超聲流量計量系統(tǒng)和方法
【專利摘要】一種用于粘性流體的超聲流量計量的系統(tǒng)和方法。在一個實施方式中，超聲流量計量系統(tǒng)包括超聲流量計、流量調節(jié)器和漸縮管。超聲流量計包括一對超聲換能器，一對超聲換能器設置成交換穿過在換能器之間流動的流體流的超聲信號。流量調節(jié)器布置在超聲流量計的上游。漸縮管布置在流量調節(jié)器與超聲流量計之間，以減小從流量調節(jié)器流向超聲流量計的流體流的橫截面積。
【專利說明】超聲流量計量系統(tǒng)和方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于粘性流體的超聲流量計量的系統(tǒng)，還涉及一種用于超聲計量的方法。
【背景技術】
[0002]烴流體通過管道從一個地方輸送至另一地方。期望準確地得知管道中流動的流體的量，并且當流體轉手時或“密閉輸送”時，要求特定的精度。然而，即使在未發(fā)生密閉輸送的情況下也期望計量準確性，并且在這些情況下，可使用流量計。
[0003]超聲流量計是可被用于測量管道中流動的流體的量的一種類型的流量計。超聲流量計具有用于密閉輸送所需的足夠的精度。在超聲流量計中，聲學信號穿過需測量的流體流被來回發(fā)送?；诮邮盏降穆晫W信號的參數，計算出流量計中的流體流速。流動通過流量計的流體的體積可從計算出的流速和流量計的已知橫截面積來確定。
[0004]超聲流量計處的流速的準確測量需要發(fā)展良好的流動分布。常規(guī)的超聲流量測量系統(tǒng)通過在超聲流量計的上游定位延長的直管或流量調節(jié)裝置而提供這種流動分布。
【發(fā)明內容】
[0005]本文公開了用于粘性流體的超聲流量計量的系統(tǒng)和方法。在一個實施方式中，超聲流量計量系統(tǒng)包括超聲流量計、流量調節(jié)器和漸縮管。漸縮管為一種將管從上游大內徑過渡至下游小內徑的設備。超聲流量計包括一對超聲換能器，一對超聲換能器設置成交換穿過在換能器之間流動的流體流的超聲信號。流量調節(jié)器布置在超聲流量計的上游。漸縮管布置在流量調節(jié)器與超聲流量計之間，以減小從流量調節(jié)器流向超聲流量計的流體流的橫截面積。
[0006]在另一實施方式中，一種方法包括將漸縮管的下游端連接至超聲流量計的上游端，并且將漸縮管的上游端連接至流量調節(jié)器的下游端。漸縮管的下游端的內橫截面積小于漸縮管的上游端的內橫截面積。
[0007]在再一實施方式中，超聲流量計量系統(tǒng)包括流量調節(jié)器、漸縮管和超聲流量計。流量調節(jié)器聯接至漸縮管的上游端，超聲流量計聯接至漸縮管的下游端。流量調節(jié)器和漸縮管調節(jié)流過超聲流量計的流體流，使得超聲流量計在流體流具有小于5000的雷諾數時以小于百分之0.2的誤差測量流體流的速度。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]為了詳細地描述本發(fā)明的示例性實施方式，現在參照附圖，在附圖中:
[0009]圖1示出說明層流流體流、過渡流體流和湍流流體流的流動分布的曲線；
[0010]圖2示出層流流體流、過渡流體流和湍流流體流的示例性百分比誤差特性的曲線.[0011]圖3示出根據本文中所公開的原理提供對層流至湍流流動過渡的控制的用于測量粘性流體的超聲測量系統(tǒng)；
[0012]圖4示出根據本文中所公開的原理的超聲流量計的截面俯視圖；
[0013]圖5示出根據本文中所公開的原理的四路超聲流量計的端視圖；
[0014]圖6示出根據本文中所公開的原理的超聲流量計量系統(tǒng)的體積流量測量值的誤差的變化與雷諾數的曲線圖；
[0015]圖7示出根據本文中所公開的原理的超聲流量計量系統(tǒng)的計算的分布因數和實際的分布因數的變化與雷諾數的曲線圖；
[0016]圖8示出流體的實際雷諾數與通過根據本文中所公開的原理的超聲流量計量系統(tǒng)計算的雷諾數相比較的曲線；
[0017]圖9示出根據本文中所公開的原理的計算的雷諾數的誤差與實際雷諾數的曲線；
[0018]圖10示出流體的實際運動粘度與通過根據本文中所公開的原理的超聲流量計量系統(tǒng)計算的運動粘度的曲線；
[0019]圖11示出根據本文中所公開的原理的計算的運動粘度的誤差與雷諾數的曲線；
[0020]圖12示出根據本文中所公開的原理的超聲流量計的電路的框圖；
[0021]圖13示出根據本文中所公開的原理的超聲流量計的流量處理器的框圖；以及
[0022]圖14示出用于利用根據本文中所公開的原理的超聲流量計測量粘性液體的方法的流程圖。
【具體實施方式】
[0023]標記和術語
[0024]在以下的討論中以及在權利要求中，術語“包括”和“包含”以開放的方式被使用，并因而應當被解釋為意味著“包括，但不限于……”。另外，術語“聯接”旨在表示間接或直接的連接。因此，如果第一裝置聯接至第二裝置，則該連接可能通過直接連接，或者通過經由其他裝置和連接件而完成的間接連接。引述“基于”旨在表示“至少部分地基于”。因此，如果X基于Y，則X可能基于Y和任何數量的其他因素。術語“流體”包括液體和氣體。
[0025]詳細說明
[0026]以下描述針對本發(fā)明的各種示例性實施方式。附圖并非必須成比例。實施方式的某些特征可以以放大的比例示出，或以稍示意性的形式示出，并且常規(guī)元件的一些細節(jié)可出于清楚簡明起見而不示出。所公開的實施方式不應被解釋為或另外地用于限制包括權利要求的本公開的范圍。另外，本領域技術人員將理解的是，以下描述具有廣泛的應用，并且任何實施方式的討論僅意味著實施方式的示例，且并非旨在暗示包括權利要求的本公開的范圍，也并非旨在限制于該實施方式。應當全面認識到，以下所討論的實施方式的不同教示可分開地應用，或者以任何適當的組合應用以產生期望的結果。另外，各個實施方式在測量烴流體(例如，原油或煉制品)的背景中被研發(fā)，并且描述是從研發(fā)背景中得出的；但是，所描述的系統(tǒng)和方法同等地應用于任何流體流的測量。
[0027]常規(guī)的超聲液流計量系統(tǒng)可包括位于流量調節(jié)器的上游的管縮徑部，即位于向流量計提供流體流的一定長度(例如，八個管直徑)的直管的上游。這種常規(guī)系統(tǒng)足以用于利用超聲流量計為湍流狀態(tài)下的液體提供流量測量。然而，這種系統(tǒng)不足以用于測量與高粘度流體相關聯的非湍流狀態(tài)的流體。這種系統(tǒng)——其利用在線流量調節(jié)裝置——同樣引入顯著地增大工作流體的粘度的壓降。
[0028]以適中的速度流過管道的低粘度的液流被稱為“湍流”。湍流具有唯一良好限定的速度分布。類似地，以低速流動的非常高粘度的液流被稱為“層流”。層流具有與湍流不同的速度分布。當在高粘度流體中的流動速度從O增加時，根據系統(tǒng)參數，流動狀態(tài)從層流改變成湍流。從層流到湍流的改變并不突然，并且發(fā)生在流速的很寬的范圍內。在該狀態(tài)改變期間的流動的狀態(tài)已知為“過渡”流。過渡區(qū)域中的速度分布通常并非良好地限定并且可能是不穩(wěn)定的。
[0029]圖1示出在具有圓形橫截面的管中的說明性的過渡流、層流以及湍流的速度分布圖。在具有非圓形橫截面的管中的速度分布圖類似于所示出的速度分布圖。不同的流動狀態(tài)能夠通過被稱作雷諾數(Re)的無量綱參數來區(qū)分，該雷諾數(Re)定義為:
[0030]Re = —( I )
[0031]其中:
[0032]U為穿過管道橫截面的平均速度；
[0033]d為內管徑；以及
[0034]V為流體的運動粘度。
[0035]在雷諾數低于大約2300時流動為層流，在雷諾數大于大約5000時為湍流，以及當雷諾數在2300與5000之間時為過渡流。在過渡流區(qū)域內，流動特征在層流與湍流之間快速地變化。因此，流動的速度分布在被稱為間歇行為的層流速度分布與湍流速度分布之間快速地波動。時均過渡速度分布(time averaged transitional velocity profile)可以根據在特定的雷諾數處的間隙性來采取一種形狀。過渡流平均速度分布的間歇性特性使得利用常規(guī)設置的液體超聲流量計量系統(tǒng)很難獲得穩(wěn)定的流量測量。在這些情況下，流速測量誤差曲線是高度非線性的。圖2示出層流流體流、過渡流體流以及湍流流體流的示例性誤差百分比特征的曲線圖。該誤差在初始湍流區(qū)域內是均勻的和線性的，而在層流區(qū)域和過渡區(qū)域內是非均勻的和非線性的。因此，隨著雷諾數的減小，使用常規(guī)的液體超聲流量計量系統(tǒng)在測得體積流量中的誤差百分比增大而超過了用于密閉輸送應用可允許的限度。
[0036]本公開的實施方式包括液體超聲流量計量系統(tǒng)，該液體超聲流量計量系統(tǒng)將液體超聲流量測量的線性度擴展到具有小于1000的雷諾數的流體。與此相反，常規(guī)的超聲系統(tǒng)的線性度被限制在具有大于約5000的雷諾數的流體。因此，實施方式可以應用于諸如具有相對較低的雷諾數的重質原油或粘性煉制品的粘性流體的超聲計量。
[0037]圖3示出根據本文中所公開的原理的用于粘性流體的計量的超聲流量計量系統(tǒng)30。該系統(tǒng)30通過控制層流至湍流的過渡來提供改進的粘性流體流的測量。該系統(tǒng)30包括超聲流量計100、漸縮管140以及流量調節(jié)器126。該流量調節(jié)器126定位在漸縮管140的上游，以及該漸縮管140定位在超聲流量計100的上游。該系統(tǒng)30經由直管部段134在流量調節(jié)器126的上游聯接至流體流，該直管部段134的長度可以為至少三個管徑(管部段134的直徑)(例如3至5個管徑)。管部段134可以包括完全打開的隔離閥。系統(tǒng)30的一些實施方式還可以包括在管部段134的上游處的擴張器142。該擴張器142使得管部段134在擴張器142的上游具有更小直徑的管部段144。例如，在管部段134具有內徑Dl的情況下，擴張器142將管部段134聯接至具有內徑D2的管部段144，其中D2 < D1。在一些實施方式中，管144和管138可以具有相同的內徑(例如D2)。
[0038]超聲流量計100包括限定中心通道或中心孔的流量計本體或管件102。管件102的上游端聯接至漸縮管140，使得在管134中流動的流體穿過中心孔。在流體穿過中心孔時，超聲流量計100測量流量(因此，流體可被稱為被測量流體)。管件102包括便于將管件102聯接至漸縮管140、管138或其他結構的凸緣106。可以利用用于將管件102聯接至結構體的任何適合的系統(tǒng)(例如，螺栓、夾具、焊接連接等等)。
[0039]為了測量管件102內的流體流，超聲流量計100包括多個換能器組件。在圖3的視圖中，示出四個這種換能器組件108、112、116以及120。換能器組件是成對的(例如，換能器組件108與在管件的相對側上的圖3中未示出的換能器配對)，如將在下文進一步討論的。此外，每個換能器組件電聯接至控制電子器件124。更具體地，每個換能器組件通過各自的電纜或等同的信號傳導組件電聯接至控制電子器件124。
[0040]圖4示出超聲流量計100的俯視橫截面圖。管件102具有預定的尺寸并且限定被測量流體流經的中心孔104。說明性的一對換能器組件112和114沿著管件102的長度定位。換能器112和114為聲學收發(fā)器，并且更特別地為超聲收發(fā)器。超聲收發(fā)器112和114均產生并且接收具有大于大約20千赫茲頻率的聲學信號。聲學信號可以由在每個換能器中的壓電元件來產生和接收。為了產生超聲信號，該壓電元件通過信號(例如，正弦信號)進行電激勵，并且該元件通過振動來響應。壓電元件的振動產生聲學信號，聲學信號穿過被測量流體至相應的成對的換能器組件。類似地，當被聲學信號擊中時，接收壓電元件振動并且產生由與流量計101相關聯的控制電子器件124進行檢測、數字化以及分析的電信號(例如，正弦信號)。
[0041]也被稱為“弦線”的路徑200以與中心線202成角Θ的方式存在于說明性的換能器組件112與114之間。弦線200的長度為換能器組件112的面與換能器組件114的面之間的距離。點204和點206限定由換能器組件112和換能器組件114產生的聲學信號進入和離開流過管件102 (S卩，進入管件孔)的流體的位置。換能器組件112和換能器組件114的位置可以由下述參數限定，即:角Θ、換能器組件112的面與換能器組件114的面之間測定的第一長度L、與點204與點206之間的軸向距離相對應的第二長度X、以及與管件內徑相對應的第三長度d。在多數情況下，距離d、X和L在流量計制造期間被精確地確定。被測量流體，諸如原油(或煉制品)沿方向208以速度分布210流動。速度矢量212、214、216和218示出通過管件102的流體速度朝向管件102的中心線202而增大。
[0042]最初，下游換能器組件112產生超聲信號，超聲信號入射到上游換能器組件114上，并且因此由上游換能器組件114檢測。一段時間后，上游換能器組件114產生返回超聲信號，返回超聲信號隨后入射到下游換能器組件112上，并且因此由下游換能器組件112檢測。因而，換能器組件沿著弦線路徑200交換或進行“發(fā)收”超聲信號220。操作期間，該序列可能每分鐘出現數千次。
[0043]超聲信號220在說明性的換能器組件112與換能器組件114之間的傳輸時間部分地取決于超聲信號220相對于流體流向上游行進或向下游行進。超聲信號向下游行進(即，沿與流體流相同的方向)的傳輸時間小于其向上游行進時(即，逆著流體流)的傳輸時間。上游和下游傳輸時間可用于計算沿著信號路徑的平均速度以及被測量流體中的聲速。給定承載流體的流量計100的橫截面測量值，通過中心孔104的面積的平均速度可被用于確定流過管件102的流體的體積。
[0044]超聲流量計可以具有一個或更多個弦線。例如，圖5示出超聲流量計100的端視圖，其示出在管件102內位于各不相同的高度處的四個弦線路徑。在換能器108與換能器110之間形成有弦線路徑A。在換能器112與換能器114之間形成有弦線路徑B。在換能器116與換能器118之間形成有弦線路徑C。在換能器120與換能器122之間形成有弦線路徑D。流體的流速可以在每個弦線處確定，以獲得弦線流速，并將弦線流速組合起來以確定整個管內的平均流速。根據平均流速，可以確定在管件中并且因此在管線中流動的流體的量。
[0045]通常，控制電子器件124使換能器(例如，112,114)發(fā)射并且接收來自換能器的輸出信號?？刂齐娮悠骷?24也可以計算每個弦線的平均流速、計算流量計的平均流速、計算通過流量計的體積流量、計算通過流體的聲速、執(zhí)行流量計診斷等等。
[0046]對于給定的弦線，弦線流速V通過下式給出:
【權利要求】
1.一種超聲流量計量系統(tǒng)，包括: 超聲流量計，所述超聲流量計包括一對超聲換能器，所述一對超聲換能器設置成交換穿過在所述換能器之間流動的流體流的超聲信號； 流量調節(jié)器，所述流量調節(jié)器布置在所述超聲流量計的上游；以及 漸縮管，所述漸縮管布置在所述流量調節(jié)器與所述超聲流量計之間，以減小從所述流量調節(jié)器流向所述超聲流量計的所述流體流的橫截面積。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述流量調節(jié)器和所述漸縮管調節(jié)所述流體流，使得所述超聲流量計以小于百分之0.2的誤差測量所述流體流的速度，其中，所述流體流具有小于1000的雷諾數。
3.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述流量調節(jié)器和所述漸縮管調節(jié)所述流體流，使得所述超聲流量計以小于百分之0.2的誤差測量所述流體流的速度，并且所述流體流具有不大于500的雷諾數。
4.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，還包括流量計算邏輯，所述流量計算邏輯構造成利用基于所述流體流的瞬時分布因數和流量計因數的修正值計算通過所述超聲流量計的體積流量，其中，流量計因數是在預定的時間周期內排放的基準體積與通過所述超聲流量計排放的體積的比值。
5.根據權利要求4所述的系統(tǒng)，其中，所述漸縮管為包括8度至16度的范圍內的漸縮角的同心文丘里漸縮管。
6.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述流量調節(jié)器和所述漸縮管調節(jié)所述流體流，使得所述流體流的分布因數在所述流體流的過渡流動期間在約1.18至1.8的范圍內變化。
7.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述流量調節(jié)器和所述漸縮管相對于包括具有與流量計的直徑相等的直徑的流量調節(jié)器的流量計量系統(tǒng)而言將所述系統(tǒng)中的壓力損失減小超過百分之75。
8.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括計算邏輯，所述計算邏輯構造成在過渡流動期間基于所述流體流的瞬時分布因數計算所述流體流的雷諾數和粘度。
9.根據權利要求8所述的系統(tǒng)，其中，所述計算邏輯構造成以小于百分之5的誤差計算所述雷諾數和粘度；其中，所述流體流具有從500至5500范圍內的雷諾數。
10.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括所述漸縮管與所述超聲流量計的連接部，所述連接部包括不大于64微英寸的表面粗糙高度。
11.一種用于超聲計量的方法，包括: 將漸縮管的下游端連接至超聲流量計的上游端；以及 將所述漸縮管的上游端連接至流量調節(jié)器的下游端； 其中，所述漸縮管的所述下游端的內橫截面積小于所述漸縮管的所述上游端的內橫截面積。
12.根據權利要求11所述的方法，還包括以不大于百分之0.2的誤差測量流過所述超聲流量計的流體流的平均速度；其中，所述流體流具有低至500的雷諾數。
13.根據權利要求11所述的方法，還包括利用基于所述流體流的瞬時分布因數和流量計因數的修正值計算通過所述超聲流量計的體積流量，其中，流量計因數為在預定的時間周期內排放的基準體積與通過所述超聲流量計排放的體積的比值。
14.根據權利要求11所述的方法，其中，所述漸縮管為包括8度至16度范圍內的漸縮角的同心文丘里漸縮管。
15.根據權利要求11所述的方法，還包括經由所述流量調節(jié)器和所述漸縮管相對于包括與所述超聲流量計具有相等直徑的流量調節(jié)器的系統(tǒng)中的壓降，將跨過所述流量調節(jié)器的壓降減小百分之79至百分之89的范圍。
16.根據權利要求11所述的方法，還包括在過渡流動期間基于所述流體流的瞬時分布因數計算所述流體流的雷諾數和粘度。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括以小于百分之5的誤差計算所述雷諾數和粘度，其中，所述流體流具有從500至5500范圍內的雷諾數。
18.一種超聲流量計量系統(tǒng)，包括: 流量調節(jié)器； 漸縮管；和 超聲流量計； 其中，所述流量調節(jié)器聯接至所述漸縮管的上游端，以及所述超聲流量計聯接至所述漸縮管的下游端； 其中，所述流量調節(jié)器和所述漸縮管調節(jié)流過所述超聲流量計的流體流，使得所述超聲流量計以小于百分之0.2的誤差測量所述流體流的速度，并且所述流體流具有小于5000的雷諾數。
19.根據權利要求18所述的系統(tǒng)，還包括聯接至所述流量調節(jié)器的上游端的至少三個管徑的直管。
20.根據權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述流體流具有低至500的雷諾數。
21.根據權利要求18所述的系統(tǒng)，還包括流量計算邏輯，所述流量計算邏輯構造成基于源自所述流體流的瞬時分布因數和流量計因數的修正值計算所述流體流的體積；其中，流量計因數為在預定的時間周期內排放的基準體積與通過所述超聲流量計排放的體積的比值。
22.根據權利要求18所述的系統(tǒng)，其中，所述漸縮管為包括8度至16度范圍內的漸縮角的同心文丘里漸縮管。
23.根據權利要求18所述的系統(tǒng)，還包括計算邏輯，所述計算邏輯構造成在過渡流動期間基于所述流體流的瞬時分布因數計算所述流體流的雷諾數和粘度。
24.根據權利要求23所述的系統(tǒng)，其中，所述計算邏輯構造成以小于百分之5的誤差計算所述雷諾數和所述粘度；其中，所述流體流具有從500至5500范圍內的雷諾數。
25.根據權利要求23所述的系統(tǒng)，其中，計算邏輯構造成基于所述流體流的所述瞬時分布因數的八階多項式函數計算所述雷諾數。
26.根據權利要求11所述的方法，還包括經由所述流量調節(jié)器和所述漸縮管調節(jié)所述流體流，使得所述分布因數在所述流體流的過渡流動期間在約1.18至1.8的范圍內變化。
【文檔編號】G01F1/66GK104006854SQ201410069801
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年2月27日 優(yōu)先權日:2013年2月27日
【發(fā)明者】帕思塔格·賈亞姆帕蒂·阿努拉達·普里亞達爾沙納, 德魯·S·韋弗, 彼得·西爾尼克, 代爾·古德森 申請人:丹尼爾測量和控制公司
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