专利名称：基于多截面阻抗式长腰内锥及相关测速的多相流测量方法
技术领域：
本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种融合差压测量原理与电学测量原理 的测量方法，用于确定连续相从导电相到非导电相范围内的多相流各相组分含率、流速及 流量等参数。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工 业过程和化学反应中本发明的测量方法仍适用。
背景技术：
多相流通常指同时存在两种或两种以上物质的流动，包括气液两相流、气固两相 流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流等。管路内多相流经常出现在动 力、核能、化工、石油、制冷、冶金、管道输送、宇航、医药、食品等现代工程领域与设备中，如 不实现对其流动过程参数的准确测量就无法保证有关设备的可靠设计和安全运行。多相流 在自然界和工业过程中存在的广泛性和应用的重要性使其在国民经济和日常生活中占有 十分重要的地位。随着动力工业及石化工业迅速发展，以及对环境保护的日益重视，促使多 相流领域研究工作迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变 化，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，特征参数也比单相流多。目前油气水三相流测 量方法可以分为两方面1、将多相流视作气液两相流进行流量的测量。2、对多相流中各相 组分含率的测量。其中将多相流视作气液两相流测量流量的方法主要有相关法、容积法、 节流法、涡轮式检测法、激光多普勒法、PIV粒子成像测速法、热线热膜风速仪、过程层析成 像技术、核磁共振法以及科里奥利法等，这几种方法应用范围广泛，但需其他辅助测量手段 (如密度计等)测量含气率。相含率的测量方法有两种，一是间接法，即通过实验回归或理 论推导得出以气液两相介质的物性参数和工艺参数为函数的相含率计算式；二是测量装置 直接测量法，如电磁波检测法、电导法、电容法、热学法、微波法、Y组分表法和核磁共振法 等。在实际测量中，一般采用测量装置直接测量法确定相含率。应用传统的单相流测量仪表与两相流辅助参数测量手段相结合是解决管道内多 相流过程参数测量问题的一种主要思路。差压式流量计，如孔板、文丘里管、喷嘴和内锥式 流量计等，是目前应用最多的一种工业在线流量测量仪表，在多相流过程参数测量领域的 研究也比较普遍。其中内锥式流量计将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上 改变为利用同轴安装在管道中心的锥体将流体逐渐节流收缩到管道内壁，通过测量锥体前 后差压确定流体流量。内锥流量计能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏 污流体实现更准确、更有效的流量测量，但是其自身结构特点也存在一些缺点在锥体尾部 存在漩涡区造成此处取压信号存在脉动，使测量精度和重复性降低，且整体压损较大，如根 据多相流的流动特征对内锥式流量计做结构变形，如内文丘里管、纺锤体流量计和梭式流 量计等，能有效提高其在多相流测量中的精度和稳定性。基于电学敏感原理的多相流测量 方法已有较好的理论和应用基础，通过测量管道内流体的电学参数(电阻抗、介电常数等) 变化实现多相流各相组分含率的测量，该方法根据测量参数的不同而分为电容式、电导式等模态。如果采用多模态传感器与多工作模式(激励测量策略)组合方法，利用各模态的测 量优势，通过组合优化可实现多相流过程参数的综合提取，及流动信息的全面准确地获得。专利CN99257650. 4、CN200420093532. 6、CN200420061026. 9 分别公布了一种用于 节流装置的异型文丘里管、纺锤体流量计、梭式流量计，均为克服内锥流量计一些不足而设 计的。异型文丘里管相对内锥流量计在腰部，增加等直径段，形成环形流通空间，有助于改 善流出系数的稳定性，但是将动能转化为势能的出口圆锥形扩散段短而角度大，流体通过 锥体后分离而产生漩涡，永久压损相对内锥流量计并无明显改善。纺锤体流量计和梭式流 量计十分接近，仅在外形轮廓上有所区别纺锤体流量计的节流件是流线型的纺锤体，而梭 式流量计的节流件是由前锥体、中间等直径段体和后锥体组成的梭形体，节流件沿管道轴 线安装，中间具有一段足够长的等直径段，与管道内壁之间形成均勻的环形通道。这两种变 形体在流出系数稳定性，抗扰流性及低压损性均优于内锥流量计，但是节流件过长(4倍于 管道内径)，在管径较大时显得比较笨重，并且测量多相流过程参数相对单一，需要配合其 他流量计才能完成过程参数的测量。专利CN86207384、CN200810151346. 6、CN03234526. 7 分别公布了文丘里管节流装
置与孔板节流装置组合、内锥节流装置与文丘里管节流装置组合、双内锥节流装置组合及 英国Solartron公司提出的“混合器+双文丘里管”湿气测量装置，采用双差压法测量气液 两相含率及流量，即两种同类或不同类的节流装置组合测量气液两相流过程参数。利用均 相流模型，对不同流量系数的节流装置上得到的差压信号进行处理，获得气相质量含率，然 后由混合流体总的质量流量计算得到混合流体中气液分相流量，同时对气液流量进行温度 和压力补偿。该组合方法只适用于测量混合较均勻的两相流体，并且两个节流装置组装在 一起不能保证空间上的一致性，因此两相流在流动过程中流型和过程参数很难保持一致， 容易违背组合式测量的前提条件——两相流体流过每个组成部分时其基本参数不变的原 则，即存在原理性误差。专利US 5485743、US 5130661、US 6857323、US 6940286、CN99209502. 6、 CN200680055193. 4等公布了采用过程层析成像技术测量多相流过程参数。过程层析成像 由获取被测物场信息的敏感器空间阵列、数据采集与处理单元、图像重建与物场参数提取 单元组成，敏感器阵列在一定的工作模式下依次在测量空间内建立敏感场，通过数据采集 及处理单元对反映不同敏感区域内被检测物场介质分布的信号进行采集和处理，然后使用 图像算法重建出反映介质分布的图像，在此基础上采用一定的信息处理方法提取所需的参 数。然而层析成像技术在实时性、测量精度和图像质量等方面尚未满足工业应用的要求，且 多相流的快速变化特性与层析成像图像重建算法的复杂性冲突，可能会导致计算结果存在 较大误差。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足，提供一种能够测量多相流过程参 数，并根据各传感器自身特点实现传感器间的信号互补及冗余，实现测量最优化的多相流 测量方法。本发明可实现连续相从导电相到非导电相范围内的多相流过程参数，如分相含 率(截面相含率、质量相含率)、分相流速、体积流量和质量流量的准确测量，通过分析测量 信号进行流型识别，以优化测量结果。本发明的技术方案如下
一种基于多截面阻抗式长腰内锥及相关测速的多相流测量方法，采用的传感器包 括锥体节流件、收缩压降差压变送器，电学敏感传感器，所述的锥体节流件为一种长腰内锥 节流装置，由前段圆锥体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同 轴固定于管道中心，与管道的管壁形成环形流通空间；所述的收缩压降差压变送器的两个 取压孔，一个设置在锥体节流件上游处，另一个设置在环形流通空间处或锥体尾部；所述的 电学敏感传感器包括四组分布在环形流通空间不同截面上的电极，该四组电极中有两组电 极的结构和空间排列方式均相同，用于检测多相流的电导率，称为电阻电极对，另外两组电 极的结构和空间排列方式均相同，用于检测多相流的介电常数，称为电容电极对；每组电极 由一个或一个以上的内电极和一个或一个以上的外电极构成，内电极固定在锥体腰表面， 外电极固定在管道内壁；测量时一次选通位于同一个截面上的一个内电极和其对应的外电 极分别作为激励/测量电极与接地电极，该测量方法包括下列步骤1)采集由锥体节流件产生的两对差压信号收缩压降差压信号△ P和永久压损差 压信号S P ；2)利用电学敏感传感器采集电信号；3)根据互相关法计算混合流体体积流量Qv a、根据公式K = 、V2 = ^H十算出液相的相关速度V1和气相的相关速度V2，式
ToiT02
中，LpL2分别为电阻电极对两组电极之间的间距与电容电极对两组电极之间的间距，τ 01, τ O2分别为电阻电极对间的信号延迟时间以及电容电极对间的信号延迟时间。b、根据公式V = K1VfVd和Qv = A0V计算出混合流体体积流量Qv，式中，V为混合 流体平均流速，K1为速度校正因子，Vd为相间滑移速度，A0为环形流通空间的流通面积；4)根据差压信号和电信号测量数据，进行流型的分类、识别与判断，判断出流体中 连续相是导电相还是非导电相；5)根据连续相是否是导电相，采用不同的计算模型计算油气水三相流的过程参 数，若连续相为非导电相，采用的计算模型如下a.根据电容电极对采集的电压信号，计算混合流体的介电常数εω;b.多相流中将截面含油率α。、截面水油率Ciw、截面含气率α 8分别等效为油、 水、气的体积含率，已知油相介电常数ε。、水相介电常数ε ,及气相介电常数ε g，根据公式
2(ε · C1 )2 Ap ^r、，/^·
^^ ^+("▲叉城幻、Wfl^+aA =^T和 φ。+φ^ =1 计算
出油相体积含率Φ。、水相体积含率气相体积含率Φ8，式中εω为混合流体的介电常 数，p。、pw、Pg为油相密度、水相密度、气相密度，C1为收缩压降Δ ρ为差压信号标定出的 流出系数，Δρ为收缩差压；
0·νο ΦO^vC.根据公式0胃=九込计算油相体积流量Qv。、水相体积流量Qvw和气相体积流量
Qvg = <t>gQv
Qve ；
权利要求
1. 一种基于多截面阻抗式长腰内锥及相关测速的多相流测量方法，采用的传感器包括 锥体节流件、收缩压降差压变送器，电学敏感传感器，所述的锥体节流件为一种长腰内锥节 流装置，由前段圆锥体、作为锥体腰部的中段柱状体、后段圆锥体三段构成，通过支架同轴 固定于管道中心，与管道的管壁形成环形流通空间；所述的收缩压降差压变送器的两个取 压孔，一个设置在锥体节流件上游处，另一个设置在环形流通空间处或锥体尾部；所述的电 学敏感传感器包括四组分布在环形流通空间不同截面上的电极，该四组电极中有两组电极 的结构和空间排列方式均相同，用于检测多相流的电导率，称为电阻电极对，另外两组电极 的结构和空间排列方式均相同，用于检测多相流的介电常数，称为电容电极对海组电极由 一个或一个以上的内电极和一个或一个以上的外电极构成，内电极固定在锥体腰表面，外 电极固定在管道内壁；测量时一次选通位于同一个截面上的一个内电极和其对应的外电极 分别作为激励/测量电极与接地电极，该测量方法包括下列步骤1)采集由锥体节流件产生的两对差压信号收缩压降差压信号△P和永久压损差压信 号δ ρ ；2)利用电学敏感传感器采集电信号；3)根据互相关法计算混合流体体积流量Qva、根据公式巧=爷、K= ^^计算出液相的相关速度V1和气相的相关速度V2，式中，ToiT02LpL2分别为电阻电极对两组电极之间的间距与电容电极对两组电极之间的间距，τ 01, τ 02 分别为电阻电极对间的信号延迟时间以及电容电极对间的信号延迟时间。b、根据公式V= K1VfVd和Qv = A0V计算出混合流体体积流量Qv，式中，V为混合流体 平均流速，K1为速度校正因子，Vd为相间滑移速度，A0为环形流通空间的流通面积；4)根据差压信号和电信号测量数据，进行流型的分类、识别与判断，判断出流体中连续 相是导电相还是非导电相；5)根据连续相是否是导电相，采用不同的计算模型计算油气水三相流的过程参数， 若连续相为非导电相，采用的计算模型如下a.根据电容电极对采集的电压信号，计算混合流体的介电常数εω;b.多相流中将截面含油率α。、截面水油率Ciw、截面含气率％分别等效为油、水、 气的体积含率，已知油相介电常数ε。、水相介电常数％及气相介电常数￡g，根据公式
2.根据权利要求1所述的测量方法，其特征在于，构成电容电极对的各个电极在管道 轴向方向的长度范围为20mm-50mm，利用互相关测量方法测量气相的相关速度V1 ；构成电阻 电极对的各个电极在管道轴向方向的长度范围为Imm-lOmm，利用互相关测量方法测量液相 的相关速度V2。
全文摘要
本发明属于流体测量技术领域，涉及基于多截面阻抗式长腰内锥及相关测速的多相流测量方法，采用的传感器包括锥体节流件、收缩压降差压变送器、永久压损差压变送器，电学敏感传感器，该测量方法包括下列步骤采集由锥体节流件产生的两对差压信号；利用电学敏感传感器采集电信号；根据互相关法计算混合流体体积流量；根据差压信号和电信号测量数据，利用支持向量机实现流型的分类、识别与预判，测混合流体介电常数采用电容模型，测混合流体电导率采用电导率模型，计算油气水三相流的过程参数。本发明不受多相流连续相是否导电的影响，具有测量精度高、可靠性高、可获取测量信息多等特点。
文档编号G01N27/60GK102116755SQ20111004819
公开日2011年7月6日 申请日期2011年2月28日 优先权日2011年2月28日
发明者董峰, 谭超, 魏灿 申请人:天津大学