一种气液两相流截面含气率测量装置及测量方法

摘要

本发明涉及一种气液两相流截面含气率测量装置及测量方法，测量装置包括沿气液两相流的流通方向顺序连通的入口阀、下管段、探测管段、中管段、出口阀、上管段和处理终端管段；测量方法包括如下步骤：将气液两相流持续通入管道，同时关闭管道两端的阀门，使得管道内部形成密封空间，流体分层，获取当前状态下管道上极板电容的电容值，根据测定的电容值与液面高度对应关系获取当前液面高度，根据液面高度和密封空间体积计算气体体积，进一步计算气液两相流的截面含气率；本发明采用高精度的极板电容测量液面高度，利用液面高度来计算气体体积及液体体积，可实现自动读取、显示数据，通过简单数据处理后即可得到待测气液两相流的截面含气率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气液两相流截面含气率测量装置和测量方法，可对气液两相流中的截面含气率进行测量，属于两相流测量技术领域，可应用于地质勘测、海洋地层勘测等领域。

背景技术

多相流的相关技术及理论广泛应用于人类的生产生活中，涉及到能源、动力、石油、化工、国防科技、农业和航空航天等多种工业部门，对国民经济的发展起到了非常重要的促进和推动作用。尤其是对于海洋油气及地质勘测的煤层气等多相流而言，多相流中的截面含气率是预测油气产量、计算油气参数及制定开采方案等的重要参数之一，因此对截面含气率的测量研究至关重要。

传统的截面含气率测量方法主要包括快关阀门法、射线衰减法、电导探针法、层析成像法、电阻成像法等，其中射线衰减法所需设备较为复杂，成本较为昂贵，不利于迁移及大规模推广；而电导探针法由于受温度等环境因素影响，误差较大；而层析成像法及电阻成像法则对设备及算法均有较高要求，因此更加复杂且成本较高，不利于迁移及大规模推广；而快关阀门法最为经典且简单实用，但该方法采用人工肉眼读取读取读书，误差较大，因此，研发一种操作简单、成本低、精度高的截面含气率测量装置和测量方法成为业界亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，而提供一种利用电容原理高精度自动读取数据，并通过简单数据处理后即可得到截面含气率的测量装置和测量方法。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种气液两相流截面含气率测量装置，至少包括供气液两相流流通的管单元以及安装在管单元上的阀门，所述管单元包括下管段、探测管段、中管段、上管段和处理终端管段，阀门设置两个，分别为入口阀和出口阀，入口阀、下管段、探测管段、中管段、出口阀、上管段和处理终端管段从下至上顺序连通；

所述探测管段包括舱体，一个以上极板电容，以及与极板电容电极数量相同的保护罩，极板电容包括两个电极，其中一个电极接电源正极、另一个电极接电源负极，所述舱体外侧壁上沿其周向对称加工有安装平台，安装平台中心开设凹槽，电极固定于凹槽中并且通过保护罩封装于舱体舱壁中，保护罩通过螺钉安装于安装平台上；

所述处理终端管段包括壳体、底座、液晶屏、1个以上按钮、面板、绝缘支柱、电路板和外罩，所述壳体外侧壁上加工有上平台和下平台，底座通过螺钉安装于上平台上，底座上开设有与液晶屏和按钮数量相同的凹槽，液晶屏以及各按钮分别放置于底座上对应的凹槽内，面板上加工有与液晶屏和按钮数量相同且形状相匹配的镂空孔，面板置于底座上表面，封装液晶屏和各按钮；所述电路板通过绝缘支柱支撑、安装于下平台上，外罩置于壳体上、通过螺钉固定，封装电路板，极板电容、液晶屏和按钮的信号线均接入电路板。

所述按钮以及液晶屏的下端均外扩构成凸台，面板镂空孔的尺寸小于对应凸台的尺寸。

所述入口阀和出口阀均为电控阀，电控阀接入电路板。

所述电极粘贴于舱体的凹槽内。

本发明还对应提供了基于上述装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)关闭入口阀和出口阀，在管道内形成密封空间，测定密封空间的体积，以及极板电容的电容值与密封空间内液面高度的对应关系；

(2)开启入口阀和出口阀，将气液两相流流体从下至上持续通入管道，流体自管道入口阀流入、处理终端管段上端流出，待流体流动稳定后同时关闭入口阀和出口阀，管道内部形成密封空间，静置使得密封空间中的气液两相流分层，流体中的液体由于重力作用下沉到密封空间底部，气体上升至密封空间上部，形成明显的液面；

(3)通过电路板自动获取当前状态下极板电容的电容值，并根据测定的电容值与液面高度对应关系确定当前液面高度，根据液面高度和密封空间体积计算密封空间内的气体体积，将气体体积除以密封空间体积的即得到气液两相流的截面含气率。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明以快关阀门法为基本原理，通过两个阀门封堵流通管道形成密封空间，管道竖直放置，使得内部的流体在自重作用下自然分层，利用极板电容测量液面高度，极板电容的电容值大小与两个电极之间的介质有关，液面高度不同，则电容值不同，因此可在测量前将电容值与液面高度一一对应，测试过程中根据电容值判定液面高度，液面高度确定后，由于封闭空间体积已知，因此封闭空间中的气体体积和液体体积也就知道了，截面含气率即为气体体积除以整个封闭空间体积。测量方法简单易行，无需复杂算法运算，可直接获得测量结果。

(2)本发明提供的测量装置结构简单，利于迁移，其中无复杂昂贵的设备，易于操作，成本低，可大规模推广；装置可直接应用在气液两相流的输送管道上，在管道上安装极板电容，电容接入普通电路板，极板电容测量精度高，与液晶屏和电路板配合可实现自动读取、显示数据，通过简单数据处理后即可得到待测气液两相流的截面含气率，整个测量过程不超过2分钟，与现有的高精度测量装置和方法相比，采用本发明的装置和方法测得的截面含气率与之误差不超过0.1％。

附图说明

图1为本发明提供的气液两相流截面含气率测量装置的整体结构图。

图2为探测管段的主视图。

图3为探测管段的A-A向剖面图。

图4为探测管段拆除保护罩后的侧视图。

图5为处理终端管段的主视图。

图6为处理终端管段的B-B向剖面图。

图7为处理终端管段的侧视图。

上述图中：1-入口阀；2-下管段；3-探测管段，301-第一保护罩，302-第一电极，303-保护罩固定螺钉，304-舱体，305-第二电极，306-第二保护罩；4-中管段；5-出口阀；6-上管段；7-处理终端管段，701-壳体，702-开启按钮，703-暂停按钮，704-底座，705-面板固定螺钉，706-液晶屏，707-底座固定螺钉，708-面板，709-外罩固定螺钉，710-绝缘支柱，711-外罩，712-电路板，713-电路板固定螺钉，714-凸台。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

一种气液两相流截面含气率测量装置，其结构如图1所示，至少包括供气液两相流流通的管单元以及安装在管单元上的阀门，所述管单元包括下管段2、探测管段3、中管段4、上管段6和处理终端管段7，阀门设置两个，分别为入口阀1和出口阀5，入口阀1、下管段2、探测管段3、中管段4、出口阀5、上管段6和处理终端管段7沿气液两相流的流通方向依次螺纹连接并顺序连通，本实施例中气液两相流的流通方向为自下而上，整个装置竖直布置；

参见图2、图3和图4，所述探测管段3包括舱体304、极板电容和2个保护罩301、306，极板电容包括两个电极302、305，其中一个电极302接直流电源正极、另一个电极305接直流电源负极，所述舱体304为一筒状结构，其外侧壁上沿其周向对称加工有两个安装平台，安装平台为一平面、中心开设凹槽，两个电极302、305分别粘贴固定于对应的凹槽中并且通过对应的保护罩301、306封装于舱体304舱壁中，保护罩通过螺钉303安装于安装平台上，保护两个电极；

参见图5、图6和图7，所述处理终端管段7包括壳体701、底座704、液晶屏706、2个按钮、面板708、绝缘支柱710、电路板712和外罩711，所述壳体701外侧壁上沿其周向对称加工有上平台和下平台，上平台和下平台均为平面，其上加工有多个螺纹盲孔，供其他零件安装，底座704通过底座固定螺钉707安装于上平台上，底座704上开设有与液晶屏706和按钮数量相同的凹槽，液晶屏706以及两个按钮分别放置于底座704上对应的凹槽内，按钮以及液晶屏的下端均外扩构成凸台714，面板708上加工有与液晶屏706和按钮数量相同且形状相匹配的镂空孔，面板镂空孔的尺寸小于对应凸台714的尺寸，面板708罩扣于底座704上表面并且通过面板固定螺钉705固定，由于按钮以及液晶屏706的下端较大，使得面板708与底座704共同卡紧、封装液晶屏706和两个按钮；所述电路板712通过绝缘支柱710支撑、安装于下平台上，以防止电路板与其他零件接触后短路，绝缘支柱710为中空支柱，内设内螺纹，通过电路板固定螺钉713固定在下平台上，外罩711置于壳体701上、通过外罩固定螺钉709固定，封装电路板712；

所述极板电容、液晶屏706和按钮的信号线(图中未示出)均接入电路板712，探测管段与处理终端管段之间的管段侧壁上开设走线槽(图中未示出)，信号线汇集在走线槽中，探测管段上则是将安装平台中心的凹槽一侧打通(如图3所示，电极所在空间的上部为通槽)，供信号线走线，整个装置外表面看不出任何电线，两个按钮分别为开启按钮702和暂停按钮703，开启按钮702用于开始装置的运行，暂停按钮703用于暂停装置的运行，入口阀1和出口阀5可采用手阀或电控阀，采用电控阀时将电控阀接入电路板712。

一种基于上述气液两相流截面含气率测量装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)关闭入口阀和出口阀，在管道内形成密封空间，测定密封空间的体积，以及极板电容的电容值与密封空间内液面高度的对应关系，由于极板电容电容值的大小与两个电极之间的介质有关，因此当气液两相流被截流到密封空间内部时，不同的液面高度值则对应着不同的电容值，据此原理对密封空间内部密封空间的液面高度进行测量，在电路板中写入对应的控制程序，并将该对应关系以及密封空间的体积输入电路板；

(2)开启入口阀和出口阀，将气液两相流流体从下至上持续通入管道，流体自管道入口阀流入、处理终端管段上端流出，待流体流动稳定后同时关闭入口阀和出口阀，流体流速保持一致和相同时间内流量不变则可视为流体流动稳定，若入口阀1和出口阀5均采用电控阀，则由电路板712直接控制阀门开合，在电路板712中预先设定气液两相流流体的流通时间，流体通入管道，流动设定时间后电路板控制两个阀门同时关闭，管道内部形成密封空间；

(3)静置使得密封空间中的气液两相流分层，流体中的液体由于重力作用下沉到密封空间底部，气体上升至密封空间上部，形成明显的液面；

(4)通过电路板自动获取当前状态下极板电容的电容值，并根据测定的电容值与液面高度对应关系确定当前液面高度，具体为探测管段3的探测信号经信号线(图中未示出)输入电路板712，电路板712在对信号进行分析处理后自动得出此时密封空间内部的液面高度，即得出此时密封空间内部的液体体积及气体体积，将气体体积除以密封空间体积的即得到气液两相流的截面含气率，电路板712控制该截面含气率在液晶屏706上显示。