Brevet FR2557690A1 — publié le 19850705

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure des débits des phases liquide et gazeuse d'un fluide diphasique en écoulement. On connaît 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 dispositifs ne fonctionnent toutefois convenablement que pour des valeurs des débits des deux phases et du rapport volumétrique phase gazeuse/phase liquide (GOR), dans les conditions thermodynamiques de l'écoulement, compris entre certaines limites dépendant de la géométrie et de la cinématique du dispositif. On est par conséquent amené à réaliser des appareils de régulation permettant d'assurer à l'entrée de la pompe des débits et des rapports volumétriques 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 an rotation le fluide diphasique autour d'un axe longitudinal de façon à genérar un écoulement coaxial présentant une couche tubulaire formée de la phase gazeuse entourée par une couche tubulaire formée de la phase liquide, que l'on mesure en aval de la zone o ledit fluide diphasique a Èté 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 mesurées d'épaisseur et de vitesse on détermine par comparaison à des modèles mathématiques et/ou expérimentaux les débits volumiques et massiques de chaque 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 Ptre réalisées de toute manière convenable, par exemple par la technique du fil chaud on à l'aide d'un tube de Pitot, mais on détermine de préférence l'épaisseur des couches respectives par des mesures d'abscrption différentielle d'un rayonnement y 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 -2- faible. La précision des mesures peut alors être plus grandement améliorée si, 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 rayonnementY et une pluralité de capteurs de rayonnement disposés 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 amont 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 n0 82 17245. Avantageusement, le dispositif selon l'invention comprend un moteur électrique à vitesse variable pour entraîner en rotation ledit arbre et ladite enceinte intérieure. -3- 2557690 On décrira maintenant à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation particulier de l'invention en référence au dessin annexé dans lequel: - 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 plus 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 volumétrique phase gazeuse/phase liquide pour différentes vitesses de rotation et un débit 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 à 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 liquide 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'une manière générale une enceinte extérieure tubulaire fixe 1 à l'intérieur de laquelle est montée coaxialement une enceinte tubulaire intérieure 2 susceptible d'être entraînée en rotation par un moteur 3 à vitesse variable, par l'intermédiaire d'un arbre 4. Un dispositif d'injection de liquide 5 tel par exemple que celui décrit dans la demande de brevet français n 82 17245 est prévu à l'entrée du dispositif et est alimenté par une pompe 6. La chambre de mesure 7 est située 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 leurs transducteurs respectifs disposés dans la chambre de mesure 7 le long d'une génératrice de l'enceinte tubulaire extérieure 1. Une source de rayonnementy 12 et des récepteurs correspondants 13 sont disposés dans un même plan transversal perpendiculaire à l'arbre 4. -4- 2557690 Les entrées et sorties des organes de mesure 10,11,12 et]3 sont reliées à une unité de traitement 14 qui est également agencée pour commander le fonctionnement de la pompe 6 et du moteur à vitesse variable 3. En fonctionnement, le moteur 3 entraînant l'enceinte tubulaire 2 provoque la mise en rotation du fluide diphasique pénétrant dans le dispositif de sorte qu'à la sortie de cette enceinte celui-ci se présente sous la forme d'un écoulement tubulaire intérieur de gaz 15 et d'un écoulement tubulaire extérieur de liquide 16. L'écoulement de gaz a une vitesse axiale V et l'écoulement liquide a une vitesse axiale VL. La vitesse VL est déterminée directement par le système Doppler 10,11 tandis que l'épaisseur e de la couche liquide est déterminée par l'unité de traitement 14 à partir des signaux fournis par les capteurs 13. Le rayonnementy est en effet absorbé essentiellement par la phase liquide de sorte que ces signaux sont représentatifs de l'épaisseur e. On sait que pour une géométrie donnée du dispositif, pour une vitesse 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 VG et VL 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 VL, 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 K - W. ou R est le rayon intérieur e 1 e de l'enceinte 1 et Ri est le rayon extérieur de l'arbre 4. Ces courbes montrent que, connaissant l'épaisseur e de la couche liquide et sa vitesse axiale VL, ainsi que la vitesse de rotation w du moteur 3, on peut en déduire, tout d'abord le rapport volumétrique GOR, puis le débit de liquide QL, d'o l'on déduit ensuite le débit de gaz. Dans le cas o le rapport volumétrique est trop grand, c'est-à-dire o 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 QL' ce qui a 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 -5- 2557690 ce qui a le même effet sur l'épaisseur e, comme cela résulte de la figure 4. Des nouvelles valeurs e et VL 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 VL 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 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 Ptre apportées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. -6- 2557690 REVENDICATIONS 1. 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 autour d'un axe longitudinal de façon à générer un écoulement coaxial présentant une couche tubulaire (15) formée de la phase gazeuse entourée par une couche tubulaire (16) formée de la phase liquide, que l'on mesure en aval de la zone o ledit fluide diphasique a été mis en rotation d'une part les épaisseurs des couches tubulaires de phase liquide (e) et de phase gazeuse et d'autre part la vitesse d'écoulement d'au moins la phase liquide (VL), et qu'à partir des valeurs mesurées d'épaisseur et de vitesse on détermine par comparaison à des modèles mathématiques et/ou expérimentaux les débits volumiques et massiques de chaque phase ainsi que le rapport volumétrique de la phase gazeuse et de la phase liquide dans les conditions thermodynamiques du fluide diphasique. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'on mesure l'épaisseur des couches respectives par des mesures d'absorption différentielle d'un rayonnement y dans lesdites phases. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'on mesure les vitesses d'écoulement par effet Doppler. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les mesures sont effectuées après adjonction dans l'écoulement de fluide diphasique d'un débit de liquide supplémentaire, notamment d'eau, prédéterminé, et/ou en modifiant la vitesse de rotation du fluide diphasique. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que l'on effectue les mesures d'épaisseur et de vitesse à des intervalles prédéterminés et que l'on provoque ladite admission de liquide supplémentaire et/ou la modification de vitesse de rotation du fluide lorsque les valeurs instantanées d'épaisseurs des couches et/ou de vitesses d'écoulement s'écartent des valeurs moyennes correspondantes précédemment mesurées. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend une enceinte extérieure tubulaire fixe (1), un arbre axial longitudinal (4) disposé dans ladite enceinte et associé à des moyens (3) permettant sa mise en rotation à des vitesses déterminées variables, une enceinte tubulaire (2) montée coaxialement à l'intérieur de l'enceinte extérieure et susceptible d'être entrainée 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 (9) de fluide diphasique de l'enceinte extérieure en aval de l'enceinte intérieure, l'enceinte extérieure comportant dans une zone (7) située entre l'extrémité aval de l'enceinte intérieure et lesdits moyens de sortie, des moyens de mesure (12,13) des épaisseurs des couches tubulaires de phase gazeuse et de phase liquide formées dans ladite enceinte intérieure et des moyens de mesure (10,11) de la vitesse d'écoulement d'au moins la phase liquide. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que lesdits moyens de mesure d'épaisseurs comprennent une source de rayonnement Y (12) et une pluralité de capteurs de rayonnement Y (13) disposés en regard. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé par le fait que les moyens de mesure de vitesse d'écoulement (10,11) sont de type à effet Doppler. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens (5,6) permettant d'introduire un débit de liquide, notamment d'eau, contr8lé en amont de ladite enceinte intérieure (2). 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, caractérisé par le fait qu'il comprend un moteur électrique à vitesse variable (3) pour entratner en rotation ledit arbre (4) et ladite enceinte intérieure (2).