基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置及方法与流程

本发明属于多相流流量测量技术领域，具体涉及一种基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置及方法。

背景技术：
在石油开采、环保化工等领域经常需要将互不相容的两种液体进行测量，尤其是在目前高含水油田中，如何实时测知产油量大小一直是困扰实际生产的一个重要问题。近年来关于液液两相流体的测量技术的研究和应用不断得到快速发展，已有的液液两相流体的主要测量方法可分为两类：分离法和非分离法。分离法是先分离后测量，可分为静态重力分离法、离心分离法、水力旋流器法等，相关的专利可详见CN101025080A、CN2931780Y、CN1078292A、CN2931780，另外还有众多公开发表的文献，分离法在使用过程中存在着各种各样的问题：重力或离心方法的设备体积大、油水分离时间长、测量的实时性和便捷性较差；水力旋流器法由于油水两相反向流动实现分离，其中油相通过溢流管向上流动，水相通过底流口流出，此种方法虽然可以实现快速分离，但当工况或操作参数发生变化时，有可能发生部分油相被水相从底流口带出的现象，且从上端溢流管流出的油相中也含有部分的水相，因此应用于测量领域误差过大。非分离法是将两相流混合变成均相流，利用单相流量计测量出体积流量，再结合密度计测量各相含量，但由于密度计对介质的物性和两相流的特性较为敏感，因而其测量精度远低于在单相状态时的性能。公开号为1580733的专利提供了一种液液两相流测量方法，该方法先利用混流器将两相流搅匀成为均相流，然后测得总体积流量，再根据节流元件不可压缩流体体积流量计算公式得到流体的分相流量，由于诸如流量系数等参数都是通过经验公式获得，因而必须依靠两相流体标定系统，并需建立相应的两相流量量值传递体系。这在目前仍然是一项浩瀚的工程，客观上严重限制了这种方法的广泛应用。

技术实现要素：
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置及方法，将两相流体实现管内分隔后按照单相流进行测量，和已有的测量方法相比，既继承了非分离法分离装置体积小的固有优点，又克服了传统分离法的缺点；通过本发明可大幅缩小测量装置的体积，改善测量实时性和精确性，在工程上将得到广泛应用。为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置，包括液液两相流体依次流过的相互连通的进口段1、渐缩段2、测量段3、渐扩段4和出口段5，所述测量段3内液液两相流体流过的上游至下游依次设置有旋流装置3-1、脉冲电极3-2和超声波测量装置3-3，所述脉冲电极3-2的正极和负极的上下端分别通过支撑环3-4固定在测量段3内，脉冲电源3-5和脉冲电极3-2相连接。所述旋流装置3-1和测量段3管壁之间是静态布置，旋流装置3-1的中心是一直径为0.1～0.3倍测量段3管径的圆柱棒，围绕圆柱棒的是四片螺旋角不小于180°的不锈钢片，圆柱棒来流侧为半球状，下游侧为锥体。所述脉冲电源3-5采用电压、频率、占空比能够连续调节的高频高压脉冲矩形波脉冲电源，电压幅值调节范围为1kV-7kV，脉冲频率调节范围为1KHz～10KHz，占空比调节范围为0.1～0.9。所述脉冲电极3-2包括正电极和负电极，其中正电极是一根直径不大于5mm金属棒，靠首尾两端的两个支撑环3-4固定在测量段3管内正中心，负电极和正电极的长度相同，紧贴测量段3管壁内侧周向布置一周或与测量段3管壁间隔预设距离周向布置一周。所述支撑环3-4为绝缘材料。所述超声波测量装置3-3在测量段3管壁上的布置方式包括如下三种：第一种：所述超声波测量装置3-3包括三个探头，其中一个探头紧贴测量段3管外壁垂直管道布置，另外两个探头采用“V型”外贴式布置方式，布置在管道同侧，两个探头声道传播方向与测量段3管壁轴向的夹角为θ；第二种：所述超声波测量装置3-3包括四个探头，其中两个探头垂直布置在测量段3管道同一径向的两端，另外两个探头采用“V型”外贴式布置方式，布置在管道同侧，两个探头声道传播方向与测量段3管壁轴向的夹角为θ；第三种：包括N个探头，N为≥3的奇数，其中一个探头紧贴测量段3管外壁垂直管道布置，其它(N-1)/2对探头布置在管道弦径方向上，弦径的大小要确保每对探头的连线不接触轻相流体,布置在管道弦径方向上的每对探头连线与测量段(3)管壁轴向的夹角为θ；所述夹角θ为30°～70°。上述所述测量装置的测量方法，液液两相流体首先通过进口段1流经渐缩段2加速，再依次流经测量段3内的旋流装置3-1和脉冲电极3-2，由于液液两相流体的密度差异，液液两相流体在旋流装置3-1产生的离心力作用下，重相流体所受到的离心力大于向心浮力，被旋至测量段3管壁附近，轻相流体正好相反，向测量段3管中心聚集；随后脉冲电极3-2产生的脉冲电场能够使分散在中心轻相流体中的细小重相液滴聚合，在离心力的作用下脱离出来，最终在测量段3管内形成较为规则的“轻相核-重相环”的流型；此时通过垂直于测量段3管道布置的探头测量出从管壁到轻相流体外边界的距离，进而能够计算得到液液两相流体的重相流体和轻相流速体在测量段3管道内所占的截面积S重和S轻，再通过其他方式布置的探头测得重相流体的流速u重，通过重相流速u重和轻相流速u轻在不同状况下的拟合关系式得出轻相流速u轻，最后通过公式Q＝uS计算出轻相和重相各自的体积流量；所述液液两相流体的重相流体和轻相流体在测量段3管道内所占的截面积S重和S轻的计算公式如下表1所示：表1表1中：D为测量段3管内径，R为垂直测量段3管道布置的探头测得的从管壁至轻相流体边界的距离，R1和R2分别代表第二种探头布置方式中垂直于测量段3管道布置的两个探头分别测得的从管壁到轻相流体边界的距离；所述重相流体的流速u重和体积流量Q重的计算公式如下表2所示：表2表2中：u重是重相流体的流速，u重i为第i声道的平均流速，i为1～(N-1)/2，ωi为第i声道的权重系数，i为1～(N-1)/2，t1为顺流传播时间，t2为逆流传播时间，θ为测量段3管壁轴向与声道传播方向之间的夹角，α为第三种布置方式弦径方向探头和管道中心的连线与水平方向的夹角，K1为第一种和第二种探头布置方式的流速修正系数，K2为第三种探头布置方式的流速修正系数，Q重为重相流体的体积流量，L为第一种和第二种探头布置方式声道的长度；所述轻相流体的流速u轻和体积流量Q轻的计算公式如下表3所示：表3表3中：u轻是轻相流体的流速，Q轻为轻相流体的体积流量，Δρ为重相流体和轻相流体的密度差，单位为kg/m3。和现有技术相比较，本发明具有如下优点：本发明一种基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置及方法，结合了旋流分离技术和高频高压脉冲电脱技术以及超声波测量技术，其中旋流场产生的离心作用是实现管内液液两相分隔的关键，高频高压脉冲电脱技术能够让轻相中含有的细小重相液滴聚合形成大液滴，在旋流场产生的离心作用力将其从轻相脱离至重相，从而在管道内形成较为规则的“轻相核-重相环”流型，进而通过非介入式超声波技术测知各相的体积流量。本发明是将两相流体实现管内分隔后按照单相流进行测量，和已有的测量方法相比，既继承了非分离法分离装置体积小的固有优点，又克服了传统分离法的缺点。通过本发明可大幅缩小测量装置的体积，改善测量实时性和精确性，在工程上将得到广泛应用。附图说明图1为一种基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置结构示意图。图2a为超声波测量装置在测量段管壁上的第一种布置方式。图2b为超声波测量装置在测量段管壁上的第二种布置方式。图2c为超声波测量装置在测量段管壁上的第三种布置方式。图3经过分隔后管内重相和轻相流体速度拟合关系曲线图。具体实施方式下面结合附图对本发明作更详细的说明。如图1所示，本发明一种基于相分隔和超声技术的液液两相流流量测量装置，包括液液两相流体依次流过的相互连通的进口段1、渐缩段2、测量段3、渐扩段4和出口段5，所述测量段3内液液两相流体流过的上游至下游依次设置有旋流装置3-1、脉冲电极3-2和超声波测量装置3-3，所述脉冲电极3-2的正极和负极的上下端分别通过支撑环3-4固定在测量段3内，脉冲电源3-5和脉冲电极3-2相连接。作为本发明的优选实施方式，所述旋流装置3-1和测量段3管壁之间是静态布置，旋流装置3-1的中心是一直径为0.1～0.3倍测量段3管径的圆柱棒，围绕圆柱棒的是四片螺旋角不小于180°的不锈钢片，圆柱棒来流侧为半球状，下游侧为锥体。作为本发明的优选实施方式，所述脉冲电源3-5采用电压、频率、占空比能够连续调节的高频高压脉冲矩形波脉冲电源，电压幅值调节范围为1kV-7kV，脉冲频率调节范围为1KHz～10KHz，占空比调节范围为0.1～0.9。作为本发明的优选实施方式，所述脉冲电极3-2包括正电极和负电极，其中正电极是一根直径不大于5mm金属棒，靠首尾两端的两个支撑环3-4固定在测量段3管内正中心，负电极和正电极的长度相同，紧贴测量段3管壁内侧周向布置一周或与测量段3管壁间隔预设距离周向布置一周。作为本发明的优选实施方式，所述支撑环3-4为绝缘材料。作为本发明的优选实施方式，所述超声波测量装置3-3在测量段3管壁上的布置方式包括如下三种：如图2a所示，第一种布置方式为：所述超声波测量装置3-3包括三个探头，其中一个探头紧贴测量段3管外壁垂直管道布置，另外两个探头采用“V型”外贴式布置方式，布置在管道同侧，两个探头声道传播方向与测量段3管壁轴向的夹角为θ；如图2b所示，第二种布置方式为：所述超声波测量装置3-3包括四个探头，其中两个探头垂直布置在测量段3管道同一径向的两端，另外两个探头采用“V型”外贴式布置方式，布置在管道同侧，两个探头声道传播方向与测量段3管壁轴向的夹角为θ；如图2c所示，第三种布置方式为：包括N个探头，N为≥3的奇数，其中一个探头紧贴测量段3管外壁垂直管道布置，其它(N-1)/2对探头布置在管道弦径方向上，弦径的大小要确保每对探头的连线不接触轻相流体,布置在管道弦径方向上的每对探头连线与测量段3管壁轴向的夹角为θ；作为本发明的优选实施方式，所述夹角θ为30°～70°。本发明还提供了上述所述测量装置的测量方法，如图1、图2a、图2b和图2c所示，具体为：液液两相流体首先通过进口段1流经渐缩段2加速，再依次流经测量段3内的旋流装置3-1和脉冲电极3-2，由于液液两相流体的密度差异，液液两相流体在旋流装置3-1产生的离心力作用下，重相流体所受到的离心力大于向心浮力，被旋至测量段3管壁附近，轻相流体正好相反，向测量段3管中心聚集；随后脉冲电极3-2产生的脉冲电场能够使分散在中心轻相流体中的细小重相液滴聚合，在离心力的作用下脱离出来，最终在测量段3管内形成较为规则的“轻相核-重相环”的流型；此时通过垂直于测量段3管道布置的探头测量出从管壁到轻相流体外边界的距离，进而能够计算得到液液两相流体的重相流体和轻相流速体在测量段3管道内所占的截面积S重和S轻，再通过其他方式布置的探头测得重相流体的流速u重，通过重相流速u重和轻相流速u轻在不同状况下的拟合关系式得出轻相流速u轻，最后通过公式Q＝uS计算出轻相和重相各自的体积流量；所述液液两相流体的重相流体和轻相流体在测量段3管道内所占的截面积S重和S轻的计算公式如下表1所示：表1表1中：D为测量段3管内径，R为垂直测量段3管道布置的探头测得的从管壁至轻相流体边界的距离，R1和R2分别代表第二种探头布置方式中垂直于测量段3管道布置的两个探头分别测得的从管壁到轻相流体边界的距离；所述重相流体的流速u重和体积流量Q重的计算公式如下表2所示：表2表2中：u重是重相流体的流速，u重i为第i声道的平均流速，i为1～(N-1)/2，ωi为第i声道的权重系数，i为1～(N-1)/2，t1为顺流传播时间，t2为逆流传播时间，θ为测量段3管壁轴向与声道传播方向之间的夹角，α为第三种布置方式弦径方向探头和管道中心的连线与水平方向的夹角，K1为第一种和第二种探头布置方式的流速修正系数，K2为第三种探头布置方式的流速修正系数，Q重为重相流体的体积流量，L为第一种和第二种探头布置方式声道的长度；通过模拟和理论计算发现，粘度差对两相流速在管内的分布的影响不大，分隔后两者的速度主要取决于密度差，图3给出了密度差为700kg/m3的液液两相流体经过管内相分隔后重相和轻相速度拟合关系图，从图中可见，选取分隔后的三个截面，流速分布的曲线基本一致。所述轻相流体的流速u轻和体积流量Q轻的计算公式如下表3所示：表3表3中：u轻是轻相流体的流速，Q轻为轻相流体的体积流量，Δρ为重相流体和轻相流体的密度差，单位为kg/m3。