Способ неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе и устройство для его осуществления
METHOD FOR NON-INVASIVE DETERMINATION OF THE VOLUMETRIC FLOW RATE OF LIQUID AND GAS IN A PIPELINE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится, к средствам измерения объемного расхода жидких и газообразных сред и может широко использоваться в измерительной технике в нефтяной и газовой отрасли.
Актуальность группы изобретений заключается в создании нового неинвазивного метода измерения объемного расхода, реализованного в виде накладного расходомера с качественными эксплуатационными характеристиками.
При этом под качественными эксплуатационными характеристиками понимается следующее:
- обеспечение неинвазивного метода измерения объемного расхода без сужения проточного тракта;
- измерения параметров потока по его физическим характеристикам без создания искусственных возмущений;
- возможность измерения расхода жидкости и газа в широких диапазонах;
- возможность переустановки на различные участки трубопровода без остановки процесса;
- широкий диапазон измеряемых расходов.
В настоящий момент существует множество приборов, предназначенных для измерения расхода жидких и газообразных сред, но все они имеют свои достоинства и недостатки. Среди наиболее распространенных расходомеров есть два основных недостатка - это уменьшение проходного сечения канала и необходимость установки в трубопровод путем врезки. Например, мембранные расходомеры перепада давления значительно уменьшают проходное сечение трубопровода, вихревые расходомеры нестабильно работают на низких скоростях, ультразвуковые расходомеры сильно зависят от переотражения акустической волны и калибровки, кориолисовы расходомеры подвержены влиянию вибраций и т.д. Все эти факторы влекут за собой экономические потери и снижение безопасности.
Современные тенденции в приборостроении направлены на энергоэффективность и снижение затрат. В настоящее время широкое распространение получили неинвазивные методы измерения расхода жидких и газообразных сред в трубопроводах. Это является следующим витком в развитии средств измерения. Одним из таких устройств является накладной частотно-волновой расходомер, определяющий расход по пульсациям давления турбулентных вихрей в потоке.
Устройство предназначено для измерения объемного расхода жидких, газообразных и многофазных сред, протекающих в трубопроводе, с возможностью переустановки на различные участки трубопровода без остановки процесса. Это позволяет значительно сэкономить ресурсы, повысить безопасность системы, так как не нужно работать с высоким давлением, и повысить качество производства, поскольку нет потерь продукта. Он имеет ряд преимуществ в сравнении с накладными ультразвуковыми расходомерами, поскольку не требует калибровки при установке на трубопровод, измеряет физический параметр, создаваемый потоком, не зависит от скорости звука в потоке и трубопроводе, отсутствуют переотражения излучаемой волны.
Предлагаемый метод измерения базируется на гипотезе о «замороженности турбулентности» Тейлора, которая гласит, что если величина пульсационной скорости u’(t) намного меньше скорости потока U, то пространственные параметры турбулентности x можно определить по временным t (I) значениям.
c
Другими словами скорость конвекции турбулентных вихрей U не зависит от пульсационной составляющей u’(t) и равна средней скорости потока. Таким образом, зная частоту пульсаций вихря - ƒ и волновое число - k можно определить скорость конвекции (II).
В качестве источника сигнала используются вихри, движущиеся в пограничном слое или вблизи него, в турбулентном потоке, которые можно определить как мгновенное значение давления (III):
га
ак
др
где Р(х) - статическое давление, p(x,t) - центрированная функция описывающая случайные по пространству и времени пульсации давления, которая в свою очередь может быть представлена в виде суммы (IV) гидродинамической p(x,t), акустической p(x,t) и остальных составляющих пульсационного давления p(x,t).
гд
Согласно гипотезе Дж. Тейлора, полезным источником сигнала является гидродинамическая составляющая p(x,t) пульсирующего давления, поскольку конвекция вихрей происходит именно в этой области сигнала. Однако просто считывать сигнал в точке недостаточно, поскольку для вычисления скорости конвекции необходимо определить параметры конвертирующего вихря, такие как частота пульсаций вихря - ƒ и его волновое число - k. Для этого применяется пространственная спектральная обработка с корреляционной функцией.
Наиболее близкими по технической сущности к заявляемым являются технические решения, представленные в п. США №8346491 по кл. G01F 1/00,1/20, 7/00, 22/00, з. 22.02.2008 г., оп. 01.01.2013 г. «Ультразвуковой измеритель потока для обеспечения идентификации продукта» и выбранные в качестве прототипов.
В известном патенте представлены 2 варианта способа измерения и два варианта реализующих их устройств.
Из двух вариантов наиболее близкими к заявляемым являются технические решения, представленные в первом варианте и характеризующиеся следующими формулами (перевод приведен в приложении к заявке):
1-ый вариант
1. Устройство для идентификации одного или более жидких продуктов, текущих внутри трубы, включающее:
- измеритель потока, имеющий множество сенсоров, способных обнаруживать вихревые возмущения течения с жидкими продуктами и акустические волны, распространяющиеся сквозь поток продуктов, и создавать сигналы, индицирующие вихревые возмущения и акустические волны, и смонтированный на трубе и;
- узел обработки, способный определять скорость звука и объемный расход одного или более жидких продуктов, использующий сигналы от измерителя потока, в котором узел обработки включает базу данных, имеющую данные о скорости звука для заранее определенной группы продуктов и в котором следующий узел обработки способен идентифицировать тип каждого продукта внутри трубы, дающий температуру и величину давления продукта внутри трубы.
2. Устройство по п. 1, в котором база данных содержит данные о скорости звука как функции температуры и величины давления продуктов внутри трубы.
3. Устройство по п. 2., в которых база данных является таблицей.
4. Устройство по п. 1, в котором узел обработки способен определить объемный расход определением скорости конвекции вихревых возмущений внутри потока одного или более жидких продуктов и в котором скорость конвекции определяется характеризацией конвекции гребня (выступа), представляющего вихревые возмущения внутри трубы.
5. Устройство по п. 1, в котором узел обработки способен определить объемный расход определением скорости конвекции вихревых возмущений внутри потока одного или более жидких продуктов, и в котором скорость конвекции определяется кросс-коррелированием вместо изменений давления.
(пп.6-11 по устройству относятся ко 2-ому варианту)
12. Способ идентификации одного или более продуктов потока жидкости, текущего внутри трубы, включающий:
- обеспечение измерителем потока, имеющего множество сенсоров, способных обнаруживать вихревые возмущения течения с жидкими продуктами и акустические волны, распространяющиеся сквозь поток продуктов, и узлом обработки, имеющим базу данных, содержащую данные о скорости звука для заранее определенной группы продуктов., как функцию температуры и давления;
- определение скорости звука для каждого из одного или более жидких продуктов, используя κ-ω кривую, основываясь на первых сигналах из измерителя потока, представленных акустическими волнами, распространяющимися через поток;
- определение скорости конвекции вихревых возмущений внутри потока, основываясь на вторых сигналах из измерителя потока, представленных вихревыми возмущениями с одного или более жидких продуктов;
- идентификацию типа каждого продукта, используя определенную скорость звука для данной температуры и величины давления продуктов внутри трубы.
13. Способ по п. 12, далее содержащий шаг определения объемного расхода одного или более продуктов внутри трубы.
14. Способ по п. 13, в котором базой данных является справочная таблица.
15. Способ по п. 12, в котором скорость конвенции вихревых возмущений внутри потока определена с использованием кривой (графика) к-ω.
16. Способ по п. 12, в котором скорость конвенции определяется кросс-корреляцией вместо вариаций давления.
Из формулы известных устройства и способа видно следующее:
1) в качестве источника полезного сигнала в них используются:
- сигналы, полученные от вихревых возмущений, для определения объемного расхода;
- сигналы, полученные от акустических волн, для различения и идентификации состава многофазного потока.
2) при этом объемный расход измеряется определением скорости вихревых возмущений внутри потока либо характеризацией конвекционного гребня (выступа), представляющего вихревые возмущения внутри трубы или кросс-коррелированием вместо изменений давления.
Более конкретно с учетом чертежей и описания можно сказать следующее. Известное устройство содержит набор тензометрических сенсоров, установленных на трубопровод последовательно, через определенное расстояние. Каждая пара сенсоров соединена сумматором и является пространственным (волновым) фильтром, который убирает длинноволновые акустические составляющие пульсаций давления турбулентных вихрей. Полученный отфильтрованный сигнал поступает на полосовой (частотный) фильтр, который обрезает высокочастотную составляющую сигнала. Тем самым остается часть сигнала, содержащая в себе параметры пульсаций турбулентных вихрей в конвективной области частотно-волнового спектра, которая поступает в модуль корреляционной обработки, где сопоставляются данные между двумя обработанными сигналами, и вычисляется временная задержка, которая соответствует времени прохождения конвертирующего вихря в потоке. Поскольку расстояние между пространственными фильтрами известно заранее, возможно вычислить скорость конвекции вихря в пограничном слое. С помощью передаточного коэффициента скорость переноса вихря пересчитывается в скорость потока. Умножив скорость на площадь сечения трубопровода, получаем объемный расход.
Данное устройство имеет ряд недостатков: узкий диапазон работы пространственной фильтрации, поскольку расстояние между сенсорами жестко определено при том, что вихри, перемещаемые потоком, имеют различный масштаб, а соответственно, различные частоту пульсаций и волновое число.
Основной проблемой известного способа является низкая точность измерения, поскольку вычисляется скорость конвекции вихря для конкретного волнового числа и частоты, а этого недостаточно для точного определения скорости конвекции.
Также в указанном патенте №8346491 говорится о применении частотно-волнового метода измерения скорости конвекции вихрей, который определяет фронт конвективного максимума (гребня) в заданном диапазоне частот и волновых чисел. Для этого применяется сбор данных за определенный промежуток времени и быстрое преобразование Фурье (FFT), после чего данные поступают в «Узел обработки массива». На выходе из «Узла обработки массива» получается частотно-волновой спектр или к-ω график.
Основной проблемой известного способа является низкая точность определения конвективного фронта при обработке сигнала, для ее повышения применяется оптимизационная функция. Тем не менее, есть риск получить значения, не соответствующие конвективной области вихревого поля. В описании изобретения не указывается, каким образом удается выделить именно гидродинамическую составляющую пульсаций давления для последующей частотно-волновой обработки, есть только упоминание о предварительном быстром преобразовании Фурье. В итоге результаты измерений не будут соответствовать истинной средней скорости потока.
Кроме того, в рассматриваемом известном патенте эти методы представлены в составе системы для измерения расхода многофазных потоков с разделением фаз, а отдельно для измерения объемного расхода однофазного потока без применения датчиков давления и температуры данных нет.
При этом способ определения объемного расхода является весьма сложным за счет использования быстрого преобразования Фурье, необходимости обработки акустических сигналов, а само устройство также весьма сложно, т.к. требует использования акустических сенсоров давления, базы данных о скорости звука в зависимости от температуры и давления.
Задачей является повышение точности определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе при упрощении используемых для этого технических средств.
Поставленная задача решается тем, что:
- в способе неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе, заключающемся в том, что на наружной поверхности трубы устанавливают последовательно набор сенсоров, способных обнаруживать вихревые возмущения в потоке и создавать сигналы о них, которые затем фильтруют, вначале убирая длинноволновые акустические составляющие пульсаций давления турбулентных вихрей, затем отфильтровывая высокочастотную составляющую сигнала, в качестве полезного сигнала используют выделенную из турбулентных вихрей гидродинамическую составляющую пульсирующего давления, которую затем подвергают обработке и определяют скорость конвекции вихревых возмущений внутри потока с использованием графика k-ƒ, далее по скорости конвекции вихревых возмущений рассчитывают объемный расход жидкости, согласно изобретению, в качестве сенсоров используют сенсоры упругих деформаций, выполненные с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, снятые с сенсоров сигналы усиливают перед фильтрацией, после пространственной фильтрации сигнал подвергается частотной фильтрации, после чего отфильтрованый сигнал, содержащий значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, подвергают частотно-волновой обработке в k-ƒ модуле.
При этом в способе после фильтрации сигнал могут подвергать двумерной корреляционной обработке по времени и пространству, сопоставляя данные между первым и последующими обработанными сигналами и вычисляя время задержки между ними:
1
2
где W - двумерная корреляционная функция между первым сигналом и последующими, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, р - сигнал в первом фильтре, р - сигнал в последующих фильтрах, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, q=1, 2, …, N-1, x - расстояние между сенсорами, t - время.
Затем выполняют двумерную частотно-волновую обработку по зависимости (VI):
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота.
Кроме того, в способе после фильтрации сигнал могут подвергать частотно-волновой обработке по зависимости:
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, p - набор сигналов (двумерная матрица) с сенсоров после фильтрации, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, x - расстояние между сенсорами, t - время.
- в устройстве для неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе, включающем измеритель потока, имеющий набор установленных на наружной стороне трубопровода сенсоров на равном расстоянии, способных обнаруживать вихревые возмущения течения через твердую стенку с жидкими продуктами и создавать индицирующие их сигналы, связанный с измерителем потока узел обработки, содержащий элементы фильтрации сигналов, и связанный с модулем k-ƒ обработки отфильтрованных сигналов, соединенным с вычислителем расхода, согласно изобретению, в качестве сенсоров использованы сенсоры упругих деформаций, выполненные с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, соединенные выходами с усилителями сигнала, соединенными с входами узла обработки.
При этом в устройстве выходы каждой пары соседних сенсоров могут быть соединены со входами двух усилителей сигналов, подключенных к входам сумматора с образованием указанной сборкой первичного волнового (пространственного) фильтра, выход каждого из которых через полосовой частотный фильтр подсоединен к модулю обработки.
Кроме того, в устройстве сенсоры упругих деформаций могут быть выполнены с заранее заданной частотно-волновой полосой пропускания сигнала, настроенной на детектирование пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, а их выходы подключены к входам модуля k-ƒ обработки отфильтрованных сигналов.
А также в устройстве k-ƒ модуль может содержать блоки обработки отфильтрованного сигнала, при этом первый блок служит для выполнения корреляционной обработки сигнала, второй - для частотно-волновой обработки, при которой определяется скорость конвекции турбулентных вихрей в потоке, а третий блок предназначен для вычисления объемного расхода при помощи передаточного коэффициента.
Кроме того, в устройстве k-ƒ модуль может содержать блоки обработки отфильтрованного сигнала, при этом первый блок служит для выполнения частотно-волновой обработки, при которой определяется скорость конвекции турбулентных вихрей в потоке, а второй блок предназначен для вычисления объемного расхода при помощи передаточного коэффициента.
Применение в заявляемом способе для обнаружения вихревых возмущений в потоке и создания сигналов о них сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, в совокупности с усилением снятых с сенсоров сигналов перед фильтрацией, и частотно-волновой обработкой в k-ƒ модуле отфильтрованных сигналов, содержащих значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, позволяет повысить точность определения скорости конвенции, а следовательно, и определения объемного расхода при весьма простой методике обработки.
В заявляемом устройстве использование в качестве сенсоров в измерителе потока сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, соединенных выходами с усилителями сигнала, связанными с входами узла обработки, обеспечивает в совокупности повышение точности определения скорости конвекции, а следовательно и определения объемного расхода при весьма простой его схеме.
Технический результат - повышение точности определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе при упрощении используемых для этого средств.
Заявляемые способ и устройство для неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе обладают новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как:
- в способе: применение сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, усиление снятых с сенсоров сигналов перед фильтрацией, частотно-волновая обработка в k-ƒ модуле после фильтрации сигналов, содержащих значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата;
- в устройстве: использование в качестве сенсоров в измерителе потока сенсоров упругих деформаций, выполненных с возможностью перестраивания их на фильтрацию волн различной длины, соединенных выходами с усилителями сигнала, соединенными с входами узла обработки, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Хотя сами по себе, такие операции как, пространственная и полосовая фильтрации, частотно-волновая обработка известны в науке и данной области техники, и реализующие их элементы устройств, однако их совместное использование в измерении объемного расхода с повышением точности этого измерения и упрощения средств реализации заявителю неизвестны, поэтому он считает, что заявляемые технические решения соответствуют критерию «изобретательский уровень».
Заявляемые способ и устройство для определения объемного расхода потока жидкости и газа в трубопроводе могут найти широкое применение в измерительной технике в нефтегазовой промышленности и потому соответствуют критерию «промышленная применимость».
Изобретения иллюстрируются чертежами, где представлены на:
- фиг. 1 - принципиальная схема работы устройства на основе частотно-волнового метода определения скорости конвекции вихрей;
- фиг. 2 - частотно-волновой спектр с применением предварительной корреляции;
- фиг. 3 - частотно-волновой спектр без применения предварительной корреляции;
фиг. 4 - принципиальная схема работы устройства на основе частотно-волнового метода определения скорости конвекции вихрей.
Заявляемый способ для неинвазивного определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе заключается в следующем.
На наружной поверхности трубы устанавливают последовательно набор сенсоров упругих деформаций, способных обнаруживать вихревые возмущения в потоке и создавать сигналы о них, выполненных с возможностью перестраивания их на пространственную фильтрацию волн различной длины. При этом в качестве полезного сигнала используют выделенную из турбулентных вихрей гидродинамическую составляющую пульсирующего давления. Эти сигналы усиливают, затем фильтруют, вначале убирая длинноволновые акустические составляющие пульсаций давления турбулентных вихрей, затем отфильтровывая высокочастотную составляющую сигнала. Оставшуюся часть сигнала, содержащего значения пульсаций давления турбулентных вихрей в конвективной области, подвергают частотно-волновой обработке с использованием кривой k-ƒ. Затем определяют скорость конвекции вихревых возмущений внутри потока и далее по скорости конвекции вихревых возмущений рассчитывают объемный расход жидкости.
При этом после фильтрации сигнал могут подвергать двумерной корреляционной обработке с последующей двумерной частотно-волновой обработкой по вышеприведенным в формулах V, VI зависимостям или только частотно-волновой обработке по зависимости VII.
Устройство для определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе выполнено следующим образом (Фиг. 1).
гд
На наружной стенке 1 трубопровода для регистрации пульсаций давления вихрей 2 в потоке внутри трубы установлены сенсоры 3 упругих деформаций, например, пьезопленочный, оптический с решеткой Брега, пьезокерамический и др. Выходы сенсоров 3 соединены с помощью кабеля 4 со входами усилителей 5. Выходы усилителей 5 с помощью кабелей 6 связаны с входами сумматоров 7, принимающих сигналы с пары таких сенсоров 3. Вся эта сборка 8 представляет собой первичный волновой (пространственный) фильтр, который убирает длинноволновую составляющую сигнала. Отфильтрованный сигнал из волнового (пространственного) фильтра 8 поступает по кабелю 9 на полосовой (частотный) фильтр 10, где обрезается высокочастотная часть спектра, содержащая акустические составляющие сигнала. В результате на выходе фильтра 10 сигнал содержит значения пульсаций давления турбулентных вихрей p(x,t) в конвективной области, которые по кабелю 11 передаются в модуль 12 частотно-волновой обработки сигнала k-ƒ модуля 12, в котором имеется элемент памяти 14, где хранится кривая k-ƒ. Данные с остальных фильтров 10 также передаются по кабелям 11 в k-ƒ модуль 12, который может быть реализован в двух вариациях: с блоком 13 корреляционной обработкой или без него 15.
Более конкретно обработка производится следующим образом В первом случае в блоке 13 выполняется корреляционная обработка сигнала по времени и пространству по формуле (V), после чего выполняется двумерная частотно-волновая обработка по зависимости (VI) в блоке 14:
1
2
где W - двумерная корреляционная функция между первым сигналом и последующими, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, р - сигнал в первом фильтре, р - сигнал в последующих фильтрах, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, q=1, 2, …, N-1, x - расстояние между сенсорами, t - время.
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота.
Во втором случае в блоке 15 достаточно частотно-волновой обработки по зависимости (VII).
где S - частотно-волновой спектр, k - волновое число, ƒ - частота, N - количество отсчетов, Μ - количество сенсоров, p - набор сигналов (двумерная матрица) с сенсоров после фильтрации, n - строки, m - столбцы, τ - временная сдвижка сигнала, x - расстояние между сенсорами, t - время.
c
По результатам обработки строятся двумерные графики частотно-волновых спектров: для блока 13 с корреляцией представлен на фиг. 2, для блока 15 без корреляции представлен на фигуре 3. Как видно из результатов фронт конвективных максимумов 18 соответствует скорости потока ~5 м/с, которая была задана на входе в трубопровод. Каждая точка, лежащая на вершине фронта, определяет скорость конвекции вихря своего масштаба. Тем самым можно определить скорость конвекции вихревого поля в потоке, а не отдельной волны. Для этого выполняется линейная аппроксимация значений фронта конвективных максимумов и определяется угол наклона φ линии фронта 18, значения которого передаются по кабелю 16 в модуль 17, где можно вычислить скорость конвекции вихрей U. Зная скорость конвекции, возможно вычислить среднюю скорость потока через передаточный коэффициент γ, а по средней скорости вычислить объемный расход Q (VIII).
Возможен альтернативный вариант реализации изобретения (фиг. 4). Если применять сенсоры 19 с заранее заданной частотно-волновой полосой пропускания сигнала, настроенной на детектирование пульсаций давления турбулентных вихрей 2 в конвективной области фильтрация с помощью волнового 8 и полосового фильтров 10 не потребуется и сигналы с сенсоров 19, по проводам 20 передаются в усилители 21, а усиленный сигнал по проводам 22 в k-ƒ модуль 12.
В сравнении с прототипами заявляемые средства определения объемного расхода жидкости и газа в трубопроводе обеспечивают более точное определение объемного расхода и являются более простыми.