专利名称：容积式气液二相流量计及多相流量计测系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及容积式气液二相流量计及多相流量计测系统，更详细地讲，涉及能够计测在管线中流动的由液体及气体构成的气液二相流的各流量的容积式气液二相流量计及具备该流量计的多相流量计测系统。
背景技术：
从海洋油田等产出的石油形成在油中含有水及气体的油水气三相流(以下，称作多相流)，在不将这些相分离而高压移送到陆地后，经过采油井采取工序进行分离精制。并且，将分离精制后的油、气体朝向目的地送油、送气，并且将水分进行排水处理。此外，采油井采取工序之前的阶段中，根据需要将多相流体为了采油井的管理及采取工序至发货管理等而进行各相的流量计测。在上述中，作为以往的多相流的流量计测方法，已知有在使气体与液体分离后、在 单相流的状态下分别计测的方法。根据该方法，当将多相流中的气体物理地从液体分离、液体由两个液相构成时，抽取液的一部分而求出其比率，计算各自的流量。为了计测气体和液体的流量而分别使用一般性的单相流量计。但是，该方法虽然能够带来较高的精度，但需要大型且昂贵的气体分离装置，所以有花费很大的设备费用的问题。所以，开发并产品化了不将液体与气体分离、而能够在多相流的原状下同时计测液体和气体的各流量的气液流量计，以使得不需要该气体分离装置。已有的许多气液流量计一般使用文丘里等的动量流量计进行气液总流量Qm的计测、利用Y射线或电气特性等计测在气液总流量中气体流量所占的比例(以下，称作含气率@)。但是，气液二相流由于气体和液体的各自的密度较大地不同，所以容易分离，两者的速度差变大，通过含气率而流型式(参照后述的图16)剧烈变化，所以通过动量流量计等的推测方式难以精度良好地计测气液总流量Qm。此外，利用Y射线或电气特性等的含气率^的计测在Y射线的情况下是昂贵的，而且还担心向人体的影响，在电气特性的情况下敏感地影响到流体中含有的盐分及重金属。关于以往的气液流量计，例如，在专利文献I中，记载有用来使用I个或其以上的动量流量计、和I个容积(体积)流量计测量气液二相或油水气的三相流体的流量的装置。此夕卜，在专利文献2中，记载有通过涡轮型流量计的二相流体(气液)的流量计测方法。此外，在专利文献3中，记载有通过涡轮型流量计的三相流体(气液液)的流量计测方法。专利文献I :特许第2790260号公报 专利文献2 :特许第2866021号公报
专利文献3 :特许第3678618号公报。
发明内容
图15是表示专利文献I中记载的计测气液二相的多相流量计的概略图，在图中，101表示压力计测部，102表示压力差计测部，103表示温度计测部，104表示容积流量计，105表示转子，106表示动量流量计。通过使用容积流量计104计测转子105的转速Co而计测气液总流量QM，进而，在设置在下游的动量流量计106中，通过压力差计测部102计测两个压力差APl和AP2。此外，压力计测部101计测容积流量计104中的压力P。图中的APO是为了将该压力P压力换算为动量流量计106的入口部处的压力(P - AP0)而使用的。即，压力差计测部102设置在3处，计测APO、API、及AP2的压力差。上述气液总流量Qm通过以下的式子计算。气液总流量Qm=Ql+Qc …式(I)
压力差 APl=H (Ql, Qg, Pl) …式(2)
压力差 AP2=f2 (Ql, Qg, Pl) …式(3)
其中，Ql是液体流量，Qg是气体流量，P L是液体的密度
根据这3个式子求出气液总流量QM、液流量％、及气体流量％。另外，在液体的密度Pl是已知的情况下只要仅计测压力差AP1就可以。此外，在计测油水气的三相的情况下，与图15中记载的结构另外地安装计测油水中的水分率的水分计(测量混合液体中的水浓度的设备等)。在上述中，作为第I问题，可以举出容积流量计的转子因异物咬入而停止；由于容积流量计的转子与主体内室的间隙较小所以为防止咬入设置的过滤器网的网孔变小、为了确保需要的过滤面积而过滤器的尺寸为比流量计高几级的尺寸、设置成本变高；需要频繁地进行网的清扫；以及转子的耐久性较差等。由于容积流量计将气液关入在流量计主体和转子中而计测，所以在以往的技术中需要使主体与转子的间隙变得微少(约0. Imm以下)，因此，被说成容易发生因包含在流体中的异物咬入而使转子停止的事故。因而，需要如上述那样在流量计的前段进行过滤器的设置。此外，由于一对转子的驱动、从动交替地更替而齿面彼此碰撞，所以促进了磨损，有转子的耐久性较差的缺点。如果将容积流量计替换为超音波流量计或涡轮流量计则能够解决这样的问题，但在此情况下，受到下述的图16所示那样的气液的流型式的变动带来的影响，气液总流量的计测精度大幅变差。
作为第2问题，可以举出在压力差计测中使用动量流量计。这里，对气液二相流的水平管内的流动样式简单地说明。气液二相流已知通过气液各自的流速的组合而取各种各样的流动样式。将这些流动样式(流型式)表示在图16中。图16 (A)表示成层流，图16(B)表示波状流，图16 (C)表示环状流，图16 (D)表示气泡流或塞状流(plug flow)，图16(E)表示弹状流(slug flow)，图16 (F)表示与图16 (C)不同的环状流，图16 (G)表示气泡流，图16 (H)表示环状喷雾流。在压力差计测中使用动量流量计的情况下，气液二相流由于各自的密度较大地不同，所以容易分离而两者的速度差变大，根据含气率，如图16所示，流型式剧烈变化，所以不能进行良好的压力差的计测。即使使用混合机，也不能改善液相、气体相交替地流动那样的流型式(图16 (D)、图16 (E))。因而，需要限定能够得到压力差良好的计测特性的含气率的范围等的应对。此外，由于图15所示的容积流量计104和动量流量计106隔开距离设置,所以在转子105的转速《的输出与气液二相流体的压力差AP ( APO、API、AP2)的输出之间发生时间差。因而，动量流量计106受到液相、气相及气液相随着时间变化的气液特有的流型式的影响，而且通过上述转速《及压力差A P计算的气液总流量Qm和含气率0也在时间上偏差，不能精度良好地计测。图17是表示专利文献2、3中记载的多相流量计的概略图。图17 (A)表示专利文献2中记载的涡轮型气液二相流量计，图17 (B)表示专利文献3中记载的涡轮型气液液三相流量计。在图中，107、108表示压力差计测部，109表示涡轮叶轮，110表示混合器，111表示双润轮叶轮。在图17 (A)所示的专利文献2中记载的构造和图17 (B)所示的专利文献3中记载的构造中不同的点是，相对于图17 (A)所示的构造是一般的涡轮流量计的构造、由I个涡轮叶轮109构成，在图17 (B)所示的构造中，内置有混合机(混合器110)、以及做成了双涡轮叶轮111 (一对涡轮叶轮)。并且，气液二相流的计测如果设含气率为P、设压力差为A PM、设涡轮叶轮的转速为《，则用
气液总流量QM=f ^ ) …式(4) 压力差APM=f (QM、P ) …式(5)
表不。能够根据上述两个式子求出气液总流量Qm和含气率P。并且,液体及气体的流量Ql和Qe可以作为
液体流量Ql=Qm* (I — P )，气体流量Qe=QM* P…式(6)
求出。此外，气液液三相流计测通过以下这样达成通过由图17 (B)检测双涡轮叶轮(叶片的流入角不同的组合)的前后的相位差0，作为MM=f ( 9 )求出质量流量，以预先已知气液液三相的各密度为前提，根据前面求出的气液总流量Qm和含气率3求出液液二相的平均密度，计算液液二相的比率，根据前面求出的液体流量求出液液二相的各流量。这些方式虽然具有是紧凑的构造的特征，但是有以下所述的问题。由于涡轮叶轮的转速《与流型式直接有关，所以图16所示那样的气液流特有的流型式的剧烈变化原样使气液总流量Qm (上述式(4))的计测精度变差。气液二相流的流型式主要由含气率P决定，所以能够计测气液总流量Qm的范围被限定在转速《相对于含气率0的变化能够维持一定的关系的范围。此外，通过上述双涡轮叶轮方式的求出液液二相的各流量的方法以一对涡轮叶轮的相位角差(相对于流体的流动方向前后配置的叶轮的旋转方向的相位角的偏差)与流体的质量流量成比例为前提，但该前提在上述流型式的剧烈变化中根据转速《与含气率3的关系而并不一定成立。此外，一般求出液液二相的平均密度P M而计算液液二相(设各自的密度为Pu、Pu)的比率a的式子用
a = (Pm — P L2) / (Pu— P L2)…式(7)
表不。这里，如果设平均密度Pm的误差为Y PM/PM，则比率a的误差用 Y a / a =1/ ( P L1 — P L2) * Y P M/ P M...式(8)
表不。通过上述式子，后者(比率a )的误差相对于前者(平均密度P M)的误差扩大到两个液的密度差量之I。例如，在水和原油的情况下，由于其差是0. 15g/ml左右，所以扩大7倍左右。因而，平均密度计测虽然能够求出较高的精度，但如果考虑上述流型式的剧烈变化，则考虑通过双涡轮叶轮方式难以实现较高的精度。本发明是鉴于上述那样的实际情况而做出的，目的是提供一种在计测由液体及气体构成的气液二相流的各流量时、不易受流型式的影响、用来以紧凑且坚固的构造精度良好地计测较大的流量范围的容积式气液二相流量计及具备该流量计的多相流量计测系统。
为了解决上述课题，第I技术手段是计测由液体及气体构成的气液二相流的气液总流量、和气体流量相对于该气液总流量的比例、基于上述气液总流量及上述气体流量的比例计算液体及气体的各流量的容积式气液二相流量计，其特征在于，在计测上述气液总流量的气液总流量计量室中，具备不受气液流特有的流型式的影响的容积式流量计测室，在该容积式流量计测室的前段设有将上述气液二相流中的液体及气体混合的气液混合室。第2技术手段在第I技术手段中，其特征在于，将上述容积式流量计测室和上述气液混合室做成了一体构造。第3技术手段在第I或第2技术手段中，其特征在于，同时检测设在上述容积式流量计测室中的转子的转速、和上述气液混合室的前段与上述容积式流量计测室的后段的压力差，基于该检测到的转速及压力差计算上述气液总流量及上述气体流量的比例。第4技术手段在第3技术手段中，其特征在于，上述气液总流量根据上述转子的转速相对于上述气体流量的比例的旋转比特性导出上述气液总流量计算式，上述气体流量的比例根据仅使液体流过时的第I压力差、和在使该液体的流量为一定的原状下使气体的流量依次增加时的第2压力差的压力差倍率特性导出上述气体流量的比例计算式，根据这两个计算式求出上述气液总流量与上述气体流量的比例。第5技术手段在第I 第4的任一项技术手段中，其特征在于，上述气液混合室相对于上述容积式流量计测室能够拆装。第6技术手段在第I 第5的任一项技术手段中，其特征在于，设在上述容积式流量计测室中的转子由非圆形齿轮构成，该非圆形齿轮具有使齿数为4n+2个(n是自然数)、使长轴上的两端为齿槽、使短轴上的两端为齿顶、使啮合齿面为即使相互的啮合点稍稍偏差也平顺地啮合那样的曲线(例如，渐开曲线)、使非啮合齿面为工具压力角是0°而容易加工并且在由上述啮合齿面和非啮合齿面构成的齿形中从齿顶到齿根的厚度的变化较少而能够确保齿形强度那样的曲线(例如，旋轮曲线)的齿形曲线。第7技术手段在第6技术手段中，其特征在于，上述非圆形齿轮基于上述齿形曲线，具有将包括处于上述长轴上的两端的齿槽的、夹着该齿槽的两个齿形间的凹部填埋、并且将包括上述短轴上的两端的齿顶的齿部削掉的、齿数为4n — 2个的形状。第8技术手段在第6或第7技术手段中，其特征在于，关于表示上述非圆形齿轮的齿数的n,使n的值为3或4。第9技术手段在第6 第8的任一项技术手段中，其特征在于，在上述容积式流量计测室的内壁与上述转子之间设有比规定长大的间隙。第10技术手段的特征在于，扩展到多相流量计测系统中，所述多相流量计测系统通过在由气体和两种液体构成的气液液三相流管线中设置第I 第9的任一项技术手段的容积式气液二相流量计、在该容积式气液二相流量计的后段或前段设置检测构成上述液体的两个液相成分、计测各液相成分的比例的液液二相流量计，求出上述气液液三相流中的气液液总流量、气体流量相对于该气液液总流量的比例、和液液的混合比例，计算气液液的3个各自的流量。根据本发明，在气液总流量的计测中采用容积流量计，在含气率的计测中设为检测流量计的前后的压力差的方式，通过这些，能够同时计测转子的转速和压力差，所以当计测由液体及气体构成的气液二相流的各流量时，不易受到流型式的影响，能够以紧凑且坚固的构造精度良好地计测较大的流量范围。
图I是表示有关本发明的一实施方式的容积式气液二相流量计的结构例的图。图2是表示有关本发明的旋转比特性e的曲线图。
图3是表示有关本发明的压力差倍率特性的曲线图。图4是表示具备图I所示的流量计的多相流量计测系统的结构例的图。图5是表示在容积流量计中使用的齿形的一例的图。图6是说明在齿根附近发生的由工具带来的根切的图。图7表示用来说明有关本发明的旋转比特性e根据气液混合室的有无而变化的状况的曲线图。图8表示用来说明有关本发明的压力差倍率特性根据气液混合室的有无而变化的状况的曲线图。图9是表示实验结果的曲线图。图10是表示实验结果的曲线图。图11是表示实验结果的曲线图。图12是表示实验结果的曲线图。图13是表示实验结果的曲线图。图14是表示实验结果的曲线图。图15是表示专利文献I所记载的计测气液二相的多相流量计的概略图。图16是表示流动样式(流型式)的图。图17是表示专利文献2、3所记载的多相流量计的概略图。
具体实施例方式以下，一边参照附图一边对有关本发明的容积式气液二相流量计及具备该流量计的多相流量计测系统的优选的实施方式进行说明。另外，在各图中，对于相同的构成要素赋予相同的附图标记而省略重复的说明。图I是表示有关本发明的一实施方式的容积式气液二相流量计的结构例的图，在图中，10表示容积式气液二相流量计(以下，单称作流量计)。该流量计10具备计测气液混合室14的入口附近的压力的压力计测部11、计测气液混合室14的前段与流量计测室16的后段的压力差的压力差计测部12、计测气液二相流的温度的温度计测部13、将气液二相流中的液体及气体均匀地混合的气液混合室14、形成在流量计测室16内的主体内室15、由容积流量计构成的流量计测室16、和设在主体内室15中的一对转子17，在主体内室15与转子17之间形成有间隙18。如在上述图16中说明那样，在管线中流动的气液流由于气体和液体的密度较大地不同，所以容易分离，此外，由于在气液各自中发生较大的流速差，所以流动变动剧烈，形成各种各样的流型式。在本发明中，作为流量计测室16而使用难以受到流型式的变化的影响的容积流量计，为了进一步的流量计测的精度提高，进行以下的两个措施。第1，本发明在气液总流量的计测中采用难以受到气液流特有的流型式的影响的容积式流量计，但为了进一步的计测精度提高，在流量计测室16的前段设置气液混合室14，使气液混合均匀化，使计测容积的转子17的旋转效率变好。在气液混合室14中例如使用静止型混合器，作为该静止型混合器，为了使气液均匀化、使气液二相流量计10的压力差倍率特性(后述的图3)变好而使用具有适当的形状阻力系数的结构。该气液混合室14是以将气液流中的气相与液相混合、此外将较大成长的气泡细分化而与液相混合等气液的均匀化为目的、将多个混合元件相对于流体的流动方向在任意的方向上组合而构成的，也可以相对于流量计测室16能够拆装。此外，在图I中表示了使流量计测室16和气液混合室14为一体构造的情况，但也可以使气液混合室14为分体、经 由凸缘等连接在流量计测室16上。在做成分体的情况下，为了同时检测转子17的转速《、和气液混合室14的前段与流量计测室16的后段的压力差△ P，优选的是使流量计测室16与气液混合室14尽可能接近而设置。通过做成上述一体构造,能够同时检测转子17的转速《、和气液混合室14的前段与流量计测室16的后段的压力差AP。并且，由于能够基于这些转速《和压力差AP精度良好地计测气液总流量Qm及作为气体流量相对于该气液总流量Qm的比例的气体容积率(含气率P )，所以在计测由液体及气体构成的多相流的各流量时，不易受到流型式的影响，能够以紧凑且坚固的构造精度良好地计测较大的流量范围。第2，关于气液总流量Qm的计测而导入修正式。当计测气液总流量Qm时，随着含气率P变大，相对于气液总流量Qm的转子17的转速《呈现减小(S卩，气液总流量Qm的计测减少的倾向)，所以设相对于该含气率P的转速《的特性为旋转比特性e，预先通过实验得到
e =f (P) …式(9)
并且,将气液总流量Qm表示为 QM=Mf* Co / e…式(10)
该式(10)相当于本发明的式a。这里，Mf是液相单体时的转子每旋转I周的液相容积(1/rev.)。图2是表示有关本发明的旋转比特性e的曲线图。在图中，在纵轴表示旋转比e，在横轴表示含气率卩。关于实验的各元素在后面叙述。通过该近似式，例如得到e =1. 012e — °-0562 (1 — 0 ' 另外，e 是自然对数。此外，如上所述，根据容积流量计，能够与气液特有的流型式的剧烈的变化无关而精度良好地进行流量计侧，但计测容积的转子的齿形强度较弱，当气液流量的急剧的变化时，有齿形损坏、或耐久性变差的问题。为了解决这些问题，在本发明中，作为转子17而采用后述的图5 (B)所示的坚固的非圆形齿轮。此外，转子轴做成了将一侧固定、使另一侧为支承构造的双支承构造，轴承构造将套筒经由推力板固定在轴侧。此外，轴承压入到转子中，确保转子旋转时的运行间隙和推力游隙，能够进行平顺的旋转。此外，作为材料，在转子轴中采用SUS，在轴承中采用硬质合金，提高了耐久性。上述非圆形齿轮与主体内室的密封性良好，能够使主体内室与转子的间隙比以往的容积流量计大几倍左右，所以能够将过滤器的网眼的尺寸取较大。因此，流体中含有的杂质附着在网上，不需要频繁地进行用于将其去除的清扫。接着，对根据气液总流量Qm及含气率P求出气体和液体各自的流量的方法进行说明。关于在气液混合室14的前段与流量计测室16的后段之间发 生的压力差AP，设仅流过液体时(液体单相流时)的第I压力差为△ Py设对其加上气体流量、在使液体流量为一定的原状下使气体流量依次增加(使含气率P增加)时的第2压力差为APM，将压力差AP^与压力差APm的压力差倍率表不为
APM/APL= (I — @ —z …式(11)
这里，Z称作压力差倍率指数，预先通过实验求出。图3是表示有关本发明的压力差倍率特性的曲线图。在图中，在纵轴表示压力差倍率，在横轴表示含液率(I 一 3 )。关于实验的各元素在后面叙述。通过该近似式，例如求出APm/A Pl= (I — P )—z中的压力差倍率指数Z为0.8762。此外，压力差A Pjn果设液体的密度为p p则 APl=C*1/2*pl{ (Qm (I — ^ )/A}2 …式(12)
所以代入到式(11)中，得到
A Pm=C* I/2* Pl* (I — P)2 —z* (Qm/A)2 …式(13)
该式(13)相当于本发明的式b。这里，C是将气液混合室14与流量计测室16合算的形状阻力系数，A是气液混合室14的入口截面积。气液总流量Qm和含气率P可以由上述式(10)和式(13)求出。另外，对于气液流特有的急剧的流型式的变化，由于流量计10为一体构造，所以气液混合室14的前段与流量计测室16的后段的压力差APm及转子17的转速Co的两个计测为同时计测。因此，能够不受流型式的影响而提高气液总流量Qm和含气率3的计测精度。另外，液体及气体的各自的流量和流量Qe作为
Ql=Qm* (I — ￠), Qg=Qm*@ …式(14)
计算。图4是表示具备图I所示的流量计10的多相流量计测系统的结构例的图，在图中，20表示液液二相流量计。该液液二相流量计20设在流量计10的后段或前段,是检测构成液体的两个液相成分、计测各液相成分的成分比率(比例)的部件。液液二相流量计20具备安装在管线上而产生压力差的压力差产生板21、从气液二相流中提取液相成分(混合液体)的液相提取部22、调节提取的混合液体的流量的液流量调节阀23、使从液流量调节阀23输出的混合液体均质化而使混合液体密度变均匀的均化器24、和作为公知的科里奥利质量流量计的科里奥利计25。该液液二相流量计20是例如在特许第4137153号公报中公开的周知的技术，所以这里的详细的说明省略。这样，本发明也可以在计测气液二相流的流量计10的后段或前段连接液液二相流量计20而做成气液液三相流量计测系统的形态。作为液液二相流量计20，例如如图4所示，通过在从主管旁通侧设置组合了液相提取部22和科里奥利计25的结构，能够进行水分率的计测，所以能够进行气液液(例如，气体、水、油)的三相流的计测。根据本发明的容积式气液二相流量计，能够以紧凑且便宜的构造将较大的流量范围精度良好地进行流量计测。具体而言，对于气液总流量Qm的计测采用在原理上不易受到流型式的影响的容积流量计，在含气率3的计测中设为不受计测流体中含有的重金属及盐分等的影响、并且是便宜的方法的检测流体的动量(流量计的前后的压力差)的方式。此夕卜，对于油田等的油水气三相流的计测，可以对该容积式气液二相流量计组合能够计测油水中的水分率的液液二相流量计、例如图4所示的流量计(特许第4137153号)来进行。这里，在进行气液二相流计测的情况下，需要求出气液总流量Qm和含气率P。在上述专利文献I (特许第2790260号公报)所记载的技术的情况下，如上述图15所示，基于来自容积流量计104的I个转子105的转速《、和来自串联配置的动量流量计106的两个动量(压力差API、AP2)的输出，计算气液总流量Qm和含气率P，相对于此，在本发明的气液二相流计测的情况下，如图I所示，基于来自流量计测室(容积流量计)16的I个转子17的转速《的输出和I个动量(气液混合室14的前段与流量计测室16的后段的压力差AP) 的输出，计算气液总流量Qm和含气率P，所以不另外需要动量流量计，能够做成简单的构造。此外，在上述图15中，在从容积流量计104离开设置的动量流量计106中，受到液相、气相、及气液相随时间而变化的、上述图16 (D)、图16 (E)所示那样的气液特有的流型式的影响，不能精度良好地计测压力差AP1、AP2。进而，由于容积流量计104和动量流量计106隔开距离设置，所以在转子105的转速Co的输出与气液二相流体的压力差API、AP2的输出之间发生时间差。如果这样，则通过它们计算的气液总流量Qm和含气率@也为在时间上偏差的值，不能精度良好地计测。相对于此，在本发明的容积式气液二相流量计的情况下，由于为一体化构造，所以能够同时计测，能够不受流型式的影响而进行高精度的计测。图5是表示在容积流量计中使用的齿形的一例的图。图5 (A)表示图14所示的以往的容积流量计的齿形，图5 (B)表示图I所示的本发明的容积流量计的齿形(参照特许第382765号公报)。在图15所示的以往的容积流量计104中，如图5 (A)所示，作为转子105而使用是以往技术的椭圆形齿轮。该以往技术的齿形为了避免长轴部的齿形的根切等的干涉，使齿形模组较�。钩菔隙�。相对于此，设在图I所示的本发明的流量计测室(容积流量计)16中的转子17是非圆形齿轮，如图5 (B)所示，是具有使齿数为4n+2个(n是自然数)、使长轴上的两端为齿槽、使短轴上的两端为齿顶、使啮合齿面为即使相互的啮合点稍稍偏差也平顺地啮合那样的曲线(例如，渐开曲线)、使非啮合齿面为工具压力角是0°而容易加工且在由啮合齿面和非啮合齿面构成的齿形中从齿顶到齿根的厚度的变化较少、能够确保齿形强度那样的曲线(例如，旋轮曲线)的齿形曲线的结构。并且，非圆形齿轮也可以基于该齿形曲线、为将包括处于长轴上的两端的齿槽的夹着齿槽的两个齿形间的凹部填埋、并且将包括短轴上的两端的齿顶的齿部削掉的、齿数是4n — 2个的形状。即，作为转子17，如图5 (B)所示，也可以使短径部的I个齿171为缺齿、形成将与该部分啮合的长径部的两个齿172与173之间填埋的较大的齿174。通过形成较大的齿174，能够使转子17的顶边显著地变大。由于主体内室15与转子17的间隙18从以往齿形的线成为面，所以密封性飞跃性地变好。反过来讲，即使增大主体内室15与转子17的间隙18也能够维持流量的计测精度。通过使用该齿形，能够将主体内室15与转子17的间隙18扩大到比规定长(例如，0. Imm)大。在油田等的原油计测中使用容积式流量计的情况下，一般为了防止因原油中含有的淤渣的咬入造成的转子的旋转停止而在流量计的前段设置过滤器，在此情况下，需要使过滤器的网的网孔比间隙18小。以往，为了确保需要的过滤面积，过滤器的尺寸使用比流量计高几级的尺寸，但通过如上述那样将间隙18取较大，网的网孔也能够较大，产生过滤器的尺寸成为与流量计同等程度的优点。图5 (B)所示的非圆形齿轮是在上述特许第3827655号公报中公开的，能够使齿形模组大幅地减少齿数，此外，由于啮合压力角的变化较少，所以啮合齿面上的工具压力角的设定容易进行，能够不形成外伸部而减少齿数。具体的齿数如上述那样表示为4n+2个(n是自然数)或4n— 2个，适合于减少齿数的目的的n的值如以下所述，优选的是3或4。以后，将该非圆形齿轮的齿形称作R4齿形。
用来将本发明的非圆形齿轮的啮合齿面加工为平滑的一个曲面的齿数的最小值实际上是14 (n=3，4n+2)个或10 (n=3，4n — 2)个。对其理由以下进行说明。在n=不到3的个数中，如图6 (A)、图6 (B)所示，在齿根附近发生由工具造成的根切，当该根切部与对方侧齿轮的齿顶附近啮合时，对方齿顶部进入到根切部中而失去平滑的旋转。另一方面，在n=3的上述个数下不发生根切。因而，为了一对齿轮平滑地旋转而需要的最小个数是14个或10个，实际能够采用的n的最小值为3。该值(n=3)为不发生根切的极限的值，但是是根据工具的安装误差等也可设想会稍稍发生根切的可以说为临界值的值。但是，作为齿形的强度，能够得到最大的齿形。此外，在使齿数为18 (n=4，4n+2)个或14 (n=4，4n — 2)个的情况下，即，在n=4的个数时完全不发生根切，所以计测精度不会下降，齿形的强度也能够得到大致充分的强度。另一方面，随着使齿数增大而齿形变�。绻�66个，则成为以往齿轮的齿数(图5(A))，该情况下的n的值是16。由此，可以考虑设为3 < n < 16的范围，但本发明的非圆形齿轮由于目的是采用相对于齿轮的长短径长具有相对较大的齿形的强度的齿轮，所以更优选的是n=40这里，本发明的容积式气液二相流量计是以油田中的油水气三相流的计测为目的的流量计，为了对应于由阀的开闭等发生的剧烈的冲击压(水锤)带来的对齿轮的冲击力、或计测流体中含有的微细的固形物的向计测室内的进入等而要求具有坚固的齿形的非圆形齿轮。在此情况下，在前面所述的n=3时有可能发生稍稍的根切，即使齿轮的啮合稍稍变差，对于计测精度的影响也为很小的程度，所以在需要坚硬的齿形的条件下，n=3可以说为实用的范围。因为以上，在满足计测条件的n的值中，3或4为优选的值。将图5 (A)所示的以往齿形与图5 (B)所示的R4齿形相对比较，以下进行说明。在使配管径为2英寸的情况下，R4齿形的齿数在4n — 2个中采用n=4而为14个，以往齿形的齿数是66。齿形强度相对于以往齿形弯曲强度在计算上为5倍，对于冲击力进行相互比较实验，为10倍以上。容积的计测通过由转子的旋转将关入到主体内室与转子之间的流体送出，计测流体的容积。此时，由于一对转子的驱动、从动交替地变化，所以在转子的齿上反复作用弯曲应力。而且，在气液流中，如上述图16所示，根据气液的流量及混合的比例而流型式多种多样地变化，所以上述反复应力较大地变动。此外，在将油田等的油水气三相流送油的管线中，因开闭阀停止等造成的水锤发生而带来的冲击力作用在转子上。因此，对于仅液体及仅气体的单相流的计测，在气液二相流中要求转子的齿形的强度。但在本发明中，通过采用R4齿形而强度增加，耐久性大幅地提高。进而，R4齿形由于与主体内室的密封性较好，所以能够增大转子与主体的间隙。如上所述，容积的计测通过将流体关入到形成在主体内室与转子之间的月牙状的容积中、将流体连续地送出而进行。此时，如果月牙状的两端的间隙较大，则流体泄漏，不能得到良好的计测精度。该情况下的间隙是转子的长轴部与主体内室的间隙。如果参照图5 (B)，则由于R4齿形能够使短轴部的齿为缺齿、将长轴部的两个齿形成为一个，所以能够使间隙从线成为面，密封性飞跃性地变好。因此，在以往的齿形中，能够将调整为成为至少约0. Imm以下的间隙扩大到其几倍。此外，在本发明中，通过密封成为面，气液流中的无数的大小不同的气泡的一部分侵入到间隙中，也发生将流动暂时切断的复合效果，具体而言能够扩大到约0. 3 0. 5_左右。由于这是水和空气的情况，所以在原油等粘度较高的液体与气体的组合中预测为能够进一步扩大。由此，在本发明中，能够使必须设置在容积流量计的上游的过滤器的网眼变粗糙，能够扩大网的过滤面积，所以能够减小过滤器的容量。由此，能够降低成本，此外，不需要将以往产生的泥状的异物带来的网眼堵塞频繁地清扫，能够提高维护性。图7表示用来说明有关本发明的旋转比特性e根据气液混合室的有无而变化的状况的曲线图。在图中，纵轴是旋转比，横轴是含气率P。该曲线图表示在上述式(9)中说明的旋转比e =f ( 0 )，是表示在有图I所示的气液混合室14的情况下和没有的情况下特性怎样变化的图。可知，通过设置气液混合室14，R4齿形的旋转为相对于含气率P的增加而平坦化的趋势(即，旋转被抑制的趋势)，变得稳定。在容积流量计16中，由于具有在原理上不受流型式的影响的构造，但可以确认，通过将气液混合室14设在前段，能够提高气液流量的计测精度。图8表示用来说明有关本发明的压力差倍率特性根据气液混合室的有无而变化 的状况的曲线图。容积流量计16的口径是2英寸，液流量是6m3/h，为一定。在图中，纵轴是压力差倍率，横轴是含液率(I 一 3 )。可知，通过将气液混合室14设在容积流量计16的前段，相对于表示在气液容积中所占的液体容积的比例的含液率(I 一 P )，R4齿形的变动被抑制。以下，基于实验结果对本发明的效果进行说明。I.容积型气液二相流量计(图I)的各元素 ■ 口径2英寸
■转子长轴径X长度=75. 038mm X 84. 865mm
■R4齿形模组3. 1，齿数18，转子与主体内室的间隙0. 3 0. 5mm
■轴承构造双支承，平轴承，内径14_
■气液混合室和流量计测室的对于流体的形状阻力系数31. 4 ■流量计的FS流量20m3/h 2.气液二相流的试验范围
流量计的FS流量是20m3/h。设将水与空气各自的试验流量合算的流量的上限为20m3/h，设定各试验流量以使含气率为O 97%。另外，水用的基准流量计的下限是O. 6m3/h，水用泵的上限是14m3/h。■在试验中使用的流体水和空气
■试验流量水O. 6 14mVh，空气O 18mVh ■含气率β :0 97%
■压力0. I O. 3MPaA，温度常温 ■旋转比特性ε，压力差倍率Λ Pm/ Λ Pl
这里，计算气液总流量Qm为Q1=Mf/ ε * ω。ε =f ( β )预先通过实验求出，但根据上述图2的近似式，得至IJ e=1.012e —α°562 (1 —0)。e是自然对数。此外，APM/APL= (I — β)—ζ中的指数Z可以由上述图3求出为Z=O. 8762。3.试验结果的评价
这里，分别在水流过的配管上安装液体计测用基准流量计、在空气流过的配管上安装气体计测用基准流量计，设定水和空气各自的基准流量，求出水和空气的总基准流量和基准含气率(空气流量相对于水和空气的总流量的比例)。并且，在这些配管的下游合流后设置本发明的容积式气液二相流量计，将由该容积式气液二相流量计求出的含气率、水和空气的总流量、水流量、空气流量的各计测值与各基准值比较评价。■含气率β的计测 在图9中，表示基准含气率β O与计测含气率β !的比较及绝对误差(从计测含气率β !减去基准含气率的数值用％表示)。绝对误差％在基准含气率β C1是O. 2以下时为“ ±6%”左右，在O. 2以上O. 97以下时为“一 4 2%”左右，与市场销售的一般的气液二相流量计相比在较大的含气率范围中呈现良好的计测精度。■水和空气总流量、水流量、空气流量的计测
关于气液总流量，在图10中，表示基准气液总流量Qmci与计测气液总流量Qmi (m3/h)的比较及相对于基准气液总流量Qmci的计测气液总流量Qmi的相对误差(％)。此外，关于水流量和空气流量，通过与上述气液总流量相同的方法将水流量Ql表示在图11中、将空气流量Qe表示在图12中。关于这些，也能够得到比市场销售的一般的气液二相流量计良好的计测精度。在图10中，在水和空气的总流量的计测中，相对误差(％)是“一 2 4%”左右，表示良好的结果。此外，在图11所示的水流量、图12所示的空气流量的各流量中，相对误差(%)是“ ± 10%”左右，与以往的多相流量计相比在计测精度方面可以说是相同程度，但计测范围是I :10以上(在以往的多相流量计中是I :3左右)，能够取较大。在距FS流量(20m3/h)为1/3 1/4左右的范围(水在图11中是5m3/h，空气在图12中是7m3/h)中能够确保“ ±5%”左右，能够实现作为本发明的目的的在较大的流量范围中计测精度良好、便宜、紧凑的容积式气液二相流量计。4.气液液三相流的计测
在气液液三相流的情况下，与设置在图4所示的旁通管上的科里奥利流量计组合进行，但使用该方式的基准水分率(这里，是水和A重油)的计测精度(计测水分率α I与基准水分率α O的差)如图13所示，是“±1%”左右。气液液三相流中的液液的合计流量的计测精度可以认为是与上述水的计测精度(图11)相同程度，所以如果例如设为“ ±5%”，则可以对其加上上述水分率(液液)的计测精度±1而推定为±6%左右。5.气液二相流及气液液三相流的计测范围
如果将在上述图9 图13中试验的沮围表不在曲线图中，则成为图14所不那样。在图14中，纵轴是液流量(m3/h)，横轴是含气率β。如果与以往的多相流流量计比较，则为范围较大的结构。另外，使液流量为O. 6 18m3/h、含气率β为O O. 97 (最大)。根据图14，读取液流量的最大值是18m3/h。这里，如果将液流量用Qy将气体流量用Qe表示，则含气率β为P=Qe/ (Ql+Qg)o另外，设QJQe的上限(最大流量)为20m3/h，在该范围中实施试验。附图标记说明
10容积式气液二相流量计，11压力计测部，12压力差计测部，13温度计测部，14气液混合室，15主体内室，16流量计测室，17转子，18间隙，20液液二相流量计，21压力 差产生板，22液相提取部，23液流量调节阀，24均化器，25科里奥利计。
权利要求
1.一种容积式气液二相流量计，是计测由液体及气体构成的气液二相流的气液总流量、和气体流量相对于该气液总流量的比例、基于上述气液总流量及上述气体流量的比例计算液体及气体的各流量的容积式气液二相流量计，其特征在于， 具备计测上述气液总流量的容积式流量计测室，在该容积式流量计测室的前段设有将上述气液二相流中的液体及气体混合的气液混合室。
2.如权利要求I所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，将上述容积式流量计测室和上述气液混合室做成了一体构造。
3.如权利要求I或2所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，同时检测设在上述容积式流量计测室中的转子的转速、和上述气液混合室的前段与上述容积式流量计测室的后段的压力差，基于该检测到的转速及压力差计算上述气液总流量及上述气体流量的比例。
4.如权利要求3所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，在基于表示上述转子的转速《相对于上述气体流量的比例P的旋转比特性e的e=f (￠)、将上述气液总流量Qm用 Q =Mf* Co /f (Mf是液相单体时的转子每旋转I周的液相容积) …式a 表不、 另一方面、将仅流过液体时的第I压力差与在使该液体的流量为一定的原状下使气体的流量依次增加时的第2压力差A Pm的压力差倍率特性(A Pm/ A Pl)用 A Pm/A Pl= (I 一 0 )—z (Z是预先通过实验求出的压力差倍率指数) 表不、 将上述第I压力差A&用 APl=C*1/2*Pl{ (Qm (I — ^ )/A}2 (其中，C是将气液混合室与容积式流量计测室合算的形状阻力系数，P L是液体的密度，A是气液混合室的入口截面积) 表示的情况下，将上述第2压力差APm作为 A Pm=C* I/2* Pl* (I — @)2 —z* (Qm/A)2 …式 b 导出， 根据上述式a、式b，求出上述气液总流量QM、气体流量相对于该气液总流量Qm的比例^、气体流量Qe、及液体流量Qp
5.如权利要求I 4中任一项所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，上述气液混合室能够相对于上述容积式流量计测室拆装。
6.如权利要求I 5中任一项所述的容积式气液二相流量计,其特征在于，设在上述容积式流量计测室中的转子由非圆形齿轮构成，该非圆形齿轮具有使齿数为4n+2个(n是自然数)、使长轴上的两端为齿槽、使短轴上的两端为齿顶、使啮合齿面为渐开曲线、使非啮合齿面为旋轮曲线的齿形曲线。
7.如权利要求6所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，上述非圆形齿轮基于上述齿形曲线，具有将包括处于上述长轴上的两端的齿槽的、夹着该齿槽的两个齿形间的凹部填埋、并且将包括上述短轴上的两端的齿顶的齿部削掉的、齿数为4n - 2个的形状。
8.如权利要求6或7所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，使表示上述非圆形齿轮的齿数的n的值为3或4。
9.如权利要求6 8中任一项所述的容积式气液二相流量计，其特征在于，在上述容积式流量计测室的内壁与上述转子之间设有比规定长大的间隙。
10.一种多相流量计测系统，其特征在于，通过在由气体和两种液体构成的气液液三相流中设置权利要求I 9的任一项所述的容积式气液二相流量计、在该容积式气液二相流量计的后段或前段设置检测构成上述液体的两个液相成分、计测各液相成分的比例的液液二相流量计，求出上述气液液三相流中的气液液总流量、气体流量相对于该气液液总流量的比例、和液液的混合比例，计算气液液的3个各自的流量。
全文摘要
提供一种当计测由液体及气体构成的气液二相流的各流量时不易受到流型式的影响、用来以紧凑且坚固的构造精度良好地计测较大的流量范围的容积式气液二相流量计。容积式气液二相流量计(10)计测由液体及气体构成的气液二相流的气液总流量(QM)、和气体流量相对于气液总流量的比例(含气率(β))，基于这些气液总流量(QM)及含气率(β)计算液体及气体的各流量。容积式气液二相流量计(10)具备计测气液总流量(QM)的容积式流量计测室(16)，在容积式流量计测室(16)的前段设有将气液二相流中的液体及气体混合的气液混合室(14)。
文档编号G01F3/10GK102782462SQ20108005032
公开日2012年11月14日 申请日期2010年6月16日 优先权日2009年9月7日
发明者北见大一, 川音启 申请人:株式会社奥巴尔
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
