Способ диагностики компонента двухфазной среды
METHOD FOR DIAGNOSING A COMPONENT OF A TWO-PHASE MEDIUM

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.
Известны общие способы выявления компонента из смеси при ее разделении. Для гомогенной смеси - это выпаривание, дистилляция (перегонка), для негомогенной - отстаивание, фильтрование, центрифугирование. При этом компоненты, входящие в состав смесей, сохраняют свои индивидуальные свойства. Эти способы предназначены для лабораторных исследований.
Известны способы определения компонента с помощью различных методов хроматографии - газожидкостной, жидкостной, методом ИК - спектрофотометрии, флуориметрическим методом (www.Nortest.pro - испытательный центр Нортест). Недостатками перечисленных способов является необходимость наличия совершенных приборов и приспособлений к ним, нормотестов и др. без которых невозможно получить достоверную информацию.
Известны способы определения отдельных компонентов, например (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с. 245), в которых при измерения многофазного расхода многокомпонентных веществ с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающих селективными свойствами, выделяются компоненты и их расходы. Недостатками известных решений является наличие разнообразных приборов, большие габариты устройства.
Известен способ диагностики компонента при покомпонентном измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011) принятый за прототип. По известному способу отдельным прибором измеряется содержанием влаги в смеси и отдельным прибором плотность потока, при этом измерение плотности проводят после принудительного перемешивания на смешанной жидкости, накопленной в резервуаре для хранения, и далее отделяют от смешанной жидкости газовую фазу. Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, понижающие достоверность измерения всего потока, большое время разделения фаз.
Техническим результатом изобретения является упрощение определения компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращении измерительных операций.
Технический результат достигается тем, что по способу определения компонента потока двухфазной среды, характеризующегося тем, что для определения принадлежности среды единичного объема к одному из компонентов потока двухфазной среды, в канале компоненты потока среды с предварительно полученными импульсами порций тепловой энергии направляют к датчикам, которые принимают единичный объем массы компонента, образованный площадью датчика и длиной зоны, заряженной в течении времени получения теплового потока, измеряют по амплитуде электрического сигнала импульсную энергию теплового потока в единичном объеме, передают ее вычислительному устройству для определения принадлежности среды единичного объема к одному из компонентов потока двухфазной среды по величине амплитуды сигнала и определения его доли в общей массе потока.
Описание способа определения принадлежности среды единичного объема к одному из компонентов потока выполнено на примере определения покомпонентного расхода двухфазной среды (газ, вода, нефть).
На рисунке показаны электрические импульсы, получаемые от одного из датчиков, определяющие принадлежность импульсов компонентам, т.е. определение принадлежности каждого компонента ведется по величине амплитуды импульсов на каждом датчике.
Принцип работы способа определения принадлежности среды единичного объема к одному из компонентов потока массы компонента газожидкостной среды основан на различной теплоемкости трех компонентов двухфазной среды и состоит в том, что компоненты потока V среды в канале с предварительно полученной импульсной порцией Q тепловой энергии направляют к измерительному сечению с датчиками, которые принимают единичный объем W массы компонента, образованный площадью датчика и длиной зоны, заряженной в течении времени получения теплового потока, измеряют по амплитуде электрического сигнала импульсную порцию Q теплового потока Φ, заключенную в единичном объеме W, передают ее в виде ЭДС вычислительному устройству для диагностики компонента по величине амплитуды сигнала.
Датчики расположены в сечении канала равномерно и имеют непосредственный контакт с компонентами. Все датчики воспринимают только поток Φ тепловой энергии в виде импульсов теплового заряда Q, безразлично от того нефть это, вода или газ, которые поочередно проходят мимо датчиков. При этом должно быть выполнено распределение этих импульсов ЭДС по их принадлежности к конкретным компонентам. При различном поглощении тепловых импульсных порций Q компонентами среды с последующей передачей потоком V поглощенных порций датчикам теплового потока, размещенным в различных точках сечения, способ принадлежности среды единичного объема W к одному из компонентов потока двухфазной среды основан на том, что электрические сигналы ЭДС разной величины от поглощенных порций компонентами передаются вычислительному блоку для установления соответствия массы компонента и определения его природы и физического свойства, по величинам амплитуды электрических сигналов, которые заданы заранее (представлены в цифровой форме на рисунке).
р
1
2
р
3
Для решения этой задачи выполняется вычисление нагретой массы компонента в единичном объеме W. Принимается, что единичный объем равен W=L F и образован площадью F датчика и длиной L зоны массы т, заряженной заранее в течении определенного заданного времени Δt тепловым импульсом в поперечном сечении канала. Единичные объемы W разных компонентов у каждого датчика в момент измерения одинаковые. Массы т в каждом из этих объемов W различные и равны m=ρ W, где ρ - плотность каждого соответствующего компонента в единичном объеме W, при этом теплоемкость будет равна C=cm=cρW, где величины с - удельная теплоемкость и ρ - плотность каждого компонента известны из литературы (удельная теплоемкость с: вода - 4,2; нефть - 2,1; с газ-1,4 КДж/кг*К и плотность ρ: вода - 1009; нефть - 900; газ - 1,29 кг/м). Датчик принимает тепловой поток Φ нагретой массы m компонента и далее в вычислитель передается величина импульсного теплового заряда Q компонента, в преобразованном с коэффициентом К в виде Е - импульса ЭДС, амплитуда которого пропорциональна массе m и удельной теплоемкости с каждого компонента: , где Δt - заданное время подачи импульсного теплового заряда; (Т - Т) - разность температур на датчике до и после приема заряда;   - коэффициент, учитывающий температурный заряд компонента за время Δt; С - теплоемкость единичного объема W; с - удельная теплоемкость; m - масса нагретого компонента в единичном объеме W перед датчиком. Введение элемента «единичный объем W» позволяет выявить принадлежность компонентов по расчетным величинами ЭДС, выраженным для единичного объема в виде произведения удельной теплоемкости с и плотности ρ для каждого компонента, для воды - сρ=4,2*1009, для нефти - сρ=2,1*900, для газа - сρ=1,4*1,29. И затем определить по принадлежности компонентам их суммарные доли в общей массе потока смеси компонентов.
Датчики принимают тепловой поток независимо от природы компонента, только от их свойства теплоемкости. При таком способе определения принадлежности масс в смеси компонентов отсутствуют специальные приемы и датчики воды, газосодержания и др. и решается задача определения массы и расхода компонента с минимальным технопарком средств измерения и вычислительного процесса, не требуются при этом данные по долям плотности и вязкости смеси.