專利名稱：一種分相式兩相流相持率的測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種兩相流相持率的測量技術領域，具體涉及一種分相式兩相流相持 率的測量裝置及其測量方法。
背景技術：
兩相流相持率是指一種流體在兩相流中所占據的體積份額，目前針對兩相流相 持率的測量方法主要有射線法、聲學法、光學法、差壓法、振動法、電學法和層析成像法，并 且都是將傳感器或敏感元件直接置于或面向兩相流進行測量，不對兩相流做任何處理或改 變。雖然可以實現實時在線測量，同時對兩相流的干擾也比較小。但是由于兩相流的流體 在流動過程中相界面始終處于隨機波動狀態，流動過程極不穩定，因而導致測量信號也極 不穩定，信號質量非常差，嚴重影響測量精度。另外測量結果還會受到流型和流體物性的影 響，流型或物性的變化會對測量結果造成重大影響。為了改善這種狀況常采用混合及多陣 列傳感器等措施，如采用文丘里管和雙能射線測量相持率，將射線測量裝置安裝在文丘里 管的喉部，但還是不能從根本上解決信號質量差帶來的測量精度問題。而另一種在實驗室得到廣泛應用的相持率測量方法是快速關閉閥門法，簡稱快關 法，該快關法是通過快速關閉兩相流流道上的兩個閥門，瞬時截取一段兩相流體，將其完全 分離，然后分別測量兩種流體的體積或質量，最后得到相持率。這種方法雖然提高了測量精 度，且測量結果與流型無關，但缺點是不能進行實時在線測量，就不能進行實時控制。授權公告號為CN2913606Y的中國專利“測量油井持水率的持水傳感器”，公開了 一種電容式井下油水兩相流相持率傳感器，該專利通過加長環形測量空間電容器兩極板間 的空間的軸向長度，同時減小流體進出口孔的直徑和數量，使流體在環形空間內的流動處 于停滯狀態，造成油水分離，使兩相流在分離狀態下進行測量，從而達到提高測量精度的目 的。這種做法實際上是通過增加流動阻力的辦法來使流動停滯的，導致儀器的長度需要增 大30-200厘米，在測量空間小的范圍會使儀器失去實用價值。另外減小流體進出口孔的直 徑和數量后，加重了儀器的反應滯后性，影響其可用性。更嚴重的問題是，這種方法的可靠 性很差，因為隨著流量的增大，進出口的壓差就會增大，一旦該壓差超過了流動阻力，流體 又會流動起來，油水的分離狀態立即被破壞，直接影響測量精度。另外，流體是否停滯還與 井的結構和流體的性質有關，因而該測量裝置及其方法又缺乏通用性。
發明內容
為了克服上述現有技術存在的不足，本發明的目的在于提供一種分相式兩相流相 持率的測量裝置及其測量方法，該裝置由依次相鄰的兩相流流道、多孔壁、沉降室、測量室 以及相界面測量裝置組成，通過沉降室和測量室的作用，產生一個與被測兩相流具有完全 相同的等效密度的兩相流體柱，柱中的流體處于完全的分離狀態，由此產生相界面，該界面 的位置直接反映了相持率的大小，應用相界面測量裝置就可以實現對相持率的精確測量； 這樣本發明就將復雜的兩相流相持率測量問題轉化成了簡單的相界面檢測問題，從根本上改善了測量信號的穩定性和可靠性，保證了測量精度和測量的實時性。為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是一種分相式兩相流相持率的測量裝置，包括兩相流流道壁101，所述的兩相流流道 壁101和沉降室壁103相連接形成內部中空的結構，該內部中空的結構由帶有一個以上貫 通孔201的多孔壁2相分隔，這樣兩相流流道壁101和沉降室壁103分別與多孔壁2形成 了兩相流流道1和沉降室3，沉降室3的頂部和底部分別通過上連通管4和下連通管6與測 量室5的頂部和底部相連通，測量室5有與之配合使用的相界面測量裝置22，相界面測量裝 置22內帶有相界面數據處理模塊23。所述的測量室5和添加劑加入裝置13相導通。所述的沉降室3的頂部略高于兩相流流道1的頂部，沉降室3的底部略低于兩相 流流道1的底部。所述的兩相流流道1內設置有節流元件12，兩相流流道1沿節流元件12對應的兩 相流流出方向的部分通過上置換管10和下置換管9分別與上連通管4和下連通管6導通， 上置換管10和下置換管9上設置有閥門11。所述的兩相流流道壁101為豎直中空柱狀體，該中空部分內部有一個帶有貫通孔 201的多孔壁2，該多孔壁2為一個中空殼體，該中空殼體內部上方設置相界面測量裝置22， 中空殼體內部中央設置測量室5，測量室5和相界面測量裝置22之間用第一隔板25相分 隔，多孔壁2的內壁、第一隔板25和測量室5的外壁之間的空間形成了沉降室3，多孔壁2 的外壁和兩相流流道壁101的內壁之間的空間構成了兩相流流道1，測量室5的頂部和底 部分別設置上連通道304和下連通道306用以代替上連通管4和下連通管6來與沉降室3 相連通，該分相式兩相流相持率的測量裝置即為豎直移動型分相式兩相流相持率的測量裝 置。所述的兩相流流道壁101為水平中空柱狀體，該中空部分內部有一個上下兩側帶 有貫通孔201的多孔壁2，該多孔壁2為一個中空殼體，多孔壁2的外壁和兩相流流道壁101 的內壁之間的空間構成了兩相流流道1，所述的中空殼體內部靠近右端設置相界面測量裝 置22，中空殼體內部中央用上下兩端帶有上連通孔404和下連通孔406的擋板26相分隔， 中空殼體被擋板26分隔的左半部分為沉降室3，右半部分為測量室5，測量室5和相界面測 量裝置22之間用第二隔板27相分隔，多孔壁2的內壁、第二隔板27和測量室5的外壁之 間的空間形成了沉降室3，測量室5的頂部和底部分別通過上連通孔404和下連通孔406用 以代替上連通管4和下連通管6來與沉降室3相連通，該分相式兩相流相持率的測量裝置 即為水平移動型分相式兩相流相持率的測量裝置。所述的豎直分相式兩相流相持率的測量裝置，其多孔壁2上的帶有貫通孔201的 區域的頂端低于沉降室3的頂端，而該區域的底端高于沉降室3的底端。所述的水平分相式兩相流相持率的測量裝置，其兩相流流道架101內設置扶正器 21，該扶正器21與測量室5的外壁相連接。上述的分相式兩相流相持率的測量裝置的測量方法將該分相式兩相流相持率的 測量裝置放入要測量的兩相流28中，且其兩相流流道1入口橫截面和要測量的兩相流28 的流向保持垂直，在兩相流28不間斷地流過兩相流流道1時，當兩相流28通過多孔壁2 進入沉降室3后，在重力的作用下，待到兩相流體28中的輕相流體8和重相流體7發生分離，導致一部分重相流體7會沉降到底部，而一部分輕相流體8則會浮升到頂部，其余未完 全分離的兩相流混合物29就聚集在中部，隨后匯集在沉降室頂部的輕相流體8通過上連通 管4與測量室5的上部相連通，而底部的重相流體7則通過下連通管6與測量室5的下部 相連通直至測量室5的上部和下部分別被輕相流體8和重相流體7所占據且兩者之間出 現一個分界面30時，啟動相界面測量裝置22監測分界面30位置發生的變化，并調用其內 部的相界面數據處理模塊23根據連通器原理且按照分界面30位置發生的變化大小，利用
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cos U--J-斗萬"--J公式計算出兩相流的重相流體7相持率φ的實
Φ 二-
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時大小，然后用1減去Φ得到兩相流的輕相流體8相持率的實時大小，其中Φ為兩相流的 重相流體7的相持率，h為分界面30相對于兩相流流道1底部的高度，D為兩相流流道1的 內徑，cos—1為反余弦運算，η為圓周率。本發明的一種分相式兩相流相持率的測量裝置及其測量方法，該裝置由依次相鄰 的兩相流流道1、多孔壁2、沉降室3、測量室5以及相界面測量裝置22組成，通過沉降室3 和測量室5的作用，產生一個與被測兩相流28具有完全相同的等效密度的兩相流體柱，柱 中的流體處于完全的分離狀態，由此產生分界面30，該分界面30的位置直接反映了相持率 的大小，應用相界面測量裝置22就可以實現對相持率的精確測量。這樣本發明就將復雜的 兩相流相持率測量問題轉化成了簡單的相界面檢測問題，從根本上改善了測量信號的穩定 性和可靠性，保證了測量精度和測量的實時性。該裝置既可以應用于地面管道，也可以應用 于地下流道具有極強的通用性。
圖1是本發明的橫向剖視工作狀態示意圖，該圖中去除了兩相流流道同上置換管 和下置換管的連接。圖2是本發明的局部俯視圖。圖3是本發明的豎直分相式兩相流相持率的測量裝置的結構示意圖。圖4是本發明的水平分相式兩相流相持率的測量裝置的結構示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作更詳細的說明。如圖1和圖2所示，分相式兩相流相持率的測量裝置，包括兩相流流道壁101，所述 的兩相流流道壁101和沉降室壁103相連接形成內部中空的結構，該內部中空的結構由帶 有一個以上貫通孔201的多孔壁2相分隔，這樣兩相流流道壁101和沉降室壁103分別與 多孔壁2構成了兩相流流道1和沉降室3，沉降室3的頂部和底部分別通過上連通管4和 下連通管6與測量室5的頂部和底部相連通，測量室5有與之配合使用的相界面測量裝置 22，相界面測量裝置22內帶有相界面數據處理模塊23。這樣的結構當兩相流28通過兩相 流流道1時，兩相流28可以通過多孔壁2從兩相流流道1自由進出沉降室3，而在沉降室3 內，由于重力的作用，兩相流28中的輕相流體8和重相流體7會發生分離，導致一部分重相 流體7會沉降到底部，而一部分輕相流體8則會浮升到頂部，其余未完全分離的兩相流混合
6物29就聚集在中部，隨后匯集在沉降室頂部的輕相流體8通過上連通管4與測量室5的上 部相連通，而底部的重相流體7則通過下連通管6與測量室5的下部相連通，直至測量室5 的上部和下部分別被輕相流體8和重相流體7所占據且兩者之間就會出現一個分界面30， 由于從兩相流流道1經過沉降室3再到測量室5，兩兩之間都是相互連通的，且連通的形式 與連通器相似，根據連通器原理，三者內部的流體柱必有相同的重位壓力差，或相同的等效 密度，由此當兩相流28的相持率發生變化時，其等效密度必然發生變化，從而引起測量室 內的分界面30位置發生變化，因此分界面30的位置就反映了相持率的大小，通過檢測該分 界面30的位置就可以準確確定管內的相持率。另外所述的測量室5和添加劑加入裝置13 相導通，可加入破乳劑，加速和保證兩相流分離時產生的乳化液快速而徹底地分離，從而使 得分界面更為清晰便于測量；所述的沉降室3的頂部略高于兩相流流道1的頂部，沉降室3 的底部略低于兩相流流道1的底部，便于輕相流體8和重相流體7分別在沉降室3的上部 和下部聚集。所述的兩相流流道1內部設置有節流元件12，兩相流流道1沿節流元件12對 應的兩相流流出方向的部分通過上置換管10和下置換管9分別與上連通管4和下連通管 6導通，上置換管10和下置換管9設置有閥門11，這樣通過控制閥門11可以定期將沉降室 3和測量室5內放置過久的流體排放到節流件12的下游，以便置換新的流體，而節流件12 的作用就是產生一個壓力差，使沉降室3和測量室5內的流體能順利排放到下游，更能保證 沉降室3和測量室5內的流體與被測兩相流體28在成分和物理性質上的一致性，提高兩相 流相持率的測量精度。如圖3所示，所述的兩相流流道壁101為豎直中空柱狀體，該中空部分內部有一個 兩側帶有貫通孔201的多孔壁2，該多孔壁2為一個中空殼體，該中空殼體內部上方設置相 界面測量裝置22，中空殼體內部中央設置測量室5，測量室5和相界面測量裝置22之間用 第一隔板25相分隔，多孔壁2的內壁、第一隔板25和測量室5的外壁之間的空間形成了沉 降室3，多孔壁2的外壁和兩相流流道壁101的內壁之間的空間構成了兩相流流道1，測量 室5的頂部和底部分別設置上連通道304和下連通道306用以代替上連通管4和下連通管 6來與沉降室3相連通，該分相式兩相流相持率的測量裝置即為豎直移動型分相式兩相流 相持率的測量裝置。所謂移動型是指測量裝置不但可以在管內移動，而且可以反復從管道 內取出和再放入所述的豎直分相式兩相流相持率的測量裝置，該移動型結構更能方便地用 于地下或地面特殊管道內的測量，所述的移動型豎直分相式兩相流相持率的測量裝置，其 多孔壁2上的帶有貫通孔201區域的頂端低于沉降室3的頂端，，而該區域的底端高于沉降 室3的底端，這樣的結構能夠便于輕相流體8和重相流體7分別在沉降室3的上部和下部 聚集。如圖4所示，所述的兩相流流道壁101為水平中空柱狀體，該中空部分內部有一個 上下兩側帶有貫通孔201的多孔壁2，該多孔壁2為一個中空殼體，多孔壁2的外壁和兩相 流流道架101的內壁之間的空間構成了兩相流流道1，所述的中空殼體內部靠近右端設置 相界面測量裝置22，中空殼體內部中央用上下兩端帶有上連通孔404和下連通孔406的擋 板26相分隔，中空殼體被擋板26分隔的左半部分為沉降室3，右半部分為測量室5，測量室 5和相界面測量裝置22之間用第二隔板27相分隔，多孔壁2的內壁、第二隔板27和測量室 5的外壁之間的空間形成了沉降室3，測量室5的頂部和底部分別通過上連通孔404和下連 通孔406用以代替上連通管4和下連通管6來與沉降室3相連通，該分相式兩相流相持率的測量裝置即為水平移動型分相式兩相流相持率的測量裝置。這樣的結構更便于用于水平 管道的測量。所述的水平分相式兩相流相持率的測量裝置，其兩相流流道架101內設置扶 正器21和多孔壁2相連接，更能保證該測量裝置與兩相流流道1同軸，提高測量精度。本實施例的分相式兩相流相持率的測量裝置的測量方法如圖1所示，將該分相 式兩相流相持率的測量裝置放入要測量的兩相流28中，且其兩相流流道1入口橫截面和要 測量的兩相流28的流向保持垂直，在兩相流28不間斷地流過兩相流流道1時，當兩相流28 通過多孔壁2進入沉降室3后，在重力的作用下，待到兩相流體28中的輕相流體8和重相 流體7發生分離，導致一部分重相流體7會沉降到底部，而一部分輕相流體8則會浮升到頂 部，其余未完全分離的兩相流混合物29就聚集在中部，隨后匯集在沉降室頂部的輕相流體 8通過上連通管4與測量室5的上部相連通，而底部的重相流體7則通過下連通管6與測量 室5的下部相連通直至測量室5的上部和下部分別被輕相流體8和重相流體7所占據且兩 者之間出現一個分界面30時，啟動相界面測量裝置22監測分界面30位置發生的變化，并 調用其內部的相界面數據處理模塊23根據連通器原理且按照分界面30位置發生的變化大
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權利要求
一種分相式兩相流相持率的測量裝置，包括兩相流流道壁(101)，其特征在于所述的兩相流流道壁(101)和沉降室壁(103)相連接形成內部中空的結構，該內部中空的結構由帶有一個以上貫通孔(201)的多孔壁(2)相分隔，這樣兩相流流道壁(101)和沉降室壁(103)分別與多孔壁(2)形成了兩相流流道(1)和沉降室(3)，沉降室(3)的頂部和底部分別通過上連通管(4)和下連通管(6)與測量室(5)的頂部和底部相連通，測量室(5)有與之配合使用的相界面測量裝置(22)，相界面測量裝置(22)內帶有相界面數據處理模塊(23)。
2.根據權利要求1所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所述的 測量室(5)和添加劑加入裝置(13)相導通。
3.根據權利要求1或2所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所 述的沉降室(3)的頂部略高于兩相流流道(1)的頂部，沉降室(3)的底部略低于兩相流流 道(1)的底部。
4.根據權利要求1或2所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所 述的兩相流流道(1)內部設置有節流元件(12)，兩相流流道(1)沿節流元件(12)對應的兩 相流流出方向的部分通過上置換管(10)和下置換管(9)分別與上連通管(4)和下連通管 (6)導通，上置換管(10)和下置換管(9)上設置有閥門(11)。
5.根據權利要求1所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所述的 兩相流流道壁(101)為豎直中空柱狀體，該中空部分內部有一個帶有貫通孔(201)的多孔 壁(2)，該多孔壁(2)為一個中空殼體，該中空殼體內部上方設置相界面測量裝置(22)，中 空殼體內部中央設置測量室(5)，測量室(5)和相界面測量裝置(22)之間用第一隔板(25) 相分隔，多孔壁(2)的內壁、第一隔板(25)和測量室(5)的外壁之間的空間形成了沉降室 (3)，多孔壁(2)的外壁和兩相流流道壁(101)的內壁之間的空間構成了兩相流流道(1)，測 量室(5)的頂部和底部分別設置上連通道(304)和下連通道(306)用以代替上連通管(4) 和下連通管(6)來與沉降室(3)相連通，該分相式兩相流相持率的測量裝置即為豎直移動 型分相式兩相流相持率的測量裝置。
6.根據權利要求1所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所述 的兩相流流道壁(101)為水平中空柱狀體，該中空部分內部有一個上下兩側帶有貫通孔 (201)的多孔壁(2)，該多孔壁(2)為一個中空殼體，多孔壁(2)的外壁和兩相流流道壁 (101)的內壁之間的空間構成了兩相流流道(1)，所述的中空殼體內部靠近右端設置相界 面測量裝置(22)，中空殼體內部中央用上下兩端帶有上連通孔(404)和下連通孔(406)的 擋板(26)相分隔，中空殼體被擋板(26)分隔的左半部分為沉降室(3)，右半部分為測量室 (5)，測量室(5)和相界面測量裝置(22)之間用第二隔板(27)相分隔，多孔壁(2)的內壁、 第二隔板(27)和測量室(5)的外壁之間的空間形成了沉降室(3)，測量室(5)的頂部和底 部分別通過上連通孔(404)和下連通孔(406)用以代替上連通管(4)和下連通管(6)來與 沉降室(3)相連通，該分相式兩相流相持率的測量裝置即為水平移動型分相式兩相流相持 率的測量裝置。
7.根據權利要求5所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所述的 豎直分相式兩相流相持率的測量裝置，其多孔壁(2)上的帶有貫通孔(201)的區域的頂端 低于沉降室(3)的頂端，而該區域的底端高于沉降室(3)的底端。
8.根據權利要求6所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置，其特征在于所述的水平分相式兩相流相持率的測量裝置，其兩相流流道架(101)內設置扶正器(21)，該扶正 器(21)與測量室(5)的外壁相連接。
9. 一種采用權利要求1所述的一種分相式兩相流相持率的測量裝置的測量方法將 該分相式兩相流相持率的測量裝置放入要測量的兩相流(28)中，且其兩相流流道(1)入 口橫截面和要測量的兩相流(28)的流向保持垂直，在兩相流(28)不間斷地流過兩相流流 道(1)時，當兩相流(28)通過多孔壁(2)進入沉降室(3)后，在重力的作用下，待到兩相 流體(28)中的輕相流體(8)和重相流體(7)發生分離，導致一部分重相流體(7)會沉降到 底部，而一部分輕相流體(8)則會浮升到頂部，其余未完全分離的兩相流混合物(29)就聚 集在中部，隨后匯集在沉降室頂部的輕相流體(8)通過上連通管(4)與測量室(5)的上部 相連通，而底部的重相流體(7)則通過下連通管(6)與測量室(5)的下部相連通直至測量 室(5)的上部和下部分別被輕相流體(8)和重相流體(7)所占據且兩者之間出現一個分界 面(30)時，啟動相界面測量裝置(22)監測分界面(30)位置發生的變化，并調用其內部的 相界面數據處理模塊(23)根據連通器原理且按照分界面(30)位置發生的變化大小，利用
全文摘要
一種分相式兩相流相持率的測量裝置及其測量方法，該裝置由依次相鄰的兩相流流道、多孔壁、沉降室、測量室以及相界面測量裝置組成，通過沉降室和測量室的作用，產生一個與被測兩相流具有完全相同的等效密度的兩相流體柱，柱中的流體處于完全的分離狀態，由此產生相界面，該界面的位置直接反映了相持率的大小，應用相界面測量裝置就可以實現對相持率的精確測量。這樣本發明就將復雜的兩相流相持率測量問題轉化成了簡單的相界面檢測問題，從根本上改善了測量信號的穩定性和可靠性，保證了測量精度和測量的實時性。該裝置既可以應用于地面管道，也可以應用于地下流道具有極強的通用性。
文檔編號G01F22/00GK101949720SQ20101024295
公開日2011年1月19日 申請日期2010年7月30日 優先權日2010年7月30日
發明者張興凱, 王棟 申請人:西安交通大學