JPH10281845A - 多相流流量計 - Google Patents
多相流流量計Info
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- JPH10281845A JPH10281845A JP9090997A JP9090997A JPH10281845A JP H10281845 A JPH10281845 A JP H10281845A JP 9090997 A JP9090997 A JP 9090997A JP 9090997 A JP9090997 A JP 9090997A JP H10281845 A JPH10281845 A JP H10281845A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 抗口から移送された原油・水・ガスの多相流
を相分離することなく各相の流量を安価に計測する。 【解決手段】 ブレードの取り付け角θ1の第１翼車７
とθ2の第２翼車をスプリング１１で同軸に連結して、
流速に比例した回転角度ωと質量流量Ｇを計測するター
ビン質量流量計１の上流に、ラインミキサ１４を設けて
全体の差圧ΔＰを計測することにより多相流体流量ＱMP
とボイド率αEを算出する。これから、気体体積流量ＱG
および液体体積流量ＱLを算出するとともに、タービン
質量流量計１から液体質量流量ＧLを求める。ＧLとＱL
から液体密度ρLを求め、更に、水分密度ρW，原油密度
ρFおよび水分率Γを算出し、最後に原油体積流量ＱFお
よび水分体積流量ＱWを算出する。
を相分離することなく各相の流量を安価に計測する。 【解決手段】 ブレードの取り付け角θ1の第１翼車７
とθ2の第２翼車をスプリング１１で同軸に連結して、
流速に比例した回転角度ωと質量流量Ｇを計測するター
ビン質量流量計１の上流に、ラインミキサ１４を設けて
全体の差圧ΔＰを計測することにより多相流体流量ＱMP
とボイド率αEを算出する。これから、気体体積流量ＱG
および液体体積流量ＱLを算出するとともに、タービン
質量流量計１から液体質量流量ＧLを求める。ＧLとＱL
から液体密度ρLを求め、更に、水分密度ρW，原油密度
ρFおよび水分率Γを算出し、最後に原油体積流量ＱFお
よび水分体積流量ＱWを算出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、多相流流量計に関
し、より詳細には、タービン流量計を用い、海洋油ガス
田等から多相流体として産出される原油・水および天然
ガスの各々の流量を相分離することなく流量計測する多
相流量計に関する。
し、より詳細には、タービン流量計を用い、海洋油ガス
田等から多相流体として産出される原油・水および天然
ガスの各々の流量を相分離することなく流量計測する多
相流量計に関する。
【０００２】
【従来の技術】石油および天然ガス（以後、ガスと記
す）は、水力・原子力と並び現代社会生活における主要
なエネルギ源であるが、有限の地球資源であり、可採蔵
量の半分は開発環境の厳しい深海域あるいは氷海域に属
し、しかも、海洋油ガス田は小規模化しており、これら
の抗井から産出される油・水・ガスの混相流（以後、多
相流と記す）の分離・精製工程においては、コスト削減
のための合理化が求められている。このために、深海域
等の抗井から産出される多相流体は、相分離されること
なく、陸地に高圧移動され、採油井採収工程を経て分離
精製され、目的地に向け送油・送ガスされ、水分は排水
処理される。この採油井採収工程に向け高圧移送された
多相流体は、まず、流量計測される。通常、多相流の流
量計測においては、相分離工程を経てガス・油・水等の
単相流にしてからガス流量と油および水の各々の流量計
測される。しかし、この方法では相分離のための設備費
用が嵩むという問題点があるため、多相流体の状態で気
相および液相の流量を計測できる流量計が要求されてい
る。
す）は、水力・原子力と並び現代社会生活における主要
なエネルギ源であるが、有限の地球資源であり、可採蔵
量の半分は開発環境の厳しい深海域あるいは氷海域に属
し、しかも、海洋油ガス田は小規模化しており、これら
の抗井から産出される油・水・ガスの混相流（以後、多
相流と記す）の分離・精製工程においては、コスト削減
のための合理化が求められている。このために、深海域
等の抗井から産出される多相流体は、相分離されること
なく、陸地に高圧移動され、採油井採収工程を経て分離
精製され、目的地に向け送油・送ガスされ、水分は排水
処理される。この採油井採収工程に向け高圧移送された
多相流体は、まず、流量計測される。通常、多相流の流
量計測においては、相分離工程を経てガス・油・水等の
単相流にしてからガス流量と油および水の各々の流量計
測される。しかし、この方法では相分離のための設備費
用が嵩むという問題点があるため、多相流体の状態で気
相および液相の流量を計測できる流量計が要求されてい
る。
【０００３】このため、従来，多相流体を相分離するこ
となく多相流体を計測する多くの試みがなされている。
例えば、可動部を持たない多相流流量計測法として、密
度計と超音波流量計を利用した相互相関法によるもの
で、密度計としてγ線式密度計や静電容量式密度計を用
いて気液二相流の平均密度を測定し、平均密度からボイ
ド率αを求めて該ボイド率αと超音波流量計で計測した
多相流体の体積流量から各々の単相流量を求める方式で
ある。
となく多相流体を計測する多くの試みがなされている。
例えば、可動部を持たない多相流流量計測法として、密
度計と超音波流量計を利用した相互相関法によるもの
で、密度計としてγ線式密度計や静電容量式密度計を用
いて気液二相流の平均密度を測定し、平均密度からボイ
ド率αを求めて該ボイド率αと超音波流量計で計測した
多相流体の体積流量から各々の単相流量を求める方式で
ある。
【０００４】また、Ａｒｃｈｅｒ等が「水平二相流にお
ける流量計測に関するソウトウェアー技術」（ＳＰＥ P
roduction Engneering August 1991）に記載されている
ように、気液二相流体が流れている直管の軸方向に定め
られた数箇所の位置で圧力値と断面平均ボイド率を測定
して、測定された圧力と差圧変動波形の統計的特徴とボ
イド率の統計的特徴とを利用して気液二相流の各相の流
体流量を求める方法がある。
ける流量計測に関するソウトウェアー技術」（ＳＰＥ P
roduction Engneering August 1991）に記載されている
ように、気液二相流体が流れている直管の軸方向に定め
られた数箇所の位置で圧力値と断面平均ボイド率を測定
して、測定された圧力と差圧変動波形の統計的特徴とボ
イド率の統計的特徴とを利用して気液二相流の各相の流
体流量を求める方法がある。
【０００５】また、本発明者等が「タービン流量計によ
る気液二相流の各相体積流量の同時計測法」（日本機械
学会論文集（Ｂ編），６２巻５９３号（1996-1)，論文N
o.95-0135）において、タービン流量計の羽根車の回転
数と該タービン流量計の前後の差圧を測定することによ
り、二相流体の各相の体積流量を同時に計測する方法を
提案している。すなわち、タービン流量計に気液二相流
を流したときの特性において、タービン流量計の流路断
面積Ａとブレード平均半径rmおよび回転角速度ωの積に
対する体積流量Ｑの比である無次元数としての回転比ε
は、羽根車の軸受の摩擦トルクが単相流の場合と同じで
あるが、気液二相流の流体力による翼車のトルクはボイ
ド率αにより変わり、気液二相流においては、気液体積
流量比βがボイド率αに略等しいことから、回転比εと
気液体積流量比βの関係が求められることを応用したも
のである。
る気液二相流の各相体積流量の同時計測法」（日本機械
学会論文集（Ｂ編），６２巻５９３号（1996-1)，論文N
o.95-0135）において、タービン流量計の羽根車の回転
数と該タービン流量計の前後の差圧を測定することによ
り、二相流体の各相の体積流量を同時に計測する方法を
提案している。すなわち、タービン流量計に気液二相流
を流したときの特性において、タービン流量計の流路断
面積Ａとブレード平均半径rmおよび回転角速度ωの積に
対する体積流量Ｑの比である無次元数としての回転比ε
は、羽根車の軸受の摩擦トルクが単相流の場合と同じで
あるが、気液二相流の流体力による翼車のトルクはボイ
ド率αにより変わり、気液二相流においては、気液体積
流量比βがボイド率αに略等しいことから、回転比εと
気液体積流量比βの関係が求められることを応用したも
のである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】気液二相流の各相の流
量を密度計と超音波流量計を用いて計測する方法は、水
分と原油とを判別できず、原油採掘における原油の他に
水分を含む液相をもつ多相流量計測には適用できない。
量を密度計と超音波流量計を用いて計測する方法は、水
分と原油とを判別できず、原油採掘における原油の他に
水分を含む液相をもつ多相流量計測には適用できない。
【０００７】また、Ａｒｃｈｅｒ等が提案した圧力波形
やボイド率波形を確率的に処理して統計的特徴から各相
の流速（見かけの流速）を求める方法は、油田抗口から
噴出する多相流をオンラインで計測することを可能とす
るが、この場合も液相の原油と水との流量を求めること
が不可能である。更には、流管内において気液二相流の
流れを一様化した状態で圧力計や差圧計およびボイド率
計等のセンサにより圧力波形やボイド率波形を正しく検
出し、流管上流での曲りや勾配による流動変動をなくす
ためには長大な流管と数多くのセンサを必要としコスト
高を招くという問題がある。
やボイド率波形を確率的に処理して統計的特徴から各相
の流速（見かけの流速）を求める方法は、油田抗口から
噴出する多相流をオンラインで計測することを可能とす
るが、この場合も液相の原油と水との流量を求めること
が不可能である。更には、流管内において気液二相流の
流れを一様化した状態で圧力計や差圧計およびボイド率
計等のセンサにより圧力波形やボイド率波形を正しく検
出し、流管上流での曲りや勾配による流動変動をなくす
ためには長大な流管と数多くのセンサを必要としコスト
高を招くという問題がある。
【０００８】更に、タービン流量計を用いた気液二相流
の各相体積流量の同時計測法においても気液二相流が、
原油と水およびガスからなる多相流である場合は、原油
と水各々の体積流量および質量流量を求めることは不可
能である。
の各相体積流量の同時計測法においても気液二相流が、
原油と水およびガスからなる多相流である場合は、原油
と水各々の体積流量および質量流量を求めることは不可
能である。
【０００９】本発明は、上述した実情に鑑みてなされた
もので、タービン流量計としてブレードの取り付け角度
が異なる２つの羽根車（以後、翼車と記す）をスプリン
グで同軸に接続し、該２つの翼車の流体トルク差に比例
した捩れ偏位の時間差に比例して質量流量を計測する方
式のものを用いて、原油・水・ガスの多相流の各相の体
積流量および質量流量を計測することを目的とするもの
である。
もので、タービン流量計としてブレードの取り付け角度
が異なる２つの羽根車（以後、翼車と記す）をスプリン
グで同軸に接続し、該２つの翼車の流体トルク差に比例
した捩れ偏位の時間差に比例して質量流量を計測する方
式のものを用いて、原油・水・ガスの多相流の各相の体
積流量および質量流量を計測することを目的とするもの
である。
【００１０】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、気体
と原油および水からなる多相流体が流れる流管内に、ブ
レードの取り付け角度の異なる２つの翼車をスプリング
で同軸一体に接続して回転可能に支持し、前記多相流体
の流れにより前記翼車が回転し、かつ、前記多相流体か
ら受けるトルク差により各々の前記翼車間に生ずる偏位
角の回転時間に比例して前記多相流体の質量流量を計測
し、かつ、前記翼車の回転数に比例して体積流量を計測
するタービン流量計と、前記翼車の上流側に挿着された
ラインミキサと、該ラインミキサの上流側と前記翼車の
下流側に各々の圧力を計測する圧力計と、前記ラインミ
キサと前記翼車の上下流間の差圧を計測する差圧計と、
前記多相流体の温度を計測する温度計と、変換器とから
なり、該変換器は、式（１５）により前記多相流の体積
流量ＱMPを算出して式（１４）よりボイド率αEを求
め、更に、該ボイド率αEおよび前記体積流量ＱMPから
式（１６）により気体体積流量ＱGEと、式（１７）によ
り液体体積流量ＱLEと、式（５）′により液体質量流量
ＧLと、式（１８）により流体密度ρLEと、式（１９）
より水分密度ρWEと、式（２０）より原油密度ρFEと、
式（２１）より水分率Γと、式（２２）より原油体積流
量ＱFEと、式（２３）より水分体積流量ＱWEを算出し、
各々の算出量を出力することを特徴としたものである。
と原油および水からなる多相流体が流れる流管内に、ブ
レードの取り付け角度の異なる２つの翼車をスプリング
で同軸一体に接続して回転可能に支持し、前記多相流体
の流れにより前記翼車が回転し、かつ、前記多相流体か
ら受けるトルク差により各々の前記翼車間に生ずる偏位
角の回転時間に比例して前記多相流体の質量流量を計測
し、かつ、前記翼車の回転数に比例して体積流量を計測
するタービン流量計と、前記翼車の上流側に挿着された
ラインミキサと、該ラインミキサの上流側と前記翼車の
下流側に各々の圧力を計測する圧力計と、前記ラインミ
キサと前記翼車の上下流間の差圧を計測する差圧計と、
前記多相流体の温度を計測する温度計と、変換器とから
なり、該変換器は、式（１５）により前記多相流の体積
流量ＱMPを算出して式（１４）よりボイド率αEを求
め、更に、該ボイド率αEおよび前記体積流量ＱMPから
式（１６）により気体体積流量ＱGEと、式（１７）によ
り液体体積流量ＱLEと、式（５）′により液体質量流量
ＧLと、式（１８）により流体密度ρLEと、式（１９）
より水分密度ρWEと、式（２０）より原油密度ρFEと、
式（２１）より水分率Γと、式（２２）より原油体積流
量ＱFEと、式（２３）より水分体積流量ＱWEを算出し、
各々の算出量を出力することを特徴としたものである。
【００１１】請求項２の発明は、請求項１に記載の多相
流流量計において、前記タービン流量計の前記スプリン
グを弾性体ロッドとし、該弾性ロッドの外側で各々の前
記２つの翼車間に流れを軸方向に整流する整流器を設け
たことを特徴としたものである。
流流量計において、前記タービン流量計の前記スプリン
グを弾性体ロッドとし、該弾性ロッドの外側で各々の前
記２つの翼車間に流れを軸方向に整流する整流器を設け
たことを特徴としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態の一例
を説明するための多相流量計の構成図で、図中、１はタ
ービン質量流量計、２は流管（タービン質量流量計管
体）、３，４は整流器（ベーン）、５，６は軸受、７は
第１翼車、８は第２翼車、９，１０は回転軸、１１はス
プリング、１２，１３はピックアップ、１４はラインミ
キサ、１５は差圧計、１６は変換器、１７は出力部、１
８は温度計、１９は流管である。
を説明するための多相流量計の構成図で、図中、１はタ
ービン質量流量計、２は流管（タービン質量流量計管
体）、３，４は整流器（ベーン）、５，６は軸受、７は
第１翼車、８は第２翼車、９，１０は回転軸、１１はス
プリング、１２，１３はピックアップ、１４はラインミ
キサ、１５は差圧計、１６は変換器、１７は出力部、１
８は温度計、１９は流管である。
【００１３】多相流流量計は、図１に示すように、ター
ビン質量流量計１の上流側に、流入する多相流を均等に
混合するラインミキサ１４が挿着され、タービン質量流
量計１の後流に多相流体の温度を計測する温度計１８が
挿入された流管１９が接合されている。また、圧力を測
定するためにラインミキサ１４の上流側に圧力計Ｐ１が
タービン質量流量計１の下流側に圧力計Ｐ２が、圧力計
Ｐ１，Ｐ２から求められる圧力損失ΔＰを計測する差圧
計１５が接続され、更に、タービン質量流量計１で計測
された多相流体の体積流量ＱMPと液体質量流量ＧLおよ
び気体体積流量ＱGE，原油体積流量ＱFE，水分体積流量
ＱLE等を演算出力する変換器１６と出力部１７が設けら
れている。これら構成要素および出力の演算方法につい
て説明する。
ビン質量流量計１の上流側に、流入する多相流を均等に
混合するラインミキサ１４が挿着され、タービン質量流
量計１の後流に多相流体の温度を計測する温度計１８が
挿入された流管１９が接合されている。また、圧力を測
定するためにラインミキサ１４の上流側に圧力計Ｐ１が
タービン質量流量計１の下流側に圧力計Ｐ２が、圧力計
Ｐ１，Ｐ２から求められる圧力損失ΔＰを計測する差圧
計１５が接続され、更に、タービン質量流量計１で計測
された多相流体の体積流量ＱMPと液体質量流量ＧLおよ
び気体体積流量ＱGE，原油体積流量ＱFE，水分体積流量
ＱLE等を演算出力する変換器１６と出力部１７が設けら
れている。これら構成要素および出力の演算方法につい
て説明する。
【００１４】タービン質量流量計１は、公知のもので、
ブレードの取り付け角度θ1の第１翼車７と、第１翼車
７の後流側にスプリング１１で同軸に接続された取り付
け角度θ2（θ1＞θ2）の第２翼車８が、軸受５を有す
る上流側の整流器３と、軸受６を有する下流側の整流器
４に回転軸９と回転軸１０とで回転自在に支持されてい
る。第１翼車７と第２翼車８のブレード数は等しく、翼
車の回転は、流管２の各々の翼車の周方向で軸方向に並
設されたピックアップ１２，１３により電磁的に検出さ
れる。
ブレードの取り付け角度θ1の第１翼車７と、第１翼車
７の後流側にスプリング１１で同軸に接続された取り付
け角度θ2（θ1＞θ2）の第２翼車８が、軸受５を有す
る上流側の整流器３と、軸受６を有する下流側の整流器
４に回転軸９と回転軸１０とで回転自在に支持されてい
る。第１翼車７と第２翼車８のブレード数は等しく、翼
車の回転は、流管２の各々の翼車の周方向で軸方向に並
設されたピックアップ１２，１３により電磁的に検出さ
れる。
【００１５】以上のごとく構成されたタービン質量流量
計１に質量流量Ｇの流体が矢印方向に流速υで流入した
とき、スプリング１１で連結された各々の翼車は、一体
になり流速υに比例した角速度ωで回転する。また、同
時に第１翼車７と第２翼車８が流体から受けるトルクＴ
1，Ｔ2は流体に関する運動量の法則から、 Ｔ1＝Ｋ1Ｇυsinθ1 …（１） Ｔ2＝Ｋ2Ｇυsinθ2 …（２） 但し、Ｋ1，Ｋ2は翼車の形状，寸法により定まる定数で
ある。従って、第１翼車７と第２翼車８のトルク差ΔＴ
は、 ΔＴ＝Ｔ1−Ｔ2＝（Ｋ1sinθ1−Ｋ2sinθ2）Ｇυ …（３） である。第１翼車７と第２翼車８とはスプリング１１で
連結されているので、第１翼車７と第２翼車８とはトル
ク差ΔＴに比例し、スプリング１１のばね定数で定まる
捩り偏位角δが生ずる。比例定数をＫ3とおけば、 δ＝Ｋ3Ｇυ …（４）
計１に質量流量Ｇの流体が矢印方向に流速υで流入した
とき、スプリング１１で連結された各々の翼車は、一体
になり流速υに比例した角速度ωで回転する。また、同
時に第１翼車７と第２翼車８が流体から受けるトルクＴ
1，Ｔ2は流体に関する運動量の法則から、 Ｔ1＝Ｋ1Ｇυsinθ1 …（１） Ｔ2＝Ｋ2Ｇυsinθ2 …（２） 但し、Ｋ1，Ｋ2は翼車の形状，寸法により定まる定数で
ある。従って、第１翼車７と第２翼車８のトルク差ΔＴ
は、 ΔＴ＝Ｔ1−Ｔ2＝（Ｋ1sinθ1−Ｋ2sinθ2）Ｇυ …（３） である。第１翼車７と第２翼車８とはスプリング１１で
連結されているので、第１翼車７と第２翼車８とはトル
ク差ΔＴに比例し、スプリング１１のばね定数で定まる
捩り偏位角δが生ずる。比例定数をＫ3とおけば、 δ＝Ｋ3Ｇυ …（４）
【００１６】また、翼車全体は流速υに比例した回転角
速度ωで回転し、比例定数をＫ4とおけば、 ω＝Ｋ4υ …（５） で、翼車が偏位角δだけ回転するのに要する時間をｔと
すれば、時間ｔは（６）式から求められる。 ｔ＝δ／ω …（６） （６）式と（４），（５）式より、 ｔ＝Ｋ5Ｇ （但し、Ｋ5＝Ｋ3／Ｋ4） …（７） が得られ、時間ｔに比例した質量流量Ｇが求められる。
速度ωで回転し、比例定数をＫ4とおけば、 ω＝Ｋ4υ …（５） で、翼車が偏位角δだけ回転するのに要する時間をｔと
すれば、時間ｔは（６）式から求められる。 ｔ＝δ／ω …（６） （６）式と（４），（５）式より、 ｔ＝Ｋ5Ｇ （但し、Ｋ5＝Ｋ3／Ｋ4） …（７） が得られ、時間ｔに比例した質量流量Ｇが求められる。
【００１７】図２は、図１に示すタービン質量流量計の
質量流量に比例した時間ｔの測定例を説明するための図
であり、図２（Ａ）に示す第１翼車７の検出信号と、図
２（Ｂ）に示す第２翼車８の検出信号を所定レベルで比
較して時間ｔ1，ｔ2を求め、この位相時間差を例えばク
ロックパルスの数として計測して時間ｔを求める。
質量流量に比例した時間ｔの測定例を説明するための図
であり、図２（Ａ）に示す第１翼車７の検出信号と、図
２（Ｂ）に示す第２翼車８の検出信号を所定レベルで比
較して時間ｔ1，ｔ2を求め、この位相時間差を例えばク
ロックパルスの数として計測して時間ｔを求める。
【００１８】前記において、単相流体を計測するタービ
ン流量計では、翼車の回転角速度ωは流速υに比例する
ことを述べた。しかし、この比例関係は、実際のタービ
ン流量計では高レイノルズ（Ｒｅ数）領域においては成
立するが、低Ｒｅ数領域では成立せず、非線形領域が生
ずる。これは、翼車のブレードに作用する単相流の粘性
抵抗係数がＲｅ数特性をもっており、層流や層流と乱流
の中間域では粘性抵抗係数が変化することによる。その
他の理由として、翼車の回転力に比べて軸受摩擦トルク
は高Ｒｅ数領域では無視できるが、低流速域では軸受摩
擦域では軸受摩擦トルクの影響を無視できなくなるから
である。
ン流量計では、翼車の回転角速度ωは流速υに比例する
ことを述べた。しかし、この比例関係は、実際のタービ
ン流量計では高レイノルズ（Ｒｅ数）領域においては成
立するが、低Ｒｅ数領域では成立せず、非線形領域が生
ずる。これは、翼車のブレードに作用する単相流の粘性
抵抗係数がＲｅ数特性をもっており、層流や層流と乱流
の中間域では粘性抵抗係数が変化することによる。その
他の理由として、翼車の回転力に比べて軸受摩擦トルク
は高Ｒｅ数領域では無視できるが、低流速域では軸受摩
擦域では軸受摩擦トルクの影響を無視できなくなるから
である。
【００１９】タービン流量計においては、このような特
性を解析するために無次元化した特性式が用いられ、無
次元値として、 回転比ε＝Ａrmω／Ｑ 但し、Ａ：流管の通路断面積，rm：翼車の平均半径，
Ｑ：体積流量 が求められる。回転比εは、被測定流体を理想流体とし
て翼車の形状寸法および出口流体の遅れに相当する滑り
係数ｋのみにより定められる第１項と、軸受摩擦トルク
や流体抵抗による遅れ要素の第２項の和として各々無次
元化され分離算出される。
性を解析するために無次元化した特性式が用いられ、無
次元値として、 回転比ε＝Ａrmω／Ｑ 但し、Ａ：流管の通路断面積，rm：翼車の平均半径，
Ｑ：体積流量 が求められる。回転比εは、被測定流体を理想流体とし
て翼車の形状寸法および出口流体の遅れに相当する滑り
係数ｋのみにより定められる第１項と、軸受摩擦トルク
や流体抵抗による遅れ要素の第２項の和として各々無次
元化され分離算出される。
【００２０】二相流体の場合も、同様の方法により、回
転比εTPが求められるが、二相流の場合の回転比εTPは
第１項の翼車の滑り係数ｋの値が変わらず、第２項はボ
イド率αと気相流速υGおよび液相流速υLが半径ｒ方向
に一定と仮定して、二相体積流量ＱTPおよび質量流量Ｇ
を、 ＱTP＝ＱL＋ＱG＝Ａ｛αυG＋（１−α）υ2｝ …（８） Ｇ＝Ａ｛ρGυG＋ρL（１−α）υL｝ …（９） 但し、ＱTP：二相体積流量 ρG：気体密度 ＱL ：液相体積流量 ρL：液体密度 ＱG ：気相体積流量 υG：気体流速 α ：ボイド率 υL：液体流速 として算出される。
転比εTPが求められるが、二相流の場合の回転比εTPは
第１項の翼車の滑り係数ｋの値が変わらず、第２項はボ
イド率αと気相流速υGおよび液相流速υLが半径ｒ方向
に一定と仮定して、二相体積流量ＱTPおよび質量流量Ｇ
を、 ＱTP＝ＱL＋ＱG＝Ａ｛αυG＋（１−α）υ2｝ …（８） Ｇ＝Ａ｛ρGυG＋ρL（１−α）υL｝ …（９） 但し、ＱTP：二相体積流量 ρG：気体密度 ＱL ：液相体積流量 ρL：液体密度 ＱG ：気相体積流量 υG：気体流速 α ：ボイド率 υL：液体流速 として算出される。
【００２１】この結果、二相流における回転比εTPは、
軸受摩擦トルクの影響が単相の場合と同じであるが、ボ
イド率αに依存して変化することが判明した。また、ラ
インミキサ１４の下流に設けられた翼車７，８では軸方
向の圧力勾配が小さいので、気液間相対速度が小さく気
体流速υGと液体流速υLの比で表わされるスリップ比Ｓ
≒１であるから、ボイド率αと気液体積流量比β｛＝Ｑ
G／（ＱL＋ＱG）｝が等しく回転比εTPはβのみに依存
して変化し、
軸受摩擦トルクの影響が単相の場合と同じであるが、ボ
イド率αに依存して変化することが判明した。また、ラ
インミキサ１４の下流に設けられた翼車７，８では軸方
向の圧力勾配が小さいので、気液間相対速度が小さく気
体流速υGと液体流速υLの比で表わされるスリップ比Ｓ
≒１であるから、ボイド率αと気液体積流量比β｛＝Ｑ
G／（ＱL＋ＱG）｝が等しく回転比εTPはβのみに依存
して変化し、
【００２２】
【数１】
【００２３】で表わされる。
【００２４】また、第１，第２翼車７，８とラインミキ
サ１４を含めた圧力差ΔＰと液体体積流量ＱLの関係
は、
サ１４を含めた圧力差ΔＰと液体体積流量ＱLの関係
は、
【００２５】
【数２】
【００２６】で表わされる。このように圧力差ΔＰは液
体密度ρLと液体体積流量Ｑの２乗に比例して増大す
る。しかし、気液二相流の場合は、気液体積流量比βが
増すと液単相流時の前記２乗特性からはずれ圧力差ΔＰ
はＱTPの増加に従った漸増傾向を示す。これは、流体密
度の低下によるものである。
体密度ρLと液体体積流量Ｑの２乗に比例して増大す
る。しかし、気液二相流の場合は、気液体積流量比βが
増すと液単相流時の前記２乗特性からはずれ圧力差ΔＰ
はＱTPの増加に従った漸増傾向を示す。これは、流体密
度の低下によるものである。
【００２７】また、二相流損失圧力倍率（ΔＰ／Δ
ＰL）は、（１−β）の増加とともに減少しボイド率α
の関数として、
ＰL）は、（１−β）の増加とともに減少しボイド率α
の関数として、
【００２８】
【数３】
【００２９】で表わされる。
【００３０】（１０）式から二相体積流量ＱTPを求める
と、
と、
【００３１】
【数４】
【００３２】の関係がある。
【００３３】また、二相流時の差圧ΔＰは、式（１
１），（１２）より、
１），（１２）より、
【００３４】
【数５】
【００３５】が得られる。式（１４）を変形しボイド率
αを求めるとαは二相流体積流量ＱＴＰと実測値ΔＰの
関数として表わされ、求めたαを式（１３）に代入する
と、二相流体積流量ＱＴＰは実測値である回転角速度ω
1と差圧ΔＰおよび二相流体積流量ＱTPの関数として、 ＱTP＝ｆ2（ω，ΔＰ，ＱTP） …（１５） となり、ＱTPを求めることができる。即ち、原油と水と
の液相とガスからなる多相流ＱMPを求めることができ
る。
αを求めるとαは二相流体積流量ＱＴＰと実測値ΔＰの
関数として表わされ、求めたαを式（１３）に代入する
と、二相流体積流量ＱＴＰは実測値である回転角速度ω
1と差圧ΔＰおよび二相流体積流量ＱTPの関数として、 ＱTP＝ｆ2（ω，ΔＰ，ＱTP） …（１５） となり、ＱTPを求めることができる。即ち、原油と水と
の液相とガスからなる多相流ＱMPを求めることができ
る。
【００３６】変換器１６では、ピックアップ１２，１３
から多相流体積流量ＱMPに比例した回転角速度ωと質量
流量Ｇに比例した時間ｔおよび差圧計１５からの差圧Δ
Ｐおよび温度計１８からの温度Ｔが入力され、以下に示
す演算が行われる。
から多相流体積流量ＱMPに比例した回転角速度ωと質量
流量Ｇに比例した時間ｔおよび差圧計１５からの差圧Δ
Ｐおよび温度計１８からの温度Ｔが入力され、以下に示
す演算が行われる。
【００３７】（Ａ）多相流体積流量ＱMPEを求める。多
相流体に含まれる原油および水分を一つの液相とみて式
（１５）の二相流体流量ＱTPを多相流体流量ＱMPに置き
換え、ＱMP＝ｆ2（ω，ΔＰ，ＱMP）とし、演算結果と
して多相流体積流量ＱMPを求める。 （Ｂ）ボイド率αEを求める。演算された多相流体積流
量ＱMPを式（１４）に代入しボイド率α＝αEを算出す
る。 （Ｃ）気体体積流量ＱGEを式（１６）より求める。 ＱGE＝αE・ＱMPE …（１６） 式（１４）で算出したボイド率αEおよび式（１５）で
算出した多相流体積流量ＱMPEを乗算して求める。
相流体に含まれる原油および水分を一つの液相とみて式
（１５）の二相流体流量ＱTPを多相流体流量ＱMPに置き
換え、ＱMP＝ｆ2（ω，ΔＰ，ＱMP）とし、演算結果と
して多相流体積流量ＱMPを求める。 （Ｂ）ボイド率αEを求める。演算された多相流体積流
量ＱMPを式（１４）に代入しボイド率α＝αEを算出す
る。 （Ｃ）気体体積流量ＱGEを式（１６）より求める。 ＱGE＝αE・ＱMPE …（１６） 式（１４）で算出したボイド率αEおよび式（１５）で
算出した多相流体積流量ＱMPEを乗算して求める。
【００３８】（Ｄ）液体体積流量ＱLEを式（１７）より
算出する。 ＱLE＝（１−αE）・ＱMPE …（１７） に、（１）で算出したＱMPEおよび式（１４）で算出し
たαEを代入する。 （Ｅ）液体質量流量ＧLをＧL≫ＧGとして式（５）より
求める。 ＧL＝Ｋ5Ｇ …（５）′ （Ｆ）液体密度ρLEを式（１８）に式（１７），
（５）′を代入することにより求める。 ρLE＝ＧL／ＱLE …（１８）
算出する。 ＱLE＝（１−αE）・ＱMPE …（１７） に、（１）で算出したＱMPEおよび式（１４）で算出し
たαEを代入する。 （Ｅ）液体質量流量ＧLをＧL≫ＧGとして式（５）より
求める。 ＧL＝Ｋ5Ｇ …（５）′ （Ｆ）液体密度ρLEを式（１８）に式（１７），
（５）′を代入することにより求める。 ρLE＝ＧL／ＱLE …（１８）
【００３９】（Ｇ）水分密度ρWEを式（１９）より求め
る。 ρWE＝ρWO｛１＋αt1（Ｔ−Ｔ0）｝ …（１９） 但し、ρWO：予め定められた水の基準温度Ｔ0における
密度（生産管理値） αt1：水密度の温度係数 Ｔ0 ：基準温度 （Ｈ）原油密度ρFEを式（２０）より求める。 ρFE＝ρFO｛１＋αt2（Ｔ−Ｔ0）｝ …（２０） 但し、ρFO：予め定められた原油の基準温度Ｔ0におけ
る密度（生産管理値） αt2：原油密度の温度係数
る。 ρWE＝ρWO｛１＋αt1（Ｔ−Ｔ0）｝ …（１９） 但し、ρWO：予め定められた水の基準温度Ｔ0における
密度（生産管理値） αt1：水密度の温度係数 Ｔ0 ：基準温度 （Ｈ）原油密度ρFEを式（２０）より求める。 ρFE＝ρFO｛１＋αt2（Ｔ−Ｔ0）｝ …（２０） 但し、ρFO：予め定められた原油の基準温度Ｔ0におけ
る密度（生産管理値） αt2：原油密度の温度係数
【００４０】（Ｉ）水分率Γを式（２１）より求める。 ρLE＝Γ・ρWE＋（１−Γ）・ρFE …（２１） 式（１８）で求めた水分密度ρWEおよび式（２０）で求
めた原油密度ρFEを式（２１）に代入し水分率ΓEを算
出する。 （Ｊ）原油体積流量ＱFEを式（２２）より求める。 ＱFE＝（１−ΓE）・ＱLE …（２２） 式（１７）のＱLE，式（２１）で求めた水分率ΓEを式
（２２）に代入する。
めた原油密度ρFEを式（２１）に代入し水分率ΓEを算
出する。 （Ｊ）原油体積流量ＱFEを式（２２）より求める。 ＱFE＝（１−ΓE）・ＱLE …（２２） 式（１７）のＱLE，式（２１）で求めた水分率ΓEを式
（２２）に代入する。
【００４１】（Ｋ）分体積流量ＱWEを式（２３）より求
める。 ＱWE＝ΓE・ＱLE …（２３） 式（２１）で求めた水分率ΓEおよび式（２２）で求め
たＱLEを式（２３）に代入する。
める。 ＱWE＝ΓE・ＱLE …（２３） 式（２１）で求めた水分率ΓEおよび式（２２）で求め
たＱLEを式（２３）に代入する。
【００４２】更には、原油質量流量ＧFEを式（２０），
（２２）より算出する。出力部１７に伝送して以上
（Ａ）〜（Ｋ）で算出された状態量は表示および遠隔伝
送される。
（２２）より算出する。出力部１７に伝送して以上
（Ａ）〜（Ｋ）で算出された状態量は表示および遠隔伝
送される。
【００４３】図１に示したタービン質量流量計１の第１
翼車７と第２翼車８とはスプリング１１で連結され比較
的近接して設置されている。従って、第１翼車７から流
出する多相流体の流れは、スリップ率Ｓに応じて旋回し
た流れとなり、第２翼車８に流入する。従って、偏向し
た流れにより第２翼車８が受けるトルクＴ2は、増加し
式（２）で表わすことができず、誤差要因となる。
翼車７と第２翼車８とはスプリング１１で連結され比較
的近接して設置されている。従って、第１翼車７から流
出する多相流体の流れは、スリップ率Ｓに応じて旋回し
た流れとなり、第２翼車８に流入する。従って、偏向し
た流れにより第２翼車８が受けるトルクＴ2は、増加し
式（２）で表わすことができず、誤差要因となる。
【００４４】図３は、図１の他の実施形態例を説明する
ためのタービン質量流量計の部分図で、図３（Ａ）は図
３（Ｂ）の矢視Ａ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図３
（Ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線断面図であり、図中、２０は弾性
ロッド、２１は整流器であり、図１と同様の作用をする
部分には、図１と同じ参照番号が付してある。
ためのタービン質量流量計の部分図で、図３（Ａ）は図
３（Ｂ）の矢視Ａ−Ａ線断面図、図３（Ｂ）は図３
（Ａ）の矢視Ｂ−Ｂ線断面図であり、図中、２０は弾性
ロッド、２１は整流器であり、図１と同様の作用をする
部分には、図１と同じ参照番号が付してある。
【００４５】図３に示したタービン質量流量計１は、第
１翼車７と第２翼車８を連結するスプリングを長大な弾
性ロッド２０とし、弾性ロッド２０の外側に、例えば、
軸方向に平行した軸をもつチューブ２１ａを多数設けた
整流器２１を装着したもので、第１翼車７から流出した
流れが整流されて軸平行に第２翼車８に流入するように
したもので、第１翼車７と第２翼車８との間隔Ｌは、整
流作用が充分行われる長さに選んである。
１翼車７と第２翼車８を連結するスプリングを長大な弾
性ロッド２０とし、弾性ロッド２０の外側に、例えば、
軸方向に平行した軸をもつチューブ２１ａを多数設けた
整流器２１を装着したもので、第１翼車７から流出した
流れが整流されて軸平行に第２翼車８に流入するように
したもので、第１翼車７と第２翼車８との間隔Ｌは、整
流作用が充分行われる長さに選んである。
【００４６】
【発明の効果】請求項１の発明に対応する効果：上流側
にラインミキサを有するタービン質量流量計を設け、ラ
インミキサとタービン質量流量計との間の差圧計を設け
て差圧を計測するようにしたので、遠隔移送された原油
・水・ガスからなる多相流体を相分離することなく安価
に原油体積流量，水体積流量およびガス体積流量を計測
することができる。
にラインミキサを有するタービン質量流量計を設け、ラ
インミキサとタービン質量流量計との間の差圧計を設け
て差圧を計測するようにしたので、遠隔移送された原油
・水・ガスからなる多相流体を相分離することなく安価
に原油体積流量，水体積流量およびガス体積流量を計測
することができる。
【００４７】請求項２の発明に対応する効果：タービン
質量流量計の第１翼車と第２翼車とを弾性ロッドで連結
してこの間の流体流れを整流したので、第１翼車から流
出する多相流の旋回流がなくなり、第２翼車に流入する
ので、高精度な質量流量および体積流量を計測すること
ができる。
質量流量計の第１翼車と第２翼車とを弾性ロッドで連結
してこの間の流体流れを整流したので、第１翼車から流
出する多相流の旋回流がなくなり、第２翼車に流入する
ので、高精度な質量流量および体積流量を計測すること
ができる。
【図１】 本発明の実施形態の一例を説明するための多
相流量計の構成図である。
相流量計の構成図である。
【図２】 図１に示すタービン質量流量計の質量流量に
比例した時間ｔの測定例を説明するための図である。
比例した時間ｔの測定例を説明するための図である。
【図３】 図１の他の実施形態例を説明するためのター
ビン質量流量計の部分図である。
ビン質量流量計の部分図である。
１…タービン質量流量計、２…流管（タービン質量流量
計管体）、３，４…整流器（ベーン）、５，６…軸受、
７…第１翼車、８…第２翼車、９，１０…回転軸、１１
…スプリング、１２，１３…ピックアップ、１４…ライ
ンミキサ、１５…差圧計、１６…変換器、１７…出力
部、１８…温度計、１９…流管、２０…弾性ロッド、２
１…整流器。
計管体）、３，４…整流器（ベーン）、５，６…軸受、
７…第１翼車、８…第２翼車、９，１０…回転軸、１１
…スプリング、１２，１３…ピックアップ、１４…ライ
ンミキサ、１５…差圧計、１６…変換器、１７…出力
部、１８…温度計、１９…流管、２０…弾性ロッド、２
１…整流器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小野 精悟 東京都新宿区上落合３丁目10番８号 株式 会社オーバル内
Claims (2)
- 【請求項１】 気体と原油および水からなる多相流体が
流れる流管内に、ブレードの取り付け角度の異なる２つ
の翼車をスプリングで同軸一体に接続して回転可能に支
持し、前記多相流体の流れにより前記翼車が回転し、か
つ、前記多相流体から受けるトルク差により各々の前記
翼車間に生ずる偏位角の回転時間に比例して前記多相流
体の質量流量を計測し、かつ、前記翼車の回転数に比例
して体積流量を計測するタービン流量計と、前記翼車の
上流側に挿着されたラインミキサと、該ラインミキサの
上流側と前記翼車の下流側に各々の圧力を計測する圧力
計と、前記ラインミキサと前記翼車の上下流間の差圧を
計測する差圧計と、前記多相流体の温度を計測する温度
計と、変換器とからなり、該変換器は、式（１５）によ
り前記多相流の体積流量ＱMPを算出して式（１４）より
ボイド率αEを求め、更に、該ボイド率αEおよび前記体
積流量ＱMPから式（１６）により気体体積流量ＱGEと、
式（１７）により液体体積流量ＱLEと、式（５）′によ
り液体質量流量ＧLと、式（１８）により流体密度ρLE
と、式（１９）より水分密度ρWEと、式（２０）より原
油密度ρFEと、式（２１）より水分率Γと、式（２２）
より原油体積流量ＱFEと、式（２３）より水分体積流量
ＱWEを算出し、各々の算出量を出力することを特徴とす
る多相流流量計。 - 【請求項２】 前記タービン流量計の前記スプリングを
弾性体ロッドとし、該弾性ロッドの外側で各々の前記２
つの翼車間に流れを軸方向に整流する整流器を設けたこ
とを特徴とする請求項１に記載の多相流流量計。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9090997A JPH10281845A (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | 多相流流量計 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9090997A JPH10281845A (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | 多相流流量計 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10281845A true JPH10281845A (ja) | 1998-10-23 |
Family
ID=14011546
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9090997A Pending JPH10281845A (ja) | 1997-04-09 | 1997-04-09 | 多相流流量計 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10281845A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107473360A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-12-15 | 武汉市园林建筑工程公司 | 一种污水处理系统 |
| CN110174147A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-08-27 | 长江大学 | 基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置及方法 |
| CN113324601A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-31 | 中国北方车辆研究所 | 一种车载嵌入式液体流量计 |
| CN113532562A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 李�根 | 一种基于密度测量的多相流油气水流量计量装置及方法 |
| RU2759261C2 (ru) * | 2019-09-09 | 2021-11-11 | Общество с ограниченной ответственностью "ВЭЙВЛАБ.ТЕХ" | Способ измерения потока двухфазных смесей и устройство для его реализации |
-
1997
- 1997-04-09 JP JP9090997A patent/JPH10281845A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107473360A (zh) * | 2017-08-08 | 2017-12-15 | 武汉市园林建筑工程公司 | 一种污水处理系统 |
| CN110174147A (zh) * | 2019-05-21 | 2019-08-27 | 长江大学 | 基于动力旋转螺旋流技术的油水两相流实时测量装置及方法 |
| RU2759261C2 (ru) * | 2019-09-09 | 2021-11-11 | Общество с ограниченной ответственностью "ВЭЙВЛАБ.ТЕХ" | Способ измерения потока двухфазных смесей и устройство для его реализации |
| CN113324601A (zh) * | 2021-04-23 | 2021-08-31 | 中国北方车辆研究所 | 一种车载嵌入式液体流量计 |
| CN113532562A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-10-22 | 李�根 | 一种基于密度测量的多相流油气水流量计量装置及方法 |
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