本發(fā)明屬于流體測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種超聲傳感器的測(cè)量方法，用于油氣水三相塞狀分散流流速的無(wú)擾動(dòng)式測(cè)量。

技術(shù)背景

多相流廣泛存在于日常生活與工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，例如食品加工，生物工程，化工產(chǎn)業(yè)，冶金工業(yè)和石油產(chǎn)業(yè)等行業(yè)，主要表現(xiàn)形式包括兩相流、三相流或四相流等。其中，油氣水三相流是石油開采和輸送環(huán)節(jié)中最為常見(jiàn)的流動(dòng)形式。與單相流或兩相流相比，三相流的流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，因此三相流在線過(guò)程參數(shù)檢測(cè)一直是科研和工業(yè)產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。油氣水三相流含水率和流速的測(cè)量對(duì)油井產(chǎn)量估計(jì)、流動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、工況生產(chǎn)安全等方面具有重大意義。然而，油氣水三相流因其流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)狀態(tài)多變，難以實(shí)現(xiàn)流動(dòng)過(guò)程參數(shù)的無(wú)擾動(dòng)式測(cè)量。

水平管道油氣水三相流，根據(jù)油、水的相含率可總體分為“油基”和“水基”兩種基本流動(dòng)狀態(tài)。在這兩種基本流動(dòng)狀態(tài)下，又根據(jù)具體相分布形態(tài)進(jìn)一步細(xì)分為不同的流型。當(dāng)液相流量較高而氣相流量較低時(shí)，其流動(dòng)狀態(tài)呈現(xiàn)為典型塞狀分散流。即長(zhǎng)氣泡和細(xì)小氣泡聚集在管道頂部，離散的液相以液滴的形式夾雜在連續(xù)液相中。目前，針對(duì)油氣水三相流流速(流量)測(cè)量的研究主要以質(zhì)量流量計(jì)和互相關(guān)流量計(jì)為主?？评飱W利流量計(jì)在質(zhì)量流量計(jì)中最具有代表性，常用于多相流流量測(cè)量，但當(dāng)流體中含有氣相時(shí)，由于氣體不隨管道共同振動(dòng)，往往導(dǎo)致測(cè)量精度受到較大影響；此外，多相流中各相混合不均勻也會(huì)影響流量的測(cè)量結(jié)果?；诓煌舾性淼幕ハ嚓P(guān)流量計(jì)同樣被廣泛研究和使用，通常包括超聲法、電學(xué)法、光學(xué)法和射線法等?；ハ嚓P(guān)流量計(jì)需要被測(cè)流體中出現(xiàn)明顯的流動(dòng)噪聲，即明顯的瞬時(shí)含率或流速的波動(dòng)，較為平穩(wěn)的流動(dòng)狀態(tài)通常會(huì)降低相關(guān)計(jì)算的成功率；同時(shí)，上下游傳感器間距與傳感器響應(yīng)頻率共同決定了基本的測(cè)試誤差，且誤差隨流速變化。因此，在油氣水三相塞狀分散流這類隨機(jī)性很強(qiáng)的流體測(cè)速時(shí)具有一定局限性。

相比以上測(cè)量方式，超聲多普勒方法具有非侵入、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、原理明確、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。首先，超聲場(chǎng)不會(huì)對(duì)流體自身的流動(dòng)狀態(tài)造成任何干擾。其次，基于連續(xù)波的超聲多普勒流速測(cè)量方法是通過(guò)聲波在流體中散射體(氣泡和液滴)上形成的多普勒效應(yīng)獲取散射體的流動(dòng)速度，因此其所測(cè)速度的物理意義明確，即測(cè)量空間內(nèi)所有散射體的平均真實(shí)速度。油氣水三相塞狀分散流中，離散的氣泡、液滴和連續(xù)相共同構(gòu)成了混合流體。因此，根據(jù)超聲多普勒原理，所測(cè)流速就是氣泡和離散相液滴的平均真實(shí)速度。為避免不同相之間流動(dòng)速度的滑動(dòng)現(xiàn)象引入誤差，在雙流體模型的基礎(chǔ)上建立了專門的三相流測(cè)量模型；結(jié)合相含率測(cè)量裝置(如超聲、射線、電學(xué)相含率測(cè)量裝置)所獲取的相含率信息，計(jì)算得到三相的真實(shí)流速，最終獲得油氣水三相塞狀分散流流分相流速和總表觀流速。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種利用超聲多普勒傳感器準(zhǔn)確測(cè)量管道內(nèi)油氣水三相塞狀分散流分相流速的方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種油氣水三相塞狀分散流分相流速測(cè)量方法，采用的設(shè)備包括雙壓電陶瓷晶片的超聲換能器和相含率測(cè)量裝置，超聲換能器的測(cè)量空間能夠覆蓋整個(gè)管道截面；相含率測(cè)量裝置提供各相含率信息；所述超聲換能器安裝于管道底側(cè)，換能器內(nèi)部雙晶片均被傾斜安裝于聲耦合材料上，以保證晶片的法線方向與水平流動(dòng)方向夾角為α；所述雙晶片超聲換能器用來(lái)發(fā)射和接收超聲波，其中，換能器一側(cè)晶片負(fù)責(zé)發(fā)射超聲波，另一側(cè)晶片負(fù)責(zé)接收超聲波，且在上述兩晶片之間放置隔音材料以抑制干擾。該測(cè)試方法包含如下步驟：

1)利用相含率測(cè)量裝置得到各相含率信息，其中含水率為hw，含油率ho，含氣率hg；

2)根據(jù)相含率判斷三相塞狀分散流的連續(xù)相和分散相：計(jì)算油水比若r＞2.3，則流型為油基塞狀分散流，此時(shí)連續(xù)相為油，離散液相為水，則連續(xù)相密度；若r≤2.3，則流型為水基塞狀分散流，此時(shí)連續(xù)相為水，離散液相為油；

3)通過(guò)對(duì)超聲換能器所獲取的接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到多普勒頻移信號(hào)：設(shè)功率譜為sd(f)，f為頻率組分，則平均多普勒頻移計(jì)算得到測(cè)量空間內(nèi)所有離散相的平均真實(shí)流速f0為發(fā)射聲波的頻率，c為聲波在固體聲耦合材料中的傳播速度，離散相的平均真實(shí)流速與每一離散相的真實(shí)速度關(guān)系為：ug和ud為氣相和離散液相的真實(shí)流動(dòng)速度，hd為離散液相的相含率；

4)計(jì)算連續(xù)相與離散氣相之間的曳力fgdrag：對(duì)于離散氣相，曳力ρc為連續(xù)相的密度，uc為連續(xù)相的真實(shí)流動(dòng)速度，氣相的索特平均直徑d為管道內(nèi)徑；cdg為氣相的拖曳系數(shù)，對(duì)于不同流動(dòng)狀態(tài)下，連續(xù)相和氣相間的相對(duì)雷諾數(shù)μc是連續(xù)相動(dòng)態(tài)黏度；

5)計(jì)算連續(xù)相與離散液相之間的曳力fddrag：對(duì)于離散液相，曳力hd為離散液相的相含率，cdd為離散液相的拖曳系數(shù)，對(duì)于不同流動(dòng)狀態(tài)下，連續(xù)相和離散液相間的相對(duì)雷諾數(shù)dd是離散液相的索特平均直徑，其計(jì)算方法為σ為離散液相與連續(xù)向之間界面張力，fc為連續(xù)相的穆迪摩擦因子，其取值為ε是管內(nèi)壁的相對(duì)粗糙度，連續(xù)相雷諾數(shù)

6)計(jì)算管壁對(duì)連續(xù)液相的剪切力

7)當(dāng)三相流流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，，有其中為三相流在長(zhǎng)度l上的壓力梯度，將fgdrag，fddrag，dg，cdg，dd，cdd代入式中，并與步驟3)中離散相的平均真實(shí)流速的關(guān)系式連立關(guān)于uc，ug，ud的三元非線性方程組：

8)利用數(shù)值迭代類算法求解步驟7)中的方程組，獲得uc，ug，ud的最優(yōu)估計(jì)；

9)三相流分相表觀流速計(jì)算：連續(xù)相表觀流速：jc＝uchc，hc為連續(xù)相的相含率；氣相表觀流速：jg＝ughg；離散液相表觀流速：jd＝udhd；總表觀流速j＝j(luò)c+jd+jg。

本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)是：利用雙晶超聲多普勒探頭獲取測(cè)量空間內(nèi)離散相的平均真實(shí)流速，利用相含率測(cè)量裝置(如超聲、射線、電學(xué)相含率測(cè)量裝置)獲取三相流的分相含率。通過(guò)三相流模型，帶入所測(cè)得的離散相平均真實(shí)流速與三相流分相含率，計(jì)算得到三相流分相的真實(shí)流速。最終結(jié)合三相流的分相含率與分相真實(shí)流速，實(shí)現(xiàn)分相表觀流速的測(cè)量。本發(fā)明的有益效果及優(yōu)點(diǎn)如下：

1)該方法為無(wú)擾動(dòng)的測(cè)量手段，不會(huì)對(duì)流體產(chǎn)生任何的擾動(dòng)；

2)測(cè)量方便，速度快，成本低，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量管道內(nèi)三相流的分相流速和總表觀流速。

附圖說(shuō)明

以下附圖描述了本發(fā)明所選擇的實(shí)施例，均為示例性附圖而非窮舉或限制性，其中：

圖1本發(fā)明的測(cè)量方法中超聲多普勒傳感器示意圖；

圖2本發(fā)明的測(cè)量方法中超聲多普勒測(cè)量空間示意圖；

圖3本發(fā)明的測(cè)量方法中雙晶超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4本發(fā)明的測(cè)量方法流速計(jì)算步驟。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的計(jì)算方法。

圖1本發(fā)明的測(cè)量方法中超聲多普勒傳感器示意圖；雙晶探頭1被安裝管道2底部。

圖2為本發(fā)明的測(cè)量方法中超聲多普勒測(cè)量空間示意圖；雙晶探頭被安裝管道底部，鑲嵌在4管壁中。連續(xù)波多普勒測(cè)量空間的定義為發(fā)射聲波和接收聲波的聲場(chǎng)重疊區(qū)域。在管道5區(qū)域內(nèi)部，兩部分聲場(chǎng)重合區(qū)域?yàn)殛幱皡^(qū)域3，即測(cè)量空間。流經(jīng)此區(qū)域流體中離散相的速度信息可以被超聲多普勒傳感器獲取。該空間在管道軸向剖面的投影為三角形，該三角形覆蓋整個(gè)管道截面。

圖3為本發(fā)明的測(cè)量方法中雙晶超聲換能器結(jié)構(gòu)示意圖。本發(fā)明專利所用雙晶超聲換能器包括一個(gè)接收壓電陶瓷晶片7a和一個(gè)發(fā)射壓電陶瓷晶片7b，兩晶片均傾斜附著在切割成固定幾何形狀的聲耦合材料8a和8b上。在兩部分之間，放置隔音材料9以防止聲波的互相干擾。晶片7a和7b的傾斜角度需保證晶片所在平面的法線方向與來(lái)流方向0的夾角為α。最外側(cè)安裝有金屬外殼10以保護(hù)整體雙晶換能器。線路接口11a和11b分別用于傳導(dǎo)壓電晶片轉(zhuǎn)化的電信號(hào)，包括激勵(lì)信號(hào)和接收信號(hào)。

圖4為本發(fā)明的超聲多普勒傳感器測(cè)速方法計(jì)算流程圖。下面以油氣水三相流為例，對(duì)本發(fā)明的三相流分相流速測(cè)量方法進(jìn)行說(shuō)明，該方法也可用于如氣液固三相流等其他三相流測(cè)量中，三相流分相流速測(cè)量方法計(jì)算步驟如下：

步驟1：利用相含率測(cè)量裝置(如超聲、射線、電學(xué)相含率測(cè)量裝置)測(cè)量各相含率信息，其中含水率為hw，含油率ho，含氣率hg；

步驟2：根據(jù)相含率判斷三相塞狀分散流的連續(xù)相和分散相。

計(jì)算油水比若r＞2.3，則流型為油基塞狀分散流，此時(shí)連續(xù)相為油，離散液相為水，則連續(xù)相密度；若r≤2.3，則流型為水基塞狀分散流，此時(shí)連續(xù)相為水，離散液相為油。

步驟3：利用多普勒傳感器，獲取測(cè)量空間6內(nèi)離散相的真實(shí)流速。

通過(guò)對(duì)超聲換能器所獲取的接收信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到多普勒頻移信號(hào)，利用傅里葉變換方法計(jì)算其功率譜為sd(f)，f為頻率組分。因?yàn)槎嗥绽疹l移是超聲波經(jīng)測(cè)量空間3中分散的多離散相散射而形成，造成其頻譜具有多峰的性質(zhì)，因此計(jì)算其平均頻移：

測(cè)量空間內(nèi)所有離散相的平均真實(shí)流速u為：

其中，f0為超聲發(fā)射晶片7b的激勵(lì)頻率，c為聲波在固體聲耦合材料中的傳播速度。

此時(shí)離散相的平均真實(shí)流速與每一離散相的真實(shí)速度關(guān)系為：

其中，ug和ud為氣相和離散液相的真實(shí)流動(dòng)速度，hd為離散液相的相含率。

步驟4：以雙流體模型為基礎(chǔ)，在氣相、離散液相和連續(xù)相分別處于受力平衡的狀態(tài)的前提下，建立三相流模型，并得到分相流速計(jì)算方程組。

1)計(jì)算連續(xù)相與離散氣相之間的曳力fgdrag。

首先計(jì)算氣相的索特平均直徑d為管道內(nèi)徑，uc為連續(xù)相的真實(shí)流動(dòng)速度；然后計(jì)算氣相的拖曳系數(shù)其中連續(xù)相和氣相間的相對(duì)雷諾數(shù)μc是連續(xù)相動(dòng)態(tài)黏度。連續(xù)相與離散氣相之間的曳力fgdrag可表示為：

其中ρc為連續(xù)相的密度。

2)計(jì)算連續(xù)相與離散氣相之間的曳力fddrag。

首先計(jì)算離散液相的索特平均直徑其中σ為離散液相與連續(xù)向之間界面張力，fc為連續(xù)相的穆迪摩擦因子，其取值為其中ε是管內(nèi)壁的相對(duì)粗糙度，連續(xù)相雷諾數(shù)然后計(jì)算離散液相的拖曳系數(shù)其中連續(xù)相和離散液相間的相對(duì)雷諾數(shù)連續(xù)相與離散液相之間的曳力fgdrag可表示為：

其中hd為離散液相的相含率

3)計(jì)算管壁對(duì)連續(xù)相的剪切力τc：

4)以雙流體模型為基礎(chǔ)，當(dāng)三相流流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，氣相、離散液相和連續(xù)相分別處于受力平衡的狀態(tài)，雙流體模型可發(fā)展為三相流模型：

其中為三相流在長(zhǎng)度l上的壓力梯度。

5)將式(4)(5)(6)帶入式(7)，整理后與式(3)聯(lián)立，可得到三相流分相流速計(jì)算方程組：

步驟5：利用以信賴域算法，求解式(8)，將uc，ug，ud的初值設(shè)置為與u相等，首先計(jì)算recg，redg，rec的取值，以確定cdg，cdd和fc的取值，然后求解得到uc，ug，ud。

結(jié)合步驟1中得到的三相流相含率，計(jì)算分相流速。連續(xù)相表觀流速：

jc＝uchc(9)

其中hc為連續(xù)相的相含率。

氣相表觀流速：

jg＝ughg(10)

離散液相表觀流速：

jd＝udhd(11)

總表觀流速：

j＝j(luò)c+jd+jg(12)。