WO2020133769A1 - 全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置及方法 - Google Patents

全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置及方法 Download PDF

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Abstract

一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置及方法，包括伽马射线源（1）、伽马射线探测器（2）、差压型流量计（3），差压型流量计（3）具有喉部段（31），伽马射线源（1）和伽马射线探测器（2）分别安装于喉部段（31）两侧相对的位置；伽马射线探测器（2）为由多个探测器组成的阵列，伽马射线源（1）发出的伽马射线覆盖喉部段（31）所在的测量截面，且所有穿过上述截面的伽马射线均能被伽马射线探测器（2）接收。本装置在空间上对流体进行全截面的检测，针对流体空间不均匀性的现象进行妥善处理，使测得的数据相比于仅部分伽马射线穿过截面(取样性测量)来说更加精确，解决了工业多相流体的空间分布不均给截面相分率测量带来的代表性问题。

Description

全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置及方法 技术领域
本发明涉及多相流体领域，更具体地说，它涉及一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置及方法。
背景技术
相的概念通常是指某一系统中具有相同成分及相同物理、化学性质的均匀物质部分，各相之间有明显可分的界面。多相流体是工业生产中经常遇到的一种流体形态，它是由两种或两种以上具有明显界面的物相组成的，包括气/液、液/固、气/固、液/液两相流，以及气/液/液、气/液/固、液/液/固、液/固/固、气/固/固多相流等。在工业过程、生命科学、自然界等各个领域存在着大量的两相流及多相流测量问题。
油气工业中，油气井产物同时包含液相原油、气相天然气以及固相砂土的气液固混合流体，业内称之为多相流。其中所述气相包括例如油气田气或任何在常温下不凝的气体，具体地有如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等；所述液相可包括：油相，例如原油本身以及在原油开采过程中溶解在原油中的液体添加剂，以及水相，例如地层水、采用过程中注入油气井中的水以及溶解在水相中的其它液体添加剂；所述固相包括了油气开采中混入的砂土石等固态物。如何实时准确地测量从油气井中采出的混合流体中气体、液体、固体各自的流量，是油气藏管理和生产优化所必需的基础数据。
流量计通常有体积流量计和质量流量计。流体，特别是气体，其体积是温度和压力的函数，是一个因变量，而流体的质量是一个不随所处温度、压力的变化而变化的量。常用的流量计中，如孔板流量计、涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、转子流量计、超声波流量计和椭圆齿轮流量计等的流量测量值是都是流体的体积流量。而为了更加精准，在科学研究、生产过程控制、质量管理、经济核算和贸易交接等活动中所涉及的流体量一般多为质量。特别是，油气井产物的压力、温度及其成分是随流量条件不断变化的，采用质量流量更能准确反映实际情况，能够更合理地对油气藏管理和生产进行优化。但采用上述体积流量计仅仅测得流体的体积流量，这往往不能满足人们的要求，通常还需要设法获得流体的密度以求算流体的质量流量。这种先测量体积流量再依据流体密度以求算质量流量的测量方法，中间环节多，质量流量测量的准确度难以得到保证和提高。
现有技术中最先进的同时测量流体中三相各自体积流量的方法是伽马射线计量法，其原理是利用文丘里管测量流体的总体积流量，并用双能伽马射线探测器测量三相各自的相分率，然后用总体积流量乘以各自的相分率，得到三相各自的体积流量，再通过估算三相各自的工况密度，来转换为三相各自的质量流量。
现有的采用伽马探测器的流量计，其伽马探测器包括伽马射线发射器和伽马射线接收器，其中伽马射线发射器一般采用双能伽马射线发射器，实践中常用的方案为双能γ源的源仓是由两个 241Am源组成的一个复合结构。在使用两个 241Am放射源的情况下，产生两股59.5keV的伽玛射线，使其中一股伽玛射线作为高能伽玛射线直接穿过流体，而使另一股伽玛射线轰击由银做成的靶材从而激发银发出能量为22keV的低能伽玛射线，并沿着与前述高能伽玛射线相同的路径通过该吸收介质，并一起被伽玛射线检测器检测它们的透射强度。使用双能伽玛射线，能提供流体内部三相的组成信息。关于双能伽马射线探测器的更多工作原理和设备细节，可参见相关的专著。这里不再赘述。但因为银靶材质和几何尺寸的差异，这样获得的两股伽马射线，其初始强度之间没有确定的比例关系。
多相流是一个多变量的随机过程，具有时间不均匀性和空间不均匀性的特征。时间不均匀性是指流体在管道中流动时随时在变化，所以不同时间测出的流量是不同的。针对时间不均匀性，一般只要提高测量频率就能解决。空间不均匀性是指，流体在流过伽马探测器时，被探测到的截面中，流体的三相分布是不均匀的，如果只是一股或少量伽马射线穿过截面进行测量，相当于是对一个截面中的少量路径进行了取样测量，那么测得的流量数据也是不准确的。
目前国际主流多相流量计都是基于伽马射线测量相分率，节流流量计测量总流量；伽马探测器采用单个闪烁晶体22配合光电倍增管(PMT)的传统方案；基于单一的放射源和探测器来实现流体相分率测量的，受伽马射线照射范围和探测器几何尺寸的局限，只能在局部管道截面进行取样性相分率测量，对于同时具有时间和空间不均匀性的多相流来说，其计量代表性会带来很大的误差。
如公告号为CN102565844B的中国专利，公开了一种多相流的正电子断层成像装置及方法，该装置利用正负电子湮灭产生一对可符合的511keV能量的伽马射线为断层成像手段、为油田输油管线中的多相流计量提供在线的断层成像功能。该装置包括有特定空间结构排列的多组平行的高精度的伽马射线探测器阵列、正电子放射源及屏蔽器，并且结合图像处理的功能可以只在单一放射源的条件下获取油、气、水等多相流混合物的相分率。多组高精度的探测器阵列设计也大大提高了多相流计量的精度及其在多相流不同流型流态下的适用性。它所产生的流体的影像信息将极大丰富石油天然气工业对于石油天然气的计量信息并为更有效的油藏管理和生产优化提供基础数据。
上述专利中，对正电子放射源的设计比较复杂，技术实现难度较大，可以选用的正电子放射源较少，且都是短半衰期，如Na-22仅有两年多，不适合工业生产过程流体长期在线检测。
且单一的放射源也无法对流体的全截面进行测量，而是要通过多组放射源和探测器配合，从多个角度实现全截面的测量。但是这样测量数据繁多，截面中有些部位有多条射线从不同角度通过，计算量大，耗费时间较多，虽然精度较高，但截面中还有些部位只有一条射线通过，精度就相对较低，这样整个截面测量的相分率精度就会不一致。而且，流体管道周围设置多个放射源，伽马射线会散射互相干扰，造成能量数据不准确，最终测得的数据误差较大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置及方法，结构简单，伽马射线能级稳定且没有干扰，能够对多相流体进行全截面测量。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，包括伽马射线源、伽马射线探测器、差压型流量计，所述差压型流量计具有喉部段，所述的伽马射线源和伽马射线探测器分别安装于喉部段两侧相对的位置；所述的伽马射线探测器为由多个探测器组成的阵列，所述伽马射线源发出的伽马射线覆盖喉部段所在的测量截面，且所有穿过上述截面的伽马射线均能被伽马射线探测器接收。
差压型流量计的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里、孔板或喷嘴之类的节流器件，将其直径最小处称为喉部，当流体流经节流器件时，在其上游与喉部之间就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可以由流量公式求得流量。
通过上述技术方案，在安装时对伽马射线源和伽马射线探测器进行布置，使一个伽马射线源发射的射线可以对差压型流量计喉部段的截面进行全面覆盖，使得射线可以全面穿过流经该截面的多相流体，并被差压型流量计另一侧的伽马射线探测器接收到，在空间上对流体进行全截面的检测，针对流体空间不均匀性的现象进行妥善处理，使测得的数据相比于仅部分伽马射线穿过截面来说更加精确。本方案只有一个放射源进行发射伽马射线，不会产生干扰，使测得的数据更加准确。伽马射线探测器的阵列设计扩大了探测器的接收范围，确保对每股穿过流体的伽马射线进行接收。
优选的，所述的伽马射线源能发出至少三种能级的伽马射线。
通过上述技术方案，采用能天然发出三种以上能量伽马射线的多能放射源，由于其天然发出的三种能量的伽马射线之间的强度比值是固有且恒定的，非人力所能改变，且不受任何外在温度、压力变化的影响，可以给本发明计量公式的求解带来极大的便利和简化。例如使用 133Ba，该放射源发出的伽玛射线具有三个主要能级，分别为31keV、81keV、356keV；又 或为 176Lu，其至少能发出307keV、202keV、88keV三种能量的伽马射线。
优选的，所述的伽马射线源和伽马射线探测器互相配合为一组探测装置，所述探测装置沿差压型流量计的轴线方向设置至少一组。
通过上述技术方案，每组探测装置都能对多相流体的相分率进行全截面测量，可以对每组探测装置测得的数据进行平均，测量结果更加精确。
优选的，所述探测装置多余一组时，每两组探测装置之间的间距为1～10cm。
理论上来说，多相流体的状态在短距离短时间内变化很小，因此两组探测装置之间距离越近，多相流体的状态越小，测得的数据越准确。由于流体的速度一般为10m/s，把间距设为1～10cm，则多相流体的状态在该段距离内几乎不变，可以默认为每组探测装置测得的都是同一截面的数据。
优选的，所述的每组探测装置沿差压型流量计的轴线方向互相错开，且围绕轴线分布。
由于伽马射线源和伽马射线探测器都具有一定的体积，如果每组探测装置布置时都在同一位置，距离太近容易互相触碰，距离太远测量精度又会下降。因此，通过上述技术方案，探测装置互相错开可以充分利用空间对伽马射线源和伽马射线探测器进行布局，既能保证两组探测装置之间的短距离，又不互相干扰占用空间；而且错开后，相邻的伽马射线源发射伽马射线的方向也就不同，互相不容易形成干扰，提高测量精度。
优选的，所述的伽马射线探测器为由多个探测器组成的阵列。
通过上述技术方案，探测器之间如此布置更加紧密，可以接收到每股射线，不会有遗漏，测量更加精确。例如方形矩阵，每行每列的探测器数量相同，且相邻探测器之间没有间隙，探测器呈方形矩阵排列更加容易计算。探测器的数量可以根据实际需要设置，比如4*4、6*6、8*8。
优选的，所述的每个探测器接收伽马射线的一端均连接有一闪烁晶体，所述探测器为半导体探测器SiPM。
闪烁晶体作为射线探测技术中经常使用的一种材料，其能够将高能的伽马射线转换为低能的可见光荧光，然后在被半导体探测器探测从而转换为电信号。目前，常用的闪烁晶体可以采用碘化钠(铊)NaI(Tl)、硅酸镥LSO等。半导体硅探测器(SiPM)是新型的探测器，光子被吸收后在SiPM中产生电流并进行倍增，可以输出较大的电流信号，被模块电路接收。对伽马射线的探测效率更高，且体积更小。
优选的，所述的闪烁晶体与探测器之间通过耦合剂固定。
闪烁晶体是高密度晶体，探测器的表面有一层环氧树脂，当光从闪烁晶体射向探测器时，是由光由光密介质射向光疏介质，若两者之间有空气，容易发生全反射，造成光损失。 光学耦合剂是一些折射系数较大的透明介质，特别是光耦，把耦合剂置于闪烁晶体22与探测器之间，就能有效的排除空气，显著减少由全反射造成的光损失。耦合剂可以采用硅胶，将闪烁晶体与探测器粘合，有效减少光从闪烁晶体到探测器的损耗，提高光电转换效率。
优选的，本发明还包括用于测量流体温度和压力的温压传感器和用于测量差压型流量计的入口处与喉部段之间的压差的差压传感器。
本发明还提供了一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置的计量方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)通过温度传感器测量流体温度T，通过差压传感器测量差压管入口处与喉部之间的压差ΔP；通过伽马射线探测器(2)测量三个伽马射线的透射强度N x,1、N x,2和N x,3；
b)通过以下公式来计算流体总质量流量和气、液、固三相各自质量流量：
总质量流量：
Figure PCTCN2019080007-appb-000001
气质量流量：Q m,g＝Q m*GMF
液质量流量：Q m,l＝Q m*LMF
固质量流量：Q m,s＝Q m*SMF
其中，
质量含气率，
Figure PCTCN2019080007-appb-000002
质量含液率，
Figure PCTCN2019080007-appb-000003
质量含固率，
Figure PCTCN2019080007-appb-000004
其中Q g，Q l，Q s分别为气、液、固三相的线性质量，具体为：
Figure PCTCN2019080007-appb-000005
Figure PCTCN2019080007-appb-000006
Figure PCTCN2019080007-appb-000007
其中
Figure PCTCN2019080007-appb-000008
Figure PCTCN2019080007-appb-000009
Figure PCTCN2019080007-appb-000010
Figure PCTCN2019080007-appb-000011
Figure PCTCN2019080007-appb-000012
Figure PCTCN2019080007-appb-000013
Figure PCTCN2019080007-appb-000014
各式中字母含义如下：
C为节流型流量计流出系数；
ε为流体压缩修正因子；
β为节流型流量计直径比；
D为伽马射线测量的厚度，即为管道直径；
ΔP为差压；
f1、f2为第二股伽马射线和第三股伽马射线相对于第一股伽马射线的初始强度比值；
ρ mix为被测流体的平均密度；
Figure PCTCN2019080007-appb-000015
S为测量横截面的面积
Figure PCTCN2019080007-appb-000016
l为单位长度，t为单位时间；
a为流体对伽马射线的质量吸收系数，Q为被测流体的质量流量，下标1、2和3分别代表不同能级的伽马射线，g、l、s分别代表气、液、固；
最后需要把所有的计算结果进行加权平均，求得最终准确的各相的线性质量数值；公式如下：
Figure PCTCN2019080007-appb-000017
Figure PCTCN2019080007-appb-000018
Figure PCTCN2019080007-appb-000019
Q g、Q l、Q s分别为需要求解的气、液、固三个最终的线性质量，D为差压型流量计(3)喉部段(31)的直径，Xi为每股伽马射线在喉部段(31)穿过的距离，Q gi、Q li、Q si为每股伽马射线穿过喉部段(31)后对应测得的线性质量数值；根据公式统计所有的伽马射线及其各相线性质量数据，算出最终准确的数值。
综上所述，本发明具有以下有益效果：在空间上对流体进行全截面的检测，针对流体空间不均匀性的现象进行妥善处理，使测得的数据相比于仅部分伽马射线穿过截面(取样性测量)来说更加精确；本发明放射源之间不会产生散射干扰，使测得的数据更加准确；伽马射线探测器的阵列设计扩大了探测器的接收范围，确保对每股穿过流体的伽马射线进行接收。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图。
图2为实施例1中伽马射线的路径示意图。
图3为实施例1中伽马射线探测器的结构示意图。
图4为实施例2中伽马射线的路径示意图。
图5为实施例3的结构示意图。
图6为实施例4的立体结构示意图。
图7为实施例4的爆炸图。
图8为实施例4中伽马射线的路径示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
如图1所示，一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，包括伽马射线源1、伽马射线探测器2、差压型流量计3，所述差压型流量计3具有喉部段31，所述的伽马射线源1和伽马射线探测器2分别安装于喉部段31两侧相对的位置；还包括用于测量流体温度和压力的温压传感器和用于测量差压型流量计3的入口处与喉部段31之间的压差的差压传感器。
差压型流量计3的基本原理是：在充满流体的圆管中设置文丘里、孔板或喷嘴之类的节流器件，将其直径最小处称为喉部，当流体流经节流器件时，在其上游与喉部之间就会产生静压力差，该静压力差与流过的流量之间有一个固定的函数关系，只要测得静压力差就可 以由流量公式求得流量。
如图3所示，伽马射线探测器2为由多个半导体探测器21组成的阵列。本实施例中，半导体探测器21为SIPM，所述伽马射线源1发出的伽马射线覆盖喉部段31所在的全截面，且所有穿过喉部段31所在截面的伽马射线均能被伽马射线探测器2接收。
如图2所示，在安装时对伽马射线源1和伽马射线探测器2进行布置，使一个伽马射线源1发射的伽马射线可以对差压型流量计3喉部段31的截面进行全面覆盖，使得伽马射线可以全面穿过流经该截面的多相流体，并被差压型流量计3另一侧的伽马射线探测器2接收到，在空间上对流体进行全截面的检测，针对流体空间不均匀性的现象进行妥善处理，使测得的数据相比于仅部分伽马射线穿过截面来说更加精确。本实施例只有一个放射源进行发射伽马射线，不会产生干扰，使测得的数据更加准确。
而要把所有穿过流体截面的伽马射线全部接收，则伽马射线探测器2的范围必须要大，因此本实施例采用了由多个半导体探测器21组成的阵列。如图3所示，半导体探测器21组成4*4的方形矩阵，9个4*4的SIPM方形矩阵组成整个伽马射线探测器2。伽马射线探测器2设置尽量大的接收范围，可以接收到每股射线，不会有遗漏，测量更加精确；半导体探测器21呈方形矩阵排列更加容易计算相分率。
如图2所示，本实施例中，每个半导体探测器21接收伽马射线的一端均连接有一闪烁晶体22。
闪烁晶体22作为射线探测技术中经常使用的一种材料，其能够将高能的伽马射线转换为低能的可见光荧光，然后在被半导体探测器21探测从而转换为电信号。目前，常用的闪烁晶体22可以采用碘化钠NaI、硅酸镥LSO等。半导体探测器21(SiPM)是新型的探测器，光子被吸收后在SiPM中产生电流并进行倍增，可以输出较大的电流信号，被模块电路接收。对伽马射线的探测效率更高，且体积更小。
所述的闪烁晶体22与半导体探测器21之间通过耦合剂固定。
闪烁晶体22是高密度晶体，半导体探测器21的表面有一层环氧树脂，当光从闪烁晶体22射向半导体探测器21时，是由光由光密介质射向光疏介质，若两者之间有空气，容易发生全反射，造成光损失。光学耦合剂是一些折射系数较大的透明介质，特别是光耦，把耦合剂置于闪烁晶体22与半导体探测器21之间，就能有效的排除空气，显著减少由全反射造成的光损失。耦合剂可以采用硅胶，将闪烁晶体22与半导体探测器21粘合，有效减少光从闪烁晶体22到半导体探测器21的损耗，提高光电转换效率。
本实施例中，伽马射线源1能发出至少三种能级的伽马射线。
采用能天然发出三种以上能量伽马射线的多能放射源，由于其天然发出的三种能量的 伽马射线之间的强度比值是固有且恒定的，非人力所能改变，且不受任何外在温度、压力变化的影响，可以给本发明计量公式的求解带来极大的便利和简化。例如使用 133Ba，该放射源发出的伽玛射线具有三个主要能级，分别为31keV、81keV、356keV；又或为 176Lu，其至少能发出307keV、202keV、88keV三种能量的伽马射线。
本实施例的工作原理：多相流体流经差压型流量计3，伽马射线源1发射的伽马射线穿过流体的整个截面后，被伽马射线探测器2接收到，进行光电转转后，对数据进行成像、分析、计算，得出多相流体的质量相分率。
实施例2：
如图4所示，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1仅有一组伽马射线源1和伽马射线探测器2，把一组伽马射线源1和伽马射线探测器2定义为一组探测装置。本实施例中，围绕差压型流量计3的喉部段31设置有两组组探测装置，两组探测装置沿差压型流量计3的轴线排列。
每组探测装置都能对多相流体的相分率进行全截面测量，可以对每组探测装置测得的数据进行平均，测量结果更加精确。
本实施例中，所述每两组探测装置之间的间距为10cm。
理论上来说，多相流体的状态在短距离短时间内变化很小，因此两组探测装置之间距离越近，多相流体的状态越小，测得的数据越准确。由于流体的速度一般为10m/s，把间距设为10cm，则多相流体的状态在该段距离内几乎不变，可以默认为每组探测装置测得的都是同一截面的数据。
本实施例中，两组探测装置可以互相错开90°角，即伽马射线源1的放射角度错开90°，从不同角度对流体截面进行测量，数据更加准确。
实施例3：
如图5所示，本实施例与实施例1的区别在于，实施例1仅有一组伽马射线源1和伽马射线探测器2，把一组伽马射线源1和伽马射线探测器2定义为一组探测装置。本实施例中，围绕差压型流量计3的喉部段31设置有三组探测装置，三组探测装置沿差压型流量计3的轴线排列。
每组探测装置都能对多相流体的相分率进行全截面测量，可以对每组探测装置测得的数据进行平均，测量结果更加精确。
本实施例中，所述每两组探测装置之间的间距为10cm。
理论上来说，多相流体的状态在短距离短时间内变化很小，因此两组探测装置之间距离越近，多相流体的状态越小，测得的数据越准确。由于流体的速度一般为10m/s，把间距设 为10cm，则多相流体的状态在该段距离内几乎不变，可以默认为每组探测装置测得的都是同一截面的数据。
实施例4：
如图6～图8所示，本实施例与实施例3的区别在于，每组探测装置沿差压型流量计3的轴线方向互相错开。
由于伽马射线源1和伽马射线探测器2都具有一定的体积，如果每组探测装置布置时都在同一位置，距离太近容易互相触碰，距离太远测量精度又会下降。因此，通过上述技术方案，探测装置互相错开可以充分利用空间对伽马射线源1和伽马射线探测器2进行布局，既能保证两组探测装置之间的短距离，又不互相干扰占用空间；而且错开后，相邻的伽马射线源1发射伽马射线的方向也就不同，互相不容易形成干扰，提高测量精度。
另外，本实施例可以把互相错开的探测装置围绕轴线均匀分布设置，从布局上更加合理，检测数据上也更加精确。
实施例5：
本实施例是对于上述实施例中全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置的计量方法。
为了便于理解本实施例，首先对多相流体计量领域中的一些术语简单介绍如下：
“质量流量”是指单位时间内流过的流体的质量，在SI单位制中，其量纲可以为kg/s。
“体积流量”是指单位时间内流过的流体的体积，在SI单位制中，其量纲可以为m 3/s。
根据所穿透流体的性质，分别有三个质量流量Q g，Q l，Q s，分别为气质量流量、液质量流量和固质量流量。利用气、液、固的质量流量、总质量流量与管道的直径存在如下关系:
Figure PCTCN2019080007-appb-000020
“径向”是指沿着流通管道截面圆的直径方向。
下文重点对本实施例的多相流体质量流量测量方法进行详细介绍。
本实施例中，使用传统的差压型流量计3，例如使用文丘里流量计，通过差压的测量，由下式计算得到多相流体的总质量流量：
Figure PCTCN2019080007-appb-000021
式中C为节流型流量计流出系数，ε为流体压缩修正因子，β为节流型流量计直径比，ΔP为压差，ρ mix为流体密度(对于多相流体而言，指混合密度)，D为管道直径。
接下来，通过使用多能放射源的伽马射线探测器2，测量多相流体中气液固三相各自的质量流量。
首先，根据伽马射线吸收方程有：
伽马射线1吸收方程:
Figure PCTCN2019080007-appb-000022
伽马射线2吸收方程:
Figure PCTCN2019080007-appb-000023
伽马射线3吸收方程:
Figure PCTCN2019080007-appb-000024
其次，根据文丘里测量的质量流量与线性质量的关系，有方程：
Figure PCTCN2019080007-appb-000025
其中Q g，Q l，Q s分别为气、液、固三相各自的质量流量。
根据放射源的特性，N o,1、N o,2和N o,3存在比例关系：
N 0,2＝f 1N 0,1,N 0,3＝f 2N 0,1，其中f 1和f 2是已知比例系数，系天然恒定的系数，不随任何测量条件而改变，由于比例系数的存在，故三个未知量N 0,2、N 0,3、N 0,1实际上只能算作一个未知量N 0,1。
这样，可以通过上述(10)-(13)四个方程就可以直接精确求解N 0,1、Q g、Q l、Q s这4个未知量，从而消除了对N 0,1进行测量或标定的需要，由于不需要标定N 0,1(即空管计数值)，从根本上避免了伽马射线接收器中的温度漂移对测量的影响，也就不需要在伽马射线接收器中设置恒温装置。
该方程组中，a g,1、a g,2、a g,3，a l,1、a l,2、a l,3和a s,1、a s,2、a s,3分别为气、液、固对伽马射线1、伽马射线2和伽马射线3在工况条件下的线性质量吸收系数，f 1、f 2为固定值，可通过标定方式而得到，N x,1、N x,2、N x,3、ΔP为测量值，因而可以直接求解质量流量Q g、Q l、Q s为：
Figure PCTCN2019080007-appb-000026
Figure PCTCN2019080007-appb-000027
Figure PCTCN2019080007-appb-000028
Figure PCTCN2019080007-appb-000029
再由文丘里计算质量流量公式：
Figure PCTCN2019080007-appb-000030
和质量相分率的定义，最终得到气、液、固三相的质量流量及总质量流量的计算公式为，
Q m,g＝Q m*GMF   (17)
Q m,l＝Q m*LMF   (18)
Q m,s＝Q m*SMF   (19)
上述方程中，
Figure PCTCN2019080007-appb-000031
Figure PCTCN2019080007-appb-000032
Figure PCTCN2019080007-appb-000033
Figure PCTCN2019080007-appb-000034
Figure PCTCN2019080007-appb-000035
Figure PCTCN2019080007-appb-000036
Figure PCTCN2019080007-appb-000037
C为节流型流量计流出系数
ε为流体压缩修正因子
β为节流型流量计直径比
D为伽马射线测量的厚度，即为管道直径
ΔP为差压
ρ mix被测流体的平均密度
Figure PCTCN2019080007-appb-000038
S为测量横截面的面积
Figure PCTCN2019080007-appb-000039
l为单位长度，t为单位时间
质量含气率，
Figure PCTCN2019080007-appb-000040
质量含液率，
Figure PCTCN2019080007-appb-000041
质量含固率，
Figure PCTCN2019080007-appb-000042
Q g、Q l、Q s分别为需要求解的气液固三个质量流量；
a为流体对伽马射线的质量吸收系数，Q为被测流体的质量流量，下标1、2和3分别代表不同能级的伽马射线，g、l和s分别代表气、液、固。
由于每股伽马射线穿过流体的路径不同，相分率计算也会不同，所以最后需要把所有的计算结果进行加权平均，求得最终准确的各相的线性质量数值；公式如下：
Figure PCTCN2019080007-appb-000043
Figure PCTCN2019080007-appb-000044
Figure PCTCN2019080007-appb-000045
Q g、Q l、Q s分别为需要求解的气、液、固三个最终的线性质量，D为差压型流量计(3)喉部段(31)的直径，Xi为每股伽马射线在喉部段(31)穿过的距离，Q gi、Q li、Q si为每股伽马射线穿过喉部段(31)后对应测得的线性质量数值；根据公式统计所有的伽马射线及其各相线性质量数据，算出最终准确的数值。
本实施例所述的测量装置及测量方法，是针对多相流体中三相(气、液、固)的质量流量进行测量并计算进行阐述的，该装置及测量方法同样适用于对两相流进行测量并计算气相和液相的各自质量流量，相应地，利用伽马射线的放射源的两种能级，计算质量流量 的原理和方法可以根据上述内容进行类推。

Claims (10)

  1. 一种全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，包括伽马射线源(1)、伽马射线探测器(2)、差压型流量计(3)，所述差压型流量计(3)具有喉部段(31)，所述的伽马射线源(1)和伽马射线探测器(2)分别安装于喉部段(31)两侧相对的位置；其特征在于：所述的伽马射线探测器(2)为由多个探测器组成的阵列，所述伽马射线源(1)发出的伽马射线覆盖喉部段(31)所在的测量截面，且所有穿过上述截面的伽马射线均能被伽马射线探测器(2)接收。
  2. 根据权利要求1所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述的伽马射线源(1)能发出至少三种能级的伽马射线。
  3. 根据权利要求1所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述的伽马射线源(1)和伽马射线探测器(2)互相配合为一组探测装置，所述探测装置沿差压型流量计(3)的轴线方向设置至少一组。
  4. 根据权利要求3所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述探测装置多余一组时，每两组探测装置之间的间距为1～10cm。
  5. 根据权利要求4所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述的每组探测装置沿差压型流量计(3)的轴线方向互相错开，且围绕轴线分布。
  6. 根据权利要求1所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述的伽马射线探测器(2)为由多个探测器(21)组成的阵列。
  7. 根据权利要求6所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述的每个探测器(21)接收伽马射线的一端均连接有一闪烁晶体22，所述探测器(21)为半导体探测器。
  8. 根据权利要求7所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：所述的闪烁晶体22与探测器(21)之间通过耦合剂固定。
  9. 根据权利要求1所述的全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置，其特征在于：它还包括用于测量流体温度和压力的温压传感器和用于测量差压型流量计(3)的入口处与喉部段(31)之间的压差的差压传感器。
  10. 一种根据权利要求1-9任一项所述全截面测量多相流中气、液、固质量流量计量装置的计量方法，其特征在于：包括以下步骤：
    a)通过温度传感器测量流体温度T，通过差压传感器测量差压管入口处与喉部之间的压差ΔP；通过伽马射线探测器(2)测量三个伽马射线的透射强度N x,1、N x,2和N x,3；
    b)通过以下公式来计算流体总质量流量和气、液、固三相各自质量流量：
    总质量流量：
    Figure PCTCN2019080007-appb-100001
    气质量流量：Q m,g＝Q m*GMF
    液质量流量：Q m,l＝Q m*LMF
    固质量流量：Q m,s＝Q m*SMF
    其中，
    质量含气率，
    Figure PCTCN2019080007-appb-100002
    质量含液率，
    Figure PCTCN2019080007-appb-100003
    质量含固率，
    Figure PCTCN2019080007-appb-100004
    其中Q g，Q l，Q s分别为气、液、固三相的线性质量，具体为：
    Figure PCTCN2019080007-appb-100005
    Figure PCTCN2019080007-appb-100006
    Figure PCTCN2019080007-appb-100007
    其中
    Figure PCTCN2019080007-appb-100008
    Figure PCTCN2019080007-appb-100009
    Figure PCTCN2019080007-appb-100010
    Figure PCTCN2019080007-appb-100011
    Figure PCTCN2019080007-appb-100012
    Figure PCTCN2019080007-appb-100013
    Figure PCTCN2019080007-appb-100014
    各式中字母含义如下：
    C为节流型流量计流出系数；
    ε为流体压缩修正因子；
    β为节流型流量计直径比；
    D为伽马射线测量的厚度，即为管道直径；
    ΔP为差压；
    f1、f2为第二股伽马射线和第三股伽马射线相对于第一股伽马射线的初始强度比值；
    ρ mix为被测流体的平均密度；
    Figure PCTCN2019080007-appb-100015
    S为测量横截面的面积
    Figure PCTCN2019080007-appb-100016
    l为单位长度，t为单位时间；
    a为流体对伽马射线的质量吸收系数，Q为被测流体的质量流量，下标1、2和3分别代表不同能级的伽马射线，g、l、s分别代表气、液、固；
    最后需要把所有的计算结果进行加权平均，求得最终准确的各相的线性质量数值；公式如下：
    Figure PCTCN2019080007-appb-100017
    Figure PCTCN2019080007-appb-100018
    Figure PCTCN2019080007-appb-100019
    Q g、Q l、Q s分别为需要求解的气、液、固三个最终的线性质量，D为差压型流量计(3)喉部段(31)的直径，Xi为每股伽马射线在喉部段(31)穿过的距离，Q gi、Q li、Q si为每股伽马射线穿过喉部段(31)后对应测得的线性质量数值；根据公式统计所有的伽马射线及其各相线性质量数据，算出最终准确的数值。
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