DE3447656A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der durchflussmengen der fluessigen und gasfoermigen phase eines fliessenden zweiphasenfluids - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur messung der durchflussmengen der fluessigen und gasfoermigen phase eines fliessenden zweiphasenfluidsInfo
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Description
BESCHREIBUNG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Durchflußmengen der
flüssigen und der gasförmigen Phase eines fließenden Zweiphasenfluids.
Zum Beispiel durch die französische Patentanmeldung Nr. 79 31031 sind Vorrichtungen für das Pumpen
eines Zweiphasenf luids bekannt, das aus einem Geraisch von
Flüssigkeit und in der Flüssigkeit nicht gelöstem Gas besteht. Diese Vorrichtungen funktionieren jedoch nur
bei j enen Werten der Durchflußmengen der beiden Phasen und des Mengenverhältnisses von gasförmiger zur flüssigen
Phase (GOR) unter den thermodynamisehen Strömungsbedingungen, die zwischen bestimmten Grenzwerten liegen,
welche ihrerseits von der Geometrie und der Kinematik der Vorrichtung abhängen. Daher mußte man Regler verwirklichen,
mit welchen am Eingang der Pumpe relativ konstante Durchflußmengen und Mengenverhältnisse gewährleistet
werden können.
Um den Betrieb dieser Regler zu ermöglichen, müssen die Werte der Durchflußmengen einer jeden der beiden
Phasen und des Mengenverhältnisses des Zweiphasenfluids im Zufluß genau gemessen werden.
Die Erfindung soll ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung stellen, mit welchen derartige Messungen
durchgeführt werden können.
Daher bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und gasförmigen
Phase eines fließenden Zweiphasenfluids, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Zweiphasenfluid derart um eine
Längsachse in Drehung gebracht wird, daß eine koaxiale
Strömung erzeugt wird, wobei eine aus der gasförmigen Phase gebildete röhrenförmige Schicht entsteht, die von
einer aus der flüssigen Phase gebildeten röhrenförmigen Schicht umgeben wird, ferner dadurch daß im Abfluß jenes
Bereiches, in dem das Zweiphasenfluid in Drehung gebracht wird, einerseits die Dicken der röhrenförmigen Schichten
der flüssigen und der gasförmigen Phase und andererseits die Strömungsgeschwindigkeit mindestens der flüssigen
Phase gemessen werden und ferner dadurch, daß mit Hilfe der gemessenen Werte für die Dicke und die Geschwindigkeit
das Volumen und die Masse der Durchflußmengen einer jeden Phase sowie das Mengenverhältnis von gasförmiger
zur flüssigen Phase unter den thermodynamischen Bedingungen des Zweiphasenfluids durch Vergleich mit mathematisehen
Modellen und/oder Experimenten bestimmt werden.
Diese Messungen können mit jeder angemessenen Methode durchgeführt werden, zum Beispiel mit der Heizdrahttechnik
oder mit Hilfe eines Pitotrohres, die Dicke der jeweiligen Schichten wird jedoch am besten durch Messungen
der unterschiedlichen Absorption einer Gammastrahlung in den Phasen und die Strömungsgeschwindigkeit nach
dem Dopplereffekt bestimmt.
In bestimmten Anwendungsfällen dieses Verfahrens
ist das Mengenverhältnis groß, wobei die Dicke der Flüssigkeitsschicht
sehr klein ist. Die Genauigkeit der Messungen kann um ein Vielfaches gesteigert werden, wenn
die Dicke der Flüssigkeitsschicht für einen kurzen Zeitraum erhöht wird. Dies kann dadurch erreicht werden, daß
die Messungen nach Hinzufügen einer Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser in das fließende Zweiphasenfluid vorgenommen
werden und/oder durch Änderung der Drehgeschwindigkeit des Zweiphasenfluids.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung werden die Dicken- und Geschwindigkeitsmessungen in vorgegebenen
Abständen durchgeführt, und das Hinzufügen der zusätzlichen Flüssigkeit und/oder die Änderung der Drehgeschwindigkeit
des Fluids wird dann ausgelöst, wenn die
momentanen Werte der Schichtendicke und/oder die Strömungsgeschwindigkeit
von den entsprechenden mittleren, vorher gemessenen Werten abweichen.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für den Einsatz des obigen Verfahrens, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß sie einen festen, röhrenförmigen Außenbehälter enthält und ferner eine axiale Längswelle,
die in dem Behälter angeordnet und an Mittel angeschlossen ist, mit welchen sie mit vorgegebenen, wechselnden Drehzahlen
in Drehung gebracht werden kann, ferner einen innen im Außenbehälter koaxial angebrachten röhrenförmigen Behälter,
der kraftschlüssig mit der Welle in Drehung gebracht
werden kann, wobei sich der Innenbehälter in der Länge nur über einen Teil des Außenbehälters erstreckt, ferner
Mittel zur Einführung eines Zweiphasenfluids in den Außenbehälter
und Ausgabemittel für das Zweiphasenfluid vom Außenbehälter über den Abfluß des Innenbehälters, wobei
der Außenbehälter in einem Bereich zwischen dem Abflußende des Innenbehälters und den Ausgabemitteln Mittel für
die Messung der Dicken der röhrenförmigen Schichten der gasförmigen und der flüssigen Phase, welche sich in dem
Innenbehälter gebildet haben und ferner Mittel für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit mindestens der flüssigen
Phase enthält.
Die Mittel zur Messung der Dicke können eine Gammastrahlungsquelle
und eine Anzahl gegenüber angeordneter Gammastrahlungsempfänger enthalten, und die Mittel zur
Messung der Strömungsgeschwindigkeit können nach dem Dopplereffekt arbeiten.
in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
sind Mittel zur Einführung einer Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser vorgesehen, welche am Zufluß des Innenbehälters
geregelt wird.
Diese Mittel zur Einführung einer Flüssigkeitsmenge können zum Beispiel jenes Typs sein, wie er in der französischen
Patentanmeldung Nr. 82 17245 beschrieben ist.
Günstigerweise enthält die erfindungsgemäße Vorrichtung
einen Elektromotor mit veränderlicher Drehzahl, welcher die Drehbewegung der Welle und des Innenbehälters
antreibt.
Nachstehend wird eine besondere Ausführungsform
der Erfindung als nicht erschöpfendes Beispiel anhand beigefügter Zeichnung beschrieben, in welcher wie folgt
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Meßvorrichtung im Achsschnitt,
Fig. 2 eine Ansicht, ebenfalls im Achsschn'itt, jedoch in größerem Maßstab, des Meßbereiches dieser Vorrichtung,
Fig. 3 eine Ansicht im Schnitt entlang der Strecke T 5 III-III aus Fig. 2,
Fig. 4 die Veränderung der Dicke der Flüssigkeitsschicht einer koaxialen Zweiphasenströmung je nach Mengenverhältnis
von gasförmiger zur flüssigen Phase bei verschiedenen Drehzahlen und konstanter Flüssigkeitsdurchflußmenge,
Fig. 5 die Veränderung dieser selben Dicke je nach Mengenverhältnis bei verschiedenen Durchflußmengen der
flüssigen Phase und konstanter Drehzahl,
Fig. 6 die Veränderung der Geschwindigkeit der flüssigen Phase je nach Mengenverhältnis bei verschiedenen
Durchflußmengen der flüssigen Phase und konstanter Drehzahl,
Fig. 7 die Veränderung der Geschwindigkeit der flüssigen Phase je nach Mengenverhältnis bei verschiedenen
Drehzahlen und konstanter Flüssigkeitsdurchflußmenge. Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Meßvorrichtung
enthält einen festen röhrenförmigen Außenbehälter 1, in
dessen Innerem koaxial ein röhrenförmiger Innenbehälter 2 angebracht ist, welcher durch einen Motor 3 mit veränderlicher
Drehzahl über eine Welle 4 in Drehbewegung gebracht werden kann.
Am Eingang der Vorrichtung ist eine von einer Pumpe gespeiste Vorrichtung zur Flüssigkeitseinspritzung 5
vorgesehen, wie sie zum Beispiel in der französischen Patentanmeldung Nr. 82 17245 beschrieben ist. Die Meßkammer
7 befindet sich gleich im Abfluß des Innenbehälters
2, auf die Meßkammer folgt ein Durchflußregler jeglichen bekannten Typs 8, der sich seinerseits vor dem Ausgang 9
der Vorrichtung befindet.
Die jeweiligen Meßwandler eines Doppler-Senders 10 und eines entsprechenden Empfängers 11 sind in der Meßkammer
7 entlang einer Mantellinie des röhrenförmigen Außenbehälters 1 angeordnet.
Eine Gammastrahlungsquelle 12 und die entsprechenden
Empfänger 13 sind in ein und derselben Ebene senkrecht zur Welle 4 angeordnet.
Die Ein- und Ausgänge der Meßmittel 10, 11, 12 und
13 sind an eine Verarbeitungseinheit 14 angeschlossen, die ebenfalls den Betrieb der Pumpe 6 und des Motors 3
mit veränderlicher Drehzahl steuert.
im Betrieb löst der Motor 3 durch den Antrieb des
röhrenförmigen Behälters 2 die 'Drehbewegung des in die Vorrichtung dringenden Zweiphasenfluids aus, so daß dieses
am Ausgang des Behälters in Form einer inneren röhrenförmigen Gasströmung 15 und einer äußeren röhrenförmigen
Flüssigkeitsströmung 16 auftritt. Die Gasströmung hat eine Achsgeschwindigkeit V_, und die Flüssigkeitsströmung
hat eine Achsgeschwindigkeit V .
Xj
Die Geschwindigkeit V wird direkt vom Doppler-
Xj
System 10, 11 ermittelt, wohingegen die Dicke e der flüssigen
Schicht von der Verarbeitungseinheit 14 mit Hilfe der von den Empfängern 13 gelieferten Signalen ermittelt
wird. Die Gammastrahlung wird tatsächlich im wesentlichen von der flüssigen Phase absorbiert, so daß diese Signale
für die Dicke e repräsentativ sind.
Bekanntermaßen sind bei einer gegebenen Geometrie der Vorrichtung, bei einer gegebenen Drehgeschwindigkeit
-ίο'- 34Α7656
des Hchcilters 2 und bei einer bestimmten zweiphasigen
Durchflußmenge und einem bestimmten Mengenverhältnis die Dicke e der Flüssigkeitsschicht sowie die Geschwindigkeiten
V_ und V einer jeden Phase definiert. Daher können die Volumen und Massen der Durchflußmengen
sowie die tatsächlichen Mengenverhältnisse unter Berücksichtigung der Gleitgeschwindigkeiten der
Phasen anhand der Dicken der Schichten und ihrer Geschwindigkeiten durch Vergleich mit vorher bestimmten
Modellen ermittelt werden.
Fig. 4 bis 7 zeigen Beispiele derartiger Beziehungen von Dicke e und Geschwindigkeit V einerseits
Xj
zu dem Mengenverhältnis (GOR) andererseits.
Tatsächlich wurde die Dicke der Flüssigkeitsschicht in diesen Schaubildern auf die dimensionslose
Größe ■- gebracht, wobei Re der Innenradius des
Behälters 1 und Ri der Außenradius der Welle 4 ist.
Aus diesen Kurven ist ersichtlich, daß man, wenn man die Dicke e der Flüssigkeitsschicht und ihre Achsgeschwindigkeit
VT sowie die Drehzahl W des Motors 3 kennt, daraus zuerst das Mengenverhältnis GOR,und dann
die Flüssigkeitsmenge Q ableiten kann, mit welcher sich dann die Gasmenge errechnen läßt.
Für den Fall, daß das Mengenverhältnis zu groß ist, das heißt, daß die Dicke e zu klein ist, um eine
gültige Messung mit Hilfe der Empfänger 13 durchführen
zu können, dann kann die Verarbeitungseinheit 14 den Betrieb der Pumpe 6 steuern, das heißt die Durchflußmenge Qn. erhöhen, wodurch die Dicke e, wie sich aus
Xl
Fig. 5 ergibt, vergrößert wird. Die Einheit 14 kann ebenfalls
eine Reduzierung der Drehgeschwindigkeit steuern, was auf die Dicke e, wie sich aus Fig. 4 ergibt, die
gleiche Auswirkung hat. Aus den so erhaltenen neuen Werten e und V kann man das Mengenverhältnis und die
Xj
geänderte Flüssigkeitsmenge ableiten, und da der Unterschied der Drehgeschwindigkeiten oder der Flüssigkeitsmenge vor und nach der Änderung bekannt ist, kann man
die Dicke e und die Geschwindigkeit V_ vor der Änderung
Xj
ableiten.
In der Praxis werden die Messungen mit einer definierten Häufigkeit durchgeführt, und jede bedeutende Abweichung
der momentanen Meßwerte von den mittleren, früher ermittelten Meßwerten bewirkt das Auslösen der Pumpe
6, wodurch die Flüssigkeitsdurchflußmenge erhöht oder
die Drehzahl des Motors 3 geändert wird, so daß eine genaue Messung erfolgt: "■ ' "
die Drehzahl des Motors 3 geändert wird, so daß eine genaue Messung erfolgt: "■ ' "
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt, es lassen
sich verschiedene Varianten und Änderungen beibringen,
die keineswegs über den Rahmen der Erfindung hinausgehen.
sich verschiedene Varianten und Änderungen beibringen,
die keineswegs über den Rahmen der Erfindung hinausgehen.
Claims (10)
- PATENTANWALT!·: - * '..·STREHL SCHÜBEL-HOPF SCHULZ 3447656W1DENMAYERSTRASSE 17, D-8000 MÜNCHEN 22Institut Francais du Petrole 28. Dezember 1984DEA-2 6 969Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und gasförmigen Phase eines fließenden ZweiphasenfluidsPATENTANSPRÜCHE1 . Verfahren zur Messung der Durchflußmengen der flüssigen und der gasförmigen Phase eines fließenden Zweiphasenf luids, dadurch gekennzeichnet , daß das Zweiphasenfluid derart um eine Längsachse in Drehung gebracht wird, daß eine koaxiale Strömung erzeugt wird, wobei eine röhrenförmige Schicht (15) entsteht, die aus der gasförmigen Phase gebildet wird und die von einer röhrenförmigen Schicht (16) umgeben wird, die aus der flüssigen Phase gebildet wird, ferner dadurch, daß im Abfluß jenes Bereiches, in dem das Zweiphasenfluid in Drehung gebracht worden ist, einerseits die Dicken der röhrenförmigen Schichten der flüssigen Phase (e) und der gasförmigen Phase und andererseits dio Strömung ijgeschwin-digkeit mindestens der flüssigen Phase (V ) gemessen werden und ferner dadurch, daß mit Hilfe der gemessenen Werte für die Dicke und die Geschwindigkeit das Volumen und die Masse der Durchflußmengen einer jeden Phase sowie das Mengenverhältnis von gasförmiger zur flüssigen Phase unter den thermodynamischen Bedingungen des Zweiphasenfluids durch Vergleich mit mathematischen Modellen und/oder mit Experimenten bestimmt werden.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicke der jeweiligen Schichten durch Messungen der unterschiedlichen Absorption einer Gammastrahlung in den genannten Phasen gemessen wird.
- 3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Strömungsgeschwindigkeiten nach dem Dopplereffekt gemessen werden.
- 4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Messungen nach Hinzufügen einer zusätzlichen vorbestimmten Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser, in das durchfließende Zweiphasenfluid durchgeführt werden und/oder durch Änderung der Drehgeschwindigkeit des Zweiphasenfluids.
- 5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Dicken- und Geschwindigkeitsmessungen in vorgegebenen Abständen durchgeführt werden und daß das Hinzufügen der zusatzIichen Flüssigkeit und/oder die Änderung der Drehgeschwindigkeit dann ausgelöst werden, wenn die momentanen Werte der Schichtendicken und/oder der Strömungsgeschwindigkeiten von den entsprechenden mittleren, vorher gemessenen Werten abweichen.
- 6. Vorrichtung für den Einsatz des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen festen, röhrenförmigen Außenbehälter (1) enthält, ferner eine axiale Längswelle(4), die in dem Behälter angeordnet und an Mittel (3) angeschlossen ist, mit deren Hilfe sie mit bestimmten wechselnden Drehzahlen in Drehung gebracht werden kann, ferner einen röhrenförmigen Behälter (2), der koaxial innen im Außenbehälter angebracht ist und der kraftschlüssig mit der Welle in Drehung gebracht werden kann, wobei sich der Behälter in der Länge nur über einen Teil des Außenbehälters erstreckt, ferner Mittel zur Einführung eines Zweiphasenfluids in den Außenbehälter und Ausgabemittel (9) für das Zweiphasenfluid vom Außenbehälter über den Abfluß des Innenbehälters, wobei der Außenbehälter in einem Bereich (7) zwischen dem Abflußende des Innenbehälters und den Ausgabemitteln Mittel (12,13) für die Messung der Dicken der röhrenförmigen Schichten der gasför-migen Phase und der flüssigen Phase, welche sich in dem Innenbehälter gebildet haben, und ferner Mittel (10,11) für die Messung der Strömungsgeschwindigkeit mindestens der flüssigen Phase enthält.
- 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Mittel für die Dickenmessung eine Gammastrahlungsquelle (12) und eine Anzahl gegenüber angeordneter Gammastrahlungsempfänger (13) enthalten.
- 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit (10,11) nach dem Dopplereffekt arbeiten.
- 9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß sie Mittel (5,6) enthält, mit welchen eine Flüssigkeitsmenge, namentlich Wasser eingeführt werden kann, die im Zufluß des Innenbehälters geregelt wird.
- 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Elektromotor mit veränderlicher Drehzahl (3) enthält, welcher die Drehbewegung der Welle (4) und des Innenbehälters (2) antreibt.
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