一种气液两相流含水率测量装置及测量方法与流程

本发明涉及微波器件类，油气工程领域，特别是涉及一种气液两相流含水率测量方法。

背景技术：

天然气气液两相流含水率的准确测量对在天然气的开采、集输计量、分输站场、储运销售和燃烧设备运行、贸易结算等具有重要意义。由于气液流动的复杂性，实时精确的测量含水率十分困难。因为精确实时地获得含水率的信息不仅能够为稳定地控制天然气生产的过程提供理论依据，而且能够保证成品天然气的生产，进而降低生产成本，减少能源消耗。所以寻找一种及时准确的含水率测量方法显得尤为重要。传统的测量方法只能满足较低准确度，即使能够达到较高准确度也需要耗费大量的时间和人力。因此对天然气气液两相流的在线、快速、精确测量具有重要的现实意义。

微波谐振腔法是近年来比较热的测量含水率的技术手段，目前国内外学者在微波谐振腔测量气液两相流多相流含水率做了许多尝试，如文献[1]roxar公司的enyfors等人研发的两端开放的微波谐振腔测量多相流的产品subseawetgasmeters，采用te1/210谐振模式，对油水或者气液两相流进行测量,采用波长与介电常数平方根及bruggeman模型去建模计算含水率。文献[2]sharma等人研究了一端开放的谐振腔，其将谐振腔开放端紧贴管道，采用谐振腔开放端的场对流体作用，对该谐振腔的两个模式tm010模式和tm011模式进行了对比分析，并采用经验公式和bruggeman模型方法进行计算，通过检测s11参数对0-5％的油水两相流测量。实验得出在两种填充下tm011模式灵敏度更高，peek填充时谐振腔tm011模式的灵敏度为41.0mhz/wlr％，而tm010模式的灵敏度wlr％3.4mhz/wlr％。estimatedwlr％绝对误差在10％以内。[3]al-kizwini采用混合介电常数模型结合hfss仿真软件的方法对分散流体计算并比较谐振腔基模实验数据，结果显示各种预测模型公式存在一定差异，looyenga预测提供了最接近。本发明与以上工作的区别在于，以上论文和专利，给出的理论计算方法均为微扰法或经验公式方法，本发明专利提出采用电磁场精确解法结合混合模型计算tm0n0模式谐振腔测量气液两相流相含率的新方法。

[1]a.gryzlov,e.nyfors,l.jordaan,e.undheim,andn.a.braaten,"fluidmechanicalaspectsofwetgasmetering,"presentedatthethesperussianoil&gasexplorationproducrtiontechnocailconference,2012.

[2]p.sharma,l.lao,andg.falcone,"amicrowavecavityresonatorsensorforwater-in-oilmeasurements,"sensorsandactuatorsb:chemical,vol.262,pp.200-210,2018.

[3]m.a.al-kizwini,d.a.al-khafaji,s.r.wylie,anda.i.al-shamma’a,"theuseofanemmixingapproachfortheverificationofanemwavesensorforatwophase(oil–water)dispersedflow,"flowmeasurementandinstrumentation,vol.32,pp.35-40,2013.

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有气液两相流含水率检测设备精度不高、侵入式及实时性差的问题，提供一种测量精确度高、可实现非侵入、在线实时测量的气液两相流含水率测量装置，并给出测量方法。为实现上述目的本发明所采用的技术方案是：

一种气液两相流含水率测量装置，包括：谐振腔体，位于谐振腔体两端的过渡管段，用于测量谐振频率的电路模块，其特征在于，

谐振腔体由所述谐振腔体前端与谐振腔体后端密封连接而成，谐振腔体前端和谐振腔体后端由金属制成，腔体内壁采用银镀层并做抛光处理，所述谐振腔中心轴线处嵌入内嵌绝缘管，用于导流气液两相流流体，阻止流体渗入空腔空间。所述谐振腔体和内嵌绝缘管构成的空间采用内嵌绝缘介质填充。

所述谐振腔体侧壁的相对位置上开有一对天线耦合孔，所述谐振腔体的微波馈入的方式采用微波天线耦合馈入，耦合天线采用sma接头及同轴线组成，所述耦合天线采用环耦合方式与所述谐振腔体进行微波信号馈入耦合，所述耦合天线嵌入谐振腔体外壁的天线耦合孔，且耦合天线的耦合环布置在谐振腔体产生谐振时磁场最强处；

所述整流器位于流动方向上游的过渡管段中；

所述谐振腔体是tm0n0模式谐振腔。

整流器为螺旋整流器，所述的螺旋整流器为嵌入过渡管段的中心带金属轴的两螺旋叶片或多螺旋金属叶片，其升角为30°～60°之间，螺距为过渡管段直径的0.5～3倍之间，中心轴直径在0.125到0.5倍的过渡管段直径。

整流器还可以为分层整流器，所述的分层整流器为嵌入过渡管段的楔形体，楔形斜坡轴向长度为0.5～2倍过渡管段直径，楔形轴向总长为2～6倍过渡管段直径，楔形柱体高度为0.2～0.8倍过渡管段直径。

本发明同时给出利用所述的装置实现的气液两相流含水率测量方法，包括：

(1)当气液两相流流体经过内嵌绝缘管时，谐振腔内的谐振场受到流体介质的干扰，谐振频率发生变化，采用精确解方法和混合介电常数并联模型方法进行建模。精确场解法根据测得的谐振频率解得介电常数，对tm0n0模式，在流体与内嵌绝缘管，内嵌绝缘管与内嵌介质边界连续，不同介质内电场和磁场对应相等的关系，及金属边界电磁场的转换关系得到五个方程式：

式中a1、a2、a3、a4为待定系数；r1为内嵌绝缘管内半径，r2为内嵌绝缘管外半径r3为谐振腔体内半径；εm为内嵌绝缘管段气液两相流流体混合介电常数，ε2为内嵌绝缘管介电常数，ε3为内嵌绝缘介质介电常数；ω为角频率，其与谐振频率关系为ω＝2πf，σ为谐振腔体金属电导率；ε0为真空介电常数,μ0为真空磁导率；j0和n0及j1和n1分别为第0阶和第1阶贝塞尔函数，因此解得流体混合物介电常数εm和谐振频率f的关系，谐振频率f通谐振腔测得，即可解得流体混合物介电常数εm。

(2)精确解法解得的混合物介电常数与气液两相流的含水率有关，采用混合公式进行计算，其中εm为混合介质介电常数，ε1、ε2为分别为水和空气的介电常数，φ为含水率。

(3)由(1)(2)结合建立tm0n0模式的谐振腔含水率测量方法，通过谐振腔测量某一含水率的谐振频率，计算含水率φ。

本发明与现有技术比较所具有的有益效果：一种气液两相流含水率测量方法，能够克服现有技术对含水率计算精度不够，测量范围窄的缺点；另外本发明方法为非侵入式测量，不影响管道内流体流动，不存在传感器探头磨损问题；本发明为在线测量，相比应用较广的离线测量实时性好；本发明构造简单，体型小巧，对空间要求低，易于串接和拆卸，且相比现用仪表造价相对低廉，使用方便。

附图说明

图1为本发明的剖面结构示意图

图2和图3分别为螺旋整流器和分层整流器示意图

图4本发明分层流及环状流理论精确场解原理示意图

图5为本发明分层流及环状流电场分布图

图6为本发明电路模块连接框图

图7为本发明检测不同含水率时得到的谐振频率

1-法兰、2-过渡管段、3-整流器、4-谐振腔体前端、5-密封螺栓、6-耦合天线、7-内嵌绝缘介质、8-内嵌绝缘管、9-谐振腔体后端、10-螺旋整流器、11-分层整流器

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

微波谐振腔测量气液两相流的原理是含水率的变化会引起混合物介电常数的变化。当气水两相流流过谐振腔时，流体对谐振场产生作用，介电常数的变化引起了谐振腔谐振频率的变化，采用精确解法与混合物介电常数的关系，通过测量谐振频率实现对含水率的测量。

下面结合附图对本发明做进一步说明。如图1和所示，本发明的一种气液两相流含水率测量装置，包括：1-法兰、2-过渡管段、3-整流器(采用10-螺旋整流器、11-分层整流器中的一种)、4-谐振腔体前端、5-密封螺栓、6-耦合天线、7-内嵌绝缘介质、8-内嵌绝缘管、9-谐振腔体后端。

所述谐振腔体前端4与谐振腔体后端9采用八个密封螺栓5连接构成谐振腔体。所述谐振腔体前端4与谐振腔体后端9采用高纯度金属，且内壁镀银并抛光工艺处理。所述内嵌绝缘管8嵌于所述谐振腔体前端4与谐振腔体后端9中心轴线处。所述谐振腔体与所述内嵌绝缘管8构成的空间采用内嵌绝缘介质7填充。

所述谐振腔体后端9侧壁开有耦合孔，且在侧壁圆周上与之成180度角的对位开有另一个耦合孔，一对所述耦合天线6分别嵌入两个对位耦合孔，一个耦合天线作为发射天线，另一个耦合天线作为接收天线。所述一对耦合天线6均延伸到腔内0.8r3处的内嵌绝缘介质7中。

所述法兰1和过渡管段2焊接于所述谐振腔体前端4与谐振腔体后端9，所述法兰1和过渡管段2与谐振腔体被用于串接连接在气液两相流管道中，所述整流器3安装于流体流动方向上游过渡管段2中，其有两种方案可采用，分别为螺旋整流器10和分层流整流器11。分别为螺旋整流器10由中心轴及螺旋叶片组成，有双螺旋叶片组成，三螺旋叶片及四螺旋叶片均匀分布在中心轴上。采用30度到60度螺旋升角，螺距为0.5到3倍的过渡管段2直径。金属中心轴直径在0.125到0.5倍的过渡管段2直径。分层流整流器11由过渡管段2及嵌入其中的楔形体组成。楔形斜坡轴向长度为0.5～2倍过渡管段2直径，楔形轴向总长为2～6倍过渡管段2直径，高度为0.2～0.8倍过渡管段2直径。所述螺旋整流器可根据工况设计不同叶片，升角、螺距方案。所述分层整流器为，可根据工况设计不同的斜坡、轴向长度轴向总长、高度方案。

当气液两相流流体从过渡管段经由所述谐振腔体前端4进入并经过所述内嵌绝缘管8时，所述耦合天线6发射并在腔体中激励的tm0n0模式的谐振场电场最强处受到流体侵入，谐振频率发生明显频移变化，并产生了新的谐振频率点。当气液两相流流体的含水率逐渐增加时谐振频率不断减小，频移量也逐渐变小。本发明谐振腔是tm0n0模式谐振腔，本系列模式的共同特点是谐振腔中心出谐振电场最强，即此种模式使得所述谐振腔体内部电场在内嵌绝缘管8内电场最强，采用谐振腔精确解方法和混合介电常数模型方法进行建模求解混合介电常数和含水率，精确解方法原理示意图如图4所示。考虑有耗媒质的影响，对电磁场有麦克斯韦方程：

其中是磁场强度，是电场强度，是电流密度，μ是磁导率，ε是介电常数，ω是角频率。由(1)得到tm0n0模式波谐振腔电场为

式中：

式中式中ez为z方向电场，为圆柱坐标方向磁场；k1、k2、k3、k4为待定系数；μ0为真空磁导率，ε0为真空介电常数；εm为内嵌绝缘管段气液两相流流体混合介电常数，ε2为内嵌绝缘管介电常数，ε3为内嵌绝缘介质介电常数；j0和n0及j1和n1分别为0阶和1阶贝塞尔函数；r为电磁场场所处位置的圆弧半径。本发明涉及r1为内嵌绝缘管内半径，r2为内嵌绝缘管外半径r3为谐振腔体内半径；f为谐振频率。

对于介质εm部分有方程如下：

对于介质ε2部分有方程如下：

对于介质ε3部分有方程如下：

在金属边界ⅲ有方程如下

其中zm为金属表面阻抗

式中ω为角频率，σ为电导率。根据电磁场在边界的连续性，在边界ⅰ和边界ⅱ处ez和分别对应相等，边界即有方程：

式中a1、a2、a3、a4为待定系数；(8)(9)(10)方程可解出关于管道内流体混合介电常数εm和谐振频率f的方程，其中f可通谐振腔测得，即通过公式可以计算管道内气液两相的混合介电常数εm。

公式(10)中εm可由混合介质的等效介电常数模型计算:

其中εm为混合介质介电常数，ε1、ε2为分别为水和空气的介电常数，φ为含水率。因此可得到被测两相流介质含水率和谐振频率之间的关系。通过测量谐振腔的谐振频率便可得到不同含水率的谐振频率值如图6所示。

所述电路模块8中微波发射源以工作在0.3-10ghz频段分段扫频的工作方式发射微波信号，且传感器装置能够随着扫频步长的减小而精度增加。功分器将微波信号等功率等相位分为两个微波信号，其中一路信号作为测试信号经过谐振腔体，另一路信号经过衰减器将信号功率衰减掉一定功率值，两路信号同时进入幅相检测器，经过数据处理计算，得到含水率并在显示屏上显示。