测量液-气-液三相流的速度与各相含量的系统的制作方法

本发明属于流体测量领域，具体是一种测量液-气-液三相流的速度与各相含量的系统。

背景技术：

液-气-液三相流是指两种不同成分的液体和一种气体组成的一种物质系统的流动。按照热力学的定义，系统中的三种物质具有各自的、均匀的物理、化学性质，构成物质所处的三种不同状态，即“三相”。各相之间具有明显可分的界面，可以用物理方法分离。

在工程上，液-气-液三相流流动是一种常见的流动现象。例如，石油工业中，油井井口产出的原油属于成分较复杂的多相流。其中，油相是指油井产出液中的液烃相，气相是指天然气、轻烃、非轻烃气体，水相是指矿化水，同时还有极其少量的固相(砂、蜡、水合物等)。因此油井井口的产出物主要是指油-气-水三相，是典型的油-气-水三相流。

测量液-气-液三相流的速度和三相含率的测量技术是多相流研究领域的前沿课题，在工程应用上愈发显得重要。例如在原油开采过程中，为确定各油井原油、天然气产量，了解地层油气含量及地层结构的变化，需要对油井产出液各相的体积流量或质量流量进行连续的计量并提供实时计量数据，以便优化生产参数，提高采收率。对油井油-气-水三相的含率和流量是监测、控制油井和油藏动态特性的主要依据。

与单相流计量相比，精确计量多相流的难度大得多，主要原因在于：(l)各相并非均匀混合，造成多种流型；(2)各相以不同的速度流动，各相之间存在着在时间和空间上变化的界面效应；(3)相与相之间相互作用、转化；(4)流动状态受管路结构的影响。为解决以上难点，应针对不同的场所选用不同的测量方法，建立合理的测量模型。

目前的液-气-液三相流测量技术都是基于三相分解的理念，包含两个技术要点:一是将三相视为气液两相进行总量计量；二是进行液相组分测量。由此产生了以三相流分离为基础的测量方案，从而形成了一类以成熟的多种单相流、两相流测量技术相互组合的用于三相流的多种测量方法。然而这些技术也存在一些缺陷。例如在石油工业的应用中，容积法、涡轮流量法、科里奥利法由于原油具有很强的粘性，容易粘住或积累在传感器中，从而造成测量结果的误差；密度法、激光多普勒法、PIV法、微波法、核磁共振法由于造价太高，所以不适合大面积推广；热线、热膜风速仪、荧光法因为需要加热流体，对能量供应的要求很高，不适合在偏远荒芜的地方使用；过程层析成像技术，无法准确的分析流场 边沿的情况，因此离实际应用也有一定距离；短波持水率计测量结果受水的矿化度影响，需要准确测量水的矿化度，有很大局限性；射线衰减法因为伽马射线对人体有一定危害，并且价格昂贵，因此虽然在现有的多相流量计中被频频使用，但并不是多相流检测未来发展的方向。此外，节流法、电容法、电导法虽然各有一些缺点，比如电容法只适用于油连续相、电导法适用于水连续相等，但由于造价便宜，并且适应性好，因而得到广泛的应用。

因此，开发一种测量液-气-液三相流的速度和三相含率的装置，具有质量轻、结构紧凑、对被测介质无温度要求。投资、操作、维护费用少的特点，显得尤为重要。该装置应同时应具有实用价值，例如可以用于油田油井井口，提供多相流的信息。

一类使用压力传感器和导电电极同时测量两相流的速度与气体含量的方法是一种实用、有效、简便的技术。其基本原理是将压力探头和导电电极制成一个整体的测量探头，利用压力传感器测量多相流的流速和流量、用导电电极测量不同成分的分相含量。但此项技术目前多见于气液两相流二维流速的测量。此外，因为一个整体的测量探头的测量端需要包含同时测量多相流速度与气体含量的元器件，由于存在尺寸加工制造方面的原因，此类测量探头的体积过大，无法保证测量的空间精度，对流场也有明显扰动。所以急需一种能够精确测量液-气-液三相流的流动速度和流量，同时能够精确测量各相含量的装置。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种测量液-气-液三相流的速度与各相含量的系统，它包括一个外形呈长圆柱形、端部呈圆锥台形状的测量探头、一个压力传感器、六个导电电极、一个压力传感器的背压平衡器、一个数据采集分析系统等部件，上述部件的连接关系是：

测量探头上的压力孔通过管路连接到压力传感器；

测量探头上的六个电极孔内安装六个导电电极；

六个导电电极连接到一个数据采集分析系统；

压力传感器连接到一个压力传感器的背压平衡器；

背压平衡器连接到数据采集分析系统。

上述测量探头的测量端，也就是外形呈圆锥台的一端，是多孔结构的。这些孔包括压力孔和电极孔。测量速度时，该传感器与压力探头的工作原理一样，可以确定流体的流动速度和流量。电极孔中安装金属导电电极，可以测量三相流中气体的含量。

具体地，测量探头的外形是一种呈长圆柱形的、在其测量端端部呈圆锥台形状，圆锥台外角在30°至45°之间。图1是的测量探头的测量端的外观图。沿着测量探头的中心轴线， 在测量端有一个中心孔，即压力孔。沿着圆周方向均匀地分布着另外六个周边孔，是电极孔，间隔60。图2是传感器的测量探头测量端的顶视图；图3是图2的A_A剖视图。中心孔通过柔性或刚性连接管与压力传感器相连。六个金属导电电极组成的三对电极对由绝缘塑料塞子固定在六个电极孔中，并与数据采集分析系统相连。电极伸出圆锥面表面，但不伸出过于测量探头的圆锥台顶部。测量时，将测量探头放入液-气-液三相流流场中，压力传感器反馈当地压力值，可以求得当地三相混合流体流动速度大小和流量。此过程是公知的，不再叙述。

对于测量由三个导电电极对间的输出电压值的变化量可以得到三相流中的各相的含量。测量探头的压力孔和电极孔需要编号，编号策略如图4所示。压力孔的编号为1。六个编号为E1、E2、E3、E4、E5、E6的导电电极。E1和E2、E3和E4、E5和E6以压力孔为中心对称布置成为三个电极对。使用该系统之前，需要对其进行标定。需要获得分别以E1和E2、E3和E4、E5和E6为电极对的输出电压值与各相含量之间的三条关系曲线。E1和E2的曲线表明一种液体和气体含量之间的变化与电压关系；E3和E4的曲线表明另一种液体和气体含量之间的变化与电压关系；E5和E6曲线表明一种液体和另一种液体含量之间的变化与电压关系。

测量时将测量探头的定向与标定时一致，压力孔和电极孔的编号与标定时一致。数据采集分析系统首先采样压力值，然后，采样电极对。输出的电极对的电压值通过对包含在数据采集分析系统中的传感器的标定结果进行插值运算，最终获得测量点的液-气-液三相流的速度和各相成分的含量。

利用本发明提供的装置可以直接测量液-气-液三相流的流动状态，同时获得三相流的压力、速度和各相含量等信息。本发明的装置将压力探头和金属电极紧凑地安置称为一个整体，保证了测量的空间精度，而且对流场扰动小、测量范围广、结构简单、易于制造、使用方便。可以用来测量一些流体机械，如输油管道中的液-气-液三相流流动。

附图说明

图1是测量探头的测量端的外观图。图中，1测量探头、2塑料绝缘塞子、3导电电极、4压力孔。

图2是测量探头的测量端的顶视图。图中，1测量探头、2塑料绝缘塞子、3导电电极、4压力孔、5电极孔。

图3是图2的A_A剖视图。图中，1测量探头、2塑料绝缘塞子、3导电电极、4动压孔、5电极孔、6圆锥台外角。

图4是测量探头测量端的压力孔和电极孔的编号策略。图中，7是E1、8是E3、9是E5、10是压力孔、11是E2、12是E4、13是E6。

图5是油-气-水三相流的成分与速度的传感器的结构方案图；图中，1测量探头、4压力孔、5电极孔、7、数据采集分析系统、8导线、9铂金导电电极、10不锈钢连接管、11压力传感器、12压力传感器背压平衡器。

图6是压力传感器背压平衡器的原理图。图中，11压力传感器、12流量计、13电控节流阀、14提供水压的水头、15压力孔连接管、16背压平衡管。

具体实施方式

以一个具体实施方案进一步说明本发明的原理和结构。具体是测量油-空气-水三相流的速度和各相含量的系统。图5是油-空气-水三相流的速度和各相含量的系统的结构方案图。该系统包括包括一个由不锈钢材料制成的、外形呈长圆柱形、其端部呈圆锥台形状的测量探头。其外观与图1所示一致。沿着测量探头的中心轴线，在测量端，也就是端部呈圆锥台形状的一端，有一个中心孔，也称压力孔，沿着圆周方向均匀地分布着另外六个间隔60°的孔，是电极孔。所有孔的直径为0.8mm至1mm，测量探头直径为5mm。意味着测量的空间精度为5mm，同时意味着在测量时需要假设在这个空间精度范围内，三相流是均质的。这样的结构使任意两个电极孔的中心距离不超过3mm。图2、图3也分别表示了这个具体实施方案中的测量探头测量端的顶视图以及A-A剖视图。此时，图3中圆锥台外角为30°。

六个铂金导电电极直径为0.4mm，由绝缘塑料塞子固定在六个电极孔中，电极伸出圆锥表面，与探头的圆锥台顶部齐平。伸出的铂金电极可以接触到附着在测量探头测量端上的、来自任何方向的流体，使电极的输出电压发生变化。

测量探头测量端的压力孔和电极孔的编号策略与图4一致，这里不再叙述。三对电极为电极对接入交流电。

使用该传感器之前，需要对其进行标定，获得分别以E1和E2、E3和E4、E5和E6为电极对的输出电压值与各相含量之间的三条关系曲线。E1和E2的曲线表明一种液体和气体含量之间的变化与电压关系；E3和E4的曲线表明另一种液体和气体含量之间的变化与电压关系；E5和E6曲线表明一种液体和另一种液体含量之间的变化与电压关系。

针对这个液-气-液三相流的压力测量的具体实施例子，需要对压力传感器和压力孔的连接作改进。因为压力孔和不锈钢金属连接管的直径都很细，两相流进入金属连接管后，如果液-气-液相流中空气的成分较多，空气气泡可能会在细管内聚集，或者粘连在壁面， 甚至堵塞细管。这一切都会使三相流的压力测量失败。

为解决上述问题，本发明需要使用一个压力传感器的背压平衡器，其原理图见图6。图中表示，压力传感器的背压平衡器包括一个提供液体压力的压头，通过连接管，经过独立控制的电控节流阀和流量计，连接到压力传感器。金属连接管在连接压力传感器时，同时接上另外的背压平衡管，再连接流量计和电控节流阀，再连接到一个提供水压的水头。背压平衡管中的压力由节流阀和流量计控制。这样，金属连接管内始终充满已知压力的水，形成背压，使得来自测量探头测量端的两相流中的气泡不能进入连接管，保证了三相流压力的测量的可靠性。压力传感器感受到的是压力孔的动压和背压平衡管中的背压的差。背压平衡器在气体含量较大时使用。

数据采集分析系统在基于Windows XP系统下的LabView开发环境中运行的。硬件部分还包括信号放大器、模数转换器、数据采集板等。每个测量点的采样时间足够长以保证数据采集分析系统指挥运行基于压力信号的电极对选择电路。

将测量探头放入流场中，通过压力孔压力值可以求得当地三相流流动速度和流量；电极对的电压值变化量可以测量液-气-液三相流中的各相含量。