[發(fā)明專利]基于電容檢測(cè)裝置的油氣兩相流液塞運(yùn)動(dòng)速度和長度測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410366839.7
• 申請(qǐng)日: 2014-07-29
• 公開（公告）號(hào): CN104101730A
• 公開（公告）日: 2014-10-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王鑫;祁雷;何利民;張曉凌;呂宇玲;羅小明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)（華東）
• 主分類號(hào): G01P5/18
• 分類號(hào): G01P5/18;G01B7/02
• 代理公司: 青島海昊知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)所有限公司 37201
• 代理人: 張中南;邱岳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種油氣兩相流液塞速度和長度的電容檢測(cè)裝置和方法，利用兩組體積測(cè)量的雙凹面電容電極和兩者測(cè)量的電容差值對(duì)兩相流液塞特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，主要應(yīng)用于段塞流型的液塞速度和長度的測(cè)量，屬于石油天然氣多相流輸送技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

氣液兩相流中的段塞流是一種常見的流動(dòng)現(xiàn)象，這種流型具有間歇性、強(qiáng)烈的波動(dòng)以及不穩(wěn)定的特點(diǎn)，是深海油田開發(fā)、核電站冷水降溫中必須突破的流動(dòng)安全關(guān)鍵技術(shù)問題之一。在海洋油氣平臺(tái)生產(chǎn)系統(tǒng)中，段塞流型的液塞參數(shù)，如運(yùn)動(dòng)速度、液塞長度、頻率等的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)于下游分離器等設(shè)備的安全運(yùn)行控制具有重要意義。

對(duì)氣液兩相段塞流液塞速度和長度測(cè)量方法主要有光學(xué)法、射線法、電學(xué)法、高速攝像法等。前三種方法對(duì)段塞流液塞速度和長度的測(cè)量需要兩組相同的測(cè)量裝置，在管道上的不同位置對(duì)段塞流液塞進(jìn)行測(cè)量，將兩組裝置測(cè)量的信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)函數(shù)運(yùn)算得到液塞速度和長度。其中，光學(xué)法和射線法測(cè)量精度最高，但兩者的設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、對(duì)操作環(huán)境要求高。高速攝像法需要液塞流經(jīng)透明的管道，通過在管道上設(shè)置標(biāo)尺，結(jié)合連續(xù)拍攝到的液塞圖片上液塞的位置計(jì)算液塞速度，液塞長度通過管上的標(biāo)注進(jìn)行計(jì)算。這種方法對(duì)操作者要求很高，而且存在照明、聚焦等光學(xué)問題，適用范圍受到限制。

電學(xué)法測(cè)量段塞流液塞速度和長度的方法從原理上分為電導(dǎo)法和電容法。兩種方法具有設(shè)備簡單、操作方便，在兩相流相含率測(cè)量的研究中得到廣泛的使用。目前，電導(dǎo)應(yīng)用于氣液兩相流液塞速度和長度的測(cè)量較多，但是這種方法只適用于導(dǎo)電流體的測(cè)量，不適用于非導(dǎo)電的介質(zhì)，如天然氣－原油流動(dòng)測(cè)量。電容法測(cè)量液塞速度和長度的方法較少，如中國專利申請(qǐng)文本《基于電容和互相關(guān)法的微管氣液兩相流速測(cè)量裝置》(公開日2009年7月7日，公開號(hào)CN201177634，申請(qǐng)日2008年2月4日)公開了一種基于電容和互相關(guān)法測(cè)量微管氣液兩相流速度的裝置，其測(cè)量結(jié)果較為準(zhǔn)確。但是這一裝置需要的功能設(shè)備較多，分散放置時(shí)容易受到干擾，并且能夠測(cè)量的管徑較小，測(cè)量用電極加工較困難。

綜上所述，測(cè)量油氣兩相流液塞速度和長度的方法都存在較多的限制，需要研究新的方法對(duì)兩相流液塞速度和長度進(jìn)行測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容

本文提供一種基于電容檢測(cè)裝置的油氣兩相流液塞運(yùn)動(dòng)速度和長度測(cè)量方法及裝置，通過準(zhǔn)確測(cè)量液塞的氣液界面的電容差值變化來確定液塞速度和長度，完善油氣輸送管道氣液兩相流液塞參數(shù)的檢測(cè)方法。

基于電容檢測(cè)裝置的油氣兩相流液塞運(yùn)動(dòng)速度和長度測(cè)量方法，其特征在于所述的電容檢測(cè)裝置包括：

兩組雙凹面電容電極裝置，通過同軸電纜與所述雙凹面電容電極裝置連接的信號(hào)源與電容電壓轉(zhuǎn)換集成電路，與信號(hào)源與電容電壓轉(zhuǎn)換集成電路相連的采集板卡和計(jì)算機(jī)；

所述信號(hào)源和電容電壓轉(zhuǎn)換集成電路根據(jù)計(jì)算機(jī)的控制程序輸出激發(fā)交流電，并向采集板卡輸出測(cè)量電壓，計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)采集板卡采集到的測(cè)量電壓進(jìn)行處理，并計(jì)算出測(cè)量電壓對(duì)應(yīng)的體積相含率、進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并在顯示器上實(shí)時(shí)顯示；

所述的雙凹面電容電極裝置包括用于安裝在絕緣管道外壁上的雙凹面電容電極組、用于將雙凹面電容電極組緊固在絕緣管道外壁上的絕緣填充材料，以及緊固在絕緣填充材料外側(cè)的銅保護(hù)外殼；上述雙凹面電容電極組包括兩片形狀完全相同的弧形銅片，且緊貼在絕緣管道兩側(cè)并對(duì)稱放置；

所述的測(cè)量方法包括以下步驟：

1)將與信號(hào)源和電容電壓轉(zhuǎn)換電路相連接的兩組雙凹面電容電極裝置安裝在待測(cè)量的絕緣管道上；兩組雙凹面電容電極裝置的兩端間距設(shè)置為不小于管徑的10倍；經(jīng)統(tǒng)計(jì)最小的液塞具有長度為管徑的10倍的規(guī)律，又發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩組雙凹面電容電極裝置的間距為不小于管徑的10倍時(shí)，能夠最好的識(shí)別出三個(gè)特征點(diǎn)；

2)通過對(duì)MS3110芯片(10)的CS2IN，CS1IN，CSCOM進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的方式，使測(cè)量得到的管內(nèi)滿油最高電壓和管內(nèi)滿氣最低電壓值的差值處于2V～4V之間；由于與該芯片配合使用的采集板卡5的采壓范圍為+5V～-5V，控制差值位于2V～4V之間可使采集的曲線便于波形分析辨識(shí)；

3)設(shè)置參數(shù)完畢后，通過電容電壓轉(zhuǎn)換電路對(duì)絕緣管道內(nèi)的油氣兩相流的流動(dòng)過程中產(chǎn)生的電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，然后以采集板卡對(duì)該電壓信號(hào)進(jìn)行采集，并將采集到的電壓信號(hào)進(jìn)行采集存儲(chǔ)；

4)然后讀取采集電壓，根據(jù)差值法電壓信號(hào)處理方法，計(jì)算出每個(gè)液塞上的電壓特征點(diǎn)；具體是：利用公式