一種測量氣液兩相流流量的裝置及方法
【專利摘要】本發明提供了一種測量氣液兩相流流量的裝置及方法。所述測量氣液兩相流流量的裝置包括外管、內管、脊柱、近紅外發射探頭、近紅外接收探頭、差壓變送器、數據采集單元和數據處理單元；內管位于外管內，且位于外管的軸心線上；內管包括依次連接的大口徑管、過渡斜肩和小口徑管；在外管的側壁上開有第一測壓孔和第二測壓孔，在內管的大口徑管上開有與第二測壓孔對應的第三測壓孔，通過三個測壓孔可測量內外管內的壓力差，根據壓力差以及近紅外接收探頭接收到的近紅外光的光強即可計算出兩相流中各相流量。本發明可在不分離氣液兩相流的情況下準確地測量氣液兩相流中各相流量。
【專利說明】
_種測量氣^夜兩相流流量的裝置及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種兩相流流量檢測裝置，具體地說是一種測量氣液兩相流流量的裝 置及方法。
【背景技術】
[0002] 目前，對氣液兩相流的流量進行測量的方法有很多，如：分離測量法、單相流量計 組合的雙參數測量法、直接式質量測量法、單相流量計和相含率儀表組合測量法等。但是這 些測量方法又各有優缺點，現分別介紹如下：
[0003] 分離測量法是采用分離器將兩相流分離成液相和氣相的單相流，然后用單相流量 計分別測量。分離法工作可靠、測量精度高、測量范圍寬，而且測量結果不受流型變化等因 素的影響，是目前陸地油田中廣泛采用的油氣產量計量方法，其他在線多相流量計一般也 都通過與分離測量法的比對來進行檢定校驗。但分離測量法最大的缺點是分離設備體積龐 大、系統造價昂貴、自動化程度低，而且無法實時快速進行多相流的流量測量。
[0004] 單相流量計組合的雙參數測量法，單相流量計用于兩相流的測量中時，常見的組 合有:雙孔板、孔板-文丘里管、孔板_均速管、靶式流量計_渦輪流量計、文丘里管-渦輪流量 計、節流元件-容積式流量計、雙槽式孔板等。但是這些組合測量的有效測量范圍有限，測量 效果受流型影響較大。
[0005] 直接式質量測量法，主要有角動量式渦輪流量計和科里奧利力質量流量計。這兩 種質量流量計都能夠提供高精度的流量測量，并且測量結果不受流體密度的影響，能夠不 必預知相含率就可以測得兩相流的流量。角動量式渦輪流量計能夠適用于各種類型的兩相 流流量測量，但是會嚴重干擾被測流體的正常流動，并帶來很大的流動阻力。科里奧利力質 量流量計能夠很好地應用于液液兩相流的測量，然而其測量效果會受到管內存在的氣體的 影響，因此其在氣液兩相流中的應用還處于研究的初始階段。
[0006] 單相流量計和相含率儀表組合測量法，目前很多研究者采用這一技術路線對氣液 兩相流的測量進行了研究，公開報道的有:文丘里管、渦輪分別與空隙率計相結合測量氣液 兩相流，電磁流量計和差壓傳感器結合對泡狀流和彈狀流進行測量，以及其他一些研究者 采用孔板、文丘里管、文丘里噴嘴與電導、電容相含率計相結合的方法對兩相流進行測量。
[0007] 除了上述幾種測量方法外，對兩相流的測量還有聲學法、熱學法、脈沖種子活化 法、放射性示蹤法、光學粒子示蹤法等。各種方法雖然在某些特定場合有一些應用，但總體 來講，由于兩相流流動的復雜性和兩相流工況的多樣性，兩相流流量測量問題仍沒有得到 很好的解決。

【發明內容】

[0008] 本發明的目的之一就是提供一種測量氣液兩相流流量的裝置，該裝置基于內外管 差壓流量計而構成，采用該裝置可準確測量氣液兩相流中各相的流量。
[0009] 本發明的目的之二就是提供一種測量氣液兩相流流量的方法，采用該方法無需對 兩相流進行分離即可準確地測量氣液兩相流的分相流量。
[0010] 本發明的目的之一是這樣實現的：一種測量氣液兩相流流量的裝置，包括：
[0011] 外管，為圓直管結構；在所述外管的側壁上開有用于測量外管內流體壓力的第一 測壓孔，在所述外管的側壁上還開有第二測壓孔，所述第二測壓孔和所述第一測壓孔處于 所述外管的同一橫截面上且兩者關于該橫截面中心呈中心對稱分布；
[0012] 內管，置于所述外管內，且位于所述外管的軸心線上;所述內管包括依次連接的大 口徑管、過渡斜肩和小口徑管;測量時兩相流流體在外管內流動，且沿內管的大口徑管向小 口徑管方向流動;在所述內管的大口徑管上開有第三測壓孔，所述第三測壓孔與所述外管 側壁上的第二測壓孔相對設置;通過所述第二測壓孔和所述第三測壓孔可測量內管內的流 體壓力；
[0013] 脊柱，設置在所述內管的外側壁與所述外管的內側壁之間，用于支撐所述內管；
[0014] 近紅外發射探頭，設置在所述外管的外側壁上，且靠近所述外管的流體入口處;所 述近紅外發射探頭用于發射近紅外光以沿截面照射外管內的流體；
[0015] 近紅外接收探頭，設置在與所述近紅外發射探頭處于同一橫截面的外管的外側壁 上，并和所述近紅外發射探頭關于外管的橫截面中心呈中心對稱分布;所述近紅外接收探 頭用于接收經流體吸收后的近紅外光的光強信號；
[0016] 差壓變送器，與數據采集單元相接，用于通過所述第一測壓孔、所述第二測壓孔和 所述第三測壓孔測量內、外管內流體的壓力差；
[0017] 數據采集單元，分別與所述近紅外接收探頭、所述差壓變送器和數據處理單元相 接，用于采集內、外管內流體的壓力差信號，同時采集近紅外接收探頭所接收到的經流體吸 收后的近紅外光的光強信號，并將所接收到的信號發送至數據處理單元;以及
[0018] 數據處理單元，與所述數據采集單元相接，用于根據接收到的信號計算氣液兩相 流中各相流量。
[0019] 優選的，所述脊柱的數量為三個，且三個所述脊柱沿所述內管的外側壁均勻分布。
[0020] 優選的，其中一個脊柱的與所述外管內側壁相貼合的一側對應所述外管上的第二 測壓孔，該脊柱的與所述內管外側壁相貼合的一側對應所述內管上的第三測壓孔;在該脊 柱上與所述第二測壓孔對應的部位開有穿接孔，所述穿接孔用于實現第二測壓孔和第三測 壓孔的連接。
[0021] 優選的，所述脊柱的長度與所述內管的長度相同，且兩者的端部對齊。
[0022] 優選的，所述近紅外發射探頭有四個，所述近紅外接收探頭與所述近紅外發射探 頭的數量和位置一一對應;相互對應的近紅外發射探頭和近紅外接收探頭在外管橫截面上 以過外管截面圓心的一條直線為對稱分布。
[0023] 本發明通過在外管內設置內管，并在外管內側壁與內管外側壁之間設置脊柱，以 實現對內管進行支撐，可保證測量過程中內管保持固定不動，從而使得取壓結果準備，保證 了后期計算的準確性。通過在外管上開第一測壓孔，可以測量外管內流體的壓力;通過在內 管上開第三測壓孔，并在外管上開與第三測壓孔對應的第二測壓孔，可測量內管內流體的 壓力；內管內的壓力和外管內的壓力之差即為內、外管內的壓力差。本發明通過內、外管內 的壓力差即可計算出兩相流中氣液總質量流量，該氣液總質量流量經修正后即得氣相的質 量流量。再根據近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的光強信號，可計算出兩相流中液 相的相含率。液相的相含率結合氣相的質量流量便可計算出液相的質量流量。
[0024] 本發明所提供的裝置是通過兩相流的流動理論，結合近紅外光的信號檢測原理， 再利用CFD仿真技術，設計并且優化而形成;通過多次實驗也充分驗證了本裝置的合理性以 及可行性。
[0025] 本發明的目的之二是這樣實現的：一種測量氣液兩相流流量的方法，包括如下步 驟：
[0026] a、在外管內設置內管及脊柱;所述外管為圓直管結構，在所述外管的側壁上開有 第一測壓孔和第二測壓孔，第一測壓孔和第二測壓孔處于所述外管的同一橫截面上且兩者 關于該橫截面中心呈中心對稱分布;所述內管位于所述外管的軸心線上;所述內管包括依 次連接的大口徑管、過渡斜肩和小口徑管;在所述內管的大口徑管上開有第三測壓孔，所述 第三測壓孔與外管側壁上的第二測壓孔相對設置;所述脊柱位于所述內管的外側壁與所述 外管的內側壁之間，其用于支撐所述內管；
[0027] b、在所述外管的外側壁上靠近流體入口處設置近紅外發射探頭和近紅外接收探 頭;所述近紅外發射探頭和所述近紅外接收探頭處于外管的同一橫截面上，且兩者關于外 管的橫截面中心呈中心對稱分布;氣液兩相流在外管內流動，且沿內管的大口徑管向小口 徑管方向流動；
[0028] c、由驅動模塊驅動近紅外發射探頭發射近紅外光，所發射的近紅外光沿外管橫截 面穿透外管內的流體，近紅外接收探頭接收經流體吸收后的近紅外光的光強信號，并將所 接收到的信號經數據采集單元發送至數據處理單元；
[0029] d、由差壓變送器通過第一測壓孔、第二測壓孔以及第三測壓孔測量流體在內、外 管內的壓力差，并將所測數據經數據采集單元發送至數據處理單元；
[0030] e、數據處理單元根據接收到的流體在內、外管內的壓力差以及經流體吸收后的近 紅外光的光強計算氣液兩相流中各相流量。
[0031] 步驟e中在計算氣液兩相流中各相流量時，首先依據公式（1)計算氣液兩相流中氣 液總質量流量：
(1>
[0033] 式（1)中，e為膨脹系數，C為流出系數，0為節流比，D為外管內徑，pg為兩相流的密 度，A Ptp為步驟d中差壓變送器所測量的內、外管內的壓力差；
[0034] 其次對公式(1)所求得的氣液總質量流量進行虛高修正，具體依據如下公式：
(2)
[0036]式⑵中，〇g為修正系數，Wg為兩相流中氣相的質量流量；
[0037] 的具體計算公式為：
[0038] Og = a+bX+cX2 (3)
[0039]式(3)中，a、b、c均為擬合系數，X即為步驟d中差壓變送器所測量的內、外管內的壓 力差；
[0040]接著根據步驟c中近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的近紅外光的光強，計 算兩相流中近紅外光所穿過的液體的厚度h，具體計算公式如下：
[0041] y=A*exp(B*h) (4)
[0042] 式⑷中，A、B為系數，即為乘號，y的表達式為：
(5)
[0044] 式(5)中，I即為步驟c中近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的近紅外光的光 強，1〇為外管內不存在流體時近紅外接收探頭所接收到的近紅外光的光強；
[0045] 根據公式(4)計算出的液體的厚度h計算兩相流中液相的相含率a1:
I 6 '
[0047]式(6)中，r為外管的內半徑；
[0048]最后根據^以及式⑵中的Wg計算兩相流中液相的質量流量Wi，具體公式如下：
C7)
[0050] 本發明所提供的方法主要是針對氣液兩相流(也就是濕氣)進行測量。通過對氣液 兩相流的流動狀態的測試，提取有用信號，并且進行信號特征提取，最終可在不分離兩相流 的前提下準確地測量出兩相流中各相的流量。
【附圖說明】
[0051] 圖1是本發明測量裝置中管道部位的結構示意圖。
[0052] 圖2是本發明測量裝置中內管以及脊柱的結構示意圖；其中，圖2(a)為側視圖，圖2 (b)為端視圖。
[0053]圖3是圖1的端視圖。
[0054] 圖4是本發明管道內氣相和液相分布的結構示意圖。
[0055] 圖5是本發明測量裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0056] 實施例1，一種測量氣液兩相流流量的裝置。
[0057] 如圖1和圖2所示，本發明所提供的測量氣液兩相流流量的裝置包括外管1、內管、 脊柱8、近紅外發射探頭10、近紅外接收探頭11、差壓變送器、數據采集單元和數據處理單 元。圖1中沒有示出差壓變送器、數據采集單元和數據處理單元。
[0058] 外管1為圓柱形直管結構；內管設置在外管1內，且位于外管1的軸心線上，即外管1 的軸心線與內管的軸心線重合。內管包括依次連接的大口徑管2、過渡斜肩3和小口徑管4。 大口徑管2和小口徑管4均為直管結構，過渡斜肩3連接大口徑管2和小口徑管4，過渡斜肩3 為圓臺狀管。當測量兩相流流量時，兩相流在外管1內流動，且沿內管的大口徑管2向小口徑 管4方向流動(見圖1中箭頭所示方向）。
[0059] 在外管1的側壁上開有用于測量外管內流體壓力的第一測壓孔5,在外管1的側壁 上還開有第二測壓孔6,第二測壓孔6和第一測壓孔5處于外管1的同一橫截面上且兩者關于 該橫截面中心呈中心對稱分布。在內管的大口徑管2上開有第三測壓孔7,第三測壓孔7與外 管1側壁上的第二測壓孔6相對設置;通過第二測壓孔6和第三測壓孔7可測量內管內的流體 壓力。內管內的流體壓力與外管內的流體壓力之差即為內、外管內的壓力差，該壓力差可由 差壓變送器來采集、測量。通過內、外管內的壓力差再結合相關公式即可得出氣液兩相流中 氣相的質量流量。圖1中還示出了在小口徑管4上開的測壓孔，以及與小口徑管4上的測壓孔 處于同一橫截面上的外管上的測壓孔，由這兩個測壓孔同樣可以測量內、外管內的壓力差， 該路壓力差在本專利中未涉及。
[0060]脊柱8設置在內管的外側壁與外管1的內側壁之間。如圖2(a)所不，脊柱8為長條狀 結構，其長度與內管的長度相同，其兩端分別與內管的兩端對齊。脊柱8的外側與外管1的內 側壁相貼合，脊柱8的內側與內管的外側壁相貼合，通過脊柱8可實現對內管很好的支撐，以 便在測量過程中使內管保持固定不動。
[0061]如圖2(b)和圖3所示，本發明中脊柱8的數量為三個，三個脊柱8均勻分布在內管的 外側壁上，這種對稱性的結構不僅可實現對內管良好的支撐作用，還可保證測量過程中流 體流通的對稱性，以保證取壓結果的準確。
[0062]如圖1所示，優選的實施方案是:使三個脊柱8中的其中一個正好對應第二測壓孔6 和第三測壓孔7,即：使其中一個脊柱的外側（即脊柱與外管內側壁相貼合的一側)對應第二 測壓孔6,使該脊柱的內側（即脊柱與內管外側壁相貼合的一側)對應第三測壓孔7。為實現 第二測壓孔6和第三測壓孔7之間的連通（以便對內管內的流體進行測壓），此時需要在該脊 柱上與第二測壓孔6和第三測壓孔7對應的部位開穿接孔9,通過穿接孔9實現第二測壓孔6 和第三測壓孔7的連通。后續在測壓時，使差壓變送器的一端依次穿過第二測壓孔6、穿接孔 9和第三測壓孔7,使差壓變送器的另一端穿過第一測壓孔5,便能對內、外管內的流體壓力 差進行測量。
[0063] 近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11均設置在外管1的外側壁上，并靠近外管1 的流體入口處。優選的，近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11的設置位置距內管的大口 徑管端口處為外管1的內徑D。近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11成對設置，如圖3所 示，本發明中共設置了四對近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11，這四對近紅外發射探 頭10和近紅外接收探頭11均位于外管1的同一橫截面上，且每一對近紅外發射探頭10和近 紅外接收探頭11均關于其所在的外管1的橫截面中心呈中心對稱分布，或者說，每一對近紅 外發射探頭10和近紅外接收探頭11在外管1橫截面上以過外管1截面圓心的一條直線為對 稱分布。
[0064] 近紅外發射探頭10用于發射近紅外光以沿外管1的橫截面照射外管1內的流體;與 近紅外發射探頭10成對設置的（或對應設置的）近紅外接收探頭11用于接收經流體吸收后 的近紅外光的光強信號。
[0065] 數據采集單元用于采集信號并進行傳輸，差壓變送器所采集到的內、外管內的壓 力差信號以及近紅外接收探頭所接收到的經流體吸收后的近紅外光的光強信號，均由數據 采集單元采集并傳輸至數據處理單元;數據處理單元根據接收到的內、外管內的壓力差計 算氣液兩相流中的總質量流量以及氣相質量流量，再根據經流體吸收后的近紅外光的光強 計算氣液兩相流中液相的相含率，結合液相相含率和氣相的質量流量可計算得出液相的質 量流量。具體計算公式可參見下面實施例中所描述。
[0066] 實施例2，一種測量氣液兩相流流量的方法。
[0067] 如圖1~圖2所示，本發明所提供的測量氣液兩相流流量的方法包括如下步驟：
[0068] a、在外管1內設置內管及脊柱8。
[0069] 外管1為圓柱形直管結構，在外管1的側壁上開有第一測壓孔5和第二測壓孔6,第 一測壓孔5和第二測壓孔6處于外管1的同一橫截面上且兩者關于該橫截面中心呈中心對稱 分布。通過第一測壓孔5可測量外管1內兩相流的壓力。內管位于外管1的軸心線上；內管包 括依次連接的大口徑管2、過渡斜肩3和小口徑管4。在內管的大口徑管2上開有第三測壓孔 7,第三測壓孔7與外管1側壁上的第二測壓孔6相對設置;通過第二測壓孔6和第三測壓孔7 可測量內管內兩相流的壓力。
[0070] 脊柱8位于內管的外側壁與外管1的內側壁之間，脊柱8與內管的外側壁以及外管1 的內側壁均相貼合，其設置目的是為了支撐內管。如圖2所示，本實施例中在內管的外側壁 上均勻設置了三個脊柱8。
[0071] b、在外管1的外側壁上靠近流體入口處設置近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭 11。近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11成對設置，本實施例中設置了四對近紅外發射 探頭10和近紅外接收探頭11，如圖3所示。所有近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11均處 于外管1的同一橫截面上，且成對設置的近紅外發射探頭10和近紅外接收探頭11關于外管1 的橫截面中心呈中心對稱分布。結合圖5,氣液兩相流在外管內流動，且沿內管的大口徑管2 向小口徑管方向4流動。
[0072] c、由驅動模塊驅動近紅外發射探頭10發射970nm的近紅外光，所發射的近紅外光 沿外管1橫截面照射外管1內的流體，近紅外接收探頭11接收經流體吸收后的近紅外光的光 強信號，并將所接收到的信號經數據采集單元發送至數據處理單元。圖5中的紅外數據采集 模塊包括近紅外發射探頭和近紅外接收探頭。
[0073] d、由差壓變送器通過第一測壓孔5、第二測壓孔6以及第三測壓孔7測量流體在內、 外管內的壓力差，并將所測數據經數據采集單元發送至數據處理單元。圖5中另一個差壓變 送器所采集的另一路壓力差在本專利中沒有用到。
[0074] e、數據處理單元根據接收到的流體在內、外管內的壓力差以及經流體吸收后的近 紅外光的光強首先進行模塊優化，然后計算氣液總流量以及液相相含率，再計算各相流量。
[0075] 具體是，首先依據公式(1)計算氣液兩相流中的總質量流量：
⑴
[0077]式（1)中，e為膨脹系數（可通過理論公式計算得出），C為流出系數（靠實驗來確 定），0為節流比，D為外管內徑，Pg為兩相流的密度(單位為Kg/m3，可在流體入口處通過測量 得知），A Ptp為步驟d中差壓變送器所測量的內、外管內的壓力差(單位為Pa)。
[0078]在本發明中，內管作為節流件，當流體流經節流件時，由于節流件的擴縮作用，流 體會在節流件內外分流，并且產生一定的內外差壓，該內外差壓即為步驟d中差壓變送器所 測量的內、外管內的壓力差。
[0079]節流比0的具體計算公式為：
(2)
[0081]式(2)中，K2為小口徑管和大口徑管的截面比，h為小口徑管和大口徑管的環隙面 積比。在本實施例的仿真設計過程中，已確定0為0.6。
[0082]氣液兩相流也稱濕氣或環霧狀流，其是在氣體中存在少量的液體，因此步驟d所測 的內、外管的壓力差A Ptp相對純氣體壓力來說是存在虛高的壓力，由公式（1)所計算的Wtp 為氣液的總質量流量，將該總質量流量W tP進行虛高修正就能得到兩相流中氣相的質量流 量。
[0083] 本發明中通過引入一個虛高的修正系數〇 g來對公式（1)所求得的總質量流量Wtp 進行修正，具體依據如下公式：
(j)
[0085]式⑶中，〇g為修正系數，Wg為修正后的兩相流中氣相的質量流量；
[0086]修正系數的具體計算公式為：
[0087] Og = a+bX+cX2 (4)
[0088]式(4)中，a、b、c均為擬合系數(可通過實驗由軟件得出），X即為步驟d中差壓變送 器所測量的內、外管內的壓力差。
[0089] 在根據公式(3)求得兩相流中氣相的質量流量Wg后，只需再求出液相的質量流量Wi 即可。在求液相的質量流量Wi之前，本發明首先計算液相的相含率。
[0090] 步驟c中近紅外光穿過外管內的流體后，流體會吸收部分近紅外光，從而使得近紅 外接收探頭接收到的近紅外光的光強減弱。近紅外接收探頭接收到的近紅外光的光強可由 電壓值來表示，根據近紅外光吸收特性-朗姆比爾定律可知，近紅外光強度的電壓值與近紅 外光在兩相流中所穿過的液相的厚度呈指數形式關系式，為提高擬合精度，選用電壓的比 值作為近紅外光強度，具體滿足如下測量模型：
[0091] y=A*exp(B*h) (5)
[0092]式(5)中，A、B為系數，y的表達式為：
(6 )
[0094] 式(6)中，I即為步驟c中近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的近紅外光的光 強(對應的電壓值），1〇為外管內不存在流體時（即外管為空管時)近紅外接收探頭所接收到 的近紅外光的光強(對應的電壓值），1〇可以提前測量得出。
[0095] 根據步驟c中近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的近紅外光的光強(對應的 電壓值）1(對四個近紅外接收探頭所接收到的數據要取均值），結合公式(5)可計算出外管 內兩相流中液體的厚度h(即近紅外光所穿過的液體的厚度），根據液體的厚度h可求得外管 內液相的相含率。具體計算過程如下：
[0096] 當近紅外光穿過外管時，會經過一個大氣彈或者多個小氣泡，或者中間霧氣、管壁 處是液珠的情況，無論在哪種情況下，氣體都是在管道中心處而周圍被液體包圍，近紅外光 先通過液體然后通過氣體最后再次通過液體。在外管內部是關于軸對稱的，因此近紅外光 在各個方向上穿透后的測量結果理論上應該是一致的，氣泡分布的位置也不會影響其所占 管道截面的比例。因此，將各種小氣泡無限融合成一個大氣泡，如圖4所示，大氣泡的半徑為 r'，管道(在本發明中即為外管）內液體的厚度為h，管道的半徑為r(即本發明中外管的內半 徑，也就是內徑D的一半），則液相相含率為相對應的圓環的面積與整個管道橫截面面積的 比值。
[0097] 由圖4可知，管道內氣相的半徑為：
[0098] r'=r-h/2 (7)
[0099]管道內氣相所占面積為：
[0100] S^=3ir，2 (8)
[0101] 管道橫截面面積為：
[0102] S總=3ir2 (9)
[0103] 管道內圓環液相的橫截面面積為：
[0104] S液=S總一 (10)
[0105] 貝lj，液相截面相含率為
(11 )
[01 07]因此，最終得到液相截面相含率為：
(12 )
[0109]式(12)中，r為外管的內半徑，即外管內徑D的一半。
[0110]又由弓
_，因此，根據ai以及~即可計算出兩相流中液相的質量流量I， 具體公式如下：
(13)
【主權項】
1. 一種測量氣液兩相流流量的裝置，其特征是，包括： 外管，為圓直管結構;在所述外管的側壁上開有用于測量外管內流體壓力的第一測壓 孔，在所述外管的側壁上還開有第二測壓孔，所述第二測壓孔和所述第一測壓孔處于所述 外管的同一橫截面上且兩者關于該橫截面中屯、呈中屯、對稱分布； 內管，置于所述外管內，且位于所述外管的軸屯、線上;所述內管包括依次連接的大口徑 管、過渡斜肩和小口徑管;測量時兩相流流體在外管內流動，且沿內管的大口徑管向小口徑 管方向流動;在所述內管的大口徑管上開有第=測壓孔，所述第=測壓孔與所述外管側壁 上的第二測壓孔相對設置;通過所述第二測壓孔和所述第=測壓孔可測量內管內的流體壓 力； 脊柱，設置在所述內管的外側壁與所述外管的內側壁之間，用于支撐所述內管； 近紅外發射探頭，設置在所述外管的外側壁上，且靠近所述外管的流體入口處;所述近 紅外發射探頭用于發射近紅外光W沿截面照射外管內的流體； 近紅外接收探頭，設置在與所述近紅外發射探頭處于同一橫截面的外管的外側壁上， 并和所述近紅外發射探頭關于外管的橫截面中屯、呈中屯、對稱分布;所述近紅外接收探頭用 于接收經流體吸收后的近紅外光的光強信號； 差壓變送器，與數據采集單元相接，用于通過所述第一測壓孔、所述第二測壓孔和所述 第=測壓孔測量內、外管內流體的壓力差； 數據采集單元，分別與所述近紅外接收探頭、所述差壓變送器和數據處理單元相接，用 于采集內、外管內流體的壓力差信號，同時采集近紅外接收探頭所接收到的經流體吸收后 的近紅外光的光強信號，并將所接收到的信號發送至數據處理單元;W及 數據處理單元，與所述數據采集單元相接，用于根據接收到的信號計算氣液兩相流中 各相流量。2. 根據權利要求1所述的測量氣液兩相流流量的裝置，其特征是，所述脊柱的數量為= 個，且=個所述脊柱沿所述內管的外側壁均勻分布。3. 根據權利要求2所述的測量氣液兩相流流量的裝置，其特征是，其中一個脊柱的與所 述外管內側壁相貼合的一側對應所述外管上的第二測壓孔，該脊柱的與所述內管外側壁相 貼合的一側對應所述內管上的第=測壓孔;在該脊柱上與所述第二測壓孔對應的部位開有 穿接孔，所述穿接孔用于實現第二測壓孔和第=測壓孔的連接。4. 根據權利要求1所述的測量氣液兩相流流量的裝置，其特征是，所述脊柱的長度與所 述內管的長度相同，且兩者的端部對齊。5. 根據權利要求1所述的測量氣液兩相流流量的裝置，其特征是，所述近紅外發射探頭 有四個，所述近紅外接收探頭與所述近紅外發射探頭的數量和位置一一對應;相互對應的 近紅外發射探頭和近紅外接收探頭在外管橫截面上W過外管截面圓屯、的一條直線為對稱 分布。6. -種測量氣液兩相流流量的方法，其特征是，包括如下步驟： a、在外管內設置內管及脊柱;所述外管為圓直管結構，在所述外管的側壁上開有第一 測壓孔和第二測壓孔，第一測壓孔和第二測壓孔處于所述外管的同一橫截面上且兩者關于 該橫截面中屯、呈中屯、對稱分布;所述內管位于所述外管的軸屯、線上;所述內管包括依次連 接的大口徑管、過渡斜肩和小口徑管;在所述內管的大口徑管上開有第=測壓孔，所述第= 測壓孔與外管側壁上的第二測壓孔相對設置;所述脊柱位于所述內管的外側壁與所述外管 的內側壁之間，其用于支撐所述內管； b、在所述外管的外側壁上靠近流體入口處設置近紅外發射探頭和近紅外接收探頭;所 述近紅外發射探頭和所述近紅外接收探頭處于外管的同一橫截面上，且兩者關于外管的橫 截面中屯、呈中屯、對稱分布;氣液兩相流在外管內流動，且沿內管的大口徑管向小口徑管方 向流動； C、由驅動模塊驅動近紅外發射探頭發射近紅外光，所發射的近紅外光沿外管橫截面穿 透外管內的流體，近紅外接收探頭接收經流體吸收后的近紅外光的光強信號，并將所接收 到的信號經數據采集單元發送至數據處理單元； d、 由差壓變送器通過第一測壓孔、第二測壓孔W及第S測壓孔測量流體在內、外管內 的壓力差，并將所測數據經數據采集單元發送至數據處理單元； e、 數據處理單元根據接收到的流體在內、外管內的壓力差W及經流體吸收后的近紅外 光的光強計算氣液兩相流中各相流量。7.根據權利要求6所述的測量氣液兩相流流量的方法，其特征是，步驟e中在計算氣液 兩相流中各相流量時，首先依據公式(1)計算氣液兩相流中氣液總質量流量：(1) 巧U;甲，e刃膨化《甄，U刃流出系數，0為節流比，D為外管內徑，Pg為兩相流的密度，A Ptp為步驟d中差壓變送器所測量的內、外管內的壓力差； 其次對公式(1)所求得的氣液總質量流量進行修正，具體依據如下公式：(2) 式(2)中，? g為修正系數，Wg為兩相流中氣相的質量流量； Og的具體計算公式為： 巫 g = a+bX+cX2 (3) 式（3)中，a、b、c均為擬合系數，X即為步驟d中差壓變送器所測量的內、外管內的壓力 差； 接著根據步驟C中近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的近紅外光的光強，計算兩 相流中近紅外光所穿過的液體的厚度h，具體計算公式如下： y=A*e 邱（B*h) (4) 式(4)中，A、B為系數，y的表達式為： )'=-奪 (5) 式(5)中，I即為步驟C中近紅外接收探頭接收到的經流體吸收后的近紅外光的光強，Io 為外管內不存在流體時近紅外接收探頭所接收到的近紅外光的光強； 根據公式(4)計算出的液體的厚度h計算兩相流中液相的相含率ai:((，、 式(6)中，r為外管的內半徑； 最后根據ai W及式(2)中的Wg計算兩相流中液相的質量流量Wi，具體公式如下：(7)
【文檔編號】G01N21/3577GK105910663SQ201610210009
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月6日
【發明人】方立德, 溫梓彤, 李明明, 李小亭
【申請人】河北大學