CN110514257B - 一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量装置及方法，包括数据采集处理***、测量管道、文丘里管、用于检测文丘里节流装置上游取压点与文丘里节流装置喉部取压点之间的湿气压差的第一个差压变送器、用于检测文丘里节流装置上游取压点和文丘里节流装置下游取压点之间湿气压损的第二个差压变送器、用于检测测量管道内湿气压力的压力变送器以及用于检测测量管道内湿气温度的温度变送器，所述测量管道连通于待测管线上，该装置及方法能够实现低含液率条件下湿气的气液两相流量的在线测量，并且成本较低、结构简单。

Description

一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量测量装置及方法

技术领域

本发明属于湿气参数测量技术领域，涉及一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量装置及方法。

背景技术

湿气可视为气相中混入少量液相的气液混合物，广泛存在于石油、化工、地热、核能等领域，主要包括湿饱和蒸汽和湿天然气。目前，国际上广泛采用的湿气定义是洛玛参数小于0.3的气液两相流。由于我国大部分天然气井的日产气量较低，开发低成本的在线测量气液两相流量测量技术，对于掌握单井数据，科学管理气藏，预测气井出水量等显得尤其重要。

目前针对气液两相流量在线测量的方法主要有分离法和在线测量法两种，传统的分离法即是将气相和液相分离后单独进行计量，一般分离设备体积庞大，费时费力，效率低下，而且对于低含液率的湿气来说，分离器可能存在分离不完全的现象，无法准确反映液相流量。在线测量法无需进行气液分离，可以直接测得气液流量，目前大多数湿气双参数在线测量方法仍然是差压节流装置结合相含率传感器或者两种差压节流装置相结合两类。一些商业化的湿气流量计，国内如海默公司开发的湿气流量计，使用单能γ射线测量含液率，结合文丘里湿气测量模型得到气液分相流量；国外如艾默生Roxar湿气流量计，采用微波技术测量液相相含率，V锥测量气液两相总体积流量；英国ISA公司开发的文丘里结合电磁谐振腔传感器等，以上流量计均是采用差压装置结合相含率传感器进行湿气两相流量的在线测量。虽然目前已有的流量计可以进行高精度气液流量双参数测量，但是普遍的问题是价格昂贵，维护困难。

国内学者正致力于开发具有自主知识产权的低成本湿气双参数在线测量装置，目前能够使用单节流装置进行气液流量在线测量，但在研究的过程中发现，低含液率工况下(洛玛参数在0.02以下)的湿气液相质量流量相对误差普遍较高(100％以上)。

发明内容

针对现有技术中低含液率工况下湿气液相质量流量相对误差普遍较高的问题，本发明提供一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量测量装置及方法，实现低含液率湿气的气液流量在线测量，并且成本较低，精度较高，结构简单。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量方法，包括以下步骤：

S1、在测量管道上安装文丘里管进行低含液率湿气流量测量实验；

采集文丘里管上游取压点和喉部取压点之间的湿气压差ΔP₁、上游取压点和下游取压点之间的湿气压损ΔP₂，流经文丘里管的湿气压力P、湿气温度T，以及记录通过气相和液相的质量流量m_g和m_l；

S2、根据湿气压力P和湿气温度T计算得到气相和液相的密度ρ_g和ρ_l，根据伯努利方程和连续性方程得到湿气两相表观总质量流量m_apparent；

S3、定义两相质量流量系数K，根据步骤S1得到的气相质量流量m_g、液相质量流量m_l、湿气压差ΔP₁、湿气压损ΔP₂，以及步骤S2得到的气相和液相的密度ρ_g和ρ_l、湿气两相表观总质量流量m_apparent，建立两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式；

其中，Fr_g、Fr_l分别气相和液相密度弗劳德数；

S4、根据步骤S1得到的液相质量流量m_l、湿气压差ΔP₁和湿气压损ΔP₂，以及步骤S2得到的气相和液相的密度ρ_g和ρ_l，建立液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式；

S5、根据两相质量流量系数K和两相表观总质量流量m_apparent，构建气相质量流量的计算模型；

S6、采集待测量湿气通过文丘里管时的湿气压差ΔP₁、湿气压损ΔP₂、湿气压力P和湿气温度T，并计算得到待测湿气压损比δ，以及待测湿气的气相密度ρ_g和液相密度ρ_l；

S7、将步骤S6得到的湿气压损比δ、气相密度ρ_g和液相密度ρ_l，代入步骤S4得到的液相密度弗劳德数Fr_l的关联式中，得到待测量湿气的液相质量流量m_l；

S8、将步骤S6得到的湿气压差ΔP₁、气相密度ρ_g和液相密度ρ_l、步骤S3得到的两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式以及步骤S4得到的液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式，代入步骤S5得到的气相质量流量的计算模型中，得到气相质量流量的计算式；

S9、对步骤S8得到的气相质量流量的计算式进行迭代求解，当Δm_g＜0.1％时，迭代完成，得到气相质量流量m_g。

优选的，步骤S2中湿气两相表观总质量流量m_apparent的表达式具体如下：

A_t＝πd²/4

A＝πD²/4

其中，β是文丘里节流装置的节流比，定义为文丘里装置喉部横截面积与测量管道截面积的比值，A_t为文丘里节流装置喉部横截面积，A为测量管道横截面积，D为测量管道的直径，d为文丘里喉部直径；E为文丘里节流装置的形状因子。

优选的，步骤S3中两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式具体如下：

K＝aFr_l+b

a＝f(Fr_g,ρ_g/ρ_l)

b＝f(Fr_g,ρ_g/ρ_l)

其中，Fr_g和Fr_l分别气相和液相密度弗劳德数，m_l液相质量，m_g气相质量，a为斜率，b为截距。

优选的，步骤S4中液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式如下：

Fr_l＝f(δ,ρ_g/ρ_l)

其中，δ＝ΔP₂/ΔP₁。

优选的，步骤S5中气相质量流量的计算模型如下：

优选的，步骤S7得到待测量湿气的液相质量流量m_l的公式如下：

优选的，步骤S8得到的气相质量流量的计算式如下：

m_g＝f(m_apparent,Fr_g,δ,ρ_g/ρ_l)

本发明还提供了一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量方法的测量装置，其特征在于，包括安装在测量管道上的文丘里节流装置、压力变送器、第一差压变送器、第二差压变送器和温度变送器；

压力变送器、第一差压变送器、第二差压变送器和温度变送器分别与数据采集处理***连接；

第一个差压变送器，用于测量文丘里节流装置上游取压点和喉部取压点之间的湿气前压差；

第二差压变送器，用于测量文丘里节流装置上游取压点和下游取压点之间湿气总压损；

压力变送器，用于检测测量管道内的湿气压力；

温度变送器，用于检测测量管道内的湿气温度；

数据采集处理***，用于接收压力变送器、第一差压变送器、第二差压变送器和温度变送器采集的数据，并根据接收的数据输出测量管道内的气相质量流量m_g和液相质量流量m_l。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供的所述的基于文丘里节流装置的低含液率湿气两相流量在线测量，首先进行模拟实验，采集实验过程中的压力参数和气相和液相的质量流量参数，根据采集的实验参数及理论分析建立测量参数与气液流量之间的关系，构建气相和液相流量测量模型；进行检测时，将采集待测量湿气通过文丘里管时的参数，代入建立测量模型中，即可得到待测量湿气的气相和液相质量流量；实现低含液率条件下湿气中气相和液相质量流量的在线测量，且模型测量精度较高，成本较低且效率高。

本发明提供的基于文丘里的低含液率湿气两相流量测量装置，在测量管道上安装文丘里管和压力变送器、差压变送器和温度变送器，进而对测量管道中的温度、压力和差压参数，将采集的参数通过数据采集处理***7即可得到湿气中气相和液相质量流量，该装置结构检测，测量方便且成本低廉。

附图说明

图1为本发明测量装置结构示意图；

图2为本发明测量方法的数据处理流程图；

图3为本发明气相质量流量误差分析图；

图4为本发明液相质量流量误差分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参考图1，一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量测量装置，包括文丘里节流装置1、测量管道2、压力变送器3、第一差压变送器4、第二差压变送器5、温度变送器6和数据采集处理***7。

第一差压变送器4，用于测量文丘里节流装置1上游取压点和喉部取压点之间的湿气前压差。

第二差压变送器5，用于测量文丘里节流装置1上游取压点和下游取压点之间湿气总压损。

压力变送器3，用于检测测量管道2内的湿气压力。

温度变送器6，用于检测测量管道2内的湿气温度。

数据采集处理***7，用于接收压力变送器3、第一差压变送器4、第二差压变送器5和温度变送器6采集的数据，并根据接收的数据输出测量管道内的气相质量流量m_g和液相质量流量m_l。

再次参阅图1，文丘里节流装置1安装在测量管道2上，压力变送器3安装在文丘里节流装置1的上游，第一差压变送器4安装在文丘里节流装置1的喉部，第二差压变送器5和温度变送器6安装在文丘里节流装置1的下游；

数据采集处理***7分别与压力变送器3、第一差压变送器4、第二差压变送器5和温度变送器6连接。

参阅图2，本发明还提供了一种基于文丘里节流装置的低含液率湿气两相流量在线测量方法，包括以下步骤：

S1、进行低含液率湿气流量测量实验，将测量装置通过法兰连接在两相流实验管道上，通入一定量的气相和液相，质量流量分别为m_g，m_l；采集文丘里节流装置上游取压点和喉部取压点之间的湿气压差ΔP₁、上游取压点和下游取压点之间的湿气压损ΔP₂，流经文丘里管的湿气压力P和湿气温度T。

S2、根据湿气压力P和湿气温度T计算得到气相和液相的密度ρ_g和ρ_l，根据伯努利方程和连续性方程的推导即可得到湿气两相表观总质量流量m_apparent。

A_t＝πd²/4

A＝πD²/4

其中，β是文丘里节流装置的节流比，定义为文丘里装置喉部横截面积与测量管道截面积的比值，A_t为文丘里节流装置喉部横截面积，A为测量管道横截面积，D为测量管道的直径，d为文丘里喉部直径；E为文丘里节流装置的形状因子。

S3、定义两相质量流量系数K＝(m_g+m_l)/m_apparent，根据步骤S1得到的气相质量流量m_g、液相质量流量m_l、湿气压差ΔP₁、湿气压损ΔP₂，以及步骤S2得到的气相和液相的密度ρ_g和ρ_l、湿气两相表观总质量流量m_apparent，建立两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式；

K＝aFr_l+b

a＝f(Fr_g,ρ_g/ρ_l)

b＝f(Fr_g,ρ_g/ρ_l)

其中，Fr_g和Fr_l分别气相和液相密度弗劳德数，m_l液相质量，m_g气相质量，a为斜率，b为截距。

S4、根据步骤S1得到的液相质量流量m_l、湿气压差ΔP₁和湿气压损ΔP₂，以及步骤S2得到的气相和液相的密度ρ_g和ρ_l，建立液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式。

Fr_l＝f(δ,ρ_g/ρ_l)

其中，δ＝ΔP₂/ΔP₁。

S5、根据两相质量流量系数K和两相表观总质量流量m_apparent，构建气相质量流量的计算模型，公式如下；

S6、采集待测量湿气通过文丘里管时的湿气压差ΔP₁、湿气压损ΔP₂、湿气压力P和湿气温度T；

S7、根据步骤S6得到的湿气压差ΔP₁和湿气压损ΔP₂计算待测湿气压损比δ，根据步骤S6得到的湿气压力P和湿气温度T计算待测湿气中气相密度ρ_g和液相密度ρ_l。

S8、将步骤S7得到的湿气压损比δ、气相密度ρ_g和液相密度ρ_l，代入步骤S4得到的液相密度弗劳德数Fr_l的计算关联式中，得到待测量湿气的液相质量流量m_l。

S9、将步骤S6和步骤S7得到的湿气压差ΔP₁、气相密度ρ_g和液相密度ρ_l、步骤S3得到的两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式以及步骤S4得到的液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式代入步骤S5得到的气相质量流量的计算模型中，得到气相质量流量的计算式：

m_g＝f(m_apparent,Fr_g,δ,ρ_g/ρ_l)

S10、对步骤S8得到的气相质量流量的计算式进行迭代求解，当Δm_g＜0.1％时，迭代完成，得到气相质量流量m_g。

实施例1

整个测量装置通过法兰连接在需要测量的管线上，测量管道2的内径为50mm，文丘里节流装置1喉部长度等于其喉部直径d，上游取压点位于文丘里节流装置1收缩段入口上游D/2距离处，下游取压点位于文丘里节流装置1扩张段出口下游6-D距离处，文丘里节流装置1的节流比是0.45，实验压力P＝0.1～0.3MPa，气相表观速度为14.3～30.3m/s，液相表观速度为0～0.016m/s，洛玛参数X_LM＝0～0.02，体积含液率LVF＝0～0.113％，

其中，Q_g，Q_l分别为气相和液相的体积流量。

本次实施例中两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式如下；K＝exp(1.0696-0.4237ln(ρ_g/ρ_l)-1.1567Fr_g)Fr_l+0.7847+30.7658(ρ_g/ρ_l)-0.0666Fr_g

本次实施例中液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式如下；

本实施例中，液相质量流量计算式m_l如下：

本实施例中，对气相质量流量的计算式m_g＝f(m_apparent,Fr_g,δ,ρ_g/ρ_l)进行迭代，当Δm_g＜0.1％时，迭代完成，即可得到气相质量流量m_g。

如图3和4所示，为文丘里节流装置流量计采用本发明的方法测得的气相液相流量误差分析图，可以看出，气相流量相对误差小于±2.5％；置信水平95％的情况下，液相误差在±15％，能够满足工业现场的需求。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在测量管道上安装文丘里管进行低含液率湿气流量测量实验；

采集文丘里管上游取压点和喉部取压点之间的湿气压差ΔP₁、上游取压点和下游取压点之间的湿气压损ΔP₂，流经文丘里管的湿气压力P、湿气温度T，以及记录通过气相和液相的质量流量m_g和m_l；

S2、根据湿气压力P和湿气温度T计算得到气相和液相的密度ρ_g和ρ_l，根据伯努利方程和连续性方程得到湿气两相表观总质量流量m_apparent；

S3、定义两相质量流量系数K，根据步骤S1得到的气相质量流量m_g、液相质量流量m_l、湿气压差ΔP₁、湿气压损ΔP₂，以及步骤S2得到的气相和液相的密度ρ_g和ρ_l、湿气两相表观总质量流量m_apparent，建立两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式，关系式如下：

K＝aFr_l+b

a＝f(Fr_g,ρ_g/ρ_l)

b＝f(Fr_g,ρ_g/ρ_l)

其中，Fr_g和Fr_l分别气相和液相密度弗劳德数，m_l液相质量，m_g气相质量，a为斜率，b为截距；

S4、根据步骤S1得到的液相质量流量m_l、湿气压差ΔP₁和湿气压损ΔP₂，以及步骤S2得到的气相和液相的密度ρ_g和ρ_l，建立液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式，关联式如下：

Fr_l＝f(δ,ρ_g/ρ_l)

其中，δ＝ΔP₂/ΔP₁；

S5、根据两相质量流量系数K和两相表观总质量流量m_apparent，构建气相质量流量的计算模型；

S6、采集待测量湿气通过文丘里管时的湿气压差ΔP₁、湿气压损ΔP₂、湿气压力P和湿气温度T，并计算得到待测湿气压损比δ，以及待测湿气的气相密度ρ_g和液相密度ρ_l；

S7、将步骤S6得到的湿气压损比δ、气相密度ρ_g和液相密度ρ_l，代入步骤S4得到的液相密度弗劳德数Fr_l的关联式中，得到待测量湿气的液相质量流量m_l，液相质量流量m_l的公式如下：

S8、将步骤S6得到的湿气压差ΔP₁、气相密度ρ_g和液相密度ρ_l、步骤S3得到的两相质量流量系数K与Fr_g、Fr_l和ρ_g/ρ_l之间的关系式以及步骤S4得到的液相密度弗劳德数Fr_l和压损比δ及气液密度比ρ_g/ρ_l之间的关联式，代入步骤S5得到的气相质量流量的计算模型中，得到气相质量流量的计算式，公式如下：

m_g＝f(m_apparent,Fr_g,δ,ρ_g/ρ_l)

S9、对步骤S8得到的气相质量流量的计算式进行迭代求解，当Δm_g＜0.1％时，迭代完成，得到气相质量流量m_g。

2.根据权利要求1所述基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量方法，其特征在于，步骤S2中湿气两相表观总质量流量m_apparent的表达式具体如下：

A_t＝πd²/4

A＝πD²/4

其中，β是文丘里节流装置的节流比，定义为文丘里装置喉部横截面积与测量管道截面积的比值，A_t为文丘里节流装置喉部横截面积，A为测量管道横截面积，D为测量管道的直径，d为文丘里喉部直径；E为文丘里节流装置的形状因子。

3.根据权利要求1所述基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量方法，其特征在于，步骤S5中气相质量流量的计算模型如下：

4.一种采用权利要求1-3任一项所述基于文丘里的低含液率湿气两相流量在线测量方法的测量装置，其特征在于，包括安装在测量管道2上的文丘里节流装置(1)、压力变送器(3)、第一差压变送器(4)、第二差压变送器(5)和温度变送器(6)；

压力变送器(3)、第一差压变送器(4)、第二差压变送器(5)和温度变送器(6)分别与数据采集处理***(7)连接；

第一个差压变送器(4)，用于测量文丘里节流装置(1)上游取压点和喉部取压点之间的湿气前压差；

第二差压变送器(5)，用于测量文丘里节流装置(1)上游取压点和下游取压点之间湿气总压损；

压力变送器(3)，用于检测测量管道(2)内的湿气压力；

温度变送器(6)，用于检测测量管道(2)内的湿气温度；

数据采集处理***(7)，用于接收压力变送器(3)、第一差压变送器(4)、第二差压变送器(5)和温度变送器(6)采集的数据，并根据接收的数据输出测量管道内的气相质量流量m_g和液相质量流量m_l。

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