СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗ ПОТОКА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF SIMULTANEOUS DEFINITION OF FLOW RATES OF GAS MIX FLUID AND GAS FLOW PHASES (VERSIONS)

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 одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси (патент RU №2425332 С1, п.1, G01F 1/74, G01F 1/66, 04.05.2009 г.), заключающийся в зондировании восходящего потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородностей сигнала, детектирование принятого сигнала для определения разностной частоты принятого и зондирующего сигнала, одновременно с разностной частотой сигнала фиксируют ширину спектра сигнала, во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и ширины спектра сигнала от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям разностной частоты и ширины спектра сигнала определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Недостатком этого способа является следующее: в сигнале присутствует доплеровская частота, а также составляющая, вызванная модуляцией сигнала неоднородностями среды главным образом газовыми включениями. При определении частоты обе эти составляющие неразличимы. При определении ширины спектра учитывается одновременно две эти составляющие, что приводит к увеличению погрешности.
Также известен способ одновременного определения расхода жидкости и газа (заявка на изобретение RU №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, прием 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 этого способа является следующее: в сигнале присутствует доплеровская частота, а также составляющая, вызванная модуляцией сигнала неоднородностями среды, главным образом газовыми включениями. При определении частоты обе эти составляющие неразличимы, что приводит к увеличению погрешности.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси (патент RU №2425332 С1, п.2, G01F 1/74, G01F 1/66, 04.05.2009 г.), включающий зондирование восходящего потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородностей сигнала, комплексное детектирование принятого сигнала для определения разностной частоты принятого и зондирующего сигнала, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, спектральный анализ с определением знака преобладающей частоты, одновременно с разностной частотой сигнала определяют уровни сигнала, когда преобладающая разностная частота принимает положительное и отрицательное значения, во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и отношение уровней сигнала от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям разностной частоты и отношения уровней сигнала определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Рассмотрим недостатки способа, принятого за прототип.
В данном способе предполагается, что знак доплеровской частоты отражает направление движения рассеивателей. Положительная частота соответствует движению вверх к зонду, а отрицательная - вниз.
Во время нахождения зонда в зоне с мелкодисперсной средой с большим количеством мелких газовых пузырей доплеровская составляющая частоты практически подавлена сигналом, вызванным модуляцией газовыми включениями. Такой сигнал имеет широкий спектр и среднюю частоту, равную нулю. Однако в отдельные моменты времени из-за случайного характера сигнала средняя частота будет принимать либо положительный, либо отрицательный знак. Таким образом, главным недостатком способа, принятого за прототип, является то, что знак частоты плохо будет отражать направление движения смеси.
Данное явление приведет к погрешностям при определении отношения уровней сигнала, когда преобладающая разностная частота принимает положительное и отрицательное значения, что приведет к ошибке определения расходов.
Задачей изобретения является повышение точности измерения и расширении диапазона измеряемых величин.
Это достигается тем, что в предлагаемом способе одновременного определения расходов жидкости и газа, включающем зондирование 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 и получение спектра мощности сигнала, определение средней частоты спектра сигнала, при этом определяют разностный спектр как разницу между положительными частотными составляющими и соответствующими отрицательными частотными составляющими спектра, определяют среднюю частоту разностного спектра, во время калибровки определяют зависимости частоты спектра сигнала и частоты разностного спектра от расходов жидкой и газообразной фаз, и по полученным во время калибровки зависимостям частоты спектра сигнала и частоты разностного спектра определяют расходы жидкой и газовой фаз.
В другом варианте осуществления способа одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающего зондирование 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 и получение спектра мощности сигнала, при котором определяют ширину спектра сигнала, определяют разностный спектр как разницу между положительными частотными составляющими и отрицательными частотными составляющими спектра, определяют среднюю частоту разностного спектра, во время калибровки определяют зависимости ширины спектра сигнала и частоты разностного спектра от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям ширины спектра сигнала и частоты разностного спектра определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Предложен также вариант осуществления способа одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающий зондирование 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 и получение спектра мощности сигнала, при этом определяют разностный спектр как разницу между положительными частотными составляющими и соответствующими отрицательными частотными составляющими спектра, определяют среднюю частоту разностного спектра, определяют симметричную относительно нулевой частоты составляющую спектра, определяют среднюю частоту симметричной относительно нулевой частоты составляющей спектра, во время калибровки определяют зависимости частоты разностного спектра и частоты симметричной составляющей спектра от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям частоты разностного спектра и частоты симметричной составляющей спектра определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Еще один вариант осуществления способа одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающий зондирование 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 и получение спектра мощности сигнала, в котором определяют разностный спектр как разницу между положительными частотными составляющими и соответствующими отрицательными частотными составляющими спектра, определяют среднюю частоту разностного спектра, определяют симметричную относительно нулевой частоты составляющую спектра, определяют мощности разностного спектра и симметричной относительно нулевой частоты составляющей спектра, определяют отношение мощностей разностного спектра и симметричной относительно нулевой частоты составляющей спектра (отношения мощностей), во время калибровки определяют зависимости частоты разностного спектра и отношения мощностей от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям отношения мощностей и частоты разностного спектра определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Вариантом реализации является способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающий 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 и получение спектра мощности сигнала, определение знака преобладающей частоты, определение доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, при котором определяют разностный спектр как разницу между положительными частотными составляющими и соответствующими отрицательными частотными составляющими спектра, при этом определяют среднюю частоту разностного спектра, во время калибровки определяют зависимости частоты разностного спектра и доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям доли времени, когда преобладающая частота принимает отрицательное значение, и частоты разностного спектра определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Также может быть использован вариант реализации способа одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающий зондирование 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 и получение спектра мощности сигнала, использование отдельного датчика, измеряющего газосодержание, в котором определяют разностный спектр как разницу между положительными частотными составляющими и соответствующими отрицательными частотными составляющими спектра, определяют среднюю частоту разностного спектра, во время калибровки определяют зависимости частоты разностного спектра и газосодержания от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям газосодержания и частоты разностного спектра определяют расходы жидкой и газовой фаз.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 представлен спектр реального сигнала, полученный при газожидкостной смеси. Видна симметричная относительно нулевой частоты составляющая и несимметричная составляющая, имеющая максимум в районе 5 кГц.
На фиг.2 представлен спектр сигнала, полученный при том же расходе газа, но большем расходе жидкости.
Способ осуществляют следующим образом.
Рассмотрим пример зондирования потока жидкости непрерывным ультразвуковым сигналом.
Ультразвук отражается от неоднородностей потока, приходит на комплексный детектор, который выделяет разностную частоту. Выход комплексного детектора содержит две компоненты: синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие. Используем эти компоненты как единый комплексный сигнал: синфазную как действительную компоненту комплексного числа, а квадратурную как мнимую.
После преобразования Фурье представим спектр в диапазоне от минус половина частоты дискретизации до плюс половина частоты дискретизации.
Спектр доплеровского сигнала несимметричен относительно нулевой частоты, так как он содержит смещенную частоту.
В сигнале присутствуют составляющие, вызванные модуляцией сигнала газовыми пузырьками. Спектр этих составляющих симметричен относительно нулевой частоты.
Признак симметричность - несимметричность спектров позволяет разделить природу сигнала по происхождению.
Рассмотрим эти две компоненты по отдельности.
Для начала рассмотрим несимметричную составляющую спектра.
Несимметричная составляющую спектра несет информацию о скорости движения смеси.
Несимметричную составляющую определяют как разностный спектр между положительными частотными составляющими и соответствующими отрицательными частотными составляющими. Доплеровская частота определяется как средняя частота разностного спектра либо как центр тяжести спектра, определенный через моменты отношение первого момента к нулевому.
Использование разностного спектра для определения доплеровской частоты дает несколько преимуществ:
Уменьшение влияния структуры газовых включений на определение скорости.
Данный способ позволяет исключить влияние помех, так как помехи имеют симметричный спектр.
Для оценки газосодержания возможно либо анализировать весь спектр до разделения на симметричную и несимметричную составляющие, либо только симметричную составляющую спектра.
Вначале рассмотрим использование всего спектра для оценки газосодержания.
Возможны два критерия для оценки газосодержания:
1) среднюю частоту спектра сигнала;
2) ширину спектра сигнала.
При отсутствии доплеровской частоты средняя частота будет равна нулю, так как будет присутствовать только симметричная относительно нуля компонента спектра. В присутствии доплеровской частоты зависимости средней частоты от расходов жидкости и газа отличаются от зависимостей разностной частоты, которая характеризует скорость движения среды. Это различие позволяет найти расходы жидкости и газа.
То же самое касается зависимости ширины спектра. Кроме того, при увеличении газосодержания увеличивается ширина симметричной составляющей, также увеличивается ширина доплеровской составляющей.
Далее рассмотрим симметричную составляющую спектра. Симметричная составляющая несет информацию о газосодержании.
Еще два критерия для оценки газосодержания используя симметричную часть спектра:
3) Величина частоты симметричной части спектра;
4) Мощность симметричной части спектра.
При увеличении газосодержания все эти параметра увеличиваются.
Поскольку мощность зависит не только от газосодержания, но также от большого количества трудноконтролируемых величин, как то акустическое согласование сред и т.д., практически целесообразнее использовать отношение мощностей разностного спектра и симметричной относительно нулевой частоты составляющей спектра (отношения мощностей).
Кроме симметричной части спектра для оценки газосодержания возможно использование других критериев:
5) Возможен вариант осуществления способа с использованием доли отрицательных частот, возникновение которых обусловлено инверсией направления потока при наличии газа.
Для осуществления данного варианта существенным признаком является то, что поток несепарированной газожидкостной смеси восходящий. Иначе не сформируется пузырьковый либо снарядный режим течения и не будет интервалов времени, когда жидкость движется вниз. Для осуществления остальных вариантов предлагаемого способа направление потока не является существенным признаком.
При осуществлении предлагаемого варианта способа необходимо различать направление движения среды вверх к зонду или вниз от зонда.
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), несут информацию о количестве газа.
6) Также возможен вариант с использованием конструктивно обособленного специального датчика газосодержания.
В некоторых режимах течения данный подход может дать лучший результат, чем выделение информации о газосодержании из сигнала доплеровского датчика.
Также возможна комбинация этих вышеперечисленных вариантов способа. Возможно три подхода к комбинированию вариантов способа:
A) Ввести промежуточный параметр, который является средней величиной с какими-то весовыми коэффициентами вышеупомянутых критериев для оценки газосодержания. Весовые коэффициенты выбираем путем экспериментального исследования и нахождения комбинации, которая дает лучшую точность. Из калибровочных характеристик для каждого из вышеупомянутых критериев определяют калибровочную характеристику для промежуточного параметра и по ней находят расходы жидкости и газа.
Б) Используя каждый из отдельных критериев совместно с частотой, находим расходы жидкости и газа, а потом с использованием весовых коэффициентов их усредняем. Коэффициенты находим экспериментально. Коэффициенты могут быть разные в разных режимах течения при различных сочетаниях расходов жидкости и газа. Данный подход позволяет оптимально выбрать различную комбинацию критериев при различных режимах течения.
B) Комбинация подходов А) и Б). Сначала находим несколько различных промежуточных параметров, используя коэффициенты, не зависящие от расходов жидкости и газа. Потом полученные расходы усредняем с использованием коэффициентов, зависящих от расходов. Для выбора, который из подходов дает лучшие результаты, проводим экспериментальное исследование.
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.