Способ определения массы компонента газожидкостной среды
METHOD FOR DETERMINING MASS OF A GAS-LIQUID MEDIUM COMPONENT

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для контроля расхода и определения массы компонента газожидкостной среды (ГЖС), извлекаемой, например, из буровой скважины.
Известны способы и устройства измерения многофазного расхода многокомпонентных веществ, например, Ж (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб. Политехника. 2002. Книга 2, с. 245), с помощью нескольких последовательно установленных расходомеров, обладающими селективными свойствами (кориолисова, объемного и теплового), и вычислительного устройства, определяющего на основе показаний приборов расходы отдельных компонентов.
Недостатками известных решений является наличие разнообразных приборов, большие габариты устройства и суммарная большая погрешность измерения расхода.
Известен способ покомпонентного измерения расхода многофазного потока (RU 2428662 С2, 10.09.2011). Предложенный расходомер по известному способу содержит: блок измерения скорости газожидкостного двухфазного трехкомпонентного потока, блок измерения плотности данного потока и блок вычисления скорости потока каждой фазы, при этом блок измерения плотности содержит блок извлечения смешанной жидкости с генератором разности давлений. Вследствие принудительного перемешивания, даже маленькие пузырьки отделяются от смешанной жидкости в газовую фазу. При этом измерение плотности проводят на смешанной жидкости, накопленной в резервуаре для хранения жидкости.
Недостатками известного способа является большое число механических операций при определении плотности потока, отбирается часть потока для анализа, понижающие достоверность измерения всего потока, большое время разделения фаз.
За прототип принят способ, реализованный в устройстве определения параметров потока многофазной среды жидкости и газа (RU 2386930 С2, 27.06.2009). В измерительный канал помещают датчики, имеющие различные зависимости показаний от расходов компонентов потока. Для получения зависимостей показаний датчиков от измеряемых параметров потока во время калибровки производят запись показаний датчиков при различных комбинациях расходов жидкости и газа и осуществляют последовательную интерполяцию. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей и газа потока трехкомпонентной смеси используют три датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей и газа разная. Для определения расходов двух взаимно нерастворимых жидкостей, расхода газа и вязкости потока трехкомпонентной смеси используют четыре датчика, зависимость показаний которых от расходов жидкостей, газа и вязкости разная. В частном случае однотипные датчики располагают в последовательно соединенных отрезках измерительного канала разного диаметра.
Недостатком известного способа есть сложная процедура измерения и вычисления компонентов ГЖС.
Техническим результатом изобретения является упрощение определения массы компонента газожидкостной среды при ограниченном приборном составе устройств измерения, сокращение вычислительных и измерительных операций, требующих одновременности выполнения.
Технический результат достигается тем, что в способе определения массы компонента газожидкостной среды периодически создают в поперечном сечении канала с газожидкостным потоком импульсные одинаковые порции количества тепла, измеряют в равномерно размещенных по второму по потоку сечению точках поглощенное каждым компонентом в соответствии с его теплоемкостью количество теплоты в виде импульсов разной амплитуды, затем группируют полученные в каждой точке импульсы одинаковые по амплитуде и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения доли массы каждого компонента потока.
Описание метода определения массы компонента ГЖС выполнено на примере определения расхода трех компонентной двухфазной среды (газ, вода, нефть).
На фиг. 1 показано расположение по потоку сечений импульсного источника тепла и измерительных датчиков теплового потока.
р
На фиг. 2 показана диаграмма съема импульсных порций теплового потока, с датчика от различных компонентов среды ГЖС, пунктирными линиями показаны их тарифные величины удельной теплоемкости с, 1 - импульсы группы «вода», 2 - импульсы группы «нефть», 3 - импульсы группы «газ».
На чертежах обозначено: 1 - Сечение нагрева среды, по окружности которого расположен импульсный стабилизированный источник энергии; 2 - Датчики, например, А, В и др., введенные непосредственно в поток ГЖС; 3 - измерительное сечение с датчиками теплового потока; 4 - канал; 5 - поток ГЖС; 6 - газовая фаза потока; 7 - жидкая фаза потока; 8 - порция ГЖС с принятым импульсом теплоты; 9 - поток ГЖС с отданной компонентами порцией теплоты потока датчикам; 10 - вычислительный блок.
Принцип работы основан на различии теплоемкости трех компонентов двухфазной среды, в способе определения массы компонента газожидкостной среды, который характеризуется вводом импульсных порций теплового потока в поперечном сечении 1 канала 4, в различном поглощении этих тепловых порций компонентами среды 6, 7, передачей потоком 5 поглощенных порций датчикам теплового потока, размещенным в различных точках в следующем по потоку сечении 3 канала 4, и основан на том, что электросигналы от поглощенных порций компонентами передаются вычислительному блоку 10 для определения массы компонента.
В вычислительном блоке группируют полученные в каждой точке сечения импульсы одинаковые по амплитуде и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения в массовые доли каждого компонента в контролируемом потоке.
Величины удельных теплоемкостей для контролируемых компонентов выявляются предварительно в лаборатории или пользуются известными данными. Так для принятой для примера газожидкостной среды (нефть-вода-газ) можно использовать величины удельной теплоемкости, приведенные в таблице.
Источник импульсного стабилизированного питания, расположенный по окружности сечения 1 канала 4 периодически посылает импульсы тепловой энергии в поток компонентам 6, 7 потока 5 ГЖС среды, проходящим по каналу 4. Частота импульсов выбирается с учетом скорости движения среды ГЖС в канале, которая в свою очередь определяет скорость снятия полученной энергии теплового потока, с каждого датчика (предыдущих показаний сигнала).
р
Поскольку в зоне сечения 1 нагрева излучаемые от источника питания импульсные порции теплового потока равны между собой и одинаковые для различных по массе компонентов, то поглощенное количества тепловой энергии будет пропорционально удельной теплоемкости с этих компонентов.
-5
Далее получают реакции датчиков на восприятие этих порций теплового потока от различных компонентов 6, 7 среды потока 5 с минимальной потерей информации по времени и величине. Чтобы сократить время приема информации от компонентов 6, 7 и значительно уменьшить тепловой взаимообмен между ними, повышая достоверность получаемой информации, желательно использовать известные датчики с постоянной времени порядка 10 с.
Массы компонентов 6, 7 потока 5 проходят некоторое расстояние по пути следования по потоку от сечения 1 до сечения 3, с запасенными порциями тепловой энергии, датчики принимают тепловую энергию и передают информацию в приемный блок 10 вычислителя от каждого датчика.
р
погл
пит
пит
погл
к
р
к
к
к
1
к
к
1
Отклик датчиков на величины теплового потока от компонентов 6, 7 будут отличаться в зависимости от различных величин с компонентов, а также от величины массы компонентов. В процессе определения массы компонента в составе ГЖС имеются два этапа: первый этап - передача импульса тепловой энергии каждому компоненту от импульсного источника тепловой энергии в соответствии с законом поглощения α=Ф/Ф, где Ф - единичная порция тепловой энергии, подведенная к компоненту, Ф=Ф=КсМ - порция теплового потока, поглощенная (усвоенная) компонентом. Второй этап - передача датчику запасенной каждым компонентом тепловой энергии. В датчике тепловой поток Ф компонента преобразуется в эдс в виде зависимости: Ф=КЕ, где Е - выработанная датчиком эдс, К и К - коэффициенты пропорциональности.
К
к
к
Датчик принимает тепловой поток периодическими импульсами, которые пропорциональны массе М компонента в окрестности датчика. Далее в вычислительный блок 10 передается величина теплового потока Ф в виде эдс Е
к
1
к
р
К
Ф=КЕ=КсМ, пропорциональный массе каждого компонента 6, 7 потока 5.
пит
к
н
в
г
От источника 1 единичная порция Ф тепловой энергии, одинаковая для различных компонентов, выдана компоненту 6, 7 в процессе продвижения по каналу 4 от сечения 1 до сечения 3. Для различных компонентов обозначено в данном примере величины Ф как Ф - нефть, Ф - вода, Ф - газ.
Далее по мере продвижения по каналу 4 компоненты 6, 7 проходят через сечение 3 с датчиками, которые воспринимают тепловой поток от масс компонентов 6 и 7 двухфазной среды. Датчики равномерно расположены по сечению 3 канала 4 и находятся в непосредственном контакте с компонентами. Все датчики воспринимают только поток тепловой энергии, безразлично от каких компонентов жидкой фазы 7 (нефть или вода) и газовой фазы 6. Через каждый датчик поочередно проходят в чистом виде компоненты либо нефть, либо вода, либо газ. В процедуре съема один и тот же датчик, например А или В или другой, принимает тепловой поток от масс проходящих компонентов.
р
2
А
К
к
К
р вода
2
Ав
в
в
р
нефть
2
Ан
н
н
р газ
2
Аг
г
г
р вода
р нефть
р газ
Следовательно, например, датчик А на диаграмме с=КЕ/М (рис. 2) может иметь по времени данные величин импульсов Ф от показаний при прохождении массы М. Например, импульсы величиной с= КЕ/М от компонента воды массой М, импульсы величиной с=КЕ/М от компонента нефти массой М и импульсы величиной с=КЕ/М от компонента газа массой М. Аналогично принимаются данные датчика В и датчиков в других точках. На фиг. 2 показано, что через датчик А прошли чистые компоненты при величине импульсов равных тарифным значениям, принятым по таблице, т.е. с=4,2; с=2,0; с=1,4.
к
1
к
в
р вода
Ав
р вода
2
Ав
в
н
р нефть
Ан
р нефть
2
Ан
н
г
р газ
Аг
р газ
2
Аг
г
в
р вода
Вв
н
р нефть
Вн
г
р газ
Вг
Датчик преобразует полученный тепловой поток в эдс Ф=КЕ. За сутки в точке А проходит масса воды М≡∑с(Е), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с=КЕ/М=4,2, масса нефти М≡∑с(Е), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с=КЕ/М=2,0 и масса газа М≡∑с(Е), т.е. сумма всех импульсов, отвечающих величине с=КЕ/М=1,4. Аналогично в других точках. За сутки в точке В проходит масса газа масса воды М≡∑с(Е), масса нефти М≡∑с(Е), масса газа М≡∑с(Е), и также по другим точкам в сечении 3.
р
г
в
н
Данные по массовому расходу М потока 5 среды за сутки в канале 4 будем иметь в сумме раздельно по всем показаниям эдс в каждой точке, датчики в которых охватывают все сечение. Для этого необходимо иметь М≡∑с(Е) всех точек. Это и будут массовые суточные расходы ГЖС по каналу 4. Отдельные компоненты в чистом виде будут суточные М, М, М, просуммированные по удельным теплоемкостям компонентов в блоке 10.
Это есть процедура определения массы каждого компонента.
р
р
р нефть
По известной удельной теплоемкости компонента с (данные лаборатории или др.) вычисляется масса компонента в смеси, в соответствии с его величиной с, которая отображена пунктирными линиями на рис. 2 (для нефти принята с=2,0). При этом группируют полученные в каждой точке импульсы одинаковые по амплитуде и определяют по суммам количеств импульсов всех однотипных групп всех точек сечения массовые доли каждого компонента.
Датчики принимают тепловой поток независимо от природы компонента, только от их свойства теплоемкости. При таком способе определения масс ГЖС отсутствуют специальные приемы и датчики воды, газосодержания и др.
Таким образом, решается задача определения массы компонента с минимальным технопарком средств измерения и вычислительного процесса, не требуются данные по долям плотности и вязкости смеси.