DE102008055032B4 - Arrangement and method for multiphase flow measurement - Google Patents
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- G01N33/28—Oils, i.e. hydrocarbon liquids
- G01N33/2823—Oils, i.e. hydrocarbon liquids raw oil, drilling fluid or polyphasic mixtures
Abstract
Anordnung zur Mehrphasendurchflussmessung, bestehend aus einem innerhalb eines Strömungskanals (1) eingebrachten Kanalkörper (2), dadurch gekennzeichnet, dass a. über dem Kanalkörper (2) ein Differenzdrucksensor (5) oder vor und hinter dem Kanalkörper (2) jeweils ein Drucksensor (7) angeordnet ist, aus dem der Differenzdruck der beiden Drucksensoren (7) ermittelt wird; b. der Kanalkörper (2) aus einer Vielzahl von in Strömungsrichtung verlaufenden durchgängigen Kanälen (3) mit geringem hydraulischem Durchmesser besteht; c. an jedem der Kanäle (3) mindestens zwei Phasensensoren (4) zur Identifikation der stofflichen Phase in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind; d. alle Phasensensoren (4) signaltechnisch mit einer zugeordneten Messelektronik verbunden sind, die gleichzeitig die Phasenindikatorsignale der Phasensensoren (4) sowie den Messwert des Differenzdrucksensors (5) mit hoher Abtastrate erfasst; e. ein in der Messelektronik integrierter oder dieser nachgeschalteter Mikrocontroller oder Rechner die Partialvolumenströme in den Kanälen (3) sowie die mittleren Partialvolumenströme des gesamten Querschnitts des Strömungskanals (1) aus den erfassten Messwerten berechnet; und f. jedes Volumenstromelement den Kanalkörper (2) durch einen der Kanäle (3) passieren muss.Arrangement for multiphase flow measurement, consisting of a channel body (2) introduced within a flow channel (1), characterized in that a. A differential pressure sensor (5) is arranged above the channel body (2) or in front of and behind the channel body (2) a pressure sensor (7), from which the differential pressure of the two pressure sensors (7) is determined; b. the channel body (2) consists of a plurality of continuous channels (3) running in the direction of flow and having a small hydraulic diameter; c. on each of the channels (3) at least two phase sensors (4) for identifying the material phase are arranged one behind the other in the direction of flow; d. all phase sensors (4) are connected in terms of signaling to associated measuring electronics which simultaneously record the phase indicator signals from the phase sensors (4) and the measured value from the differential pressure sensor (5) at a high sampling rate; e. a microcontroller or computer integrated in the measurement electronics or connected downstream of the latter calculates the partial volume flows in the channels (3) and the mean partial volume flows of the entire cross section of the flow channel (1) from the recorded measured values; and f. each volume flow element has to pass the channel body (2) through one of the channels (3).
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Inline-Messung der Partialvolumenströme von Mehrphasengemischen in einem Strömungskanal.The invention relates to an arrangement for inline measurement of the partial volume flows of multiphase mixtures in a flow channel.
In vielen Industriezweigen, wie der Erdölförderung, der Chemie-, Bio-, Pharma-, Umwelt- und Energieverfahrenstechnik sind Stoffgemischströme in ihrer mengenmäßigen Zusammensetzung zu erfassen. Handelt es sich um Gemische mit schwer oder nicht mischbaren Stoffen, spricht man von Mehrphasenströmungen. Das Vermessen der Partialvolumen- bzw. Partialmassenströme der Phasen eines Mehrphasengemisches ist Aufgabe der Mehrphasendurchflussmessung. Für einphasige Strömungen gibt es derzeit eine Vielzahl von Messgeräten zur Bestimmung des Volumen- bzw. Massenstroms. Zu diesen zählen Flügelradanemometer, Schwebekörperdurchflussmesser, Wirkdruck-Durchflussmesser, magnetisch-induktive Durchflussmesser, Ultraschalldurchflussmesser und Coriolis-Massendurchflussmesser. Diese Messgeräte sind aufgrund ihrer physikalischen Funktionsprinzipien nicht zur Mehrphasendurchflussmessung geeignet.In many industries, such as petroleum extraction, chemical, biotechnology, pharmaceutical, environmental and energy process engineering, mixtures of substances are to be measured in terms of their quantitative composition. If it is mixtures with difficult or immiscible substances, it is called multi-phase flows. The measurement of the partial volume or partial mass flows of the phases of a multiphase mixture is the task of the multiphase flow measurement. For single-phase flows, there are currently a large number of measuring devices for determining the volume or mass flow. These include vane anemometers, variable area flowmeters, differential pressure meters, electromagnetic flowmeters, ultrasonic flowmeters, and Coriolis mass flowmeters. These meters are not suitable for multi-phase flow measurement due to their physical operating principles.
Die Mehrphasendurchflussmessung stellt ein sehr anspruchsvolles und komplexes messtechnisches Problem dar. Derzeit bekannte Verfahren zur Mehrphasendurchflussmessung unterteilen sich prinzipiell in solche mit Separation der Gemische sowie solche zur Inline-Durchflussmessung in Strömungskanälen. Ein Beispiel für Verfahren mit Separation ist die in
Derzeit bekannte Anordnungen zur Inline-Mehrphasendurchflussmessung bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von Messinstrumenten, die gleichzeitig verschiedene Parameter der Gemischströmung innerhalb eines Strömungskanals erfassen, sowie aus einer nachgeschalteten Datenverarbeitungseinheit, die aus den gewonnenen Messwerten der Einzelinstrumente Partialvolumenströme bzw. Partialmassenströme des Gemisches berechnet. Bei den meisten Inline-Mehrphasendurchflussmessverfahren werden die Gemischgeschwindigkeit und die Phasenzusammensetzung des Gemisches quasi gleichzeitig erfasst und verrechnet. Bei homogener Phasenverteilung und schlupffreier Bewegung der Phasen lassen sich aus diesen Messwerten leicht die entsprechenden Partialvolumenströme bestimmen. Mit einer zusätzlichen Dichtemessung für die Phasen ergeben sich dann auch die entsprechenden Partialmassenströme.Currently known arrangements for inline multiphase flow measurement usually consist of a plurality of measuring instruments, which simultaneously detect different parameters of the mixture flow within a flow channel, and from a downstream data processing unit which calculates partial volume flows or partial mass flows of the mixture from the measured values of the individual instruments. For most in-line multiphase flow measuring methods, the mixture speed and the phase composition of the mixture are recorded and calculated virtually simultaneously. With homogeneous phase distribution and slip-free movement of the phases, the corresponding partial volume flows can be easily determined from these measured values. With an additional density measurement for the phases, the corresponding partial mass flows also result.
Die Messung der Gemischgeschwindigkeit kann beispielsweise mit Flügelradanemometer (
Eine alternative Inline-Messanordnung für ein Zweiphasengemisch wird in
Die
Die
Die
Nachteil aller bekannten Inline-Messverfahren ist deren explizite Abhängigkeit von der Strömungsstruktur. In
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Anordnung und ein Verfahren zur Messung der Partialvolumenströme in einem Strömungskanal anzugeben, die die oben genannten Nachteile bekannter Lösungen überwindet und welche für einen weiten Anwendungsbereich, insbesondere hinsichtlich der Strömungsregime und Gemischzusammensetzungen, geeignet ist.The object of the present invention was therefore to specify an arrangement and a method for measuring the partial volume flows in a flow channel, which overcomes the abovementioned disadvantages of known solutions and which is suitable for a wide range of applications, in particular with regard to flow regimes and mixture compositions.
Die Aufgabe wird durch die Anordnung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt. Die Erfindung überwindet die Nachteile bekannter Lösungen durch folgende Merkmale:
- – Die Strömung wird mittels eines Kanalkörpers in wenige, messtechnisch gut unterscheidbare, Strömungsstrukturen (Einphasenströmung, Kolbenströmung) gezwungen.
- – Die im Allgemeinen übliche getrennte Messung von Gemischgeschwindigkeit und Gemischzusammensetzung mit unterschiedlichen Messverfahren wird durch eine zeit- und ortsaufgelöste Phasenindikatormessung an einer Vielzahl von Messpunkten im Kanalkörper mit einem einzigen Messverfahren realisiert.
- - The flow is forced by means of a channel body in a few metrologically well distinguishable flow structures (single-phase flow, piston flow).
- The generally customary separate measurement of mixture velocity and mixture composition with different measurement methods is realized by a time and spatially resolved phase indicator measurement at a plurality of measurement points in the channel body with a single measurement method.
Durch diese Merkmale wird eine sehr genaue Partialvolumenstrommessung mit vergleichweise geringem technischem Aufwand und Komplexität des Messgerätes erreicht. Die erforderliche Phasenindikatormessung an einer Vielzahl von Messpunkten kann dabei vorteilhaft durch gitterförmige Phasensensoranordnungen realisiert werden.By these features, a very accurate Partialvolumenstrommessung with comparatively low technical complexity and complexity of the meter is achieved. The required phase indicator measurement at a plurality of measuring points can be advantageously realized by grid-shaped phase sensor arrangements.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be explained below with reference to exemplary embodiments. In the accompanying drawings show:
Die Anordnung besteht aus einem Segment eines Strömungskanals (
Ebenfalls ist eine Anordnung der Phasensensoren (
Das Funktionsprinzip des Messverfahrens wird im Folgenden anhand des Beispiels einer Zweiphasenströmung aus einem Gas und einer Flüssigkeit erläutert, wobei angemerkt wird, dass eine Erweiterung auf mehr als zwei Phasen ohne Einschränkungen möglich ist, sofern die Phasensensoren (
Wird der Strömungskanal von einem Zweiphasengemisch durchströmt, kommt es am Kanalkörper (
Mit Hilfe der in den Kanälen (
Im Falle der Ausprägung einer Kolbenströmung ist der Schlupf zwischen den Phasen vernachlässigbar, da die Pfropfen einer Phase fast den gesamten Kanalquerschnitt einnehmen. Damit ist die Geschwindigkeit der Phasengrenze ein Maß für die Geschwindigkeit der Gasphase und der Flüssigphase im Kanal (
Zeigen die Phasensensoren (
Die integralen Partialvolumenströme des gesamten Strömungskanals (
Entsprechend der obigen Beschreibung des Berechnungsverfahrens wird die der Anordnung zugeordnete Messelektronik derart ausgeführt, dass diese eine Erfassung des Phasenindikators an jeder der 2 × N Phasensensoren mit genügend hoher Abtastrate realisiert. Zusätzlich ist mit genügend hoher Abtastrate der Differenzdruck am Kanalkörper (
Zusätzlich kann vor oder hinter dem Kanalkörper (
Zusätzlich kann vor oder hinter dem Kanalkörper (
Anstelle eines Differenzdrucksensors über dem Kanalkörper kann jeweils vor und hinter dem Kanalkörper (
Die Bestimmung von Partialmassenströmen aus den Partialvolumenströmen ist durch entsprechende Umrechnung über die Dichte der Phasen entsprechend der Gleichungen
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Strömungskanalflow channel
- 22
- Kanalkörperchannel body
- 33
- Kanalchannel
- 44
- Phasensensorphase sensor
- 55
- DifferenzdrucksensorDifferential Pressure Sensor
- 66
- Temperatursensortemperature sensor
- 77
- AbsolutdrucksensorAbsolute pressure sensor
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