УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КАПЕЛЬНОЙ ЖИДКОСТИ В ПОТОКЕ ГАЗА
APPARATUS FOR MEASURING CONCENTRATION OF DROPPING LIQUID IN GAS STREAM

Изобретение относится к устройствам для измерения содержания капельной жидкости в потоке природного и попутного газа и может быть использовано для оценки его качества при сепарации, подготовке и определении потерь нефти в процессе ее добычи.
Для определения концентрации капельной жидкости в потоке газа в различных областях промышленности применяются весьма разнообразные средства и методы измерений [1-4], авторские свидетельства №583382 за 1974 год и №742767 за 1978 год.
Наибольшее распространение в общепромышленной практике, а затем и в нефтегазовой отрасли нашел фильтрационный метод измерения. На его базе был создан измеритель концентрации капельной жидкости [5], который работает следующим образом. Часть потока газа через подвижный или неподвижный зонд, расположенный в газопроводе, отбирается и очищается от капельной жидкости в фильтрующем узле, который состоит из перфорированного патрона, покрытого несколькими слоями фильтровальной ткани. Количество уловленной капельной жидкости определяется по калиброванным прозрачным нефтесборникам, установленным во входной и выходной зонах фильтровального узла. Количество отбираемого газа устанавливается регулятором расхода и временем выдержки по газовому счетчику. Концентрация капельной жидкости определяется отношением массы накопившейся в нефтесборниках жидкости к объему отобранного газа.
Основным недостатком такого типа устройства [5] является то, что при осуществлении измерения не обеспечивается поддержание в отбираемой пробе газа термодинамических условий газового потока по давлению и температуре. Если температура в фильтровальном узле выше температуры газового потока, то часть жидкости испарится и перейдет в газовую фазу, если она ниже вследствие снижения давления или воздействия атмосферных условий, то количество жидкой фазы увеличивается за счет выпадения конденсата.
Вторым недостатком данного измерителя является то, что с увеличением вязкости капельной жидкости ухудшается дренирование в нефтесборники и значительная ее часть остается в фильтровальном узле и не учитывается. При очень высокой вязкости, которой обладают некоторые типы нефтей, дренирования вообще может не быть и измерение в этом случае произвести невозможно.
Кроме того, при таком исполнении измерителя значительная часть капельной жидкости за счет действия турбулентных пульсаций, гравитационных и инерционных сил может выпадать в подводящих трубках от зонда до фильтровального узла и не учитываться.
Вследствие отмеченных выше недостатков измеренное значение концентрации может оказаться существенно заниженным или завышенным на неопределенную величину по сравнению с истинным значением, что значительно снижает точность и достоверность измерения.
Наиболее близким по технической сущности является измеритель [6], состоящий из лубрикатора, фильтровального узла с пробоотборным зондом, патрубка отвода газа с упором и регулятором расхода, направляющего цилиндра с пазами для фиксации положения фильтровального узла, счетчика газа с манометром и термометром.
При производстве измерений устройство подключается к смонтированной на газопроводе задвижке, а фильтровальный узел предварительно взвешивается. Процесс измерения осуществляется следующим образом. Задвижка открывается, фильтровальный узел вводится на требуемую глубину в газопровод и поворачивается зондом навстречу потоку, при этом упор патрубка отвода газа входит в паз направляющего цилиндра и фиксирует положение зонда. Затем регулятором устанавливается расход газа в оптимальном режиме работы счетчика с учетом обеспечения изокинетичности отбора пробы и дается выдержка во времени. После этого регулятором расхода перекрывается отбор газа, фильтровальный узел поднимается вверх, задвижка закрывается, измеритель отсоединяется от нее, фильтровальный узел вынимается, взвешивается, определяется его привес. Концентрация капельной жидкости определяется делением величины привеса фильтровального узла на количество пропущенного через него газа, измеренного счетчиком и откорректированного с учетом температуры и давления в нем.
В этой конструкции измерителя устранены основные недостатки, присущие предыдущему устройству. Исполнение фильтровального узла совместно с зондом позволило устранить неконтролируемое осаждение капель в подводящих трубках. Помещение фильтровального узла на время измерения в газовый поток обеспечило отбор проб газа с сохранением термодинамических условий, имеющихся в газопроводе. Исключение нефтесборников и быстросъемное исполнение фильтрующего узла дало возможность определять всю массу уловленной капельной жидкости.
Все отмеченные выше совершенствования способствовали повышению точности и достоверности выполнения измерений.
Длительная эксплуатация описанного выше измерителя выявила два его основных недостатка.
Первый связан с требованием соблюдения изокинетичности отбора проб газа, при которой скорость потока в точке отбора и в кончике зонда должны быть равными. Важность соблюдения этого условия для обеспечения точности и достоверности измерений достаточно полно аргументирована в работе [4]. Несоблюдение принципа изокинетичности обусловлено следующими конструктивными недоработками измерителя.
- Количество отобранного в процессе измерения газа точнее и удобнее определять по счетчику с цифровой индикацией, что предусмотрено и в данной конструкции измерителя. Однако ввиду нестабильности протекающих технологических процессов скорость газа в газопроводах постоянно изменяется и возникает необходимость, для соблюдения изокинетичности, оперативно корректировать количество отбираемого газа, а соответственно и скорость в кончике зонда регулятором расхода. Поскольку используемые счетчики не фиксируют мгновенный расход, то достаточно быстро произвести коррекцию не представляется возможным.
- Исполнение направляющего цилиндра с пазами для фиксации положения зонда по сечению трубопровода является причиной низкой точности (±30 мм) его позиционирования и, если учесть, что скорость потока газа, при постоянной средней, не является одинаковой по сечению трубопровода, то нет гарантии соблюдения изокинетичности.
- Каждый применяемый счетчик имеет свой диапазон номинального расхода газа, в котором гарантируется заложенная точность его измерения, поскольку давление, температура и скорость потока газа в трубопроводе могут изменяться на одном и том же добывающем предприятии в очень широких диапазонах, то достаточно часто возникает ситуация, при которой для соблюдения изокинетичности приходится устанавливать расход газа за пределами гарантированной точности измерения применяемого счетчика.
Другой недостаток связан с тем, что конструкция не позволяет осуществлять измерения при давлениях в газопроводе, превышающих 1,6 МПа, т.к. фильтровальный узел с зондом вводятся через лубрикатор вручную путем прямого приложения на упор патрубка отвода газа физической силы руки оператора, которая ограничена.
Целью настоящего изобретения является повышение точности измерения за счет обеспечения изокинетичности отбора проб газа и расширения диапазона применения устройства по давлению в газопроводе.
Указанная цель достигается тем, что устройство снабжено ручным зубчато-канатным приводом с пружинным фиксатором положения фильтровального узла с зондом по сечению трубопровода, линейной шкалой на направляющем цилиндре, индикатором текущего расхода газа и набором сменяемых зондов с различным внутренним сечением.
Такое исполнение измерителя обеспечивает возможность его применения при давлении в газопроводе, превышающем 1,6 МПа, фиксировать положения зонда по сечению с точностью до одного миллиметра и поддерживать скорость газа в сечении зонда, требуемую для обеспечения изокинетичности отбора пробы.
Схематично устройство для измерения концентрации капельной жидкости в потоке газа представлено на чертеже. Оно включает в себя фильтровальный узел (1), сменный пробозаборный зонд (2), газоотводной патрубок (3), направляющий цилиндр с линейной шкалой (4), регулятор расхода (5), счетчик газа (6), ротаметр (7), манометр (8), термометр (9), лубрикатор (10) и ручной зубчатоканатный привод с пружинным фиксатором положения (11).
Для производства измерения устройство подсоединяется лубрикатором (10) через фланцевый переходник (12) к задвижке (13), смонтированной на газопроводе. Перед подсоединением фильтровальный узел взвешивается, мерительным инструментом определяют исходное расстояние от центра пробозаборного зонда до верхней образующей сечения трубопровода и исходя из имеющегося профиля скоростей определяется точка в сечении трубопровода, где скорость потока будет равна средней скорости газа в трубопроводе. После подсоединения устройства задвижка (13) открывается, зонд устанавливается на глубину, где скорость потока равна средней скорости газа в трубопроводе, регулятором, с учетом средней скорости газа, давления и температуры газа и площади внутреннего сечения зонда, по ротаметру устанавливается нужный расход газа, снимаются исходные показания счетчика и дается выдержка во времени, необходимая для улавливания не менее 100 мг жидкости. В процессе выдержки, по мере необходимости, с учетом изменения скорости в газопроводе производится корректировка количества отбираемого газа. После выдержки регулятор расхода закрывается, фильтровальный узел поднимается, задвижка закрывается. Определяются привес фильтровального узла и количество отобранного газа по счетчику и по их соотношению определяют массовое количество жидкости в единице объема газа.
Предлагаемое устройство прошло промышленную апробацию в ОАО «Сургутнефтегаз» при различных давлениях в газопроводе в летнее и зимнее время года.
Литература
1. В.Н.Ужов, Б.Н.Мягков. «Очистка промышленных газов фильтрами». - М.: Химия, 1970.
2. Б.И.Леончик, В.П.Маякин. «Измерения в дисперсных потоках». - М.: Энергия, 1973.
3. Ю.П.Коротаев и др. «Подготовка газа к транспорту». - М.: Недра, 1973.
4. В.Страус.«Промышленная очистка газов». - М.: Химия, 1981.
5. Л.А.Пелевин и др. «Единая методика исследования эффективности работы газонефтяных сепараторов». - М.: Химия, 1981.
6. РД 39-0147103-352-89 «Методическое руководство по исследованию сепарационных установок», Уфа, ВНИИСПТнефть, 1989.