油气水多相流相含率超声测量方法及装置

本发明属于流体测量，涉及油气水多相流相含率超声测量方法及装置。

背景技术：

1、多相流动现象广泛存在于自然界以及科学研究、工业生产的各个方面，并对国民经济和人们日常生活的发展起着重要作用。例如工业中的锅炉、精馏塔、气液混合器和分离器、热交换设备、化学反应设备以及低沸点液体的传输过程中广泛存在气液两相流的工程实例。化工中的乳浊液属于液液两相流的范畴。油水两相流和油气水三相混输是石油化工行业中非常典型的多相流。油田开采中，原油在井筒中向上流动，当流压低于泡点压力后，产生原油脱气，气体以游离气的形态存在，导致在油井的开采生产过程以及原油的圆管输运过程中，形成油气水三相流流动过程。此外，电力、建筑、机械、粮食加工等工业过程以及环保、医药领域都存在多相流动现象。

2、多相流流动特性、变化规律以及对其流动参数的测量在复杂流体流动过程的科学研究与实际应用中不可或缺，对于相关科研、设计以及生产过程的安全高效运行具有十分重要的意义，对其深入分析也可带来可观的经济效益。随着科学进步和工业发展的需要，生产规模的扩大和工艺复杂性的提高，准确获取多相流流动参数，进而实现复杂工业过程的有效控制，对保障多相流生产过程的安全、稳定运行十分重要。能源可持续发展中的关键科学问题是面向国家重大战略需求的基础研究，多相流理论及测试技术的研究对能源的可持续发展具有重要的意义。

3、相含率是表征多相流特性的重要参数之一，是多相流测试技术研究中的一项重要指标。它是求取多相流分相流量、平均密度、压力梯度等其他参数，以及研究多相流流动状态、理解多相流本质物性、探究多相流基本规律、建立物理模型和研究相关机理等的前提条件。因此，多相流相含率测量问题的研究具有重要的理论价值。此外，多相流相含率的测量对于能源动力、冶金、石油、天然气、化学工业、医学制药、航空航天及原子能等工业过程均具有重大的科学研究意义和工程应用价值。

4、不同于单相流体，多相流动过程存在复杂的时空非均匀性分布的相间界面、相间相对速度、相间滑脱等流动特征，使多相流成为一个复杂的多变量随机过程和高度非线性动力学系统。此外，多相流流动总是伴随着相间质量、动量以及热量瞬时传递，流动过程的复杂特性导致对其相关参数的准确测量一直是检测领域的挑战性课题之一。国内外对此进行了大量的研究工作。迄今为止，多相流测试技术已由原理性样机实验室研究，发展到广泛应用于实际工业中，但还存在一些理论和技术问题，已商品化的检测工业型仪表为数很少。因此，多相流测试技术无论是在国际上还是国内都是一个亟待发展的科学探索研究领域。

5、相含率的检测根据其测量原理分有：快关阀直接测量法、电学法、射线法、声学法、光学法、核磁共振法以及微波法等。目前，多相流相含率的研究水平还远未满足工业应用的要求，传感器存在响应非线性及响应分辨率低等问题，且多相流相含率测量问题受流型因素影响很大，多相流相含率参数的检测尚未达到测量精度要求。实际工业生产过程中，多相流相含率实时在线测试技术始终是科学研究和工业应用中迫切希望解决的复杂与难点技术。

6、基于超声波技术的测量方法是一种非接触式的检测手段，具有不干扰流场、不受被测介质矿化度影响、不存在流体腐蚀、磨损等优点，并且传感器表面的污染不会对检测的结果造成太大影响，适用于工业生产中通常遇到的恶劣的工作条件和苛刻的操作条件。超声方法相对成本较低、响应迅速、操作简单并能提供同步实时信息，系统表现更加安全稳定。通过分析超声波透射衰减或者反射时间，可获得被测流体的浓度和超声速度等参数。但是，采用超声波技术实现多相流相含率测试时，存在响应非线性，测量范围有限等问题。许多工业过程中呈现出动态变化的高度的声特性非均匀性，往往导致测量场的软场特性从而给测量造成了许多困难和难以估计的误差。如何克服由于强非均匀性带来的软场特性等不良影响，是超声测试技术实际应用中需要解决的难题。

7、根据油气水三相流的结构特点，建立常见油气水相分布模型，并用有限元分析软件进仿真分析，建立了准确的油气水三相流的相介质分布模型。考虑不同流速的流动结构，分类进行仿真分析，对得到的超声信号声压强度进行检测，并计算信号衰减系数，并通过衰减模型建立衰减系数和相含率的函数关系。本发明提出一种基于渡越时间和超声衰减机理的三相流相含率测试装置，利用超声波在液相中的渡越时间检测气液两相流中液相的高度，并以此来计算气相含率；根据衰减幅度计算反射路径中的油相含率，以此可以同时进行油水两相流和油气水三相流中各组分相含率的测量。使测量系统实现同步多参数估计，提升测量的广泛性、灵活性和实时性。

8、现有技术中通常只计算油水两相散射参数；计算出油水两相流的各相含率。但是只考虑了油水两相流，没有解决气相存在时相含率的测量问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供油气水多相流相含率超声测量方法及装置，广泛性好，灵活性高，重复性高和具有实时性，能够在线测量油水两相流或油气水三相流各分相含率，装置结构紧凑，设备占用空间小。本发明的技术方案如下：

2、油气水多相流相含率超声测量方法，包括以下步骤：

3、步骤1、在圆管一横截面的底部沿周向方向均匀布置收发一体超声换能器和2个辅助接收端，2个辅助接收端对称设置在收发一体超声换能器的两侧，收发一体超声换能器包括主发射端和主接收端；

4、步骤2、当被测油气水三相流通过圆管该横截面时，主发射端发射超声波，根据主接收端和2个辅助接收端分别获取的超声波的渡越时间，获取液面高度的平均值；

5、步骤3、根据液面高度的平均值，获取气相含率；

6、步骤4、根据主接收端和2个辅助接收端的回波信号，得到超声信号衰减量；

7、步骤5、根据超声衰减机理计算模型公式得到离散相含率；

8、步骤6、计算液相中连续相含率。

9、进一步地，液相介质相分布为分散状况或分层状况。

10、进一步地，在步骤2中，3个接收端处的气液相分界面液位高度和超声波的渡越时间δtmol，δtmo，δtmor的关系表示为：

11、

12、其中，c是声速，hmol和hmor分别为2个辅助接收端的气液相分界面液位高度，hmo主接收端的气液相分界面液位高度，l1为主发射端发出的超声波第一次在气液界面反射位置与一个辅助接收端的距离，l2为主发射端发出的超声波第一次在气液界面反射位置与另一个辅助接收端的距离，ln为超声波的飞行距离，n为1，2，3；

13、计算主发射端发出的超声波第一次反射位置与2个辅助接收端的距离：

14、

15、其中，θ为辅助接收端与收发一体超声换能器相对于圆管周向方向的角度，d为圆管直径；

16、求出液面高度的平均值hg：

17、

18、进一步地，在步骤3中，油气水三相流中气相含率为φvg：

19、

20、其中，hg为液面高度的平均值，r为圆管半径。

21、进一步地，在步骤4中，检测主接收端、2个辅助接收端接收到的回波信号分别为vmo、vmol、vmor，得到超声油水两相流的检测信号vmo的超声强度衰减系数：

22、

23、计算超声经过油水两相流的超声信号的扩散衰减αd：

24、

25、其中，ln为超声波的飞行距离，n为1，2，3；

26、利用衰减系数公式计算主发射端发出的超声波通过检测区域时的超声信号的吸收衰减αt：

27、

28、其中，f为超声波的频率；η为液相中连续相粘度；ρ液相中连续密度；c为液相内超声波传播速度，连续相粘度η受温度t的影响，检测主接收超声换能器接收到的信号幅值强度以及超声信号的渡越时间δt，对和温度有关的参数进行实验测定，计算实际情况下的吸收衰减系数；

29、计算超声波经过油水介质时的散射系数g：

30、

31、其中，为超声波的波数，为超声波波长，c0为超声波在液相中声速，r为油滴半径，re[a0]代表取离散相分波波幅a0的实部，利用分散相经典的ecah模型求解，方程式如下：

32、

33、

34、其中，a0为连续相压缩波系数，a0'为离散相热波系数，b0为连续相热波系数，b0'为连续相热波系数，ac为液相中连续相半径，ac'为液相中离散相半径，as为液相中连续相压缩波波数，as'为液相中离散相压缩波波数，at为液相中连续相热波波数和剪切波波数的乘积，at'为液相中离散相热波波数和剪切波波数的乘积，η为液相中连续相粘度，κ为液相中连续相热导率，κ'为液相中离散相热导率，为spherical bessel函数，jn'为spherical bessel函数的一阶导数，jn”为spherical bessel函数的二阶导数，为spherical hankel函数，hn'为spherical hankel函数的一阶导数，hn”为spherical hankel函数的二阶导数，ω为声波的角频率，ρ连续相的密度，cp为连续相质量定压比热容，t0为环境温度，β为连续相中超声波数，ρ'离散相的密度，cp'为离散相质量定压比热容，β'为离散相中超声波数；

35、超声强度衰减系数表示为：

36、α＝αr+αt+αd (11)

37、式中：αr为超声信号的散射衰减，αt为超声信号的吸收衰减，αd为超声信号的扩散衰减；

38、则步骤5中，初步液相中离散相含率φv计算关系式为：

39、

40、其中，a为边界修正系数，b为测量模型误差参数。

41、进一步地，利用有限元仿真实验计算边界修正系数a，实际试验矫正参数为代入公式(12)中得到矫正后的离散相含率：

42、

43、进一步地，计算液相中连续相含率：

44、

45、其中，φvg为气相含率，为矫正后的离散相含率。

46、进一步地，2个辅助接收端均与收发一体超声换能器周向夹角为22.5°。

47、油气水多相流相含率超声测量装置，包括：

48、超声结构，包括在圆管一横截面的底部外侧面沿周向方向均匀布置的收发一体超声换能器和2个辅助接收端，2个辅助接收端对称设置在收发一体超声换能器的两侧，收发一体超声换能器包括主发射端和主接收端；

49、测量组件，包括信号发生单元、激励电路单元、检测电路单元、信号解调单元、计算单元；

50、其中，当被测油气水三相流通过圆管该横截面时，由信号发生单元生成脉冲信号，并经过激励电路单元，激励主发射端产生的固定频率和强度的超声波，超声波将以透射传播方式通过油水相区域，并在气液界面几乎全反射，反射回波信号到达主接收端和检测信号到2个辅助接收端，2个辅助接收端用于收集超声波扩散衰减信息，3个接收端的信号由检测电路单元处理得到电压信号并发送给接收电路，通过信号解调器进行解调处理后，通过计算单元获取气相含率、离散相含率及连续相含率。

51、进一步地，2个辅助接收端均与收发一体超声换能器周向夹角为22.5°。

52、与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

53、1、设计安装在圆管底部的“一发三收”式多超声组合传感器检测方式，检测激励信号经气液相界面的反射后声压回波信号衰减强度和渡越时间，通过液相超声衰减机理获得油水两相分相含率。根据超声波渡越时间计算圆管内液面高度，从而根据几何原理求出气相含率。收发一体超声换能器和2个辅助接收端安装在圆管外部，不会干扰流体流动，实现了非侵入式在线同步测量三相流各分相含率，且成本相对较低。

54、2、通过所提出的结合衰减机理和渡越时间测量方法的相含率预测模型，利用超声波测量装置可以同时在线测量油气水三相流各相含率，扩大了测量范围和装置的适用范围。

55、3、该方法具有安全性高、易于安装和更换、实时性好、安装成本低、不与流体发生反应、磨损小、使用寿命长，对不同流体介质的适用性好，维护费用低等。