CN102326055A - 多相流量计 - Google Patents

Abstract

一种用于测量流经管道(110)的多相流中的各个相的物理特性的测量装置(100)和系统，其中所述测量装置(100)包括具有至少两个分离并细长的腔室(130)的测量段(120)，腔室(130)通过至少一个纵向隔板(140)形成，腔室(130)中的至少一个包括用于测量流经腔室(130)的多相流的物理特性的装置，并且其中管道(110)的内径在测量段(120)所定位的位置处较小，这是因为在管道(110)的内管壁中存在颈缩(220)。

Description

多相流量计

引言

本发明涉及一种用于测量多相流中的各个相的物理特性的测量装置和系统。更具体地，本发明涉及这样一种测量装置的结构细节，该测量装置使得其特别适用于测量混合液中高达三种不同流体的流速，并且其中这些流体不分离地(unseparated)流经结合有该测量装置的管道。

背景技术

众所周知存在用于测量多相流的特性的多种装置。以前焦点聚集在测量包含油、水和气体的多相流。因此存在用于多相流测量仪的多种不同方案，它们被优化用于测量这些介质，并且它们具有各自的优点和缺点。

本发明涉及一种测量装置，其在操作时构成多相流所流经的管道的整体部分。为了能够对不同的相进行有区别的测量，每一相中的介质(单独采取的)应当具有不同的物理特性(例如，质量密度和导电密度)使它们在多相混合液中能够互相区分，使得这些特性能够被用于分离并表征流体。该测量装置可例如被用于来自产油或气井的油、水和气流的容积测量，但它的用途不限于此。

WO2006/083170记载了一种用于测量包含多个相的流体流的测量设备。在此文件中记载了一种在管道中通过翼片固定的中间体。这在电容测量中构成接地电极。

WO99/67566记载了一种当传输多相流时用来降低不同相之间的流速差的截面管道。

DE 19632529记载了用于测量流体流的电容的柱形电极的应用。

US 5305638记载了具有分流器的流量计，分流器配备有销以将流体分流。

US 6,655,221记载了一种多相流量计，该多相流量计具有居中地位于多相流所流经管道的本体。本体在流体中产生压差，这些压差被测量并且与电特性测量相结合以得到不同相的质量流速率。本体在管道中同轴定位。另外，在图2中描述的一个解决方案中，电极连接至居中地定位的本体并连接在本体位于其中的管道的内侧上，由此提供电极对，但具有一个外部公共对电极(公共反电极，common counter-electrode)。

同轴解决方案相比于如US 6,655,221中图5所示的电极位于管道外壁的解决方案具有很多测量技术优势。在同轴结构中，电极与对电极之间的距离小，且因此电极的横截面面积能够变小而不会使系统的灵敏度受损。同轴结构因此在使测量传感器紧凑方面具有优势。

在US 6,655,221中的图2中示出了一组的多个环形电极，它们被用于流体的速度测量。为了使传感器变小，期望将这些环放置得尽可能靠近在一起。然而，这将提高传感器对非径向速度分量的灵敏度。在非均质的多相流中会产生流体中的这种非径向或者螺旋运动。这将发生在，例如，在横截面的一部分中液体占优势而同时在相同的横截面的另一部分中大部分为气体时，如图5a和5b中示出的。当该混合物进入颈缩部分时，液体和气体都将加速并且液相将与气相混合以保持颈缩部分内的压力条件。从而，液体将采取大致横向于流动方向的路径B和C。流体内的这种非轴向速度分量将使得流体整体速度计算的不确定性增加。

在本发明中，在中间本体与管道的内壁之间引入至少一个纵向壁。该壁将有助于使多相流具有单向性，并且防止产生横向于流动方向的显著流体分量。同时，管道的内径在测量段(section)定位位置处较小，这是因为在管道的内管壁中存在颈缩。

该构造具有降低速度测量中的不确定性的效果，并且允许将用于速度测量的电极对更紧密地放置在一起。因此，所达到的有利理效果是仪表形体小，同时更加独立于流体的分量。

US 6,655,221中的图2示出了一种结构，其中，明确记载了对电极与放置在中间本体上的电极相比形体大。这种结构将有助于使传感器对靠近大型对电极的位置变化相对敏感。在本发明中，每一个电极均具有和其具备相同轴向长度的一个对电极。在这种实施例中，传感器在对电极的表面处具有的空间分辨率与在电极自身上具有的空间分辨率同样大。这进而将有助于使流体检测更灵敏，这也是本发明有助于更好地计算速度的一个因素。

因此，根据本发明的用于测量多相流的测量装置的构造将产生有利的效果和较好的测量结果。

发明内容

本发明涉及一种用于测量多相流中各个相的物理特性的测量装置，该多相流流经这样的管道，该管道在测量装置的上游和下游具有恒定的直径，其中，所述测量装置包括一测量段，该测量段具有通过至少一个纵向隔板形成的至少两个分离且细长的腔室，腔室中的至少一个包括用于测量流经这些腔室的多相流的物理特性的装置，并且其中所述测量装置具有如下特征，管道的内径在测量段所处位置处较小，这是因为在管道的内管壁中存在颈缩(constriction)。

本发明的其他特征限定在所附权利要求中。

通过对说明书中所描述且权利要求中所确定的本发明的认知，本领域技术人员将理解，在由所附权利要求确定的本发明的范围内存在其他实施例和修改。

具体说明

如所提及的，本发明涉及一种用在测量流经管道的多相流中各个相的物理特性的系统中的测量装置。下面将结合以下附图对该测量装置进行描述，其中：

图1a是测量装置的侧视图；

图1b是图1a中示出的测量装置的横截面视图；

图2a是测量装置具体实施例的侧视图；

图2b是图2a中的测量装置的横截面视图；

图3a是根据本发明的在管道内管壁中具有颈缩的测量装置的侧视图；

图3b是图3a中的测量装置的横截面视图；

图4a是在管道内管壁中具有颈缩且在中间具有纵向本体的测量装置的侧视图，并且该纵向本体沿着隔板延伸；

图4b是图4a中的测量装置的横截面视图；

图5a示出了流体的不同相如何能够被分配到测量装置中；并且

图5b是图5a中所示测量装置的横截面视图。

图1a是测量装置100的侧视图。当测量装置被可操作地安装时，它将在测量装置100的上游和下游与管道110连通。这些管道110具有恒定的内径，在实际测量装置100的上游和下游，该内径可以相同或者不同。连接管道110的不同内径将不影响本发明的典型特征的特性或者范围。

测量装置100能够通过预定类型的连通器连接到传输多相流的管道110。在这种布置中，连接到测量装置100上游和下游的管道110可以具有与和测量装置100连通的管道相同的内管径并且优选地相同的外管径。该图进一步示出了纵向隔板140，其将管道110的内部容积一分为二。还示出电极160附接在隔板140上。这将参考图1b更详细地说明。

图1b是根据本发明的包括多个部分的组装的测量装置横截面视图。这些部分安装或者插入管道110。管道110优选由适于安装测量装置100的管道系统的材料构成。这典型地是具有由管道系统所有者确定的类型和质量的钢。

测量装置100的特征在于它包括具有至少两个分离并且细长的腔室130的测量段120，腔室130由至少一个纵向隔板140形成，并且其中腔室130中的至少一个包括能够对流经腔室130的多相流的物理特性进行测量的装置。

隔板140优选对称安装以使腔室130尺寸相同。假设测量装置100安装为使得流体(例如，液体和气体)平均起来均匀分布，则随着时间推移，同样大的量的多相流流体将流经每一个腔室130。这样的一个实例是如果该装置位于弯曲部的下游，在该弯曲部下游，液体将能够靠在弯曲部后面的管道横截面的一部分上。在此情况下，隔板140必须定位使得它能够将液体分数(fraction，份额)并且因此将气体分数分成相同大的部分。

尽管图1b示出了具有一个垂直隔板和相同尺寸腔室130的测量装置的横截面，但本发明不应当被认为限定于这样的实施例。能够想象到隔板具有例如Y形形状以使得通过并非垂直但相互成一定角度的隔板140形成三个腔室130，并且其中腔室并不必须具有相同的尺寸。隔板140在流动方向上的端壁可以是尖的或者圆的，并且厚度可以改变并适于待被放入其中的管道110。

用于测量多相流的物理特性的所述装置包括压力传感器150，以测量测量装置100中具有不同横截面的不同位置之间的压力变化。优选存在成对的压力表以测量压差。压力传感器可放置在一个或多个所述细长腔室130中，同时一个或者多个相应的压力传感器可定位为位于腔室130前面或者后面的位置。因此将可在成对的压力传感器之间测出压力变化和/或压差。还可通过适于测量压力差的其它装置测出压差。

在测量段120中的至少一个腔室130配备有至少一组电极160、170以能够测量电气值，并且因此测量包括流经腔室130的不同流体的多相流的电特性。至少一个内部电极160定位为与纵向隔板140连接，并且它通过在对大载荷具有的阻抗方面具有良好机械、热和化学特性的电绝缘材料与隔板140电绝缘。进一步，至少一个外部对电极170嵌入管道110的内壁中并且与该壁电绝缘。内部电极160通过电缆165进一步连接至电子单元178，该电缆165被引导穿过内部电极160所附接的内部隔板或者多个隔板140，也就是说，穿过腔室130之间的隔板140中的一个，并且随后被引导出管道到达位于测量装置100外部的电子单元178。外部对电极170类似地通过另一电缆175连接至电子单元178，电缆175穿过外管壁。类似地，所述压力传感器150经由电缆155、158连接至电子单元178。

隔板140有助于使得测量段120的结构更坚固，并且还有利地能够被用于从所述电极160、170以及从装置外部的用于测量流体流的物理特性的任意其它装置走线。

所述电极160、170用于测量它们之间的电容和/或电导。内部电极160与外部对电极170的构造可有利地尽可能靠近平行板电容器。虽然管道内的表面是弯曲的，但电极160、170在长度、宽度和形状上可有利地构造为以获得近似平行板结构。这是一个简单的几何形状，其使得电容相对容易进行数学计算。另外，板之间的距离除了是恒定的之外最好还尽可能小。以此方式获得最大灵敏度，同时沿边缘的任何边缘场效应最小。如上面所述，并不期望电极之间且因此内部隔板140与管壁之间的距离过小，这是因为摩擦损失会因此高于所期望的。因此，应当从这些交叉需求中寻求最佳折衷方案。

图2a示出了根据本发明的测量装置100的一个具体实施例的侧视图。能够看到在此纵向隔板140包括沿隔板140延伸并沿轴向定位至该隔板的纵向本体180，并且其中本体180具有上游部190、中间部200和下游部210，并且其中所述本体180具有的直径小于管道110的内径以使多相流能够在纵向隔板140的每一侧上自由流过本体180，并且其中在该实施例中内部电极160安装在流线型本体180的中间部200上。

在一个实施例中，纵向本体180的上游部190和下游部210在本体180的中间部200的方向上具有逐渐增大的横截面，并且在上游部190和下游部210与中间部200相接的位置处具有与本体180的中间部200相同的横截面和形状。

本体180的中间部200的形式优选为圆柱形。在一个实施例中，本体180的纵向限度(extent)比隔板140长，使得上游部190和/或下游部210具有超过隔板140长度的限度。

在另一个实施例中，本体180的纵向限度与隔板140的长度相同，并且在再一个实施例中，本体的纵向限度比隔板140短，使得上游部190和/或下游部210具有的限度不超过隔板140的长度。

在第三个实施例中，本体180的纵向限度与隔板140的长度相同。

除隔板140之外，所述本体180也在管道110中形成又一颈缩，这导致流动介质的速度的进一步提高，因此在本体180的上游或下游位置与靠近本体180的位置之间具有显著的压降。本体180的外径能够被计算为使得腔室130中形成在本体的外侧和管道110的本体180所安装部分的内侧的横截面面积除以管道110在除本体180位置之外的位置215处的面积之间的比率处于通常适用于基于压降的标准测量仪器的面积比率内。这可导致本体与管壁之间的距离极小，使得在开口中的表面之间流动的流体所产生的摩擦极大。为了增加此距离，管道110的内径可在靠近本体180的位置处小于在管道110的其余长度处。因此，本体180的直径也可较小。所述颈缩参考图3得以更详细的描述。

纵向本体180进一步配备有至少另外一个电极，其具有与第一电极相同的构造并且其以与第一电极相同的方式安装。这些内部电极的每一个均具有各自的嵌入在管道110内管壁的与本体180相对的部分中的对电极。这些电极以和隔板140或者本体180上的电极相似的方式通过电绝缘材料与该构造的其余部分电绝缘。电缆175从这些电极穿过壁到达管道110的外部并且向外到达外部上的电子单元178。通过采用两对或者多对电极，能够对流体进行速度测量。

图2b是测量装置100的一个具体实施例的横截面视图。在此图中，示出了由于隔板140的存在，内部电极160仅仅覆盖纵向本体180的横截面圆的一部分。有争议的是，电极160、170应当覆盖纵向本体180的整个横截面圆，也就是说，内部电极围绕类似围绕中间本体180的一条带，同时外部对电极170类似围绕管道110的内部横截面所形成的圆的一条相似的带。然而，此类解决方案具有的缺点在于，电极160、170之间(不同相的流体在其间流动)的体积变得相当大，并且各个子体积中的流体不同的可能性增大。这样的结果是，所测量的电容和/或电导对于所期望的测量的代表性较低。因此，从以上描述中可以看出，出于多个所述原因，隔板140的存在是有利的。

图3a和图3b示出了颈缩220在管道的内管壁中的位置。这是根据本发明的优选实施例。通过此种类型的颈缩220，管道110的内径在测量段120所定位的位置处较小。

颈缩220对于增大测量段120外部的位置215与腔室130之一中的位置之间的压差特别有利。如果前述中间本体180具有小的横截面或者本体180并不存在并且内部电极直接放置在腔室130之间的隔板140上(如图3b所示)时，这特别有价值。

管道110的内管壁中的颈缩220可构造为使得，管道110在测量段120的位置处具有恒定的较小直径，并且在超出测量段120的位置处具有逐渐增大至管道110原始直径的直径，如图3a中能看到的。

图4a和4b示出了在管道110的内管壁中具有颈缩220并且在中间具有沿隔板140延伸的纵向本体180的测量装置。在此类布置中，颈缩220不需要与不具有中间本体180的情况下一样大。这是因为中间本体180的存在将有助于在测量装置100中具有不同横截面的位置处(即，在测量段120内和外)形成进一步压差。图4a和4b中示出的其他特征对应于上面结合图1b的描述。

图5a和图5b旨在示出流体的不同相在测量装置100中如何分配。

如前所述，通过将测量段120分成分离的腔室130实现了主要优点。以此方式，可防止在靠近隔板140位置处形成的颈缩内由于此颈缩内的局部压力变化而产生螺旋流。没有此隔板的话将发生这种情况，例如，如果在横截面的一部分中存在主导液体D而同时在相同横截面的另一部分中大部分是气体E时，如图5a和图5b所示出的。当此混合物进入颈缩时，液体D和气体E均将加速，并且液体相将与气体相混合以保持颈缩内的压力条件。液体D此时将采取大体上横向于流动方向的路径B和C。流体中的该非轴向速度分量将使流体总速度计算的不确定性增加。

另一主要优点在于削弱流体进入进行测量的位置之前已经形成的任何螺旋流(也称为涡流)，使得流体中的所有速度分量以直线A轴向运动，以便能够测量通过腔室的更均匀的速度，该速度是完整的并且不受干扰的。

本发明还包括用于测量和显示(present)流经管道110的多相流中的各个相的物理特性的系统。此系统包括上述创造性测量装置100，其包括具有至少两个分离并细长的腔室130的测量段120，腔室130通过至少一个纵向隔板140形成。测量装置100进一步包括位于腔室130至少一个中的能够测量流经腔室130的多相流的物理特性的装置。这种装置包括用于测量测量装置100中具有不同横截面的不同位置处的压力变化的压力传感器150以及用于测量多相流的电特性的电极，并且其中至少一个内部电极160与纵向隔板140连接并与该隔板140电绝缘，同时至少一个外部对电极170嵌入在管道110的内壁中并且与该壁电绝缘。

该系统进一步包括连接至传感器和电极以采集来自多相流的测量数据的测量技术装置178以及用于显示多相流的每一相的不同物理特性的显示装置179。

在一个实施例中，该系统进一步包括沿隔板140延伸并且沿轴向定位至隔板的纵向本体180，本体180具有上游部190、中间部200和下游部210，并且所述本体180具有的直径小于管道110的内径以使多相流能够在纵向隔板140的每一侧上自由流经本体180，并且其中所述内部电极160设置在流线型本体180的中间部分200上。

在以上描述中，描述了由内部电极160和外部对电极170构成的一对电极。此类结构可用于测量介质的总电容和电导，也就是说，与混合物中的三种流体一样多。如果多达三种流体的电介质和电特性不同，则总电容和电导测量将提供关于组分比例的信息。这意味着，借助于电容/电导测量可建立包括流体中多达三种组分的每一组分的分数的等式。第二个此类等式为分数总和构成管道横截面的100％。第三个等式是所谓的文丘里(Venturi)等式，其中也包含了这三个分数。为了应用此等式，每一个单独相的质量密度必须已知。另外，流体的速度必须已知。速度由来自以纵向方向安装的至少两对电极的交叉关联信号确定。电极对之间的轴向差异已知并且交叉关联函数给出了电极对之间的延时。基于这些值容易确定速度。

鉴于该创造性的测量装置100(其在进行测量方面包括有利的结构特定细节)和系统(其中应用此测量装置100)的特征性特性，应当理解，通过所描述并已知的利用接收到的测量数据的计算方法将可以提供多相流中各个相的物理特性的改进的特征。

Claims (5)

1.一种用于测量流经管道(110)的多相流中各个相的物理特性的测量装置(100)，其中，所述测量装置(100)包括具有至少两个分离并且细长的腔室(130)的测量段(120)，所述腔室(130)通过至少一个纵向隔板(140)形成，所述腔室(130)中的至少一个包括能够对流经所述腔室(130)的所述多相流的所述物理特性进行测量的装置，并且其中所述测量装置(100)的特征在于，由于在所述管道(110)的内管壁中存在颈缩(220)，使得所述管道(110)的内径在所述测量段(120)所定位的位置处较小。

2.根据权利要求1所述的测量装置(100)，其中，所述用于测量所述多相流的所述物理特性的装置包括用于测量所述测量装置(100)中具有不同横截面的不同位置处的压力差的压力传感器(150)以及用于测量所述多相流的电特性的电极，并且其中，至少一个内部电极(160)设置为与所述纵向隔板(140)连接且与该隔板(140)电绝缘，同时，至少一个外部对电极(170)嵌入在所述管道(110)的内壁中且与该壁电绝缘。

3.根据权利要求1所述的测量装置(100)，其中，所述用于测量所述多相流的所述物理特性的装置连接至用于采集来自所述多相流的测量数据的测量技术装置(178)以及用于显示所述多相流的各个相的不同物理特性的显示装置(179)。

4.根据权利要求1和2所述的测量装置(100)，其中，所述纵向隔板(140)包括沿所述隔板(140)延伸并且沿轴向定位在所述隔板(140)上的纵向本体(180)，所述本体(180)具有上游部(190)、中间部(200)和下游部(210)，并且所述本体(180)具有的直径小于所述管道(110)的内径，使得所述多相流能够在所述纵向隔板(140)的每一侧上自由流过所述本体(180)，并且其中，所述内部电极(160)设置在所述流线型本体(180)的中间部分(200)上。

5.根据权利要求1所述的测量装置(100)，其中，所述管道(110)的内管壁中的所述颈缩(220)形成为使得，所述管道(110)在所述测量段(120)的位置处具有恒定的较小直径并且在超过所述测量段(120)的位置之外具有逐渐增大至所述管道(110)的初始直径的直径。

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