DE3872882T2 - Mehrphasen-stroemungsmesser. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Durchflußmeßsensoren zum Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen eines gemischten Fluidstroms.
• Ein Beispiel eines die Erfindung betreffenden gemischten Fluidstroms ist eine Mischung von Öl und Gas aus in der Natur vorkommenden Lagerstätten. Aus verschiedenen Gründen, wie die Planung der Lagerung und die Weiterverarbeitung, sowie aus finanziellen Gründen, ist es wünschenswert, die Zusammensetzung eines Ölfeldzulaufs zu ermitteln. Die Anteile dieser Flüssigkeits- und Gasdurchflüsse sind jedoch nicht leicht meßbar, da sich die Zusammensetzung willkürlich ändert. Ein einfaches Verfahren zum Analysieren der Proben kann daher zu falschen Ergebnissen führen. Aus der US-A-4 574 643 ist z. B. bekannt, ein schneckenförmiges Teil zu verwenden, um eine Drehströmung zu erzielen. Dadurch kann die Strömung in einen zentralen Gasabschnitt und einen äußeren Flüssigkeitsabschnitt getrennt werden, wobei der Durchfluß des Gasabschnitts gemessen wird und diese Messung mit der stromauf durchgeführten Gesamtdurchflußmessung kombiniert wird. Dadurch können die einzelnen Flüssigkeits- und Gasdurchflüsse bestimmt werden. Die Erfindung versucht eine verbesserte und direkte Messung der einzelnen Durchflüsse zu erzielen.
• Erfindungsgemäß enthält ein Durchflußmeßsensor zum Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen eines gemischten Fluidstroms eine zylindrische Muffe mit einem darin koaxial ausgerichteten und sich teilweise daran erstreckenden Kern, von dem sich nach außen mindestens ein schneckenförmiger Vorsprung erstreckt. Der Durchflußmeßsensor ist dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere Bohrungen aufweist, die sich nach innen durch den Kern ausgehend von einem Kanal 29 erstrecken, der zwischen der Muffe, dem Kern und dem oder jeden der schneckenförmigen Vorsprünge und einem zentralen Hohlraum gebildet ist, wobei der Hohlraum im wesentlichen an einem stromaufliegenden Ende verschlossen und an einem stromab liegenden Ende offen ausgebildet ist und an dem stromab liegenden Ende Durchflußmeßvorrichtungen in einem Durchgang zwischen der Muffe und dem Kern und in dem zentralen Hohlraum aufweist.
• Die Durchflußmeßvorrichtungen sind vorzugsweise Differenzdruckgeräte, wie Lochblenden oder nach dem Venturi-Prinzip arbeitende, sie können jedoch auch z. B. aus Turbinendurchflußzählern oder akustischen Kreuzkorrelationsvorrichtungen gebildet sein.
• Ahnliche Durchflußmeßvorrichtungen können im Durchgang und im Hohlraum verwendet werden, es kann aber auch in einigen Fällen vorteilhaft sein, verschiedene Vorrichtungen zu verwenden.
• Eine bevorzugte Durchflußsensorart kann vertikal mit einem von oben durchströmenden Fluidstrom betrieben werden und weist vorzugsweise einen Kern auf, der sich ausgehend von einem stromaufliegenden spitz zulaufenden Abschnitt nach außen zu einem im wesentlichen zylindrischen Abschnitt erstreckt. Der Kern weist vorzugsweise Venturisaugöffnungen auf, die sich von dem stromaufliegenden Ende des Hohlraums zu einem sich erweiternden Abschnitt an der Außenseite des Kerns erstrecken, wobei der Hohlraum vorzugsweise ein auf dem Schwimmerprinzip beruhendes Rückschlagventil für Flüssigkeiten enthält.
• Der schraubenförmige Vorsprung oder die Vorsprünge weisen vorzugsweise eine reduzierte Schneckenform auf, so daß der Fluidstrom stromauf der Druckdifferenzmeßvorrichtung in den ringförmigen Kanal gerichtet wird. Der Vorsprung oder die Vorsprünge erstrecken sich vorzugsweise in Kontakt mit der zylindrischen Muffe.
• Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum getrennten Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen eines gemischten Fluidstroms, in dem der Durchfluß durch einen schneckenförmigen Durchgang geleitet wird, der durch einen ringförmigen Kanal zwischen einem Kern und einer Muffe definiert ist, Gasdurchbohrungen in dem Kern zu einem zentralen Hohlraum, zum darin stattfindenden Messen des Durchflusses, strömen kann und der in dem ringförmigen Kanal verbleibende Fluiddurchfluß gemessen wird.
• Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise unter Bezug auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 einen teilweise geschnittenen Aufriß eines erfindungsgemäßen Durchflußmeßsensors und
• Fig. 2 einen voll geschnittenen Aufriß gemäß Fig. 1.
• Ein Durchflußmeßsensor weist eine zylindrische Muffe 10 (im Schnitt in den Fig. 1 und 2 gezeigt) und einen Kern 11 (im Schnitt in Fig. 2 gezeigt) auf. Der Kern 11 weist ein spitz zulaufendes stromaufliegendes Ende 12 auf und erstreckt sich zu einem Mittelabschnitt 13 mit einem im wesentlichen konstanten Durchmesser. In Richtung eines stromab liegenden Endes 14 des Kerns weist derselbe eine äußere Erweiterung 15 auf, wodurch mit der Muffe 10 und einem ersten Abschnitt 16 ein erster Venturiabschnitt gebildet wird. Mehrere Vorsprünge, wie die mit der Bezugsziffer 17, erstrecken sich schraubenförmig von dem spitz zulaufenden Ende 12 entlang dem zentralen Abschnitt 13 des Kerns, wobei sie sich, wie mit der Bezugsziffer 18 gezeigt, gerade ausrichten und vor dem Anfang der äußeren Erweiterung 15 enden.
• Innerhalb des Kerns 11 ist ein Hohlraum 19 (Fig. 2) ausgebildet, der im wesentlichen an dem stromaufliegenden Ende 12, entfernt von den Öffnungen 20, verschlossen ist, wobei die Öffnungen 20 in einen ringförmigen Durchgang 21 führen, der zwischen der Muffe 10 und dem Kern 11 nahe einer lokalen Verengung 22 in der Bohrung der Muffe 10 ausgebildet ist. In dem Hohlraum 19 ist ein Rückschlagventil 23 enthalten, das zwischen einem Halteteil 24 und der Verengung 25 bewegbar ist. Der Hohlraum 19 weist eine Verengung 26 auf, die einen zweiten Venturiabschnit 27 nahe dem stromab liegenden Ende 14 bildet.
• Mehrere Bohrungen, wie die mit der Bezugsziffer 28 gezeigten, verbinden die inneren Abschnitte der Kanäle 29, die zwischen den schneckenförmigen Vorsprüngen 17 ausgebildet sind, und das Innere der Muffe 10 und den Kern 11, entlang dem Mittelabschnitt 13 des Kerns 11 mit dem Hohlraum 19 an und stromauf dem zweiten Venturiabschnitt 27 sind jeweils Druckabgriffe 30, 31 angeordnet, wobei Druckabgriffe 32, 33 jeweils an und stromauf des ersten Venturiabschnitts 16 angeordnet sind.
• Im Betrieb ist der Durchflußmeßsensor vertikal angeordnet, wobei das stromauf liegende Ende 12 des Kerns 11 unten angeordnet ist. Ein gemischter Fluidstrom wird durch das durch die Muffe 10 gebildete Rohr geführt. Wenn der Fluidstrom durch die von den schneckenförmigen Vorsprüngen 17 und der Muffe 10 gebildeten Kanäle 29 strömt, verursacht die Schraubenbewegung und die daraus resultierende Zentrifugalwirkung eine Trennung der flüssigen und der Gasphase der Fluidströmung, wobei sich die flüssige Phase außen befindet. Die Gasphase tritt durch die Bohrungen 28 in den Hohlraum 29. Über die Druckabgriffe 30, 31 und 32, 33 werden jeweils Gas- und Flüssigkeitsdurchflußmessungen vorgenommen, wobei sich die gasförmigen und flüssigen Phasen nach dem Passieren des stromab liegenden Endes 14 des Kerns 11 wieder vermischen können. Jegliche in den Hohlraum 19 einströmende Flüssigkeit wird sich zu dem stromauf liegenden Ende 12 bewegen, wobei es durch die Öffnungen 20 zurück in die Fluidströmung gezogen wird, als Ergebnis der durch die Verengung 22 verursachten Venturiwirkung. Sollte zuviel Flüssigkeit in den Hohlraum 19 einströmen, wird das Rückschlagventil für Flüssigkeiten von dem Stopper 24 bewegt, so daß die Verengung 25 blockiert wird. Dadurch wird verhindert, daß Flüssigkeit die Gasströmungsdruckmeßpunkte 30, 31 erreicht.
• Es wird ermöglicht, daß die Drücke der Druckabgriffe 30, 31 nach außerhalb der Muffe 10 geleitet werden, und zwar durch Mittel, die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, z. B. durch schmale Bohrungsdurchgänge, die den ringförmigen Kanal 29 schneiden, vorzugsweise stromab des Venturiabschnitts 16, 27. Es können auch Bohrungen vorgesehen sein, die sich durch den Kern 11 und über Schnittpunkte der Vorsprünge 17 und der Muffe 10 erstrecken.
• Die die Druckabgriffe 30, 31, 32 und 33 verwendenden Druckmessungen können mit bekannten Verfahren durchgeführt werden, wie z. B. Computern, so daß jegliche flüssige und gasförmige Durchflüsse aufgezeichnet werden können.
• Während Durchflußmessungen mit Venturiabschnitten 16, 27 beschrieben wurden, können auch andere Druckdifferenzvorrichtungen, wie Lochplatten, verwendet werden. Alternativ dazu können auch komplexere Sensoren verwendet werden, wie z. B. Turbinenzähler oder akustische Kreuzkorrelationssensoren. Während erfindungsgemäß die Verwendung von Meßvorrichtungen des gleichen Typs, nämlich Venturiabschnitte 16, 27, beschrieben ist, um die flüssigen und gasförmigen Durchflüsse zu messen, kann es in manchen Fällen vorteilhaft sein, verschiedene Meßvorrichtungen für jede Phase einzusetzen. In einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, örtlich definiert innerhalb des Durchflußmeßsensors Differenzdrücke zu verarbeiten und Signale, z. B. in elektrischer Form, nach außerhalb der Muffe 10 zu leiten.

Claims (13)

1. Durchflußmeßsensor zum Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen eines gemischten Fluidstroms mit einer zylindrischen Muffe (10) mit einem darin koaxial ausgerichteten und sich teilweise daran erstreckenden Kern (11), von dem sich nach außen mindestens ein schneckenförmiger Vorsprung (17) erstreckt, wobei der Kern mehrere Bohrungen (28) aufweist, die sich nach innen durch den Kern (11) ausgehend von einem Kanal (29) erstrecken, der zwischen der Muffe (10), dem Kern (11) und dem oder jeden der schneckenförmigen Vorsprünge (17) und einem zentralen Hohlraum (19) gebildet ist wobei der Hohlraum (19) im wesentlichen an einem stromauf liegenden Ende (12) verschlossen und an einem stromab liegenden Ende (14) offen ausgebildet ist und an dem stromab liegenden Ende (14) Durchflußmeßvorrichtungen (16, 32, 33; 27, 30, 31) in einem Durchgang (16) zwischen der Muffe (10) und dem Kern (11) und in dem zentralen Hohlraum (19) aufweist.

2. Durchflußmeßsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmeßvorrichtungen (16, 32, 33; 27, 30, 31) Differenzdruckgeräte sind.

3. Durchflußmeßsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmeßvorrichtungen (16, 32, 33; 27, 30, 31) auf dem Venturiprinzip beruhen.

4. Durchflußmeßsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchfußmeßvorrichtungen (16, 32, 33; 27, 31, 32) Blendendurchflußmesser sind.

5. Durchflußmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmeßvorrichtungen (16, 32, 33; 27, 30, 31) demselben Typ angehören.

6. Durchflußmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (19) mindestens einen Zugang (20) aufweist, der sich von nahe dessen stromaufliegenden Endes (12) zu einem Venturiabschnitt (22) erstreckt, der in einem ringförmigen Durchgang (21) zwischen dem Kern (11) und der Muffe (10) angeordnet ist.

7. Durchflußmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (19) ein Flüssigkeitsrückschlagventil (23) enthält.

8. Durchflußmeßsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rückschlagventil (23) auf dem Schwimmerprinzip beruht.

9. Durchflußmeßsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der schneckenförmige Vorsprung oder die Vorsprünge (17) eine verminderte Schneckensteigung in dem Durchgang (16) aufweisen, zum Vergleichmäßigen des Durchflusses stromauf zur Durchflußmeßvorrichtung (16, 32, 33).

10. Durchflußmeßsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (19) und in dem Durchgang (16) Druckzugangseinrichtungen vorgesehen sind.

11. Verfahren zum getrennten Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen eines gemischten Fluidstroms, in dem der Durchfluß durch einen schneckenförmigen Durchgang geleitet wird, der durch einen ringförmigen Kanal zwischen einem Kern und einer Muffe definiert ist, Gas durch Bohrungen in dem Kern zu einem zentralen Hohlraum, zum darin stattfindenden Messen des Durchflusses, strömen kann und der in dem ringförmigen Kanal verbleibende Fluiddurchfluß gemessen wird.

12. Verfahren zum Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen nach Anspruch 11, in dem sich die Durchflüsse stromab der Meßpunkte wieder vermischen können.

13. Verfahren zum Messen von Flüssigkeits- und Gasdurchflüssen nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, in dem der Flüssigkeitsdurchfluß stromauf eines Durchflußmeßpunkts beruhigt wird.