La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesu des débits des phases liquide et gazeuse d'un fluide diphasique en écoulemen

On connait déjà, par exemple par la demande de brevet français n° 79 31031, des dispositifs de pompage d'un fluide diphasique constitué du mélange d'un liquide et d'un gaz non dissous dans le liquide. Ces dispositif ne fonctionnent toutefois convenablement que pour des valeurs des débits de deux phases et du rapport volumétrique phase gazeuse/phase liquide (GOR) , da les conditions thermodynamiques de l'écoulement, compris entre certaines limites dépendant de la géométrie et de la cinématique du dispositif. On es par conséquent amené à réaliser des appareils de régulation permettant d'assurer à l'entrée de la pompe des débits et des rapports volumetriques relativement constants.

Pour permettre le fonctionnement de ces dispositifs de régulation, il est donc nécessaire de mesurer avec précision les valeurs des débits de chacune des deux phases et du rapport volumétrique du fluide diphasique en amont.

La présente invention vise à fournir un procédé -et un dispositif permettant de réaliser de telles mesures.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure des débits des phases liquide et gazeuse d'un fluide diphasique en écoulement, caractérisé par le fait que l'on met en rotation le fluide diphasique autou d'un axe longitudinal de façon à générer un écoulement coaxial présentant un couche tubulaire formée de la phase gazeuse entourée par une couche tubulair formée de la phase liquide, que l'on mesure en aval de la zone où ledit flui diphasique a été mis en rotation d'une part les épaisseurs des couches tubulaires de phase liquide et de phase gazeuse et d'autre part la vitesse d'écoulement d'au moins la phase liquide, et qu'à partir des valeurs mesurée d'épaisseur et de vitesse on détermine par comparaison à des modèles mathématiques et/ou expérimentaux les débits volumiques et massiques de chaq phase ainsi que le rapport volumétrique de la phase gazeuse et de la phase liquide dans les conditions thermodynamiques du fluide diphasique.

Ces mesures peuvent être réalisées de toute manière convenable, pa exemple par la technique du fil chaud ou à l'aide d'un tube de Pitot, mais o détermine de préférence l'épaisseur des couches respectives par des mesures d'absorption différentielle d'un rayonnement V dans lesdites phases, et les vitesses d'écoulement par effet Doppler.

Dans certains cas de mise en oeuvre de ce procédé, le rapport volumétrique est grand, l'épaisseur de la couche liquide étant alors très faible. La précision des mesures peut alors être plus grandement améliorée si

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durant une courte période de temps, l'épaisseur de la couche liquide est augmentée. Ceci peut être réalisé en effectuant les mesures après adjonction dans l'écoulement de fluide diphasique d'un débit de liquide, notamment d'eau, prédéterminé et/ou en modifiant la vitesse de rotation du fluide diphasique»

Dans un mode de réalisation particulier de l'invention on effectue les mesures d'épaisseur et de vitesse à des intervalles prédéterminés et l'on provoque ladite admission de liquide supplémentaire et/ou la modification de vitesse de rotation du fluide lorsque les valeurs instantanées d'épaisseur des couches et/ou de vitesse d'écoulement s'écartent des valeurs moyennes correspondantes précédemment mesurées.

La présente invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, caractérisé par le fait qu'il comprend une enceinte extérieure tubulaire fixe, un arbre axial longitudinal disposé dans ladite enceinte et associé à des moyens permettant sa mise en rotation à des vitesses déterminées variables, une enceinte tubulaire montée coaxialement à l'intérieur de l'enceinte extérieure et susceptible d'être entraînée en rotation solidairement avec ledit arbre, ladite enceinte intérieure s*étendant sur une partie seulement de la longueur de l'enceinte extérieure, des moyens pour introduire un fluide diphasique dans ladite enceinte :extérieure et des moyens de sortie de fluide diphasique de l'enceinte extérieure en aval de l'enceinte intérieure, l'enceinte extérieure comportant, dans une zone située entre l'extrémité aval de l'enceinte intérieure et lesdits moyens de sortie, des moyens de mesure des épaisseurs des couches tubulaires de phase gazeuse et de phase liquide formés dans ladite enceinte intérieure, et des moyens de mesure de la vitesse d'écoulement d'au moins la phase liquide.

Lesdits moyens de mesure d'épaisseur peuvent comprendre une source de rayonnementΥet une pluralité de capteurs de rayonnement Ydisposés en regard et les moyens de mesure de vitesse d'écoulement peuvent être de type à effet Doppler.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, des moyens sont prévus pour introduire un débit de liquide, notamment d'eau, contrôlé en amon de ladite enceinte intérieure.

Ces moyens d'introduction d'un débit de liquide peuvent par exemple être du type décrit dans la demande de brevet français n ^c 82 17245.

Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend un moteur électrique à vitesse variable pour entraîner en rotation ledit arbre et ladit enceinte intérieure.

On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence au dessin annexé dans lequel :

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- la figure 1 est une vue en coupe axiale schématique d'un dispositif de mesure selon l'invention,

- la figure 2 est une vue, également en coupe axiale, mais à plu grande échelle, de la zone de mesure de ce dispositif,

- la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2,

- la figure 4 illustre la variation de l'épaisseur de la couche liquide d'un écoulement diphasique coaxial en fonction du rapport volumétri phase gazeuse/phase liquide pour différentes vitesses de rotation et un déb de liquide constant,

- la figure 5 illustre la variation de cette même épaisseur en fonction du rapport volumétrique pour différents débits de la phase liquide vitesse de rotation constante,

- la figure 6 illustre la variation de la vitesse de la phase liquide en fonction du rapport volumétrique pour différents débits de liqui à vitesse de rotation constante, et

- la figure 7 illustre la variation de la vitesse de la phase liquide en fonction du rapport volumétrique pour différentes vitesses de rotation à débit de liquide constant.

Le dispositif de mesure représenté aux figures 1 à 3 comprend d'u manière générale une enceinte extérieure tubulaire fixe 1 à l'intérieur d laquelle est montée coaxialement une enceinte tubulaire intérieure 2 susceptible d'être entraînée en rotation par un moteur 3 à vitesse variabl par l'intermédiaire d'un arbre 4.

Un dispositif d'injection de liquide 5 tel par exemple que celu décrit dans la demande de brevet français n° 82 17245 est prévu à l'entrée dispositif et est alimenté par une pompe 6. La chambre de mesure 7 est situ immédiatement en aval de l'enceinte intérieure 2 et est suivie par un dispositif de régulation d'écoulement de tout type connu 8 précédant la sortie 9 du dispositif.

Un émetteur Doppler 10 et un récepteur correspondant 11 ont leur transducteurs respectifs disposés dans la chambre de mesure 7 le long d'un génératrice de l'enceinte tubulaire extérieure 1.

Une source de rayonnementY 12 et des récepteurs correspondants 1 sont disposés dans un même plan transversal perpendiculaire à l'arbre 4.

Les entrées et sorties des organes de mesure 10,11,12 et 13 son reliées à une unité de traitement 14 qui est également agencée pour command le fonctionnement de la pompe 6 et du moteur à vitesse variable 3.

En fonctionnement, le moteur 3 entraînant 1'enceinte tubulaire provoque la mise en rotation du fluide diphasique pénétrant dans le disposi de sorte qu'à la sortie de cette enceinte celui-ci se présente sous la for I LE DE REMPLACEMENT

d'un é julement tubulaire intérieur de gaz 15 et d'un écoulement tubulaire extéri -r de liquide 16. L'écoulement de gaz a une vitesse axiale V et l'écou ornent liquide a une vitesse axiale .

La vitesse est déterminée directement par le système ι_

Dopple 10,11 tandis que l'épaisseur e de la couche liquide est déterminée par l'unir de traitement 14 à partir des signaux fournis par les capteurs 13. Le ra; -nnementYest en effet absorbé essentiellement par la phase liquide de sorte *ue ces signaux sont représentatifs de l'épaisseur e.

On sait que pour une géométrie donnée du dispositif, pour une vitesεa de rotation donnée de l'enceinte 2, et pour un débit diphasique et un rapport volumétrique déterminés, l'épaisseur e de la couche liquide ainsi que les vitesses et de chaque phase sont définies.

Par conséquent, la connaissance des épaisseurs des couches et de leur vitesse permet de déterminer, par comparaison avec des modèles préétablis, les valeurs des débits volumiques et massiques ainsi que des rapports volumétriques vrais, compte tenu des vitesses de glissement de phases.

Les figures 4 à 7 représentent des exemples de telles relations entre, d'une part, l'épaisseur e et la vitesse V , et d'autre part, le rapport volumétrique (GOR) .

En fait, dans ces graphiques, l'épaisseur de la couche liquide a été ramenée à la grandeur sans dimension ^fi ou R est le rayon intérieur de

R _e - ^e l'enceinte 1 et R. est le rayon extérieur de l'arbre 4.

Ces courbes montrent que, connaissant l'épaisseur e de la couche liquide et sa vitesse axiale , ainsi que la vitesse de rotation 00 du moteur 3, on peut en déduire, tout d'abord le rapport volumétrique GOR, puis le débit de liquide Q _τ , d'où l'on déduit ensuite le débit de gaz.

Dans le cas où le rapport volumétrique est trop grand, c'est-à-dire où l'épaisseur e est trop faible pour que la mesure effectuée à l'aide des capteurs Y 13 soit significative, l'unité de traitement 14 peut commander le fonctionnement de la pompe 6, c'est-à-dire augmenter le débit Q , ce qui a

J pour effet d'augmenter l'épaisseur e comme cela résulte de la figure 5. L'unité 14 peut également commander une diminution de la vitesse de rotation ce qui a le même effet sur l'épaisseur e, comme cela résulte de la figure 4. Des nouvelles valeurs e et ainsi obtenues, on peut déduire le rapport volumétrique et le débit liquide modifié et, connaissant la différence de vitesse de rotation ou la différence de débit liquide après et avant la modification, remonter à l'épaisseur e et à la vitesse avant modification.

Dans la pratique, les mesures sont effectuées à une fréquence définie, et tout écart significatif des mesures instantanées par rapport aux mesures moyennes antérieures entraîne le déclenchement de la pompe 6 pour

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augmenter le débit liquide ou une modification de la vitesse de rotation du moteur 3 de façon à effectuer une mesure précise.

Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit ci-dessus auquel diverses variantes et modifications peuvent être apportées sans sortir pour autant du cadre de l'invention.

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