本發(fā)明涉及流體測量領域，是一種測量由兩種不同的液體和氣體均勻混合形成的三相流流體的聲速，也就是測量液-氣-液三相流中壓力波的傳播速度的方法和裝置。

背景技術：

由兩種不同的液體和氣體均勻混合形成的三相流流體流動現(xiàn)象廣泛存在于工程上。例如，化學工業(yè)中的乳濁液流動、石油工和天然氣工業(yè)中的油氣水流的流動都是常見的復雜三相流流動現(xiàn)象。在原油開采作業(yè)過程中，天然氣和地層水常與原油一起開采出來，這些油氣水在井筒和輸油管道中的流動屬于油氣水的三相流動。為了確定油井、地層中的原油、天然氣的產(chǎn)量、變化，合理、高效、準確地利用能源，需要首先對多相流流動體系的復雜性，獲得現(xiàn)象和概念上的認知，才能在此基礎上，對原油、天然氣的開采、運輸過程進行預測、控制、系統(tǒng)設計。

液-氣-液三相流流動的一種特殊的流型是三相在流動過程中均勻混合，例如，霧狀流、氣泡流流型。在這種情況下，流體的流動特性滿足單流體液-氣-液三相流的假設。首先，液-氣-液相組成的混合物，熱力學性質(zhì)接近，彼此均勻地混合，不考慮各相流體之間的界面和滑移速度，所以，就相當于某種等效的單流體的流動，在一個很小的流體微團內(nèi)可視為連續(xù)介質(zhì)。等效混合物的物理性質(zhì)，如密度、比熱、粘性系數(shù)、導熱系數(shù)等都可從兩種組分中的對應參數(shù)按照質(zhì)量或體積分數(shù)進行加權平均獲得。

流體中的聲速是指流體中壓力波的傳播速度，即流體某一區(qū)域內(nèi)發(fā)生的微小擾動傳播到其他區(qū)域的傳播速度。單相流體的聲速是隨著流體的可壓縮性的提高而降低。例如水中的聲速可達1500m/s，而空氣的聲速約為340m/s。在液-氣-液三相流中，由于多相介質(zhì)相互摻混，導致多相混合物的可壓縮性遠小于其中單相成分的可壓縮性，因此液-氣-液三相流中的聲速可能下降。工程上，例如在油氣輸運管道的設計、控制、安置等，都需要考慮多相流的聲速問題。

影響液-氣-液三相流的聲速的主要流動參數(shù)有：流體的流動速度、氣體含量、色散性、溫度。為準確獲得油氣水多相流在上述流動參數(shù)下的壓力波的傳播特性， 需要一種能夠同時測量上述因素對液-氣-液三相流的聲速的影響的裝置。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種測量液-氣-液三相流的聲速的裝置，它包括一個液體供給系統(tǒng)、一個另一種液體供給系統(tǒng)、一個氣體供給系統(tǒng)、一個液-氣-液混合器、一個傳熱管道、一個管道加熱系統(tǒng)、一個擾動波發(fā)生器、一個具有絕熱功能的測量管道，三個壓力傳感器、一個電極對、一個氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)、一個氣-液分離系統(tǒng)、一個液-液分離系統(tǒng)，上述部件的連接關系是：

液體供給系統(tǒng)、另一種液體供給系統(tǒng)、氣體供給系統(tǒng)連接液-氣-液混合器；

液-氣-液混合器連接傳熱管道；

傳熱管道連接管道加熱系統(tǒng)；

傳熱管道連接具有絕熱功能的測量管道；

在傳熱管道與液-氣-液混合器之間或者在傳熱管道與具有絕熱功能的測量管道之間，連接有擾動波發(fā)生器；

具有絕熱功能的測量管道的下游連接氣-液分離系統(tǒng)；

氣-液分離系統(tǒng)連接水供給系統(tǒng)；

氣-液分離系統(tǒng)連接液-液分離系統(tǒng)；

液-液分離系統(tǒng)連接另一種液體供給系統(tǒng)；

三個壓力傳感器和電極對安裝在具有絕熱功能的測量管道的壁面上；

氣體含量閉環(huán)控制系統(tǒng)連接電極對和氣體供給系統(tǒng)。

上述各個部件的功能在于液-氣-液三相流的液體由液體供給系統(tǒng)提供，另一種液體由另一種液體供給系統(tǒng)提供，氣體由氣體供給系統(tǒng)提供；液體、另一種液體、氣體進入液-氣-液混合器形成液-氣-液三相流均質(zhì)混合流體；進入傳熱管道，由管道加熱系統(tǒng)對其進行加熱；氣體含量閉環(huán)控制系統(tǒng)通過電控節(jié)氣閥調(diào)整氣體流量；氣-液分離系統(tǒng)將分離出來的氣體排放到大氣，將分離出來的兩種液體混合物(液體和另一種液體)送到液-液分離系統(tǒng)進一步將液體和另種液體分離，并將液體送回液體供給系統(tǒng)，將另一種液體送回另一種液體供給系統(tǒng)。

由上述部件連接組成的測量裝置可以測量液-氣-液三相流的聲速，以及流動速度、氣體含量、色散性、溫度對聲速的影響。

本發(fā)明提出的測量液-氣-液三相流的聲速的裝置結(jié)構(gòu)簡單、實用，使用方便，功能強大。在這個裝置上，流動速度、氣體含量、色散性、溫度四個參數(shù)對液-氣-液三相流的聲速的影響可以分別進行測量，獨立地考慮其中任意一個參數(shù)的影響，也可綜合考慮各個參數(shù)的影響，進行交叉實驗。

附圖說明

圖1是測量液-氣-液三相流的聲速的裝置的布局圖。圖中，1液體供給系統(tǒng)、2液體流、3氣體供給系統(tǒng)、4氣體流、5液-氣-液混合器、6管道加熱系統(tǒng)、7氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)、8電極對、9下游壓力傳感器、10上游壓力傳感器、11氣液分離系統(tǒng)、12測量管道、13中心壓力傳感器、14兩種液體回流、15擾動波發(fā)生器、16傳熱管道、17另一種液體供給系統(tǒng)、18另一種液體流、19另一種液體回流、20液-液分離系統(tǒng)、21液體回流。

圖2(a)是壓力傳感器和電極對在測量管道上的安裝示意圖。圖中，12測量管道、10上游壓力傳感器、9下游壓力傳感器。

圖2(b)是圖2(a)的A-A剖視圖。圖中8電極對、13中心壓力傳感器。

圖3是氣液混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，22圓柱形腔體、23液體入口、24另一種液體入口、25,26氣體進入的周邊的小孔、27三層金屬網(wǎng)、28三相流出口。

圖4是擾動發(fā)生器的工作原理圖。圖中，29伺服電機拖動、30往復式活塞機構(gòu)、12具有絕熱功能的測量管道。

具體實施方式

以一個具體實施方案進一步說明本發(fā)明提出的一種測量液-氣-液三相流的聲速的方法和裝置的結(jié)構(gòu)和原理。

圖1是測量液-氣-液三相流的聲速的裝置的布局圖。如圖1中所示，三相流的液體由液體供給系統(tǒng)(1)、另一種液體供給系統(tǒng)(17)提供；氣體由氣體供給系統(tǒng)(3)提供。液體流(2)、氣體流(4)、另一種液體流(18)按照液體流量值、氣體流量值的配比進入液-氣-液混合器(5)進行充分混合形成均質(zhì)液-氣-液三相流。三相流進入傳熱管道(16)。根據(jù)設定的溫度，由管道加熱系統(tǒng)(6)對其進行加熱，直到達到預定溫度。在傳熱管道(16)之后，連接有擾動 波發(fā)生器(15)，產(chǎn)生頻率可調(diào)的標準正弦波，作為擾動波，傳入后面的具有絕熱功能的測量管道(12)。此階段，三相流溫度被認為是恒定的。傳熱管道和測量管道都是橫截面為圓形的細長管道。

圖2(a)是壓力傳感器和電極對在測量管道上的安裝示意圖。圖2(b)是圖2(a)的A-A剖視圖。三個壓力傳感器和電極對安裝在測量管道(12)的壁面上。從來流方向，三個壓力傳感器分別標號1,2,3。彼此等距離。2號為中心壓力傳感器(13)，1號和3號分別被稱為上游壓力傳感器(10)和下游壓力傳感器(9)。1號和3號被安裝在2號對面。2號壓力傳感器正對面安裝一個電極對(8)，測量端深入到測量管道(12)中，但不超過測量管道(12)的中心軸線。傳感器1,2,3號用來測量三個點的壓力，電極對(8)用來測量當?shù)乜諝夂?。在測量前電極對需要標定，獲得輸出電壓和氣體含量的關系曲線。因為傳熱管道(16)的加熱過程會使測量管道內(nèi)的氣體含量發(fā)生變化，偏離設定好的氣體含量。

這一點可以通過電極對(8)的測量值和是否與設定值一致反映出來。如果有偏差，一個氣體含量的閉環(huán)控制系統(tǒng)(7)進一步調(diào)整氣體流量，直到電極對(8)處測量的氣體含量值與設定值的偏差在誤差范圍內(nèi)。

測量管道(12)下游連接一個氣-液分離系統(tǒng)(11)，被分離出來的氣體排放到大氣，分離出的液體回流(14)包括兩種液體混合物(液體和另一種液體)送到液-液分離系統(tǒng)(20)進一步將液體和另種液體分離，形成液體回流(21)和另一種液體回流(19)，分別送回液體供給系統(tǒng)(1)和另一種液體供給系統(tǒng)(17)。

圖3是液-氣-液混合器的結(jié)構(gòu)示意圖。液-氣-液混合器(5)由圓柱形腔體(23)構(gòu)成，沿軸線方向安裝不銹鋼制成的三層金屬網(wǎng)(27)，圓柱形腔體(23)頂面是液體入口(23)和另一種液體入口(24)，對面是三相流出口(28)，氣體從圓柱形腔體(23)周邊的小孔(25,26)進入，兩種液體和氣體通過金屬網(wǎng)(27)的孔隙后均勻混合，形成均質(zhì)液-氣-液三相流。其中氣體的含量按通過供氣系統(tǒng)中的電控節(jié)氣閥調(diào)節(jié)，量可以從0到100％(純氣體)。

圖4是擾動發(fā)生器的工作原理圖。圖中表示，擾動波發(fā)生器(15)是一個能產(chǎn)生頻率可調(diào)的標準正弦波的、由伺服電機拖動的往復式活塞機構(gòu)。如果不考慮兩相流的聲速的色散性，即聲速對擾動頻率的反應程度，則不啟動擾動發(fā)生器(16)。正弦波作為擾動波，傳入后面的具有絕熱功能的測量管道。

如果不考慮溫度對聲速的影響，可以不啟動管道加熱系統(tǒng)(6)，在室溫條件下進行聲速測量試驗。所有數(shù)據(jù)通過一個數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)采集、分析處理。對三個不同位置的壓力傳感器的值進行FFT變換，通過相關分析和譜分析的方法可以推算出三相流當?shù)氐穆曀佟?/p>