本發(fā)明涉及天然氣流量計量技術領域，具體為基于整流技術的超聲與靶式流量計組合式濕天然氣流量測量技術。

背景技術：

在油氣計量領域，濕天然氣(下面簡稱濕氣)是一種特殊的氣液兩相流形態(tài)，一般指氣相體積含率大于90％，液相與其他組分體積含率小于10％的油氣混合物。美國石油學會將lockhart-martinelli(l-m)參數(shù)的氣液兩相流定義為濕氣。雖然液相成份的體積含量通常不多,但是由于液相的存在增加了濕氣流動的不穩(wěn)定性，其動力學特性極其復雜。由于液滴重力及氣體表面張力的作用，一部分大的液滴便沉積在管壁,形成連續(xù)的環(huán)狀液膜。一般水平管道中存在的濕氣流型主要為環(huán)狀流、分層流。這些流型不利于濕氣流量測量，對濕氣流量計量的準確性造成了較大的影響。

目前濕氣流量計量的方案主要有：

(1)分離法：通過分離器將濕氣完全分離成氣相和液相部分，這種分離器一般使用重力或通過旋流分離作用實現(xiàn)氣液分離。再用成熟的單相流量計分別進行計量。但由于分離設備一般比較昂貴且占地面積較大，不適合在偏遠的沙漠和海洋石油平臺使用。

(2)直接測量法：用單相氣體流量計直接測量濕氣。應用較多的有差壓式流量計，如孔板、文丘里流量計等。還有非壓差法，如渦街流量計，渦輪流量計，超聲波流量計等。由于沒有使用多相流量儀表，無法獲得液量的信息，液相的存在會引起壓降增大造成虛高。所以需要建立一個濕氣測量半經(jīng)驗公式模型進行修正。業(yè)內(nèi)一般認為虛高和氣液兩相的lockhart-martinelli參數(shù)有關，所以對l-m參數(shù)進行迭代計算來進行修正。所有的修正都是針對氣相流量進行修正。這種方法存在以下幾個缺點：一是根據(jù)實驗結果來進行修正而沒有明確的動力學機制；二是沒有對液相流量進行修正；三是這種方法僅適用于含氣量高的一段較窄的量程。

(3)組合式測量的方法：使用輻射、超聲、示蹤等技術對濕氣進行測量或者將這些技術與傳統(tǒng)流量計結合的方式。這種技術在國外的公司有使用。不過這種技術對實驗場地和設備的要求比較高，維護使用比較復雜。還有一些技術可能會有輻射的風險，會對工作人員的健康造成影響。

由于液相的存在使得濕氣計量的誤差大，在液相占比較大時甚至無法計量。目前濕氣流量計還需要根據(jù)實際工況進行參數(shù)修正，濕氣流量計的結構各異，數(shù)學模型也各不相同，對工況的適應性不強。開發(fā)高精度低成本的濕氣流量計，是國內(nèi)外石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)所迫切需要的。

技術實現(xiàn)要素：

濕氣流量測量最終需要得到的是分相流量和分相體積含率，為了解決現(xiàn)有技術中存在的上述技術問題，本發(fā)明采用超聲與靶式流量計組合的方式實現(xiàn)濕氣的不分離測量。具體技術方案如下：

一種超聲與靶式流量計組合式濕天然氣流量測量系統(tǒng)，由噴嘴整流器，超聲流量計，靶式流量計，連接管路，壓力傳感器，溫度傳感器和計算機處理單元組成，測量管路為倒u型管，噴嘴整流器，超聲流量計和靶式流量計依次安裝于倒u型管的下降側，超聲流量計，靶式流量計，壓力傳感器，溫度傳感器分別和計算機處理單元連接。

進一步的，所述噴嘴整流器由噴嘴和下游阻尼網(wǎng)組成。

一種超聲與靶式流量計組合式濕天然氣流量測量系統(tǒng)的測量方法，

(1)采用噴嘴整流器獲得均相流動：

濕氣在流經(jīng)噴嘴出口時，管道橫截面積變小濕氣流速增大，形成射流流動，原來貼壁流動的液體在氣相的粘性剪切力作用下撕裂成細小液滴，分布在整個流動通道，下游阻尼網(wǎng)上的細絲網(wǎng)格進一步將大尺寸液滴切割撕裂為小液滴，使管道中的濕氣調(diào)整為均相(或準均相)流動；

(2)利用超聲流量計測得濕氣表觀流量：

上游換能器u和下游換能器d分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為d，超聲波行走的路徑長度為l，超聲波順流速度為ts，逆流速度為tn，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為θ；順流和逆流傳播時間分別為

其中，c是超聲波在靜止流體介質(zhì)中的聲速，v是流體介質(zhì)的流動速度，ts和tn為順流和逆流傳播時間；

將(1)式中聲速c消掉，可以得到

體積流量可以根據(jù)流速、管道流通面積等計算得出，即

q0＝kasv(3)

其中k為流量系數(shù)，as為超聲流量計測量管流通面積；

(3)利用靶式流量計獲得分相含率和分相流量：

靶式流量計在測量管道的軸線中心安裝一塊迎著來流的圓盤形靶板(11)，對于單相流動或均相流動，靶板上受到的力和流體流速的平方成正比；即

式中，cd為流動阻力系數(shù)，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)cd可認為是常數(shù)，at為圓靶面積，ρ0為濕氣表觀密度，vt為靶板與測量管內(nèi)壁間環(huán)形通道的流速，其中atf為環(huán)形通道中的面積；

將式帶入(4)式可以得到

表觀密度與分相密度、分相含率的關系見公式(6a)、(6b)；得到氣相含率αg和液相含率αl(見公式(7a)和(7b))：

ρ0＝αgρg+αlρl(6a)

αg+αl＝1(6b)

假如氣相和液相之間不存在速度滑移，即兩相流動速度相同，則氣相和液相的體積流量分別為

qg＝αgq0(8a)

ql＝αlq0(8b)

其中，qg、ql分別為氣相和液相體積流量。

氣相和液相質(zhì)量流量分別為

本發(fā)明具有的有益效果是：

濕氣的流型非常復雜，流動的不穩(wěn)定性和多變的流型給濕氣流量精確計量造成了困擾。本項發(fā)明通過噴嘴整流器將濕氣中常出現(xiàn)的環(huán)狀流、分層流流型變成均相流，如此一來就可以通過超聲與靶式流量計的組合的方式實現(xiàn)濕氣流量的在線不分離測量。

超聲流量計無插入部件，對流動無干擾，無附加壓力損失。靶式流量計結構簡單，沒有轉動、滑動等可動部件，避免磨損和束縛機構，與差壓式流量計相比，不需易堵、易漏和易凍的導壓管，也不需切斷閥、沉降器等輔助設施，給安裝和維修帶來了方便。靶式流量計還可進行防超量程損壞設計，提高儀表的適用性。

倒u型管測量管道布置，使得測量傳感器處避免了積液問題，避免液相重力分層問題。

綜上所述，超聲流量計及靶式流量計都沒有活動部件，結實耐用，一般不會造成堵塞、磨損嚴重等情況，便于后期的維護及修理。在采用有效的噴嘴整流器實現(xiàn)均相流動后，超聲與靶式流量計組合能夠有效地進行濕氣流量不分離測量，并且能夠適應現(xiàn)場復雜、惡劣的測試條件。

附圖說明

圖1為基于整流技術的超聲與靶式流量計組合式濕氣流量測量系統(tǒng)圖。

圖2為噴嘴整流器整流及超聲與靶式流量計測量管路工作示意圖。

圖3為傳播時差法超聲流量計工作原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。

如圖1所示，本發(fā)明的超聲與靶式流量計組合式濕天然氣流量測量系統(tǒng)由噴嘴整流器1，超聲流量計2，靶式流量計3，連接管路4，壓力傳感器5，溫度傳感器6和計算機處理單元7組成。測量管路為倒u型管，噴嘴整流器1，超聲流量計2和靶式流量計3依次安裝于倒u型管的下降側。

整個測量系統(tǒng)工作原理如下：

(1)采用噴嘴整流器1獲得均相流動

在水平管道中濕氣流動常見的流型為環(huán)狀流和分層流。為了獲得均相流動(或近似均相流動)以方便測量，需要對進入流量計量管段的流動進行整流，為此，本發(fā)明設計了一個噴嘴整流器。如圖2所示，噴嘴整流器1安裝于倒u型管的下降段，噴嘴整流器由噴嘴8和下游阻尼網(wǎng)9組成。濕氣在流經(jīng)噴嘴8出口時，管道橫截面積變小濕氣流速增大，形成射流流動，原來貼壁流動的液體在氣相的粘性剪切力作用下撕裂成細小液滴，分布在整個流動通道，下游阻尼網(wǎng)9上的細絲網(wǎng)格進一步將大尺寸液滴切割撕裂為小液滴，使管道中的濕氣盡可能地調(diào)整為均相流動。倒u型管的設計一方面使得測量管段不會出現(xiàn)液相分層問題，另一方面可防止傳感器部位積液。

(2)利用超聲流量計測得濕氣表觀流量

時差法超聲流量計(transittimeultrasonicflowmeter)工作原理如圖3所示。它是利用一對超聲波換能器相向交替(或同時)收發(fā)超聲波，通過觀測超聲波在介質(zhì)中的順流和逆流傳播時間差來測量流體的流速，再通過流速來計算流量的一種速度式流量測量方法。

圖3中有兩個超聲波換能器10：上游換能器u和下游換能器d，兩個換能器分別安裝在流體管線的兩側并相距一定距離，管線的內(nèi)直徑為d，超聲波行走的路徑長度為l，超聲波順流速度為ts，逆流速度為tn，超聲波的傳播方向與流體的流動方向夾角為θ。由于流體流動的原因，超聲波順流傳播l長度距離所用的時間比逆流傳播所用的時間短，順流和逆流傳播時間分別為

其中，c是超聲波在靜止流體介質(zhì)中的聲速，v是流體介質(zhì)的流動速度，ts和tn為順流和逆流傳播時間。

將(1)式中聲速c消掉，可以得到

上式中不出現(xiàn)聲速c，消除了聲速變化的影響，這樣一來，流體成分、溫度、壓力等變化所帶來的聲速變化影響無需考慮。

體積流量可以根據(jù)流速、管道形狀和尺寸計算得出，即

q0＝kasv(3)

其中k為流量系數(shù)，as為超聲流量計測量管流通面積。

(3)利用靶式流量計獲得分相含率和分相流量

靶式流量計3在測量管道的軸線中心安裝一塊迎著來流的圓盤形靶板11，對于單相流動或均相流動，靶板上受到的力和流體流速的平方成正比。即

式中，cd為流動阻力系數(shù)，在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)cd可認為是常數(shù)，at為圓靶面積，ρ0為濕氣表觀密度，vt為靶板與測量管內(nèi)壁間環(huán)形通道的流速，其中atf為環(huán)形通道中的面積。

將式帶入(4)式可以得到

當濕氣組分已知時，氣相密度ρg是溫度t和壓力p的函數(shù)，氣相密度ρg可根據(jù)壓力傳感器5，溫度傳感器6測得的壓力和溫度參數(shù)計算得出；液相密度ρl一般可認為不隨溫度壓力變化。濕氣表觀密度與分相密度、分相含率的關系見公式(6a)、(6b)。于是可以得到氣相含率αg和液相含率αl(見公式(7a)和(7b))。

ρ0＝αgρg+αlρl(6a)

αg+αl＝1(6b)

假如氣相和液相之間不存在速度滑移，即兩相流動速度相同，則氣相和液相的體積流量分別為

qg＝αgq0(8a)

ql＝αlq0(8b)

其中，qg、ql分別為氣相和液相體積流量。

氣相和液相質(zhì)量流量分別為