[发明专利]单截面阻抗式长腰内锥传感器及多相流测量装置

说明书

技术领域

本发明属于流体测量技术领域，具体涉及一种融合差压测量原理与电学测量原理的测量装置，用于确定连续相为导电相或者非导电相的多相流各相组分含率、流速及流量等参数。本发明以油/气/水多相流测量为描述对象，但并不仅限于该应用，在其他工业过程和化学反应中本发明的测量装置仍适用。

技术背景

多相流通常指同时存在两种或两种以上物质的流动，包括气液两相流、气固两相流、液固两相流、液液两相流以及气液液和气液固多相流等。管路内多相流经常出现在动力、核能、化工、石油、制冷、冶金、管道输送、宇航、医药、食品等现代工程领域与设备中，如不实现对其流动过程参数的准确测量就无法保证有关设备的可靠设计和安全运行。多相流在自然界和工业过程中存在的广泛性和应用的重要性使其在国民经济和日常生活中占有十分重要的地位。随着动力工业及石化工业迅速发展，以及对环境保护的日益重视，促使多相流领域研究工作迅速发展，目前已成为国内外给予极大关注的前沿学科。

由于多相流各相间存在界面效应和相对速度，相界面在时间和空间上均呈随机变化，致使多相流的流动特性远比单相流复杂，特征参数也比单相流多。目前油气水三相流测量方法可以分为两方面：1、将多相流视作气液两相流进行流量的测量。2、对多相流中各相组分含率的测量。其中将多相流视作气液两相流测量流量的方法主要有：相关法、容积法、节流法、涡轮式检测法、激光多普勒法、PIV粒子成像测速法、热线热膜风速仪、过程层析成像技术、核磁共振法以及科里奥利法等，这几种方法应用范围广泛，但需其他辅助测量手段(如密度计等)测量含气率。相含率的测量方法有两种，一是间接法，即通过实验回归或理论推导得出以气液两相介质的物性参数和工艺参数为函数的相含率计算式；二是测量装置直接测量法，如电磁波检测法、电导法、电容法、热学法、微波法、γ组分表法和核磁共振法等。在实际测量中，一般采用测量装置直接测量法确定相含率。

应用传统的单相流测量仪表与两相流辅助参数测量手段相结合是解决管道内多相流过程参数测量问题的一种主要思路。差压式流量计，如孔板、文丘里管、喷嘴和内锥式流量计等，是目前应用最多的一种工业在线流量测量仪表，在多相流过程参数测量领域的研究也比较普遍。其中内锥式流量计将流体节流收缩到管道中心轴线附近的概念从根本上改变为利用同轴安装在管道中心的锥体将流体逐渐节流收缩到管道内壁，通过测量锥体前后差压确定流体流量。内锥流量计能在更短的直管段条件下，以更宽的量程比对洁净或脏污流体实现更准确、更有效的流量测量，但是其自身结构特点也存在一些缺点：在锥体尾部存在漩涡区造成此处取压信号存在脉动，使测量精度和重复性降低，且整体压损较大，如根据多相流的流动特征对内锥式流量计做结构变形，如内文丘里管、纺锤体流量计和梭式流量计等，能有效提高其在多相流测量中的精度和稳定性。基于电学敏感原理的多相流测量方法已有较好的理论和应用基础，通过测量管道内流体的电学参数(电阻抗、介电常数等)变化实现多相流各相组分含率的测量，该方法根据测量参数的不同而分为电容式、电导式等模态。如果采用多模态传感器与多工作模式(激励测量策略)组合方法，利用各模态的测量优势，通过组合优化可实现多相流过程参数的综合提取，及流动信息的全面准确地获得。

专利CN99257650.4、CN200420093532.6、CN200420061026.9分别公布了一种用于节流装置的异型文丘里管、纺锤体流量计、梭式流量计，均为克服内锥流量计一些不足而设计的。异型文丘里管相对内锥流量计在腰部，增加等直径段，形成环形流通空间，有助于改善流出系数的稳定性，但是将动能转化为势能的出口圆锥形扩散段短而角度大，流体通过锥体后分离而产生漩涡，永久压损相对内锥流量计并无明显改善。纺锤体流量计和梭式流量计十分接近，仅在外形轮廓上有所区别：纺锤体流量计的节流件是流线型的纺锤体，而梭式流量计的节流件是由前锥体、中间等直径段体和后锥体组成的梭形体，节流件沿管道轴线安装，中间具有一段足够长的等直径段，与管道内壁之间形成均匀的环形通道。这两种变形体在流出系数稳定性，抗扰流性及低压损性均优于内锥流量计，但是节流件过长(4倍于管道内径)，在管径较大时显得比较笨重，并且测量多相流过程参数相对单一，需要配合其他流量计才能完成过程参数的测量。