气体分离器和用于获知多相介质尤其是天然气-水混合物的一种或多种组分的流量的设备的制作方法

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的气体分离器和一种用于获知多相介质的一种或多种组分的流量的设备、以及一种对该设备的优选的应用。

背景技术：

对管线路中的两相流的流量测量。流量计通常被设计成用于测量单相流体。当所要测量的流体是两相的(气体中有液滴或液体中有泡)时，则这将导致测量不确定性的提高或完全无法实现测量。

原则上，由现有技术，尤其是由us6620221b1、us5507858a、us3960525a公知有用于对气液介质进行分离的离析器或气体分离器。在此，使用了结构不同的解决方案，例如孔板或类似物用以将气体与液体分离开。

技术实现要素：

本发明的任务是提供一种气体分离器，其能够以特别有效的方式实现对加载有气泡的流进行分离。此外，特别的任务还在于能够实现对这种多相介质的至少一个单组分进行测量。

本发明通过具有权利要求1的特征的气体分离器及其在具有权利要求11的特征的设备中的应用来解决该任务。

根据本发明的用于分离至少包括尤其是形式为气泡的气体和液体的多相介质的气体分离器包括具有纵向轴线的管状的基体以及用于气态介质的进入部、液体出口和气体出口。

管状的基体具有进入区域和离开区域。

气体分离器在进入区域与离开区域之间具有溢流堰(wehr)，该溢流堰具有导引面，该导引面能在按规定使用中被介质溢流并构造出浅水区域，其中，溢流堰、尤其是导引面构造成使得包含在介质中的气体能够在浅水区域中从介质中脱离并且能通过气体出口从气体分离器导出。

溢流堰例如可以由布置在管状的基体的内部中的成形体形成。

在多种不同的实施变型方案的另外的优选实施变型方案中，溢流堰可以由预成形的板材并通过将其布置在管状的基体的内部中来构造。在该情况下，板材和基体构成空腔。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

溢流堰可以有利地，参照纵向轴线到管状的基体的器壁的垂直距离，具有在60％至120％之间的高度。

溢流堰的部分区域可以构造为斜坡，该斜坡从导引面朝着离开区域的方向延伸或者说下降。该斜坡可以优选地具有15至45度之间的坡度。这可以防止由于流分离而形成涡流。

溢流堰的导引面的纵向长度优选大于管状的基体的平均直径。

气体分离器可以在气体出口与管状的基体之间具有排气管，该排气管具有漏斗形的横截面收缩部。排气管的较大的容纳区域用于从气体中除去液体份额。

为此，排气管可以特别有利地具有如下部分区域：该部分区域具有管状的基体的平均直径的至少75％的平均直径，优选具有相比管状的基体的平均直径不多于一个公称直径跨度(nennweitensprung)的平均直径。

在基体的离开区域中可以布置有排出管用以排出液体，尤其是无泡的液体，其中，在排出区域中和/或在排出管中布置有用于防止将泡卷进液体中的涡流消除器。

沿纵向轴线的假想的剖平面将气体分离器分成上侧和下侧。用于将介质供给到管状的基体中的引入管和用于将液体尤其是无泡的液体从管状的基体排出的排出管在此有利地布置在管状的基体的下侧上。排气管优选布置在管状的基体的上侧上。

为了已经从介质中去除第一小气泡，引入管可以有利地构造为上升管。

根据本发明，用于检测具有至少一种尤其是形式为气泡的气体和液体的多相介质的至少一种单组分的流量的设备具有根据本发明的气体分离器，其中，用于检测气体和/或液体的流量的至少一个流量计流体力学上沿着气流或液流的方向布置在管状的基体之后。

本发明的有利的设计方案是从属权利要求的主题。

在用于液体的排出管上或排出管中有利地布置有流量计或布置有具有流量计的管，用以检测液体的流量，其中，流量计优选是磁感应式流量计、涡旋式流量计、科里奥利流量计或超声波流量计。

在排气管上或排气管中布置有流量计或布置有具有流量计的管用以检测气体流量，其中，流量计优选是热式流量计、涡旋式流量计或超声波流量计。

该设备特别优选地具有用于调节气体分离器的气体出口处的气体流量的阀。该阀可以用于将溢流堰的导引面上的浅水区域中的填充水平调整到最大极限值以下，并且因此防止管状的基体被过度填充。

除了上述阀之外，该设备优选还具有用于调节气体分离器的液体出口处的液体流量的另外的阀。该另外的阀可以用于将管状的基体的流出区域中的填充水平调整到最大极限值以上，并且因此防止流出区域的放空。

用于调节气体分离器的气体出口处的气体流量的阀和/或用于调节气体分离器的液体出口处的液体流量的阀是能控制的阀，其中，针对出口区域中或浅水区域中的填充水平的极限值分别用作控制参量。可以在测量技术上监控填充水平在预设的极限值之内的维持，例如，用于液位监控和/或液位获知的装置。

上述设备的特别优选的应用是用在获知多相天然气-水介质的流速的情况中，尤其是在天然气钻探中。

附图说明

下面结合实施例并借助于附图详细阐述本发明。其中：

图1示出根据本发明的气体分离器的示意图；

图2示出用于利用图1的根据本发明的气体分离器来测量多相流动的一种或多种组分的设备的示意图；并且

图3示出布置在气体分离器中的溢流堰的几何上的设计方案的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的气体分离器100，该气体分离器具有用于多相介质3的进入部1。该多相介质3包括液相和气相，该气相以小气泡4的形式含在多相介质3中。在特定情况下，小气泡4可能会难以从多相介质中逸出，这是因为它们经常被流所夹带并且由于液体的压力而阻止了逸出。

典型的示例是水-天然气介质，其在钻探天然气或石油时获得。这种水通常是海水并且具有高达20体积占比的天然气。一方面，天然气成分使得对水的清理成为问题；另一方面，所含的天然气仍然可以在经济上被再利用。

不依赖于生态和经济观点地，虽然迄今原则上能够实现对含有气泡的液态介质进行流量测量，但是仅能够使用非常昂贵的流量计来实现。

对单一组分，即液体和气体的流量进行测量根据本发明可以利用根据本发明的气体分离器100来实现。

气体分离器100具有管状的基体6，其具有纵向轴线l1。该纵向轴线可以优选垂直于铅垂方向或者相对铅垂方向倾斜地取向。通过位于纵向轴线l1上的假想的平面，可以将管状的基体分成下侧70和上侧60。图1的管状的基体6在端部区域7和8中被封闭。在进入区域40中布置有进入管2，进入管2在图1和2的变型方案中构造为上升管。在进入管2内部，多相介质3被引入管状的基体6中。在此，进入管2的从进入部1到与管状的基体6的接口的横截面增大，由此有利地减小了进入速度，并且不会发生上升管上方的喷泉的形成。

对管状的基体6的填充从管状的基体6的下侧70，即从布置在管状的基体6下方的入口1进行。由此，其中一部分气泡由于比管状的基体6的填充高度更大的、提高的液柱，由于提高的浮力而向着表面上浮。

然而在本发明的不太优选的实施变型方案中也能够实现的是，对多相介质3的输送并不经由上升管来进行，而是进入管2布置在管状的基体6的位于管状的基体6的进入区域40之前的端部区域中。

此外，气体分离器具有用于作为多相介质3的组分的、基本上无气泡的液体27的离开区域50。

在离开区域50中存在用于从管状的基体6排出液体27的排出管15，该排出管通到液体出口16中。该排出管15布置在管状的基体6的下侧70上。在与管状的基体6的接口的区域中具有漏斗形状。在漏斗形状13中布置有涡流消除器14，这例如可以包括由两个或更多个彼此交叉状布置的面形成部所构成的元件。这就防止了涡流形成。离开管在其端部区域中的减小的横截面还确保了离开管被完全填充。

在进入和离开区域40、50之间，在管状的基体6中，优选沿管状的基体6的下侧70布置有溢流堰5，其在按规定使用中被介质3溢流。在此，与孔板相区别的是，溢流堰的被溢流过的表面是闭合的。

根据本发明的气体分离器的溢流堰5是一种突出部，其优选作为被固定在基体中的面形成部，例如被焊入的板材或成形体，例如塑料体或金属体。该突出部可以优选地从管状的基体6的下侧70突入到管中。在此，溢流堰5优选镜像对称地构造，其中，管状的基体6的纵向轴线l1位于溢流堰5的对称平面上。

进入管2通至管状的基体6的边缘区域与排出管15通至管状的基体6的边缘区域的最小距离限定了路段l。

溢流堰5优选在该路段l的大于60％的，优选大于80％的区域上延伸。

溢流堰5的高度z参照管状的基体6的平均直径可以在30％至60％之间。在基体具有圆形的横截面的情况下的平均直径是“正常的”直径。然而，也可以使用具有多边形横截面，例如三角形、四边形、六边形等的基体。在该情况下，平均直径是垂直于纵向轴线l的横截面的所有存在的直径的平均值，也就是基体6的管壁的两个点的、延伸穿过纵向轴线l的所有间距的平均值。

高度z指的是在纵向轴线l1布置于其上的剖平面中器壁与溢流堰5的表面之间的最大距离。该剖平面典型地是管状的基体6的纵剖面。

然而，基体6不一定必须构造为圆管，而是可以例如是具有三角形横截面、矩形横截面、六边形截面或类似截面的管。

溢流堰5具有导引面11，导引面11被介质溢流而过。如果在溢流堰5的区域中管状的基体的横截面至少区段式地呈圆形地构成的话，导引面可以是弯曲的。

导引面在管状的基体6的沿着纵向轴线l1的纵剖面中具有平行于基体6的纵向轴线l1的走向。

在导引面11上，介质以在宽度上分布的方式顺沿流动。具有导引面11的溢流堰5的功能是减少小气泡4至液体表面的距离，这是因为液体水平19或者说导引面11上方的溢过高度仅非常小。在溢流过溢流堰时，液体中的小气泡的行程被最小化，由此可以使气体在导引面11上方的区域中，即浅水区域20中从介质中驱除。浅水水域上方的液位包括溢流堰高度z在内地应优选不高于管直径的3/4。优选地，例如可以利用限位开关来监控液位的该最大极限值。

溢流堰5还具有朝着离开区域50的方向下降的斜坡12，导引面11过渡成该斜坡。该斜坡从导引面开始沿着其平行于纵向轴线l1的走向朝着离开区域50而去地具有朝着基体6的器壁而去的持续减小的高度。

溢流堰5例如可以构造为弯曲的板材，其与管器壁焊接在一起，或者被构造为与管器壁连接的成形件。

溢流堰5的斜坡12的斜度可以优选在15～45°之间。斜坡有利地防止溢流堰上的液体的过冲。这将导致由于剥离的流动而形成涡流并导致不期望的小气泡形成。

进入区域40在按规定运行中具有第一液体水平i，并且离开区域50具有第二液体水平ii。浅水区域20具有作为第三液体水平的液体水平19。

在管状的基体6内部的液体水平ii在离开区域50中应优选为管直径的至少20％。这防止了基体的干式运作和不希望的涡流形成。

沿着管状的基体6的上侧60可以看到用于从介质3分离出的气体的排气管9。排气管9优选至少局部地在溢流堰5的上方地布置在管状的基体6的上侧8上。

排气管9具有来自气体分离器100的气体的气体出口21。排气管9具有朝着气体出口21的漏斗形的横截面收缩部17。这是有利的，因此可以在排气管9的倾斜面上冷凝出液体份额。此外，因此可以形成针对气体的很大的收集区域，从而在该区域中积聚在所分离出的气体中的液体份额并且该液体份额可以回落到液体中。因此有利的是，至少以局部的方式，排气管9的平均直径为管状的基体6的平均直径的至少75％，优选不多于管状的基体的直径的一个公称直径跨度，即多于或少于单个公称直径。

平均直径例如适用于矩形，在其中可能出现多个直径。在此，平均直径是所有在管中出现的直径的平均值。

在本发明的优选的实施变型方案中，排气管垂直于管状的基体6的纵向轴线l1地布置。

尤其地，管状的基体6和溢流堰5都可以由耐海水的钢制成。气体分离器可以与一个或多个管线路焊接在一起或借助法兰连接件紧固在其上。

为了监控流出侧的第二液体水平ii，可选地能够设置有测量装置18，其用于监控是否低于最小填充高度。这可以优选地以机械的方式或以机电的方式进行，例如通过浮子或通过限位开关来进行。

图2示意性示出了气体分离器100在用于获知多相介质3中的至少一个组分的流量的设备中的布置方案。

在此感兴趣的主要是获知液相的流量，尤其是流速、体积流量和/或质量流量。当前，这可以在气体分离器前置的情况下毫无问题地通过流体力学上布置在液体出口后面的过程测量技术的流量计26，例如通过磁感应式流量计、通过涡旋式流量计、通过超声波流量计或科里奥利流量计来实现。

在此，就测量天然气-水介质的水相的具体示例而言，能够获知水的体积流量v水。

在气体出口21上可以直接联接用于获知气体尤其天然气的流量的、过程测量技术的流量计24的测量管，例如超声波流量计、热式流量计或涡旋式流量计。

然而在钻探技术中常见的是，除了水之外还同时运送天然气。因此，气体分离器的气体出口21通到引导气体的、尤其是引导天然气的管23中，已经有天然气以流动速度v气2在该管中流动并且向该管供给具有流动速度v气1的天然气。流体力学上位于气体出口21之后地，在引导气体的管23上联接有流量计24，从而可以获知所运送的气体的总流量。在此，对获知水中的气体份额的流量并不感兴趣。然而，却可能存在其他应用，其中，气体流量可以是关键的测量量。

图2的设备除了具有两个流量计24和26的测量设施之外还具有两个阀22和25，这两个阀在图2中布置在排气管9上或排气管9中，以及布置在排出管15上或排出管15中。然而，这些阀也可以在设备中布置于气体分离器100之外。

这些阀的功能将在下面阐述。由设计决定地，介质3的流入与图2中未示出的、前置于设备的泵的泵送功率有关。液体27在离开区域50中的流出更确切地说与压力损失有关，该压力损失例如可能会出现在流体力学上后置于设备的储备器中。

由此，在特定的情况下可能发生液体水平i和/或ii非期望地升高。通过将阀22封闭可以相反地起作用。在此，导致作用到介质3上的气体压力提高，并且因此强制性地导致液体水平i和/或ii下降。可以通过前述监控浅水区域20中的最大液位来进行阀控制。

此外，流体力学上位于溢流堰5之后的液体27的液体水平ii不应下降到最小值之下。否则，离开区域50将干式运作并且气体将到达排出管15中。在此，能够以机械的方式或以机电的方式进行对监控的履行，例如，通过限位开关或浮子。

用于液位监控的差压测量或其他变型方案也可用于对阀22和25的阀控制。

根据本发明的气体分离器100的特别优选的应用和根据本发明的设备的应用在于运送天然气，尤其是在对所运送的水中的天然气进行气体分离的情况下。在此，借助泵将在深处(在高压的情况下)仍夹带有天然气的水从钻探孔中运送出来。由于被运送到地表而使得压力下降并且在流动中所释放的天然气积聚在泡内。在进行流量测量时，这些泡导致测量不准确性的提高。此外，当水在进一步的过程中与大气接触时，则天然气将被输出到大气中，这在环境和经济上是不期望的。因此，可靠地将天然气与水分离恰好在该应用中是重要的，从而使足够精确的测量成为可能并且没有天然气逸出到大气中，而是必要时引入管线路中用以进一步运输。

对天然气泡大小的分析性的估计示出：必须将非常小的泡(直径<<1mm)分离出来。然而，泡的上升速度与它们的大小有关：大泡比小泡上升得快。这导致小泡比大泡需要更长的用于分离的留滞时间。然而，由于流体混合物在所公知的气体分离器或离析器中并不停顿，而是流经该气体分离器或离析器，这意味着在给定的流动速度的情况下在结构形式按照现有技术的离析器越长，那么待分离出来的泡就越小。然而，具有大尺寸的离析器是不希望的，这是因为离析器的成本随着其尺寸的增大而增加。原则上，结构长度的减少可以通过流动速度的减少来实现，而流动速度的减少又通过所流过的横截面积的扩大来实现。然而这不是有利的，这是因为也同时增加了结构大小。

为了获得更好的可理解性，下面将再次阐述气体分离器100的结构上的设计方案的以及用于获知多相介质的至少一种单组分的流量的设备的各个优点。

通过由于利用根据本发明的气体分离器100中的被介质溢流过的、尤其是被液体溢流过的溢流堰5所提供的浅水区域20，泡的上升时间由于减少水深度而缩短。为此，将溢流堰5作为非穿流的装入件引入到离析器的壳体中，该装入件产生浅水区20。在此，所公知的离析器使用了孔板，这并不导致提供浅水区域。

因此，缩短了泡从流底部到表面所必须经过的行程。因此，在泡的上升速度被给定的情况下减少了所需的留滞时间。

溢流堰5在优选实施变型方案中的特征在于：在入流侧具有垂直的或非常陡的前部面10。然而，该前部面也可以在不那么优选的实施变型方案中增大相对于导引面11的倾斜。

前部面10确保对流动进行抵抗重力的加速。因此，惯性力确保即使在浅水区域20中也存在朝着与重力相反的方向的初始速度。在浅水区的末端处，斜坡12的适度的坡度确保水可以不受干扰地流走，并且避免了气体和水的重新混合。

所分离出的气体朝着与重力相反的方向导出。

通过排气管9的漏斗形的横截面减小部17实现了使气体首先缓慢地流动，从而层状地实现了可能在气体中的液滴的环流。因此，液滴基本上经受重力并且仅受到由于流出的气体所引起的非常小的力。液滴落回到离析器中并且气体流保持无水。

实践已经证明的是，在根据本发明的气体分离器100中的填充高度能够与进入部和离开部处的压力和流量边界条件有关。流出减少会导致离析器被灌满，并且因此水以不期望的方式侵入到气体线路中。另一方面，流出增加会完全排空离析器，从而气体进入到水线路中。已被证实给离析器配备液位测量是有意义的。液位测量可以利用一个或两个限位开关或利用连续不断地对填充高度(例如差压)的测量来实现。从填充高度推导出信号，所述信号分别控制安装在气体出口和水出口或者液体出口上的阀22、26。

当气体分离器中的填充高度(实际上或可预见地)提升超过极限值时，关闭气体出口处的阀22，并且当(实际上或可预见地)低于极限值时又将其打开。同样，当(实际上或可预见地)低于第二极限值时，关闭水出口处的阀26。当(实际上或可预见地)超过第二极限值时，又打开该阀。

液位测量可以优选地借助电子式的差压计来实现。该电子式的差压计测量在两个定位处的绝对压力并以数字方式获知压差。然后，可以将绝对压力例如用于计算针对质量流率测量的气体密度。

应结合图3并结合甲烷在水中混合作为多相介质3地详细阐述图1和2的溢流堰5的几何设计方案和工作方式。应可靠地分离出直径为10微米的气泡。(更大的气泡上升得更快，所以将最小的泡视为极限情况。)

甲烷气泡例如在水中的上浮速度ug为0.017m/s。它必须在时间t内克服高度h2，以便能够从水中脱离。在相同的时间t内，水以流速uw流过具有长度l的导引面的溢流堰(5)。

体积流率相应于流速uw乘以高度h2乘以溢流堰的宽度d(溢流堰与管直径一样宽)。

因此得到溢流堰(5)的导引面(11)沿流动方向的长度l：

高度h2和h1由水力学已知。

在此，g是重力加速度(9.81m/s^2)，并且μ同样是由水力学已知的溢流参数，该溢流参数对于在此所考虑的结构类型的溢流堰来说假定值为0.5。溢流堰的高度z应大致相应于管直径的一半。理想的是：

理想地，在此还有

z＞h2