СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ ВОДЫ В МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКАХ ТРУБОПРОВОДОВ ПО НИЗКОЧАСТОТНЫМ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИЗМЕРЕНИЯМ
METHOD FOR DETECTION OF WATER CONTENT IN MULTIPHASE FLOWS OF PIPELINES BY LOW-FREQUENCY DIELECTRIC MEASUREMENTS

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться при разработке влагомеров, прежде всего, для определения содержания воды в потоках нефтяных трубопроводов.
Известно большое число конструкций влагомеров, основанных на емкостном диэлькометрическом методе с использованием различных модификаций емкостной измерительной ячейки. В связи с высокой электропроводностью воды подобные устройства работают в области достаточно высоких частот - более 10 МГц, на которых влияние электропроводности и химического состава воды снижается. В качестве примера можно привести одну из последних таких разработок [1]. Следует отметить чрезвычайную сложность конструкции и расчетных соотношений в данной разработке.
В качестве аналога предлагаемого способа можно рассматривать работу [2], в которой разработан индуктивный способ определения диэлектрических параметров водных растворов, в котором исследуемое вещество вводится в соленоидальные катушки индуктивности (L-ячейки). При вводе водного раствора в L-ячейку, подключенную к колебательному контуру куметра, происходит изменение добротности Q и емкости С колебательного контура куметра при резонансе - фиг.1. При этом по изменению добротности Q можно рассчитать величину ε'' - мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости раствора, а величина сдвига резонансной емкости ΔС на заданной резонансной частоте f прямо пропорциональна ее действительной величине, т.е. ε'.
Основное достоинство L-метода для исследования водных растворов связано с возможностью изучать их низкочастотные диэлектрические свойства не искаженные токами проводимости, поскольку вихревое электрическое поле L-ячеек настолько мало, что сила, с которой оно действует на ионы, оказывается меньше силы вязкого трения. В таких полях в диапазоне частот 10 кГц-10 МГц впервые выявляется низкочастотная дисперсия ε' растворов, наличие которой теоретически предсказывалось Дебаем еще в 30-х годах прошлого века [3]. На примере водных растворов эта дисперсия показана на фиг.2.
Предлагаемый способ определения содержания воды в многофазных потоках, как и в аналоге, основывается на низкочастотных диэлектрических измерениях с использованием соленоидальной измерительной L-ячейки, но меняется метод регистрации параметров этой ячейки и вводятся ограничения на частоту, на которых должны проводиться эти измерения.
Для использования L-ячеек в конструкции влагомеров их обмотка должна наноситься на внешнюю поверхность диэлектрической вставки трубопровода с исследуемым многофазным потоком. Такие вставки из толстостенного полиэтилена, выдерживающего достаточно высокие давления, с переходными фланцами из металла, позволяющими соединять их с металлическим трубопроводом, выпускаются промышленно. Поэтому перспективно использовать именно их в разрабатываемых устройствах.
Проанализируем, какими параметрами должна обладать измерительная L-ячейка и каким способом с ее помощью можно наиболее просто регистрировать объемное содержание воды в находящихся внутри ее многофазных потоках сначала на примере полного заполнения L-ячейки тем или иным водным раствором.
Согласно фиг.2 низкочастотные значения tgδ и ε'' водных растворов обладают очень сильной зависимостью от концентрации в них солей. Поскольку на каждом трубопроводе химический состав воды в той или иной степени меняется со временем, то регистрация содержания воды в многофазных потоках по величине tgδ или ε'' невозможна.
Для поставленной цели пригодно лишь измерение значений ε'. В аналоге предлагаемого способа значения ε' воды определялись по величине сдвига резонансной емкости ΔC=ε'/α на резонансной частоте f (фиг.1), где α - постоянная ячейки, определяемая по калибровочным экспериментам [2-3].
Согласно фиг.2 повышение содержания солей в воде смещает область дисперсии
max
max
max
водных растворов в область более высоких частот. Однако при этом максимально возможная величина ε водных растворов на низких частотах порядка 20 кГц, а следовательно, и величина сдвига резонансной емкости колебательного контура ΔС=ε/α на этих частотах от введения растворов в L-ячейку при резонансе остаются неизменными.
max
max
max
Таким образом, для того чтобы величина сдвига резонансной емкости ΔС на резонансной частоте f определялась только содержанием воды в протекающем внутри измерительной L-ячейки многофазном потоке и не зависела от ее состава, измерения необходимо проводить на такой частоте, на которой ΔC=ΔC=ε/α. Так как для воды с повышенной электропроводностью диапазон частот, в котором ε'=ε простирается до более высоких частот (фиг.2), то для такой воды можно увеличивать рабочую частоту f измерительной ячейки. Это, в свою очередь, позволяет снизить индуктивность, а следовательно, и число витков измерительной катушки, что упрощает ее изготовление.
max
Электропроводность водных растворов, начиная с которой величина ΔС изготовленной катушки на выбранной резонансной частоте f измерения оказывается равной ΔС и перестает увеличиваться при повышении концентрации растворов, определяет нижний концентрационный предел применимости данной катушки в качестве влагомера. Например, для модельного устройства с измерительной ячейкой длиной порядка 40 см и диаметром около 10 см величина ΔС в диапазоне частот 120-200 кГц перестает зависеть от электропроводности растворов, начиная с 700 мкСм/см - фиг.3. Поскольку пластовые воды имеют гораздо более высокую электропроводность, то данная катушка вполне может использоваться для определения содержания таких вод в многофазных потоках. Пресная водопроводная вода имеет электропроводность порядка 100-400 мкСм/см. Для определения содержания таких вод должны изготавливаться катушки с большей индуктивностью с тем, чтобы с ними достигался резонанс в колебательном контуре на более низких частотах. Приблизительную оценку максимально возможной рабочей резонансной частоты f влагомера для воды с удельной электропроводностью æ (мкСм/см) можно провести по соотношению, полученному по данным фиг.3:
f(кГц)=0,46·æ(мкСм/см)-20
Для практического использования соленоидальных L-ячеек в качестве влагомеров вместо определения величины ΔС с помощью дорогостоящих и крупногабаритных куметров, требующего к тому же ручного поиска резонанса, гораздо проще определять сдвиг частоты Δf колебательного контура, возникающего из-за изменения параметров подключаемых к нему L-ячеек при вводе в них жидкости. Такой сдвиг частоты легко фиксируется любым частотомером, может вводиться в память компьютера и усредняться по тому или иному промежутку времени. Согласно проведенным тестовым экспериментам величина Δf прямо пропорциональна объему вводимой в ячейку жидкости, обратима при повторных экспериментах и может достигать весьма внушительной величины. Например, для описанного выше устройства с измерительной ячейкой длиной порядка 40 см и диаметром около 10 см величина Δf при полном заполнении ячейки водой составляет почти 30 кГц при резонансной частоте f пустой катушки (без жидкости) порядка 200кГц - фиг.4. Таким образом чувствительность устройства к наличию воды весьма высока.
Согласно представленным на фиг.4 данным величина Δf прямо пропорциональна содержанию воды в измерительной ячейке, что существенно упрощает калибровку влагомера. Отклонения некоторых экспериментальных точек на фиг.4 связаны с точностью измерения заливаемой жидкости, а также с влиянием поля катушки на состояние жидкости. Выявлено заметное изменение резонансной частоты катушки с жидкостью от времени нахождения в ней жидкости (величина Δf со временем уменьшается). В протекающем внутри L-ячейки потоке жидкости этот эффект будет мал, тем не менее для его уменьшения необходимо максимально снижать напряженность воздействующего на жидкость вихревого электрического поля внутри катушки, что вполне осуществимо.
Источники информации
1. Андрейчиков Б.И., Шубладзе A.M. и др. Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, и устройство для его осуществления. Патент РФ №4947883 от 25.06.91.
2. Семихина Л.П. Способ определения диэлектрических параметров воды и ее растворов в низкочастотной области с помощью L-ячейки. Патент РФ №2234102// БИПМ №6, 2004.
3. Семихина Л.П. Низкочастотная диэлькометрия жидкостей в слабых вихревых электрических полях. Автореферат докторской дисс. на соискание степени д.ф.-м.н. Тюмень, 2006.