DE102008055032B4 - Anordnung und Verfahren zur Mehrphasendurchflussmessung - Google Patents
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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.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Inline-Messung der Partialvolumenströme von Mehrphasengemischen in einem Strömungskanal.
- 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.
- 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
WO 2006/000771 A2 - 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.
- Die Messung der Gemischgeschwindigkeit kann beispielsweise mit Flügelradanemometer (
CA 2 492 522 A1 ), Wirkdruckmessung (US 20050268702 A1 ), Coriolismassenstrommessung (WO 2006 127 527 A1 ) oder Kreuzkorrelation von Sensorsignalen (JP 08271309 A US 6 993 979 B2 ), elektrische (CA 2 492 522 A1 ) oder akustische (US 20050268702 A1 ) Messverfahren geeignet. Weiterhin verfügen viele der bekannten Anordnungen über zusätzliche Instrumentierung zur Erfassung der Temperatur der Phasen bzw. des Druckes im Gemisch. Diese zusätzlichen Messgrößen ermöglichen eine genaue Bestimmung der Dichte der beteiligten Phasen, die im Allgemeinen temperatur- und druckabhängig ist. Über die Dichte lassen sich je nach Bedarf Partialmassenstromwerte in Partialvolumenstromwerte und umgekehrt umrechnen. - Eine alternative Inline-Messanordnung für ein Zweiphasengemisch wird in
US 20070124091 A1 offengelegt. Hierbei wird das Vorhandensein einer Ringströmung eines Gases und einer bzw. mehrerer Flüssigkeiten im Strömungskanal unterstellt. Die Gemischzusammensetzung wird mittels elektromagnetischer Sensoren, die Gemischgeschwindigkeit mittels Kreuzkorrelation der Signale mehrerer elektromagnetischer Sensoren und die Gemischdichte mittels Gammadensitometrie oder Venturi-Rohr vermessen. - Die
WO 2008/117024 A2 - Die
US 5 861 556 A beschreibt einen Durchflussmesser mit mehreren Strömungsgeschwindigkeitssensoren, die an unterschiedlichen Positionen im selben Strömungsquerschnitt einer Gasströmung angeordnet sind, wobei der Mittelwert der Strömungsgeschwindigkeit erfasst und zur Messung des Durchflusses herangezogen wird. - Die
US 6 655 221 B1 beschreibt eine Anordnung und ein Verfahren zur Charakterisierung einer Mehrphasenströmung in einem Rohr mittels Kreuzkorrelation unter Einbeziehung elektrischer Messgrößen. - Nachteil aller bekannten Inline-Messverfahren ist deren explizite Abhängigkeit von der Strömungsstruktur. In
US 20070124091 A1 ist dies durch die Forderung nach einer Ringströmung offensichtlich. Bei den vorgenannten Anordnungen erfordert zumindest eines der beteiligten Messverfahren (zum Beispiel die Gemischgeschwindigkeitsmessung mittels Venturi-Rohr, die kapazitive Phasenanteilsmessung oder die Gemischdichtemessung mittels Einstrahl-Gammadensitometer) eine vollständig homogene (zum Beispiel homogen feindisperse) Gemischzusammensetzung. Es ist augenscheinlich klar, dass dieser Idealzustand in keinem technischen System erreicht werden kann, da das Bestreben nach Separation von Phasen unterschiedlicher Dichte unter dem Einfluss immer vorhandener Kräfte (Gravitation, Zentrifugalkräfte, Strömungskräfte) eine universelle Eigenschaft von Mehrphasengemischen ist und daraus zwangsläufig Abweichungen von der als ideal vorausgesetzten Phasendurchmischung resultieren. Mit der teils starken Abhängigkeit des Messergebnisses von der Strömungsform sind erhebliche Messunsicherheiten verbunden. Prinzipiell könnte dieses Problem durch geeignetes messtechnisches Erfassen der Strömungsstruktur und eine entsprechende Anpassung der Parameterberechnung gelöst werden. Allerdings stehen derzeit zur Lösung dieses Problems kaum ausreichend preiswerte und inline-geeignete Messverfahren zur Erfassung der Strömungsstruktur (zum Beispiel Bildgebungsverfahren) zur Verfügung. Fernerhin gibt es derzeit keine geschlossene Theorie, die eine genügend genaue quantitative Beschreibung der Abhängigkeit von Durchflusskenngrößen für Phasengemische von der Strömungsstruktur liefert. - 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.
- 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.
- 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.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
-
1 : Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Anordnung -
2 : Ansicht eines erfindungsgemäßen Kanalkörpers (2 ) -
3 : Schematische Darstellung des Signalverlaufes der Phasensensoren (4 ) eines Kanals (3 ) - Die Anordnung besteht aus einem Segment eines Strömungskanals (
1 ) beliebiger Querschnittsform in welchem ein Kanalkörper (2 ) eingebaut ist. Dieser Kanalkörper (2 ) ist von einer Vielzahl in Strömungsrichtung verlaufender Kanäle (3 ) mit kleinem hydraulischem Durchmesser durchbrochen. Die Weite der Kanäle ist so zu wählen, dass sich bei den erwarteten Gemischgeschwindigkeiten in den Kanälen eine Einphasen- oder eine Kolbenströmung ausbildet. Die für ein solches Design erforderlichen Informationen lassen sich leicht einer entsprechenden Strömungskarte entnehmen. Die Anordnung der Kanäle (3 ) im Querschnitt kann regulär, beispielsweise in Form eines quadratischen Gitters, oder irregulär sein. An jedem der Kanäle (3 ) befinden sich mindestens zwei in axialer Richtung hintereinander angeordnete Phasensensoren (4 ), die in der Lage sind, die den jeweiligen Phasensensor (4 ) umgebende stoffliche Phase des Gemisches (den Phasenindikator) mit hoher Abtastrate zu identifizieren. Die Phasensensoren (4 ) können sich im Inneren der Kanäle (3 ), auf deren innerer Oberfläche oder am Ein- und Austritt der Kanäle (3 ) am Kanalkörper (2 ) befinden. Die Phasensensoren (4 ) können nach einem optischen (Reflexion, Transmission), elektrischen (kapazitiv, induktiv, konduktiv, elektromagnetisch), akustischen (Schallecho, Schalltransmission), elektromechanischen (Oberflächenwellen, Schwingresonanz), radiometrischen oder anderen Messprinzip arbeiten. - Ebenfalls ist eine Anordnung der Phasensensoren (
4 ) im Inneren des Kanalkörpers (2 ) oder am Ein- und Austritt der Kanäle (3 ) am Kanalkörper (2 ) in Form eines Gittersensors nachDE 10 2006 019 178 A1 denkbar. - 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 (
4 ) in der Lage sind, diese Phasen voneinander zu unterscheiden. - Wird der Strömungskanal von einem Zweiphasengemisch durchströmt, kommt es am Kanalkörper (
2 ) zu einer Aufspaltung der Strömung auf die einzelnen Kanäle (3 ). Dabei stellt sich innerhalb eines einzelnen Kanals (3 ) entweder eine Einphasenströmung (Durchgang eines größeren Flüssigkeits- oder Gasvolumens) oder eine Kolbenströmung (intermittierender Durchgang von Gas- bzw. Flüssigkeitspfropfen, die den gesamten Querschnitt des Kanals (3 ) einnehmen) ein. Die Ausbildung einer Ringströmung, die bei hohen Gasphasengeschwindigkeiten möglich ist, soll durch entsprechendes Design des Kanalkörpers (2 ) ausgeschlossen werden. Es sei aber bemerkt, dass der Fall einer Ringströmung auch mit dieser Anordnung prinzipiell behandelt werden kann. Entweder gelingt dies dadurch, dass die Phasensensoren (4 ) so ausgeführt werden, dass sie in der Lage sind, die Filmdicke des Flüssigkeitsfilms an der Wand jedes Kanals (3 ) zu erfassen, oder dass das Eintreten einer Ringströmung aus den Signalen des Differenzdrucksensors (5 ) geschlussfolgert wird und der Durchfluss der beiden Phasen aus entsprechenden empirischen Formeln oder Tabellen abgeleitet wird. - Mit Hilfe der in den Kanälen (
3 ) angeordneten Phasensensoren (4 ) sowie einer zugeordneten Messelektronik wird mit hoher zeitlicher Auflösung die an jeder der Phasensensoren (4 ) momentan anliegende Phase bestimmt. Es ergibt sich gemäß3 für jeden Kanal (3 ) ein Signalverlauf, der in binärer Form die Präsenz der Gas- bzw. Flüssigkeitsphase anzeigt. Es bezeichnet SA,i(t) das Phasenindikatorsignal des stromaufwärtigen Phasensensors A (4 ) des i-ten Kanals (3 ) und SB,i(t) das Phasenindikatorsignal des stromabwärtigen Phasensensors B (4 ) des i-ten Kanals (3 ). - 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 (
3 ).3 zeigt schematisch den Signalverlauf für die zwei Phasensensoren (4 ) innerhalb eines Kanals (3 ) für eine Kolbenströmung. Die Präsenz der Gasphase wird durch den Signalwert 1, die Präsenz der Flüssigphase durch den Signalwert 0 kodiert. Wie ersichtlich, lassen sich aus den Phasenindikatorsignalen der Gasgehalt sowie die Phasengeschwindigkeit v innerhalb eines Kanals (3 ) gemäß berechnen. Es bezeichnet i die Nummer des betrachteten Kanals (3 ), T1, T2 den Start und Endzeitpunkt des gewählten Messintervalls, d den Abstand der Phasensensoren (4 ) und ΔT die mittlere Zeitdifferenz der Passage von Grenzflächen an den Phasensensoren (4 ). Fernerhin sei X ∈ {A, B}. Es sei dahingestellt, ob die mittlere Zeitdifferenz ΔT direkt oder mittels eines zeitlich mittelnden Kreuzkorrelationsverfahrens computertechnisch aus dem Signalverlauf extrahiert wird. Aus den ermittelten Werten für Gasgehalt und Phasengrenzflächengeschwindigkeit ergeben sich die Partialvolumenströme für Gas und Flüssigkeit im Kanal (3 ) zuV .gas,i = εiAνi V .liq,i = (1 –εi)Aνi' (2) - Zeigen die Phasensensoren (
4 ) an, dass sich für eine Zeitdauer, die die mittlere Verweilzeit einer Phasengrenze im Kanal übersteigt, nur eine Phase im Kanal befindet, kann die Geschwindigkeit der betreffenden Phase direkt über den Druckverlust am Kanalkörper (2 ) bestimmt werden. Dieser wird durch einen Differenzdrucksensor (5 ) gemessen. Mit dem Druckverlust Δp ergibt sich die Phasengeschwindigkeit v aus der Beziehung mit dem Durchmesser D und der Länge L des Kanals (3 ), der Fluiddichte ρ und dem als bekannt vorausgesetzten Rohrreibungskoeffizienten λ. Die Fluiddichte ρ und der Rohrreibungskoeffizient λ sind phasenabhängig. Die entsprechenden Volumenströme ergeben sich wieder nach Gl. (2). -
- 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 (
2 ) zu erfassen. Ein in der Messelektronik integrierter oder nachgeordneter Mikroprozessor bzw. Rechner führt dementsprechend die Berechnung der Phasengeschwindigkeiten bzw. Partialvolumenströme aus den erfassten Phasenindikatorsignalen SA,i bzw. SB,i jedes Kanals (3 ) entsprechend Gl. 1 bis 3 sowie die anschließende Mittelung nach Gl. 4 numerisch durch. - Zusätzlich kann vor oder hinter dem Kanalkörper (
2 ) ein Temperatursensor (6 ) in der Strömung angeordnet werden, um mit der gemessenen Gemischtemperatur die Temperaturabhängigkeit von Messgrößen zu kompensieren. - Zusätzlich kann vor oder hinter dem Kanalkörper (
2 ) ein Absolutdrucksensor (7 ) angeordnet werden, um die druckabhängige Dichte der Gasphase zu messen und in der Berechnung von Massenströmen zu berücksichtigen. - Anstelle eines Differenzdrucksensors über dem Kanalkörper kann jeweils vor und hinter dem Kanalkörper (
2 ) ein Absolutdrucksensor (7 ) angeordnet werden, um gleichzeitig die druckabhängige Dichte der Gasphase und den Differenzdruck am Kanalkörper (2 ) zu messen. - Die Bestimmung von Partialmassenströmen aus den Partialvolumenströmen ist durch entsprechende Umrechnung über die Dichte der Phasen entsprechend der Gleichungen
m .gas = ρgasV .gas m .liq = ρliqV .liq (5) - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Strömungskanal
- 2
- Kanalkörper
- 3
- Kanal
- 4
- Phasensensor
- 5
- Differenzdrucksensor
- 6
- Temperatursensor
- 7
- Absolutdrucksensor
Claims (11)
- 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. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasensensoren (
4 ) im Inneren der Kanäle (3 ) angeordnet sind. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasensensoren (
4 ) auf der inneren Oberfläche der Kanäle (3 ) angeordnet sind. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasensensoren (
4 ) jeweils am Eintritt und am Austritt der Kanäle (3 ) an den Stirnseiten des Kanalkörpers (2 ) angeordnet sind. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasensensoren (
4 ) in Form zweier quer zur Durchströmungsebene liegender regulärer Elektrodengitter realisiert werden, wobei jedes Elektrodengitter so aufgebaut ist, dass jeweils ein Kreuzungspunkt jedes Elektrodengitters innerhalb eines Kanals (3 ) oder an dessen Ein- bzw. Austrittsöffnung an den Stirnseiten des Kanalkörpers (2 ) liegt, die sich kreuzenden Elektroden einen geringen Abstand voneinander aufweisen und durch eine zugeordnete Messelektronik die elektrische Impedanz jedes Kreuzungspunktes als Phasenindikatorsignal gemessen wird. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Kanalkörper (
2 ) ein Temperatursensor (6 ) angebracht ist, dessen Signale von der zugeordneten Messelektronik zusätzlich abgetastet und zur Korrektur von Temperatureinflüssen auf die Messgrößen genutzt werden. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Kanalkörper (
2 ) ein Drucksensor (7 ) angebracht ist, dessen Signale von der zugeordneten Messelektronik zusätzlich abgetastet und zur Bestimmung der Gasphasendichte für die weitere Signalverarbeitung genutzt werden. - Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Kanalkörper (
2 ) weitere Messinstrumente angebracht sind, die die Dichte einzelner Phasen des strömenden Gemisches messen. - Verfahren zur Mehrphasendurchflussmessung mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der Phasensensoren (
4 ) eines Kanals die Volumenanteile (εk) und die Phasengeschwindigkeiten (vk) der im Gemisch vorhandenen stofflichen Phasen innerhalb des Kanals ermittelt werden. - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Volumenanteilen (εk) und den Phasengeschwindigkeiten (vk) der im Gemisch vorhandenen stofflichen Phasen die Partialvolumenströme der Phasen innerhalb der einzelnen Kanäle bestimmt werden.
- Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem arithmetischen Mittel der Partialvolumenströme der Phasen innerhalb der einzelnen Kanäle die integralen Partialvolumenströme der Phasen bestimmt werden.
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