专利名称：一种分相式两相流相持率的测量装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种两相流相持率的测量技术领域，具体涉及一种分相式两相流相持 率的测量装置及其测量方法。
背景技术：
两相流相持率是指一种流体在两相流中所占据的体积份额，目前针对两相流相 持率的测量方法主要有射线法、声学法、光学法、差压法、振动法、电学法和层析成像法，并 且都是将传感器或敏感元件直接置于或面向两相流进行测量，不对两相流做任何处理或改 变。虽然可以实现实时在线测量，同时对两相流的干扰也比较小。但是由于两相流的流体 在流动过程中相界面始终处于随机波动状态，流动过程极不稳定，因而导致测量信号也极 不稳定，信号质量非常差，严重影响测量精度。另外测量结果还会受到流型和流体物性的影 响，流型或物性的变化会对测量结果造成重大影响。为了改善这种状况常采用混合及多阵 列传感器等措施，如采用文丘里管和双能射线测量相持率，将射线测量装置安装在文丘里 管的喉部，但还是不能从根本上解决信号质量差带来的测量精度问题。而另一种在实验室得到广泛应用的相持率测量方法是快速关闭阀门法，简称快关 法，该快关法是通过快速关闭两相流流道上的两个阀门，瞬时截取一段两相流体，将其完全 分离，然后分别测量两种流体的体积或质量，最后得到相持率。这种方法虽然提高了测量精 度，且测量结果与流型无关，但缺点是不能进行实时在线测量，就不能进行实时控制。授权公告号为CN2913606Y的中国专利“测量油井持水率的持水传感器”，公开了 一种电容式井下油水两相流相持率传感器，该专利通过加长环形测量空间电容器两极板间 的空间的轴向长度，同时减小流体进出口孔的直径和数量，使流体在环形空间内的流动处 于停滞状态，造成油水分离，使两相流在分离状态下进行测量，从而达到提高测量精度的目 的。这种做法实际上是通过增加流动阻力的办法来使流动停滞的，导致仪器的长度需要增 大30-200厘米，在测量空间小的范围会使仪器失去实用价值。另外减小流体进出口孔的直 径和数量后，加重了仪器的反应滞后性，影响其可用性。更严重的问题是，这种方法的可靠 性很差，因为随着流量的增大，进出口的压差就会增大，一旦该压差超过了流动阻力，流体 又会流动起来，油水的分离状态立即被破坏，直接影响测量精度。另外，流体是否停滞还与 井的结构和流体的性质有关，因而该测量装置及其方法又缺乏通用性。
发明内容
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分相式两相流相 持率的测量装置及其测量方法，该装置由依次相邻的两相流流道、多孔壁、沉降室、测量室 以及相界面测量装置组成，通过沉降室和测量室的作用，产生一个与被测两相流具有完全 相同的等效密度的两相流体柱，柱中的流体处于完全的分离状态，由此产生相界面，该界面 的位置直接反映了相持率的大小，应用相界面测量装置就可以实现对相持率的精确测量； 这样本发明就将复杂的两相流相持率测量问题转化成了简单的相界面检测问题，从根本上改善了测量信号的稳定性和可靠性，保证了测量精度和测量的实时性。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是一种分相式两相流相持率的测量装置，包括两相流流道壁101，所述的两相流流道 壁101和沉降室壁103相连接形成内部中空的结构，该内部中空的结构由带有一个以上贯 通孔201的多孔壁2相分隔，这样两相流流道壁101和沉降室壁103分别与多孔壁2形成 了两相流流道1和沉降室3，沉降室3的顶部和底部分别通过上连通管4和下连通管6与测 量室5的顶部和底部相连通，测量室5有与之配合使用的相界面测量装置22，相界面测量装 置22内带有相界面数据处理模块23。所述的测量室5和添加剂加入装置13相导通。所述的沉降室3的顶部略高于两相流流道1的顶部，沉降室3的底部略低于两相 流流道1的底部。所述的两相流流道1内设置有节流元件12，两相流流道1沿节流元件12对应的两 相流流出方向的部分通过上置换管10和下置换管9分别与上连通管4和下连通管6导通， 上置换管10和下置换管9上设置有阀门11。所述的两相流流道壁101为竖直中空柱状体，该中空部分内部有一个带有贯通孔 201的多孔壁2，该多孔壁2为一个中空壳体，该中空壳体内部上方设置相界面测量装置22， 中空壳体内部中央设置测量室5，测量室5和相界面测量装置22之间用第一隔板25相分 隔，多孔壁2的内壁、第一隔板25和测量室5的外壁之间的空间形成了沉降室3，多孔壁2 的外壁和两相流流道壁101的内壁之间的空间构成了两相流流道1，测量室5的顶部和底 部分别设置上连通道304和下连通道306用以代替上连通管4和下连通管6来与沉降室3 相连通，该分相式两相流相持率的测量装置即为竖直移动型分相式两相流相持率的测量装 置。所述的两相流流道壁101为水平中空柱状体，该中空部分内部有一个上下两侧带 有贯通孔201的多孔壁2，该多孔壁2为一个中空壳体，多孔壁2的外壁和两相流流道壁101 的内壁之间的空间构成了两相流流道1，所述的中空壳体内部靠近右端设置相界面测量装 置22，中空壳体内部中央用上下两端带有上连通孔404和下连通孔406的挡板26相分隔， 中空壳体被挡板26分隔的左半部分为沉降室3，右半部分为测量室5，测量室5和相界面测 量装置22之间用第二隔板27相分隔，多孔壁2的内壁、第二隔板27和测量室5的外壁之 间的空间形成了沉降室3，测量室5的顶部和底部分别通过上连通孔404和下连通孔406用 以代替上连通管4和下连通管6来与沉降室3相连通，该分相式两相流相持率的测量装置 即为水平移动型分相式两相流相持率的测量装置。所述的竖直分相式两相流相持率的测量装置，其多孔壁2上的带有贯通孔201的 区域的顶端低于沉降室3的顶端，而该区域的底端高于沉降室3的底端。所述的水平分相式两相流相持率的测量装置，其两相流流道架101内设置扶正器 21，该扶正器21与测量室5的外壁相连接。上述的分相式两相流相持率的测量装置的测量方法将该分相式两相流相持率的 测量装置放入要测量的两相流28中，且其两相流流道1入口横截面和要测量的两相流28 的流向保持垂直，在两相流28不间断地流过两相流流道1时，当两相流28通过多孔壁2 进入沉降室3后，在重力的作用下，待到两相流体28中的轻相流体8和重相流体7发生分离，导致一部分重相流体7会沉降到底部，而一部分轻相流体8则会浮升到顶部，其余未完 全分离的两相流混合物29就聚集在中部，随后汇集在沉降室顶部的轻相流体8通过上连通 管4与测量室5的上部相连通，而底部的重相流体7则通过下连通管6与测量室5的下部 相连通直至测量室5的上部和下部分别被轻相流体8和重相流体7所占据且两者之间出 现一个分界面30时，启动相界面测量装置22监测分界面30位置发生的变化，并调用其内 部的相界面数据处理模块23根据连通器原理且按照分界面30位置发生的变化大小，利用
-ι n _ r^K _ n _ 2h, ΙΑπ-ΑΛ
cos U--J-斗万"--J公式计算出两相流的重相流体7相持率φ的实
Φ 二-
π
时大小，然后用1减去Φ得到两相流的轻相流体8相持率的实时大小，其中Φ为两相流的 重相流体7的相持率，h为分界面30相对于两相流流道1底部的高度，D为两相流流道1的 内径，cos—1为反余弦运算，η为圆周率。本发明的一种分相式两相流相持率的测量装置及其测量方法，该装置由依次相邻 的两相流流道1、多孔壁2、沉降室3、测量室5以及相界面测量装置22组成，通过沉降室3 和测量室5的作用，产生一个与被测两相流28具有完全相同的等效密度的两相流体柱，柱 中的流体处于完全的分离状态，由此产生分界面30，该分界面30的位置直接反映了相持率 的大小，应用相界面测量装置22就可以实现对相持率的精确测量。这样本发明就将复杂的 两相流相持率测量问题转化成了简单的相界面检测问题，从根本上改善了测量信号的稳定 性和可靠性，保证了测量精度和测量的实时性。该装置既可以应用于地面管道，也可以应用 于地下流道具有极强的通用性。
图1是本发明的横向剖视工作状态示意图，该图中去除了两相流流道同上置换管 和下置换管的连接。图2是本发明的局部俯视图。图3是本发明的竖直分相式两相流相持率的测量装置的结构示意图。图4是本发明的水平分相式两相流相持率的测量装置的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作更详细的说明。如图1和图2所示，分相式两相流相持率的测量装置，包括两相流流道壁101，所述 的两相流流道壁101和沉降室壁103相连接形成内部中空的结构，该内部中空的结构由带 有一个以上贯通孔201的多孔壁2相分隔，这样两相流流道壁101和沉降室壁103分别与 多孔壁2构成了两相流流道1和沉降室3，沉降室3的顶部和底部分别通过上连通管4和 下连通管6与测量室5的顶部和底部相连通，测量室5有与之配合使用的相界面测量装置 22，相界面测量装置22内带有相界面数据处理模块23。这样的结构当两相流28通过两相 流流道1时，两相流28可以通过多孔壁2从两相流流道1自由进出沉降室3，而在沉降室3 内，由于重力的作用，两相流28中的轻相流体8和重相流体7会发生分离，导致一部分重相 流体7会沉降到底部，而一部分轻相流体8则会浮升到顶部，其余未完全分离的两相流混合
6物29就聚集在中部，随后汇集在沉降室顶部的轻相流体8通过上连通管4与测量室5的上 部相连通，而底部的重相流体7则通过下连通管6与测量室5的下部相连通，直至测量室5 的上部和下部分别被轻相流体8和重相流体7所占据且两者之间就会出现一个分界面30， 由于从两相流流道1经过沉降室3再到测量室5，两两之间都是相互连通的，且连通的形式 与连通器相似，根据连通器原理，三者内部的流体柱必有相同的重位压力差，或相同的等效 密度，由此当两相流28的相持率发生变化时，其等效密度必然发生变化，从而引起测量室 内的分界面30位置发生变化，因此分界面30的位置就反映了相持率的大小，通过检测该分 界面30的位置就可以准确确定管内的相持率。另外所述的测量室5和添加剂加入装置13 相导通，可加入破乳剂，加速和保证两相流分离时产生的乳化液快速而彻底地分离，从而使 得分界面更为清晰便于测量；所述的沉降室3的顶部略高于两相流流道1的顶部，沉降室3 的底部略低于两相流流道1的底部，便于轻相流体8和重相流体7分别在沉降室3的上部 和下部聚集。所述的两相流流道1内部设置有节流元件12，两相流流道1沿节流元件12对 应的两相流流出方向的部分通过上置换管10和下置换管9分别与上连通管4和下连通管 6导通，上置换管10和下置换管9设置有阀门11，这样通过控制阀门11可以定期将沉降室 3和测量室5内放置过久的流体排放到节流件12的下游，以便置换新的流体，而节流件12 的作用就是产生一个压力差，使沉降室3和测量室5内的流体能顺利排放到下游，更能保证 沉降室3和测量室5内的流体与被测两相流体28在成分和物理性质上的一致性，提高两相 流相持率的测量精度。如图3所示，所述的两相流流道壁101为竖直中空柱状体，该中空部分内部有一个 两侧带有贯通孔201的多孔壁2，该多孔壁2为一个中空壳体，该中空壳体内部上方设置相 界面测量装置22，中空壳体内部中央设置测量室5，测量室5和相界面测量装置22之间用 第一隔板25相分隔，多孔壁2的内壁、第一隔板25和测量室5的外壁之间的空间形成了沉 降室3，多孔壁2的外壁和两相流流道壁101的内壁之间的空间构成了两相流流道1，测量 室5的顶部和底部分别设置上连通道304和下连通道306用以代替上连通管4和下连通管 6来与沉降室3相连通，该分相式两相流相持率的测量装置即为竖直移动型分相式两相流 相持率的测量装置。所谓移动型是指测量装置不但可以在管内移动，而且可以反复从管道 内取出和再放入所述的竖直分相式两相流相持率的测量装置，该移动型结构更能方便地用 于地下或地面特殊管道内的测量，所述的移动型竖直分相式两相流相持率的测量装置，其 多孔壁2上的带有贯通孔201区域的顶端低于沉降室3的顶端，，而该区域的底端高于沉降 室3的底端，这样的结构能够便于轻相流体8和重相流体7分别在沉降室3的上部和下部 聚集。如图4所示，所述的两相流流道壁101为水平中空柱状体，该中空部分内部有一个 上下两侧带有贯通孔201的多孔壁2，该多孔壁2为一个中空壳体，多孔壁2的外壁和两相 流流道架101的内壁之间的空间构成了两相流流道1，所述的中空壳体内部靠近右端设置 相界面测量装置22，中空壳体内部中央用上下两端带有上连通孔404和下连通孔406的挡 板26相分隔，中空壳体被挡板26分隔的左半部分为沉降室3，右半部分为测量室5，测量室 5和相界面测量装置22之间用第二隔板27相分隔，多孔壁2的内壁、第二隔板27和测量室 5的外壁之间的空间形成了沉降室3，测量室5的顶部和底部分别通过上连通孔404和下连 通孔406用以代替上连通管4和下连通管6来与沉降室3相连通，该分相式两相流相持率的测量装置即为水平移动型分相式两相流相持率的测量装置。这样的结构更便于用于水平 管道的测量。所述的水平分相式两相流相持率的测量装置，其两相流流道架101内设置扶 正器21和多孔壁2相连接，更能保证该测量装置与两相流流道1同轴，提高测量精度。本实施例的分相式两相流相持率的测量装置的测量方法如图1所示，将该分相 式两相流相持率的测量装置放入要测量的两相流28中，且其两相流流道1入口横截面和要 测量的两相流28的流向保持垂直，在两相流28不间断地流过两相流流道1时，当两相流28 通过多孔壁2进入沉降室3后，在重力的作用下，待到两相流体28中的轻相流体8和重相 流体7发生分离，导致一部分重相流体7会沉降到底部，而一部分轻相流体8则会浮升到顶 部，其余未完全分离的两相流混合物29就聚集在中部，随后汇集在沉降室顶部的轻相流体 8通过上连通管4与测量室5的上部相连通，而底部的重相流体7则通过下连通管6与测量 室5的下部相连通直至测量室5的上部和下部分别被轻相流体8和重相流体7所占据且两 者之间出现一个分界面30时，启动相界面测量装置22监测分界面30位置发生的变化，并 调用其内部的相界面数据处理模块23根据连通器原理且按照分界面30位置发生的变化大
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权利要求
一种分相式两相流相持率的测量装置，包括两相流流道壁(101)，其特征在于所述的两相流流道壁(101)和沉降室壁(103)相连接形成内部中空的结构，该内部中空的结构由带有一个以上贯通孔(201)的多孔壁(2)相分隔，这样两相流流道壁(101)和沉降室壁(103)分别与多孔壁(2)形成了两相流流道(1)和沉降室(3)，沉降室(3)的顶部和底部分别通过上连通管(4)和下连通管(6)与测量室(5)的顶部和底部相连通，测量室(5)有与之配合使用的相界面测量装置(22)，相界面测量装置(22)内带有相界面数据处理模块(23)。
2.根据权利要求1所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所述的 测量室(5)和添加剂加入装置(13)相导通。
3.根据权利要求1或2所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所 述的沉降室(3)的顶部略高于两相流流道(1)的顶部，沉降室(3)的底部略低于两相流流 道(1)的底部。
4.根据权利要求1或2所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所 述的两相流流道(1)内部设置有节流元件(12)，两相流流道(1)沿节流元件(12)对应的两 相流流出方向的部分通过上置换管(10)和下置换管(9)分别与上连通管(4)和下连通管 (6)导通，上置换管(10)和下置换管(9)上设置有阀门(11)。
5.根据权利要求1所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所述的 两相流流道壁(101)为竖直中空柱状体，该中空部分内部有一个带有贯通孔(201)的多孔 壁(2)，该多孔壁(2)为一个中空壳体，该中空壳体内部上方设置相界面测量装置(22)，中 空壳体内部中央设置测量室(5)，测量室(5)和相界面测量装置(22)之间用第一隔板(25) 相分隔，多孔壁(2)的内壁、第一隔板(25)和测量室(5)的外壁之间的空间形成了沉降室 (3)，多孔壁(2)的外壁和两相流流道壁(101)的内壁之间的空间构成了两相流流道(1)，测 量室(5)的顶部和底部分别设置上连通道(304)和下连通道(306)用以代替上连通管(4) 和下连通管(6)来与沉降室(3)相连通，该分相式两相流相持率的测量装置即为竖直移动 型分相式两相流相持率的测量装置。
6.根据权利要求1所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所述 的两相流流道壁(101)为水平中空柱状体，该中空部分内部有一个上下两侧带有贯通孔 (201)的多孔壁(2)，该多孔壁(2)为一个中空壳体，多孔壁(2)的外壁和两相流流道壁 (101)的内壁之间的空间构成了两相流流道(1)，所述的中空壳体内部靠近右端设置相界 面测量装置(22)，中空壳体内部中央用上下两端带有上连通孔(404)和下连通孔(406)的 挡板(26)相分隔，中空壳体被挡板(26)分隔的左半部分为沉降室(3)，右半部分为测量室 (5)，测量室(5)和相界面测量装置(22)之间用第二隔板(27)相分隔，多孔壁(2)的内壁、 第二隔板(27)和测量室(5)的外壁之间的空间形成了沉降室(3)，测量室(5)的顶部和底 部分别通过上连通孔(404)和下连通孔(406)用以代替上连通管(4)和下连通管(6)来与 沉降室(3)相连通，该分相式两相流相持率的测量装置即为水平移动型分相式两相流相持 率的测量装置。
7.根据权利要求5所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所述的 竖直分相式两相流相持率的测量装置，其多孔壁(2)上的带有贯通孔(201)的区域的顶端 低于沉降室(3)的顶端，而该区域的底端高于沉降室(3)的底端。
8.根据权利要求6所述的一种分相式两相流相持率的测量装置，其特征在于所述的水平分相式两相流相持率的测量装置，其两相流流道架(101)内设置扶正器(21)，该扶正 器(21)与测量室(5)的外壁相连接。
9. 一种采用权利要求1所述的一种分相式两相流相持率的测量装置的测量方法将 该分相式两相流相持率的测量装置放入要测量的两相流(28)中，且其两相流流道(1)入 口横截面和要测量的两相流(28)的流向保持垂直，在两相流(28)不间断地流过两相流流 道(1)时，当两相流(28)通过多孔壁(2)进入沉降室(3)后，在重力的作用下，待到两相 流体(28)中的轻相流体(8)和重相流体(7)发生分离，导致一部分重相流体(7)会沉降到 底部，而一部分轻相流体(8)则会浮升到顶部，其余未完全分离的两相流混合物(29)就聚 集在中部，随后汇集在沉降室顶部的轻相流体(8)通过上连通管(4)与测量室(5)的上部 相连通，而底部的重相流体(7)则通过下连通管(6)与测量室(5)的下部相连通直至测量 室(5)的上部和下部分别被轻相流体(8)和重相流体(7)所占据且两者之间出现一个分界 面(30)时，启动相界面测量装置(22)监测分界面(30)位置发生的变化，并调用其内部的 相界面数据处理模块(23)根据连通器原理且按照分界面(30)位置发生的变化大小，利用
全文摘要
一种分相式两相流相持率的测量装置及其测量方法，该装置由依次相邻的两相流流道、多孔壁、沉降室、测量室以及相界面测量装置组成，通过沉降室和测量室的作用，产生一个与被测两相流具有完全相同的等效密度的两相流体柱，柱中的流体处于完全的分离状态，由此产生相界面，该界面的位置直接反映了相持率的大小，应用相界面测量装置就可以实现对相持率的精确测量。这样本发明就将复杂的两相流相持率测量问题转化成了简单的相界面检测问题，从根本上改善了测量信号的稳定性和可靠性，保证了测量精度和测量的实时性。该装置既可以应用于地面管道，也可以应用于地下流道具有极强的通用性。
文档编号G01F22/00GK101949720SQ20101024295
公开日2011年1月19日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者张兴凯, 王栋 申请人:西安交通大学