CN209470741U - 基于谐振和差压测量的湿气流量计 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于谐振和差压测量的湿气流量计，包括依次连接的输入管段、振动测量管以及输出管段，所述输入管段上以及输出管段上均设置有取压口，所述取压口均连接于压差传感器，所述输入管段和/或输出管段上的取压口还连接有压力传感器，所述振动测量管上设置有换能器，所述振动测量管和/或振动测量管和/或输出管段上设有温度传感器。本实用新型基于谐振密度测量和差压流量测量并经过对应计算完成湿气测量，从性能成本上更适合现实需要。

Description

基于谐振和差压测量的湿气流量计

技术领域

本实用新型涉及湿气流量计的技术领域，尤其是涉及一种基于谐振和差压测量的湿气流量计。

背景技术

湿气是一种特殊的气液两相流动形态，广泛存在于油气开采、炼油化工、能源动力等许多行业。湿蒸汽和湿天然气是湿气的两种典型代表，湿蒸汽常伴有相变，传热过程对其有着显著的影响；湿天然气则几乎没有相变，温度的变化仅限于对介质密度的影响，国际上对湿气计量的技术研究主要集中在两家研究机构：NEL（英国国家工程实验室）和CEESI（美国科罗拉多工程实验室），他们都拥有自己的湿气流量计标定系统，NEL气相采用氮气，液相采用煤油，CEESI气相则采用标准的天然气，液相采用水，常温试验中均不存在相变。

我国石油天然气行业一般将湿气定义为在工作条件下气相体积含率大于90%，液相与其它组分体积含率小于10%的气井产出物。其中，液相组分主要由夹带的、底面生产系统温度、压力降低而凝析生成的烷烃类组分、饱和水以及为防止水合物形成人工加入的注剂等等，显然油田内井口计量间、中转站、联合站所涉及的油田伴生气都属于湿气的范畴。

湿气计量方法可分为两类：一是利用传统的单相气体流量计计量湿气。由于气体中含有少量液体，多数气体流量计示值将产生计量虚高现象，需要建立数学模型进行湿度修正，而该方式在发达国家已经积累了一些经验，在流量计的选型、测试、标准、使用、维护以及各种工况的适用性方面积累的大量的经验，其中利用压差流量计计量湿气的引用研究已比较成熟；二是采用现代新技术的湿气流量计计量湿气，包括微波、超声、互相关、示踪、过程层析成像等技术，由于起步较晚，目前大部分都处于现场试验或实验室研发改进阶段。所以现有常规的湿气测量方式采用压差流量计进行计量，虽然现有的压差流量计计量湿气过程中已经建立了较多的数学模型，但是这些模型都有较为严格的适用环境，对工况变化的适应性不强。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于谐振和差压测量的湿气流量计，能够基于谐振密度测量和差压流量测量并经过对应计算完成湿气测量。

本实用新型的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种基于谐振和差压测量的湿气流量计，包括依次连接的输入管段、振动测量管以及输出管段，所述输入管段上以及输出管段上均设置有取压口，所述取压口均连接于压差传感器，所述输入管段和/或输出管段上的取压口还连接有压力传感器，所述振动测量管上设置有换能器，所述振动测量管和/或输入管段和/或输出管段上设有温度传感器。

通过采用上述技术方案，根据连接在输入管段上以及输出管段上的压差传感器以形成压差流量测量，同时在通过振动测量管以及换能器完成对谐振密度测量，即实现将谐振管式密度计与差压流量计有机结合；将所有相关传感器所检测到的对应数据均反馈至流量计算机，综合计算获得所需结果；其中，所有的介质均通过振动测量管，保证两相混合介质能够全部被测量，避免了取样式测量的代表性问题；测量混合密度的位置就是流量测量的位置，避免了不在一处测量由于压力变化带来的气密度不准确，从而导致相分率不准确；现有的方式是将多个测量装置串联起来，即将两个单元振动测量管与差压流量计串接起来，这就带来一个问题，振动测量管处测的混合密度，并不能代表差压流量计处的混合密度，因为差压式流量计的一个固有特征就是压力变化，压力变化会带来气密度的变化，节流处的混合密度与其他部位的混合密度也是不同的，虽然经过修正或者补偿，可以勉强代表，但其修正补偿是一个受多参数影响的量，复杂而不准确，所带来的对混合密度的不准确，既影响总流量测量，也影响相分率测量；通过将振动测量管与差压流量计集成在同一个设备中进行检测，可以大大提高对应的精确度的问题。

本实用新型进一步设置为：所述输入管段上且与振动测量管的连接处进行缩径设置。

本实用新型进一步设置为：所述输入管段上且位于缩径处设置有沿着介质流动方向由管外朝向管内倾斜的第一倾斜面。

本实用新型进一步设置为：所述输出管段上且与振动测量管的连接处进行扩径设置。

本实用新型进一步设置为：所述输出管段上且位于扩径处设置有沿着介质流动方向由管内朝向管外倾斜的第二倾斜面。

通过采用上述技术方案，输入管段的缩径的设置以及输出管段的扩径设置，形成节流部件，实现节流加速的功能，并结合差压传感器，构成节流差压式流量计；缩径以及扩径的设置是为了让振动测量管能够同时兼顾谐振原理测密度和节流差压原理测流量两个功能；另外，缩径所形成的第一倾斜面以及扩径所形成的第二倾斜面能够尽量让节流的管段减少产生干扰涡流。

本实用新型进一步设置为：所述输入管段的管径与输出管段的管径均大于振动测量管的管径。

通过采用上述技术方案，使得输入至输入管段的介质能够有一个较大的流入量，而在进入到振动测量管的过程中，会经过缩径位置，故便于形成节流加速的功能，使得进入到振动测量管的介质具有一定的流速，便于后续的测量；在经过扩径位置，进入到输出管段，又能降低流速。

本实用新型进一步设置为：所述输入管段与输出管段的壁厚大于振动测量管的壁厚。

通过采用上述技术方案，由于振动测量管需要通过驱动形成起振，从而完成检测，故振动测量管的壁厚要小于输入管段以及输出管段的壁厚；同时，也能够有效的避免输入管段以及输出管段也发生起振而产生干扰。

本实用新型进一步设置为：所述输入管段上的取压口位于输入管段上进行缩径之前的管段部分。

本实用新型进一步设置为：所述输出管段上的取压口位于输出管段上进行扩径之后的管段部分。

通过采用上述技术方案，取压口的设置是为了测量输入管段与输出管道之间的压差，若设置在缩径之后或扩径之前，由于缩径以及扩径会形成节流加速的效果，所以无法准确的获取到输入管段与输出管道之间的压差，即会影响测量精度。

本实用新型进一步设置为：所述压差传感器与取压口均通过所预设的传压管连接。

通过采用上述技术方案，将输入管段与输出管段上所需要检测的压力均通过传压管传递到压差传感器，从而形成输入管段与输出管段之间的压差检测。

本实用新型进一步设置为：所述换能器位于振动测量管的中部位置。

通过采用上述技术方案，振动测量管的中部位置能够尽可能避免输入管段与输出管段而产生的影响，即在振动测量管在起振过程中，输入管段与输出管段也被影响产生微弱的起振而影响到换能器的检测。

综上所述，本实用新型的有益技术效果为：

1. 基于谐振密度测量和差压流量测量并经过对应计算完成湿气测量，从性能成本上更适合现实需要。

附图说明

图1是基于谐振和差压测量的湿气流量计的结构示意图。

图中：1、输入管段；2、振动测量管；3、输出管段；4第一倾斜面；5、第二倾斜面；6、取压口；7、压差传感器；8、压力传感器；9、传压管；10、换能器；11、温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参照图1，为本实用新型公开的一种基于谐振和差压测量的湿气流量计，气液两相介质在该装置中流动，并对气液两相介质进行检测相关的参数，其一为总流量，其二为相分率（含气率+含液率=1）；即通过获取这两个参数并通过相关的计算可得到准确的湿气测量数据。

本申请中的湿气流量计的结构具体包括依次连接的输入管段1、振动测量管2以及输出管段3，该三个管段的连接可以为一体连接，可以通过法兰接口等现有的固定方式实现固定连接，同时也能够可以增设对应的密封圈等以避免泄漏。

其中，为了让振动测量管2能够同时兼顾谐振原理测密度和节流差压原理测流量两个功能，故输入管段1的管径与输出管段3的管径均大于振动测量管2的管径，在输入管段1上且与振动测量管2的连接处进行缩径设置，缩径的方式即在输入管段1上且位于缩径处设置有沿着介质流动方向由管外朝向管内倾斜的第一倾斜面4；输出管段3上且与振动测量管2的连接处进行扩径设置；扩径的方式即在输出管段3上且位于扩径处设置有沿着介质流动方向由管内朝向管外倾斜的第二倾斜面5。缩径与扩径设置以使得输入管段1、振动测量管2以及输出管段3形成节流部件，实现节流加速的功能，缩径所形成的第一倾斜面4以及扩径所形成的第二倾斜面5能够尽量让节流的管段减少产生干扰涡流。

其中，输入管段1与输出管段3的壁厚大于振动测量管2的壁厚，且输入管段1与输出管段3的壁厚均较厚，而振动测量管2的壁厚较薄且具有一定的弹性，能够便于振动测量管2通过驱动形成起振，输入管段1与输出管段3由于较厚的壁厚使得不会被驱动形成起振。同时，输入管段1上且位于缩径处以及输出管段3上且位于扩径处也均设置为较厚的壁厚，能够尽可能避免干扰。

输入管段1上以及输出管段3上均设置有取压口6，取压口6均连接于压差传感器7，压差传感器7与取压口6均通过所预设的传压管9连接；输入管段1上的取压口6位于输入管段1上进行缩径之前的管段部分；输出管段3上的取压口6位于输出管段3上进行扩径之后的管段部分。

输入管段1和/或输出管段3上的取压口6还连接有压力传感器8，用于测量管段绝对压力；其中，连接压力传感器8的取压口6可以为连接压差传感器7的取压口6，也可以是在输入管段1和/或输出管段3上新开设的取压口6，本实施例中优选采用在输入管段1和/或输出管段3上新开设的取压口6；而在测量过程中，可以测量输入管段1上的绝对压力，也可以测量输出管段3上的绝对压力，还可以是同时测量输入管段1以及输出管段3上的绝对压力，本实施例中优选采用测量输入管段1上的绝对压力，故在输入管段1上新开设一个取压口6，并连接于压力传感器8以完成绝对压力的检测。

振动测量管2上设置有换能器10，该换能器10为电-机械能换能器10件，可以为电磁线圈，压电体等等，用于激励和接收振动。在一个实施例中，换能器10包括但不限于电磁线圈，将该电磁线圈安装在对应的固定基座上，对其通入电流，使得电磁线圈产生磁场，与预置固定在振动测量管2上的永磁或软磁部件相互作用，以驱动振动测量管2，完成电-机械能的换能过程；在接收端，则是将永磁固定于振动管上，电磁线圈固定于固定基座，振动管产生振动后带动永磁运动，此时永磁的磁场与电磁线圈有相对运动，电磁线圈切割磁力线，产生与振动信号相关的电信号，完成机械-电的换能。在一个实施例中，压电式换能器10，利用压电材料的特点，当对其加以电压时，材料的几何尺寸发生变化，即可以完成电-机械能环能，而对其施以压力，产生形变，则会产生相应的电信号，完成机械-电的换能。换能器10应为一对，一个用于驱动振动测量管2，另一个接收振动测量管2的振动。工作方式为：接收端得到的信号，用电子学电路加以放大，以同相位驱动另一端的换能器10，即可产生谐振。

换能器10位于振动测量管2的中部位置；即在振动测量管2在起振过程中，输入管段1与输出管段3也被影响产生微弱的起振而影响到换能器10的检测，而振动测量管2的中部位置能够尽可能避免输入管段1与输出管段3而产生的影响。

振动测量管2和/或输入管段1和/或输出管段3上设有温度传感器11，用于测量介质温度。本实施例中优选采用在振动测量管2上设置对应的温度传感器11。温度传感器11采用微型、质量很小的器件，型号包括但不限于PT100、PT1000等热敏电阻，附着于振动测量管2管壁，通过细线接出信号，细线留有余量以不被振动破坏，温度传感器11必须有，也是用于计算气密度的必要参数。

本实施例的实施原理为：

气液两相介质依次进入输入管段1、振动测量管2以及输出管段3，根据连接在输入管段1上以及输出管段3上的压差传感器7以形成压差流量测量，同时在通过振动测量管2以及换能器10完成对谐振密度测量，通过温度传感器11以及压力传感器8对相关参数进行检测；将所有相关传感器所检测到的对应数据均反馈至流量计算机，综合计算获得所需结果。

对于两相流总流量计算公式为：

式中：qv为体积流量；C为流出系数；为可膨胀性系数；为直径比，，d 为节流件开孔直径，D为管道内径；为被测流体密度；为压差。

由公式可知，在确定了湿气流量计的实际尺寸后，流量公式的相关参数均已确定。

可膨胀系数与介质相关，对于气液两相流，介质的气液成分是变化的，可膨胀系数客观上也是变化的，可通过介质的组分计算获得，由于液相可以认为不可压缩，膨胀系数为1，可膨胀系数=气相膨胀系数*（1-含液率）+含液率；气相的膨胀系数，是气相物质的物理特性。而两相流总的膨胀系数是简单代数运算，与含液率相关。

对于气液两相介质，通过密度测量，就可以确定气液各相的组分。经简化后，流量公式中所需获取两个参数分别混合密度与差压；其中，混合密度与差压均可以通过本申请的湿气流量计获得。由此，湿气的总流量即可测得；气相和液相的各自流量由以下方方式计算：总液量=总流量*含液率；总气量=总流量*（1-含液率）。

含液率测量基于测量混合密度和气密度，该两个参数均与温度、压力关联，而混合 密度的结果既影响相分率测量，也影响总流量的测量，相关的公式中均利用了混合密度，流 量部份的混合密度即为被测流体密度，关于相分率部分的计算方式如下：

首先，需要获得气密度，由气体状态方程：PV=εnRT可知，气体的密度ρ与压力P成正比，与温度T成反比，在通过标定一个状态点（压力，温度）的密度，就可以通过测量其他情况（不同状态的压力，密度）的气体密度即：

由此可见，压力与温度的测量是必须要有的，是获得气密度的关键量。即首先获取 标定状态下的密度，再通过温度值、压力值计算获得了气体密度，通过测量振动管2谐 振频率获得气液两相介质的混合密度，通过简单的代数运算，即可得到相分率，这里如 果以体积含液率η表示,液体不可压缩，其液体密度为，则有：

=（1-η）*+η*

简化后可得：

当我们利用流量公式中的体积流量公式计算，工况下，

总液体量=qv*η

总气体量=qv*(1-η)

由此两相流计算完成。

本具体实施方式的实施例均为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：包括依次连接的输入管段(1)、振动测量管(2)以及输出管段(3)，所述输入管段(1)上以及输出管段(3)上均设置有取压口(6)，所述取压口(6)均连接于压差传感器(7)，所述输入管段(1)和/或输出管段(3)上的取压口(6)还连接有压力传感器(8)，所述振动测量管(2)上设置有换能器(10)，所述振动测量管(2)和/或输入管段(1)和/或输出管段(3)上设有温度传感器(11)。

2.根据权利要求1所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输入管段(1)上且与振动测量管(2)的连接处进行缩径设置。

3.根据权利要求2所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输入管段(1)上且位于缩径处设置有沿着介质流动方向由管外朝向管内倾斜的第一倾斜面(4)。

4.根据权利要求1所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输出管段(3)上且与振动测量管(2)的连接处进行扩径设置。

5.根据权利要求4所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输出管段(3)上且位于扩径处设置有沿着介质流动方向由管内朝向管外倾斜的第二倾斜面(5)。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输入管段(1)的管径与输出管段(3)的管径均大于振动测量管(2)的管径。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输入管段(1)与输出管段(3)的壁厚大于振动测量管(2)的壁厚。

8.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输入管段(1)上的取压口(6)位于输入管段(1)上进行缩径之前的管段部分。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述输出管段(3)上的取压口(6)位于输出管段(3)上进行扩径之后的管段部分。

10.根据权利要求1或2或3或4或5所述的基于谐振和差压测量的湿气流量计，其特征是：所述压差传感器(7)与取压口(6)均通过所预设的传压管(9)连接。