Описание макета автоматизированной системы измерения покомпонентного состава нефтегазоводяной смеси в трубопроводе

Самым главным преимуществом предложенного метода является то, что он позволяет измерять плотности и концентрации нефти, свободного газа и воды гетерогенного нефтегазоводяного потока. При этом ожидаемая абсолютная погрешность измерения плотности не должна превысить в данном

случае 0,001 г/см3, относительная погрешность по концентрации воды - ¿ 5% , газа - i 0.2%

Литература

1. Изотов В. В. Эффект Комптона: Методическое пособие к лабораторным работам по атомной и ядерной физике / В. В. Изотов, О. А. Аникеенок, А. Г. Дыганов - Зеленодольск: изд-во ЗФ КГУ , 2007.-18 с.

2. Беспалов В. И. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом: учеб. пособие для вузов. -Томск: Изд-во ТПУ, 2008. - 370 с.

Description of the layout of the automated system for measuring gas-oil-water mix component in pipeline Poplavsky D.1, Voytyuk I.2

1 Попшвский Дмитрий Валерьевич /Poplavsky Dmitry - студент, электромеханический факультет; 2Войтюк Ирина Николаевна / VoytyukIrina - кандидат технических наук, ассистент, кафедра общей электротехники, Санкт-Петербургский горный университет, г. Санкт-Петербург

Аннотация: статья посвящена разработке и исследованию макета автоматизированной измерительной системы на базе радиоизотопного способа измерений для реализации бесконтактного метода измерения покомпонентного состава нефтегазоводяной смеси, выяснения стабильности работы первичных измерительных преобразователей, диапазона и погрешности измерений плотностей нефти, газа и воды, а также их концентраций в составе гетерогенного потока в трубопроводе, чувствительности к изменению химического состава контролируемых веществ. Abstract: the article is devoted to the development and research of the layout of the automated measuring systems based on radioisotope method of measurement for the implementation of the non-contact method of measuring the exploded structure gas-oil-water mix, determine the stability of the transducers, range measurement error density of oil, gas and water, as well as their concentration in the heterogeneous flow in the pipeline, the sensitivity to changes in the chemical composition of controlled substances.

Ключевые слова: трубопровод, блок гамма-излучения, блок детектирования, микроконтроллер, погрешности измерений.

Keywords: pipeline, gamma radiation unit, detector block, microcontroller, measurement error.

Свободный газ, свободная вода и механические примеси образуют погрешность при коммерческом учете нефти, чтобы избежать экономических потерь, необходимо как можно более точно измерять все компоненты нефтяных потоков. Для реализации бесконтактного метода измерения покомпонентного состава нефтегазоводяной смеси необходимо разработать и исследовать макет автоматизированной измерительной системы на базе радиоизотопного способа измерений. Конструкция предлагаемой системы представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Идея конструкции измерительного первичного преобразователя

Главными составными частями автоматизированной измерительной системы на базе радиоизотопного способа измерений являются: блок гамма-излучения (БГИ), трубопровод, блок детектирования (БД) и блок регистрации, преобразования и передачи измерительной информации. Блок гамма-излучения вместе с блоком детектирования образуют первичный преобразователь. Вторичным преобразователем служит блок регистрации, преобразования и передачи измерительной информации.

Блок гамма-излучения БГИ входит в состав первичного преобразователя РИИС и предназначен для формирования пучка излучения от закрытого радионуклиидного источника гамма-излучения в вертикальном направлении и защиты обслуживающего персонала от воздействия ионизирующего излучения при работе изделия. Блок гамма-излучения представляет собой защитное коллимирующее устройство, с помощью которого формируется заданная ширина пучка излучения. Источник гамма-излучения, как правило, радионуклид Сs-137 с энергией излучения 661 кэВ. Блок БГИ в рабочем (открытом) состоянии формирует узкий пучок гамма-излучения, который «просвечивает» измерительный участок ленточного конвейера по поперечному сечению. При прохождении гамма-излучения через измерительный участок оно ослабляется находящимся там сыпучим материалом.

Принцип действия БД основан на регистрации потока гамма-квантов сцинтилляционным детектором с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), формировании спектрометрических сигналов, амплитуда которых пропорциональна энергии зарегистрированных квантов, выделении из общего потока зарегистрированных квантов двух его компонентов, соответствующих энергиям квантов, лежащих в двух непересекающихся энергетических диапазонах, обработке информации микроконтроллером по установленному алгоритму [1].

БД состоит из сцинтилляционного счетчика, микропроцессора, стабилизированного источника питания, терморегулятора. Составные части БД монтируются на общем шасси, которое закрепляется в цилиндрическом корпусе. Его структурная схема представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Структурная схема БД

В блоках детектирования ослабленный поток гамма-излучения преобразуется в электрические сигналы измерительной информации, которые затем по специальной программе обрабатываются во встроенных в блоки детектирования микропроцессорах. Каждый из блоков детектирования БД представляет собой электронное устройство, предназначенное для регистрации гамма-излучения радионуклида Cs-137.

После включения электропитания БД готов к работе при достижении теплового равновесия внутри корпуса, которое достигается за время не более одного часа. Тепловое равновесие устанавливается при температуре не ниже 20°С, что требуется для установления теплового режима ФЭУ. При меньших температурах терморегулятор обеспечивает достижение заданной температуры. При отсутствии источника гамма-излучения БД не реагирует на фоновое излучение и выдает только информацию о своем техническом состоянии. Поток гамма-излучения от источника, прошедший через контролируемую среду, преобразуется в сцинтилляторе в электрический сигнал в виде потока прямоугольных импульсов положительной полярности с переменной амплитудой и длительностью. С выхода сцинтиллятора сигнал поступает в микроконтроллер, где обрабатывается по специальной программе и передается по интерфейсу RS-485. БД выдает в систему сбора информации усредненные значения отсчетов, пропорционально зарегистрированному количеству гамма-квантов.

Полученные результаты измерений передаются по информационным кабелям в блок регистрации, преобразования и передачи, смонтированный в отсеке местной автоматики. Данный блок состоит из преобразователя интерфейса, модулей аналогового ввода, дискретного вывода, модуля питания и двух источников стабилизированного питания 24В.

Компьютер производит последовательный опрос всех БД и датчиков и по полученным данным осуществляет для каждого БД: обработку поступающей измерительной информации и вычисление усредненных значений массового расхода жидкости, нефти, объема попутного нефтяного газа в действительных условиях, объемной доли воды в жидкости; определение и представление длительности отрезка времени от начала измерений до текущего момента времени; хранение промежуточных результатов измерений, накопленных количеств нефти, воды и газа и астрономического времени в момент их получения за время от момента начала измерений до момента запроса результатов измерений оператором; передачу текущих и накопленных значений измеряемых параметров продукции во внешние устройства; выдачу оператору сообщений «Жидкость», «Газ», «Скважина стоит»; индикацию текущих и накопленных значений измеряемых параметров продукции.

В состав схемы микроконтроллера блока детектирования входят следующие блоки:

1) генератор тактовых импульсов для точного измерения временных интервалов на основе кварцевого резонаторов частотой 18.432 МГц (предназначен для формирования временных интервалов «счет» и «пауза» для прямого и рассеянного каналов);

2) счетчик импульсов на базе микросхемы счетчика (для прямого и рассеянного каналов);

3) формирователь сигналов интерфейса RS232;

4) формирователь сигналов интерфейса RS485 с гальванической развязкой;

5) внешнее ОЗУ контроллера.

Случайная составляющая погрешности измерений может быть обусловлена в основном случайным характером процессов излучения, взаимодействия с контролируемой средой и регистрации квантов гамма-излучения. Для уменьшения погрешности до требуемого значения, при расчете необходимого объема накопленных при регистрации гамма-излучения данных, необходимо исходить только из информативной (полезной) составляющей сигналов блоков детектирования, а не из суммы полезного и фонового сигналов.

Случайные погрешности могут возникнуть также в результате многократного преобразования сигнала измерительной информации [2].

Систематическая составляющая погрешности измерений каналами прямого и рассеянного гамма-излучений может быть обусловлена нелинейностью выходных сигналов блоков детектирования, вызванных неточностями при первичном градуировании физических характеристик контролируемых сред.

Преимущество предложенной автоматизированной измерительной системы заключается в следующем [3]:

1) отсутствие контактов эквивалентов измерительного оборудования с потоком контролируемой среды. Не создается дополнительного гидравлического сопротивления потоку, не изменяется его форму, скорость и направление движения;

2) не требуется предварительной подготовки потока (сепарации и гомогенизации);

3) нет ограничений на физико-химические свойства контролируемой среды (температура, давление, вязкость, агрессивность);

4) система не чувствительна к отложениям смол и парафинов;

5) она работает в широких диапазонах скоростей потока (от 1 см/с до 10 м/с) и измерений состава потока (содержание свободной воды 0-95 %, содержание свободного газа 10-90 %);

6) система эквивалентна к изменениям гидродинамической структуры потока.

Предложенный метод позволяет измерять плотности и концентрации нефти, свободного газа и

воды гетерогенного нефтегазоводяного потока. При этом ожидаемая абсолютная погрешность измерения плотности не должна превысить в данном случае 0,001 г/см3, относительная погрешность

по концентрации воды - ± 5% , газа - ± 0.2%.

Литература

1. Макаров В. И. Блоки детектирования ионизирующих излучений. М: Книга по Требованию, 2012. 38 с.

2. Тартаковский Д. Ф., Ястребов А. С. Метрология, стандартизация и технические средства

измерений. -М., 2001. - 205 с.

3. Войтюк И. Н. Целесообразность применения радиоизотопного метода контроля газонефтеводяной

смеси при транспортировке товарной нефти. Наука и мир. - Волгоград: изд-во «Научное

обозрение», № 4 (20), 2015, с. 48-51.