УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДОПЛЕРОВСКИЙ РАСХОДОМЕР МНОГОКОМПОНЕНТНОЙ ЖИДКОСТИ
MULTICOMPONENT FLUID ULTRASONIC DOPPLER FLOWMETER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения дебита нефтяных скважин, в системах учета буровых растворов и стоков, а также для измерения расхода любых других жидкостей с твердыми, жидкими и газообразными включениями, имеющими неоднородную или турбулентную структуру.
Известно устройство для измерения расхода гетерогенной двухфазной газожидкостной среды в трубопроводе, сущность которого заключается в следующем [1]. Поток среды облучают импульсами энергии от источника, расположенного внешней стенке трубопровода. В качестве источника используют либо ультразвуковой преобразователь, либо гамма источник. Регистрацию прошедших через среду импульсов осуществляют при помощи приемника излучения, находящимся на противоположной стороне трубопровода. Приемник соединен с измерительной системой, блоки которой рассчитаны на измерение флюктуации принимаемого сигнала.
Благодаря учтенным в измерительной схеме закономерностям, определяют расход компонентов в зависимости от физических параметров компонентов потока, используя, в частности, метод взаимной корреляции.
Известное устройство обладает существенными недостатками. При использовании в качестве источника энергии ультразвука возникает серьезная проблема, обусловленная значительным поглощением ультразвука гетерогенной средой. Опытным путем показано, что уменьшение амплитуды ультразвука на частоте 3 МГц в двухфазной среде может составлять величину порядка 10000 дБ/м. В известном устройстве излучатель и приемник ультразвука расположены диаметрально на наружной стороне трубы с контролируемым потоком на довольно значительном удалении друг от друга. Дистанция пробега ультразвуковой волны в гетерогенной среде, например, в нефтеводяной эмульсии на выходе нефтяной скважины, часто не превышает нескольких миллиметров. Поэтому в реальных условиях эксплуатации даже принимать излучаемые акустические импульсы не всегда удается.
Альтернативный вариант по применению в качестве источника излучения гамма источника ограничен потенциальной радиационной опасностью, необходимостью охраны и специального обслуживания изотопа.
Кроме того, модель контролируемой среды и разработанные на ее основе расчеты не отражают адекватно динамические процессы, существующие в реальных условиях движения двухфазной среды, особенно в нестационарных режимах. Поэтому это устройство неэффективно при использовании его на практике.
Наиболее близким по технической сущности и по реализации к предлагаемому изобретению является ультразвуковой расходомер неоднородной среды в трубопроводе, описанный в патенте РФ №2126143 G01F 1/74, 1/66, приор. 02.03.98 [2]. Основное отличие данного технического решения заключается в использовании проточной измерительной камеры, находящуюся внутри трубы и погруженную в поток, и пропускающую через себя часть потока. На противоположных стенках камеры, находящихся на относительно небольшом расстоянии друг от друга, напротив друг друга размещены излучатель и приемник ультразвуковых колебаний, соединенные с блоком измерения и вычисления физических параметров, прошедшего через среду ультразвука. Пространство между излучателем и приемником образует т.н. контролируемый объем. При этом скорость движения среды определяют методом взаимной корреляции флюктуаций амплитуды принимаемых ультразвуковых сигналов, для чего в систему измерений дополнительно введена еще одна пара излучатель-приемник, расположенные на стенках камеры по ходу движения потока.
Однако известное устройство, принятое нами за прототип, так же имеет существенные недостатки. Во-первых, определение скорости движения среды методом взаимной корреляции затруднено при нестационарном движении потока, поскольку при этом не удается корректно определять максимум корреляционной функции. Во-вторых, предлагаемая в устройстве конструкция измерительной камеры имеет не обтекаемую форму и создает существенное гидродинамическое возмущение потока. Возникающие паразитные завихрения приводят к его нестационарной турбулизации, что затрудняет проведение измерений. Кроме того, со временем на отдельных элементах камеры могут формироваться твердые отложения (парафины, асфальтены и другие компоненты гетерогенного потока) и блокировать прохождение ультразвука от излучателя к приемнику.
Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства, позволяющего эффективно и достоверно осуществлять измерение расхода неоднородной среды, в том числе, дебита нефтедобывающих скважин.
Поставленная задача решается благодаря устройству, содержащему проточную измерительную камеру, размещенную внутри трубопровода с потоком жидкости и пропускающую через себя часть потока, на противоположных стенках которой напротив друг друга размещены излучатель и приемник ультразвука, соединенные с блоком измерения и вычисления физических параметров и в котором, в соответствии с изобретением, измерительная камера выполнена в виде зонда, введенного в поток внутрь трубопровода, состоящего из двух трубчатых герметизированных стержневых элементов, закрепленных на общей подвеске, расположенных параллельно друг другу на расстоянии от 3 до 15 мм и совместно образующих обтекаемую конфигурацию с возможностью протекания части потока между стержневыми элементами, при этом излучатель и приемник ультразвука установлены внутри первого и второго стержневых элементов друг против друга под углом отличным от нуля, а блок обработки содержит опорный генератор сигнала постоянной частоты, подключенный к излучателю ультразвука, усилитель принятого сигнала, соединенный с приемником ультразвука, при этом выход усилителя подключен к первому входу фазового смесителя сигналов, второй вход которого соединен с опорным генератором, выход смесителя через фильтр низких частот соединен с аналого-цифровым преобразователем, подключенным к блоку вычисления, в том числе, доплеровского сдвига частоты, например, на основе микропроцессора.
Трубчатые стержневые элементы зонда выполнены в сечении овальной формы и совместно образуют канал для протока жидкости в сечении в форме сопла с параллельными стенками, а в качестве излучателя и приемника ультразвука используются пьезоэлементы в форме пластин, закрепленных на внутренней поверхности элементов на клиновидных подложках.
Трубчатые стержневые элементы зонда выполнены так, чтобы в сечении образовывался проточный канал для протока жидкости в сечении в форме сужающегося сопла, ориентированного большим сечением навстречу потоку, а пьезоэлементы закреплены на наклонной поверхности стержневых элементов.
Одним из отличительных признаков изобретения, определяющим иной, по сравнению с прототипом, подход к измерению расхода, является применение погруженной в поток контролируемой жидкости измерительной камеры, формирующей, за счет формы в сечении в виде сопла структурированное организованное однонаправленное движение жидкости в нем. При этом излучатель и приемник ультразвука закреплены на внутренних стенках сопла и не оказывают механического (турбулизирующего) воздействия на поток.
Для решения задачи применен зонд с трубчатыми стержневыми элементами, позволяющими простыми техническими приемами сформировать желательный профиль канала для протекания потока жидкости, при этом пьезоэлементы размещены внутри них, защитив, тем самым, от негативного воздействия среды.
Расстояние между излучателем и приемником (трубчатыми элементами) выбирается в диапазоне от 3 мм до 15 мм. Минимальный размер - 3 мм определяется ограничением, обусловленным возрастанием гидравлического сопротивления потоку. Максимальный - 15 мм для обеспечения гарантированного прохождения ультразвукового сигнала через поток гетерогенной среды и его уверенного приема. Отметим, что эти размеры были определены опытным экспериментальным путем с использованием реальных нефте-водяных эмульсий отечественных месторождений.
Отметим, что крепление стержневых элементов с пьезоэлементами на общей подвеске позволяет сформировать погружаемую в жидкость часть устройства в виде зонда, который без затруднений можно установить в трубопровод любого диаметра, что делает расходомер более универсальным по отношению к прототипу.
В предполагаемом изобретении регистрируется сигнал, отражающийся от двигающихся в потоке жидкости неоднородностей: пузырьков газа, флоккул эмульсии, механических примесей и т.п. Используется опорный генератор непрерывного действия, частота которого выбирается близкой к резонансной частоте излучателя (приемника) ультразвука. Принятый сигнал после усиления поступает на первый вход фазового смесителя. На второй вход смесителя подается сигнал опорного генератора. Отфильтрованный сигнал низкой доплеровской частоты, представляющий собой разность между излученным и принятыми сигналами, поступает на вход аналого-цифрового преобразователя и затем в блок вычисления на основе микропроцессора.
Поскольку в потоке гетерогенной жидкости всегда имеются рассеиватели той или иной природы, а расстояние между излучателем и приемником небольшое, то отраженный сигнал уверенно достигает приемника и сигнал на выходе смесителя присутствует практически всегда, кроме случаев, когда контролируемый объем полностью заполняется газовой фазой. В этом случае, возникающие квазипериодически газовые полости перекрывают сечение трубопровода и прерывают принимаемый сигнал. В такие моменты времени амплитуда принятого сигнала уменьшается до уровня шумов. При этом в те интервалы времени, когда через контролируемый объем протекает жидкость, смеситель вырабатывает разностную частоту, обусловленную эффектом Доплера, что позволяет определять скорость ее движения. По времени перекрытия сечения трубопровода газовыми полостями, когда сигнал на выходе смесителя пропадает, можно определять величину т.н. газового фактора, а именно объемную долю газа в потоке (объемное газосодержание).
Разработчики исследовали эффективность работы устройства в потоке среды, состоящей из гетерогенной жидкости в виде водо-керосиновой эмульсии в смеси с воздухом. Было обнаружено, что предлагаемое техническое решение обеспечивает получение качественного принимаемого сигнала на всех исследованных режимах и позволяет устойчиво определять расход смеси не зависимо от дисперсности эмульсии.
В патентной и научно-технической литературе не обнаружены сведения о заявляемом объекте изобретения с аналогичной совокупностью существенных признаков.
Для иллюстрации практической реализации предлагаемого ультразвукового доплеровского расходомера многокомпонентной жидкости представлен чертеж (Фиг. 1).
Внутри трубопровода 1 в потоке многокомпонентной среды 2 размещена измерительная камера 3, образованная двумя трубчатыми стержневыми элементами 4 и 5. Пространство между элементами представляет собой контролируемый объем. Стержневые элементы закреплены на общей подвеске и образуют собой измерительный зонд 14. Поток среды свободно протекает между ними. Внутри стержневых элементов на клиновидных подложках закреплены пьезоэлементы 6 и 7, являющиеся излучателем и приемником ультразвука. Контролируемый объем среды сосредоточен внутри измерительной камеры 3. Выход опорного генератора 8 соединен с излучателем 6. Выход приемника 5 соединен со смесителем 9 через усилитель 10. Второй вход смесителя соединен с опорным генератором 8. Выход смесителя 9 через фильтр низких частот (ФНЧ) 11 соединен с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 12, подключенным к блоку вычисления 13.
На фиг. 2 показаны варианты исполнения трубчатых стержневых элементов различной формы в сечении.
В виде труб цилиндрической формы (Фиг. 2, а). Образуют канал для протока жидкости в сечении с криволинейными стенками. В качестве излучателя и приемника ультразвука используются пьезоэлементы в форме пластин, закрепленных внутри труб под углом к потоку.
В виде труб овальной формы (Фиг. 2, б). Образуют канал для протока жидкости в сечении в форме сопла с параллельными стенками. Для ввода ультразвука под углом к потоку отличным от 90° пластины пьезоэлементов закреплены на внутренней поверхности трубы на клиновидных подложках.
Выполнены так, чтобы образовывался проточный канал в сечении в форме сужающегося сопла, а пьезоэлементы закреплены на наклонной поверхности стержневых элементов (Фиг. 2, в).
0
1
1
0
Работает устройство следующим образом. Под воздействием сигнала опорного генератора постоянной частоты f 8 излучатель ультразвука 6 формирует акустическую волну в контролируемом объеме измерительной камеры 3, направленную под углом β к оси трубопровода 1. Акустическая энергия отражается от рассеивателей и ее часть попадает на приемник ультразвука 7 (Фиг. 3). Частота принятого сигнала f отличается от опорной на величину доплеровского смещения из-за движения среды относительно излучателя и приемника. Этот сигнал через усилитель 10 поступает на смеситель 9. Смеситель вырабатывает сигнал разностной частоты Δf=(f-f), который после фильтрации от высокочастотных компонент ФНЧ 11 поступает на вход АЦП 12. Частота сигнала на выходе ФНЧ на несколько порядков ниже частоты опорного генератора, поэтому требования к параметрам АЦП не высоки. Сигналы с выхода АЦП обрабатываются в вычислительном блоке 13 по программе «зашитой» в микропроцессоре. В частности, согласно следующему алгоритму. Задается пороговый уровень, разделяющий принятые сигналы на сигналы высокого уровня и сигналы, уровень которых близок к нулю, т.е. шумовые. В те интервалы времени, когда сигнал оказывается выше порогового уровня, принятый сигнал обрабатывается и находится разностная частота Δf. Эта величина пропорциональна скорости движения жидкой фазы. Скорость движения жидкости определяется согласно соотношению:
0
w=2Δf/f с sinβ,
где с - скорость звука в контролируемой жидкости;
Затем определяется доля времени, в течение которого амплитуда принятого сигнала ниже порогового уровня. Фактически эта величина равна доле времени, в течение которого в контролируемом объеме находилась газовая «пробка», т.е. объемному газосодержанию:
0
ϕ=Т/Т,
0
где Т и Т - время, в течение которого амплитуда принятого ультразвукового сигнала ниже порогового уровня, и время измерения, соответственно.
Объемный расход жидкости находится по формуле:
ж
1
Q=(1⋅ϕ)wSk,
1
где k, - корректирующий коэффициент, учитывающий профиль скорости в трубопроводе, торможение потока в контролируемом объеме и другие эффекты, определяется при калибровке прибора;
S - поперечное сечение трубопровода.
Мы можем также определять расход газа в трубопроводе (на горизонтальном измерительном участке проскальзывание газовой фракции отсутствует):
r
2
Q=ϕwSk;
2
где k - корректирующий коэффициент, определяется при калибровке прибора.
Автором был изготовлены и испытаны опытные образцы расходомера, в котором реализовано предлагаемое техническое решение.
В нем проточная измерительная камера изготовлена из стали типа 12Х18Н10Т в виде зонда, состоящего из двух трубчатых герметизированных стержневых элементов, закрепленных на общей подвеске. Стержневые элементы изготовлены из трубы диаметром 10 мм, длиной 60 мм и закреплены в подвеске шаро-ниппельного уплотнения параллельно друг другу на расстоянии 5 мм. Их обтекаемая форма, показанная на рисунке (Фиг. 2, в), сформирована путем пластической деформации трубы. Внутри этих элементов на наклонных поверхностях напротив друг друга припаяны припоем типа ПОС пьезоэлектрические пластины размером 4×2×0,5 из керамики ЦТС-19, служащие излучателем и приемником ультразвука. Рабочая частота - 2МГц. Пьезопластины наклонены по отношению друг к другу под углом около 120 градусов. Зонд установлен в трубе с внутренним диаметром 50 мм.
Блок обработки и измерения сигналов смонтирован во взрыво-защищенном корпусе. В нем используется современные микроэлектронные компоненты и микропроцессор фирмы Atmel.
Испытания приборов были проведены вначале на стенде со средой в виде водо-керосиновой эмульсии с добавление воздуха, а затем на выходе нефтедобывающих скважин в составе установок по добыче нефти на Ново-Елховском нефтяном месторождении в Заинском районе Татарстана.
Показана устойчивая и надежная работа расходомера на всех перечисленных объектах. Таким образом, подтверждена правильность выбранных нами технических решений, представленных в данной заявке.
Источники информации:
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989.
2. Патент РФ №2126143 G01F 1/74, от 2.03.98.