专利名称：三相混合流体在线参数测量方法及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及混合流体参数的测量方法及测量装置，特别是用于气-油-水、气-液-泥等三相混合流体在线参数的测量方法及测量装置，属流体测量技术领域。
背景技术：
管道内流体的在线参数(包括质量流量和质量浓度等，下同)的测量，是工业上常用的测量技术。当被测流体为两相或三相物质时，由于其流动状态和密度状态复杂多变，给在线流体质量浓度的测量带来诸多困难。目前公知的混合相流体测量方法多为两相双参数测量，如利用质量流量计和体积流量计组合测量，再对测量数据进行计算处理，由此得出混合流体的质量流量及混合密度。这些常规测量技术存在的问题是1.只能用于测量两相混合流体的质量流量M和混合密度ρ，而无法提供混合流体中单组份的质量浓度ρB1、ρB2。2.一些测量装置对于被测介质的清洁度有着较为苛刻的要求，不适合用于脏湿、易结垢气体和粘稠、易结晶液体等流体的测量。3.一些测量装置所采用的元件价格昂贵、易损坏、使用成本高。此外，对于气-油-水、气-液-泥等三相混合流体中各个组份的质量流量及质量浓度的在线测量，迄今为止尚无适合的测量装置及方法，这是工业生产中亟待解决的技术问题。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种三相混合流体在线参数测量方法及测量装置，解决上述现有技术中存在的问题。
本发明所称问题是由以下技术方案解决的一种三相混合流体在线参数测量方法，其特别之处是它包含如下步骤A.混合流体分离将混合流体引入与流体输送主管道连通的供流管道中，随后进入降速分离器，在降速分离器中混合流体减速，密度较大的流体进入下行环管中；密度小流体进入上行环管中，实现流体分离；B.数据提取在供流管道的弯管和降速分离器上取两水平点的压差值ΔP，在上行环管的上升管段和下降管段、下行环管的下降管段和上升管段分别以竖直距离为h的两点上提取压差值ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4；C.数据处理将上述提取数据输入智能显示仪进行数据处理，得出三相混合流体各组份的质量浓度ρB1、ρB2、ρB3。
上述三相混合流体在线参数测量方法，所述数据处理步骤包含下列计算A.依据流体连续方程和伯努力方程写出ΔP＝KρQ2ΔP1＝ρ上h+K1ρ上Q上2ΔP2＝ρ上h-K1ρ上Q上2ΔP3＝ρ下h+K1ρ下Q下2ΔP4＝ρ下h-K1ρ下Q下解上述方程，得ρ＝KΔP/Q2ρ上＝(ΔP1+ΔP2)/2hρ下＝(ΔP3+ΔP4)/2hρ＝(ρ上+ρ下)/2＝KΔP/Q2B.若组分3为气相，对气相密度ρ3进行密度修正ρ3’＝ρ3*(101+P)/101得出组份3的体积流量Q3、质量流量M3和质量浓度ρB3Q3＝Q上*(ρ2-ρ上)/(ρ2-ρ3’)M3＝Q3*ρ3ρB3＝M3/Q上C.得出组份1的体积流量Q1、质量流量M1和质量浓度ρB1Q1＝Q下*(ρ下-ρ2)/(ρ1-ρ2)M1＝Q1*ρ1ρB1＝M1/Q下D.得出组份2的质量浓度ρB2ρB2＝ρ-ρB1-ρB3上述三相混合流体在线参数测量方法，所述供流管道与流体输送主管道旁路连通时，测得流体输送主管道的体积流量Q主，根据所述计算值ρB1、ρB2、ρB3得出主管中三相混合流体质量流量M主及各组份质量流量M主1M主2、M主3M主＝M主1+M主2+M主2＝Q主*ρ
M主1＝Q主*ρB1M主2＝Q主*ρB2M主3＝Q主*ρB3。
一种用于上述三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特别之处是构成中包括供流管道、压力变送器、差压变送器和智能显示仪，其中供流管道连通流体输送主管路，压力变送器、差压变送器均与智能显示仪连接，所述供流管道2为弯管，其下游出口连通降速分离器3，降速分离器的上部连通上行环管4；下部连通下行环管5，上行环管和下行环管对称设置，两管的下游口汇合并由管道15连通至流体输送主管道12，在供流管道中段的弯管外侧和降速分离器的中部处于同一水平位置上分别设有M、N两个取压点，差压变送器6的两端分别连接M、N两点，在上行环管和下行环管的上升部位和下降部位分别设置了四对取压点A-B、C-D、E-F、G-H，每对取压点之间设有差压变送器8.1、8.2、9.1、9.2，在供流管道上还设有压力变送器7。
上述三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，所述供流管道与流体输送主管道形成旁路连通或直接连通，所述供流管道与流体输送管道旁路连通时供流管道的上游口和管道15的下游口分别设有取样阀13、14，与供流管道连通的取样阀13下游口连通供流泵1，所述压力变送器7位于供流泵后部管路的任一点，在流体输送主管道上增设主管流量计11，主管流量计与智能显示仪10连接。
上述三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置测量装置，所述上行环管和下行环管截面积的比例，比例关系依据混合流体中组份1与组份3的体积流量的设计比例取值，上行环管的截面积为下行环管截面积的0.05％～0.95％。
上述三相混合流体在线浓度测量方法所采用的测量装置测量装置，所述N取压点与供流管道后段水平管的夹角为5-90度，所述A-B、C-D、E-F、G-H四对取压点，每对取压点之间的垂直距离相等。
上述三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述N取压点与供流管道后段水平管的夹角为5-30度。
上述三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述降速分离器呈漏斗形，所述供流管道插入到降速分离器的中心附近。
本发明提供的测量方法及采用该方法的测量装置，解决了在线混合流体质量流量、质量浓度测量的技术问题，它不仅可以对气-油-水、气-液-泥等三相混合流体的质量流量、混合密度进行检测，而且可以检测出混合流体中各组份的质量流量和质量浓度，此项技术填补了该领域的一项空白。本发明提供的测量方法，测量手段简单，理论依据可靠，测量值准确。此外，本发明提供的测量装置，充分利用现有的常规仪表元件，规格统一，安装维护简单，便于实施推广。尤其适用于脏湿、易结垢气体和粘稠、易结晶液体等流体的测量。


图1为本发明所述测量装置的工作原理图；图2为本发明所述测量装置与流体输送主管道连接时的工作原理图；图3为体积流量修正曲线示意图。
具体实施例方式
本发明所述三相混合流体在线浓度测量方法包括混合流体分离、数据提取和数据处理。其中混合流体分离和数据提取步骤中采用的测量装置工作原理如图1、图2所示。该测量装置与流体输送主管道12可以采用如图2所示的旁路连通，也可以与流体输送主管道直接连通。采用旁路连通时由供流泵1、供流管道2、降速分离器3、上行环管4、下行环管5、压力变送器7、五个差压变送器6、8.1、8.2、9.1、9.2、智能显示仪10、管道15、主管流量计11和流体输送主管道12和取样阀13、14组成。供流泵1的前端通过取样阀13连通流体输送主管道12，供流泵1的后端连通供流管道2，供流管道2的后端口从降速分离器3侧壁的中部直插入降速分离器3中心附近，在供流管道2中段弯管的外侧和降速分离器3侧壁的中部分别设置有M、N两个取压点，考虑到可测取出M、N两个取压点之间足够的差压值ΔP，其中N取压点与供流管道2后段水平管的夹角可在5-90度之间选取，优选范围为5-30度。M、N两个取压点水平高度相等，用于检测流量或密度的差压变送器6两端分别连接于M、N两个取压点。降速分离器3的上部和下部分别连通上行环管4和下行环管5，上行环管4和下行环管5的截面积成比例，其比例关系为上行环管的截面积为下行环管截面积的0.05％～0.95％，具体应用时，参照被测混合流体中组份1与组份3的体积流量的设计比例取值。两管的后部汇合并与管道15连通，管道15连通取样阀14，取样阀14连通流体输送主管道12。上行环管和下行环管的上升管和下降管中，分别设置了A、B、C、D、E、F、G、H八个取压点，其中A-B、C-D、E-F、G-H四对取压点之间的垂直距离相等，A-B、C-D、E-F、G-H分别连接四个用于检测密度的差压变送器8.1、8.2、9.1、9.2，压力变送器7可连接于供流泵1后部管路中任一点，所有的差压变送器6、8.1、8.2、9.1、9.2，压力变送器7都通过电缆与智能显示仪10联系。
本测量装置还可以直接连通流体输送主管路，此时，可以取消供流泵1和主管流量计11，而使用供流管道2中段弯管外侧M点、降速分离器3侧壁的中部N点和差压变送器6构成的弯管流量计测量混合流体的体积流量Q。当供流管2内有流体流动时，在M、N两个取压点之间产生足够的差压ΔP，差压变送器6检测到差压ΔP，并转换为电信号送往智能显示仪10。M、N两个取压点和差压变送器6构成的弯管流量计可测量混合流体的体积流量Q或混合密度ρ。
当混合流体经供流管道进入降速分离器3后，流通截面积突然扩大、流速减缓，在重力作用下，密度大的组份下沉、密度小的组份上升，达到了气-液分离，分道流通。如果上行环管4和下行环管5的截面积比例适合于三相混合流体的体积流量比例，则上行的是组份2和组份3的混合物，下行的是组份1和组份2的混合物。将密度大的介质作为组份1，密度小的气体作为组份3。在对称配置的上行环管4和下行环管5上分别设置的四个检测密度的差压变送器8.1、8.2、9.1、9.2，测出混合流体在管中流动时产生的各不相同的差压ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4并转换为电信号送往智能显示仪10。由A-B、C-D、E-F、G-H四对取压点和四个差压变送器8.1、8.2、9.1、9.2构成了上行环管和下行环管中混合流体的混合密度ρ上、ρ下的测量装置。
连接于管路中的压力变送器7检测管路压力P，并转换为电信号送往智能显示仪10。
智能显示仪10将供流泵1的输出视为恒定体积流量Q，结合压力变送器7检测的管内压力P、差压变送器6检测的差压ΔP和四个差压变送器8.1、8.2、9.1、9.2分别检测到的差压ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4，进行综合运算，分别求出供流管道2的三相流体混合密度ρ、上行环管4的两相流体混合密度ρ上和组份3质量流量M3、下行环管5的两相流体混合密度ρ下和组份1质量流量M1，进而求出各组份的质量浓度ρB1、ρB2、ρB3。质量浓度定义为单组份的质量流量与混合相体积流量之比。
根据测量装置中流体的流通状况可写出供流管体积流量Q＝Q上+Q下上行管体积流量Q上＝Q*r2/(r2+R2)下行管体积流量Q下＝Q*R2/(r2+R2)混合流体流动时，由流体连续性方程和伯奴利方程可写出在M-N间产生差压ΔP＝KρQ2在A-B间产生差压ΔP1＝ρ上h+K1ρ上Q上2在C-D间产生差压ΔP2＝ρ上h-K1ρ上Q上2在E-F间产生差压ΔP3＝ρ下h+K1ρ下Q下2在G-H间产生差压ΔP4＝ρ下h-K1ρ下Q下解上述方程，得ρ＝KΔP/Q2ΔP1+ΔP2＝(ρ上h+K1ρ上Q上2)+(ρ上h-K1ρ上Q上2)ΔP3+ΔP4＝(ρ下h+K1ρ下Q下2)+(ρ下h-K1ρ下Q下2)ρ上＝(ΔP1+ΔP2)/2hρ下＝(ΔP3+ΔP4)/2hρ＝(ρ上+ρ下)/2式中ΔP-----弯管流量计M-N间差压测量值KPaΔP1-----上行管A-B间差压测量值 KPaΔP2-----上行管C-D间差压测量值 KPaΔP3-----下行管E-F间差压测量值 KPaΔP4-----下行管G-H间差压测量值 KPaρ------三相流体混合密度计算值 Kg/m3ρ上-----上行管混合密度计算值 Kg/m3ρ下-----下行管混合密度计算值 Kg/m3Q-------已知三相流体体积流量 m3/hQ上------上行管体积流量计算值 m3/hQ下------下行管体积流量计算值 m3/hr-------上行管内径 mR-------下行管内径 mK-------弯管流量计流量-密度系数
h-----上下环管测取差压的区间垂直高度 100m(100m为1个单位，1m为0.01单位)混合流体各组份质量浓度求解如下1.求组份3的质量浓度ρB3先对气相介质密度ρ3进行密度修正ρ3’＝ρ3*(101+P)/101已知上行管的Q上、ρ上、ρ2、ρ3，求组份3体积流量Q3Q3＝Q上*(ρ2-ρ上)/(ρ2-ρ3’)已知Q3、ρ3，求组份3质量流量M3M3＝Q3*ρ3已知M3、Q上，求组份3的质量浓度ρB3ρB3＝M3/Q上2.求组份1的质量浓度ρB1已知下行管的Q下、ρ下、ρ1、ρ2，求组份1体积流量Q1Q1＝Q下*(ρ下-ρ2)/(ρ1-ρ2)已知Q1、ρ1，求组份1质量流量M1M1＝Q1*ρ1已知M1、Q下，求组份1的质量浓度ρB1ρB1＝M1/Q下3.已知ρB1、ρB3，求组份2的质量浓度ρB2ρB2＝ρ-ρB1-ρB34.三相混合流体混合密度的计算ρ＝ρB1+ρB2+ρB3＝(ρ上+ρ下)/2＝K ΔP/Q2式中P-------管内压力测量值 KPaQ1------供流管组份1的体积流量计算值 m3/hQ3------供流管组份3的体积流量计算值 m3/hM1------供流管组份1的质量流量计算值 Kg/hM3------供流管组份3的质量流量计算值 Kg/hρ1-----已知组份1的密度 Kg/m3
ρ2-----已知组份2的密度Kg/m3ρ3-----已知组份3的密度Kg/m3ρ3’---组份3的密度修正值 Kg/m3ρB1----组份1的质量浓度计算值 Kg/m3ρB2----组份2的质量浓度计算值 Kg/m3ρB3----组份3的质量浓度计算值 Kg/m3在上述计算中所用体积流量公式推导如下1.首先引入混合气体的密度公式已知组份1密度ρ1、组份2密度ρ2，则混合气体密度ρ和组份1体积流量Q1、组份2体积流量Q2有关ρ*(Q1+Q2)＝(ρ1*Q1+ρ2*Q2) (1)2.导出组份1体积流量所占百分比＝混合气体密度差所占百分比Q＝Q1+Q2(计算值)Q1/Q＝(ρ-ρ2)/(ρ1-ρ2) (2)Q2/Q＝(ρ1-ρ)/(ρ1-ρ2) (3)Q1＝Q*(ρ-ρ2)/(ρ1-ρ2) (4)Q2＝Q*(ρ1-ρ)/(ρ1-ρ2) (5)3.液相或固相混合后的体积流量Q’≠Q1+Q2Q’＝(Q1’+Q2’) (测量值)在实际使用前，应修正混合相流体的体积流量，可用量筒等容器将组份2以恒定量的体积Q2，配组份1以不同量的体积Q1，搅拌均匀，计算并记录Q1在不同比例时的Q，Q’，Q1/Q，Q1/Q’的数值，可得到如图3所示的混合相流体的体积变化曲线，将Q1/Q’和Q1/Q变化曲线用折线法制表并填入相应的Q1/Q’＝f(Q1/Q)值，在计算出混合流体的混合密度ρ后，查折线表即可得到Q1/Q’的相应值。
已得ρ，则Q1/Q＝(ρ-ρ2)/(ρ1-ρ2) (2)查表得Q1/Q’＝f(Q1/Q)解之得Q1＝Q’*f(Q1/Q)Q＝Q1/(ρ-ρ2)/(ρ1-ρ2) (4)式中ρ-------混合相流体的密度值 Kg/m3
ρ1------已知的组份1密度 Kg/m3ρ2------已知的组份2密度 Kg/m3Q-------未知的两组份之和体积流量m3/hQ’------测量的混合流体体积流量 m3/hQ1-------组份1体积流量m3/hQ2-------组份2体积流量m3/hQ1’-----组份1混合后比拟的体积流量 m3/hQ2’-----组份2混合后比拟的体积流量 m3/hf(Q1/Q)-----折线表内对应于Q1/Q的Q1/Q’值至此，完成供流管中三相混合流体中各组份质量浓度的测量。
当测量装置采用旁路连通时，进一步求出输送主管道中混合流体各组份质量流量图2所示安装于混合流体主管12上的主管流量计11检测主管道12的三相混合流体体积流量Q主，并转换为电信号送往智能显示仪。
已知Q主、ρB1，求主管道组份1质量流量M主1M主1＝Q主*ρB1已知Q主、ρB2，求主管道组份2质量流量M主2M主2＝Q主*ρB2已知Q主、ρB3，求主管道组份3质量流量M主3M主3＝Q主*ρB3主管三相混合流体质量流量的计算M主＝M主1+M主2+M主2＝Q主*ρ式中Q主-----主管体积流量测量值 m3/hM主1-----主管组份1的质量流量Kg/hM主2-----主管组份2的质量流量Kg/hM主3-----主管组份3的质量流量Kg/hM主------主管混合流体的质量流量 m3/h至此，完成主管混合流体各组份质量流量的计量。
权利要求
1.一种三相混合流体在线参数测量方法，其特征在于它包含如下步骤A.混合流体分离将混合流体引入与流体输送主管道连通的供流管道中，随后进入降速分离器，在降速分离器中混合流体减速，密度较大的流体进入下行环管中；密度下流体进入上行环管中，实现流体分离；B.数据提取在供流管道的弯管和降速分离器上取两水平点的压差值ΔP，在上行环管的上升管段和下降管段、下行环管的下降管段和上升管段分别以竖直距离为h的两点上，提取压差值ΔP1、ΔP2、ΔP3、ΔP4；C.数据处理将上述提取数据输入智能显示仪进行数据处理，得出三相混合流体各组份的质量浓度ρB1、ρB2、ρB3。
2.根据权利要求1所述的三相混合流体在线参数测量方法，其特征在于所述数据按下述步骤处理A.列出各差压测量值的关系式ΔP＝KρQ2ΔP1＝ρ上h+K1ρ上Q上2ΔP2＝ρ上h-K1ρ上Q上2ΔP3＝ρ下h+K1ρ下Q下2ΔP4＝ρ下h-K1ρ下Q下，求得各项密度值ρ＝KΔP/Q2ρ上＝(ΔP1+ΔP2)/2hρ下＝(ΔP3+ΔP4)/2hρ＝(ρ上+ρ下)/2＝KΔP/Q2B.对气相密度ρ3进行密度修正ρ3’＝ρ3*(101+P)/101，得出组份3的体积流量Q3、质量流量M3和质量浓度ρB3Q3＝Q上* (ρ2-ρ上)/(ρ2-ρ3’)M3＝Q3*ρ3ρB3＝M3/Q上C.求得组份1的体积流量Q1、质量流量M1和质量浓度ρB1Q1＝Q下*(ρ下-ρ2)/(ρ1-ρ2)M1＝Q1*ρ1ρB1＝M1/Q下D.求得组份2的质量浓度ρB2ρB2＝ρ-ρB1-ρB3。
3.根据权利要求2所述的三相混合流体在线参数测量方法，其特征在于所述供流管道与流体输送主管道旁路连通时，测得流体输送主管道的体积流量Q主，根据所述计算值ρB1、ρB2、ρB3得出主管中三相混合流体质量流量M主及各组份质量流量M主1M主2、M主3M主＝M主1+M主2+M主2＝Q主*ρ，M主1＝Q主*ρB1，M主2＝Q主*ρB2，M主3＝Q主*ρB3。
4.一种如权利要求1、2或3所述的三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于构成中包括供流管道(2)、压力变送器(7)、差压变送器(6、8.1、8.2、9.1、9.2)和智能显示仪(10)，其中供流管道连通流体输送主管路(12)，压力变送器、差压变送器均与智能显示仪连接，所述供流管道(2)为弯管，其下游出口连通降速分离器(3)，降速分离器的上部连通上行环管(4)；下部连通下行环管(5)，上行环管和下行环管对称设置，两管的下游口汇合并由管道(15)连通至流体输送主管道(12)，在供流管道中段的弯管外侧和降速分离器的中部处于同一水平位置上分别设有M、N两个取压点，差压变送器(6)的两端分别连接M、N两点，在上行环管和下行环管的上升部位和下降部位分别设置了四对取压点A-B、C-D、E-F、G-H，每对取压点之间设有差压变送器(8.1、8.2、9.1、9.2)，在供流管道上还设有压力变送器(7)。
5.根据权利要求4所述的三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述供流管道与流体输送主管道形成旁路连通，供流管道的上游口和管道(15)的下游口分别设有取样阀(13、14)，与供流管道连通的取样阀(13)下游口连通供流泵(1)，所述压力变送器(7)位于供流泵后部管路的任一点，在流体输送主管道上增设主管流量计(11)，主管流量计与智能显示仪(10)连接。
6.根据权利要求5所述的三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述上行环管和下行环管的截面积成比例，上行环管的截面积为下行环管截面积的0.05％～0.95％。
7.根据权利要求6所述的三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述N取压点与供流管道后段水平管的夹角为5-90，所述A-B、C-D、E-F、G-H四对取压点，每对取压点之间的垂直距离相等。
8.根据权利要求7所述的三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述N取压点与供流管道后段水平管的夹角为5-30。
9.根据权利要求8所述的三相混合流体在线参数测量方法所采用的测量装置，其特征在于所述降速分离器呈漏斗形，所述供流管道插入到降速分离器的中心附近。
全文摘要
一种三相混合流体在线参数测量方法及测量装置，属流体测量技术领域。它提供了一种可解决三相混合流体质量流量与质量浓度的测量方法及其测量装置。其技术方案是A.混合流体分离混合流体经降速分流，密度较大的流体进入下行环管中；密度小流体进入上行环管中；B.数据提取提取供流管道和分流后上行、下行管道中流体的5个压差值；C.数据处理将上述提取数据输入智能显示仪进行数据处理，得出三相混合流体各组份的质量浓度ρ
文档编号G01N9/00GK1546981SQ20031010968
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月2日 优先权日2003年12月2日
发明者冯长周, 冯轩 申请人:冯长周