專利名稱：使用科里歐利斯型流量計進(jìn)行的氣體液體流量測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及兩相流量測量領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明提供一種測量方法和一種測量裝置，用以測量流動中流體流的氣體和液體的相對量，尤其是測量蒸汽質(zhì)量。
例如，一種增強(qiáng)回收含油層中烴的方法是注入蒸汽。為了恰當(dāng)?shù)剡\用這種增強(qiáng)回收技術(shù)，必須知道被注入蒸汽的“質(zhì)量”，即被注入蒸汽的汽化氣與汽化氣加液體的比值。
業(yè)已提出很多方法測量地表蒸汽管道中的蒸汽質(zhì)量，例如第4，662，219號美國專利文件揭示了利用串聯(lián)的兩個孔板測定蒸汽質(zhì)量的一種方法，該專利文件在此作為各種用途的參考文件，并已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人。然而，由于這樣的方法不是直接測量液體流的質(zhì)量和/或密度，因此實際上只供間接測定蒸汽質(zhì)量。在很多情況下，只有在一些條件限定的范圍內(nèi)，它們才是準(zhǔn)確的。
也轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明受讓人的，在此作為各種用途參考的第747706號共同未決申請揭示了測量液體流中油和水的相對量的一種方法，但是沒說明或提出確定蒸汽質(zhì)量的方法。
“Q-Bar”裝置也得到描述，它在測量兩相流中很有用。例如，BakerPackers銷售的“SteamcheckEnergyMonitor”(蒸汽檢驗?zāi)芰勘O(jiān)視器)應(yīng)用調(diào)諧管的“峰值”諧振頻率來確定蒸汽質(zhì)量。這種裝置僅用該蒸汽的一個樣品并且已經(jīng)發(fā)現(xiàn)只有限定的準(zhǔn)確度。
因此需要一種改進(jìn)的、確定蒸汽質(zhì)量的方法。
現(xiàn)在揭示一種確定流動的氣體/液體流質(zhì)量的方法，該方法包括的步驟有至少使第一氣體/液體流流過Coriolis型流量計，而第一氣體/液體流具有第一已知質(zhì)量;使第一已知質(zhì)量與Coriolis型流量計的轉(zhuǎn)角型參數(shù)和頻率型參數(shù)作相關(guān)處理，以確定一組相關(guān)因數(shù);使第二氣體/液體流流過Coriolis流量計;以及根據(jù)相關(guān)因數(shù)計算第二氣體/液體流的質(zhì)量。
在一個實施例中，轉(zhuǎn)角型參數(shù)是Coriolis流量計的電流輸出。進(jìn)行相關(guān)步驟可應(yīng)用下式mA＝f(WT，ρm，λ或x)式中mA是視在密度(總是與電流輸出有關(guān))，WT是實在的、總的兩相質(zhì)量流率，λ是無滑流(no-slip)液體滯流量(holdup)，ρm是實在的、均勻的(homogeneous)兩相混合物密度，x是實在的、均勻的汽化氣質(zhì)量系數(shù)(或蒸汽質(zhì)量)，其定義為WV/WT。
進(jìn)行相關(guān)步驟還可用下列公式Hz＝g(WT，ρm，λ或x)式中Hz是視在質(zhì)量流率(一般是一個頻率型參數(shù))。


圖1示出Coriolis型流量計;
圖2示出測試實用裝置所用的試驗設(shè)備;
圖3是采用這里描述的本發(fā)明的實際質(zhì)量與計算質(zhì)量的比較圖;
圖4是采用這里描述的本發(fā)明的、實際的總質(zhì)量流率與計算的總質(zhì)量流率比較圖。
在本文的敘述中，兩相蒸汽用來作為一個例子，顯然，該方法可以用于其它的氣體/液體流，例如天然氣/天然氣液體流。參照圖1，Coriolis質(zhì)量流量計測量一個很小的力，該力是蒸汽流體在流經(jīng)U形敏感器管1時產(chǎn)生的，即在該管的振動垂直于流動方向時由流體顆粒的加速度或減速度產(chǎn)生的。該力類似于使空氣流環(huán)繞著轉(zhuǎn)動的地球流動的Coriolis力，還類似于輪船和飛機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)中所用的陀螺力。
由于流體流動在敏感器管上感生的力是Coriolis力/陀螺力。圖1示出一個管子，有一種流體質(zhì)量為m，速度為v流經(jīng)該管，該管以角速度ω繞O-O軸旋轉(zhuǎn)。
流動感生力的大小可由下式表示F＝2mω×V(1)式中F是力，F(xiàn)、ω和V是向量，而x是矢量積運算符。
敏感器管的角速度ω并不要求是常數(shù)，但能以峰值角速度ωp振蕩。相關(guān)聯(lián)的力也是振蕩的，其峰值FP正比于流體質(zhì)量m和速度V。
該流體在每個支臂上施加的力F1和F2反向(相位差180°)。當(dāng)該管繞O-O軸振動時，這些力繞R-R軸產(chǎn)生振蕩力矩(Oscillating moment)(△M)，該力矩可用下式表示△M＝F1r1+F2r2(2)
由于F1＝F2，r1＝r2，由公式1和2可得出△M＝2Fr＝4mvωγ(3)那末，m(單位質(zhì)量/單位長度)乘以v(單位長度/單位時間)得出△Q(單位質(zhì)量/單位時間)，即質(zhì)量流率。公式3可寫為△M＝4ωγ△Q(4)由敏感管內(nèi)所有的流體顆粒產(chǎn)生的繞R-R軸的總力矩(M)可對公式4積分得出M＝∫△M＝4ωγQ(5)力矩M產(chǎn)生角偏移或使該敏感器繞R-R軸扭轉(zhuǎn)，在振動管行程的中點處達(dá)到其最大值。在行程的上限和下限處無扭轉(zhuǎn)，因為在這些點上ω為零。由M造成θ的偏移可由該敏感器管的彈性剛度加以阻滯。一般說來，任一扭力彈簧的轉(zhuǎn)矩T定義為T＝Ksθ (6)由于T＝M，質(zhì)量流率Q可以通過合
公式5和6與θ相關(guān)。
Q＝ (KS)/(4ωγ) θ (7)質(zhì)量流率可用(圖1)敏感器2、3所示通過測量偏移角θ的結(jié)果得出。這個測量可通過測量由每個敏感器檢測各自支臂的中點截面上的相對時間來實現(xiàn)。零流量的時差為零，隨著流量的增加，使θ增加，信號之間的時差△t也增加。在行程中點處，管速Vt乘以△t在幾何上與θ有關(guān)。
tgθ＝ (Vt)/(2γ) △t (8)如果θ值小，則趨向等于tgθ。另外，對于小轉(zhuǎn)角而言，Vt是ω和管長度L的乘積，即θ＝ (Lω△t)/(2γ) (9)合
公式7，得出θ= (KsLω)/(8γ2ω) = (KsL)/(8γ2) △t (10)于是質(zhì)量流率Q只與時間間隔和幾何常數(shù)成正比。要注意到，Q與ω?zé)o關(guān)，從而也與敏感器管的振動頻率無關(guān)。
測量振動的U形管的方法還提供一個輸出，該輸出正比于該儀表中流體的密度，該輸出是一個方波，頻率為該振動系統(tǒng)的固有頻率。一個彈簧系統(tǒng)的固有頻率f可由質(zhì)量m和彈性系數(shù)k直接算出f＝k1m(11)]]>在流量管的情況下，振動系統(tǒng)可以分為管子質(zhì)量m和流體質(zhì)量mf。由于管子容積是常數(shù)，因此流體質(zhì)量正比于流體密度(p)。于是密度可直接用管子的頻率f和常數(shù)k1和k2表示p＝ (k1)/(f2) +k2(12)
常數(shù)k1和k2可以通過使敏感器管充滿兩種已知密度的流體(在相同溫度下)和注意由此得出的頻率來確定。
第747，706號專利申請文件已經(jīng)揭示了使用上述儀器測定質(zhì)量流量、密度和兩相液體流的一些量的方法，但尚未揭示使用Coriolis型儀器測量蒸汽質(zhì)量，并且假定兩相液體的所有相都以相同的速度運動。為了確定氣體和液體的相對量，必須計算出兩相的汽化氣和液體的壓縮率差和液體流經(jīng)該管的速度差。
業(yè)已發(fā)現(xiàn)，Coriolis儀器的視在的質(zhì)量流輸出(在一個實施例中，頻率輸出)取決于總質(zhì)量流率和在流量管內(nèi)兩相分布?？梢詠碛没旌衔锩芏然驘o滑流液體滯流量來表征相分布。于是，一種最小平方分析法可以利用視在的質(zhì)量流輸出和流量參數(shù)之間的下列相關(guān)關(guān)系，并使用下式中的任一公式計算。
式中Hz是視在的質(zhì)量流率輸出(在一實施例中是頻率)，WT是兩相質(zhì)量流率(lb/min(磅/分))，ρm是混合物密度(lb/ft3(磅/英尺3))，定義為(XρV+1-XρL)-1]]>，其中ρV是汽化氣密度，ρL是液體密度)，
λ是無滑流液體滯流量(定義為 (WL/ρL)/(WL/ρL+WV/ρV) ，其中WL是液體質(zhì)量流量，WV是汽化氣質(zhì)量流量)，Ki是常數(shù)。
公式13和14中WT的指數(shù)通常近似于1，這就說明視在的物質(zhì)量流量輸出近似地正比于質(zhì)量流率。λ和ρm項是修正項，考慮了兩相的特點。
來自Coriolis儀器的視在密度輸出(在一個實施例中，電流輸出)正比于和基于U形管的振動頻率。視在密度輸出與氣體流率相關(guān)，還與液體滯流量或混合物密度相關(guān)。所得出的相關(guān)關(guān)系可由以下公式中的任一公式給出
式中mA是視在密度(在一個實施例中，是電流輸出)，W是汽化氣流率(lb/min(磅/分))，ρm是混合物密度(lb/ft3(磅/英尺3))，λ是無滑流液體滯流量，Ci是常數(shù)。
當(dāng)使用密度值時，線壓力的影響是存在的，當(dāng)無滑流液體滯流量當(dāng)作相關(guān)參數(shù)(式16)時，線壓力的影響認(rèn)為消除了，因而是較佳的。
應(yīng)用以上公式，已知的并且變化質(zhì)量的兩相流體允許流經(jīng)U形管。采用最小平方分析法來確定公式13和15或14和16中的Ci和Ki值。然后，允許未知質(zhì)量的流體流流經(jīng)該U形管，測量蒸汽的壓力和溫度，以及Coriolis儀器的電流輸出和頻率輸出。然后確定蒸汽質(zhì)量如下a.估計蒸汽質(zhì)量x;
b.根據(jù)蒸汽的壓力和溫度，由標(biāo)準(zhǔn)蒸汽表確定汽化氣密度ρv和液體密度ρ2;
c.由下式計算混合物密度ρm;
d.由公式13計算WT，由公式15計算WV，然后由下式計算WL;
WL＝WT-WVe.根據(jù)質(zhì)量和下式計算x;
X= (WV)/(WV+WL)f.調(diào)整x的估算值并返回步驟b。
用疊代逼近法試算，直到估算的質(zhì)量和計算所得的質(zhì)量收斂于一個可接收的水平為至。
示例
應(yīng)用圖2所示的試驗裝置來檢測上述發(fā)明的實用情況，使用空氣和水以測試Coriolis儀器3的兩相流測量性能。
壓縮空氣經(jīng)過壓縮空氣管4流入該系統(tǒng)，水經(jīng)水箱5和水管6通過水泵7流入該系統(tǒng)?？諝夂退牧髀史謩e由儀器8和9監(jiān)測。空氣和水的流率分別由閥門10和11調(diào)節(jié)。空氣和水混合后，在靜態(tài)混合器12中充分?jǐn)嚢韬蜕⒉奸_，采用管道壓力范圍為20～120psig(表壓(磅/吋2))。
流量測試是在高的空氣和水比值下進(jìn)行的，以模擬蒸汽流條件。在此空氣和水的比率范圍時，夾帶由空氣流進(jìn)入而產(chǎn)生細(xì)小水滴的流動是均勻的(homogeneous)。
在每次測試操作期間，空氣流率保持一定，而水流率允許變化。在相同的空氣流率條件下進(jìn)行的測試在不同的管壓下要重復(fù)進(jìn)行。
實驗是在以下情況下進(jìn)行的空氣的流率范圍為100～167scfm(標(biāo)準(zhǔn)立方呎/分)，水的流率范圍為0.5～2.6gpm(加侖/分)，管壓范圍為20～120psia(絕對壓強(qiáng)(磅/吋2))。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)13用以記錄以下流動數(shù)據(jù)，即包括空氣和水的流率，管道靜態(tài)壓力，Coriolis儀器的頻率F和電流C的輸出。根據(jù)Coriolis儀器的頻率輸出進(jìn)行以下全面質(zhì)量的觀測1.頻率輸出隨著質(zhì)量流率的增加而增大，這表明該儀器的Coriolis原理適用于兩相流;
2.低于某一閾值時，該頻率輸出不響應(yīng)質(zhì)量流率的變化;
3.在每一空氣流率時，頻率輸出隨著管壓的增加而增加，對于管壓的這種依賴性部分地是由兩相混合物的壓縮率造成的。
在測試中所用的Coriolis儀器(由MicroMofion公司生產(chǎn)的)的電流輸出范圍為4～20mA(毫安)。在兩相流測試期間，實際的輸出范圍為4～8mA。兩相混合物的低密度說明了低的電流輸出值。
由于該流是均勻的，因此混合物密度可利用無滑流滯流量值進(jìn)行計算。圖3和圖4示出了在不同的空氣流率和管壓時電流輸出與混合物密度之間很好的相關(guān)關(guān)系。由于在高的空氣和水的比值的條件下，管壓對電流輸出有影響，混合物密度與管壓成正比。
高于上述閾值的、含有質(zhì)量率的頻率數(shù)據(jù)，用來研究量參數(shù)之間的相關(guān)關(guān)系。
頻率輸出取決于總質(zhì)量流率和在流量管內(nèi)的兩相分布。應(yīng)用混合物密度或無滑流液體滯流量來表征相分布。最小平方分析得出頻率輸出和流量參數(shù)之間的下列相關(guān)關(guān)系Hz＝0.7186 W1.0511Tρ0.2274m(17)或Hz＝10.3354 W0.7945Tλ0.3802(18)式中Hz是該儀器的頻率輸出，Hz(赫芝);
WT是兩相質(zhì)量流率，lb/min;
ρm是混合物密度，lb/ft3;
λ是無滑流液體滯流量。
λ和ρm項是修正項，它考慮了兩相的性能。
電流輸出與空氣流率和液體滯流量或混合物密度相關(guān)，所得出的相互關(guān)系如下mA＝11.1465W-0.2805aρ0.0647m(19)或mA＝15.2262W-0.1774aλ0.1122(20)式中mA是電流輸出，mA，Wa是空氣流率，lb/min，ρm是混合物密度，lb/ft3，λ是無滑流液體滯流量。
將預(yù)期的質(zhì)量Xcalc和流率WTcalc與根據(jù)圖3和圖4中的三種獨立的試的測量值相比較。
可以理解的是，上述實施例的意圖是解說性的，也是沒有限定性的。最值得注意的是，本發(fā)明可以用于測量除了蒸汽以外的流動流中的液體和汽化氣的相對量。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)以上述描述來解釋，而應(yīng)用所附的權(quán)利要求與其相應(yīng)的充分寬的范圍來解釋。
權(quán)利要求
1.在流動的氣體/液體流中確定質(zhì)量的一種方法，包括a.至少使第一氣體/液體流流經(jīng)Coriolis型流量計，上述第一氣體/液體流具有已知的第一質(zhì)量；b.使上述已知的第一質(zhì)量與取自上述Corolis型流量計的轉(zhuǎn)角型參數(shù)和頻率型參數(shù)相關(guān)，以確定一組相關(guān)因數(shù)；c.使第二氣體/液體流流經(jīng)上述Coriolis型流量計；和d.根據(jù)上述相關(guān)因數(shù)，計算上述第二氣體/液體流的質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中所提出的方法，其中所述轉(zhuǎn)角型參數(shù)是取自上述Coriolis型流量計的電流輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中所提出的方法，其中所述相關(guān)步驟應(yīng)用下式mA＝f〔(WV)，(λ)〕式中，mA是所述的電流輸出，λ是無滑流滯流量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1中所提出的方法，其中所述使相關(guān)步驟應(yīng)用了下式mA＝(K1)(WV)K2(λ)K3式中mA是所述的電流輸出，K1、K2、K3都是常數(shù)，λ是無滑流滯流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1中所提出的方法，其中所述使相關(guān)步驟應(yīng)用了下式Hz＝f〔(WT)，(λ)〕式中Hz是所述的頻率型參數(shù)，WT是所述蒸汽流的質(zhì)量流率，λ是無滑流液體滯流量。
6.根據(jù)權(quán)利要求1中所提出的方法，其中所述的使相關(guān)步驟應(yīng)用了下式Hz=(K1)(WT)K1(λ)K.1]]>式中Hz是所述的頻率型參數(shù)，K1、K2、K3都是常數(shù)，WT是所述蒸汽流的質(zhì)量流率，λ是無滑流液體滯流量
7.根據(jù)權(quán)利要求1中所提出的方法，其中所述的氣體/液體流量兩相流。
8.根據(jù)權(quán)利要求5中所提出的方法，還包括分散該兩相流的步驟。
9.在流動氣體/液體流中確定氣體和液體相對量的方法，包括a.使氣體/液體流流經(jīng)Coriolis型流量計;b.確定上述Coriolis型流量計的振動U形管的轉(zhuǎn)角;c.確定上述Coriolis型流量計的振動U形管的頻率;d.根據(jù)所述的轉(zhuǎn)角、所述的頻率和從至少第二氣體/液體流中得出的相關(guān)常數(shù)，確定所述流的氣體和液體的相對量，而上述第二氣體/液體流具有已知的氣體和液體的相對量。
全文摘要
揭示了一種確定蒸汽質(zhì)量和質(zhì)量流率的方法，該方法使用Coriolis型儀器。已知質(zhì)量的、流動流流經(jīng)該儀器，利用該儀器的頻率型輸出和轉(zhuǎn)角型輸出可以得出各種相關(guān)因數(shù)。未知的流動流的質(zhì)量就可以確定出。
文檔編號G01F1/76GK1035177SQ8810726
公開日1989年8月30日 申請日期1988年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月22日
發(fā)明者K·T·利厄, 塔恩V·納古印 申請人:切夫爾昂研究公司