本实用新型属于流量计量设备领域，具体涉及一种基于豁免级放射源的湿气流量计量装置。
背景技术：
油气工业中，油气井产物同时包含液相原油和气相天然气的气液混合流体，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。在实践中，油相和水相可能发生相分离，也可能油相和水相混合在一起，或是完全乳化的。如何实时准确地测量从油气井中采出的气液混合流体中气体的流量和液体的流量，以及如何更进一步地测量油相、气相和水相三相各自的流量，是油气藏管理和生产优化所必需的基础数据。当多相流中的气相质量含量高于80％时，通常称为湿气。海底油气田和页岩气开采中，采出物均为湿气。
现有技术中最先进的同时测量湿气中气油水三相各自质量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湿气的总质量流量，并用双能伽马射线探测器在文丘里管喉部处测量气油水三相各自的相分率，然后用总质量流量乘以各自气油水三相各自的相分率，得到气油水三相各自的质量流量。
伽马射线必须穿透文丘里管喉部直径，通过测量透射过喉部的伽玛射线的强度与其初始放射强度的比值，通过换算获得相分率。在一定的节流面积比的约束下，喉部的直径会随口径的增大也增大，当喉部直径增大到一定尺寸，透射过喉部的伽玛射线比例很小，在同等的伽马射线接收器检测精度下，会造成测量精度下降。为了确保测量精度，在技术上就必须通过增强伽马射线源的强度解决。
根据《关于发布放射源分类办法的公告》(国家环境保护总局公告2005 年第62号)的相关规定，并参照国际原子能机构的有关规定，我国按照放射源对人体健康和环境的潜在危害程度，从高到低将放射源分为以下Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类，其中V类源的下限活度值为该种核素的豁免活度：
Ⅰ类放射源为极高危险源。没有防护情况下，接触这类源几分钟到1小时就可致人死亡；
Ⅱ类放射源为高危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时至几天可致人死亡；
Ⅲ类放射源为危险源。没有防护情况下，接触这类源几小时就可对人造成永久性损伤，接触几天至几周也可致人死亡；
Ⅳ类放射源为低危险源。基本不会对人造成永久性损伤，但对长时间、近距离接触这些放射源的人可能造成可恢复的临时性损伤；
Ⅴ类放射源为极低危险源。不会对人造成永久性损伤。
通常如果一个放射源小于或等于V类放射源的下限活度，则称其为豁免级放射源。
目前工业上使用的伽马射线湿气流量计上使用的伽马射线源均为III类以及更高危险等级的非豁免级放射源，出于安全性考虑，强放射源的存储、使用和运输受到各国行政当局的严格管控，这给基于伽马射线的湿气流量测量装置的工业化生产和商业化使用造成了巨大障碍。
因此，人们一直以来都希望能使用豁免级放射源来代替传统的遭到严格管控的强放射源，因为各国行政当局对豁免级放射源的管制都是最宽松的，几乎可以自由使用。但是，豁免级放射源因为其活度非常低，对于工业上的大口径湿气管道，豁免级放射源放出的伽马射线往往穿过文丘里喉部后就非常微弱而难以准确检测，造成测量精度下降。这使得其几乎难以工业化使用。
本实用新型旨在解决上述问题。
技术实现要素：
本实用新型第一方面提供了一种基于豁免级放射源的湿气流量测量装置，其包括一段圆柱形管道1以及位于其内并与其同轴设置的锥形节流件2，所述锥形节流件2包括共底面设置的头圆锥段22和尾圆锥段23，其中所述头圆锥段22迎着所述圆柱形管道1的湿气入口，所述圆柱形管道1的内壁与锥形节流件2的最大直径处之间限定出一个环隙3以供湿气通过；在所述锥形节流件2 的最大直径处21设置有豁免级放射源块4，其布置方式使得其放出的伽马射线能够沿径向穿透所述环隙3到达位于圆柱形管道1外部的伽马射线探测器5。
优选地，所述基于豁免级放射源的湿气流量测量装置还包括差压测量装置 6，其具有两个测压口，其中第一测压口61位于所述头圆锥段22上游的圆柱形管道1的侧壁上，其第二测压口62位于在所述尾圆锥段23的顶点处。
优选地，所述第二测压口62经由贯穿所述锥形节流件2的中轴线的引压管穿透到所述圆柱形管道1外部并连接到差压测量装置6上。
优选地，所述豁免级放射源为上述V类放射源，优选选自Ba133。当然，其他豁免级放射源也可以使用。
优选地，所述头圆锥段22的锥角为30-45°，所述头圆锥段22的锥面与所述尾圆锥段23的锥面之间为锐角或直角。
优选地，所述环隙3的宽度小于50mm，例如为25-50mm。
优选地，豁免级放射源块4的个数为多个。它们优选以周向均匀分布的方式设置。
本实用新型第二方面还公开了一种基于豁免级放射源的湿气流量测量装置，其包括一段圆柱形管道1以及位于其内并与其同轴设置的锥形节流件2，所述锥形节流件2包括共底面设置的头圆锥段22和尾圆锥段23，其中所述头圆锥段22迎着所述圆柱形管道1的湿气入口，所述圆柱形管道1的内壁与头圆锥段22的锥面之间限定出一个渐缩环隙空间9以供湿气通过；在所述头圆锥段 22的锥面上设置有豁免级放射源块4，其布置方式使得其放出的伽马射线能够沿径向穿透所述渐缩环隙空间9到达位于圆柱形管道1外部的伽马射线探测器 5，其中供所述伽马射线穿过处的所述渐缩环隙空间9的径向宽度小于50mm。
为与本实用新型的基于豁免级放射源的湿气流量测量装置相适应，本申请人还开发了一套独特的算法，该算法拟另行申请专利。
本实用新型的有益效果：
1、本实用新型抛弃了文丘里管与伽马射线探测器组合的中心节流式传统湿气流量计结构，改为用锥形节流件与伽马射线探测器的外周节流式组合。在与文丘里管喉部同等流动截面积情况下，湿气从环隙流动相比于从文丘里喉部流动，伽马射线要透射穿过的湿气距离要短得多，故能够使用活度更低的豁免级放射源来代替传统流量计中的强放射源。由于各国行政当局对豁免级放射源的生产、运输和使用均没有管制，所以大大方便了成品湿气流量计的制造、运输、展示和应用。此外，本实用新型的流量测量准确性和精度也不低于传统湿气流量计。
2、本实用新型这种向外周节流的方式，有利于调整管内流速场分布，减少气液滑差。
3、尾流涡流小，噪声幅度低，有利于扩大量程比。
附图说明
图1是本实用新型的基于豁免级放射源的湿气流量测量装置的结构示意图。
图2是本实用新型的更广义上的基于豁免级放射源的湿气流量测量装置的结构示意图。
其中各附图标记表示以下含义：
1-圆柱形管道；2-锥形节流件；21-锥形节流件最大直径处；22-头圆锥段；23-尾圆锥段；3-环隙；4-豁免级放射源块；5-伽马射线探测器；6-差压测量装置；61-第一测压口；62-第二测压口；7-压力表；8-温度表；9-渐缩环隙空间。
具体实施方式
提供以下实施例旨在说明本实用新型的内容，而不是对本实用新型保护范围的进一步限定。
实施例1
如图1所示，本实用新型的基于豁免级放射源的湿气流量测量装置包括一段圆柱形管道1以及位于其内并与其同轴设置的锥形节流件2，所述锥形节流件2包括共底面设置的头圆锥段22和尾圆锥段23且二者底面积相同，其中所述头圆锥段22迎着所述圆柱形管道1的湿气入口，所述锥形节流件2的最大直径处21与所述圆柱形管道1的内壁之间限定出一个环隙3以供湿气通过；在所述锥形节流件2的最大直径处21设置有豁免级放射源Ba133的材料块4，其活度低于25μCi，其布置方式使得其放出的伽马射线能够沿径向穿透所述环隙3到达位于圆柱形管道1外部的伽马射线探测器5。所述圆柱形管道1的外部设有差压测量装置6，其具有两个测压口，其中第一测压口61位于所述头圆锥段22 上游的圆柱形管道1的侧壁上，其第二测压口62位于在所述尾圆锥段23的顶点处，并且第二测压口62经由贯穿所述锥形节流件2的中轴线的引压管穿透到所述圆柱形管道1外部并连接到差压测量装置6上。在第一测压口上游还可以具有温度表8，第一测压口同时还连接压力表7。上述引压管的弯折处要距离所述第一测压口至少2D的距离，其中D为圆柱形管道的内径。本实施例中，所述头圆锥段22的锥角为30°，头圆锥段22与尾圆锥段23的锥面夹角为90°。
测量过程工作如下：湿气从所述圆柱形管道1的入口端流入，并在沿途被测量其温度T和压力P，然后在所述锥形节流件的引导下流经所述环隙，由此产生节流作用，因节流产生的压差ΔP由上述差压测量装置测定。在环隙处，由伽马射线探测器测定气相质量相分率αgas、油质量相分率αoil和水相质量相分率αwater，其中αgas+αoil+αwater＝1，然后使用以下步骤计算气油水三相各自的质量流量：
1.通过以下公式计算多相流的混合密度：
ρ＝ρwater×αwater+ρoil×αoil+ρgas×αgas
2.通过以下流量计算公式计算多相流的总质量流量Qm：
式中：Qm---质量流量，kg/h；
k----系数；
ΔP—差压值，kPa；
ρ---多相流的混合密度，kg/m3。
其中，
式中：
β—当量直径比，通常为0.35-0.75；
D---圆柱形管道1的内径，m；
d---锥体节流件最大处直径，m；
ε—压缩系数，对于液体，ε＝1；对于气体，
其中k为等熵系数，一般单原子气体k＝1.67，双原子气体k＝1.40，多原子气体k＝1.10-1.29，一些常见的气体的k值如下：氩气k＝1.67，氦气 k＝1.67，氢气k＝1.40，氮气k＝1.40，氧气O2k＝1.39，一氧化碳k＝1.40，空气 k＝1.40，水蒸汽k＝1.33，二氧化碳k＝1.29，二氧化硫k＝1.25，甲烷＝1.30，丙烷k＝1.13；
其中τ为压力比P2/P1，P2为锥形节流件下游压力，P1为锥形节流件上游压力；
其中流出系数C可以通过流量标定方法而现场获得，其典型数值范围是 0.75～0.85，或者根据以下经验公式计算得到：
3.通过以下公式计算油气水三相各自的质量流量：
Qgas＝Qm×αgas
Qwater＝Qm×αwater
Qoil＝Qm×αoil
上述公式中的各物理量均采用国际单位制，以彼此相适配为准。
实施例2
结构如图2所示，其与图1所示结构的区别在于豁免级放射源的位置在锥形节流件2的头圆锥段22的锥面上，其位置靠近所述所述锥形节流件2的最大直径处21，其布置方式使得其放出的伽马射线能够沿径向穿透所述渐缩环隙空间9)到达位于圆柱形管道1外部的伽马射线探测器5，其中供所述伽马射线穿过处的所述渐缩环隙空间9的径向宽度小于50mm。
具体质量流量计算方法与实施例1完全相同。