Способ и устройство для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе
METHOD AND DEVICE FOR RECOGNITION OF DIFFERENT MODES OF GAS-LIQUID FLOW IN THE HORIZONTAL PIPELINE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальных трубопроводах в нефтяной, химической, пищевой и других отраслях промышленности.
Известен способ для определения режима течения газожидкостного потока, при котором с помощью нескольких горизонтальных слоев пластинчатых электродов, расположенных вдоль потока, измеряют значение емкости между пластинами одновременно по всему вертикальному сечению трубопровода, а по изменению емкости между пластинами, вызванной наличием пузырьков газа и приводящей к изменению диэлектрической проницаемости газожидкостного потока, судят о распределении содержания газа по сечению трубопровода (патент РФ №2390766, кл. G01N 27/22, 2010 г.).
Известно устройство для реализации данного способа, содержащее измерительную головку с размещенными внутри нее горизонтальными пластинчатыми электродами, подключенными к электронному блоку обработки информации (патент РФ №2390766, кл. G01N 27/22, 2010 г.).
Недостатками существующего способа и устройства, его реализующего, являются:
- ограниченные возможности, связанные лишь с определением объемного содержания газа в газожидкостном потоке;
- распознавание в лучшем случае лишь «расслоенного», «волнового» и «снарядного» режимов течения газожидкостного потока вследствие реагирования на пузыри большого размера и на гравитационное расслоение потока;
- невозможность определения пузырьков малого и сверхмалого размеров и, как следствие, невозможность распознавания «пробкового» (или «неточного») и «пузырькового» (или «пенного») режимов течения;
- искажения, вносимые горизонтальными пластинчатыми электродами и стягивающим их диэлектрическим стержнем в режим течения газожидкостного потока;
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе, заключающийся в анализе характеристик потока с помощью установленного в разрыв трубопровода зондирующего модуля с датчиками, одновременно измеряющими физические и электрические параметры потока, в обработке информации с датчиков в электронном устройстве и передаче данных в компьютер с банком данных (патент РФ №2315960, кл. G01F 1/74, G01F 1/56, Е21В 47/10, 2008 г.).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе, содержащее установленный в разрыв трубопровода зондирующий модуль, в корпусе которого размещены датчики, одновременно измеряющие физические и электрические параметры потока, электронное устройство обработки информации с датчиков и компьютер с банком данных (патент РФ №2315960, кл. G01F 1/74, G01F 1/56, Е21В 47/10, 2008 г.).
Недостатками известного способа и устройства, его реализующего, выбранных в качестве наиболее близкого аналога, являются:
- ограниченные возможности, связанные с распознаванием лишь «расслоенного», «волнового» и «снарядного» режимов течения газожидкостного потока вследствие реагирования на пузыри большого размера и на гравитационное расслоение потока;
- невозможность определения пузырьков малого и сверхмалого размеров и, как следствие, невозможность распознавания «пробкового» (или «четочного») и «пузырькового» (или «пенного») режимов течения;
- относительная громоздкость и сложность датчиковой аппаратуры, входящей в состав зондирующего блока;
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении диапазона применения способа и устройства, в получении достоверной информации о режимах течения газожидкостного потока.
Данная задача достигается за счет того, что в предлагаемом способе для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе, заключающемся в анализе характеристик потока с помощью установленного в разрыв трубопровода зондирующего модуля с датчиками, одновременно измеряющими физические и электрические параметры потока, в обработке информации с датчиков в электронном устройстве и передаче данных в компьютер с банком данных, согласно изобретению с помощью зондирующего блока проводят анализ характеристик потока по изменению давления, пульсации давления и локальному изменению электропроводности потока по сечению трубопровода с использованием в качестве датчиков соответственно тензорезистивного дифференциального датчика давления и распределенного резистивного датчика, по изменению уровня пульсации перепада давления определяют размер пузырьков, по изменению электропроводности определяют структуру потока, а по показаниям обоих типов датчиков с учетом результатов предварительной настройки зондирующего блока в визуально контролируемом потоке и хранящихся в компьютере в банке данных определяют режим течения газожидкостного потока.
Данная задача достигается за счет того, что в предлагаемом устройстве для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе, содержащем установленный в разрыв трубопровода зондирующий модуль, в корпусе которого размещены датчики, одновременно измеряющие физические и электрические параметры потока, электронное устройство обработки информации с датчиков и компьютер с банком данных, согласно изобретению в качестве датчика, измеряющего физические параметры потока, используют тензорезистивный дифференциальный датчик давления, в качестве датчика, измеряющего электрические параметры потока, используют распределенный резистивный датчик в виде N-количества пар цилиндрических электродов одинакового диаметра из проводящего материала, корпус зондирующего модуля выполнен в виде полого металлического цилиндра, внутри которого вдоль оси размещена и закреплена цилиндрическая втулка из изоляционного материала с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру полого металлического цилиндра, на боковой поверхности корпуса и втулки выполнены соосно отверстия, в которых размещены электроды распределенного резистивного датчика, при этом каждая пара электродов ориентирована по образующей и равномерно распределена по длине окружности поперечного сечения зондирующего модуля, выходящие во внутреннюю полость зондирующего модуля электроды выполнены заподлицо с внутренней поверхностью втулки, на внешней поверхности зондирующего модуля расположены электронное устройство обработки информации и тензорезистивный дифференциальный датчик давления, один из входов которого соединен с внутренней полостью зондирующего модуля, а второй вход соединен или с сегментом трубопровода, имеющего меньший внутренний диаметр по сравнению с внутренним диаметром зондирующего модуля, или с сегментом изгиба трубопровода, причем дифференциальный датчик давления имеет возможность измерять абсолютное давление и пульсации давления без нарушения режима течения потока, а N-количество пар электродов распределенного резистивного датчика выбирается из выражения
N≈π×D/A×d,
где D - внутренний диаметр полости зондирующего блока (втулки),
d - диаметр электродов,
π=3,14,
4≤А≤12 - коэффициент, зависящий от внутреннего диаметра трубы и требований по точности оценки параметров потока.
Кроме того, установленный в разрыв трубопровода зондирующий модуль, в корпусе которого размещены датчики, выполнен составным, состоящим из последовательно присоединенного к входу модуля отрезка трубы с герметичным смотровым окном или отрезка трубы из оптически прозрачного материала.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, являются повышение точности и разрешающей способности при проведении измерений, расширение функциональных возможностей устройства.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлено устройство для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе;
- на фиг. 2 - то же, зондирующий блок, сечение А-А;
- на фиг. 3 представлена блок схема устройства.
Устройство для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе содержит установленный в разрыв трубопровода 1 зондирующий модуль 2 с последовательно присоединенным к его входу отрезком трубы 3 с герметичным смотровым окном 4. Вместо отрезка трубы 3 с смотровым окном может быть использован отрезок трубы из оптически прозрачного материала, например из стекла или органического стекла. Крепление зондирующего модуля 2 и отрезка трубы 3 между собой и в разрыве трубопровода 1 осуществляется с помощью фланцевых соединений 5. Помимо зондирующего модуля трубопровод содержит еще и участки с меньшим диаметром по сравнению с диаметром зондирующего модуля и участки с изгибом, например, под углом 90° (на фиг. 1 не показано), которые используются для работы устройства без внесения дополнительных элементов в его конструкцию.
I
I
Корпус зондирующего модуля 2 выполнен в виде полого металлического цилиндра 6, внутри которого вдоль оси размещена и закреплена цилиндрическая втулка 7 из изоляционного материала с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру полого металлического цилиндра. На боковой поверхности корпуса 6 и втулки 7 выполнены соосно отверстия, в которых размещены N-количество пар (в данном случае показано N=12) цилиндрических электродов 8-8 - 19-19 распределенного резистивного датчика. N-количество пар электродов определяется из выражения N≈π×D/A×d,
где D - внутренний диаметр полости зондирующего блока (втулки),
d - диаметр электродов,
π=3,14,
4≤А≤12 - коэффициент, зависящий от внутреннего диаметра трубы и требований по точности оценки параметров потока.
С возрастанием количества пар электродов при прочих равных условиях увеличивается количество послойно сканируемых уровней газожидкостного потока, уменьшается расстояние между сканируемыми слоями и, как следствие, повышается точность оценки параметров потока.
I
I
I
I
Электроды 8-8 - 19-19 диаметром d выполнены из проводящего коррозионно-стойкого материала и изолированы от металлического корпуса 6 с помощью герметичных изоляционных втулок 20-20 - 31-31. Каждая пара электродов ориентирована по образующей и равномерно распределена по длине окружности поперечного сечения зондирующего модуля с внутренним диаметром полости D, при этом выходящие во внутреннюю полость зондирующего модуля электроды выполнены заподлицо с внутренней поверхностью изоляционной втулки 7, что позволяет полностью исключить искажение протекающего потока электродами.
На внешней поверхности зондирующего модуля 2 с помощью переходной втулки 32 размещен тензорезистивный дифференциальный датчик давления 33. Один из его входов соединен с внутренней полостью зондирующего модуля, а второй вход на альтернативной основе может быть соединен или с сегментом трубопровода, имеющего меньший внутренний диаметр по сравнению с внутренним диаметром зондирующего модуля (на фиг. 1 не показано), или с сегментом изгиба трубопровода (на фиг. 1 не показано). Входы датчика давления во внутреннюю полость модуля и в сегменты трубопровода выполнены заподлицо, что позволяет производить измерения без нарушения режима течения газожидкостного потока.
I
I
Также на внешней поверхности зондирующего модуля в герметичном корпусе 34 расположено электронное устройство обработки информации 35, которое с помощью электрических проводников (на фиг. 1 не показано) соединено с электродами 8-8 - 19-19 распределенного резистивного датчика и выходом тензорезистивного дифференциального датчика давления 33. Электронное устройство обработки информации 35 состоит из первичных резистивных преобразователей 36-47, равных по численности N-количеству пар электродов, аналого-цифрового преобразователя 48 и контроллера 49. Через разъем в герметичном корпусе 34 контроллер 49 соединен с компьютером 50, находящимся на некотором расстоянии от зондирующего блока.
I
I
Способ для распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе осуществляют следующим образом. В ходе предварительной настройки зондирующего модуля 2 через смотровое окно 4 в отрезке трубы 3 или через отрезок трубы из оптически прозрачного материала визуально анализируется контролируемый режим течения газожидкостного потока. Одновременно с помощью тензорезистивного дифференциального датчика давления 33 анализируются такие физические параметры потока, как давление и пульсации давления, а с помощью электродов 8-8 - 19-19 распределенного резистивного датчика послойно анализируется электропроводность потока. По изменению уровня пульсации перепада давления судят о размере пузырьков, а по изменению электропроводности судят о структуре потока. Информация с обоих типов датчиков обрабатывается в электронном устройстве 35, передается и отображается в компьютере 50.
Сравнивая картину визуального наблюдения с принятой классификацией газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе и сопоставляя ее с данными, полученными от тензорезистивного дифференциального датчика давления и распределенного резистивного датчика, определяют режим течения как «расслоенный», «волновой», «снарядный», «пробковый» (или «четочный») и «пузырьковый» (или «пенный»). Характерные для каждого из перечисленных выше режимов течения значения информационных параметров от тензорезистивного датчика давления и распределенного резистивного датчика записываются и хранятся в памяти компьютера 50 с целью их дальнейшего использования в качестве эталонных для последующего распознавания режимов течения газожидкостного потока для данной системы трубопровода, но уже без применения техники визуального контроля.
Предварительная настройка зондирующего модуля 2 позволяет учесть разброс электропроводности газожидкостного потока, а также учесть индивидуальные характеристики трубопроводной системы, поскольку такие важные информационные параметры, как амплитуда и частота пульсации перепада давления, существенно зависят от геометрии трубы в точках измерения и абсолютного давления в газожидкостной смеси. Известно, что для неразрывного потока справедливо соотношение (уравнения Бернулли):
о
д
г
о
2
Р+Р+P=Р+1/2ρv+ρgh=const,
о
д
г
2
где Р - абсолютное давление, Р=1/2ρv - динамическое давление, Р=ρgh - гидростатическое давление, ρ - локальная плотность газожидкостного потока, v - локальная скорость потока, g - ускорение свободного падения, h - высота столба жидкости над точкой измерения.
Учитывая, что изменение диаметра сечения потока сопровождается изменением локальной скорости потока и что размеры пузырьков газа приводят к изменению плотности газожидкостного потока, будет меняться и динамическая составляющая давления в точках измерения перепада давления, причем это изменение будет не синфазным, а амплитуда колебаний и частота будут зависеть от размеров и количества пузырьков газа, а также от скорости потока. Аналогичная ситуация наблюдается и в местах резкого изгиба трубопровода, где возникает центробежная составляющая в динамическом давлении.
I
I
I
I
Устройство для осуществления способа распознавания режимов течения газожидкостного потока в горизонтальном трубопроводе работает следующим образом. С помощью распределенного резистивного датчика, электроды которого 8-8 - 19-19 равномерно распределены по длине окружности поперечного сечения зондирующего модуля 2, осуществляют послойное сканирование газожидкостного потока на всю его глубину. Для этого на все пары электродов одновременно подается переменное напряжение определенной частоты на определенный промежуток времени. В течение этого промежутка времени первичные преобразователи 36-47 преобразуют локальную электропроводность газожидкостной смеси между парами электродов 8-8 - 19-19 в аналоговый сигнал. Значение этого аналогового сигнала для каждой пары электродов будет зависеть как от электропроводности жидкостной компоненты потока, так и наличия пузырьков в потоке, размеров пузырьков и их распределения по глубине потока. Далее сигнал с первичных преобразователей 36-47 поступает в аналого-цифровой преобразователь 48, где преобразуется в цифровой код.
Разрешающая способность распределенного резистивного датчика определяется базовым расстоянием между двумя электродами пары. Чем меньше это расстояние, тем выше разрешающая способность датчика, а значит и возможность фиксации малых и сверхмалых размеров пузырьков газа. Конструктивно изменяя расстояние между двумя электродами пары, получают необходимую разрешающую способность применительно к конкретным требованиям регистрации параметров газожидкостной смеси.
Одновременно в аналого-цифровой преобразователь 48 поступает аналоговый сигнал с тензорезистивного дифференциального датчика давления 33, при этом время опроса датчика давления равно времени опроса пар электродов распределенного резистивного датчика. Выходной сигнал датчика давления 33 состоит из постоянной или медленно меняющейся составляющей, которая пропорциональна абсолютному давлению в трубопроводе 1 и переменной составляющей, амплитуда пульсации которой пропорциональна размеру пузырьков газа.
Контроллер 49 осуществляет сбор информации от распределенного резистивного датчика и тензорезистивного дифференциального датчика давления, преобразование ее в вид, приемлемый для отображения и регистрации на компьютере 50, а также осуществляет передачу команд управляющей программы на изменения заданного алгоритма измерений обоими типами датчиков, в частности на изменение частоты и времени опроса, последовательность опроса электродов распределенного резистивного датчика и на последовательность опроса датчика давления с электродами распределенного резистивного датчика.
Заявленное техническое решение позволяет расширить диапазон применения способа и устройства за счет использования приемов и средств, которые дают возможность визуально контролировать поток и регистрировать пузыри не только большого размера, но и малого и сверхмалого размера по всему поперечному сечению трубопровода и, таким образом, иметь достоверную информацию о всех возможных режимах течения газожидкостного потока, и получить технический результат: повысить точность и разрешающую способность при проведении измерений, расширить функциональные возможности за счет обеспечения визуального наблюдения за газожидкостным потоком.