КОВШОВЫЙ СЧЁТЧИК КОЛИЧЕСТВА ЖИДКОСТИ И ПОПУТНОГО НЕФТЯНОГО ГАЗА В ПРОТЕКАЮЩЕЙ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
BUCKET METER OF LIQUID AND ASSOCIATED PETROLEUM GAS IN A FLOWING GAS-LIQUID MIXTURE

Изобретение относится области измерительной техники и может быть использовано для измерений массового расхода сырой нефти и ее компонентов (нефти, газа и пластовой воды).
Известен ковшовый счетчик количества жидкости в протекающей газожидкостной смеси, содержащий горизонтально расположенный цилиндрический корпус и размещенный в нем измерительный блок, включающий: герметично присоединенную к торцевой поверхности корпуса крышку и опору; расположенные между ними с возможностью свободного качания и связанные общим ребром и общей боковиной два призматических ковша треугольного сечения со своими грузоуравновешиваемыми измерительными камерами внутри, поочередно заполняемыми учитываемой жидкой смесью и сливаемой из них с фиксацией количества сливов, каждый со своим грузом, уравновешивающим по весу массу жидкости в объеме заполненной измерительной камеры ковша и вызывающим его поворот: одной - примыкающей к крышке, а другой - примыкающей к опоре; а также соединяющие крышку и опору шпильки, ограничивающие повороты ковшей и расположенные параллельно оси корпуса; а также связанные с корпусом счетчика коллекторы, один из которых предназначен для подвода газожидкостной смеси во входное устройство, другой - для отвода из корпуса учтенной жидкой смеси с расположенным в нем датчиком плотности учтенной жидкой смеси (П.П. Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. - Ленингр.: Машиностроение, 1975).
Этот известный счетчик количества газожидкостной смеси позволяет снизить погрешность измерения ее расхода, вызываемую изменением плотности учитываемой счетчиком газожидкостной смеси, за счет ориентирования заполненной ею измерительной камеры каждого ковша таким образом, что центр тяжести массы этой жидкости в ней перемещается по биссектрисе угла при вершине равнобедренного треугольника.
Недостатки этого известного ковшового счетчика количества газожидкостной смеси заключаются в большой погрешности измерений, а также их ненадежности, характеризующейся невоспроизводимостью результатов этих измерений, так как:
- масса учитываемой смеси в отмериваемой ковшами уравновешиваемой массе заливаемой в корпус измерительного блока счетчика смеси непостоянна и-за присутствия в ней неопределенного количества неучтенного попутного газа, а также из-за внедрения в ее отмеряемую массовую дозу того газа, который ранее освободился из газожидкостного потока, заливаемого в корпус счетчика;
- в процессе заполнения ковшей потоком смеси часть ее разбрызгивается и уходит за пределы ковшей в нижнюю часть корпуса, оказываясь неучтенной;
- непостоянство массы жидкости в отмериваемой ковшами грузоуравновешенной массе заливаемой в ковши смеси, а также неучтенное ее количество, разбрызгиваемое при наливе в ковши, способны приводить к излишнему подъему уровня жидкости в нижней части корпуса счетчика, регулируемого поплавком, управляемым через систему рычагов клапаном, расположенным на впускном сопле счетчика, что, в свою очередь, усложняет конструкцию узла, управляющего клапаном, и, как следствие, усложняет конструкции самого счетчика;
- расположение приборов учета параметров смеси: температуры, давления, плотности и ее химического состава, за пределами этого известного счетчика не решает проблему снижения погрешности измерений ее расхода, т.к., учитывая динамику потока сырой нефти, результаты измерений на каждый момент времени отражают параметры разных протекающих доз смеси, не обеспечивая, тем самым, надежность измерений счетчика, т.е. их воспроизводимость, и, как следствие, их большую погрешность;
- кроме того, этот известный счетчик не соответствует действующим правилам учета нефти, обязывающим при добыче нефти, подготовке, транспортировке и переработке, потреблении нефти, принятой от третьего лица, учитывать влияние на точность измерений не только таких параметров нефти, как температура и давление, но и наличие в ней свободного и растворенного газа, а также порядок определения ее плотности (Постановление Правительства РФ №451 от 16 мая 2014 г. «Об утверждении Правил учета нефти»).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является ковшовый счетчик количества жидкости и попутного нефтяного газа в протекающей газожидкостной смеси, раскрытый в патенте на полезную модель №154443, опубл. 27.08.2015 и содержащий:
• измерительный блок, размещенный в своем горизонтально расположенном цилиндрическом корпусе и включающий: герметично присоединенную к торцевой поверхности корпуса крышку и опору; расположенные между ними с возможностью свободного качания и связанные общим ребром и общей боковиной два призматических ковша треугольного сечения со своими грузоуравновешиваемыми измерительными камерами внутри, поочередно заполняемыми учитываемой жидкой смесью и сливаемой из них, и со своими боковыми пластинами с грузом, уравновешивающим по весу массу жидкости в объеме заполненной измерительной камеры ковша и вызывающим его поворот: одной - примыкающей к крышке, а другой - примыкающей к опоре; а также соединяющие крышку и опору шпильки, ограничивающие повороты ковшей и расположенные параллельно оси корпуса измерительного блока, и по меньшей мере один магнит, фиксирующий каждый слив ковшей и размещенный на примыкающей к крышке боковой пластине, а также связанные с ним датчики, расположенные на крышке счетчика с ее внешней стороны,
• узел сепарации, сформированный из входного устройства для залива газожидкостной смеси в измерительные камеры ковшей и охватывающей его воронки с удерживаемым под ним на ее внутренней поверхности отбойником потока газожидкостной смеси;
• коллекторы, один из которых предназначен для подвода газожидкостной смеси во входное устройство, другой - для отвода из корпуса учтенной жидкой смеси с расположенным в нем датчиком плотности учтенной жидкой смеси; а третий - газовый коллектор для отвода газа, отделенного от газожидкостной смеси;
• эжектор, установленный в выходном коллекторе счетчика и связанный с газовым коллектором;
• а также блок, информационно связанный со всеми датчиками счетчика и рассчитывающий количество жидкости в протекающей газожидкостной смеси и выводящий эти показания на обозрение.
Этот наиболее близкий к заявляемому техническому решению счетчик позволяет снизить погрешность измерений и повысить их надежность, характеризующуюся воспроизводимостью результатов измерений, за счет создания условий, обеспечивающих предварительное сепарирование поступающей в счетчик смеси и отделение от смеси попутного газа перед ее заливом в ковши измерительного блока использованием перфорированного отбойника и воронки, что, как следствие, приближает значение массы учитываемых жидких доз газожидкостной смеси, отмериваемых каждым ковшом, к постоянному значению.
Кроме того, предварительное сепарирование потока поступающей в счетчик смеси позволяет устранить излишний подъем уровня жидкости в нижней части корпуса счетчика и упростить его конструкцию, отказавшись от использования сложного узла, регулирующего отвод учтенной смеси из корпуса счетчика, а использование в счетчике самой воронки позволяет устранить разбрызгивание смеси, обеспечивая, таким образом, полный ее учет счетчиком. Вместе с тем использование в самой конструкции счетчика датчика для замера плотности учтенной жидкой смеси позволяет учесть значение плотности жидкой смеси при расчетах ее количества и, тем самым, снизить погрешность измерений ее расхода, обеспечивая надежность измерений, т.е. воспроизводимость.
Недостатками этого наиболее близкого к изобретению счетчика, тем не менее, является большая погрешность измерений и их ненадежность, характеризующаяся невоспроизводимостью их результатов из-за отсутствия в счетчике конструктивных элементов, способствующих более глубокому разделению поступающей в счетчик смеси и отделению от нее газа перед ее заливкой в ковши для учета, и обеспечению в результате постоянства массы доз смеси, заливаемых в ковши измерительного блока;
Технический результат, достигаемый изобретением, заключается в снижении погрешности измерений и повышении их надежности, характеризующейся воспроизводимостью результатов измерений, за счет повышении эффективности сепарационного процесса в счетчике, обеспечивающего постоянство массы учитываемых жидких доз смеси, отмериваемых каждым ковшом.
Указанный технический результат достигается тем, что ковшовый счетчик количества жидкости и попутного нефтяного газа в протекающей газожидкостной смеси, содержащий
измерительный блок, размещенный в своем горизонтально расположенном цилиндрическом корпусе и включающий: герметично присоединенную к торцевой поверхности корпуса крышку и опору; расположенные между ними с возможностью свободного качания и связанные общим ребром и общей боковиной два призматических ковша треугольного сечения со своими грузоуравновешиваемыми измерительными камерами внутри, поочередно заполняемыми учитываемой жидкой смесью и сливаемой из них, и со своими боковыми пластинами с грузом, уравновешивающим по весу массу жидкости в объеме заполненной измерительной камеры ковша и вызывающим его поворот: одной - примыкающей к крышке, а другой - примыкающей к опоре; соединяющие крышку и опору шпильки, ограничивающие повороты ковшей и расположенные параллельно оси корпуса измерительного блока; и по меньшей мере один фиксирующий каждый слив ковшей магнит, размещенный на примыкающей к крышке боковой пластине, а также связанные с ним датчики, расположенные на крышке счетчика с ее внешней стороны;
узел сепарации, сформированный из входного устройства для залива газожидкостной смеси в измерительные камеры ковшей и охватывающей его воронки с удерживаемым под ним на ее внутренней поверхности отбойником потока газожидкостной смеси;
коллекторы, два из которых встречно присоединены к корпусу перпендикулярно его оси, причем один из них предназначен для подвода газожидкостной смеси во входное устройство, а другой коллектор предназначен для отвода из корпуса учтенной жидкой смеси с расположенным в нем датчиком плотности учтенной жидкой смеси, а также датчиками температуры и давления учтенной жидкой смеси, а третий коллектор - газовый, предназначенный для отвода отделенного от смеси газа;
эжектор, установленный в выходном коллекторе счетчика и связанный с газовым коллектором;
а также блок, связанный со всеми датчиками счетчика и рассчитывающий количество жидкости в протекающей газожидкостной смеси и выводящий эти показания на обозрение,
дополнительно снабжен сепарационным корпусом с элементами для слива отсепарированной жидкой смеси в ковши измерительного блока, и в нем установлены формирующие узел сепарации счетчика: входное устройство и воронка с отбойником, а сам сепарационный корпус герметично закреплен на корпусе измерительного блока,
при этом воронка узла сепарации выполнена с перфорацией и зафиксирована в сепарационном корпусе с возможностью формирования в нем между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью воронки отдельной камеры с зонами скопления и отвода отсепарированных продуктов: верхней, связанной с газовым коллектором, зоной для скопления и отвода отделенного от смеси газа и нижней зоной для скопления и отвода отсепарированной жидкой смеси.
Укомплектование счетчика датчиками, фиксирующими температуру и давление учтенной жидкой смеси, а также датчиком, фиксирующим плотность газа в учтенной смеси, повышает точность расчетов измерений.
Обеспечение счетчика элементами для отбора пробы позволяет определить химический состав учтенной жидкой смеси, в том числе наличие парафинов, серы, обводненность жидкой смеси, для учета в расчетах, что, как следствие, повышает точность измерений счетчика.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами:
Фиг. 1 - Общий вид ковшового счетчика количества жидкости и попутного нефтяного газа в протекающей газожидкостной смеси в разрезе.
Фиг. 2 - - Вид сбоку на фиг. 1.
Фиг. 3 - Измерительный блок.
Фиг. 4 - Вид А на фиг. 3.
Фиг. 5 - Вид Б на фиг. 3.
Фиг. 6 - Общий вид счетчика в аксономертии.
Ковшовый счетчик количества жидкости и попутного нефтяного газа в протекающей газожидкостной смеси содержит:
• измерительный блок 1 (фиг. 1), размещенный в горизонтально расположенном цилиндрическом корпусе 2;
• узел сепарации 3, расположенный в отдельном сепарационном корпусе 4 и сформированный из входного устройства 5 для залива смеси в измерительный блок 2 и охватывающей его перфорированной воронки 6 с удерживаемым под ним на ее внутренней поверхности отбойником потока газожидкостной смеси 7;
• коллекторы 8, 9 и 10, один из которых 8 предназначен для подвода газожидкостной смеси во входное устройство 5, другой коллектор 9 для отвода из корпуса 1 учтенной жидкой смеси с расположенным в нем датчиком плотности с двумя электродами: одним 11 для замера плотности учтенной смеси, а другим 12 - для замера плотности газа в ней, а также датчиками ее температуры и давления соответственно 13 и 14, а третий - газовый коллектор 10 для отвода отделенного от смеси газа;
• установленный в выходном коллекторе 9 и связанный с газовым коллектором 10 эжектор 15 с пробозаборной трубкой 16 в своем корпусе;
• а также информационно связанный со всеми датчиками счетчика электронный блок 17, рассчитывающий количество жидкости и попутного газа в протекающей газожидкостной смеси и выводящий эти показания на обозрение.
Измерительный блок 1 счетчика (фиг. 1) содержит:
- герметично присоединенную к торцевой поверхности корпуса 2 крышку 18 и опору 19 (фиг. 3);
- расположенные между ними и связанные общим ребром и общей боковиной два призматических ковша треугольного сечения 20 и 21 со своими грузоуравновешиваемыми измерительными камерами внутри, поочередно заполняемые учитываемой жидкой смесью и сливаемой из них, с соосными пальцами соответственно 22 и 23 на своих свободных боковинах, поворотно установленными на оси симметрии корпуса в гнездах 25 и 26 крышки 18 и опоры 19, и со своими боковыми пластинами 27 и 28 с грузом 29 и 30: одной 29 - примыкающей к крышке, а другой 30 - примыкающей к опоре;
- соединяющие крышку 18 и опору 19 шпильки 31, 32 и 33, ограничивающие повороты ковшей и расположенные параллельно оси корпуса измерительного блока,
- по меньшей мере один магнит 34, размещенный на примыкающей к крышке боковой пластине и фиксирующий количество сливов ковшей 20 и 21, а также связанные с ним датчики 35 и 36, расположенные на крышке счетчика 18 с ее внешней стороны.
Сепарационный корпус 4 (фиг. 1) содержит сливные элементы 37 и 38, направляющие отсепарированную смесь в ковши 20 и 21 измерительного блока 1. Он герметично установлен на корпусе 2 измерительного блока 1, отдельно от него, что позволяет разделить технологические зоны счетчика на две отдельные: сепарационную и измерительную, и тем самым предотвратить обратный процесс внедрения в смесь ранее отделившегося от нее газа, обеспечив его вывод в газовый коллектор 10 в процессе сепарирования смеси, а затем через эжектор 15 в отводящий смесь коллектор 9.
Воронка 6 узла сепарации 3 зафиксирована в сепарационном корпусе 4 с возможностью формирования между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью воронки отдельной камеры 39 со своими зонами скопления и отвода отсепарированных продуктов: верхней, связанной с газовым коллектором, зоной для скопления и отвода отделенного от смеси газа 40 и нижней зоной для скопления и отвода отсепарированной смеси 41.
В качестве датчика плотности учтенной жидкой смеси и плотности газа в ней использован емкостной датчик, замеряющий процентную долю воды в смеси и процентную долю газа в ней.
При учете счетчиком тяжелой нефти в его конструкции используют подпятник (не показан), удерживающий опору измерительного блока на корпусе измерительного блока.
Ковшовый счетчик количества жидкости и попутного нефтяного газа в протекающей газожидкостной смеси работает таким образом.
Перед запуском счетчика в эксплуатацию производят калибровку ковшей 21 и 22 измерительного блока 1. Для этого в эти ковши заливают предварительно отсепарированную смесь и калибруют их с залитой в них смесью противовесными грузами 25 и 26. Таким образом, заливаемая в ковши 21 и 22 (фиг. 3) доза отсепарированной смеси остается всегда постоянной, не зависящей от ее плотности. Значение этой массы заносят в электронный блок 17 (фиг 1).
В процессе работы счетчика производят отбор учтенной жидкой смеси из отверстия 16 в корпусе эжектора 15, определяют ее химический состав, в том числе наличие парафинов, серы, обводненность жидкой смеси для учета в расчетах, что, как следствие, повышает точность измерений счетчика.
Необходимым условием работы этого счетчика является наличие газа в корпусе 2 (фиг. 3) измерительного блока 1, который выделяется из поступающей в счетчик газожидкостной смеси, состоящей из жидкости и попутного газа, свободного и растворенного в ней, при ее прохождении через счетчик за счет эффекта гравитационной сепарации, возникающей из-за разности плотностей жидкости и газа под действием их сил тяжести.
Поток смеси поступает через задвижку (не показана) в коллекторе 8 (фиг. 1), перекрывающую поступление смеси в сепарационный корпус 4 счетчика на случай аварии или необходимости технического обслуживания счетчика, затем пропускается через входное устройство 5 и падает на поверхность отбойника 7. Сталкиваясь с отбойником 7, смесь разбивается на капли и струи с выделением из них свободного попутного газа, обусловленным разностью удельных весов отсепарированных продуктов. Капли и струи смеси отбрасываются на поверхность перфорированной воронки 19, снова разбиваются на капли с выделением из них газа. При этом часть капель пробивается сквозь отверстия воронки и смачивает ее поверхность с противоположных сторон стекающей с них жидкой смесью, покрывая отверстия воронки тонкими пленками с выделением из них пузырькового газа. В виде пленок и капель смесь попадает в зону скопления и ее отвода 36 камеры 34, падает на сливные элементы 21 и 22 сепарационного корпуса и стекает с них в ковши 21 и 22 измерительного блока 1.
Высвободившийся из смеси газ проникает сквозь отверстия перфорированной воронки 6 в зону 35 скопления и его отвода камеры 34 и, отсасываемый эжектором 15, попадает в газовый коллектор 10, а оттуда в эжектор 15 и затем в коллектор 10.
Таким образом, укомплектование счетчика сепарационным корпусом 4 с размещенными в нем элементами узла сепарации из воронки 6 и отбойника 7 и расположение этого сепарационного корпуса за пределами корпуса 2 измерительного блока 1 и обеспечение его связи с газовым коллектором 10, а также изготовление воронки 6 с перфорацией позволило организовать в самом сепарационном корпусе отдельно от измерительного процесса в корпусе измерительного блока эффективный процесс сепарации поступающей в счетчик смеси, обеспечив, тем самым, поступление в ковши 20 и 21 измерительного блока очищенных от попутного газа доз жидкой смеси, характеризующихся постоянной массой.
Принцип действия измерительного блока 1 основан на поочередном заполнении предварительно отсепарированной смесью каждого из двух ковшей 20 и 21 и последующем их освобождении от нее опрокидыванием в момент достижения в них определенной массы смеси, превышающей массу их грузов 25 и 26.
Учтенная смесь из ковшей попадает в нижнюю части корпуса 1 и вытесняется в выходной коллектор 9.
Момент начала заполнения одного ковша соответствует моменту конца заполнения другого ковша и наоборот. При заполнении ковша 20 (фиг. 3) он поворачивается влево до упора в шпильку 31 и находящаяся в нем смесь выливается в корпус 2, при этом магнит 34 (фиг. 6) достигает оси электромагнитного датчика 35 (фиг. 1, 4, 5) и фиксирует в нем своим импульсом момент слива этого ковша, соответствующий моменту начала заполнения другого ковша 21. Далее, аналогичным образом, при заполнении ковша 21 он поворачивается вправо до упора со шпилькой 32 и находящаяся в нем смесь выливается в корпус 2, при этом магнит 34 достигает оси электромагнитного датчика 36 и фиксирует на нем своим импульсом момент опорожнения этого ковша, соответствующий моменту начала заполнения ковша 20.
Таким образом, зафиксированные датчиками 35 и 36 моменты времени соответствуют полному времени заполнения одного ковша. Информация от этих электромагнитных датчиков поступает на электронный блок 17, который рассчитывает массовый расход протекающей через счетчик отсепарированной нефтяной смеси, т.е. ее жидкостной фазы.
Расположенные в выходном коллекторе 9 датчики плотности учтенной смеси и плотности газа в ней соответственно 11 и 12, а также датчики ее температуры и давления соответственно 13 и 14 направляют свои показания в электронный блок 17, корректирующий свои расчеты с учетом этих показаний.
После этого учтенная смесь и отделенный от нее газ перемешиваются в выходном эжекторе 15 и их смесь выходит за пределы счетчика, а электронный блок 17 производит расчеты и выводит на индикатор всю хранящуюся и рассчитанную им информацию.
Созданное техническое решение благодаря совокупности своих существенных признаков, отраженных в формуле изобретения, позволяет снизить погрешность измерений счетчика и обеспечить их надежность, характеризующуюся воспроизводимостью результатов этих измерений, за счет создания конструкцией счетчика условий, позволивших организовать в самом сепарационном корпусе отдельно от измерительного процесса, протекающего в корпусе измерительного блока, эффективный процесс сепарации поступающей в счетчик смеси, обеспечив, тем самым, поступление в ковши измерительного блока очищенных от попутного газа доз жидкой смеси, характеризующихся постоянной массой, а именно: укомплектованием счетчика отдельным от корпуса измерительного блока, сепарационным корпусом с элементами для слива из него отсепарированной жидкой смеси в ковши измерительного блока и размещением в этом сепарационном корпусе воронки с отбойником, формирующих вместе с ним узел сепарации, а также выполнением самой воронки с перфорацией и фиксированием ее в сепарационном корпусе с возможностью формирования в нем отдельной камеры между его внутренней поверхностью и внешней поверхностью воронки с зонами скопления и отвода отсепарированных продуктов: верхней, связанной с газовым коллектором, зоной для скопления и отвода отделенного от смеси газа и нижней зоной для скопления и отвода отсепарированной жидкой смеси.
Заявленный в качестве изобретения ковшовый счетчик количества жидкости и попутного нефтяного газа в протекающей газожидкостной смеси прошел испытания в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт расходометрии» и готов к выпуску на предприятии заявителя.
Предложенное в качестве изобретения техническое решение соответствует действующим правилам учета нефти, обязывающим при добыче нефти, подготовке, транспортировке и переработке, потреблении нефти, принятой от третьего лица, учитывать влияние на точность измерений не только таких параметров нефти, как температура и давление, но и наличие в ней свободного и растворенного газа, а также порядок определения плотности нефти (Постановление Правительства РФ №451 от 16 мая 2014 г. «Об утверждении Правил учета нефти»).