管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装置及方法

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，具体涉及一种管内相分隔式高含气率气液 两相流体流量测量装置及方法。

背景技术

本发明中的“相”是指多相流体中物理性质相同的各部分，如气相、液相、 油相、水相等。其中气相和液相既可以是单组份物质，也可以是多组分物质的 均匀混合体，如空气，原油等。管内相分隔是指把各相分别汇聚隔离到管道内 一个特定区域，以便最终实现完全分离的过程。在两相流测量技术中，分离法 仍然是目前最可靠和精度最高的技术。因为这种方法是把气液两相流体分离成 单相气体和液体后，再分别用单相流量计测量各相流量，实际上等于把多相流 计量转化成了单相流计量，因而能够避免流型变化和流动不稳定等因素对测量 的影响，同时也就免除了建立专门的多相流标定系统以及相应的量值传递体系 的浩瀚工程。如美国专利US4688418“Method and apparatus for determing mass  flow rate and quality in a steam line”,公开了一种使用旋风分离器的蒸 汽流量干度测量系统。但这类方法的最大缺点是设备庞大、造价高、自动控制 系统复杂，且测量的实时性差。这些缺点严重限制了它在工程上的广泛应用。 为了缩小分离器的体积，改善测量特性，人们进行了很多尝试，如美国专利 US6128962“Three-phase fluid flow measurement system and method”，公 开了一种使用小型分离器的三相流测量装置。这种方法也称为部分分离法 (partial separation)，从中可以看出，分离器的尺寸的确缩小了，但是却牺 牲了分离效率，不能将三相流彻底分离成单相流，因而影响了测量精度，为此 而必须增加一些修正手段。美国专利US5390547“Multiphase flow separation  and measurement system”和US7311001“Multiphase flow measurement  apparatus and method”分别公开了一种多相流测量装置,试图不用专门的分离 设备，仅利用多相流体管道本身构成一种分离系统。从表面上看，该系统的确 省掉了传统的分离器，但是由于所采用的管道直径和长度尺寸都非常大，而且 也使用了外置式旋风分离方式，因此实质上它与传统的分离法并没有实质的区 别。中国专利ZL98113068.2公开了一种分流分相式测量方法。通过采用成比例 的分流手段，使实际进入分离器的流量大为减少，从而成倍降低了所需分离器 的体积。但在使用中会遇到一个困难，当两相流中的液相或气相的流量很小(高 含气率或低含气率)时，由于经过了分流，因而从分离器流出的液相或气相流 量就更小，以至于低于现有最小流量计的测量下限，导致测量困难，甚至无法 计量。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种管内相分 隔式高含气率气液两相流体流量测量装置及方法，通过采用管内相分隔技术， 配合离心和重力分离作用，经过多个分离步骤完成气液两相流体在管道内的完 全分离，从而大幅度缩小分离法类气液两相流测量装置的体积，改善测量的实 时性，并显著降低制造成本，以便于在工程上广泛应用。

为了更好地阐明本发明的技术方案，下面先简要分析一下气液两相流在高 含气率时在管内的流动形态(流型)。

气体01以连续态的形式(图中空白部分)分布在管道2内，而液体则以三种 形式存在于管道2内：以细小液滴4(微米级及以下)分散在气体中，以较大液 滴6(毫米级)悬浮在气流中和以连续液膜8紧贴在管壁上。在流速较低时(小 于4-6米/秒)液膜8会沉积在管道2的底部，流速进一步增加时(大于等于6-12 米/秒)，形成半环状流，流速较高时(大于12-16米/秒)，液膜8能形成环状。 当管道2垂直放置时，由于受力对称，液体的分布形式与水平管流速较高时形成 环状相似，但液膜8的厚度沿圆周分布会更均匀些。由此可知，高含气率气液两 相流体在管道内流动时，液体不会分散成极小的液滴均匀混合在气流中，形成 所谓的雾状流；相反，在流动过程中两相流体之间总存在一种较强的自发分离 趋势：液滴会聚合成液膜，小气泡会合并成大气泡，气体和液体均会自发地分 别向特定的区域汇集。但是另一方面，在流动过程中气相和液相之间确实也会 相互混合，造成已经沉积在管壁上的液膜随时会被气体再次卷进气流中。流速 越高，气液之间的密度差越小，这种混合作用就越明显。事实上在整个流动过 程中，分离和混合总是相伴在一起，它们会在不同的条件下达到不同的动态平 衡。在传统分离器中，主要是利用离心力将液体驱赶到筒壁上形成液膜，然后 再利用重力将其最后分离。为了避免气流重新卷走已形成的液膜(二次携带)， 一般在设计上都会严格控制分离筒内的轴向流速。只要轴向流速足够低，这种 二次携带就十分微弱。根据设计经验，这一临界流速为0.1米/秒～4米/秒，远 低于气液两相流体在管道内的正常流速。因此分离器的直径一般总比与之相连 的管道直径大好几倍。这就是分离器尺寸难以减小的主要原因。

从上述分析可以看出，分离和混合是同时存在的一对矛盾，两者始终处于 一种动态平衡中。如果能在这一动态过程中及时将已经分离出来的液膜与气流 隔离，那么平衡就会不断朝着分离的方向发展，直至将气流中所有的液体都分 离干净。因此像传统分离器那样，为了避免二次携带而一味增大分离筒的直径 (来降低轴向流速)，只是实现气液分离的一种有效方法，但并不是唯一的方法， 也绝不是一个必要条件,况且根据离心加速度的公式(a＝V²/R,V为切向流速，R 为分离筒的半径)，增大分离筒半径R也会同时降低离心加速度，直接影响分离 效果，所以，传统分离法并不能算是最佳的分离方法。事实上只要能促使分离 与混合之间的动态平衡不断朝着分离的方向发展，气液两相流体在管道内也是 能够实现完全分离的，而且由于直径小，离心力会更大，因而也更有利于强化 分离作用。本发明就是依照这一思路而形成的。

本发明采用如下技术方案：

一种管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装置，包括管道2，通过 前隔板53a和后隔板53b固定于管道2内壁上的内管12，管道2的内壁与内管 12的外壁之间保持一个夹层空间14，沿流动方向，所述内管12包括依次连通 且同轴的内管前段12a、渐缩管32、旋流管34、过渡管36、渐扩管38和内管 后段12b，在内管前段12a内设置有第一旋流器16和第二旋流器22，在内管后 段12b内设置有消旋器52和气体流量计54；所述内管12的管壁上分布有贯穿 孔或割缝15；内管12内还包含一个中心管24，所述中心管24的入口与设置在 管道2顶部的回气管46的出口相连通，中心管24的出口与过渡管36相连通， 回气管46的入口与设置在管道2顶部与夹层空间14连通的小型常规分离器45 的顶部相连通；在所述管道2的底部依次设置有和与夹层空间14连通的第一落 液管18、第二落液管26、第三落液管28和液体测量管29；第一落液管18底部 与液体测量管29的入口相连通，第二落液管26和第三落液管28通过连通管27 连通，并通过连通管27和第一落液管18的侧面相连通；在第一落液管18内安 装有液位计58；在液体测量管29上安装有调节阀57和液体流量计56，所述调 节阀57和液位计58通过控制信号线59连接。

所述内管12的管壁上分布的贯穿孔的孔径或割缝15的宽度为管道2内径 的百分之一以下但不小于2毫米。

所述中心管24与管道2、内管12、第二旋流器24、渐缩管32、旋流管34 和过渡管36同轴安装，并从它们的中心穿过。

所述第一落液管18的直径小于或等于管道2的直径，第二落液管26和第 三落液管28的直径不超过管道2的直径的三分之一。

所述的夹套空间14内设置有固定在管道2内壁上的第一环板17b,还设置有 固定在内管12外壁上的第二环板17a，其中固定在内管12外壁上的第二环板 17a外缘与管道2内壁的间隙以及固定于管道2内壁上的第一环板17b内缘与内 管12外壁的间隙为1～5mm,沿管道轴线方向，第一环板17b和第二环板17a交 错布置，形成气封组件。

所述过渡管36的外径比旋流管34的内径小1～6mm,并且入口端37伸入旋 流管34内至少50mm,出口端与渐扩管38连接，过渡管36的外壁与旋流管34的 内壁形成一个缝隙39。

所述第一旋流器16和第二旋流器22由4～8片螺旋叶片围绕一个中心轴而 成，螺旋叶片与中心轴为一个整体，而螺旋叶片外缘与内管12的内壁紧密接触， 没有间隙；第一旋流器16的叶片螺旋角至少大于第二旋流器22的叶片螺旋角 2°。

所述的前隔板53a为一圆锥管，安装于测量装置的入口处，上游一端与管 道2的内壁相连接，下游一端与内管12相连接；或前隔板53a是一块环板，此 时该环板安装于距测量装置入口处下游一段的位置上，并且与管道2的底部之 间留有1-6毫米的间距。

所述的消旋器52为一组与内管12的轴线平行布置的平板。这些平板把内 管后段12b的内部空间分隔成若干流通面积相等或分布对称的小流道。

上述所述的管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装置的测量方 法：当高含气率气液两相流体从前隔板53a进入内管12时，在重力作用下，液 膜8的一部分通过内管12上的贯穿孔或割缝15落入夹层空间14中，其余液膜 8会在气液两相流体流过第一旋流器16时所产生的离心力作用下排入夹层空间 14中；当排除液膜后的气液两相流体流过第二旋流器22时，旋转得到进一步的 加强，分散在气流中的较大液滴6会被离心力驱赶到内管12的内壁上，继而通 过贯穿孔或割缝15进入夹层空间14中；当仅含细小水滴的旋转气流通过渐缩 管32时，旋转半径大幅缩小，根据动量矩守恒定律，此时气流的旋转速度会得 到大幅度的提高，在强大离心力的作用下，分散在气流中的细小液滴会在旋流 管34内被甩到壁面上，形成很薄的一层液膜，或汇聚在壁面附近的一个很薄的 边界层内，这层液膜连同少量的气体会依靠惯性从旋流管34的内壁与过渡管36 外壁之间的缝隙39中流入夹层空间14中；其余干气则通过过渡管36进入渐扩 管38中；内管12中的气体除了会从旋流管34内壁与过渡管36外壁之间的缝 隙39进入夹层空间14外，也会伴随液膜8和液滴6从内管上的贯穿孔或割缝 15流进夹层空间14中；通过调节气封组件17a、17b和缝隙39的尺寸，就能够 控制进入夹层空间14的这部分气体的流量；在夹层空间14内，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内，气体则 携带少量细小液滴进入小型常规分离器45中，经过小型常规分离器45脱湿后， 干气经过回气管46流入中心管24内，然后在过渡管36内与旋流管34中的干 气汇合，再一同经过渐扩管38降速升压以及消旋器52整流后，由气体流量计 54测量其流量，最后流出内管后段12b，回到管道2内；从第一落液管18、第 二落液管26和第三落液管28来的三股液体先汇集于第一落液管18内，然后从 其底部进入液体测量管27，经过调节阀57控制后由液体流量计56测量其流量， 最后流入管道2内，与从内管后段12b流出的干气汇合，一同流出流量测量装 置。

和现有技术相比较，本发明具有如下优点：

本发明共分四步完成气液两相流体在管道内的完全分离。第一步，通过重 力和适当的离心力先把管道内已自然形成的液膜8与气流隔离；第二步，通过 对两相流施加离心力强化分离作用，把尺寸较大的液滴4驱赶到管壁上形成液 膜并与气流相隔离；第三步，通过进一步加强离心力把气流中细小的液滴6隔 离出来；第四步，把隔离过程中伴随液膜8和液滴6的少量气体分离出去，并 将其返回到气体测量管路中去，完成气液两相流体在管道内的完全分离。在气 液两相流体实现完全分离后就可以分别用单相流量计测量气体和液体的流量。

为完成上述分离过程，本发明采用的主要隔离装置包括：管道，设置于管 道内的内管，内管上的贯穿孔和割缝以及用于固定内管的前后隔板。采用的强 化分离元件包括：两级旋流器，渐缩管和旋流管。这些元件既可以把气流中的 液滴驱赶到壁面上形成液膜或限制在壁面附近很薄的边界层内，同时所产生的 离心力也有助于实现相分隔。为了更有效地实现相分隔，分隔过程中需要少量 的气体伴随液膜和液滴一起进入液体的汇集区。这些气体的加入既是不可避免 的，同时也可以提高整个分离系统的效率。但是为了完成气液两相流体在管内 的完全分离，最后还必须要把这些气体从所伴随的液体中分离出去，并返回到 气体测量管路中去。由于它们的量相对较少，并且在夹层空间内能依靠重力作 用分离出一部分，故本发明只设置了一个直径小于或等于管道直径的小型常规 分离器，以及与之相连通的回气管、中心管以及液体返回通道。最后，完成气 体和液体流量测量的装置包括一个气体和一个液体流量计，消旋器以及液位测 量和调节装置。

总之，本发明通过采用管内相分隔技术，配合离心和重力分离作用，经过 多个分离步骤完成气液两相流体在管道内的完全分离，从而大幅度缩小分离法 类气液两相流测量装置的体积，改善测量的实时性，并显著降低制造成本，以 便于在工程上广泛应用。

附图说明

图1是高含气率(体积含气率大于90％)时气液两相流体在水平管道内的流 型示意图；其中：图1A为流速较低时(小于4-6米/秒)液膜沉积在管道的底部 示意图，图1B为流速进一步增加时液膜形成半环状流的示意图，图1C为流速较 高时液膜形成环状的示意图。

图2是本发明的高含气率气液两相流体的流量测量装置的结构示意图，其中 箭头标示表示流体的流动方向。

图3是旋流管34与过渡管36两者结合处的局部放大图。

图4是分离区间I的另一种结构形式。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更详细的说明。

附图1是根据目前两相流的研究结果，如Mandhane流型图，绘制的气液两相 流体在高含气率(体积含气率大于90％)时在水平管内的流态示意图。气体01以 连续态的形式(图中空白部分)分布在管道2内，而液体则以三种形式存在于管 道2内：以细小液滴4(微米级及以下)分散在气体中，以较大液滴6(毫米级) 悬浮在气流中和以连续液膜8紧贴在管壁上。在流速较低时(小于4-6米/秒)液 膜8会沉积在管道2的底部(附图1，A)，流速进一步增加时(大于等于6-12米/ 秒)，形成半环状流(附图1，B)，流速较高时(大于12-16米/秒)，液膜8能形 成环状(附图1，C)。当管道2垂直放置时，由于受力对称，液体的分布形式与 附图1(C)相似，但液膜8的厚度沿圆周分布会更均匀些。

如图2所示，本发明一种管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装 置，包括管道2，通过前隔板53a和后隔板53b固定于管道2内壁上的内管12， 管道2的内壁与内管12的外壁之间保持一个夹层空间14，沿流动方向，所述内 管12包括依次连通且同轴的内管前段12a、渐缩管32、旋流管34、过渡管36、 渐扩管38和内管后段12b，在内管前段12a内设置有第一旋流器16和第二旋流 器22，在内管后段12b内设置有消旋器52和气体流量计54；所述内管12的管 壁上分布有贯穿孔或割缝15；内管12内还包含一个中心管24，所述中心管24 的入口与设置在管道2顶部的回气管46的出口相连通，中心管24的出口与过 渡管36相连通，回气管46的入口与设置在管道2顶部与夹层空间14连通的小 型常规分离器45的顶部相连通；在所述管道2的底部依次设置有和与夹层空间 14连通的第一落液管18、第二落液管26、第三落液管28和液体测量管29，第 一落液管18底部与液体测量管29的入口相连通，第二落液管26和第三落液管 28通过连通管27连通，并通过连通管27和第一落液管18的侧面相连通，在第 一落液管18内安装有液位计58，在液体测量管29上安装有调节阀57和液体流 量计56，所述调节阀57和液位计58通过控制信号线59连接。

作为本发明的优选实施方式，所述内管12的管壁上分布的贯穿孔的孔径或 割缝15的宽度为管道2内径的百分之一以下但不小于2毫米。

作为本发明的优选实施方式，所述小型常规分离器45的下部安装有均气板 42和涡轮叶片43，上部安装有波形板组件44；小型常规分离器45的直径小于 或等于管道2的直径。

作为本发明的优选实施方式，所述中心管24与管道2、内管12、第二旋流 器24、渐缩管32、旋流管34和过渡管36同轴安装，并从它们的中心穿过。

作为本发明的优选实施方式，所述第一落液管18的直径小于或等于管道2 的直径，第二落液管26和第三落液管28的直径不超过管道2的直径的三分之 一。

作为本发明的优选实施方式，所述的夹套空间14内设置有固定于管道2内 壁上的第一环板17b,还设置有固定于内管12外壁上的第二环板17a，其中固定 在内管12外壁上的第二环板17a外缘与管道2内壁的间隙以及固定于管道2内 壁上的第一环板17b内缘与内管12外壁的间隙为1～5mm,沿管道轴线方向，第 一环板17b和第二环板17a交错布置，形成气封组件。

作为本发明的优选实施方式，如图3所示，所述过渡管36的外径比旋流管 34的内径小1～6mm,并且入口端37伸入旋流管34内至少50mm,出口端与渐扩管 38连接，过渡管36的外壁与旋流管34的内壁形成一个缝隙39。

作为本发明的优选实施方式，所述第一旋流器16和第二旋流器22由4～8 片螺旋叶片围绕一个中心轴而成，螺旋叶片与中心轴为一个整体，而螺旋叶片 外缘与内管12的内壁紧密接触，没有间隙；第一旋流器16的叶片螺旋角至少 大于第二旋流器22的叶片螺旋角2°。

作为本发明的优选实施方式，所述的渐缩管32为一圆锥形管，其入口直径 大于出口直径，其内壁与轴线之间的夹角为10°～23°。

作为本发明的优选实施方式，所述的旋流管34为一段圆管，其长度为其内 径的1～4倍。

作为本发明的优选实施方式，所述的渐扩管38为一圆锥管，其入口直径小 于出口直径，其内壁与轴线的夹角为2°～8°。

作为本发明的优选实施方式，如图2所示，所述的前隔板53a为一圆锥管， 安装于测量装置的入口处，上游一端与管道2的内壁相连接，下游一端与内管 12相连接；或如图4所示，前隔板53a是一块环板，此时该环板安装于距测量 装置入口处下游一段的位置上，并且与管道2的底部之间留有1-6毫米的间距， 前分隔板53a从内管12的入口端向下游移动了一段距离，使液膜8可以直接流 入夹层空间14内。此时前分隔板53a与管道2的底部之间留有足够的间隙，以 保证液膜通过。

作为本发明的优选实施方式，所述的消旋器52为一组与内管12的轴线平 行布置的平板。这些平板将内管后段12b的内部空间分隔成若干流通面积相等 或分布对称的小流道。

上述所述的管内相分隔式高含气率气液两相流体流量测量装置的测量方 法：本发明共分四步完成气液两相流体在管道内的完全分离，四个步骤分别在 图2所示的I、II、III和IV的对应分离区间内完成。如附图2所示，当高含 气率气液两相流体从前隔板53a进入内管12时，在重力作用下，液膜8的一部 分通过内管12上的贯穿孔或割缝15落入夹层空间14中，其余液膜8会在气液 两相流体流过第一旋流器16时所产生的离心力作用下排入夹层空间14中；当 排除液膜后的气液两相流体流过第二旋流器22时，旋转得到进一步的加强，分 散在气流中的较大液滴6会被离心力驱赶到内管12的内壁上，继而通过贯穿孔 或割缝15进入夹层空间14中；当仅含细小水滴的旋转气流通过渐缩管32时， 旋转半径大幅缩小，根据动量矩守恒定律，此时气流的旋转速度会得到大幅度 的提高，在强大离心力的作用下，分散在气流中的细小液滴会在旋流管34内被 甩到壁面上，形成很薄的一层液膜，或汇聚在壁面附近的一个很薄的边界层内， 如图3所示，这层液膜连同少量的气体会依靠惯性从旋流管34的内壁与过渡管 36外壁之间的缝隙39中流入夹层空间14中；其余干气则通过过渡管36进入渐 扩管38中；内管12中的气体除了会从旋流管34内壁与过渡管36外壁之间的 缝隙39进入夹层空间14外，也会伴随液膜8和液滴6从内管上的贯穿孔或割 缝15流进夹层空间14中；通过调节气封组件17a、17b和缝隙39的尺寸，就 能够控制进入夹层空间14的这部分气体的流量；在夹层空间14内，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内，气 体则携带少量细小液滴进入小型常规分离器45中，经过小型常规分离器45脱 湿后，干气经过回气管46流入中心管24内，然后在过渡管36内与旋流管34 中的干气汇合，再一同经过渐扩管38降速升压以及消旋器52整流后，由气体 流量计54测量其流量，最后流出内管后段12b，回到管道2内；从第一落液管 18、第二落液管26和第三落液管28来的三股液体先汇集于第一落液管18内， 然后从其底部进入液体测量管27，经过调节阀57控制后由液体流量计56测量 其流量，最后流入管道2内，与从内管12流出的干气汇合，一同流出流量测量 装置。