ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРИСУТСТВИЯ ЖИДКОСТИ В ГАЗОВЫХ ТРУБОПРОВОДАХ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ
DETERMINATION OF PRESENCE OF LIQUID IN GAS PIPELINES OF HIGH PRESSURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству и способу для определения присутствия жидкости в газовых трубопроводах высокого давления с помощью оптических методов с использованием устройства, содержащего смотровое стекло или стекла.
Уровень техники
Газовые трубопроводы высокого давления используются для транспортирования природного газа. В некоторых случаях в объеме газа может присутствовать жидкость, которая может транспортироваться вдоль трубопровода вместе с газом. Обычно присутствие жидкости в газопроводе является нежелательным, и, следовательно, практическое значение имеет возможность выявить присутствие жидкости и предпочтительно непрерывно контролировать количество жидкости, присутствующей в трубопроводе (объем), а также расход жидкости через трубопровод (объемный расход жидкости). Ранее предпринимались попытки определения низких уровней содержания жидкости, но вызывают затруднения определенные проблемы, существующие для многих систем, использующих такие методы, как акустические, ультразвуковые, микроволновые, систем, в которых измеряется время пролета частиц, и лазерной триангуляции.
Выявление жидких фракций в трубопроводе может быть связано с определенными сложностями ввиду необходимости определять как высокую скорость, так и низкую скорость частиц и расходы жидкости. Отсюда следует, что для полной характеристики потока жидкости, если она присутствует, необходимо привлекать различные методы. Например, необходимо, чтобы в системах с газом высокого давления основной оптический элемент (смотровое стекло или смотровые стекла) оптических систем находился под непосредственным воздействием высокого давления в трубопроводе. В отношении оптических элементов в газовых трубопроводах существуют две проблемы, которые рассмотрены в заявках на выдачу патента, ранее поданных заявителем. Эти документы содержат, в частности, подробное описание смотрового стекла, снабженного вспомогательной защитной оболочкой, и системы триангуляции для определения толщины пленки жидкости на стенке трубопровода. Хотя описанные методы хорошо работают в сосудах высокого давления и в трубопроводах с газовым потоком с низкой скоростью, в случае присутствия жидкости в высокоскоростных газовых потоках капли жидкости захватываются газом и увлекаются вперед, что делает систему с лазерной триангуляцией или измерения расстояния оптическим методом подверженной высоким уровням шума, когда через поле зрения проходят капли. Подобным образом присутствие аэрозолей в газовом потоке приводит к высоким уровням шума.
Некоторые системы контроля трубопровода используют систему формирования изображений в трубопроводе, установленную на скребках для очистки трубопровода или небольших подвижных средствах контроля внутренней поверхности стенки трубопровода, служащих для выявления дефектных сварных швов, коррозии и других дефектов в трубопроводе.
Воплощения настоящего изобретения направлены на решение некоторых проблем, связанных с обнаружением жидкости в газопроводах.
Сущность изобретения
В соответствии с аспектом настоящего изобретения обеспечивается устройство для выявления присутствия жидкости в газопроводе высокого давления, содержащее:
смотровое стекло или смотровые стекла, обеспечивающие окно для прохождения света во внутреннюю часть трубопровода;
один или большее количество световых источников;
светочувствительный датчик для приема и измерения светового излучения отраженного от внутренней части трубопровода и прошедшего через смотровое стекло;
и процессор для автоматического определения присутствия жидкости на основе принятого отраженного света.
Благодаря такому выполнению может быть достигнуто автоматическое определение присутствия жидкости в газовом трубопроводе, исходя из результатов измерения отраженного света, которые, как можно ожидать, в случае присутствия жидкости отличаются от случая, когда жидкость отсутствует. Не требуется проведение какого-либо визуального контроля оператором - вместе с тем, данные любого процесса, относящегося к рассматриваемому вопросу, которые могут быть необходимы пользователю, могут храниться для последующего использования оператором или оперативной проверки, если это необходимо. Такая система, таким образом, позволяет определить скорость жидкости при низких содержаниях жидкости в газовых потоках высокого давления в трубопроводах.
В некоторых воплощениях различные режимы течения для жидкости в трубопроводе могут быть автоматически определены. Ни один из ранее предложенных методов не позволяет распознать различные режимы течения при низких содержаниях жидкости. Полагают, что метод визуального отображения работает лучше, чем другие методы, при низких объемных фракциях жидкости (LVF), поскольку этот тот случай, когда для других методов, таких как ультразвуковой или микроволновой, требуется очень высокая чувствительность.
Вообще, предлагаемое решение относится к газовым трубопроводам при высоких давлениях, которые содержат 90% объемной фракции газа (GVF) или более, а объемная фракция жидкости (LVF) составляет 10% или менее. Транспортирование потока газа по трубопроводу обычно побуждается разностью давлений между точкой входа и точкой выхода системы трубопроводов. Выявление жидкости в потоке влажного газа в газовых трубопроводах связано с определенными проблемами. Когда в газовом потоке уносятся небольшие количества жидкости, большое в процентном отношении количество этой жидкости попадает на стенку трубопровода и остается на этой стенке. Жидкость перемещается вдоль стенки, при этом течение жидкости происходит благодаря трению с газовой фазой. В горизонтальных трубопроводах при низких содержаниях жидкости обычно поток жидкости образует на поверхности стенки трубопровода пленку, которая стекает (за счет гравитации) в нижнюю часть периметра трубопровода. В трубопроводах меньшего диаметра и при более высоких давлениях, когда в газовом потоке имеется достаточное количество энергии, пленка может принимать форму кольцевого течения по всему периметру трубопровода. В трубопроводах большего диаметра, или при более низких расходах, пленка может стекать на дно трубопровода и образует медленно движущийся стабильный поток (гладкое расслоенное течение). Если содержание жидкости увеличивается, в потоке происходит переход к «волновому течению»: если толщина слоя жидкости в нижней части периметра трубопровода является достаточной, на поверхности потока появляются быстро движущиеся волны. Если расход жидкости увеличивается ещё больше, формируется режим «закупоривающего течения» и затем «пузырькового течения».
Существуют сложные режимы и картины течения, которые изменяются в зависимости от многих различных параметров, например, расхода жидкости, расхода газа, давления газа, плотности газа, плотности жидкости, вязкости жидкости, диаметра трубопровода и температуры. При низких уровнях расхода жидкости существует большая разность между скоростью газа и скоростью пленки или потока жидкости на поверхности стенки трубопровода.
Необходимо, чтобы любая система для выявления и проведения измерений этих режимов течения была очень чувствительной. Присутствие капель и аэрозолей в трубопроводе и их перемещение с высокой скоростью могут вызвать помехи в системах для измерения расхода или толщины слоя жидкости.
Предложенные устройство и способ обеспечивают непрерывный контроль течения жидкости и автоматически определяют возникновение различных режимов течения жидкости при низких уровнях расхода жидкости в трубопроводных системах высокого давления. Диаметр этих трубопроводов может изменяться в диапазоне от 2′′ до 48′′ и более. Данные, полученные с помощью предложенного устройства, могут быть использованы для определения объемного расхода жидкости, а также могут быть использованы вычислительным устройством для вычисления расхода с целью повышения точности других устройств для измерения расхода газа. Такое устройство может также определять размер, объем и скорость капель жидкости, уносимых в потоке газа, и аэрозолей меньшего размера, и позволяет вычислить общий расход жидкости в системах с влажным газом. Устройство может быть использовано, чтобы уведомить операторов об уносе жидкости в обычно сухом газовом потоке, поступающем, например, из газожидкостного сепаратора, или для обнаружения и измерения жидких фракций во влажном газовом потоке.
Определена система для детектирования и получения характеристик потоков жидкости в трубопроводах при низких содержаниях жидкости и потоках влажного газа, используя систему освещения, получения изображений или детектирования света и потоков жидкости в трубопроводе высокого давления. Можно измерить объем жидкости и поверхностную скорость жидкости. Путем измерения скоростей и геометрических параметров потока жидкости с целью получения характеристик жидкости, находящейся на поверхности стенки трубопровода или уносимой в газовом потоке, и находящейся в виде аэрозоли, можно вычислить общий расход жидкости. Может быть также проведен расчет трехмерного потока жидкости на поверхности стенки трубопровода, используя алгоритмы для вычисления общего расхода, исходя из поверхностных скоростей жидкости в нижней части периметра трубопровода.
Воплощения настоящего изобретения могут быть в особенности эффективными в тех случаях, когда трубопровод или ёмкость содержит горючий газ и/или природный газ высокого давления, что делает более распространенные методы опасными для применения и, следовательно, неприемлемыми.
Подробное описание изобретения
Изобретение далее будет раскрыто на примере со ссылками на следующие чертежи.
Фиг. 1 - схематическое изображение системы детектирования жидкости, смонтированной на боковой трубе, которая отходит перпендикулярно от горизонтального газового трубопровода.
Фиг. 2 - схематическое изображение системы детектирования жидкости, смонтированной на боковой трубе, которая отходит под углом от горизонтального газового трубопровода.
Фиг. 3 - схематическое изображение системы детектирования жидкости, смонтированной на боковой трубе, которая отходит под углом вверх от вертикального газопровода.
Фиг. 4 - схематическое изображение системы детектирования жидкости, использующей источник света, который смещен относительно оси детектирования светового излучения.
Фиг. 5 - схематическое изображение системы детектирования жидкости, содержащей устройство для освещения, которое испускает свет в зону, находящуюся за пределами поля зрения приемника светового излучения, для обнаружения аэрозолей или тумана, присутствующих в газовом трубопроводе.
Фиг. 6 - схематическое изображение использования ряда источников света для испускания света за пределами поля зрения приемника светового излучения.
Фиг. 7 - схематическая иллюстрация примера изображения режима рассредоточенного течения.
Фиг. 8 - схематическая иллюстрация примера изображения пузырькового режима течения.
Фиг. 9 - схематическая иллюстрация примера изображения гладкого расслоенного режима течения.
Фиг. 10 - схематическая иллюстрация примера изображения волнового расслоенного режима течения.
Фиг. 11 - схематическая иллюстрация примера изображения частично кольцевого режима течения.
Фиг. 12 - схематическая иллюстрация примера изображения полностью кольцевого режима течения.
Фиг. 13 - схематическая иллюстрация примера изображения распределения скорости поперек толщины гладкого расслоенного потока.
Фиг. 14 - схематическое изображение системы детектирования жидкости.
О
О
На фиг. 1 представлен пример оптической системы 1, установленной позади смотрового стекла или стекол 2 на достаточном расстоянии (0,2 м или более) от основного потока в трубопроводе 4, чтобы на стеклах 2 по существу не осаждались примеси, которые могут присутствовать в основном потоке текучей среды. Смотровое стекло используется для создания окна для прохождения света во внутреннюю часть трубопровода, который обычно находится под высоким давлением. Оптическая система 1 через это окно «видит» внутреннюю часть газового трубопровода. В частности, смотровое стекло 2 установлено на конце боковой трубы 3, которая отходит от основного трубопровода 4. В системе с горизонтальным трубопроводом боковая труба обычно расположена над основным трубопроводом, причем или непосредственно над основным трубопроводом или проходит вверх под углом от этого трубопровода. Однако в принципе боковая труба может быть расположена с одной боковой стороны или с другой боковой стороны основного трубопровода, или даже ниже его, хотя такие воплощения могут быть подвержены повышенному загрязнению смотрового стекла жидкими фракциями вследствие действия гравитации на жидкие фракции, транспортируемые вдоль основного трубопровода. Оптическая система 1 может быть также смонтирована под углом к основному трубопроводу 4 (например, боковая труба может быть расположена под углом 30 или 45 относительно основного трубопровода), как показано на фиг. 2, обеспечивая тем самым большее поле зрения для оптической системы 1. При этом можно легко прийти к выводу, что поле зрения (FOV2) на фиг. 2 больше, чем поле зрения (FOV1) на фиг. 1. В данном контексте следует понимать, что термин «поле зрения» означает участок (размер этого участка) трубопровода, который способно «видеть» оптическое устройство. За счет большего поля зрения оптическая система может работать на большем «объеме выборки» информации. С другой стороны, в воплощении на фиг. 2 может потребоваться более сложная обработка полученных изображений для того, чтобы сделать поправку на геометрическое искажение изображения вследствие наклона трубы, и кроме того, вероятно, что количество светового излучения, отраженного от внутренней части газового трубопровода (испускаемого источником света, входящим в состав оптической системы 1) меньше в том месте, где свет падает на внутреннюю поверхность трубопровода/поверхность жидкости в трубопроводе под углом, а не перпендикулярно. Предпочтительно, как показано на фиг. 2 стрелкой направления, боковая труба 3 выступает в обратном направлении относительно направления потока текучей среды в основном трубопроводе, чтобы избежать (или, по меньшей мере, уменьшить вероятность) подъема жидкости вверх по боковой трубе 3. На фиг. 3 представлена вертикальная система с трубой, содержащая основной трубопровод 4, оптическую систему 1, смотровое стекло 2 и боковую трубу 3. Боковая труба в этом случае может быть расположена, как и на фиг. 2, под углом, например, 30° или 45° к основному трубопроводу, или может быть расположена перпендикулярно, как на фиг. 1. Газовый поток в вертикальном трубопроводе может перемещаться в любом направлении.
Оптическая система
В самом простом случае простой источник света может испускать свет вниз по боковой трубе 3 в основной трубопровод 4, в то же время уровень отраженного света определяет обычный фотодетектор. В том случае, если никакая жидкость вниз по потоку по трубопроводу не транспортируется, можно ожидать, что уровень отраженного света сохраняется относительно одинаковым. Если же жидкость в трубопроводе присутствует, транспортируется вниз по потоку и при этом проходит мимо выходного отверстия боковой трубы, то можно ожидать, что уровень отраженного света значительно изменяется (вследствие эффекта «мерцания», обычно производимого, когда свет падает на движущуюся жидкость). Величина расхождения результатов может быть показателем присутствия жидкости или количества жидкости, находящейся в трубопроводе. Если величина отклонения расхождения превышает пороговую величину, то может быть констатировано, что в газопроводе находится жидкость или в газопроводе находится слишком много жидкости. Представляется возможным, с ограниченной степенью точности, определить предполагаемый режим течения, исходя из изменения уровня света, воспринимаемого фотодетектором. Помимо этого, обычно (но не всегда) присутствие жидкости, вполне возможно, изменяет средний уровень отраженного света, например, в зависимости от свойств отражения жидкости, в сравнении с характеристиками отражения внутренней поверхности стенки трубопровода. Следовательно, уровень света как таковой (усредненный по числу проводимых измерений) подобным образом может быть использован в качестве индикатора присутствия жидкости, и в том случае, если необходимо автоматическое определение присутствия жидкости, уровень света может быть сопоставлен с пороговым значением для того, чтобы определить, присутствует ли в газовом трубопроводе слишком большое количество жидкости.
Однако можно обеспечить много более надежную оценку характера течения жидкости в газовом трубопроводе, если вместо или наряду с простым фотодетектором используется формирователь изображения, например, камера. Методы обработки полученных изображений могут быть использованы для определения режима течения жидкости в трубопроводе, а также для получения расчетной величины объема жидкости и объемного расхода жидкости в трубопроводе, на результаты расчета которых может оказывать влияние режим течения. Кроме того, повышение эффективности работы фотодетектора или формирователя изображения может быть достигнуто за счет использования более совершенного источника света, как это будет описано ниже.
Оптическая система 1 содержит систему освещения, которая может быть монохроматической или работающей на ряде длин волн, включая видимые, инфракрасные (IR), ультрафиолетовые (UV) частоты и частоты в терагерцовом диапазоне, в зависимости от свойств непрерывно контролируемой текучей среды и режима течения измеряемой текучей среды. Если принимающие оптические системы способны отфильтровывать определенные длины волн, использование нескольких источников света, работающих на различных длинах волн, позволяет одновременно использовать разнообразные методы для того, чтобы отличить и измерить различные виды режимов течения. В дополнение к длинам волн источники освещения могут производить один луч или комбинацию сфокусированных лучей определенной формы, например, пятна, линии, сетки или другие структуры, что обеспечивает возможность идентификации и измерения различных режимов течения. В частности, при направлении света с определенной структурой в газовый трубопровод эта структура может быть искажена вследствие присутствия в газовом трубопроводе жидкости, и это искажение может быть выявлено в полученном изображении (путем сравнения положения структуры освещения в снятом изображении с ее ожидаемым положением при отсутствии в газовом трубопроводе какой-либо жидкости) и использовано для вывода относительно присутствия жидкости и типа режима течения. Например, внутренняя стенка газового трубопровода, как правило, имеет криволинейную поверхность, в то же время можно ожидать, что поток жидкости, протекающей вдоль нижней части периметра трубопровода, при низких скоростях течения жидкости имеет относительно плоскую поверхность. Наличие плоской поверхности в таком потоке может быть выявлено, исходя из искажения структуры освещения.
Выявлению характерных особенностей потока жидкости может способствовать использование коллимированного или неколлимированного излучения. Неколлимированное излучение может быть использовано для определения границ потока, возможно с использованием коллимированного излучения для определения скорости или относительных скоростей жидкости поперек ширины потока жидкости. В данном случае может быть использована доплеровская спекл-контрастная визуализация. Определение профиля скорости по ширине потока позволяет более точно определить объемный расход, и поскольку жидкость перемещается только под действием потока газа, по данным скорости жидкости может быть определено относительное содержание газ-жидкость. Определение отношения скоростей иллюстрируется на фиг. 13 измерением скоростей 15 текучей среды поперек потока 10 жидкости.
Хотя источник освещения может находиться на одной линии с камерой, некоторое преимущество может быть достигнуто за счет смещения источника 5 освещения (в данном случае оптического волокна), линзы 6 и зеркала 5b из оптической системы 1, как показано на фиг. 4, что создает, таким образом, тени и лучший контраст на протекающих жидкостях. Источник излучения 5 может быть также защищен с помощью защитного слоя материала 5а. Использование поляризованного света и поляризационных фильтров дает возможность определить наличие жидких фракций, поскольку свет, отраженный от поверхности, будет изменять свои характеристики поляризации.
Когда поляризационный фильтр расположен под правильным углом относительно падающего света, можно наблюдать только свет, отраженный от жидкости, и уменьшаются отражения света, которые могут препятствовать анализу изображения при использовании одной или большего числа камер или систем формирования изображений.
В оптической системе предпочтительным может быть использование линзы типа жидкостной линзы или мембранной. Использование жидкостной или мембранной линзы дает много преимуществ по причине их небольшого размера, надежности и безопасной эксплуатации в зонах повышенной опасности. Кроме того, эта линза может быть использована для изменения в короткое время фокусного расстояния, и, таким образом, для быстрого изменения глубины фокусного сканирования. В таком воплощении линза жидкостного или мембранного типа может быть использована для определения количества аэрозолей поперек диаметра трубопровода и их классифицирования, чтобы получить более полную картину распределения частиц аэрозолей.
Система 5 освещения может быть также использована для высвечивания аэрозолей и капель, взвешенных в газовом потоке, что может быть достигнуто путем проецирования и фокусирования кольца или линий за пределами поля зрения (из точки наблюдения), если смотреть непосредственно сверху. Это позволяет избежать негативного влияния света, отраженного от жидкости на стенке трубы, на свет, отраженный от капель и аэрозолей. Фиг. 5 иллюстрирует формирование светового кольца с помощью источника 5 освещения и линз или подобного средства 6, фокусирующего кольцо света в точке 7 в пределах вертикального участка системы 3 так, что световое кольцо проецируется на дно трубопровода за пределами поля зрения, если смотреть сверху. Для сокращения или совмещения светового пути, что может быть необходимо при монтаже других оптических элементов, могут быть использованы зеркала, светоделительные пластины и другие оптические элементы. Фиг. 6 иллюстрирует альтернативное воплощение, в котором может быть использовано два (или более) источников света для проецирования пятен, линий или других форм так, чтобы они проецировались вне поля зрения устройства, формирующего изображение. Как было отмечено выше, ожидаемая структура освещения может быть искажена потоком жидкости (уплощенный участок), возмущениями в потоке (пульсации жидкости/участки подъема или более широкие участки потока), кольцевой формой течения и т.д.
При высокой скорости газа, например, 10 м/с, что равняется также 10 мм/мс, для получения резких изображений капель и частиц камера должна работать с высокими частотами смены кадров при непрерывном излучении. Это позволяет получить для анализа большое количество изображений. Альтернативная и предпочтительная система предполагает работу камеры при более низких частотах смены кадров и представляет собой систему освещения, модулированную (или импульсную) с высокой скоростью (многократно) в пределах каждого кадра. Система освещения может быть настроена так, чтобы давать яркий свет (вспышку) только один раз на кадр. Однако когда освещение производит вспышку два или три раза на кадр, каждый кадр можно анализировать для определения скорости частиц и капель в пределах кадра и от кадра к кадру. В частности, если система освещения дает вспышку света многократно в пределах одного кадра, определенная капля может многократно появляться в пределах одного кадра, когда она проходит через поле зрения устройства, формирующего изображение. Расстояние между каждым событием капли в пределах кадра является показателем скорости этой капли.
Газ и жидкие фракции на поверхности стенки трубопровода перемещаются с весьма различными скоростями, и использование разнообразных систем освещения и захвата изображений позволяет выявить высокоскоростные частицы, взвешенные в газовой фазе, а также медленные жидкие фракции и твердые частицы, движущиеся по поверхности стенки трубопровода или на поверхности потока жидкости.
Система формирования изображений
Оптическая система спроектирована с возможностью создания изображения всего доступного поля обзора в основном трубопроводе 4 , при этом анализ такого изображения позволяет определить характеристики всего потока жидкости. Обработка изображения может быть использована для определения размера фиксированных точек в изображении (например, выходное отверстие боковой трубы), чтобы обеспечить пропорциональное измерение других представляющих интерес объектов в изображении. Если в трубопроводе присутствует жидкость, посредством обработки изображений можно определить, какой тип течения жидкости из указанных ниже существует, если расход газа превышает расход жидкости.
Используя методы обработки изображений, можно определить различные режимы течения. Основными рассматриваемыми режимами течения являются рассредоточенное (распределенное) течение, течение с крупными каплями (Beaded flow), гладкое расслоенное течение, волновое расслоенное течение, кольцевое течение (полностью или частично), закупоривающее (slug flow) и пузырьковое течение. Ниже дано описание каждого из этих потоков, касающееся их характеристик. Кроме того, описаны характеристики изображений, которые могут быть использованы для того, чтобы определить режимы течения и установить различие между этими режимами.
Рассредоточенное течение
Крайне низкие расходы жидкости производят капли, уносимые газовым потоком и осаждающиеся на поверхности стенки трубопровода. Эти капли можно наблюдать с помощью системы, формирующей изображения. Фиг. 7 иллюстрирует изображение рассредоточенного течения капель жидкости, отснятое с вертикального участка 3. Диаметр нижней границы вертикального участка 8 заранее известен и может быть использован в качестве базовой величины. В хорошо освещенной системе, формирующей изображения, компьютеризованной системой обработки изображений может быть установлено появление капель и выявлено существование рассредоточенного течения, после чего упомянутая компьютеризованная система может активировать измерительную систему для определения диаметра каждой капли. Можно провести оценку общей области с жидкостью и её объема, чтобы вычислить содержание жидкости в трубопроводе. Может быть также рассчитана (в качестве показателя расхода жидкости) и зарегистрирована скорость, с которой с течением времени увеличивается (или уменьшается) размер капель и их количество.
Течение с крупными каплями
При рассредоточенном течении (см. фиг. 8) капли являются неподвижными и разрозненными. В отличие от этого случая, в режиме с крупными каплями отдельные капли 100 проявляют тенденцию к объединению друг с другом и перемещению вдоль стенки трубопровода в направлении движения газового потока (и под действием этого газового потока). Уровни расхода жидкости для течения с крупными каплями очень низкие. Как и в случае рассредоточенного течения, может быть вычислен диаметр каждой капли, и в заданное время могут быть рассчитаны общая площадь с жидкостью и общий объем жидкости. Для расчета величины расхода жидкости может быть также использована cкорость, с которой капли перемещаются вдоль стенки трубопровода. Следует понимать, что режим двухфазного течения может представлять собой комбинацию рассредоточенного течения и течения с крупными каплями, т.е. некоторые капли появляются на стенке в соответствии с рассредоточенным течением, в то же время другие капли объединяются друг с другом и/или перемещаются вдоль стенки. В этом случае объемы и расходы жидкости можно определить из комбинации скорости, с которой увеличиваются размер капель и их количество, и скорости, с которой капли перемещаются вдоль стенки трубопровода.
Гладкое расслоенное течение
В этом случае в нижней части периметра трубопровода устанавливается стабильный поток жидкости с незначительной турбулентностью на поверхности. В этом режиме существует большая разность или «проскальзывание» между потоками газа и жидкости. Фиг. 9 иллюстрирует гладкое расслоенное течение. Система обработки изображений способна определить границы потока по контрасту между жидкостью и поверхностью стенки трубопровода. Система обработки изображений позволяет также определить среднюю ширину потока, используя, например, фиксированные точки (например, выходное отверстие боковой трубы 3) в качестве базового размера. При известности диаметра 4 основного трубопровода толщина и площадь потока жидкости может быть вычислена по результатам измерения ширины потока для оценки объемного содержания жидкости в трубопроводе. Если на поверхности потока жидкости наблюдаются пузырьки и твердые частицы, их скорость можно определить по анализу изображений на большом числе кадров или на одном кадре, если система освещения модулирована с частотой, которая больше частоты смены кадров. В качестве альтернативы, если для освещения используется лазер, то для определения расходов жидкости, протекающей через поле зрения, может быть использована вышеупомянутая допплеровская спекл-контрастная визуализация. Можно определить профиль скорости поперек потока жидкости, в средней части которого текучие среды перемещаются быстрее, чем на границах. После проведения расчета полученный двумерный профиль скорости может быть применен к трехмерному течению потока жидкости в нижней части периметра трубопровода, и можно рассчитать общий расход жидкости потока.
Для гладких расслоенных течений ширина потока может быть установлена путем сопоставления на изображении известных ориентиров (например, диаметр вертикальной трубы) с видимой шириной потока и применения геометрии, исходя из известного диаметра этой трубы. После установления ширины потока, могут быть вычислены толщина и поперечное сечение слоя жидкости для определения объемного содержания жидкости в трубопроводе или объема жидкости в сравнении с объемом газа.
Кроме того, можно определить распределение скорости поперек поверхности потока по результатам анализа смещения положения частиц между модуляциями света или между кадрами.
После определения профиля поверхностной скорости, он может быть применен к трехмерному течению для расчетной оценки общего объемного расхода жидкости. Преимущество такой оценки заключается в использовании реального профиля скорости, который будет изменяться с расходом газа, плотностью жидкости и вязкостью жидкости.
Волновое расслоенное течение
Когда толщина слоя жидкости в нижней части периметра трубопровода и трение между газом и жидкостью являются достаточными, в нижней части периметра трубопровода вдоль потока жидкости, по её поверхности, с высокой скоростью перемещаются волны или импульсы.
Фиг. 10 иллюстрирует волновой режим течения. Волна 12 жидкости перемещается по поверхности жидкости, периодически увеличивая ширину (и толщину) потока жидкости. После выявления, с помощью системы формирования изображений, волнового течения, размер волн, их частота и продолжительность могут быть использованы в дополнении к измерению ширины для определения объемного содержания жидкости в трубопроводе и расхода жидкости.
Кольцевое течение
В случае протекания достаточного количества жидкости и наличия достаточного количества энергии в газовом потоке жидкость может подниматься вверх по периметру окружности стенки трубопровода, как это показано на фиг. 11. В этом случае границы потока находятся вне поля зрения устройства для формирования изображения и поэтому не могут быть видны и использованы для определения объема и расхода жидкости. Однако видимая часть профиля скорости (изменение скорости жидкости по ширине потока) может быть использована для оценки ширины потока или для непосредственного расчета объема и расхода жидкости. Этот профиль скорости может быть использован для определения изменения толщины слоя жидкости по ширине потока. Хотя эти потоки могут находиться за пределами поля зрения, упомянутая толщина жидкости может быть определена по измерению профиля скорости в нижней части периметра трубопровода, и в одной или большем числе точек, находящихся в поле зрения.
Для определения толщины слоя жидкости поперек поля зрения может быть использована система сканирования LIDAR малого радиуса действия. Здесь источник когерентного освещения под углом к направлению течения жидкости может проецировать линию на нижнюю часть периметра стенки трубопровода. При поступлении жидкости в трубопровод перемещение указанной линии может быть использовано для определения толщины потока жидкости. Такие методы часто являются неточными при повышенном давлении вследствие изменений показателя преломления для газа, находящегося над потоком жидкости. Однако при сканировании поперек поля зрения для учета этой проблемы могут быть использованы выбранные для сравнения ориентиры, а также учтены погрешность измерения и существование какого-либо «марева», миража (аномальной рефракции света) или других эффектов преломления. В качестве альтернативы, на поверхности жидкости может быть идентифицирована высокочастотная рябь и использована системой обработки изображений для определения типа режима течения и расхода жидкости, протекающей через поле зрения.
Полностью кольцевое течение
В трубопроводах меньшего диаметра в газовом потоке может быть достаточное количество энергии, и количество жидкости может быть достаточным для покрытия всего внутреннего периметра стенки трубопровода. Пример поверхности жидкости, наблюдаемой в таком режиме, можно видеть на фиг. 12. Жидкость с низкой плотность имеет тенденцию к формированию полностью кольцевого течения. Следует отметить, что для режима частично кольцевого течения изменение скорости жидкости поперек полученного изображения потока будет больше, чем в случае режима полностью кольцевого течения. Это можно видеть из сравнения изображений на фиг. 11 и 12. Для определения или содействия в определении режима течения и расхода могут быть использованы LIDAR малого радиуса действия и доплеровская спекл-контрастная визуализация.
Закупоривающее течение
При более высоких расходах жидкости волны в потоке жидкости становятся достаточно высокими и перекрывают весь диаметр трубопровода, и, следовательно, перемещаются вниз по ходу течения в трубопроводе с высокой скоростью. Этот режим течения можно выявить при подъеме жидкости вверх в вертикальном участке системы, когда через него проходит столб жидкости. Это хорошо видно на полученном изображении. Указанная особенность режима течения может быть автоматически обнаружена разными путями. Например, при подъеме жидкости вверх, в вертикальный участок, отчетливые края выходного отверстия боковой трубы 3 становятся не четкими. В качестве альтернативы, структура освещения, направленного внутрь газового трубопровода, будет в значительной степени искажаться каждый раз при подъеме воды в вертикальном участке вверх.
Пузырьковое течение
В случае ещё больших расходов жидкости газовая фаза принимает вид пузырьков, находящихся в объеме жидкости. В случае прозрачных жидкостей можно провести расчетную оценку объема газа путем анализа полученных изображений. При реализации вышеупомянутых режимов течения можно анализировать последовательные изображения или отснятые кадры, для которых момент времени освещения известен и контролируется, и в результате можно определить скорость жидкости в ряде точек по ширине потока. При более высоких уровнях расхода жидкости можно также определить скорость газовых пузырьков, чтобы сделать предварительную расчетную оценку расхода и идентифицировать режим течения.
Аэрозоль
Если часть системы освещения, работающая на другой длине волны, устроена так, что профилированный луч проецируется на нижней части периметра трубопровода вне поля зрения, или вне исследуемого участка, это устраняет возможность нежелательного влияния света, отраженного от нижней части периметра трубопровода (или жидкости, находящейся на нижней части периметра трубопровода), на энергию света, отраженного от аэрозоля, находящегося в газовом потоке, и результаты измерения отраженного от аэрозоля света. Это позволяет определить, будет ли газ насыщен по отношению к водяному пару или углеводороду, и, следовательно, находится ли газ при температуре конденсации (или выше этой температуры). Может быть также вычислен показатель содержания аэрозоля в газовом потоке. Указанными аэрозолями могут быть жидкие фракции, твердые фракции или гидраты. Следует отметить, что для измерения содержания аэрозоля в трубопроводе может быть использована вышеупомянутая система LIDAR. Такая система LIDAR может использовать, по меньшей мере, одну жидкостную линзу или мембранную линзу, что обусловлено свойством таких линз быстро производить перефокусировку. Вторая жидкостная линза может быть установлена на камере, чтобы обеспечить быстро изменяемую глубину области сканирования.
Туман
В газопроводах высокого давления, по определению, плотность газа выше, чем в трубопроводах атмосферного давления. При высоком давлении плотность изменяется с температурой в значительно большей степени, и туман при высоком давлении появляется при более низкой разности температур, чем при атмосферном давлении. Благодаря изображению всего поля зрения, которое включает выбранный фиксированный элемент (в частности, объект 8 на фиг. 4), можно распознать туман и скорректировать процесс обработки изображения. Это обусловлено тем, что фиксированные объекты-ориентиры будут появляться на изображении и смещаться вследствие присутствия тумана, и его возникновение и величина смещения могут быть использованы для установления наличия тумана и определения величины искажения, вызванного этим туманом. Если источник света имеет форму пятна, линии или линий, сетки или матрицы из пятен, это также может способствовать установлению наличия тумана, измерению и принятию во внимание эффектов тумана на полученных изображениях. Это связано с тем, что проецируемые пятно, линия, сетка или матрица будут искажены (смещены) относительно их ожидаемого положения в пределах кадра изображения, показывающего присутствие тумана. Кроме того, величина искажения изображения отражает количество тумана. В связи с детектированием тумана алгоритмы обработки изображений могут быть скорректированы, чтобы учесть наличие тумана. Например, если картина пятен, линий или сеток искажена относительно ожидаемой формы, то к этому изображению с учетом присутствия тумана может быть применено инверсное (противоположного характера) геометрическое искажение. Хотя в большинстве измерений используется одна камера, сравнение или субтракция изображений могут производиться путем изменения метода освещения между кадрами, или если используется более чем одна камера, применяется, например, система поляризованного светового излучения. Анализ изображений может осуществляться в системе, работающей в реальном времени или близко к реальному времени для того, чтобы произвести измерения жидкости и сигналы оповещения. В качестве альтернативы, если полученные данные сохранены, изображения могут быть проанализированы позднее.
Метаданные
Изображения картины течения в газопроводе высокого давления могут быть переданы операторам в реальном времени или сохраняются для их анализа, проводимого позднее. Полученные изображения могут быть совмещены или скореллированы с другими данными. К этим изображениям могут быть добавлены данные обработки и другие данные, чтобы обеспечить их использование в качестве информации, касающейся определенного трубопровода, полученной в определенное время или на определенную дату. К изображению во время обработки могут быть добавлены данные относительно времени, даты, места съемки, температуры, давления газового потока, расхода жидкости и другие необходимые данные, чтобы облегчить просмотр изображений инженерам или другим специалистам, имеющим отношение к данному вопросу, для получения информации, позволяющей выработать решения по автоматическому управлению обработкой данных или указывающей на неприемлемый расход жидкости. В газодобывающей промышленности для покупателя газа может быть желательным иметь возможность отказаться от газа, физико-химические свойства которого являются неприемлемыми. Например, если покупатель оплачивает подачу сухого природного газа, присутствие значительных количеств жидкости в подающем газопроводе может быть для покупателя неприемлемым и поводом для отказа в поставке газа или компенсации. Информация, полученная при сохранении метаданных или связывании их с изображениями, может быть использована для подтверждения этой ситуации.
Фиг. 14 иллюстрирует систему, использующую некоторое количество источников света. Один или большее количество источников света могут быть использованы для освещения поля зрения, или части поля зрения, из различных углов и/или при различных длинах волн. Для получения данных и изображений могут быть использованы одна или большее количество камер или детекторов. Контроллер для изображений может изменять частоту кадров в системе камер и частоту модуляции системы освещения от непрерывной до высокочастотной модуляций. Система обработки изображений будет анализировать кадры или изображения, чтобы определить режим течения и провести соответствующие измерения на основании изображений для определения характеристик потока, например, содержания жидкости, ширины потока жидкости, толщины слоя жидкости, поперечного сечения жидкости, объемного содержания жидкости в трубопроводе, режима течения и расхода. Визуальные изображения потоков в трубопроводе, а также измерения их основных характеристик позволяют операторам понять (и проверить) информацию, которая передается системами оповещения.
Начало формирования различных режимов течения изменяется благодаря многим различным переменным величинам. Важно понимать, что изменение режима течения как такового обуславливает изменение типа измерения, необходимого для определения расхода. Режим течения является также показателем различных уровней расхода жидкости.
Комбинирование измерений жидкости, присутствующей на поверхности стенки трубопровода и находящейся в аэрозоли, обеспечивает возможность получения более точной расчетной оценки общего расхода жидкости.
Система освещения и формирования изображений предназначена для автоматического определения присутствия и величины объема и расхода жидкости в газопроводе высокого давления. Указанная система способна автоматически производить измерения при реализации различных режимов течения жидкости в потоке текучей среды. Модулированное излучение различных источников коллимированного и поляризованного света может способствовать детектированию и измерению потока текучей среды.
Режим течения потоков жидкости в трубопроводах большого диаметра зависит от многих факторов и затруднительно точно определить его посредством компьютерного моделирования динамики течения (CFD). Большинство испытательных контуров для изучения поведения многофазных потоков в настоящее время содержат трубопроводы диаметром 2'' или 3'', обычно менее 8'', а моделирование используется для определения режима течения в трубопроводах большего диаметра и с использованием жидкостей, которые имеют различную плотность и вязкость. Точность этих моделей в трубопроводах диаметром 12'' и более не внушает доверия. В результате использования данных визуальных наблюдений, полученных в рассмотренной системе, можно определить количественную величину расхода жидкости, и эти данные могут быть использованы также при создании моделей CFD, или они могут быть использованы операторами, покупателями и продавцами газа для определения качества этой текучей среды в приемо-сдаточных пунктах для того, чтобы установить (подтвердить) её безопасность и пригодность для ввода в сеть трубопроводов.
Примечание переводчика: используемый в описании изобретения термин «метаданные» означает информацию о другой информации или данные, относящиеся к дополнительной информации о содержимом или объекте.