Определение расхода компонентов многофазного потока на основе комбинации измерений

УДК 681.5.08

А. Г. Кокуев, А. А. Мансуров

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА КОМПОНЕНТОВ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА НА ОСНОВЕ КОМБИНАЦИИ ИЗМЕРЕНИЙ

Цель исследования - определение возможных комбинаций измерений гомогенного и негомогенного потоков, с помощью которых можно будет вычислить расход каждого из компонентов трехфазной смеси, обусловлена тем, что универсального метода измерения не существует. Приводится классификация потенциальных многофазных расходомеров по параметрам, которые они измеряют, и физическим принципам, на основе которых они работают. Рассмотрено четыре способа измерения расхода компонентов многофазного потока. Показано, что гомогенизация потока позволяет сократить количество измерений. Обоснована возможность разработки принципиально нового многофазного расходомера при условии использования большого количества измерительных преобразователей. Предполагается, что за счет этого расчетная погрешность измерения может быть снижена с 10-15 до 3-5 %.

Ключевые слова: многофазный поток, гомогенный поток, негомогенный поток, классификация многофазных расходомеров, погрешность измерения.

Состояние проблемы

Цель измерения многофазного потока - определить расход каждого из компонентов, например нефти, воды и газа. Универсального метода измерения расхода фаз не существует, и, вследствие этого, необходимо комбинировать несколько методов, для того чтобы вычислить расход каждого из компонентов по полученным измерениям.

Рассмотрим существующие способы измерения расхода каждой из фаз трехфазного потока, состоящего из нефти, газа и воды.

Первый способ. Необходимо измерить три независимых параметра потока (функции, зависящие от каждого из трех расходов). По трем полученным функциям можно вычислить расход каждой из фаз. В качестве независимых параметров можно взять, например, следующие: перепад давления в трубе Вентури, затухание гамма-луча и электрическое сопротивление смеси. Основным недостатком данного способа является то, что отношения между измеряемыми параметрами и расходом каждой из фаз не могут быть установлены теоретически - их можно установить только с помощью калибровки. Однако произвести калибровку в пределах необходимого уровня точности с учетом всех условий работы, которые складываются при выполнении реальных измерений на объекте добычи, невозможно. Кроме того, через какое-то время, в связи с наличием ошибок измерения при использовании того или иного метода, возникает необходимость повторной калибровки. Методология калибровки может быть улучшена благодаря использованию нейронной сети, целью которого является определение функциональных зависимостей с более высоким уровнем точности [1]. Тем не менее основная проблема - применение полученных зависимостей только при том диапазоне условий, при котором выполнялась калибровка, - остается нерешенной. В случае изменения тех или иных условий измерения установленные соотношения между независимыми параметрами и расходом фаз могут стать недействительными. Математическое выражение первого способа измерения расхода каждой из фаз можно представить в следующем виде:

Я = /Х[М г; М н; М в ]

М г

Я2 = /2[Мг; Мн; Мв ] ^ '/з > Мн,

Мв

Яз = /3[Мг; Мн; Мв],

где Я1, Я2, Я3 - значения трех независимых переменных (измерений); /1, /2 и /3 - функции или зависимости между измеряемым параметром и расходом каждой из фаз; Мг, Мн и Мв - массовый расход газа, нефти и воды соответственно.

Второй способ. Измеряются основные параметры: скорость и задержка каждой из фаз (или величины, с помощью которых можно их вычислить). Полученные значения скорости

и задержки фазы позволяют определить расход фазы. Для трехфазного потока требуется измерить три средних скорости и объемное соотношение каждой из фаз, т. е. необходимо выполнить пять измерений: три измерения скорости и объемное соотношение двух фаз (объемное соотношение третьей фазы может быть вычислено из разницы между единицей и суммой двух измеренных объемных соотношений).

Количество необходимых измерений зависит от того, могут ли компоненты потока быть смешаны во время измерений, т. е. от возможности добиться гомогенности потока. Если однородность потока может быть достигнута, то требуются только три измерения, с помощью каждого из которых измеряется определенная характеристика смешанного потока жидкости; в противном случае необходимо определять скорость и концентрацию каждого из компонентов отдельно [2].

При разделе фаз потребность в измерении объемных соотношений фаз исчезает и три объемных расхода могут быть вычислены обычным способом, который используется для измерения расхода однофазной жидкости. Однако необходимо отметить, что полного разделения трех фаз во многих случаях достичь практически невозможно по следующим причинам: жидкости обладают способностью переноситься в газовой фазе, газ можно удержать в жидкой фазе; возможно формирование эмульсий и пены [3].

При гомогенизации смеси остается необходимость в измерении только скорости жидкости, и в итоге общее количество измерений сокращается до трех. Гомогенизация может быть достигнута двумя способами: установкой в трубопровод устройства смешивания или выпрямителя потока или осуществлением внезапного расширения и сокращения поток. Однако полной гомогенизации смеси в некоторых случаях достичь очень трудно, например, когда смесь состоит из жидкостей, значительно различающихся по плотности.

Целью нашего исследования являлась разработка возможных комбинаций измерений гомогенного и негомогенного потоков, с помощью которых можно будет вычислить расход каждого компонента трехфазной многокомпонентной смеси.

Результаты исследования

На рис. 1 приведена схема, иллюстрирующая четыре возможных способа, с помощью которых, измерив те или иные параметры многофазной смеси, можно вычислить расход в трубопроводе нефти, газа и воды.

Рис. 1. Основные способы измерения расхода трехфазной смеси

Первый способ (1 на рис. 1) включает в себя процессы гомогенизации и непрерывного отбора проб. Для определения расхода фаз данным способом необходимо измерить три параметра, два из которых измеряются непосредственно в трубопроводе после гомогенизатора и один -после сепаратора в обводной линии, через которую осуществляется непрерывный забор проб. На рис. 2, иллюстрирующем данный способ, показано, как с помощью значения объемного соотношения воды и нефти, измеренного в обводной линии, и результата измерений средней скорости V и средней плотности р можно вычислить расход каждой из фаз. Отметим, что измерительные устройства, установленные на трубопроводе, могут измерять любой из параметров, указанных на рис. 1. Например, с помощью трубы Вентури можно измерить сопротивление

2 ~ жидкости pv , а гамма-денситометр определит среднюю плотность р, что позволит вычислить

среднюю скорость жидкости.

Второй способ (2 на рис. 1). Если гомогенизатор используется без обводной линии с непрерывным отбором проб, то необходимо три измерительных устройства, каждое из которых должно измерять только один из параметров только одной из жидких фаз.

В свою очередь, например, с помощью устройства нейтронной дефектоскопии можно измерить количество присутствующего в смеси водорода, что позволит вычислить расход каждой из фаз, если известны их средняя плотность и скорость движения. Этот способ измерения расхода многофазной жидкости - с использованием гомогенизации без отбора проб - проиллюстрирован на рис. 3.

Для реализации способов 1 и 2 необходимы только три измерительных устройства, т. к. предполагается, что три компонента многофазной смеси перемещаются с одной и той же скоростью (т. е. смесь гомогенна).

Третий способ (3 на рис. 1). Если жидкость негомогенная (все компоненты перемещаются с различной скоростью), необходимо производить пять измерений, при условии, что не требуется очень большая точность. Для реализации этого способа необходимы более сложные измерения, по результатам которых можно вычислить отдельные составляющие скорости и объемных соотношений фаз. Схема измерения расхода компонентов многофазного негомогенного потока приведена на рис. 4.

_

Газ Нефть- Вода ____ V а

'ШШШ, р Объемные доли У

-»--

б

Рис. 2. Схема измерения расхода компонентов гомогенного потока

с возможностью отбора проб: измерительные устройства 1 и 2 измеряют среднюю скорость движения и среднюю плотность смеси

а

X X X X

Гомогенизатор Измерительное устройство 1 Измерительное устройство 2 Измерительное устройство 3

Рис. 3. Схема измерения расхода фаз при гомогенном потоке без отбора проб: измерительные устройства 1 и 2 измеряют среднюю скорость движения и среднюю плотность смеси; измерительное устройство 3 должно измерять один из параметров одной из фаз смеси отдельно

Рис. 4. Схема измерения расхода компонентов многофазного негомогенного потока

Четвертый способ (альтернативный). Способ предполагает полное разделение потока так, чтобы расход каждого компонента мог быть измерен отдельно. Однако, когда многофазный поток разделен на два или больше потоков одной фазы (предполагается, что эффективность разделения потока составляет 100 %), потребность в многофазном расходомере исчезает.

Важно не забывать о допущениях, которые были приняты нами при проведении трех и пяти измерений для гомогенного и негомогенного потоков соответственно. Предполагается, что удельный вес нефти, воды и газа известен и эти величины или остаются постоянными во время полного цикла измерения, или могут быть точно смоделированы в случае их отклонения от области принятых значений. Если есть изменения в значениях удельного веса фаз и они не могут быть предсказаны с достаточной точностью, то требуется дополнительный отбор проб жидкости и измерение дополнительных параметров многофазной смеси [4], что, в свою очередь, обусловливает необходимость разработки новых видов расходомеров.

Перспективные расходомеры для измерения расхода компонентов многофазного потока

Следует отметить, что в существующих приборах измерения расхода фаз многофазного потока приведенная погрешность составляет порядка 15 %. Большей точности удается добиться за счет периодических исследований лабораторных проб и введения поправок в модель, обрабатывающую результаты измерений.

Очевидно, что увеличив количество измерительных преобразователей, можно получить больше каналов сбора информации и повысить точность измерений.

Классификация многофазных расходомеров может быть проведена по параметрам, которые они измеряют, и по физическим принципам, на основе которых они действуют.

Классификация по параметрам может быть проведена независимо от того, на чем основана выбранная стратегия измерения расхода компонентов многофазного потока - на разделении или гомогенизации.

Основных параметров, по которым многофазными расходомерами может быть измерен расход компонентов, пять.

1. Плотность, р. Измеряется средняя плотность жидкости в трубе или параметр, который непосредственно связан с плотностью, такой как коэффициент поглощения гамма-лучей или электрический импеданс. Устройства, измеряющие плотность, реагируют на массу жидкости в данном объеме трубы или на особые атомные элементы, но ничего не сообщают о скорости жидкости

2. Скорость, V. Скорость жидкости измеряется либо прямым методом - с помощью взаимной корреляции, либо косвенным - измерением расхода жидкости с помощью турбинного расходомера. В гомогенном потоке результатом измерения является скорость движения смеси; в негомогенном потоке процедура измерений усложняется, т. к. появляется необходимость в определении скорости каждой из фаз.

3. Сопротивление жидкости, рv2, Определяется как произведение величины массового расхода жидкости и ее скорости - измеряется классическими устройствами для измерения перепадов давления (например, труба Вентури).

4. Массовый расход, рv. Измерить массовый расход каждой из фаз невозможно, однако полный массовый расход многофазной жидкости можно измерить, используя устройство Ко-риолиса или массовый расходомер.

5. Радиоизотопный анализ. Измеряется концентрация или скорость отдельных химических элементов, таких как кислород, водород или углерод. Устройства для радиоизотопного анализа используются в тех случаях, когда поток нефти, газа и воды не полностью смешан и гомогенизирован.

Физических принципов, на основе которых работают измерительные устройства, восемь.

1. Механический принцип реализован в приборах, действие которых основано на передаче силы или движения жидкости на механическое устройство, приложенное к трубе (например, турбины и вибрирующие трубы).

2. Гидравлический принцип лежит в основе действия устройств, реагирующих на давление или колебания жидкости.

3. Акустический принцип объединяет устройства, принцип работы которых основан на зависимости от прохождения через жидкость звуковых волн (например, акустическое ослабление или эффект Доплера).

4. Электрический принцип обусловлен электрическими свойствами жидкости (например, электромагнитные расходомеры).

5. Ослабление или рассеивание гамма- или рентгеновского излучения - определяется одной из самых больших групп устройств.

6. Нейтронный анализ отдельных атомных разновидностей - осуществляется одной из самых важных групп устройств.

7. Микроволновое поглощение - реализуется благодаря способности молекул воды поглощать микроволновое излучение.

8. Инфракрасная спектроскопия позволяет измерять объемную пропорцию нефти в смеси с водой путем пропускания инфракрасного света через поток, в котором он поглощается нефтью, а не водой.

За счет введения большего количества измерительных преобразователей планируется получить больше каналов сбора информации и повысить точность измерений до 3-5 %.

С целью исключения погрешности влияния измеряемой среды на датчики измерительных устройств необходимо также обратить внимание на бесконтактные способы измерения параметров жидкости.

Заключение

По результатам исследований описаны четыре возможных способа, с помощью которых, измерив те или иные параметры многофазной смеси, можно вычислить расход в трубопроводе нефти, газа и воды. Рассмотрены комбинации измерений как гомогенного, так и негомогенного потоков. На основе полученных данных можно утверждать, что для создания многофазного расходомера с высокой степенью точности необходимо комбинировать три и более измерительных устройства, действие которых основано на разных физических эффектах. За счет введения

большего количества измерительных преобразователей планируется получить больше каналов сбора информации и повысить точность измерений до 3-5 %. С целью исключения погрешности влияния измеряемой среды на датчики измерительных устройств необходимо также обратить внимание на бесконтактные способы измерения параметров жидкости.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Денисов С. Список физических явлений и эффектов. Справочник / С. Денисов. Горький: ГНУНТТ, 1979. 166 с.

2. Dahl E. Handbook of multiphase flow metering / E. Dahl, C. Michelsen // The Norwegian Society for Oil and Gas Measurement, Revision 2, March 2005.

3. Bau N. Q. Theory of the Acoustomagnetoelectric Effect in a Superlattice / N. Q. Bau, N. V. Hieu // PIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22-26, 2010.

4. Тоски Э. Эволюция измерений многофазных потоков и их влияние на управление эксплуатацией / Э. Тоски, Э. Окугбайе, Б. Тювени, Б. В. Ханссен, Д. Смит // Нефтегазовое обозрение. 2003. С. 68-77.

Статья поступила в редакцию 11.09.2015, в окончательном варианте - 16.10.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кокуев Андрей Геннадьевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Автоматика и управление»; kokuevag@gmail.com.

Мансуров Андрей Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Автоматика и управление»; And-mansurov@yandex.ru.

A. G. Kokuev, A. A. Mansurov

DETERMINATION OF THE FLOW RATE OF MULTIPHASE FLOW COMPONENTS BASED ON THE NUMBER OF MEASUREMENTS

Abstract. The purpose of the research is to identify the possible combinations of measurements of homogeneous and inhomogeneous flows, which will make possible to calculate the flow rate of each component of the three-phase mixture, due to the fact that there is no universal method of measurement. The classification of the potential multiphase flow meters by the parameters that they measure, and by the physical principles, on the basis of which they work. The paper considers four ways to measure the flow rate of the multiphase flow components. It is shown that the flow homogenizing reduces the number of measurements. The possibility to develop a fundamentally new multiphase flowmeter provided the use of a large number of transducers is explained. It is assumed that due to this calculation the measurement error can be reduced from 10-15 to 3-5 %.

Key words: multiphase flows, homogenous flow, inhomogeneous flow, classification of multiphase flow meters, measurement error.

REFERENCES

1. Denisov S. Spisok fizicheskikh iavlenii i effektov. Spravochnik [List of physical phenomena and effects. Reference]. Gorky, GNUNTT, 1979. 166 p.

2. Dahl E., Michelsen C. Handbook of multiphase flow metering. The Norwegian Society for Oil and Gas. Measurement, Revision 2, March 2005.

3. Bau N. Q., Hieu N. V. Theory of the Acoustomagnetoelectric Effect in a Superlattice. PIERS Proceedings, Xi'an, China, March 22-26, 2010.

4. Toski E., Okugbaie E., Tiuveni B., Khanssen B. V., Smit D. Evoliutsiia izmerenii mnogofaznykh po-tokov i ikh vliianie na upravlenie ekspluatatsiei [Evolution of the measurements of multiphase flows and their influence on operational exploitation]. Neftegazovoe obozrenie, 2003, pp. 68-77.

Kokuev Andrey Gennadievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Automation and Control"; kokuevag@gmail.com.

Mansurov Andrey Aleksandrovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Automation and Control"; And-mansurov@yan.

The article submitted to the editors 11.09.2015, in the final version - 16.10.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS