一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量方法与流程

文档序号：11675689阅读：433来源：国知局

本发明涉及天然气流量计量技术领域，具体为基于整流技术的超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量技术。

背景技术：

在油气计量领域，湿天然气(下面简称湿气)是一种特殊的气液两相流形态，一般指气相体积含率大于90％，液相与其他组分体积含率小于10％的油气混合物。美国石油学会将lockhart-martinelli(l-m)参数的气液两相流定义为湿气。虽然液相成份的体积含量通常不多,但是由于液相的存在增加了湿气流动的不稳定性，其动力学特性极其复杂。由于液滴重力及气体表面张力的作用，一部分大的液滴便沉积在管壁,形成连续的环状液膜。一般水平管道中存在的湿气流型主要为环状流、分层流。这些流型不利于湿气流量测量，对湿气流量计量的准确性造成了较大的影响。

目前湿气流量计量的方案主要有：

(1)分离法：通过分离器将湿气完全分离成气相和液相部分，这种分离器一般使用重力或通过旋流分离作用实现气液分离。再用成熟的单相流量计分别进行计量。但由于分离设备一般比较昂贵且占地面积较大，不适合在偏远的沙漠和海洋石油平台使用。

(2)直接测量法：用单相气体流量计直接测量湿气。应用较多的有差压式流量计，如孔板、文丘里流量计等。还有非压差法，如涡街流量计，涡轮流量计，超声波流量计等。由于没有使用多相流量仪表，无法获得液量的信息，液相的存在会引起压降增大造成虚高。所以需要建立一个湿气测量半经验公式模型进行修正。业内一般认为虚高和气液两相的lockhart-martinelli参数有关，所以对l-m参数进行迭代计算来进行修正。所有的修正都是针对气相流量进行修正。这种方法存在以下几个缺点：一是根据实验结果来进行修正而没有明确的动力学机制；二是没有对液相流量进行修正；三是这种方法仅适用于含气量高的一段较窄的量程。

(3)组合式测量的方法：使用辐射、超声、示踪等技术对湿气进行测量或者将这些技术与传统流量计结合的方式。这种技术在国外的公司有使用。不过这种技术对实验场地和设备的要求比较高，维护使用比较复杂。还有一些技术可能会有辐射的风险，会对工作人员的健康造成影响。

由于液相的存在使得湿气计量的误差大，在液相占比较大时甚至无法计量。目前湿气流量计还需要根据实际工况进行参数修正，湿气流量计的结构各异，数学模型也各不相同，对工况的适应性不强。开发高精度低成本的湿气流量计，是国内外石油天然气工业生产所迫切需要的。

技术实现要素：

湿气流量测量最终需要得到的是分相流量和分相体积含率，为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明采用超声与靶式流量计组合的方式实现湿气的不分离测量。具体技术方案如下：

一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统，由喷嘴整流器，超声流量计，靶式流量计，连接管路，压力传感器，温度传感器和计算机处理单元组成，测量管路为倒u型管，喷嘴整流器，超声流量计和靶式流量计依次安装于倒u型管的下降侧，超声流量计，靶式流量计，压力传感器，温度传感器分别和计算机处理单元连接。

进一步的，所述喷嘴整流器由喷嘴和下游阻尼网组成。

一种超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统的测量方法，

(1)采用喷嘴整流器获得均相流动：

湿气在流经喷嘴出口时，管道横截面积变小湿气流速增大，形成射流流动，原来贴壁流动的液体在气相的粘性剪切力作用下撕裂成细小液滴，分布在整个流动通道，下游阻尼网上的细丝网格进一步将大尺寸液滴切割撕裂为小液滴，使管道中的湿气调整为均相(或准均相)流动；

(2)利用超声流量计测得湿气表观流量：

上游换能器u和下游换能器d分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为d，超声波行走的路径长度为l，超声波顺流速度为ts，逆流速度为tn，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ；顺流和逆流传播时间分别为

其中，c是超声波在静止流体介质中的声速，v是流体介质的流动速度，ts和tn为顺流和逆流传播时间；

将(1)式中声速c消掉，可以得到

体积流量可以根据流速、管道流通面积等计算得出，即

q0＝kasv(3)

其中k为流量系数，as为超声流量计测量管流通面积；

(3)利用靶式流量计获得分相含率和分相流量：

靶式流量计在测量管道的轴线中心安装一块迎着来流的圆盘形靶板(11)，对于单相流动或均相流动，靶板上受到的力和流体流速的平方成正比；即

式中，cd为流动阻力系数，在一定的雷诺数范围内cd可认为是常数，at为圆靶面积，ρ0为湿气表观密度，vt为靶板与测量管内壁间环形通道的流速，其中atf为环形通道中的面积；

将式带入(4)式可以得到

表观密度与分相密度、分相含率的关系见公式(6a)、(6b)；得到气相含率αg和液相含率αl(见公式(7a)和(7b))：

ρ0＝αgρg+αlρl(6a)

αg+αl＝1(6b)

假如气相和液相之间不存在速度滑移，即两相流动速度相同，则气相和液相的体积流量分别为

qg＝αgq0(8a)

ql＝αlq0(8b)

其中，qg、ql分别为气相和液相体积流量。

气相和液相质量流量分别为

本发明具有的有益效果是：

湿气的流型非常复杂，流动的不稳定性和多变的流型给湿气流量精确计量造成了困扰。本项发明通过喷嘴整流器将湿气中常出现的环状流、分层流流型变成均相流，如此一来就可以通过超声与靶式流量计的组合的方式实现湿气流量的在线不分离测量。

超声流量计无插入部件，对流动无干扰，无附加压力损失。靶式流量计结构简单，没有转动、滑动等可动部件，避免磨损和束缚机构，与差压式流量计相比，不需易堵、易漏和易冻的导压管，也不需切断阀、沉降器等辅助设施，给安装和维修带来了方便。靶式流量计还可进行防超量程损坏设计，提高仪表的适用性。

倒u型管测量管道布置，使得测量传感器处避免了积液问题，避免液相重力分层问题。

综上所述，超声流量计及靶式流量计都没有活动部件，结实耐用，一般不会造成堵塞、磨损严重等情况，便于后期的维护及修理。在采用有效的喷嘴整流器实现均相流动后，超声与靶式流量计组合能够有效地进行湿气流量不分离测量，并且能够适应现场复杂、恶劣的测试条件。

附图说明

图1为基于整流技术的超声与靶式流量计组合式湿气流量测量系统图。

图2为喷嘴整流器整流及超声与靶式流量计测量管路工作示意图。

图3为传播时差法超声流量计工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的超声与靶式流量计组合式湿天然气流量测量系统由喷嘴整流器1，超声流量计2，靶式流量计3，连接管路4，压力传感器5，温度传感器6和计算机处理单元7组成。测量管路为倒u型管，喷嘴整流器1，超声流量计2和靶式流量计3依次安装于倒u型管的下降侧。

整个测量系统工作原理如下：

(1)采用喷嘴整流器1获得均相流动

在水平管道中湿气流动常见的流型为环状流和分层流。为了获得均相流动(或近似均相流动)以方便测量，需要对进入流量计量管段的流动进行整流，为此，本发明设计了一个喷嘴整流器。如图2所示，喷嘴整流器1安装于倒u型管的下降段，喷嘴整流器由喷嘴8和下游阻尼网9组成。湿气在流经喷嘴8出口时，管道横截面积变小湿气流速增大，形成射流流动，原来贴壁流动的液体在气相的粘性剪切力作用下撕裂成细小液滴，分布在整个流动通道，下游阻尼网9上的细丝网格进一步将大尺寸液滴切割撕裂为小液滴，使管道中的湿气尽可能地调整为均相流动。倒u型管的设计一方面使得测量管段不会出现液相分层问题，另一方面可防止传感器部位积液。

(2)利用超声流量计测得湿气表观流量

时差法超声流量计(transittimeultrasonicflowmeter)工作原理如图3所示。它是利用一对超声波换能器相向交替(或同时)收发超声波，通过观测超声波在介质中的顺流和逆流传播时间差来测量流体的流速，再通过流速来计算流量的一种速度式流量测量方法。

图3中有两个超声波换能器10：上游换能器u和下游换能器d，两个换能器分别安装在流体管线的两侧并相距一定距离，管线的内直径为d，超声波行走的路径长度为l，超声波顺流速度为ts，逆流速度为tn，超声波的传播方向与流体的流动方向夹角为θ。由于流体流动的原因，超声波顺流传播l长度距离所用的时间比逆流传播所用的时间短，顺流和逆流传播时间分别为

其中，c是超声波在静止流体介质中的声速，v是流体介质的流动速度，ts和tn为顺流和逆流传播时间。

将(1)式中声速c消掉，可以得到

上式中不出现声速c，消除了声速变化的影响，这样一来，流体成分、温度、压力等变化所带来的声速变化影响无需考虑。

体积流量可以根据流速、管道形状和尺寸计算得出，即

q0＝kasv(3)

其中k为流量系数，as为超声流量计测量管流通面积。

(3)利用靶式流量计获得分相含率和分相流量

靶式流量计3在测量管道的轴线中心安装一块迎着来流的圆盘形靶板11，对于单相流动或均相流动，靶板上受到的力和流体流速的平方成正比。即

式中，cd为流动阻力系数，在一定的雷诺数范围内cd可认为是常数，at为圆靶面积，ρ0为湿气表观密度，vt为靶板与测量管内壁间环形通道的流速，其中atf为环形通道中的面积。