管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法
【專利摘要】一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法，該裝置主要由管道、內(nèi)管、兩級旋流器、漸縮管、旋流管、過渡管、漸擴(kuò)管、消旋器、常規(guī)小型分離器以及氣體和液體流量計組成；其方法通過采用管內(nèi)相分隔技術(shù)，配合離心和重力分離作用，經(jīng)多個分離步驟完成氣液兩相流體在管道內(nèi)的完全分離，最后分別使用氣體和液體流量計測量出各相流量；通過本發(fā)明可以大幅度縮小分離法類氣液兩相流測量裝置的體積，改善測量的實(shí)時性，并能顯著降低制造成本，便于在工程上廣泛應(yīng)用。
【專利說明】管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于流量測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法。

【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明中的“相”是指多相流體中物理性質(zhì)相同的各部分，如氣相、液相、油相、水相等。其中氣相和液相既可以是單組份物質(zhì)，也可以是多組分物質(zhì)的均勻混合體，如空氣，原油等。管內(nèi)相分隔是指把各相分別匯聚隔離到管道內(nèi)一個特定區(qū)域，以便最終實(shí)現(xiàn)完全分離的過程。在兩相流測量技術(shù)中，分離法仍然是目前最可靠和精度最高的技術(shù)。因?yàn)檫@種方法是把氣液兩相流體分離成單相氣體和液體后，再分別用單相流量計測量各相流量，實(shí)際上等于把多相流計量轉(zhuǎn)化成了單相流計量，因而能夠避免流型變化和流動不穩(wěn)定等因素對測量的影響，同時也就免除了建立專門的多相流標(biāo)定系統(tǒng)以及相應(yīng)的量值傳遞體系的浩澈工程。如美國專利 US4688418 “Method and apparatus for determing mass flowrate and quality in a steam line”，公開了一種使用旋風(fēng)分離器的蒸汽流量干度測量系統(tǒng)。但這類方法的最大缺點(diǎn)是設(shè)備龐大、造價高、自動控制系統(tǒng)復(fù)雜，且測量的實(shí)時性差。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重限制了它在工程上的廣泛應(yīng)用。為了縮小分離器的體積，改善測量特性，人們進(jìn)行了很多嘗試，如美國專利 US6128962 “Three-phase fluid flow measurement systemand method”，公開了一種使用小型分離器的三相流測量裝置。這種方法也稱為部分分離法(partial separat1n),從中可以看出，分離器的尺寸的確縮小了，但是卻犧牲了分離效率，不能將三相流徹底分離成單相流，因而影響了測量精度，為此而必須增加一些修正手段。美國專利 US539O5^:7 “Multiphase flow separat1n and measurement system”和US7311001 “Multiphase flow measurement apparatus and method，，分別公開了一種多相流測量裝置，試圖不用專門的分離設(shè)備，僅利用多相流體管道本身構(gòu)成一種分離系統(tǒng)。從表面上看，該系統(tǒng)的確省掉了傳統(tǒng)的分離器，但是由于所采用的管道直徑和長度尺寸都非常大，而且也使用了外置式旋風(fēng)分離方式，因此實(shí)質(zhì)上它與傳統(tǒng)的分離法并沒有實(shí)質(zhì)的區(qū)另O。中國專利ZL98113068.2公開了一種分流分相式測量方法。通過采用成比例的分流手段，使實(shí)際進(jìn)入分離器的流量大為減少，從而成倍降低了所需分離器的體積。但在使用中會遇到一個困難，當(dāng)兩相流中的液相或氣相的流量很小(高含氣率或低含氣率)時，由于經(jīng)過了分流，因而從分離器流出的液相或氣相流量就更小，以至于低于現(xiàn)有最小流量計的測量下限，導(dǎo)致測量困難，甚至無法計量。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置及方法，通過采用管內(nèi)相分隔技術(shù)，配合離心和重力分離作用，經(jīng)過多個分離步驟完成氣液兩相流體在管道內(nèi)的完全分離，從而大幅度縮小分離法類氣液兩相流測量裝置的體積，改善測量的實(shí)時性，并顯著降低制造成本，以便于在工程上廣泛應(yīng)用。
[0004]為了更好地闡明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面先簡要分析一下氣液兩相流在高含氣率時在管內(nèi)的流動形態(tài)(流型)。
[0005]氣體01以連續(xù)態(tài)的形式(圖中空白部分)分布在管道2內(nèi)，而液體則以三種形式存在于管道2內(nèi):以細(xì)小液滴4(微米級及以下)分散在氣體中，以較大液滴6 (毫米級)懸浮在氣流中和以連續(xù)液膜8緊貼在管壁上。在流速較低時(小于4-6米/秒)液膜8會沉積在管道2的底部，流速進(jìn)一步增加時(大于等于6-12米/秒)，形成半環(huán)狀流，流速較高時(大于12-16米/秒)，液膜8能形成環(huán)狀。當(dāng)管道2垂直放置時，由于受力對稱，液體的分布形式與水平管流速較高時形成環(huán)狀相似，但液膜8的厚度沿圓周分布會更均勻些。由此可知，高含氣率氣液兩相流體在管道內(nèi)流動時，液體不會分散成極小的液滴均勻混合在氣流中，形成所謂的霧狀流；相反，在流動過程中兩相流體之間總存在一種較強(qiáng)的自發(fā)分離趨勢:液滴會聚合成液膜，小氣泡會合并成大氣泡，氣體和液體均會自發(fā)地分別向特定的區(qū)域匯集。但是另一方面，在流動過程中氣相和液相之間確實(shí)也會相互混合，造成已經(jīng)沉積在管壁上的液膜隨時會被氣體再次卷進(jìn)氣流中。流速越高，氣液之間的密度差越小，這種混合作用就越明顯。事實(shí)上在整個流動過程中，分離和混合總是相伴在一起，它們會在不同的條件下達(dá)到不同的動態(tài)平衡。在傳統(tǒng)分離器中，主要是利用離心力將液體驅(qū)趕到筒壁上形成液膜，然后再利用重力將其最后分離。為了避免氣流重新卷走已形成的液膜(二次攜帶)，一般在設(shè)計上都會嚴(yán)格控制分離筒內(nèi)的軸向流速。只要軸向流速足夠低，這種二次攜帶就十分微弱。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，這一臨界流速為0.1米/秒?4米/秒，遠(yuǎn)低于氣液兩相流體在管道內(nèi)的正常流速。因此分離器的直徑一般總比與之相連的管道直徑大好幾倍。這就是分離器尺寸難以減小的主要原因。
[0006]從上述分析可以看出，分離和混合是同時存在的一對矛盾，兩者始終處于一種動態(tài)平衡中。如果能在這一動態(tài)過程中及時將已經(jīng)分離出來的液膜與氣流隔離，那么平衡就會不斷朝著分離的方向發(fā)展，直至將氣流中所有的液體都分離干凈。因此像傳統(tǒng)分離器那樣，為了避免二次攜帶而一味增大分離筒的直徑(來降低軸向流速)，只是實(shí)現(xiàn)氣液分離的一種有效方法，但并不是唯一的方法，也絕不是一個必要條件，況且根據(jù)離心加速度的公式(a = V2/R, V為切向流速，R為分離筒的半徑)，增大分離筒半徑R也會同時降低離心加速度，直接影響分離效果，所以，傳統(tǒng)分離法并不能算是最佳的分離方法。事實(shí)上只要能促使分離與混合之間的動態(tài)平衡不斷朝著分離的方向發(fā)展，氣液兩相流體在管道內(nèi)也是能夠?qū)崿F(xiàn)完全分離的，而且由于直徑小，離心力會更大，因而也更有利于強(qiáng)化分離作用。本發(fā)明就是依照這一思路而形成的。
[0007]本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
[0008]一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，包括管道2，通過前隔板53a和后隔板53b固定于管道2內(nèi)壁上的內(nèi)管12,管道2的內(nèi)壁與內(nèi)管12的外壁之間保持一個夾層空間14，沿流動方向，所述內(nèi)管12包括依次連通且同軸的內(nèi)管前段12a、漸縮管32、旋流管34、過渡管36、漸擴(kuò)管38和內(nèi)管后段12b，在內(nèi)管前段12a內(nèi)設(shè)置有第一旋流器16和第二旋流器22，在內(nèi)管后段12b內(nèi)設(shè)置有消旋器52和氣體流量計54 ;所述內(nèi)管12的管壁上分布有貫穿孔或割縫15 ;內(nèi)管12內(nèi)還包含一個中心管24,所述中心管24的入口與設(shè)置在管道2頂部的回氣管46的出口相連通，中心管24的出口與過渡管36相連通，回氣管46的入口與設(shè)置在管道2頂部與夾層空間14連通的小型常規(guī)分離器45的頂部相連通；在所述管道2的底部依次設(shè)置有和與夾層空間14連通的第一落液管18、第二落液管26、第三落液管28和液體測量管29 ;第一落液管18底部與液體測量管29的入口相連通，第二落液管26和第三落液管28通過連通管27連通，并通過連通管27和第一落液管18的側(cè)面相連通；在第一落液管18內(nèi)安裝有液位計58 ;在液體測量管29上安裝有調(diào)節(jié)閥57和液體流量計56，所述調(diào)節(jié)閥57和液位計58通過控制信號線59連接。
[0009]所述內(nèi)管12的管壁上分布的貫穿孔的孔徑或割縫15的寬度為管道2內(nèi)徑的百分之一以下但不小于2毫米。
[0010]所述中心管24與管道2、內(nèi)管12、第二旋流器24、漸縮管32、旋流管34和過渡管36同軸安裝，并從它們的中心穿過。
[0011]所述第一落液管18的直徑小于或等于管道2的直徑，第二落液管26和第三落液管28的直徑不超過管道2的直徑的三分之一。
[0012]所述的夾套空間14內(nèi)設(shè)置有固定在管道2內(nèi)壁上的第一環(huán)板17b，還設(shè)置有固定在內(nèi)管12外壁上的第二環(huán)板17a，其中固定在內(nèi)管12外壁上的第二環(huán)板17a外緣與管道2內(nèi)壁的間隙以及固定于管道2內(nèi)壁上的第一環(huán)板17b內(nèi)緣與內(nèi)管12外壁的間隙為I?5mm,沿管道軸線方向，第一環(huán)板17b和第二環(huán)板17a交錯布置，形成氣封組件。
[0013]所述過渡管36的外徑比旋流管34的內(nèi)徑小I?6mm，并且入口端37伸入旋流管34內(nèi)至少50mm，出口端與漸擴(kuò)管38連接，過渡管36的外壁與旋流管34的內(nèi)壁形成一個縫隙39。
[0014]所述第一旋流器16和第二旋流器22由4?8片螺旋葉片圍繞一個中心軸而成，螺旋葉片與中心軸為一個整體，而螺旋葉片外緣與內(nèi)管12的內(nèi)壁緊密接觸，沒有間隙；第一旋流器16的葉片螺旋角至少大于第二旋流器22的葉片螺旋角2°。
[0015]所述的前隔板53a為一圓錐管，安裝于測量裝置的入口處，上游一端與管道2的內(nèi)壁相連接，下游一端與內(nèi)管12相連接；或前隔板53a是一塊環(huán)板，此時該環(huán)板安裝于距測量裝置入口處下游一段的位置上，并且與管道2的底部之間留有1-6毫米的間距。
[0016]所述的消旋器52為一組與內(nèi)管12的軸線平行布置的平板。這些平板把內(nèi)管后段12b的內(nèi)部空間分隔成若干流通面積相等或分布對稱的小流道。
[0017]上述所述的管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法:當(dāng)高含氣率氣液兩相流體從前隔板53a進(jìn)入內(nèi)管12時，在重力作用下，液膜8的一部分通過內(nèi)管12上的貫穿孔或割縫15落入夾層空間14中，其余液膜8會在氣液兩相流體流過第一旋流器16時所產(chǎn)生的離心力作用下排入夾層空間14中；當(dāng)排除液膜后的氣液兩相流體流過第二旋流器22時，旋轉(zhuǎn)得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，分散在氣流中的較大液滴6會被離心力驅(qū)趕到內(nèi)管12的內(nèi)壁上，繼而通過貫穿孔或割縫15進(jìn)入夾層空間14中；當(dāng)僅含細(xì)小水滴的旋轉(zhuǎn)氣流通過漸縮管32時，旋轉(zhuǎn)半徑大幅縮小，根據(jù)動量矩守恒定律，此時氣流的旋轉(zhuǎn)速度會得到大幅度的提高，在強(qiáng)大離心力的作用下，分散在氣流中的細(xì)小液滴會在旋流管34內(nèi)被甩到壁面上，形成很薄的一層液膜，或匯聚在壁面附近的一個很薄的邊界層內(nèi)，這層液膜連同少量的氣體會依靠慣性從旋流管34的內(nèi)壁與過渡管36外壁之間的縫隙39中流入夾層空間14中；其余干氣則通過過渡管36進(jìn)入漸擴(kuò)管38中；內(nèi)管12中的氣體除了會從旋流管34內(nèi)壁與過渡管36外壁之間的縫隙39進(jìn)入夾層空間14外，也會伴隨液膜8和液滴6從內(nèi)管上的貫穿孔或割縫15流進(jìn)夾層空間14中；通過調(diào)節(jié)氣封組件17a、17b和縫隙39的尺寸，就能夠控制進(jìn)入夾層空間14的這部分氣體的流量；在夾層空間14內(nèi)，液膜和液滴在重力的作用下落入第一落液管18、第二落液管26或第三落液管28內(nèi)，氣體則攜帶少量細(xì)小液滴進(jìn)入小型常規(guī)分離器45中，經(jīng)過小型常規(guī)分離器45脫濕后，干氣經(jīng)過回氣管46流入中心管24內(nèi)，然后在過渡管36內(nèi)與旋流管34中的干氣匯合，再一同經(jīng)過漸擴(kuò)管38降速升壓以及消旋器52整流后，由氣體流量計54測量其流量，最后流出內(nèi)管后段12b，回到管道2內(nèi)；從第一落液管18、第二落液管26和第三落液管28來的三股液體先匯集于第一落液管18內(nèi)，然后從其底部進(jìn)入液體測量管27，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥57控制后由液體流量計56測量其流量，最后流入管道2內(nèi)，與從內(nèi)管后段12b流出的干氣匯合，一同流出流量測量裝置。
[0018]和現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019]本發(fā)明共分四步完成氣液兩相流體在管道內(nèi)的完全分離。第一步，通過重力和適當(dāng)?shù)碾x心力先把管道內(nèi)已自然形成的液膜8與氣流隔離；第二步，通過對兩相流施加離心力強(qiáng)化分離作用，把尺寸較大的液滴4驅(qū)趕到管壁上形成液膜并與氣流相隔離；第三步，通過進(jìn)一步加強(qiáng)離心力把氣流中細(xì)小的液滴6隔離出來；第四步，把隔離過程中伴隨液膜8和液滴6的少量氣體分離出去，并將其返回到氣體測量管路中去，完成氣液兩相流體在管道內(nèi)的完全分離。在氣液兩相流體實(shí)現(xiàn)完全分離后就可以分別用單相流量計測量氣體和液體的流量。
[0020]為完成上述分離過程，本發(fā)明采用的主要隔離裝置包括:管道，設(shè)置于管道內(nèi)的內(nèi)管，內(nèi)管上的貫穿孔和割縫以及用于固定內(nèi)管的前后隔板。采用的強(qiáng)化分離元件包括:兩級旋流器，漸縮管和旋流管。這些元件既可以把氣流中的液滴驅(qū)趕到壁面上形成液膜或限制在壁面附近很薄的邊界層內(nèi)，同時所產(chǎn)生的離心力也有助于實(shí)現(xiàn)相分隔。為了更有效地實(shí)現(xiàn)相分隔，分隔過程中需要少量的氣體伴隨液膜和液滴一起進(jìn)入液體的匯集區(qū)。這些氣體的加入既是不可避免的，同時也可以提高整個分離系統(tǒng)的效率。但是為了完成氣液兩相流體在管內(nèi)的完全分離，最后還必須要把這些氣體從所伴隨的液體中分離出去，并返回到氣體測量管路中去。由于它們的量相對較少，并且在夾層空間內(nèi)能依靠重力作用分離出一部分，故本發(fā)明只設(shè)置了一個直徑小于或等于管道直徑的小型常規(guī)分離器，以及與之相連通的回氣管、中心管以及液體返回通道。最后，完成氣體和液體流量測量的裝置包括一個氣體和一個液體流量計，消旋器以及液位測量和調(diào)節(jié)裝置。
[0021]總之，本發(fā)明通過采用管內(nèi)相分隔技術(shù)，配合離心和重力分離作用，經(jīng)過多個分離步驟完成氣液兩相流體在管道內(nèi)的完全分離，從而大幅度縮小分離法類氣液兩相流測量裝置的體積，改善測量的實(shí)時性，并顯著降低制造成本，以便于在工程上廣泛應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是高含氣率(體積含氣率大于90% )時氣液兩相流體在水平管道內(nèi)的流型示意圖；其中:圖1A為流速較低時(小于4-6米/秒)液膜沉積在管道的底部示意圖，圖1B為流速進(jìn)一步增加時液膜形成半環(huán)狀流的示意圖，圖1C為流速較高時液膜形成環(huán)狀的示意圖。
[0023]圖2是本發(fā)明的高含氣率氣液兩相流體的流量測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，其中箭頭標(biāo)示表示流體的流動方向。
[0024]圖3是旋流管34與過渡管36兩者結(jié)合處的局部放大圖。
[0025]圖4是分離區(qū)間I的另一種結(jié)構(gòu)形式。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更詳細(xì)的說明。
[0027]附圖1是根據(jù)目前兩相流的研究結(jié)果，如Mandhane流型圖，繪制的氣液兩相流體在高含氣率(體積含氣率大于90%)時在水平管內(nèi)的流態(tài)示意圖。氣體01以連續(xù)態(tài)的形式(圖中空白部分)分布在管道2內(nèi)，而液體則以三種形式存在于管道2內(nèi):以細(xì)小液滴4(微米級及以下)分散在氣體中，以較大液滴6 (毫米級)懸浮在氣流中和以連續(xù)液膜8緊貼在管壁上。在流速較低時(小于4-6米/秒)液膜8會沉積在管道2的底部(附圖1，A)，流速進(jìn)一步增加時(大于等于6-12米/秒)，形成半環(huán)狀流(附圖1，B)，流速較高時(大于12-16米/秒)，液膜8能形成環(huán)狀(附圖1，C)。當(dāng)管道2垂直放置時，由于受力對稱，液體的分布形式與附圖1(C)相似，但液膜8的厚度沿圓周分布會更均勻些。
[0028]如圖2所示，本發(fā)明一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，包括管道2,通過前隔板53a和后隔板53b固定于管道2內(nèi)壁上的內(nèi)管12,管道2的內(nèi)壁與內(nèi)管12的外壁之間保持一個夾層空間14，沿流動方向，所述內(nèi)管12包括依次連通且同軸的內(nèi)管前段12a、漸縮管32、旋流管34、過渡管36、漸擴(kuò)管38和內(nèi)管后段12b，在內(nèi)管前段12a內(nèi)設(shè)置有第一旋流器16和第二旋流器22，在內(nèi)管后段12b內(nèi)設(shè)置有消旋器52和氣體流量計54 ;所述內(nèi)管12的管壁上分布有貫穿孔或割縫15 ;內(nèi)管12內(nèi)還包含一個中心管24,所述中心管24的入口與設(shè)置在管道2頂部的回氣管46的出口相連通，中心管24的出口與過渡管36相連通，回氣管46的入口與設(shè)置在管道2頂部與夾層空間14連通的小型常規(guī)分離器45的頂部相連通；在所述管道2的底部依次設(shè)置有和與夾層空間14連通的第一落液管18、第二落液管26、第三落液管28和液體測量管29，第一落液管18底部與液體測量管29的入口相連通，第二落液管26和第三落液管28通過連通管27連通，并通過連通管27和第一落液管18的側(cè)面相連通，在第一落液管18內(nèi)安裝有液位計58，在液體測量管29上安裝有調(diào)節(jié)閥57和液體流量計56，所述調(diào)節(jié)閥57和液位計58通過控制信號線59連接。
[0029]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述內(nèi)管12的管壁上分布的貫穿孔的孔徑或割縫15的寬度為管道2內(nèi)徑的百分之一以下但不小于2毫米。
[0030]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述小型常規(guī)分離器45的下部安裝有均氣板42和渦輪葉片43，上部安裝有波形板組件44 ;小型常規(guī)分離器45的直徑小于或等于管道2的直徑。
[0031]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述中心管24與管道2、內(nèi)管12、第二旋流器24、漸縮管32、旋流管34和過渡管36同軸安裝，并從它們的中心穿過。
[0032]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一落液管18的直徑小于或等于管道2的直徑，第二落液管26和第三落液管28的直徑不超過管道2的直徑的三分之一。
[0033]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述的夾套空間14內(nèi)設(shè)置有固定于管道2內(nèi)壁上的第一環(huán)板17b，還設(shè)置有固定于內(nèi)管12外壁上的第二環(huán)板17a，其中固定在內(nèi)管12外壁上的第二環(huán)板17a外緣與管道2內(nèi)壁的間隙以及固定于管道2內(nèi)壁上的第一環(huán)板17b內(nèi)緣與內(nèi)管12外壁的間隙為I?5_，沿管道軸線方向，第一環(huán)板17b和第二環(huán)板17a交錯布置，形成氣封組件。
[0034]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，如圖3所示，所述過渡管36的外徑比旋流管34的內(nèi)徑小I?6mm，并且入口端37伸入旋流管34內(nèi)至少50mm，出口端與漸擴(kuò)管38連接，過渡管36的外壁與旋流管34的內(nèi)壁形成一個縫隙39。
[0035]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述第一旋流器16和第二旋流器22由4?8片螺旋葉片圍繞一個中心軸而成，螺旋葉片與中心軸為一個整體，而螺旋葉片外緣與內(nèi)管12的內(nèi)壁緊密接觸，沒有間隙；第一旋流器16的葉片螺旋角至少大于第二旋流器22的葉片螺旋角2。。
[0036]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述的漸縮管32為一圓錐形管，其入口直徑大于出口直徑，其內(nèi)壁與軸線之間的夾角為10°?23°。
[0037]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述的旋流管34為一段圓管，其長度為其內(nèi)徑的I?4倍。
[0038]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述的漸擴(kuò)管38為一圓錐管，其入口直徑小于出口直徑，其內(nèi)壁與軸線的夾角為2°?8°。
[0039]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，如圖2所示，所述的前隔板53a為一圓錐管，安裝于測量裝置的入口處，上游一端與管道2的內(nèi)壁相連接，下游一端與內(nèi)管12相連接；或如圖4所示，前隔板53a是一塊環(huán)板，此時該環(huán)板安裝于距測量裝置入口處下游一段的位置上，并且與管道2的底部之間留有1-6毫米的間距，前分隔板53a從內(nèi)管12的入口端向下游移動了一段距離，使液膜8可以直接流入夾層空間14內(nèi)。此時前分隔板53a與管道2的底部之間留有足夠的間隙，以保證液膜通過。
[0040]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述的消旋器52為一組與內(nèi)管12的軸線平行布置的平板。這些平板將內(nèi)管后段12b的內(nèi)部空間分隔成若干流通面積相等或分布對稱的小流道。
[0041]上述所述的管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法:本發(fā)明共分四步完成氣液兩相流體在管道內(nèi)的完全分離，四個步驟分別在圖2所示的1、I1、III和IV的對應(yīng)分離區(qū)間內(nèi)完成。如附圖2所示，當(dāng)高含氣率氣液兩相流體從前隔板53a進(jìn)入內(nèi)管12時，在重力作用下，液膜8的一部分通過內(nèi)管12上的貫穿孔或割縫15落入夾層空間14中，其余液膜8會在氣液兩相流體流過第一旋流器16時所產(chǎn)生的離心力作用下排入夾層空間14中；當(dāng)排除液膜后的氣液兩相流體流過第二旋流器22時，旋轉(zhuǎn)得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，分散在氣流中的較大液滴6會被離心力驅(qū)趕到內(nèi)管12的內(nèi)壁上，繼而通過貫穿孔或割縫15進(jìn)入夾層空間14中；當(dāng)僅含細(xì)小水滴的旋轉(zhuǎn)氣流通過漸縮管32時，旋轉(zhuǎn)半徑大幅縮小，根據(jù)動量矩守恒定律，此時氣流的旋轉(zhuǎn)速度會得到大幅度的提高，在強(qiáng)大離心力的作用下，分散在氣流中的細(xì)小液滴會在旋流管34內(nèi)被甩到壁面上，形成很薄的一層液膜，或匯聚在壁面附近的一個很薄的邊界層內(nèi)，如圖3所示，這層液膜連同少量的氣體會依靠慣性從旋流管34的內(nèi)壁與過渡管36外壁之間的縫隙39中流入夾層空間14中；其余干氣則通過過渡管36進(jìn)入漸擴(kuò)管38中；內(nèi)管12中的氣體除了會從旋流管34內(nèi)壁與過渡管36外壁之間的縫隙39進(jìn)入夾層空間14外，也會伴隨液膜8和液滴6從內(nèi)管上的貫穿孔或割縫15流進(jìn)夾層空間14中；通過調(diào)節(jié)氣封組件17a、17b和縫隙39的尺寸，就能夠控制進(jìn)入夾層空間14的這部分氣體的流量；在夾層空間14內(nèi)，液膜和液滴在重力的作用下落入第一落液管18、第二落液管26或第三落液管28內(nèi)，氣體則攜帶少量細(xì)小液滴進(jìn)入小型常規(guī)分離器45中，經(jīng)過小型常規(guī)分離器45脫濕后，干氣經(jīng)過回氣管46流入中心管24內(nèi)，然后在過渡管36內(nèi)與旋流管34中的干氣匯合，再一同經(jīng)過漸擴(kuò)管38降速升壓以及消旋器52整流后，由氣體流量計54測量其流量，最后流出內(nèi)管后段12b，回到管道2內(nèi)；從第一落液管18、第二落液管26和第三落液管28來的三股液體先匯集于第一落液管18內(nèi)，然后從其底部進(jìn)入液體測量管27，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥57控制后由液體流量計56測量其流量，最后流入管道2內(nèi)，與從內(nèi)管12流出的干氣匯合，一同流出流量測量裝置。
【權(quán)利要求】
1.一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:包括管道(2)，通過前隔板(53a)和后隔板(53b)固定于管道(2)內(nèi)壁上的內(nèi)管(12)，管道⑵的內(nèi)壁與內(nèi)管(12)的外壁之間保持一個夾層空間(14)，沿流動方向，所述內(nèi)管(12)包括依次連通且同軸的內(nèi)管前段(12a)、漸縮管(32)、旋流管(34)、過渡管(36)、漸擴(kuò)管(38)和內(nèi)管后段(12b)，在內(nèi)管前段(12a)內(nèi)設(shè)置有第一旋流器(16)和第二旋流器(22)，在內(nèi)管后段(12b)內(nèi)設(shè)置有消旋器(52)和氣體流量計(54);所述內(nèi)管(12)的管壁上分布有貫穿孔或割縫(15);內(nèi)管(12)內(nèi)還包含一個中心管(24)，所述中心管(24)的入口與設(shè)置在管道(2)頂部的回氣管(46)的出口相連通，中心管(24)的出口與過渡管(36)相連通，回氣管(46)的入口與設(shè)置在管道(2)頂部與夾層空間(14)連通的小型常規(guī)分離器(45)的頂部相連通；在所述管道(2)的底部依次設(shè)置有和與夾層空間(14)連通的第一落液管(18)、第二落液管(26)、第三落液管(28)和液體測量管(29)，第一落液管(18)底部與液體測量管(29)的入口相連通，第二落液管(26) 和第三落液管(28)通過連通管(27)連通，并通過連通管(27)和第一落液管(18)的側(cè)面相連通，在第一落液管(18)內(nèi)安裝有液位計(58)，在液體測量管(29)上安裝有調(diào)節(jié)閥(57)和液體流量計(56)，所述調(diào)節(jié)閥(57)和液位計(58)通過控制信號線(59)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述內(nèi)管(12)的管壁上分布的貫穿孔的孔徑或割縫(15)的寬度為管道(2)內(nèi)徑的百分之一以下但不小于2毫米。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述中心管(24)與管道(2)、內(nèi)管(12)、第二旋流器(24)、漸縮管(32)、旋流管(34)和過渡管(36)同軸安裝，并從它們的中心穿過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述第一落液管(18)的直徑小于或等于管道(2)的直徑，第二落液管(26)和第三落液管(28)的直徑不超過管道(2)的直徑的三分之一。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述的夾層空間(14)內(nèi)設(shè)置有固定在管道(2)內(nèi)壁上的第一環(huán)板(17b)，還設(shè)置有固定在內(nèi)管(12)外壁上的第二環(huán)板(17a)，其中固定在內(nèi)管(12)外壁上的第二環(huán)板(17a)外緣與管道(2)內(nèi)壁的間隙以及固定于管道(2)內(nèi)壁上的第一環(huán)板(17b)內(nèi)緣與內(nèi)管(12)外壁的間隙為I~5_，沿管道軸線方向，第一環(huán)板(17b)和第二環(huán)板(17a)交錯布置，形成氣封組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述過渡管(36)的外徑比旋流管(34)的內(nèi)徑小I~6mm，并且入口端(37)伸入旋流管(34)內(nèi)至少50_，出口端與漸擴(kuò)管(38)連接，過渡管(36)的外壁與旋流管(34)的內(nèi)壁形成一個縫隙(39)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述第一旋流器(16)和第二旋流器(22)由4~8片螺旋葉片圍繞一個中心軸而成，螺旋葉片與中心軸為一個整體，而螺旋葉片外緣與內(nèi)管(12)的內(nèi)壁緊密接觸，沒有間隙；第一旋流器(16)的葉片螺旋角至少大于第二旋流器(22)的葉片螺旋角2°。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述的前隔板(53a)為一圓錐管，安裝于測量裝置的入口處，上游一端與管道(2)的內(nèi)壁相連接，下游一端與內(nèi)管(12)相連接；或前隔板53a是一塊環(huán)板，此時該環(huán)板安裝于距測量裝置入口處下游一段的位置上，并且與管道(2)的底部之間留有1-6毫米的間距。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置，其特征在于:所述的消旋器(52)為一組與內(nèi)管(12)的軸線平行布置的平板。這些平板將內(nèi)管后段(12b)的內(nèi)部空間分隔成若干流通面積相等或分布對稱的小流道。
10.采用權(quán)利要求1所述的管內(nèi)相分隔式高含氣率氣液兩相流體流量測量裝置的測量方法:其特征在于:當(dāng)高含氣率氣液兩相流體從前隔板(53a)進(jìn)入內(nèi)管(12)時，在重力作用下，液膜⑶的一部分通過內(nèi)管(12)上的貫穿孔或割縫(15)落入夾層空間(14)中，其余液膜(8)會在氣液兩相流體流過第一旋流器(16)時所產(chǎn)生的離心力作用下排入夾層空間(14)中；當(dāng)排除液膜后的氣液兩相流體流過第二旋流器(22)時，旋轉(zhuǎn)得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，分散在氣流中的較大液滴(6)會被離心力驅(qū)趕到內(nèi)管(12)的內(nèi)壁上，繼而通過貫穿孔或割縫(15)進(jìn)入夾層空間(14)中；當(dāng)僅含細(xì)小水滴的旋轉(zhuǎn)氣流通過漸縮管(32)時，旋轉(zhuǎn)半徑大幅縮小，根據(jù)動量矩守恒定律，此時氣流的旋轉(zhuǎn)速度會得到大幅度的提高，在強(qiáng)大離心力的作用下，分散在氣流中的細(xì)小液滴會在旋流管(34)內(nèi)被甩到壁面上，形成很薄的一層液膜，或匯聚在壁 面附近的一個很薄的邊界層內(nèi)，這層液膜連同少量的氣體會依靠慣性從旋流管(34)的內(nèi)壁與過渡管(36)外壁之間的縫隙(39)中流入夾層空間(14)中；其余干氣則通過過渡管(36)進(jìn)入漸擴(kuò)管(38)中；內(nèi)管(12)中的氣體除了會從旋流管(34)內(nèi)壁與過渡管(36)外壁之間的縫隙(39)進(jìn)入夾層空間(14)外，也會伴隨液膜(8)和液滴(6)從內(nèi)管上的貫穿孔或割縫(15)流進(jìn)夾層空間(14)中；通過調(diào)節(jié)氣封組件(17a)、(17b)和縫隙(39)的尺寸，就能夠控制進(jìn)入夾層空間(14)的這部分氣體的流量；在夾層空間(14)內(nèi)，液膜和液滴在重力的作用下落入第一落液管(18)、第二落液管(26)或第三落液管(28)內(nèi)，氣體則攜帶少量細(xì)小液滴進(jìn)入小型常規(guī)分離器(45)中，經(jīng)過小型常規(guī)分離器(45)脫濕后，干氣經(jīng)過回氣管(46)流入中心管(24)內(nèi)，然后在過渡管(36)內(nèi)與旋流管(34)中的干氣匯合，再一同經(jīng)過漸擴(kuò)管(38)降速升壓以及消旋器(52)整流后，由氣體流量計(54)測量其流量，最后流出內(nèi)管(12)，回到管道(2)內(nèi)；從第一落液管(18)、第二落液管(26)和第三落液管(28)來的三股液體先匯集于第一落液管(18)內(nèi)，然后從其底部進(jìn)入液體測量管(27)，經(jīng)過調(diào)節(jié)閥(57)控制后由液體流量計(56)測量其流量，最后流入管道(2)內(nèi)，與從內(nèi)管(12)流出的干氣匯合，一同流出流量測量裝置。
【文檔編號】G01F7/00GK104075766SQ201410276592
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】王棟, 衛(wèi)鵬凱, 王帥, 楊楊 申請人:西安交通大學(xué)