基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置及方法

1.本发明涉及多相流参数测量技术领域，特别是涉及一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置及方法。


背景技术：

2.水平管内段塞流在相当宽的气相和液相表观速度范围内存在，广泛存在于石油、化工、地热、核能等领域，比如天然气开采后期，井底积液增加，造成天然气携液增加，在排水过程中，天然气携带大量液相经运输管线排出井底，段塞流气液流量的在线测量对于掌握单井数据、科学管理气藏以及预测气井出水量等显得尤其重要。目前对于段塞流的测量仍缺乏有效的在线气液流量测量方法，传统的依靠气液分离器分离之后进行测量的装置存在诸多缺点，如占地面积大、实施成本高等。此外，井口测量的主要目的是指导制定合理的排采制度，而不是用于贸易交接，需求量大，因此对于低成本的在线不分离气液两相测量技术的需求非常迫切。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置及方法，能够提高对段塞流两相流量的测量精度和稳定性。
4.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
5.本发明提供了一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置，用于测量段塞流液相质量流量和气相质量流量；所述装置包括：测量管道、锥形节流元件、第一取压口、第二取压口、第一压力传感器、第二压力传感器、温度测量口、温度传感器、环形电导传感器以及数据采集与处理部件；
6.所述测量管道，两端均与在线测量管线连接，作为段塞流两相流量在线测量的载体；
7.所述锥形节流元件，位于所述测量管道内中心位置，用于在测量管道内形成压差；
8.所述第一取压口，开设于所述测量管道的管壁上，且位于所述锥形节流元件的上游位置；
9.所述第一压力传感器，与所述第一取压口连接，用于采集第一取压口所在位置的流体压力数据，得到第一压力数据；
10.所述环形电导传感器，安装在所述测量管道的内管壁上，且位于所述测量管道的流体入口处；
11.所述第二取压口，开设于所述测量管道的管壁上，并与所述锥形节流元件的喉部形成连通管道；
12.所述第二压力传感器，与所述第二取压口连接，用于采集所述锥形节流元件的喉部位置的流体压力，得到第二压力数据；
13.所述温度测量口，开设于所述测量管道的管壁上，且位于所述锥形节流元件的下
游位置；
14.所述温度传感器，与所述温度测量口连接，用于测量所述温度测量口所在位置的温度数据；
15.所述数据采集与处理部件，分别与所述第一压力传感器、所述第二压力传感器、所述温度传感器和所述环形电导传感器连接，用于根据所述第一压力数据、所述第二压力数据、所述温度数据以及所述环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量。
16.可选地，所述环形电导传感器包括第一环形电极和第二环形电极，所述第一环形电极和所述第二环形电极间隔设定距离。
17.可选地，所述装置还包括第一法兰与第二法兰；所述第一法兰与所述第二法兰分别位于所述测量管道的两端，用于连接所述测量管道与所述在线测量管线。
18.为实现上述目的，本发明还提供了一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量方法，应用于所述的在线测量装置，所述方法包括：
19.采集第一取压口所在位置的流体压力数据，得到第一压力数据；
20.集锥形节流元件的喉部位置的流体压力，得到第二压力数据；
21.测量所述温度测量口所在位置的温度数据；
22.获取环形电导传感器的输出电压；
23.根据所述第一压力数据、所述第二压力数据、所述温度数据以及所述环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量。
24.可选地，所述根据所述第一压力数据、所述第二压力数据、所述温度数据以及所述环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量，具体包括：
25.根据所述第一压力数据、所述温度数据，得到测量管道内流体的气相密度；
26.获取测量管道内流体的液相密度，根据所述流体的液相密度和所述流体的气相密度，确定气液相密度比；
27.根据实验标定，确定测量管道内流体平均截面含液率与环形电导传感器输出电压的第一关系函数；
28.获取测量管道内流体平均截面含气率，并根据所述气液相密度比、所述流体平均截面含气率，建立洛玛参数关于所述气液相密度比、所述流体平均截面含气率的第二关系函数；
29.获取质量流量修正系数和液相密度弗劳德数，并根据实验标定，确定质量流量修正系数关于液相密度弗劳德数、所述洛玛参数以及所述气液相密度比的第三关系函数；
30.获取锥形节流元件喉部的横截面积，并根据所述第一压力数据、所述第二压力数据以及所述锥形节流元件喉部的横截面积，计算流体的液相表观质量流量；
31.根据所述质量流量修正系数和所述流体的液相表观质量流量，建立液相质量流量计算模型；
32.根据所述第二关系函数、所述第三关系函数和所述液相质量流量计算模型，确定流体的气相质量流量和液相质量流量。
33.可选地，所述根据所述第一压力数据、所述温度数据，得到测量管道内流体的气相密度，确定气液相密度比，具体包括：
34.获取标况压力数据、标况温度数据以及标况气相密度，并根据所述第一压力数据、所述温度数据、所述标况压力数据、所述标况温度数据以及所述标况气相密度，得到测量管道内流体的气相密度；
35.基于所述测量管道内流体的气相密度和所述测量管道内流体的液相密度，确定气液相密度比。
36.可选地，所述第一关系函数的表达式为：
37.α
l
＝a
1v*3
a
2v*2
a
3v*
a4；
38.其中，α
l
表示流体平均截面含液率，v*表示环形电导传感器输出电压，，a1、a2、a3和a4为第一相关系数。
39.可选地，所述第二关系函数的表达式为：
[0040][0041]
其中，x
lm
为洛玛参数，αg表示测量管道内流体平均截面含气率，dr表示气液相密度比，b1、b2和b3为第二相关系数。
[0042]
可选地，所述第三关系函数的表达式为：
[0043][0044]
其中，k
l
表示质量流量修正系数，fr
l
表示液相密度弗劳德数，dr表示气液相密度比，c1、c2和c3为第三相关系数，x
lm
为洛玛参数，d1、d2和d3为第四相关系数。
[0045]
可选地，所述液相质量流量计算模型的表达式为：
[0046][0047]
其中，m
l
表示液相质量流量，m
l,th
表示流体的液相表观质量流量，k
l
表示质量流量修正系数，dr表示气液相密度比，
[0048]
所述质量流量修正系数k
l
的计算公式为：
[0049][0050]
其中，mg气相质量流量，m
l
表示液相质量流量，m
l,th
表示流体的液相表观质量流量；
[0051]
所述流体的液相表观质量流量m
l,th
的计算公式为：
[0052][0053]
其中，a
t
为节流元件喉部的横截面积，ρ
l
表示流体液相密度，p1为第一压力数据，p2为第二压力数据，e为与节流元件节流比β相关的参数，为第二压力数据，e为与节流元件节流比β相关的参数，
[0054]
所述液相密度弗劳德数fr
l
的表达式为：
[0055][0056]
其中，ρ
l
表示流体液相密度，ρg表示流体气相密度，a表示测量管道的横截面积，d表示测量管道直径，g表示重力加速度。
[0057]
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置及方法，该装置包括：测量管道、锥形节流元件、第一取压口、第二取压口、第一压力传感器、第二压力传感器、温度测量口、温度传感器、环形电导传感器以及数据采集与处理部件；数据采集与处理部件分别与第一压力传感器、第二压力传感器、温度传感器和环形电导传感器连接，通过获取第一压力数据、第二压力数据、温度数据以及环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量。本发明能够提高对段塞流两相流量的测量精度和稳定性。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1为本发明基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置的结构示意图；
[0060]
图2为本发明基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量方法的流程图；
[0061]
图3为具体实施例中环形电导传感器输出电压v*与平均截面含液率α
l
之间的标定关系示意图。
[0062]
符号说明：
[0063]
测量管道-1，锥形节流元件-2，第一取压口-3，第一压力传感器-4，环形电导传感器-5，第二取压口-6，第二压力传感器-7，温度测量口-8，温度传感器-9，数据采集与处理部件-10。
具体实施方式
[0064]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0065]
本发明的目的是提供一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置及方法，能够提高对段塞流两相流量的测量精度和稳定性。
[0066]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0067]
如图1所示，本发明一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置，用于测量段塞流液相质量流量和气相质量流量；所述装置包括：测量管道1、锥形节流元件2、第一取压口3、第一压力传感器4、环形电导传感器5、第二取压口6、第二压力传感器7、温度测量口8、温度传感器9、以及数据采集与处理部件10。
[0068]
所述测量管道1，两端均与在线测量管线连接，作为段塞流两相流量在线测量的载体。
[0069]
所述锥形节流元件2，位于所述测量管道1内中心位置，用于在测量管道1内形成压差。锥形节流元件2阻碍介质的流动，重塑流速曲线，在锥形性的下游可立即形成低压区，从而在测量管道内形成压差。
[0070]
所述第一取压口3，开设于所述测量管道1的管壁上，且位于所述锥形节流元件2的上游位置。具体距离锥形节流元件2一倍管径处。
[0071]
所述第一压力传感器4，与所述第一取压口3连接，用于采集第一取压口3所在位置的流体压力数据，得到第一压力数据。
[0072]
所述环形电导传感器5，安装在所述测量管道1的内管壁上，且位于所述测量管道1的流体入口处。
[0073]
所述第二取压口6，开设于所述测量管道1的管壁上，并与所述锥形节流元件2的喉部形成连通管道。
[0074]
所述第二压力传感器7，与所述第二取压口6连接，用于采集所述锥形节流元件2的喉部位置的流体压力，得到第二压力数据。
[0075]
所述温度测量口8，开设于所述测量管道1的管壁上，且位于所述锥形节流元件2的下游位置。
[0076]
所述温度传感器9，与所述温度测量口8连接，用于测量所述温度测量口8所在位置的温度数据。
[0077]
所述数据采集与处理部件10，分别与所述第一压力传感器4、所述第二压力传感器7、所述温度传感器9和所述环形电导传感器5连接，用于根据所述第一压力数据、所述第二压力数据、所述温度数据以及所述环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量。
[0078]
进一步地，所述数据采集与处理部件10，具体包括：
[0079]
流体的气相密度确定模块，用于根据所述第一压力数据、所述温度数据，得到测量管道内流体的气相密度。
[0080]
气液相密度比确定模块，用于获取测量管道内流体的液相密度，根据所述流体的液相密度和所述流体的气相密度，确定气液相密度比。
[0081]
第一关系函数确定模块，用于根据实验标定，确定测量管道内流体平均截面含液率与环形电导传感器输出电压的第一关系函数。
[0082]
第二关系函数确定模块，用于获取测量管道内流体平均截面含气率，并根据所述气液相密度比、所述流体平均截面含气率，建立洛玛参数关于所述气液相密度比、所述流体平均截面含气率的第二关系函数。
[0083]
第三关系函数确定模块，用于获取质量流量修正系数和液相密度弗劳德数，并根据实验标定，确定质量流量修正系数关于液相密度弗劳德数、所述洛玛参数以及所述气液相密度比的第三关系函数。
[0084]
流体的液相表观质量流量计算模块，用于获取锥形节流元件喉部的横截面积，并根据所述第一压力数据、所述第二压力数据以及所述锥形节流元件喉部的横截面积，计算流体的液相表观质量流量。
[0085]
液相质量流量计算模型构建模块，用于根据所述质量流量修正系数和所述流体的液相表观质量流量，建立液相质量流量计算模型。
[0086]
流体气相质量流量和液相质量流量确定模块，用于根据所述第二关系函数、所述第三关系函数和所述液相质量流量计算模型，确定流体的气相质量流量和液相质量流量。
[0087]
进一步地，所述环形电导传感器5包括第一环形电极51和第二环形电极52，所述第一环形电极51和所述第二环形电极52间隔设定距离。
[0088]
进一步地，所述装置还包括第一法兰11与第二法兰12；所述第一法兰11与所述第二法兰12分别位于所述测量管道1的两端，用于连接所述测量管道1与所述在线测量管线。
[0089]
如图2所示，本发明还提供了一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量方法，应用于所述的在线测量装置，所述方法包括：
[0090]
s1：采集第一取压口所在位置的流体压力数据，得到第一压力数据。
[0091]
s2：采集锥形节流元件的喉部位置的流体压力，得到第二压力数据。
[0092]
s3：测量所述温度测量口所在位置的温度数据。
[0093]
s4：获取环形电导传感器的输出电压。
[0094]
s5：根据所述第一压力数据、所述第二压力数据、所述温度数据以及所述环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量。
[0095]
进一步地，步骤s5中，所述根据所述第一压力数据、所述第二压力数据、所述温度数据以及所述环形电导传感器的输出电压，确定段塞流液相质量流量和气相质量流量，具体包括：
[0096]
s51：根据所述第一压力数据、所述温度数据，得到测量管道内流体的气相密度。
[0097]
s52：获取测量管道内流体的液相密度，根据所述流体的液相密度和所述流体的气相密度，确定气液相密度比。
[0098]
s53：根据实验标定，确定测量管道内流体平均截面含液率与环形电导传感器输出电压的第一关系函数。
[0099]
s54：获取测量管道内流体平均截面含气率，并根据所述气液相密度比、所述流体平均截面含气率，建立洛玛参数关于所述气液相密度比、所述流体平均截面含气率的第二关系函数。
[0100]
s55：获取质量流量修正系数和液相密度弗劳德数，并根据实验标定，确定质量流量修正系数关于液相密度弗劳德数、所述洛玛参数以及所述气液相密度比的第三关系函数。
[0101]
s56：获取锥形节流元件喉部的横截面积，并根据所述第一压力数据、所述第二压力数据以及所述锥形节流元件喉部的横截面积，计算流体的液相表观质量流量。
[0102]
s57：根据所述质量流量修正系数和所述流体的液相表观质量流量，建立液相质量流量计算模型。
[0103]
s58：根据所述第二关系函数、所述第三关系函数和所述液相质量流量计算模型，确定流体的气相质量流量和液相质量流量。
[0104]
进一步地，步骤s52中，所述根据所述第一压力数据、所述温度数据，得到测量管道内流体的气相密度，确定气液相密度比，具体包括：
[0105]
获取标况压力数据、标况温度数据以及标况气相密度，并根据所述第一压力数据、
所述温度数据、所述标况压力数据、所述标况温度数据以及所述标况气相密度，得到测量管道内流体的气相密度。
[0106]
基于所述测量管道内流体的气相密度和所述测量管道内流体的液相密度，确定气液相密度比。
[0107]
进一步地，步骤s53中，所述第一关系函数的表达式为：
[0108]
α
l
＝a
1v*3
a
2v*2
a
3v*
a4；
[0109]
其中，α
l
表示流体平均截面含液率，v*表示环形电导传感器输出电压，，a1、a2、a3和a4为第一相关系数。
[0110]
进一步地，步骤s54中，所述第二关系函数的表达式为：
[0111][0112]
其中，x
lm
为洛玛参数，αg表示测量管道内流体平均截面含气率，dr表示气液相密度比，b1、b2和b3为第二相关系数。
[0113]
进一步地，步骤s55中，所述第三关系函数的表达式为：
[0114][0115]
其中，k
l
表示质量流量修正系数，fr
l
表示液相密度弗劳德数，dr表示气液相密度比，c1、c2和c3为第三相关系数，x
lm
为洛玛参数，d1、d2和d3为第四相关系数。
[0116]
进一步地，步骤s57中，所述液相质量流量计算模型的表达式为：
[0117][0118]
其中，m
l
表示液相质量流量，m
l,th
表示流体的液相表观质量流量，k
l
表示质量流量修正系数，dr表示气液相密度比，
[0119]
进一步地，所述质量流量修正系数k
l
的计算公式为：
[0120][0121]
其中，mg气相质量流量，m
l
表示液相质量流量，m
l,th
表示流体的液相表观质量流量。
[0122]
所述流体的液相表观质量流量m
l,th
的计算公式为：
[0123][0124]
其中，a
t
为节流元件喉部的横截面积，ρ
l
表示流体液相密度，p1为第一压力数据，p2为第二压力数据，e为与节流元件节流比β相关的参数，为第二压力数据，e为与节流元件节流比β相关的参数，
[0125]
所述液相密度弗劳德数fr
l
的表达式为：
[0126][0127]
其中，ρ
l
表示流体液相密度，ρg表示流体气相密度，a表示测量管道的横截面积，d表示测量管道直径，g表示重力加速度。
[0128]
具体实施例
[0129]
参考附图1，本发明一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量装置，包括锥体节流元件2，节流比为0.45，测量管道1，管径d＝50mm，沿流体流动方向依次布置第一取压口3，第二取压口6和温度测量口8，其中取压口分别与压力传感器相连接，温度测量口8与温度传感器相连接，锥体上游处绝缘管壁上安装有环形电导传感器5，包括第一环形电极51和第二环形电极52。两个电极间距为17mm，电极宽度为3.5mm。
[0130]
参考附图2，本发明一种基于多传感器融合的段塞流两相流量在线测量方法，具体步骤如下：
[0131]
步骤1：采集第一取压口3及第二取压口6处的第一压力数据p1和第二压力数据p2，温度测量口8处的温度t1，环形电导传感器5输出电压v*。通过流体压力和密度分别计算气液相密度ρg和ρ
l
，气液相密度比dr。其中，液相密度在流体类型确定后即可获得。
[0132]
ρg＝f(p1,t1,p0,t0,ρ0)；
[0133][0134]
其中p0、t0为标况下的压力和温度，ρ0为标况下的气相密度，均已知。
[0135]
步骤2：通过实验标定，得到流体平均截面含液率α
l
与环形电导传感器输出电压v*之间的关系。进一步，建立洛玛参数x
lm
与气液相密度比dr和流体平均截面含气率αg之间的第一关系函数。
[0136]
环形电导传感器输出电压v*与平均截面含液率α
l
之间的标定关系如图3所示。第一关系函数的表达式如下：
[0137]
α
l
＝a
1v*3
a
2v*2
a
3v*
a4；
[0138]
αg＝1-α
l
；
[0139]
本实施例中，a1＝-1.209，a2＝1.427，a3＝0.756，a4＝0.008。
[0140]
由洛玛参数与dr，αg之间的关系可得：
[0141][0142]
本实施例中，b1＝0.021，b2＝1.216，b3＝-1.034。
[0143]
步骤3：根据实验标定，得到质量流量修正系数k
l
与液相密度弗劳德数fr
l
，洛玛参数x
lm
，气液相密度比dr之间的第二关系函数，进一步地，由k
l
的定义式可建立液相质量流量计算模型。
[0144]kl
的定义为气液两相质量流量总和与液相理论表观质量流量的比值：
[0145][0146]
液相密度弗劳德数fr
l
，气液密度比dr及洛玛参数x
lm
的表达式具体如下，其中a为
管道横截面积，g为重力加速度，d为管道直径。
[0147][0148]
第二关系函数的具体表达式如下：
[0149][0150]
本实施例中，c1＝0.986，c2＝0.031，c3＝0.023，d1＝0.111，d2＝-0.4537，d3＝-0.2716。
[0151]
液相质量流量计算模型如下：
[0152][0153][0154]
其中，m
l,th
为液相表观质量流量，a
t
为节流元件喉部的横截面积。e为与节流元件节流比β相关的参数，
[0155]
步骤4：根据液相质量流量及洛玛参数，气相质量流量计算公式如下：
[0156][0157]
其中，mg气相质量流量，m
l
表示液相质量流量。
[0158]
本发明的技术效果：
[0159]
1)本发明将压力、温度及环形电导传感器集成在一起，多方面提取段塞流的流动信息，且电导环形传感器的非侵入特性，避免了测量过程中对流体流型及差压节流元件的测量效果的影响，同时也避免了段塞流体对环形电导传感器的冲刷和磨损，测量装置整体的稳定性大大提高。
[0160]
2)通过环形电导传感器进行气液相含率的直接测量，进而通过液相测量模型得到液相质量流量，提高了测量精度，避免了通过双差压或其他方式建立x
lm-ml方程耦合造成的方程解误差过大或无解或多解的情况；
[0161]
3)本发明的测量装置成本低廉。适于推广应用。
[0162]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0163]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。