测量液-气-液三相流的声速的方法和装置与流程

本发明涉及流体测量领域，是一种测量由两种不同的液体和气体均匀混合形成的三相流流体的声速，也就是测量液-气-液三相流中压力波的传播速度的方法和装置。

背景技术：

由两种不同的液体和气体均匀混合形成的三相流流体流动现象广泛存在于工程上。例如，化学工业中的乳浊液流动、石油工和天然气工业中的油气水流的流动都是常见的复杂三相流流动现象。在原油开采作业过程中，天然气和地层水常与原油一起开采出来，这些油气水在井筒和输油管道中的流动属于油气水的三相流动。为了确定油井、地层中的原油、天然气的产量、变化，合理、高效、准确地利用能源，需要首先对多相流流动体系的复杂性，获得现象和概念上的认知，才能在此基础上，对原油、天然气的开采、运输过程进行预测、控制、系统设计。

液-气-液三相流流动的一种特殊的流型是三相在流动过程中均匀混合，例如，雾状流、气泡流流型。在这种情况下，流体的流动特性满足单流体液-气-液三相流的假设。首先，液-气-液相组成的混合物，热力学性质接近，彼此均匀地混合，不考虑各相流体之间的界面和滑移速度，所以，就相当于某种等效的单流体的流动，在一个很小的流体微团内可视为连续介质。等效混合物的物理性质，如密度、比热、粘性系数、导热系数等都可从两种组分中的对应参数按照质量或体积分数进行加权平均获得。

流体中的声速是指流体中压力波的传播速度，即流体某一区域内发生的微小扰动传播到其他区域的传播速度。单相流体的声速是随着流体的可压缩性的提高而降低。例如水中的声速可达1500m/s，而空气的声速约为340m/s。在液-气-液三相流中，由于多相介质相互掺混，导致多相混合物的可压缩性远小于其中单相成分的可压缩性，因此液-气-液三相流中的声速可能下降。工程上，例如在油气输运管道的设计、控制、安置等，都需要考虑多相流的声速问题。

影响液-气-液三相流的声速的主要流动参数有：流体的流动速度、气体含量、色散性、温度。为准确获得油气水多相流在上述流动参数下的压力波的传播特性， 需要一种能够同时测量上述因素对液-气-液三相流的声速的影响的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量液-气-液三相流的声速的装置，它包括一个液体供给系统、一个另一种液体供给系统、一个气体供给系统、一个液-气-液混合器、一个传热管道、一个管道加热系统、一个扰动波发生器、一个具有绝热功能的测量管道，三个压力传感器、一个电极对、一个气体含量的闭环控制系统、一个气-液分离系统、一个液-液分离系统，上述部件的连接关系是：

液体供给系统、另一种液体供给系统、气体供给系统连接液-气-液混合器；

液-气-液混合器连接传热管道；

传热管道连接管道加热系统；

传热管道连接具有绝热功能的测量管道；

在传热管道与液-气-液混合器之间或者在传热管道与具有绝热功能的测量管道之间，连接有扰动波发生器；

具有绝热功能的测量管道的下游连接气-液分离系统；

气-液分离系统连接水供给系统；

气-液分离系统连接液-液分离系统；

液-液分离系统连接另一种液体供给系统；

三个压力传感器和电极对安装在具有绝热功能的测量管道的壁面上；

气体含量闭环控制系统连接电极对和气体供给系统。

上述各个部件的功能在于液-气-液三相流的液体由液体供给系统提供，另一种液体由另一种液体供给系统提供，气体由气体供给系统提供；液体、另一种液体、气体进入液-气-液混合器形成液-气-液三相流均质混合流体；进入传热管道，由管道加热系统对其进行加热；气体含量闭环控制系统通过电控节气阀调整气体流量；气-液分离系统将分离出来的气体排放到大气，将分离出来的两种液体混合物(液体和另一种液体)送到液-液分离系统进一步将液体和另种液体分离，并将液体送回液体供给系统，将另一种液体送回另一种液体供给系统。

由上述部件连接组成的测量装置可以测量液-气-液三相流的声速，以及流动速度、气体含量、色散性、温度对声速的影响。

本发明提出的测量液-气-液三相流的声速的装置结构简单、实用，使用方便，功能强大。在这个装置上，流动速度、气体含量、色散性、温度四个参数对液-气-液三相流的声速的影响可以分别进行测量，独立地考虑其中任意一个参数的影响，也可综合考虑各个参数的影响，进行交叉实验。

附图说明

图1是测量液-气-液三相流的声速的装置的布局图。图中，1液体供给系统、2液体流、3气体供给系统、4气体流、5液-气-液混合器、6管道加热系统、7气体含量的闭环控制系统、8电极对、9下游压力传感器、10上游压力传感器、11气液分离系统、12测量管道、13中心压力传感器、14两种液体回流、15扰动波发生器、16传热管道、17另一种液体供给系统、18另一种液体流、19另一种液体回流、20液-液分离系统、21液体回流。

图2(a)是压力传感器和电极对在测量管道上的安装示意图。图中，12测量管道、10上游压力传感器、9下游压力传感器。

图2(b)是图2(a)的A-A剖视图。图中8电极对、13中心压力传感器。

图3是气液混合器的结构示意图。图中，22圆柱形腔体、23液体入口、24另一种液体入口、25,26气体进入的周边的小孔、27三层金属网、28三相流出口。

图4是扰动发生器的工作原理图。图中，29伺服电机拖动、30往复式活塞机构、12具有绝热功能的测量管道。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明提出的一种测量液-气-液三相流的声速的方法和装置的结构和原理。

图1是测量液-气-液三相流的声速的装置的布局图。如图1中所示，三相流的液体由液体供给系统(1)、另一种液体供给系统(17)提供；气体由气体供给系统(3)提供。液体流(2)、气体流(4)、另一种液体流(18)按照液体流量值、气体流量值的配比进入液-气-液混合器(5)进行充分混合形成均质液-气-液三相流。三相流进入传热管道(16)。根据设定的温度，由管道加热系统(6)对其进行加热，直到达到预定温度。在传热管道(16)之后，连接有扰动 波发生器(15)，产生频率可调的标准正弦波，作为扰动波，传入后面的具有绝热功能的测量管道(12)。此阶段，三相流温度被认为是恒定的。传热管道和测量管道都是横截面为圆形的细长管道。

图2(a)是压力传感器和电极对在测量管道上的安装示意图。图2(b)是图2(a)的A-A剖视图。三个压力传感器和电极对安装在测量管道(12)的壁面上。从来流方向，三个压力传感器分别标号1,2,3。彼此等距离。2号为中心压力传感器(13)，1号和3号分别被称为上游压力传感器(10)和下游压力传感器(9)。1号和3号被安装在2号对面。2号压力传感器正对面安装一个电极对(8)，测量端深入到测量管道(12)中，但不超过测量管道(12)的中心轴线。传感器1,2,3号用来测量三个点的压力，电极对(8)用来测量当地空气含量。在测量前电极对需要标定，获得输出电压和气体含量的关系曲线。因为传热管道(16)的加热过程会使测量管道内的气体含量发生变化，偏离设定好的气体含量。

这一点可以通过电极对(8)的测量值和是否与设定值一致反映出来。如果有偏差，一个气体含量的闭环控制系统(7)进一步调整气体流量，直到电极对(8)处测量的气体含量值与设定值的偏差在误差范围内。

测量管道(12)下游连接一个气-液分离系统(11)，被分离出来的气体排放到大气，分离出的液体回流(14)包括两种液体混合物(液体和另一种液体)送到液-液分离系统(20)进一步将液体和另种液体分离，形成液体回流(21)和另一种液体回流(19)，分别送回液体供给系统(1)和另一种液体供给系统(17)。

图3是液-气-液混合器的结构示意图。液-气-液混合器(5)由圆柱形腔体(23)构成，沿轴线方向安装不锈钢制成的三层金属网(27)，圆柱形腔体(23)顶面是液体入口(23)和另一种液体入口(24)，对面是三相流出口(28)，气体从圆柱形腔体(23)周边的小孔(25,26)进入，两种液体和气体通过金属网(27)的孔隙后均匀混合，形成均质液-气-液三相流。其中气体的含量按通过供气系统中的电控节气阀调节，量可以从0到100％(纯气体)。

图4是扰动发生器的工作原理图。图中表示，扰动波发生器(15)是一个能产生频率可调的标准正弦波的、由伺服电机拖动的往复式活塞机构。如果不考虑两相流的声速的色散性，即声速对扰动频率的反应程度，则不启动扰动发生器(16)。正弦波作为扰动波，传入后面的具有绝热功能的测量管道。

如果不考虑温度对声速的影响，可以不启动管道加热系统(6)，在室温条件下进行声速测量试验。所有数据通过一个数据采集分析系统采集、分析处理。对三个不同位置的压力传感器的值进行FFT变换，通过相关分析和谱分析的方法可以推算出三相流当地的声速。