detected. In order to eliminate the flow fluctuation due to the gradient, a long flow tube and a large number of sensors are required, resulting in a high cost.
[0009]
Furthermore, even in the simultaneous measurement method of each phase volume flow rate of gas-liquid two-phase flow using a turbine flow meter, if the gas-liquid two-phase flow is a multi-phase flow consisting of oil, water and gas, the oil and moisture are distinguished. It is not possible to determine the volume and mass flow rates of oil and water, respectively.
[0010]
Further, two impellers (hereinafter referred to as “impellers”) having different blade mounting angles as turbine flow meters are connected coaxially by springs, and the time difference of torsional displacement is proportional to the fluid torque difference between the two impellers. The invention of the prior application that measures the volumetric flow rate and mass flow rate of each phase of oil, water, and gas multiphase flow using a method that measures mass flow rate in proportion to the However, due to the lack of calculation methods and specific means, such as how to calculate the rotation ratio and rotation torque ratio, and how to calculate each flow rate, it is actually difficult to measure multiphase flow rates. there were. The multiphase fluid flow meter of the prior invention will be described below.
[0011]
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a multiphase fluid flow meter according to the invention of the prior application.
In the figure, 1 is a turbine mass flow meter, 2 is a flow tube (multiphase fluid flow meter tube), 3 'and 4' are rectifiers, 5 and 6 are bearings, 7 is a first impeller, and 8 is a second blade. Car, 9 and 10 are rotating shafts, 11 are springs, 12 and 13 are pickups, 14 'is a line mixer, 15 and 16 are pressure gauges, 17 is a differential pressure gauge, 18' is a calculation unit, 19 is an output unit, and 20 is A thermometer 21 is a flow tube.
[0012]
As shown in the figure, the multiphase fluid flow meter according to the invention of the prior application is inserted with a line mixer 14 ′ for evenly mixing the inflowing multiphase flow on the upstream side of the turbine mass flow meter 1, and the turbine mass flow rate is A flow tube 21 into which a thermometer 20 for measuring the temperature of the multiphase fluid is inserted is joined to the downstream of the total 1.
The line mixer 14 'is formed of a static mixer in which a plurality of static mixer elements formed by baffle plates that intersect and are fixed in the 45 ° direction are connected in series with a 90 ° phase shift.
[0013]
In order to measure the pressure, the pressure gauge 15 is measured 2a upstream of the line mixer 14 ', the pressure gauge 16 is measured downstream 2d of the turbine mass flow meter 1, and the pressure loss ΔP obtained from the pressure gauges 15 and 16 is measured. The differential pressure gauge 17 and the volume flow rate Q of the multiphase fluid measured by the turbine mass flow meter 1.MPAnd liquid mass flow rate GLAnd gas volume flow QG, Oil volume flow QO, Moisture volume flow QWA converter 18 ′ for outputting and the like and an output unit 19 are provided.
Hereinafter, these components and the calculation method of the output will be described.
[0014]
The turbine mass flow meter 1 is a known one, and the first impeller 7 having a blade attachment angle θ1 and the attachment angle θ2 (θ1> θ2) connected coaxially by a spring 11 on the downstream side of the first impeller 7. The second impeller 8 is supported on the upstream rectifier 3 ′ having the bearing 5 and the downstream rectifier 4 ′ having the bearing 6 so as to be rotatable by the rotating shaft 9 and the rotating shaft 10. The number of blades of the first impeller 7 and the second impeller 8 is equal, and the rotation of the impeller is electromagnetically caused by pickups 12 and 13 arranged in the axial direction in the circumferential direction of the respective impellers of the flow tube 2. Detected.
[0015]
When a fluid having a mass flow rate G flows into the turbine mass flow meter 1 configured as described above at a flow velocity υ, the respective impellers connected by the springs 11 become an angular velocity proportional to the flow velocity υ. Rotates at ω. Further, since the first impeller 7 and the second impeller 8 are connected by the spring 11, the spring constant of the spring 11 is proportional to the torque difference received by the first impeller 7 and the second impeller 8 from the fluid. A torsional deviation angle δ determined by k is generated.
Further, since the entire impeller rotates at a rotational angular velocity ω proportional to the flow velocity υ, the time t required for the impeller to rotate by the deviation angle δ is detected from the detection signals of the pickups 12 and 13, and the torsional deviation is detected. The position angle δ is obtained.
[0016]
In the above description, it has been described that the rotational angular velocity ω of the impeller is proportional to the flow velocity υ in the turbine flowmeter that measures a single-phase fluid. However, this proportional relationship is established in a high Reynolds (Re number) region in an actual turbine flow meter, but is not established in a low Re number region, and a nonlinear region occurs. This is because the viscous resistance coefficient of the single-phase flow acting on the blades of the impeller has Re number characteristics, and the viscous resistance coefficient changes in the middle region between laminar flow and laminar flow and turbulent flow. Another reason is that the bearing friction torque is negligible in the high Re number region compared to the rotational force of the impeller, but the influence of the bearing friction torque cannot be ignored in the bearing friction region in the low flow velocity region.
[0017]
In turbine flowmeters, dimensionless characteristic formulas are used to analyze such characteristics, and as dimensionless values,
Rotation ratio ε = ARAω / Q
Where A: passage cross-sectional area of flow tube, RA: Average radius of impeller, Q: Volume flow rate
Is required. The rotation ratio ε is the sum of the term determined by only the slip coefficient corresponding to the shape of the impeller and the delay of the outlet fluid with the fluid to be measured as the ideal fluid, and the term of the delay element due to the bearing friction torque and fluid resistance. Dimensionalized and calculated separately.
[0018]
In the case of a two-phase fluid, the rotation ratio can be obtained by the same method.TPThe value of the slip coefficient of the impeller does not change, and the void ratio α and the gas phase flow velocity υGAnd liquid flow velocity υLIs assumed to be constant in the radius r direction,TPAnd the mass flow rate G is determined as follows.
[0019]
1. First, the mass flow rate G is obtained from the torsional deviation angle δ of the first impeller 7 and the second impeller 8.
2. Next, as described above, by using a homogenizer, in the gas-liquid two-phase flow, the gas-liquid volume flow ratio β is substantially equal to the actual void ratio, and the rotation ratio εTPAnd the gas-liquid volume flow ratio β is required, the two-phase volume flow rate QTPIs the angular velocity ω of the impeller and the rotation ratio ε for two-phase flow.TP Ask from.
3. The pressure loss ΔP is measured from the differential pressure of the pressure gauges 15 and 16 obtained by the differential pressure gauge 17, the void ratio β is obtained, and the liquid amount (oil amount + water amount) and the gas amount (gas amount) are calculated.
4.1. 2. Determine the mass flow rate G obtained in step 2 above. Volume flow rate Q obtained byTPLiquid flow rate Q multiplied by liquid phase ratio (1-β)TPDivide by (1-β), calculate the average density, determine the moisture content, and calculate the oil amount and the moisture amount.
[0020]
Above 1. ~ 4. As a factor that each flow rate obtained according to
(1) On the upstream side, the impeller blade angle θ1 was larger than the downstream impeller blade angle θ2.
(2) The calculation formula used for the calculation is theoretically obtained by assuming that the multiphase flow flowing into the mass flow meter 1 is uniformly mixed, and therefore, a line mixer consisting only of a static mixer. In the case of 14 ', in particular, when the object is a gas-liquid fluid, a sufficient degree of mixing cannot be obtained, the bubbles contained therein are large, and each obtained flow rate includes an error.
(3) Furthermore, although the calculation formula for obtaining the volume flow rate Q is assumed to be a function of only the void fraction, it has been found that it is also related to the moisture fraction, and the mass flow rate G is the phase difference between the front and rear impellers. It was assumed that the angle was obtained from the deviation angle δ, but it was clarified that it depends on the void ratio and the moisture ratio, but it was not taken into account in the above calculation process.
(4) The rotation ratio ε is not a constant that is uniquely determined, but is a complex function of the void fraction and moisture content.
It was found by repeating the experiment and analysis that the above four items exist.
[0021]
The present invention relates to an improvement of the invention of the prior application, and has been made in view of the above situation. In two impellers having different blade mounting angles, the blade angle of the downstream impeller is made larger than the upstream impeller blade angle. Using a turbine mass flowmeter that connects the impeller coaxially with a spring and measures the mass flow rate in proportion to the time difference of torsional deviation proportional to the difference in fluid torque between the two impellers, a new upstream is used. A homogenizer that sufficiently mixes the multiphase fluids devised in Fig. 2 is provided, and the measured values obtained from the turbine mass flowmeter are more in line with the theoretical formula. In addition to the rate, the moisture content is taken into account, and the mass flow rate is also taken into account the void rate and the moisture rate, so that the rotation ratio and the void rate of the rotational torque ratio newly introduced in the present invention By adopting the best value selection method to capture the complex function relationship with the fraction, the volume flow rate and mass flow rate of each phase of the oil, water, gas multiphase flow that is more realistic are improved and the accuracy is improved. The purpose is to measure.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is a multi-phase fluid flow meter, comprising a blade rotatably supported in parallel to a flow direction coaxially connected by a spring in a flow pipe through which a multi-phase fluid composed of gas, oil and water flows. In two impellers having different attachment angles, a impeller in which the blade angle of the downstream impeller is larger than the upstream impeller blade angle, and 2 in the axial direction in the circumferential direction of the two impellers of the flow tube. A turbine mass flow meter comprising two pickups, a high-efficiency homogenizer inserted in the upstream side of the impeller, and a pressure loss due to each component arranged in the flow tube is measured. Two pressure gauges for measuring a fluid pressure at a predetermined location, a differential pressure gauge for measuring a differential pressure between the two pressure gauges, and a thermometer for measuring the temperature of the multiphase fluid. To do.
Furthermore, the present invention provides a static mixer section and a strip-shaped plate in which a plurality of static mixer elements formed by baffle plates that intersect and are fixed in the 45 ° direction are connected in series with a 90 ° phase shift as the homogenizer. It is characterized in that a homogenizer is used in which a twisted fin bundle part obtained by bundling and joining twisted fin elements twisted at right angles to the longitudinal direction is bundled over the entire pipe cross section.
Furthermore, the present invention is characterized in that a through hole is provided in the plate surface of the twisted fin element.
Further, according to the present invention, the predetermined portion is located upstream of the homogenizer, between the homogenizer and the turbine mass flow meter, between two impellers of the turbine mass flow meter, and downstream of the turbine mass flow meter. It is characterized by.
[0023]
Furthermore, the present invention provides each of the multiphase fluid flow meters, wherein the rotational speed N of the impeller measured during the measurement time t and the deviation angle generated between the two impellers measured and transmitted a plurality of times. a step of calculating a rotation time difference Δt of δ, a pressure loss ΔP which is an output of the differential pressure gauge, and an average value of the temperature T of the multiphase fluid;
Average value T of fluid temperature TAFrom the polynomial ofOAnd water density ρWFrom the rotation speed N and the measurement time t, the rotation angular velocity ω is calculated, and the average value Δt of the time differences ΔtA, The apparent rotational torque M is calculated from the measurement time t, the rotational speed N, and the spring constant k.0Is reduced to the rotational torque MSA step of calculating
In the area where the difference liquid phase density is calculated with a certain density difference Δρ, the initial value ρL1= ΡOAnd ρL2= ΡOCalculating + Δρ;
In the moisture content calculation area, the initial liquid phase density ρL1From α1A step of calculating
In the difference void ratio calculation area that calculates the difference void ratio with a certain void ratio difference (△ β), the initial value β1= Βm1nAnd then β2= Βm1nCalculating + Δβ;
Rotational ratio ε as a function of moisture content α (W / C) and void rate βmpFrom the equationmp1, Εmp2And calculate the total volume flow Qmp1, Qmp2, The rotational angular velocity ω1, Ω2The cross-sectional area of the channel A, the average radius R of the impellerAMultiplied bymp1, Εmp2Divided by the total volume flow QmpLiquid phase density ρLCalculated void fraction β as a function of pressure loss ΔPE1, ΒE2This void ratio βE1, ΒE2And difference void ratio β1, Β2Absolute value of difference from △ βE1, △ βE2A step of seeking
△ β foundE1And △ βE2△ βE2≦ △ βE1Then βE2And Qmp2Is stored, △ βE2> △ βE1Then βE1And Qmp1Is left and the next βE3And Qmp3And return to the previous step to calculate △ β again.E3And △ βE2Or △ βE3And △ βE1A step in which
Thus, this calculation loop is repeated n times over j = 1 to n, and the remaining QmpjAnd βEjBut champion (best value) QmpbjAnd βEbjAnd the remaining steps as
This champion (best value) QmpbjAnd βEbjRotational torque ratio ξ which is a function of moisture content α (W / C) and void rate βmpAnd α1And βEbjIs substituted, and the rotational torque M obtained previously isSIs multiplied by the flow path cross-sectional area A to obtain a rotational torque ratio ξmpAnd the best total volume flow QmpbjAnd the average radius R of the impellerADivided by the total mass flow rate Gmp1This total mass flow rate Gmp1The best total volume flow QmpbjAnd the best liquid phase ratio (1-βEbj) To calculate the calculated liquid density ρLE1To calculate ρL1And ρLE1Absolute value of difference from △ ρLE1Calculating the initial value, and
Next ρLiReturn to the previous step to calculateLE2And △ ρLE1Are compared and ΔρLE2≦ △ ρLE1Then ρLE2And Gmp2Is stored, △ ρLE2> △ ρLE1Then ρLE1And Gmp1And the next ρLE3And Gmp3And return to the previous step and again ΔρE3And △ ρE2Or ΔρE3And △ ρE1A step in which
In this way, the G with the smaller comparison valuempAnd ρLEIs left as stored data, and the larger GmpAnd ρLEIs discarded, the circulation calculation is performed n times from i = 1 to n, and the last remaining champion (best value) is the best total mass flow rate GmpbAnd the best liquid density ρLbSelected as and using it, the final moisture content αEA step in which
Best total volume flow Q that survived to the endmpb, Best void ratio βEb, Best total mass flow Gmpb, Best liquid density ρLbFinal moisture content αEA step that outputs
Using each output best value, the volume flow rate Q of the multiphase fluidMPAnd liquid mass flow rate GLAnd gas volume flow QG, Oil volume flow QO, Moisture volume flow QWA step of calculating
Is a method for obtaining a multiphase fluid flow rate.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the configuration of the multiphase fluid flow meter of the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as prior invention.
Turbine mass flow meter 1, flow tube (multiphase fluid flow meter tube) 2, bearings 5 and 6, first impeller 7, second impeller 8, rotating shafts 9 and 10, spring 11, pickups 12 and 13, The pressure gauges 15 and 16, the differential pressure gauge 17, the calculation unit 18, the output unit 19, the thermometer 20, and the flow tube 21 are common to the prior invention.
Reference numerals 3 and 4 are support fins which simply support the bearings 5 and 6 and do not require special rectifying action.
14 is an alternative to the line mixer 14 'according to the invention of the prior application. The static mixer section 14-1 comprising a static mixer having the same structure as the line mixer 14' according to the prior application invention, and the twisted fin bundle section having a structure unique to the present invention. 14-2.
[0025]
In the multiphase fluid flow meter of the present invention, a homogenizer 14 for homogeneously mixing an inflowing multiphase flow is inserted upstream of the turbine mass flow meter 1, and the temperature of the multiphase fluid is downstream of the turbine mass flow meter 1. A flow tube 21 in which a thermometer 20 for measuring is inserted is joined.
Further, a pressure gauge 15 is arranged on the upstream side 2a of the homogenizer 14 and a pressure gauge 16 is arranged on the downstream side 2d of the turbine mass flow meter 1, and the pressure loss ΔP (P1-P2) obtained from the pressure gauges 15 and 16 is measured. The differential pressure gauge 17 and the volume flow rate Q of the multiphase fluid measured by the turbine mass flow meter 1.MPAnd liquid mass flow rate GLAnd gas volume flow QG, Oil volume flow QO, Moisture volume flow QWAn arithmetic unit 18 and an output unit 19 for calculating and outputting the above are provided.
These components and the output calculation method of the present invention will be described in detail below.
[0026]
The turbine mass flow meter 1 is known as described above. However, the blade mounting angle θ1 of the first impeller 7 and the blade mounting angle θ2 of the second impeller 7 are θ1 <θ2, and the blades of the first impeller 7 and the second impeller 8 are not equal in arbitrary numbers. It is also good.
[0027]
The homogenizer 14 is composed of a static mixer section 14-1 and a twisted fin bundle section 14-2, and the static mixer section 14-1 crosses and is fixed in the 45 ° direction used in the conventional line mixer 14 ′. A plurality of static mixer elements formed of baffle plates are connected in series with a 90 ° phase shift. The twisted fin bundle portion 14-2 is obtained by bundling and joining twisted fin elements obtained by twisting a strip-shaped plate at a right angle to the longitudinal direction thereof over the entire pipe cross section.
[0028]
FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of the homogenizer of the present invention. 2A is a front view, FIG. 2B is a left side view, and FIG. 2C is a diagram showing a configuration of a twisted fin element.
A homogenizer 14 comprising a static mixer section 14-1 and a twisted fin bundle section 14-2 is inserted into the flow pipe 2 on the upstream side of the turbine mass flow meter 1. a1, A2Is a static mixer element of the static mixer section 14-1, b1~ B19Is a twisted fin element constituting the twisted fin bundle portion 14-2, and c1~ C19Is the twisted fin element b1~ B19It is a ring to fix.
[0029]
The static mixer section 14-1 on the upstream side of the homogenizer 14 includes a static element a made of a baffle plate obtained by intersecting a plurality of flat plates in the 45 ° direction.1, A2Are connected by shifting the phase by 90 °. In addition, the twisted fin bundle portion 14-2 is a twisted fin element b obtained by twisting a strip-shaped plate once in a direction perpendicular to the longitudinal direction.1~ B19The ends of ring c1~ C19As shown in the side view of FIG. 2B, approximately 19 rings are bundled and joined to the entire pipe cross section.
[0030]
The homogenizer 14 has a smaller resistance coefficient and pressure loss than the line mixer 14 ′ in the prior invention, and the twisted fin bundle portion 14-2 hardly receives pressure loss. When the multiphase fluid passes through the twisted fin bundle portion 14-2, each twisted fin element b1~ B19As the fluid flows along the surface of the fluid, the fluid is rotated and shearing force is applied, and the bubbles contained in the multiphase fluid are successively cut and refined one after another, and the outlet of the homogenizer 14 Then, the size of the bubbles is fine and uniform. It works in the same way across the cross section of the flow tube, and in multiphase fluids, especially gas-liquid two-phase flow in question, the gas and liquid are sufficiently homogeneously mixed to give characteristics as if they were single phase fluids. I found out that Therefore, by using this homogenizer, the multiphase flow meter measures the gas-liquid volume flow rate ratio as the void ratio, and the flow rate measurement accuracy of each phase is improved.
[0031]
Further, since the line mixer 14 'in the prior invention generates a swirling flow downstream, it must be rectified before flowing into the turbine mass flow meter. However, the homogenizer 14 of the present invention is twisted as described above. Fin element b1~ B19However, a rotational motion is given to the fluid flowing along it, and the rotational motion is generated independently by dividing the cross section of the flow tube for each twisted fin element, so that the centrifugal forces due to the rotational motion cancel each other, Since there is no centrifugal force (no swirl flow) and no swirl flow is generated downstream, the present invention eliminates the need for the rectifiers 3 and 4 employed in the invention of the prior application, and makes the structure simpler. Just do it.
[0032]
The action of the turbine mass flow meter 1 when the fluid of the mass flow rate G flows in the direction of the arrow at the flow velocity υ into the multiphase fluid flow meter of the present invention configured as described above is the same as that of the prior invention. The impellers connected with each other are rotated together at an angular velocity ω proportional to the flow velocity υ. Further, since the first impeller 7 and the second impeller 8 are connected by the spring 11, the spring constant of the spring 11 is proportional to the torque difference received by the first impeller 7 and the second impeller 8 from the fluid. A torsional deviation angle δ determined by k is generated. This torsional deviation angle δ is the mass flow rate G of the multiphase flow.mpAnd volume flow QmpIt depends on.
[0033]
Since the entire impeller rotates at a rotational angular velocity ω proportional to the flow velocity υ, the time Δt required for the impeller to rotate by the deviation angle δ is detected from the detection signals of the pickups 12 and 13, and the torsion is detected. The deviation angle δ is obtained.
This time difference Δt is the total mass flow rate GmpThe rotational angular velocity ω of the entire impeller is the total volume flow QmpUsed to determine. The fluid temperature T measured by the thermometer is the density of the liquid ρLUsed to correct.
This multiphase fluid flow meter determines the flow rate of a three-phase fluid consisting of oil, water and gas by measuring the rotational angular velocity ω, time difference Δt, fluid temperature T and pressure loss ΔP of the impeller. is there.
[0034]
Total volume flow QmpIs a rotation ratio ε which is a dimensionless value in the dimensionless characteristic equation.mpIs expressed by the following equation.
Qmp= ARAω / εmp                            ... (1)
Where A: flow tube cross-sectional area = π (Ra 2-Rb 2)
here
Ra: Outside radius of wing wheel
Rb: Wing car radius
RA: Average radius of impeller
(= {(Ra 2+ Rb 2) / 2}1/2  )
[0035]
Further, the pressure loss ΔP is expressed by the following equation.
ΔP = c1ρL(1-β)2-Z  Qmp 2                  ... (2)
here
ρL: Liquid phase density
β: Gas void ratio
c1: Constant determined by experiment
Z: Index determined by experiment
[0036]
The deviation angle δ generated between the two impellers 7 and 8 and the rotational torque M received by the impeller from the fluid energy.SIn the meantime, the following balanced relational expression is obtained.
Figure 0003678618
here
ρmp: Fluid density
υmp: Fluid velocity
Gmp: Mass flow rate of fluid
ξmp: Rotational torque ratio
[0037]
Therefore, the three-phase flow mass flow GmpIs
Gmp = K ・ δ ・ A / [ξmp・ Qmp・ RA] (4)
In addition, liquid phase density ρLIs
ρL  = Gmp  / [(1-β) · Qmp ] (5)
It is expressed as
On the other hand, oil density ρoAnd water density ρWIs generally a function of temperature T, so it can be calculated by measuring the temperature of the fluid,
ρO= FThree(T) ... (6)
ρW= FFour(T) (7)
It is expressed as
Moisture content α is the liquid phase density ρLThe following equation holds in relation to:
ρL= ΑρW+ (1-α) ρO                    ... (8)
[0038]
Therefore, the moisture content α is
α = (ρL−ρO) / (ΡW−ρO(9)
Therefore, the volume flow rate Q of the liquid phaseLIs
QL= (1-β) Qmp                          (10)
So, oil volume flow QOAnd water volume flow QWIs
QO= (1-α) QL                            ... (11)
QW= Α ・ QL                                  (12)
Can be expressed as
Mass flow rate G of liquid phase flowL, Oil mass flow rate GO, And mass flow rate G of waterWRespectively
GL= ΡL・ QL                       ... (13)
GO= ΡO・ QO                                  ... (14)
GW= ΡW・ QW                                  ... (15)
It is expressed as
[0039]
The above equations (1) to (15) are automatically calculated by the calculation unit 18 by a repeated loop calculation method.
FIG. 3 is a flowchart showing the processing procedure of this repeated loop calculation method.
The most important factor in these equations is the rotation ratio εmpAnd torque ratio ξmpHowever, these are not constants that are uniquely determined. As a result of experiments, it has been found that these are complex functions of the gas void ratio β and the moisture ratio α (W / C).
4 and 5 show the rotation ratio ε of the three-phase flow composed of gas-oil-water.mpAnd torque ratio ξmp It is a figure which shows the example of a measurement of the characteristic of the gas void ratio (beta) which used each moisture content (alpha) (W / C) as a parameter.
As can be seen from this figure, the rotation ratio εmpAnd torque ratio ξmpIn both cases, it can be said that slip increases as the void ratio β increases. Moreover, the moisture content α (W / C) increases and decreases as a parameter. This is because, in the mixed phase of oil and water, there is a dramatic change in viscosity between water-in-oil and oil-in-water. It is guessed that it is given.
However, it cannot be expressed as a function of the gas void ratio β and the moisture ratio α (W / C). Therefore, for convenience
εmp= F1(Α, β) (16)
ξmp= F2(Α, β) (17)
Let's represent it as
[0040]
The loop calculation method according to the present invention will be described briefly. Since the void ratio β and the moisture ratio α (W / C) are related to all the flow values, the large loop calculation for determining the liquid phase density, Is composed of a small loop calculation for determining the void ratio included in the. This can be expressed mathematically as i × j matrix calculations.
FIG. 6 shows the liquid phase density ρLIt is a figure which shows the matrix of the relationship of void ratio (beta).
That is, at one measurement point, as shown in FIG. 6, for example, one set of the best values shown in the shaded area is selected from i liquid phase density candy dates and j void ratio candy dates.
[0041]
Hereinafter, the flowchart of FIG. 3 will be described in detail.
First, the average radius R of the impellerA, Channel cross-sectional area A, spring constant k, spring initial torque MOIn addition, constant settings such as the value of the circumferential ratio (π) and the value of gravitational acceleration (g) necessary for the subsequent calculation are input to the calculation unit 16 in advance (step S1).
During the measurement time t, the rotation speed N of the measured impeller and the average value of the time difference Δt, pressure loss ΔP, and fluid temperature T, which are the measurement values measured and transmitted a plurality of times, are calculated (step) S2).
Average value T of fluid temperature TAFrom the polynomial ofOAnd water density ρWFrom the rotation speed N and the measurement time t, the rotation angular velocity ω is calculated, and the average value Δt of the time differences ΔtA, The apparent rotational torque M is calculated from the measurement time t, the rotational speed N, and the spring constant k.0Is reduced to the rotational torque MSIs calculated (step S3).
[0042]
In the area where the difference liquid phase density is calculated with a certain density difference Δρ, the initial value ρL1= ΡOAnd ρL2= ΡO+ Δρ is calculated (step S4).
In the moisture content calculation area, the initial liquid phase density ρL1From α1Is calculated in step S5).
In the difference void ratio calculation area that calculates the difference void ratio with a certain void ratio difference (△ β), the initial value β1= Βm1nAnd then β2= Βm1n+ Δβ is calculated (step S6).
Rotational ratio ε as a function of moisture content α (W / C) and void rate βmpFrom the equationmp1, Εmp2And calculate the total volume flow Qmp1, Qmp2, The rotational angular velocity ω1, Ω2The cross-sectional area of the channel A, the average radius R of the impellerAMultiplied bymp1, Εmp2Divided by the total volume flow QmpLiquid phase density ρLCalculated void fraction β as a function of pressure loss ΔPE1, ΒE2This void ratio βE1, ΒE2And difference void ratio β1, Β2Absolute value of difference from △ βE1, △ βE2Is obtained (step S7).
[0043]
Next, the calculated ΔβE1And △ βE2△ βE2≦ △ βE1Then βE2And Qmp2Is stored, △ βE2> △ βE1Then βE1And Qmp1Is left and the next βE3And Qmp3To return to step S6 and again through step S7, ΔβE3And △ βE2Or △ βE3And △ βE1Are compared (step S8).
Thus, this calculation loop is repeated n times over j = 1 to n, and the remaining QmpjAnd βEjBut champion (best value) QmpbjAnd βEbj(Step S9).
Next, this champion (best value) QmpbjAnd βEbjRotational torque ratio ξ which is a function of moisture content α (W / C) and void rate βmpAnd α1And βEbjIs substituted, and the rotational torque M obtained previously isSIs multiplied by the flow path cross-sectional area A to obtain a rotational torque ratio ξmpAnd the best total volume flow QmpbjAnd the average radius R of the impellerADivided by the total mass flow rate Gmp1This total mass flow rate Gmp1The best total volume flow QmpbjAnd the best liquid phase ratio (1-βEbj) To calculate the calculated liquid density ρLE1To calculate ρL1And ρLE1Absolute value of difference from △ ρLE1Is calculated as an initial value (step S10).
[0044]
And the following ρLiTherefore, the process returns to step S4, and after steps S5 to S10, ΔρLE2And △ ρLE1Are compared and ΔρLE2≦ △ ρLE1Then ρLE2And Gmp2Is stored, △ ρLE2> △ ρLE1Then ρLE1And Gmp1And the next ρLE3And Gmp3To return to step S4 and again through steps S5 to S10, ΔρE3And △ ρE2Or ΔρE3And △ ρE1Are compared (step S11).
In this way, the G with the smaller comparison valuempAnd ρLEIs left as stored data, and the larger GmpAnd ρLEIs discarded, the circulation calculation is performed n times from i = 1 to n, and the last remaining champion (best value) is the best total mass flow rate GmpbAnd the best liquid density ρLb(Step S12), and using it, the final moisture content αEIs calculated (step S13).
[0045]
And the best total volume flow Q that survived to the endmpb, Best void ratio βEb, Best total mass flow Gmpb, Best liquid density ρLbFinal moisture content αEIs output (step S14).
Using each output best value, the volume flow rate Q of the multiphase fluidMPAnd liquid mass flow rate GLAnd gas volume flow QG, Oil volume flow QO, Moisture volume flow QWAre calculated by the calculation unit 18 and output from the output unit 19.
Each flow rate obtained in this way was suitable for the substance, and it was proved that the flow rate was sufficiently accurate for practical use.
[0046]
FIG. 7 is a view showing another embodiment of the homogenizer of the present invention. 7A is a front view, FIG. 7B is a left side view, and FIG. 7C is a diagram showing the configuration of a twisted fin element.
The homogenizer according to the present embodiment has the same overall configuration as that of FIG. 2, but the configuration of the twisted fin element is different. As shown in FIG. 7C, each twisted fin element has a circular through hole d.1~ DN(N is an arbitrary number) are provided side by side.
The characteristics of this embodiment are almost the same as those of FIG. 2, but the size of the bubbles contained in the gas / liquid mixed fluid downstream of the homogenizer is determined by the twisted fin element b ′.1~ B '19Through hole d1~ DNTherefore, it was found that the cutting of the bubbles was promoted and became finer and more uniform than that of FIG.
By using the homogenizer according to this embodiment, the measurement accuracy can be further improved.
[0047]
FIG. 8 is a diagram showing another example of the place where the pressure gauge for taking out the differential pressure of the multiphase fluid flow meter of the present invention is installed.
In the embodiment of FIG. 1, the pressure gauge installation locations for taking out the differential pressure of the multiphase fluid flow meter are arranged on the upstream side 2 a of the homogenizer 14 and the downstream side 2 d of the turbine mass flow meter 1, and the differential pressure ΔP is Although adopted, it may be anywhere that can measure pressure loss due to each component of the homogenizer 14 and the turbine mass flow meter 1 arranged in the flow pipe 2 in which a multiphase fluid flow meter is installed, for example, As shown in FIG. 8, the upstream 2a of the homogenizer 14, 2b between the homogenizer 14 and the turbine mass flow meter 1, 2c between the first impeller 7 and the second impeller 8 of the turbine mass flow meter 1, and the turbine mass flow meter 1 Select any two of the downstream 2d and the differential pressures ΔP, ΔP1~ △ PFiveMay be adopted for the calculation.
[0048]
【The invention's effect】
According to the present invention, a homogenizer having high mixing efficiency of a multiphase fluid composed of oil, water, and gas to be measured on the upstream side and excellent in micronization and homogenization of bubbles, and a turbine mass flow meter on the downstream side are provided. Since the differential pressure at any point causing pressure loss between the upstream of the homogenizer and the downstream of the turbine mass flowmeter is measured, the multiphase fluid consisting of oil, water and gas transferred remotely is phase-separated. The accurate oil volume flow rate, water volume flow rate, and gas volume flow rate can be measured at low cost.
[0049]
Further, according to the present invention, since the homogenizer does not generate a swirling flow downstream, it does not affect the measurement accuracy of the turbine mass flowmeter even if a rectifier is not provided, and a high-precision mass flow rate and volume flow rate can be obtained. It can be measured.
[0050]
Furthermore, according to the present invention, when calculating each flow rate from the detected measurement value, in addition to the void rate in addition to the volume flow rate, the moisture content is considered, and for the mass flow rate, the void rate and the moisture rate are also considered. In addition, a complicated function relationship between the rotation ratio, the void ratio and the moisture ratio of the rotation torque ratio is adopted by adopting the best value selection method, and more oil, water, and gas more in line with the substance. The volume flow rate and mass flow rate of each phase of the phase flow can be obtained.
The calculation using the best value selection method requires repeated calculation, but the calculation itself is simple. If the microcomputer of the calculation unit is used, the calculation can be performed in a short time, and each flow rate can be obtained online.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a multiphase fluid flow meter of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a homogenizer used in the multiphase fluid flow meter of FIG. 1;
FIG. 3 is a flowchart showing a calculation processing procedure for obtaining a multiphase fluid flow rate implemented in the multiphase fluid flowmeter of the present invention.
Fig. 4 Rotational ratio ε of three-phase flow consisting of gas-oil-watermp It is a figure which shows the example of a measurement of the characteristic of the gas void ratio (beta) which used the moisture content (alpha) (W / C) of this as a parameter.
Fig. 5 Rotational torque ratio ξ of three-phase flow consisting of gas, oil and watermpIt is a figure which shows the example of a measurement of the characteristic of the gas void ratio (beta) which used the moisture content (alpha) (W / C) of this as a parameter.
FIG. 6 is a liquid phase density ρ for explaining a part of the arithmetic processing for obtaining the multiphase fluid flow rate of the present invention.LIt is a figure which shows the matrix of the relationship of void ratio (beta).
7 is a view showing another embodiment of a homogenizer used in the multiphase fluid flow meter of FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing another example of the location where the pressure gauge for taking out the differential pressure of the multiphase fluid flow meter of the present invention is installed.
FIG. 9 is a view showing a configuration of a multiphase fluid flow meter according to the invention of the prior application.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Turbine mass flowmeter, 2 ... Flow pipe (turbine mass flowmeter tube), 3, 4 ... Support fin, 3 ', 4' ... Rectifier, 5, 6 ... Bearing, 7 ... First impeller, 8 ... Second impeller, 9, 10 ... Rotating shaft, 11 ... Spring, 12,13 ... Pickup, 14 ... Homogenizer, 14 '... Line mixer, 15,16 ... Pressure gauge, 17 ... Differential pressure gauge, 18 ... Calculation unit, 19 ... output part, 20 ... thermometer, 21 ... flow tube.

Claims (5)

気体と油および水からなる多相流体が流れる流管内に、スプリングで同軸一体に接続され流れ方向に支持されたブレードの取り付け角度の異なる2つの回転可能な翼車において下流側翼車のブレード角を上流側翼車ブレード角よりも大きくした翼車と、前記流管の前記2つの翼車の周方向で軸方向に並設された2つのピックアップとからなるタービン質量流量計と、前記翼車の上流側に挿着された圧力損失が小さく高効率のホモジナイザと、前記流管内に配置された前記ホモジナイザ、前記タービン質量流量計の各構成要素に因る圧力損失を計測するための所定箇所の流体圧を計測する2つの圧力計と、前記2つの圧力計の差圧を計測する差圧計と、前記多相流体の温度を計測する温度計とを具備したことを特徴とする多相流体流量計。The blade angle of the downstream impeller in two rotatable impellers with different attachment angles of the blades connected coaxially by a spring and supported in the flow direction in a flow tube through which a multiphase fluid consisting of gas, oil and water flows. A turbine mass flow meter comprising an impeller larger than an upstream impeller blade angle, and two pickups arranged in the axial direction in a circumferential direction of the two impellers of the flow tube, and an upstream of the impeller A low pressure loss and high-efficiency homogenizer inserted on the side, the homogenizer disposed in the flow tube, and fluid pressure at a predetermined location for measuring pressure loss due to each component of the turbine mass flow meter A multi-phase fluid flow meter comprising: two pressure gauges for measuring the pressure, a differential pressure gauge for measuring a differential pressure between the two pressure gauges, and a thermometer for measuring the temperature of the multi-phase fluid. 前記ホモジナイザとして、45°方向に交差し固定された邪魔板で形成されたスタティックミキサエレメントを90°位相をずらして直列に複数個接続したスタティクミキサ部と短冊状のプレートをその長手方向と直角に捻った捻れフィンエレメントをパイプ断面全面にわたって束ね接合した捻れフィン束部とを連接したホモジナイザを用いたことを特徴とする請求項1に記載の多相流体流量計。As the homogenizer, a static mixer section in which a plurality of static mixer elements formed by baffle plates intersecting and fixed in the 45 ° direction and connected in series by shifting the phase by 90 ° and a strip-shaped plate are perpendicular to the longitudinal direction. 2. The multiphase fluid flow meter according to claim 1, wherein a homogenizer is used in which a twisted fin bundle portion obtained by bundling and joining twisted fin elements twisted to the entire surface of a pipe is joined. 前記捻れフィンエレメントのプレート面に、透孔を設けたことを特徴とする請求項2に記載の多相流体流量計。The multiphase fluid flow meter according to claim 2, wherein a through hole is provided in a plate surface of the twisted fin element. 前記所定箇所を、前記ホモジナイザの上流、前記ホモジナイザと前記タービン質量流量計の間、前記タービン質量流量計の2つの翼車の間、前記タービン質量流量計の下流としたことを特徴とする請求項1又は2に記載の多相流体流量計。The predetermined portion is located upstream of the homogenizer, between the homogenizer and the turbine mass flow meter, between two impellers of the turbine mass flow meter, and downstream of the turbine mass flow meter. The multiphase fluid flow meter according to 1 or 2. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の多相流体流量計において、
計測時間tの間に計測された前記翼車の回転数Nと、複数回計測され伝送された前記2つの翼車間に生じる偏位角に基づく回転時間差△tと、前記差圧計の出力である圧力損失△P、前記多相流体の温度Tの平均値TAを計算するステップと、
流体温度Tの平均値TAの多項式から、油成分の密度ρO及び水の密度ρWを計算し、前記回転数Nと計測時間tから、回転角速度ωを計算し、時間差△tの平均値△tA、計測時間t、回転数N及びバネ定数kから見掛けの回転トルクMを計算し、これより初期トルクM0を減じて回転トルクMSを計算するステップと、ある密度階差△ρをもって、階差液相密度を計算するエリアで、初期値ρL1=ρOを与え、ρL2=ρO+△ρを計算するステップと
水分率計算エリアで、初期値液相密度ρL1から、α1を計算するステップと、あるボイド率階差(△β)をもって階差ボイド率を計算する階差ボイド率計算エリアで、初期値β1=βm1nを与え、次にβ2=βm1n+△βを計算するステップと、
水分率α(W/C)とボイド率βの関数であるところの回転比εmpの式からεmp1、εmp2を計算し、計算総体積流量Qmp1、Qmp2を、前記回転角速度ω1,ω2に流路断面積A、翼車の平均半径RAを乗じ、それぞれεmp1、εmp2で除して求め、総体積流量Qmp、液相密度ρLと圧力損失△Pの関数である計算ボイド率βE1、βE2を求め、この計算ボイド率βE1、βE2と階差ボイド率β1、β2との差の絶対値△βE1、△βE2を求めるステップと、
求められた△βE1と△βE2を比較し、△βE2≦△βE1なら、βE2とQmp2が記憶され、△βE2>△βE1なら、βE1とQmp1が残り、次のβE3とQmp3とを計算するために、以前のステップに戻り、再び△βE3と△βE2又は、△βE3と△βE1が比較されるステップと、
このようにj=1〜nにわたって、この計算ループが、n回繰り返され、最後まで勝ち残ったQmpjとβEjが、チャンピオン(最良値)QmpbjとβEbjとして残るステップと、
このチャンピオン(最良値)QmpbjとβEbjを用いて、水分率α(W/C)とボイド率βの関数である回転トルク比ξmpに、α1とβEbjを代入して、先に求めた回転トルクMSに流路断面積Aを乗じ、回転トルク比ξmpと最良総体積流量Qmpbj及び翼車の平均半径RAで除して総質量流量Gmp1を求め、この総質量流量Gm p1を最良総体積流量Qmpbjと最良液相率(1−βEbj)で除して、計算液相密度ρLE1を計算し、ρL1とρLE1との差の絶対値△ρLE1を計算し、初期値とするステップと、
次のρLiの計算のため、以前のステップに戻り、△ρLE2と△ρLE1が比較され、△ρLE2≦△ρLE1なら、ρLE2とGmp2が記憶され、△ρLE2>△ρLE1なら、ρLE1とGmp1が残り、次のρLE3とGmp3とを計算するために、以前のステップに戻り、再び△ρE3と△ρE2又は、△ρE3と△ρE1が比較されるステップと、
このように比較値が小さい方のGmp及びρLEが、記憶データとして残り、大きい方のGmp及びρLEは捨てられ、i=1〜nのn回循環計算が行われ、最後まで残ったチャンピオン(最良値)が最良総質量流量Gmpbと最良液相密度ρLbとして選ばれ、それを使って 最終的な水分率αEが計算されるステップと、
最後まで生き残った最良総体積流量Qmpb、最良ボイド率βEb、最良総質量流量Gmpb、最良液相密度ρLb、最終的な水分率αEが出力されるステップと、
この出力された各最良値を用いて、多相流体の体積流量QMPと液体質量流量GLおよび気体体積流量QG,油体積流量QO,水分体積流量QWを演算するステップと、
を備えたことを特徴とする多相流体流量演算方法。
In the multiphase fluid flow meter according to any one of claims 1 to 4,
The rotation speed N of the impeller measured during the measurement time t, the rotation time difference Δt based on the deviation angle generated between the two impellers measured and transmitted a plurality of times, and the output of the differential pressure gauge. calculating the pressure loss △ P, an average value T a of the temperature T of the multiphase fluid,
From polynomial mean T A fluid temperature T, and calculate the density [rho O and density [rho W water of the oil component, from the rotational speed N and the measured time t, and calculates the rotational angular velocity omega, the average time difference △ t A step of calculating the apparent rotational torque M from the value Δt A , the measurement time t, the rotational speed N and the spring constant k, subtracting the initial torque M 0 from this, and calculating a rotational torque M S ; In the area where the difference liquid phase density is calculated with ρ, the initial value ρ L1 = ρ O is given, and in the step for calculating ρ L2 = ρ O + Δρ and the moisture content calculation area, the initial value liquid phase density ρ L1 From the step of calculating α 1 and the difference void rate calculation area for calculating the difference void rate with a certain void rate difference ( Δβ) , the initial value β 1 = β m1n is given, and then β 2 = calculating β m1n + Δβ ;
Ε mp1 and ε mp2 are calculated from the equation of the rotation ratio ε mp which is a function of the moisture content α (W / C) and the void rate β, and the calculated total volume flow rates Q mp1 and Q mp2 are calculated as the rotational angular velocity ω 1. , omega 2 in the flow path cross-sectional area a, multiplied by the average radius R a of the wheel, respectively epsilon mp1, calculated by dividing the epsilon mp2, a total volume flow Q mp, a function of the liquid phase density [rho L and the pressure loss △ P a step calculating the void fraction beta E1, seeking beta E2, for determining the absolute value △ β E1, △ β E2 of the difference between the calculated void fraction beta E1, beta E2 and differencing void ratio beta 1, beta 2 is,
The obtained △ comparing beta E1 and △ beta E2, if △ β E2 ≦ △ β E1, β E2 and Q mp2 are stored, △ beta E2> if △ beta E1, remainder beta E1 and Q mp1, following to calculate the beta E3 and Q mp3 of the steps returns to the previous step, again △ beta E3 and △ beta E2 or, where △ beta E3 and △ beta E1 are compared,
Thus, this calculation loop is repeated n times over j = 1 to n, and Q mpj and β Ej that have been won to the end remain as champion (best values) Q mpbj and β Ebj ,
The Champion (best value) using a Q Mpbj and beta EBJ, the moisture content alpha (W / C) and the rotation torque ratio xi] mp is a function of void fraction beta, by substituting the alpha 1 and beta EBJ, previously Multiply the calculated rotational torque M S by the channel cross-sectional area A, and divide by the rotational torque ratio ξ mp , the best total volume flow Q mpbj and the average radius R A of the impeller to obtain the total mass flow G mp1 , Divide the flow rate G m p1 by the best total volume flow rate Q mpbj and the best liquid phase rate (1-β Ebj ) to calculate the calculated liquid phase density ρ LE1 , and the absolute value Δρ of the difference between ρ L1 and ρ LE1 Calculating LE1 and setting it as an initial value;
For the next calculation of ρ Li , return to the previous step, Δρ LE2 and Δρ LE1 are compared, and if Δρ LE2Δρ LE1 , ρ LE2 and G mp2 are stored, and Δρ LE2 > Δρ if LE1, rest [rho LE1 and G mp1, in order to calculate the next [rho LE3 and G mp3, returns to the previous step, again △ [rho E3 and △ [rho E2 or, △ [rho E3 and △ [rho E1 comparison And steps
In this way, G mp and ρ LE with the smaller comparison value remain as stored data, and the larger G mp and ρ LE are discarded, n = 1 to n cyclic calculations are performed, and the remaining is left to the end. The champion (best value) is chosen as the best total mass flow rate G mpb and the best liquid phase density ρ Lb and using it, the final moisture content α E is calculated,
A step of outputting the best total volume flow rate Q mpb , the best void rate β Eb , the best total mass flow rate G mpb , the best liquid phase density ρ Lb , and the final moisture content α E that survived to the end;
Calculating the volume flow rate Q MP , the liquid mass flow rate G L, the gas volume flow rate Q G , the oil volume flow rate Q O , and the water volume flow rate Q W of the multiphase fluid using each of the output best values;
A multiphase fluid flow rate calculation method characterized by comprising:
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