超声流量计量系统和方法

超声流量计量系统和方法
【专利摘要】一种用于粘性流体的超声流量计量的系统和方法。在一个实施方式中，超声流量计量系统包括超声流量计、流量调节器和渐缩管。超声流量计包括一对超声换能器，一对超声换能器设置成交换穿过在换能器之间流动的流体流的超声信号。流量调节器布置在超声流量计的上游。渐缩管布置在流量调节器与超声流量计之间，以减小从流量调节器流向超声流量计的流体流的横截面积。
【专利说明】超声流量计量系统和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于粘性流体的超声流量计量的系统，还涉及一种用于超声计量的方法。
【背景技术】
[0002]烃流体通过管道从一个地方输送至另一地方。期望准确地得知管道中流动的流体的量，并且当流体转手时或“密闭输送”时，要求特定的精度。然而，即使在未发生密闭输送的情况下也期望计量准确性，并且在这些情况下，可使用流量计。
[0003]超声流量计是可被用于测量管道中流动的流体的量的一种类型的流量计。超声流量计具有用于密闭输送所需的足够的精度。在超声流量计中，声学信号穿过需测量的流体流被来回发送。基于接收到的声学信号的参数，计算出流量计中的流体流速。流动通过流量计的流体的体积可从计算出的流速和流量计的已知横截面积来确定。
[0004]超声流量计处的流速的准确测量需要发展良好的流动分布。常规的超声流量测量系统通过在超声流量计的上游定位延长的直管或流量调节装置而提供这种流动分布。

【发明内容】

[0005]本文公开了用于粘性流体的超声流量计量的系统和方法。在一个实施方式中，超声流量计量系统包括超声流量计、流量调节器和渐缩管。渐缩管为一种将管从上游大内径过渡至下游小内径的设备。超声流量计包括一对超声换能器，一对超声换能器设置成交换穿过在换能器之间流动的流体流的超声信号。流量调节器布置在超声流量计的上游。渐缩管布置在流量调节器与超声流量计之间，以减小从流量调节器流向超声流量计的流体流的横截面积。
[0006]在另一实施方式中，一种方法包括将渐缩管的下游端连接至超声流量计的上游端，并且将渐缩管的上游端连接至流量调节器的下游端。渐缩管的下游端的内横截面积小于渐缩管的上游端的内横截面积。
[0007]在再一实施方式中，超声流量计量系统包括流量调节器、渐缩管和超声流量计。流量调节器联接至渐缩管的上游端，超声流量计联接至渐缩管的下游端。流量调节器和渐缩管调节流过超声流量计的流体流，使得超声流量计在流体流具有小于5000的雷诺数时以小于百分之0.2的误差测量流体流的速度。
【专利附图】

【附图说明】
[0008]为了详细地描述本发明的示例性实施方式，现在参照附图，在附图中:
[0009]图1示出说明层流流体流、过渡流体流和湍流流体流的流动分布的曲线；
[0010]图2示出层流流体流、过渡流体流和湍流流体流的示例性百分比误差特性的曲线.[0011]图3示出根据本文中所公开的原理提供对层流至湍流流动过渡的控制的用于测量粘性流体的超声测量系统；
[0012]图4示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的截面俯视图；
[0013]图5示出根据本文中所公开的原理的四路超声流量计的端视图；
[0014]图6示出根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统的体积流量测量值的误差的变化与雷诺数的曲线图；
[0015]图7示出根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统的计算的分布因数和实际的分布因数的变化与雷诺数的曲线图；
[0016]图8示出流体的实际雷诺数与通过根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统计算的雷诺数相比较的曲线；
[0017]图9示出根据本文中所公开的原理的计算的雷诺数的误差与实际雷诺数的曲线；
[0018]图10示出流体的实际运动粘度与通过根据本文中所公开的原理的超声流量计量系统计算的运动粘度的曲线；
[0019]图11示出根据本文中所公开的原理的计算的运动粘度的误差与雷诺数的曲线；
[0020]图12示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的电路的框图；
[0021]图13示出根据本文中所公开的原理的超声流量计的流量处理器的框图；以及
[0022]图14示出用于利用根据本文中所公开的原理的超声流量计测量粘性液体的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0023]标记和术语
[0024]在以下的讨论中以及在权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放的方式被使用，并因而应当被解释为意味着“包括，但不限于……”。另外，术语“联接”旨在表示间接或直接的连接。因此，如果第一装置联接至第二装置，则该连接可能通过直接连接，或者通过经由其他装置和连接件而完成的间接连接。引述“基于”旨在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，则X可能基于Y和任何数量的其他因素。术语“流体”包括液体和气体。
[0025]详细说明
[0026]以下描述针对本发明的各种示例性实施方式。附图并非必须成比例。实施方式的某些特征可以以放大的比例示出，或以稍示意性的形式示出，并且常规元件的一些细节可出于清楚简明起见而不示出。所公开的实施方式不应被解释为或另外地用于限制包括权利要求的本公开的范围。另外，本领域技术人员将理解的是，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施方式的讨论仅意味着实施方式的示例，且并非旨在暗示包括权利要求的本公开的范围，也并非旨在限制于该实施方式。应当全面认识到，以下所讨论的实施方式的不同教示可分开地应用，或者以任何适当的组合应用以产生期望的结果。另外，各个实施方式在测量烃流体(例如，原油或炼制品)的背景中被研发，并且描述是从研发背景中得出的；但是，所描述的系统和方法同等地应用于任何流体流的测量。
[0027]常规的超声液流计量系统可包括位于流量调节器的上游的管缩径部，即位于向流量计提供流体流的一定长度(例如，八个管直径)的直管的上游。这种常规系统足以用于利用超声流量计为湍流状态下的液体提供流量测量。然而，这种系统不足以用于测量与高粘度流体相关联的非湍流状态的流体。这种系统——其利用在线流量调节装置——同样引入显著地增大工作流体的粘度的压降。
[0028]以适中的速度流过管道的低粘度的液流被称为“湍流”。湍流具有唯一良好限定的速度分布。类似地，以低速流动的非常高粘度的液流被称为“层流”。层流具有与湍流不同的速度分布。当在高粘度流体中的流动速度从O增加时，根据系统参数，流动状态从层流改变成湍流。从层流到湍流的改变并不突然，并且发生在流速的很宽的范围内。在该状态改变期间的流动的状态已知为“过渡”流。过渡区域中的速度分布通常并非良好地限定并且可能是不稳定的。
[0029]图1示出在具有圆形横截面的管中的说明性的过渡流、层流以及湍流的速度分布图。在具有非圆形横截面的管中的速度分布图类似于所示出的速度分布图。不同的流动状态能够通过被称作雷诺数(Re)的无量纲参数来区分，该雷诺数(Re)定义为:
[0030]Re = —( I )
[0031]其中:
[0032]U为穿过管道横截面的平均速度；
[0033]d为内管径；以及
[0034]V为流体的运动粘度。
[0035]在雷诺数低于大约2300时流动为层流，在雷诺数大于大约5000时为湍流，以及当雷诺数在2300与5000之间时为过渡流。在过渡流区域内，流动特征在层流与湍流之间快速地变化。因此，流动的速度分布在被称为间歇行为的层流速度分布与湍流速度分布之间快速地波动。时均过渡速度分布(time averaged transitional velocity profile)可以根据在特定的雷诺数处的间隙性来采取一种形状。过渡流平均速度分布的间歇性特性使得利用常规设置的液体超声流量计量系统很难获得稳定的流量测量。在这些情况下，流速测量误差曲线是高度非线性的。图2示出层流流体流、过渡流体流以及湍流流体流的示例性误差百分比特征的曲线图。该误差在初始湍流区域内是均匀的和线性的，而在层流区域和过渡区域内是非均匀的和非线性的。因此，随着雷诺数的减小，使用常规的液体超声流量计量系统在测得体积流量中的误差百分比增大而超过了用于密闭输送应用可允许的限度。
[0036]本公开的实施方式包括液体超声流量计量系统，该液体超声流量计量系统将液体超声流量测量的线性度扩展到具有小于1000的雷诺数的流体。与此相反，常规的超声系统的线性度被限制在具有大于约5000的雷诺数的流体。因此，实施方式可以应用于诸如具有相对较低的雷诺数的重质原油或粘性炼制品的粘性流体的超声计量。
[0037]图3示出根据本文中所公开的原理的用于粘性流体的计量的超声流量计量系统30。该系统30通过控制层流至湍流的过渡来提供改进的粘性流体流的测量。该系统30包括超声流量计100、渐缩管140以及流量调节器126。该流量调节器126定位在渐缩管140的上游，以及该渐缩管140定位在超声流量计100的上游。该系统30经由直管部段134在流量调节器126的上游联接至流体流，该直管部段134的长度可以为至少三个管径(管部段134的直径)(例如3至5个管径)。管部段134可以包括完全打开的隔离阀。系统30的一些实施方式还可以包括在管部段134的上游处的扩张器142。该扩张器142使得管部段134在扩张器142的上游具有更小直径的管部段144。例如，在管部段134具有内径Dl的情况下，扩张器142将管部段134联接至具有内径D2的管部段144，其中D2 < D1。在一些实施方式中，管144和管138可以具有相同的内径(例如D2)。
[0038]超声流量计100包括限定中心通道或中心孔的流量计本体或管件102。管件102的上游端联接至渐缩管140，使得在管134中流动的流体穿过中心孔。在流体穿过中心孔时，超声流量计100测量流量(因此，流体可被称为被测量流体)。管件102包括便于将管件102联接至渐缩管140、管138或其他结构的凸缘106。可以利用用于将管件102联接至结构体的任何适合的系统(例如，螺栓、夹具、焊接连接等等)。
[0039]为了测量管件102内的流体流，超声流量计100包括多个换能器组件。在图3的视图中，示出四个这种换能器组件108、112、116以及120。换能器组件是成对的(例如，换能器组件108与在管件的相对侧上的图3中未示出的换能器配对)，如将在下文进一步讨论的。此外，每个换能器组件电联接至控制电子器件124。更具体地，每个换能器组件通过各自的电缆或等同的信号传导组件电联接至控制电子器件124。
[0040]图4示出超声流量计100的俯视横截面图。管件102具有预定的尺寸并且限定被测量流体流经的中心孔104。说明性的一对换能器组件112和114沿着管件102的长度定位。换能器112和114为声学收发器，并且更特别地为超声收发器。超声收发器112和114均产生并且接收具有大于大约20千赫兹频率的声学信号。声学信号可以由在每个换能器中的压电元件来产生和接收。为了产生超声信号，该压电元件通过信号(例如，正弦信号)进行电激励，并且该元件通过振动来响应。压电元件的振动产生声学信号，声学信号穿过被测量流体至相应的成对的换能器组件。类似地，当被声学信号击中时，接收压电元件振动并且产生由与流量计101相关联的控制电子器件124进行检测、数字化以及分析的电信号(例如，正弦信号)。
[0041]也被称为“弦线”的路径200以与中心线202成角Θ的方式存在于说明性的换能器组件112与114之间。弦线200的长度为换能器组件112的面与换能器组件114的面之间的距离。点204和点206限定由换能器组件112和换能器组件114产生的声学信号进入和离开流过管件102 (S卩，进入管件孔)的流体的位置。换能器组件112和换能器组件114的位置可以由下述参数限定，即:角Θ、换能器组件112的面与换能器组件114的面之间测定的第一长度L、与点204与点206之间的轴向距离相对应的第二长度X、以及与管件内径相对应的第三长度d。在多数情况下，距离d、X和L在流量计制造期间被精确地确定。被测量流体，诸如原油(或炼制品)沿方向208以速度分布210流动。速度矢量212、214、216和218示出通过管件102的流体速度朝向管件102的中心线202而增大。
[0042]最初，下游换能器组件112产生超声信号，超声信号入射到上游换能器组件114上，并且因此由上游换能器组件114检测。一段时间后，上游换能器组件114产生返回超声信号，返回超声信号随后入射到下游换能器组件112上，并且因此由下游换能器组件112检测。因而，换能器组件沿着弦线路径200交换或进行“发收”超声信号220。操作期间，该序列可能每分钟出现数千次。
[0043]超声信号220在说明性的换能器组件112与换能器组件114之间的传输时间部分地取决于超声信号220相对于流体流向上游行进或向下游行进。超声信号向下游行进(即，沿与流体流相同的方向)的传输时间小于其向上游行进时(即，逆着流体流)的传输时间。上游和下游传输时间可用于计算沿着信号路径的平均速度以及被测量流体中的声速。给定承载流体的流量计100的横截面测量值，通过中心孔104的面积的平均速度可被用于确定流过管件102的流体的体积。
[0044]超声流量计可以具有一个或更多个弦线。例如，图5示出超声流量计100的端视图，其示出在管件102内位于各不相同的高度处的四个弦线路径。在换能器108与换能器110之间形成有弦线路径A。在换能器112与换能器114之间形成有弦线路径B。在换能器116与换能器118之间形成有弦线路径C。在换能器120与换能器122之间形成有弦线路径D。流体的流速可以在每个弦线处确定，以获得弦线流速，并将弦线流速组合起来以确定整个管内的平均流速。根据平均流速，可以确定在管件中并且因此在管线中流动的流体的量。
[0045]通常，控制电子器件124使换能器(例如，112,114)发射并且接收来自换能器的输出信号。控制电子器件124也可以计算每个弦线的平均流速、计算流量计的平均流速、计算通过流量计的体积流量、计算通过流体的声速、执行流量计诊断等等。
[0046]对于给定的弦线，弦线流速V通过下式给出:
【权利要求】
1.一种超声流量计量系统，包括: 超声流量计，所述超声流量计包括一对超声换能器，所述一对超声换能器设置成交换穿过在所述换能器之间流动的流体流的超声信号； 流量调节器，所述流量调节器布置在所述超声流量计的上游；以及 渐缩管，所述渐缩管布置在所述流量调节器与所述超声流量计之间，以减小从所述流量调节器流向所述超声流量计的所述流体流的横截面积。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述超声流量计以小于百分之0.2的误差测量所述流体流的速度，其中，所述流体流具有小于1000的雷诺数。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述超声流量计以小于百分之0.2的误差测量所述流体流的速度，并且所述流体流具有不大于500的雷诺数。
4.根据权利要求2所述的系统，还包括流量计算逻辑，所述流量计算逻辑构造成利用基于所述流体流的瞬时分布因数和流量计因数的修正值计算通过所述超声流量计的体积流量，其中，流量计因数是在预定的时间周期内排放的基准体积与通过所述超声流量计排放的体积的比值。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述渐缩管为包括8度至16度的范围内的渐缩角的同心文丘里渐缩管。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述流体流的分布因数在所述流体流的过渡流动期间在约1.18至1.8的范围内变化。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流量调节器和所述渐缩管相对于包括具有与流量计的直径相等的直径的流量调节器的流量计量系统而言将所述系统中的压力损失减小超过百分之75。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括计算逻辑，所述计算逻辑构造成在过渡流动期间基于所述流体流的瞬时分布因数计算所述流体流的雷诺数和粘度。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述计算逻辑构造成以小于百分之5的误差计算所述雷诺数和粘度；其中，所述流体流具有从500至5500范围内的雷诺数。
10.根据权利要求1所述的系统，还包括所述渐缩管与所述超声流量计的连接部，所述连接部包括不大于64微英寸的表面粗糙高度。
11.一种用于超声计量的方法，包括: 将渐缩管的下游端连接至超声流量计的上游端；以及 将所述渐缩管的上游端连接至流量调节器的下游端； 其中，所述渐缩管的所述下游端的内横截面积小于所述渐缩管的所述上游端的内横截面积。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以不大于百分之0.2的误差测量流过所述超声流量计的流体流的平均速度；其中，所述流体流具有低至500的雷诺数。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括利用基于所述流体流的瞬时分布因数和流量计因数的修正值计算通过所述超声流量计的体积流量，其中，流量计因数为在预定的时间周期内排放的基准体积与通过所述超声流量计排放的体积的比值。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述渐缩管为包括8度至16度范围内的渐缩角的同心文丘里渐缩管。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括经由所述流量调节器和所述渐缩管相对于包括与所述超声流量计具有相等直径的流量调节器的系统中的压降，将跨过所述流量调节器的压降减小百分之79至百分之89的范围。
16.根据权利要求11所述的方法，还包括在过渡流动期间基于所述流体流的瞬时分布因数计算所述流体流的雷诺数和粘度。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括以小于百分之5的误差计算所述雷诺数和粘度，其中，所述流体流具有从500至5500范围内的雷诺数。
18.一种超声流量计量系统，包括: 流量调节器； 渐缩管；和 超声流量计； 其中，所述流量调节器联接至所述渐缩管的上游端，以及所述超声流量计联接至所述渐缩管的下游端； 其中，所述流量调节器和所述渐缩管调节流过所述超声流量计的流体流，使得所述超声流量计以小于百分之0.2的误差测量所述流体流的速度，并且所述流体流具有小于5000的雷诺数。
19.根据权利要求18所述的系统，还包括联接至所述流量调节器的上游端的至少三个管径的直管。
20.根据权利要求18所述的系统，其中，所述流体流具有低至500的雷诺数。
21.根据权利要求18所述的系统，还包括流量计算逻辑，所述流量计算逻辑构造成基于源自所述流体流的瞬时分布因数和流量计因数的修正值计算所述流体流的体积；其中，流量计因数为在预定的时间周期内排放的基准体积与通过所述超声流量计排放的体积的比值。
22.根据权利要求18所述的系统，其中，所述渐缩管为包括8度至16度范围内的渐缩角的同心文丘里渐缩管。
23.根据权利要求18所述的系统，还包括计算逻辑，所述计算逻辑构造成在过渡流动期间基于所述流体流的瞬时分布因数计算所述流体流的雷诺数和粘度。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述计算逻辑构造成以小于百分之5的误差计算所述雷诺数和所述粘度；其中，所述流体流具有从500至5500范围内的雷诺数。
25.根据权利要求23所述的系统，其中，计算逻辑构造成基于所述流体流的所述瞬时分布因数的八阶多项式函数计算所述雷诺数。
26.根据权利要求11所述的方法，还包括经由所述流量调节器和所述渐缩管调节所述流体流，使得所述分布因数在所述流体流的过渡流动期间在约1.18至1.8的范围内变化。
【文档编号】G01F1/66GK104006854SQ201410069801
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年2月27日 优先权日:2013年2月27日
【发明者】帕思塔格·贾亚姆帕蒂·阿努拉达·普里亚达尔沙纳, 德鲁·S·韦弗, 彼得·西尔尼克, 代尔·古德森 申请人:丹尼尔测量和控制公司