СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗ ПОТОКА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
METHOD OF SIMULTANEOUS DETECTION OF FLOW RATES OF LIQUID AND GAS PHASES OF FLOW OF GAS LIQUID MIXTURE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения величин расходов многофазного потока без предварительной сепарации, например для измерения дебита нефтяных скважин.
Известен способ определения расхода компонентов двухфазного потока (RU, патент №2339915С1, G01F 1/74, 27.11.2008 г.), включающий измерительный участок трубопровода с установленными на его внешней поверхности двумя диаметрально расположенными и смещенными вдоль оси трубопровода электроакустическими преобразователями; и электронный блок возбуждения ультразвуковых волн в трубопроводе. Для излучения и приема используются выполненные в виде многоэлементных фазированных решеток накладные преобразователи, представляющие собой наборы пьезоэлектрических элементов. Электроакустические преобразователи и датчики температуры и давления среды в измерительном участке через дифференциальные усилители подключены к микропроцессору электронного блока.
С помощью скользящего спектрального анализа последовательностей отсчетов сигнала текущее доплеровское смещение частоты (ДСЧ) определяют отношение длительностей участков реализации ДСЧ с различными знаками.
Используя реализации доплеровского смещения частоты из двух различных стробов сигнала, принятого первым электроакустическим преобразователем, для определения корреляционным методом скорости движения газовых полостей определяют сдвиг максимума корреляционной функции временных реализаций ДСЧ, полученных из стробов, сдвинутых относительно друг друга на время.
После чего, используя отношения длительностей участков ДСЧ с различными знаками и сдвиг максимума корреляционной функции определяют расходы газа и жидкости решая систему уравнений.
Недостатками данной системы измерения компонентов двухфазного потока являются сложность конструкции, а также тот факт, что ультразвуковой сигнал практически не распространяется через газожидкостную смесь на большое расстояние.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ одновременного определения расхода жидкости и газа (RU, заявка на изобретение №2009116975, G01F 1/00, 04.05.2009 г., опубликовано 10.11.2010 г.) включающий зондирование восходящего потока несепарированной смеси жидкости и газа непрерывным ультразвуковым сигналом, приеме отраженного от неоднородностей сигнала, для выделения разностной частоты применяют комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, определяют разностную частоту принятого и зондирующего сигнала, производят спектральный анализ с определением знака преобладающей частоты, подсчет доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, во время калибровки определяют зависимости частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение от расходов жидкой и газообразной фаз, и по полученным во время калибровки зависимостям, частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Недостатком данного способа, принятого за прототип, является то, что при снарядном режиме течения потока газожидкостной смеси зонд периодически попадает в газовый пузырь. При этом отсутствует доплеровская частота. Однако присутствуют шумы, обусловленные шумами электроники и малыми движениями пленок жидкости на поверхности зонда. После спектрального анализа шумового сигнала появляются интервалы времени, когда меняется знак преобладающей частоты и эти изменения не отражают движение жидкости.
Данное явление приводит к увеличению погрешности определения газосодержания и как следствие расходов.
Задачей изобретения является упрощение способа определения расхода жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси при одновременном повышение точности измерения и расширении диапазона измеряемых величин.
Это достигается тем, что в предлагаемом способе одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающем зондирование восходящего потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородностей сигнала, комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, проведение спектрального анализа с определением знака преобладающей частоты, определение частоты сигнала и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, определяют мощность принятого сигнала, сравнивают мощность с пороговой величиной и исключают из определения частоты сигнала и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, те участки сигнала, где мощность менее пороговой, во время калибровки определяют зависимости частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, от расходов жидкой и газообразной фаз, и по полученным во время калибровки зависимостям частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Рассмотрим пример восходящего потока жидкости. Ультразвук отражается от неоднородностей потока, приходит на детектор, который выделяет разностную частоту.
При наличии небольшого количества газа в потоке жидкости реализуется так называемый «пузырьковый» режим течения, при котором газ содержится в небольших пузырьках, всплывающих в жидкости. В таком случае сигнал будет содержать как составляющую, полученную при отражении от неоднородностей в жидкости, так и от поверхности пузырьков газа. Кроме того, пузырьки имеют различный размер и соответственно всплывают с различной скоростью. Обтекание жидкости вокруг пузырьков приводит к увеличению степени турбулентности потока.
В результате всех этих эффектов в некоторые моменты времени локальная часть жидкости движется в обратном направлении, обтекая газовые пузырьки.
При дальнейшем увеличении количества газа формируется так называемый «снарядный» режим течения, при котором отдельные пузырьки газа сливаются в снаряды. При этом газовые снаряды концентрируются к центру измерительного гидроканала, а жидкость по стенкам. Значительные доли времени жидкость движется в обратную сторону, обтекая газовый снаряд. Чем большее количество газа, тем в большей степени будет выражен этот эффект (см. Полянин Л.Н. Дробков В.П. Прикладная гидромеханика восходящих газожидкостных потоков. М. Энергоатомиздат, 2004, рис.1.3, стр.9).
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Газожидкостный поток пропускают через измерительный гидроканал в вертикальном восходящем направлении. При этом при малой доле газа формируется пузырьковый режим течения, а при большой - снарядный.
Производят локальное зондирование газожидкостного потока ультразвуком и приеме отраженного от неоднородностей сигнала. Для осуществления предлагаемого способа необходимо различать направление движения вверх к зонду или вниз от зонда.
Для этой цели применяют комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие.
Одну из этих составляющих рассматривают как действительную компоненту, другую как мнимую составляющие единый комплексный сигнал. После комплексного преобразования Фурье получаем спектр сигнала.
В случае, если отражатель движется вверх к зонду, то частота сигнала до комплексного детектирования будет выше, чем частота зондирующего ультразвука. Соответственно после комплексного детектирования и преобразования Фурье в спектре частота будем иметь положительную величину.
В случае движения вниз - наоборот, отрицательную.
Таким образом, знак преобладающей частоты в спектре указывает на направления движения неоднородностей, что позволяет различить направление движения вверх навстречу к датчику или вниз от него.
Доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение (доли отрицательных частот) несет информацию о количестве газа.
При снарядном режиме зонд периодически попадает в газовый пузырь. Доплеровская частота при этом отсутствует. Однако присутствуют шумы, обусловленные шумами электроники и малыми движениями пленок жидкости на поверхности зонда. В шумовом сигнале появляются интервалы времени, когда случайным образом меняется знак преобладающей частоты и эти изменения не отражают движение жидкости.
Одновременно с этим во время нахождения зонда в газовом пузыре резко падает мощность сигнала. Это падение мощности позволяет определить интервалы времени, когда данные о знаке недостоверны и исключить их из рассмотрения.
Информация о частоте сигнала во время нахождения зонда в газовом пузыре также недостоверна.
Отбраковка сигнала по мощности позволяет исключить недостоверные данные.
Во время калибровки определяют зависимости частоты и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение (доли отрицательных частот) от расходов жидкой и газообразной фаз.
По полученным во время калибровки зависимостям, частоты и доли отрицательных частот определяют расходы жидкой и газообразной фаз. Необходимым условием для возможности определения расходов жидкости и газа является то, что зависимость доли отрицательных частот от расходов жидкости и газа отличалась от зависимости частоты.
На предприятии заявителе был изготовлен многофазный расходомер, в котором были реализованы предлагаемые способы одновременного определения расхода жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси и были получены положительные результаты.