ПОТОЧНЫЙ СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЯЗКОСТИ НЬЮТОНОВСКИХ И НЕНЬЮТОНОВСКИХ ЖИДКОСТЕЙ С ПОМОЩЬЮ ЩЕЛЕВОГО СУЖАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА
FLOW METHOD FOR MEASURING VISCOSITY OF NEWTONIAN AND NON-NEWTONIAN LIQUIDS USING SLIT-TYPE NARROWING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике. Изобретение относится к способам для непрерывного (поточного) измерения вязкости протекающей по трубопроводу несжимаемой жидкости (ньютоновской, неньютоновской или многокомпонентной смеси).
Одним из важных контролируемых параметров нефти при ее добыче и транспортировке по трубопроводам является вязкость [патенты SU 427260, 10.08.1968, G01L 27/00; SU 1500909, 29.12.1986, G01N 11/08; SU 1205001, 12.09.1958, B01D 24/48, B01D 21/02;SU 1413481, 02.02.1987, G01N 11/08; RU 2390733; 07.09.2006, G01F 1/84, G01F 1/74, G01F 25/00, G01F 1/34; RU 2414686, 19.07.2007, G01F 1/32, G01F 15/00; RU 2521721, 31.01.2013, G01F 1/00; RU 2451911, 22.12.2008, G01F 15/18]. Такие измерения необходимы, в частности, для непрерывного контроля вязкости многокомпонентной смеси, выходящей из нефтяной скважины.
В настоящее время контроль вязкости продукции нефтяных скважин выполняют периодическим отбором проб для поведения регулярного измерения вязкости этих проб в лабораторных условиях.
В автоматизированных системах измерения физических параметров таких, к примеру, как объемный расход, плотность или вязкость протекающей в трубопроводе среды, часто используют встроенные в систему измерительные приборы, работающие с установленными в трубопроводе различного типа датчиками. Эти датчики вызывают в протекающей среде силы реакции, соответствующие объемному расходу, скорости потока, плотности или вязкости среды. На основе этих сил реакции система вырабатывает измерительный сигнал, соответствующий измеряемому физическому параметру.
Одним из традиционных инструментов, используемых для измерения расхода жидкостей и газов является сужающее устройство (СУ). Метод измерения расхода жидкости или газа с помощью СУ основан на измерении перепада давления, возникающего в результате преобразования в СУ части потенциальной энергии потока в кинетическую энергию.
Часто используемые разновидности СУ - это стандартные диафрагмы и стандартные сопла. Теория и методики применения СУ в настоящее время хорошо проработаны [Кремлевский. П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества / Справочник. Кн.2. Санкт-Петербург: Изд-во «Политехника», 2004. 412 с], геометрия, типоразмеры и диапазоны измерения расходов с помощью СУ, используемых в технологических и в коммерческих целях, жестко регламентированы различными ГОСТ и ТУ.
В общем случае можно показать, что зависимость массового расхода жидкости через СУ зависит от перепада давления ΔР на СУ, геометрии проточной части СУ и свойств жидкости (плотности и вязкости).
Традиционные СУ используют в таких диапазонах расходов измеряемой среды, когда потери на трение малы по сравнению с потерями давления на преобразование потенциальной энергии потока в кинетическую энергию. В этом случае в уравнении, описывающем процесс, членом, содержащим вязкость текущей жидкости, пренебрегают, и для СУ получается универсальная зависимость, из которой следует, что перепад давления ΔР на СУ зависит только от расхода G и плотности ρ протекающей через СУ жидкости. Эти диапазоны расходов измеряемой среды, когда силами трения (вязкостью жидкости ν) можно пренебречь, реализуются при достаточно больших числах Рейнольдса Re=VD/ν, где V - характерная скорость течения жидкости(например, средняя скорость по сечению трубопровода), D - характерный размер (например, диаметр трубопровода), ν - кинематическая вязкость жидкости. В справочной литературе по СУ для каждого типа СУ всегда указывается рабочий диапазон чисел Рейнольдса (когда справедливо допущение о пренебрежении силами трения).
При работе с вязкими жидкостями (например, с нефтью и нефтепродуктами) в общем случае пренебрегать силами трения нельзя, так как их вязкость может быть достаточно высока, а расходы весьма умеренны (малые числа Рейнольдса).
Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому поточному способу является способ, описанный в статье авторов [Серов А.Ф., Мамонов В.Н. Поточный метод измерения вязкости жидкости с помощью сужающего устройства. ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Том. 2. №3. 2014. Стр. 51-56].
В указанной статье не завершена серия экспериментов для подтверждения заявленного ниже технического результата, а именно универсальности способа по жидкостям.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание способа непрерывного измерения «действующего» значения кинематической (динамической) вязкости транспортируемой по трубопроводу жидкости, в том числе ньютоновской, неньютоновской, или многокомпонентной смеси.
2
Для решения поставленной задачи предлагается способ непрерывного измерения вязкости протекающей по трубопроводу несжимаемой жидкости с помощью щелевого (плоского) сужающего устройства (далее - СУ), в основе работы которого лежит использование безразмерной калибровочной зависимости коэффициента сопротивления СУ (λ=ΔP/(ρV/2) от числа Рейнольдса (Re=VD/ν), где ΔР - измеренный перепад давления на СУ, ρ - плотность жидкости, V - заданная или измеренная средняя скорость жидкости в трубопроводе, D - диаметр трубопровода, ν - кинематическая вязкость жидкости.
Исходя из принципов анализа размерностей и физического подобия гидродинамических процессов [Кутателадзе С.С.. Анализ подобия в теплофизике / Новосибирск: Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1982. 280 с], СУ, имеющее определенную геометрию проточной части, можно характеризовать универсальной для любых жидкостей зависимостью:
2
Здесь величина λ=ΔP/(ρV/2) представляет собой безразмерное отношение сил давления потока к силам инерции (ΔР - перепад давления на СУ, V - средняя скорость во входном сечении СУ диаметром D, ρ - плотность жидкости) и называется коэффициентом сопротивления СУ, а безразмерный параметр Re=VD/ν - традиционное число Рейнольдса.
Вид этой безразмерной зависимости λ=f(Re) уникален для каждого конкретного СУ, так как определяется его геометрическими параметрами.
Эта входная геометрия приводит к тому, что средняя скорость потока среды, измеряемая встроенным ультразвуковым измерителем скорости в щелевой зоне, имеет слабую и допустимую зависимость от вязкости.
Но эта индивидуальная с точки зрения геометрии СУ зависимость универсальна для любых жидкостей (в том числе и для смесей) во всем доступном для практики диапазоне расходов, так как она учитывает кинематику потока (скорость V) и свойства жидкости (плотность ρ и вязкость μ).
Безразмерную калибровочную зависимость λ=f(Re) получают экспериментально при калибровке СУ на гидравлическом стенде калибровочной жидкостью с известной зависимостью вязкости от температуры.
Предлагаемый поточный способ измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей осуществляют с помощью поточного прибора, представляющего собой измерительный участок (секцию) трубопровода, содержащего щелевое сужающее устройство в виде плоского канала прямоугольного сечения, имеющего соотношение сторон 1:5, и более, и степень сужения по площади по отношению к входному/выходному сечению прибора - 5 и более, систему сбора и обработки информации, включающую датчик перепада давления на СУ с двумя отборными патрубками, систему измерения температуры протекающей жидкости со встроенным датчиком температуры, ультразвуковой измеритель скорости потока жидкости с двумя излучателями/приемниками для определения плотности и средней скорости потока жидкости во входном сечении измерительного участка, которые установлены на противоположных узких сторонах плоского канала со смещением по длине канала, и вычислительное устройство.
В качестве вычислительного устройства системы сбора и обработки информации поточного прибора используют либо программируемый контроллер, либо персональный компьютер.
Согласно изобретению поточный способ измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей включает следующую последовательность шагов:
1. определение калибровочной кривой (универсальной безразмерной зависимости коэффициента сопротивления поточного прибора от числа Рейнольдса) путем калибровки поточного прибора с щелевым СУ;
Калибруют поточный прибор на гидравлическом стенде с калибровочной жидкостью, имеющей известную зависимость вязкости от температуры, с получением универсальной безразмерной зависимости коэффициента сопротивления поточного прибора от числа Рейнольдса.
2. ввод в память вычислительного устройства системы сбора и обработки информации поточного прибора полученной в результате калибровки прибора универсальной безразмерной зависимости коэффициента сопротивления поточного прибора от числа Рейнольдса;
3. установка в разрыв трубопровода с протекающей жидкостью откалиброванного поточного прибора,
Устанавливают откалиброванный поточный прибор в разрыв трубопровода с протекающей жидкостью с помощью фланцевых соединений.
4. определение вязкости жидкости.
Определяют вязкость жидкости с помощью откалиброванного поточного прибора в режиме реального времени путем опроса системой сбора и обработки информации датчиков перепада давления и температуры и ультразвукового измерителя скорости потока жидкости с частотой от 10 до 200 измерений в секунду, определения текущих значений средней скорости потока жидкости во входном сечении измерительного участка, V, перепада давления на СУ, ΔР, плотности жидкости, ρ, для измеренной температуры, Т, расчета текущих значений динамической и кинематической вязкости жидкости по заложенной в память вычислительного устройства универсальной безразмерной зависимости коэффициента сопротивления поточного прибора от числа Рейнольдса.
Текущие значения динамической и кинематической вязкости рассчитывают по следующему алгоритму:
2
- вычисляют значение коэффициента сопротивления СУ, λ=ΔP/(ρV/2);
- вычисляют значение числа Рейнольдса Re, соответствующее вычисленному значению λ, по безразмерной калибровочной зависимости λ=f(Re);
- вычисляют искомое значение кинематической вязкости жидкости, ν=VD/Re;
- вычисляют значение динамической вязкости жидкости, μ=ρ⋅ν.
Система сбора и обработки информации формирует временные архивы всех измеренных и вычисленных величин.
Информация от датчиков поступает в систему сбора и обработки информации в реальном режиме времени, что позволяет считать, что все первичные данные привязаны к одному моменту времени и, соответственно, к одному состоянию потока, протекающего через измерительный участок в данный момент.
Схематичное изображение поточного прибора для реализации поточного способа измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей показано на фиг. 1 и 2.
Фиг.1 - общая схема поточного прибора для измерения вязкости ньютоновских и неньютоновских жидкостей с помощью щелевого сужающего устройства. Фиг. 2 - вид прибора для измерения вязкости в разрезе С-С. Где: 1 - система сбора и обработки информации (ССОИ); 2 - сужающее устройство (измерительный участок) (СУ); 3 - датчик перепада давления на СУ (ΔР); 4 - отборный патрубок датчика перепада давления на СУ (Р1); 5 - отборный патрубок датчика перепада давления на СУ (Р2); 6 - датчик температуры жидкости (Т); 7 - система измерения температуры (СИТ); 8 - ультразвуковой измеритель плотности и средней скорости потока жидкости (УЗИС); 9 - излучатель/приемник УЗИС (А); 10 -излучатель/приемник УЗИС (В); 11 - входное сечение СУ (Вх); 12 - выходное сечение СУ (Вых); V - средняя скорость потока жидкости во входном сечении СУ; ν - вязкость жидкости.
Поточный прибор представляет собой измерительный участок (секцию) трубопровода, устанавливаемый с помощью фланцевых соединений в разрыв трубопровода с протекающей жидкостью. Основой поточного прибора является СУ, представляющее собой плоский канал прямоугольного сечения с соотношением сторон не менее, чем 1:5, плавно сопрягающийся с круглыми входным и выходным сечениями СУ. Входное и выходное сечения оканчиваются круглыми плоскими фланцами, предназначенными для установки СУ в трубопроводе. Степень сужения СУ по площади по отношению к входному/выходному сечению прибора не менее, чем 5.
Поточный прибор включает систему сбора и обработки информации (ССОИ) с датчиком перепада давления (ΔР) на СУ, системой измерения температуры (СИТ), ультразвуковым измерителем скорости (УЗИС) и вычислительным устройством (на фигурах не показано).
Датчик перепада давления на СУ соединен с установленными в начале и в конце измерительного участка отборными патрубками Р1 и Р2 для измерения перепада давления на СУ. Система измерения температуры включает установленный в конце измерительного участка датчик температуры Т для измерения температуры потока жидкости. Ультразвуковой измеритель скорости (УЗИС) соединен с установленными на противоположных узких сторонах плоского канала со смещением по длине канала излучатели/приемники А и В для определения плотности и средней скорости потока жидкости V во входном сечении измерительного участка.
Датчик перепада давления на СУ (ΔР) в объявленной интерпретации является проточным вискозиметром, так как по величине его сигнала (с учетом значений параметров V и D) по калибровочной кривой СУ вычислительным устройством вычисляется значение кинематической вязкости ν протекающей через СУ среды.
Авторы применили ультразвуковой измеритель плотности и средней скорости (УЗИС) потока в плоском прямоугольном канале, излучатели которого, создают акустические колебания по всему поперечному сечению потока в щелевом пространстве. Такой вариант ультразвукового расходомера был реализован и исследован на гидродинамическом стенде [Сертификат об утверждении типа средств измерений «ТРИТОН-М» №20775 от 15 июня 2005 г.; Серов А.Ф. Принцип построения двухкомпонентного счетчика-расходомера для нефтяной скважины / А.Ф. Серов, А.Д. Назаров, В.Н. Мамонов, М.В. Бодров // Научный вестник НГТУ. 2012. Вып.4. С.176-182; Серов А.Ф. Аппаратура и алгоритм для определения содержания нефти в смеси у скважины / А.Ф. Серов, А.Д. Назаров, В.Н. Мамонов, М.В. Бодров // Сборник материалов Международного научного конгресса Гео-Сибирь-2007 (25-27 апреля 2007, Россия, Новосибирск). Новосибирск, СГГА. 2007. Т. 5, С. 218-224].
Таким образом, предложенный способ измерения вязкости жидкости отличается от существующих способов измерения тем, что вязкость жидкости вычисляют по безразмерной калибровочной зависимости λ=f(Re), если известны (измерены) величины ΔР, V, D и ρ. Для неньютоновских жидкостей или многофазных суспензий измеренные таким способом значения кинематической и динамической вязкости жидкости являются действующими, т.е. определяющими гидравлическое сопротивление СУ в момент проведения измерения.
Изобретение обеспечивает высокую точность измерения вязкости двух- или многофазной среды в условиях синхронного снятия данных в щелевом пространстве измерительного участка.
Для проверки работоспособности способа и устройства для измерения текущего значения вязкости жидкости авторами было изготовлено СУ, для которого экспериментально была получена безразмерная калибровочная зависимость Δ=f(Re).
На фиг. 3 приведена безразмерная калибровочная зависимость изготовленного СУ, построенная в координатах Re=g(λ). Калибровка была проведена на специальном экспериментальном калибровочном стенде Института теплофизики СО РАН [Серов А.Ф., Мамонов В.Н. Поточный метод измерения вязкости жидкости с помощью сужающего устройства. ИНТЕРЭКСПО ГЕО-СИБИРЬ. Том. 2. №3. 2014. Стр. 51-56], позволяющем осуществлять циркуляцию калибровочной жидкости с различными фиксированными значениями динамической (кинематической) вязкости при различных температурах циркулирующей жидкости.
СУ представляло собой плоское сужение высотой 5 мм, шириной 50 мм и длиной 250 мм плавно сопрягающееся на входе и выходе измерительного участка с круглой тубой диаметром 50 мм. Измерительный участок на концах имел фланцы для присоединения к трубе диаметром 50 мм.
В контуре проливного стенда в качестве рабочей жидкости циркулировало индустриальное масло И-50А ГОСТ 20799-88. На капиллярном вискозиметре с шагом 1°С была получена зависимость кинематической вязкости этого масла от температуры. Проливной стенд позволял осуществлять циркуляцию рабочей жидкости с различными контролируемыми значениями ее расхода и температуры, что позволяло знать в каждый момент проведения эксперимента текущие значения средней скорости потока во входном сечении СУ и температуру жидкости, а, значит, и текущее значение кинематической вязкости рабочей жидкости.
-6
2
-6
2
Калибровочная характеристика СУ была построена в диапазоне изменения температуры рабочей жидкости (индустриальное масло И-50A) от 21°С до 45°С, что соответствовало изменению ее кинематической вязкости от 7⋅10 м/с до 16⋅10 м/с. Средняя скорость потока во входном сечении СУ изменялась в диапазоне от 0,16 м/с до 0,38 м/с. Из фиг. 3 видно, что все экспериментальные данные, полученные в процессе проведения калибровочных измерений, хорошо обобщаются безразмерной универсальной зависимостью. Это обстоятельство подтверждает все вышеприведенные рассуждения о возможности измерения кинематической (динамической) вязкости жидкости с помощью СУ предложенной конструкции.
6
2
6
2
На фиг. 4 приведены результаты экспериментов по измерению вязкости индустриального масла И-30А с помощью калиброванного СУ в виде зависимости измеренного значения вязкости рабочей жидкости, ν(изм)*10 м/с от табличного значения вязкости, ν(t)*10 м/с, определенного по температурной зависимости вязкости рабочей жидкости.
Эксперименты проводились на том же проливном стенде, на котором калибровалось СУ. Вязкость масла изменялась за счет изменения его температуры. В процессе проведения экспериментов регистрировались температура рабочей жидкости, перепад давления на СУ, средняя скорость рабочей жидкости во входном сечении СУ.
На основании проведенных измерений с помощью калибровочной характеристики СУ (см. фиг. 3) определялись значения вязкости рабочей жидкости ν(изм) для реализованных в экспериментах значений температуры.
-6
Из фиг. 4 следует, что относительная погрешность результатов измерения кинематической вязкости индустриального масла И-50А с помощью СУ, отнесенная к верхней границе выбранного диапазона измерения кинематической вязкости (3-30)10 м /с, в указанных выше условиях не превышает величины ±2%.
Очевидно, что, если с помощью предлагаемого способа будет измеряться вязкость не обычной ньютоновской жидкости, а, например, жидкости, имеющей ярко выраженные неньютоновские свойства, то СУ по описанной выше методике будет регистрировать так называемое «действующее» значение вязкости потока. Это действующее значение равно вязкости калибровочной жидкости, протекающей через СУ при той же температуре, которую имеет неньютоновская жидкость и вызывающей такой же перепад давления на СУ, как неньютоновская жидкость.