СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
PROCEDURE FOR CHANGING PARAMETRES OF MULTI-PHASE FLOW AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для покомпонентного измерения потока нефти, который, как правило, дополнительно содержит свободный газ и воду, а также может быть использовано при измерениях газовых потоков в магистральных газопроводах, двухфазных потоков в различных областях промышленности, для замера трудно учитываемых жидкостей, например глинистые и цементные растворы.
Известен способ измерения расхода компонентов газожидкостного потока нефтескважин, основанный на разделении его на два тракта протекания, расположенных параллельно друг другу (см. заявку на патент РФ №2003101902) [1]. Указанный способ имеет большую погрешность измерения, проводится вручную и не соответствует ГОСТ Р 8.615-2005.
Наиболее близким решением является система измерения параметров нефте-водо-газовой смеси "Ультрафлоу" (см. журнал «Нефтегаз» 2003 г., №2, с.103…107) [2], которой измеряют параметры многофазного потока и его отдельных фаз, заключенного в канал, посредством съема показаний в последовательных вертикальных участках разного диаметра. Такой способ обеспечивает непрерывный и одновременный контроль расхода всех фаз потока в режиме реального времени без их предварительного сепарирования.
Основным недостатком данной системы, как способа, являются невозможность измерения массового расхода.
Недостатком данной системы, как устройства, является наличие внутри его конструктивных элементов, на которые налипают парафин и смолы, что приводит к возрастанию погрешности измерений и быстрому выходу системы из строя.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей (измерение массового расхода и вязкости потока), расширение сферы применения (измерение высоковязких потоков, например глинистых, цементных растворов и т.п.), а также повышение надежности, долговечности и точности.
Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения параметров многофазного потока и его отдельных фаз в последовательных вертикальных участках канала снимают разность давлений как минимум в двух потоках - на нисходящем и восходящем, а затем, используя их алгебраическое суммирование, вычисляют плотность и потерю давления на трение. Кроме этого, дополнительно измеряют скорость потока (например ультразвуком или посредством измерения местного перепада давления), и по ней определяют вязкость и объемный расход как всего потока, так и составляющих его фаз, а вкупе с плотностью - и их массовые расходы. Также дополнительно снимают параметры температуры и давления, а принудительно изменяя давление потока и снимая параметры последнего в этом состоянии, посредством сравнения параметров потока в разных состояниях определяют объемный и массовый расход газовой фазы. Измерение разности давления производят дифференциальным методом, для чего начало и конец измерительного участка канала дополнительно связывают изолированным от потока участком промежуточной жидкости, разделенного на две части, между которыми и измеряют разницу давления. При этом могут предварительно изменять давление в одной из частей изолированного участка относительно другой.
Устройство для реализации заявляемого способа по сравнению с известным отличается конфигурацией канала, выполненного с образованием двух последовательных потоков - нисходящего и восходящего - с измерительными участками, на началах и концах которых размещены датчики давления, связанные с вычислительным устройством. Причем упомянутые датчики давления могут быть связаны между собой вычислительным устройством попарно, и они могут быть подключены к каналу через разделитель сред в виде разделительной мембраны преимущественно трубчатого типа и равного диаметру трубы, а хотя бы часть датчиков давления может быть выполнена дифференциальными с дополнительными участками промежуточной жидкости, изолированными от основного потока и разделенных на две части измерительными мембранами, при этом хотя бы на одной из частей изолированных от потока участков промежуточной жидкости может быть установлен регулятор давления.
Устройство также может быть дополнительно снабжено отводами, создающими участок местного перепада давления, а также двумя датчиками давления, один из которых размещен на входе, а другой - на выходе упомянутого участка и на одном уровне или одним дифференциальным датчиком давления, подключенным к входу и выходу упомянутого участка, расположенных на одном уровне.
Кроме того, устройство может быть дополнительно снабжено датчиками скорости потока (например, ультразвуковым) и температуры, а также регулируемым дросселем потока в канале, связанным с вычислительным устройством.
Измерительные участки канала устройства могут быть соединены между собой посредством отводов либо снизу, либо сверху. Возможен также вариант, когда само устройство может быть выполнено поворотным относительно горизонтальной оси, например, посредством его закрепления к каналу на подвижных и/или быстроразъемных соединениях. При этом начала измерительных участков могут располагаться на равных расстояниях от ближайшего предшествующего поворота потока.
Устройство может быть изготовлено из калиброванной круглой трубы постоянного сечения, а отводы могут образовывать пространственную конфигурацию, и между отводами могут находиться прямые участки трубы, причем внутренний диаметр трубы равен внутреннему диаметру разделительной мембраны.
Для присоединения к трубопроводу устройство может быть снабжено переходниками-адаптерами, выполненными в виде конфузора/диффузора и связывающими, соответственно, вход и выход устройства с трубопроводом.
На входе устройства также может располагаться фильтр от механических примесей. Перед измерительным участком может быть размещен выравниватель потока, включающий, как минимум, прямой участок канала, а также или решетку, или дроссельную шайбу, или струевыпрямитель.
Кроме этого, устройство может быть дополнительно снабжено пробником для определения состава потока, связанным с вычислительным устройством по принципу обратной связи, а также датчиками определения внутрифазного состава, например, по непрерывному анализу серы, а его внутренняя поверхность может быть выполнена с полимерным антикоррозионным и антиадгезионным покрытием.
Измерение разности давлений, как минимум, в двух потоках на - нисходящем и восходящем с последующим их алгебраическим суммированием позволяет использовать уравнение Бернулли [3, с.75] для вычисления плотности и потери давления на трение.
Измерение скорости потока позволяет определить вязкость (применяя формулу Пуазейля-Гагена [3, с.160] для ламинарных потоков или формулу Вейсбаха-Дарси [3, с.169] для турбулентных потоков с учетом, например, формулы Колбрука [3, с.185]) и объемный расход как всего потока, так и составляющих его фаз, а вкупе с плотностью - и их массовые расходы.
Дополнительное измерение температуры и давления позволяет привести измеренные параметры к стандартным условиям по формуле Клапейрона - Менделеева [4, с.108] (для идеального газа) или по формуле Ван-дер-Ваальса [4, с.111] (для реального газа).
Принудительное изменение давления потока для измерения его параметров в этом состоянии с последующим сравнением параметров потока в разных состояниях позволяет определить объемный и массовый расход газовой фазы.
Дифференциальный метод измерения разности давления с одновременным изолированием от канала позволяет определять массовую составляющую и вязкость потока с повышенной точностью.
Предварительное изменение давления в одной из частей изолированного участка позволяет снизить погрешность измерения путем смещения измерительной шкалы от околонулевых значений (т.е. при малых расходах), а также возможность применения любых дифференциальных датчиков.
Выполнение канала устройства с образованием двух последовательных потоков - нисходящего и восходящего - с измерительными участками, на началах и концах которых размещены датчики давления, связанные с вычислительным устройством, позволяет рассчитать все параметры многофазного потока.
Попарная связь датчиков давления с вычислительным устройством упрощает конструкцию устройства.
Присоединение датчиков давления к потоку через разделительные мембраны трубчатого типа, равного диаметру трубы, предотвращает образование застойных зон в потоке, а также предохраняет от налипания смол и парафина.
Выполнение датчиков давления дифференциальными с дополнительными участками промежуточной жидкости, изолированными от основного потока и разделенных на две части измерительными мембранами, позволяет точно замерять при повышенных давлениях измеряемого потока и сократить количество датчиков (один вместо двух), а на вертикальных измерительных участках это позволяет замерить массовую составляющую потока и его вязкость.
Наличие отводов, создающих участок местного перепада давления, а также двух датчиков давления, один из которых расположен на входе, а другой - на выходе упомянутого участка и на одном уровне, или одного дифференциального датчика давления, подключенным к входу и выходу упомянутого участка, расположенных на одном уровне, позволяет определять скорость (объемный расход) потока.
Наличие ультразвукового датчика скорости потока обеспечивает компактность устройства.
Наличие датчика температуры позволяет приводить параметры газовой фазы потока к стандартным условиям по ГОСТ 2939-63, что обеспечивает общепринятый порядок выражения полученных данных измерений.
Наличие регулируемого дросселя, изменяющего давление потока в канале, связанного с вычислительным устройством, позволяет переводить поток в другое состояние и путем сравнения параметров этого состояния с исходным определять объем свободного газа в потоке.
Соединение измерительных участков канала между собой посредством отводов снизу преимущественно для жидких потоков, чтобы не образовывалась газовая пробка в измерительной магистрали, либо сверху для газовых потоков, чтобы в измерительной магистрали не оседал конденсат.
Выполнение устройства поворотным относительно горизонтальной оси на подвижных и/или быстроразъемных соединениях облегчает проведение профилактических мероприятий (например, промывки).
Расположение измерительных участков на равных расстояниях от ближайшего предшествующего поворота потока создает одинаковые условия их работы, что позволяет повысить точность измерения.
Изготовление устройства из калиброванной круглой трубы постоянного сечения с внутренним диаметром трубы, равным внутреннему диаметру разделительной мембраны, минимизирует возмущения потока, тем самым повышает точность измерений.
Пространственная конфигурация, образуемая дополнительными отводами, обеспечивает максимум перепада давления при повороте потока, способствующего повышению точности измерения скорости потока. А наличие прямых участков трубы между отводами позволяет провести стабилизацию потока, также повышающую точность измерений.
Наличие переходников-адаптеров, выполненных в виде конфузора/диффузора и связывающих, соответственно, вход и выход устройства с трубопроводом, обеспечивает стабилизацию потока и универсальность использования устройства.
Наличие на входе устройства фильтра от механических примесей позволяет повысить точность измерения параметров и снизить механическое истирание внутренних поверхностей.
Наличие выравнивателя потока перед измерительными участками, включающего прямой участок канала с решеткой, стабилизирует эпюру скоростей потока, что повышает точность измерения.
Наличие пробника для определения состава потока, связанного с вычислительным устройством по принципу обратной связи, позволяет оперативно корректировать расчетные параметры фаз потока.
Наличие датчиков определения внутрифазного состава, например, по непрерывному анализу серы позволяет оперативно определять количественное содержание других (помимо основных) составляющих фаз потока.
Выполнение внутренней поверхности устройства с полимерным антикоррозионным и антиадгезионным покрытием препятствует развитию коррозии и предотвращает налипание на них внутрифазовых составляющих потока (например, смол и парафина).
Способ и устройство иллюстрируется следующими графическими материалами: на фиг.1 показана принципиальная схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг.2 - то же, вариант конструкции; на фиг.3 - то же, вариант конструкции; на фиг.4 - фрагмент продольного разреза фиг.2; на фиг.5 - выносной элемент А фиг.4 (вариант выполнения); на фиг.6 - разрез В-В фиг.4.
Устройство выполнено в виде изогнутой круглой трубы постоянного сечения и присоединяется к каналу (трубе), по которому со скоростью V движется многофазный поток, и включает в себя последовательные измерительные вертикальные участки 1 и 2 длиной L, один из которых нисходящий, а другой - восходящий с установленными попарно на их границах датчиками давления 3-6 (фиг.1). Измерительные участки 1 и 2 связаны между собой и каналом отводами 7, и начало каждого из участков отстоит от них на равных расстояниях S. Последовательность направлений потоков, сформированных отводами 7, может быть нисходящая - восходящая (фиг.6) или восходящая - нисходящая (обозначена пунктирной линией). Так, для жидкостных потоков преимущественное направление по первому варианту, чтобы в устройстве не образовывалась газовая пробка, а для газовых потоков - по второму варианту, чтобы не оседал конденсат. Увеличивая количество отводов 7 и связывая их прямыми участками, можно образовать сложную пространственную конфигурацию, что повышает перепад давления, необходимый для точности измерений.
Устройство может быть дополнительно снабжено датчиком температуры 8, а на его выходе может быть установлен регулируемый дроссель 9, изменяющий давление потока. Данные с датчиков давления 3-6, датчика температуры 8 и дросселя 9 подаются на вычислительное устройство 10, выдающее необходимые параметры потока. Вычислительное устройство 10 выполнено в виде процессора с памятью для хранения данных в соответствии с ГОСТ Р 8.615-2005.
Каждая пара датчиков давления (3 и 4, 5 и 6, 4 и 5 или 3 и 6) может быть заменена одним дифференциальным, соответственно, 11, 12 и 13 (фиг.2). Для этого устройство оборудуется изолированными посредством разделительных мембран 14 от основного потока участками 15, заполненных промежуточной жидкостью. Мембраны 14 выполнены трубчатого типа и равного диаметру канала (трубы). Каждый из дифференциальных датчиков 11-13 содержит измерительную мембрану 16. Дифференциальные датчики давления 11 и 12 для учета веса столба жидкости размещены на вертикальных участках 1 и 2, в то время как датчик 13 (фиг.2) присоединен к потоку на одном уровне, чтобы не учитывать геометрическую (весовую) составляющую потока.
Для измерения газовой фазы дополнительно может быть установлен датчик давления 17. На входе устройства дополнительно установлен фильтр 18 от механических примесей. Для контрольного определения составляющих потока установлен пробник 19, который управляется вычислительным устройством 10.
Устройство может быть снабжено датчиком скорости 20 (вместо дифференциального датчика давления 13), например, ультразвуковым (фиг.3).
Устройство присоединяется к каналу (трубе) болтовым фланцевым 21 соединением (фиг.4) или поворотным быстроразъемным соединением - БРС (фиг.5). Фланец соединен с переходником-адаптером в виде конфузора 22, решетки 23 и выравнивающего участка 24 (фиг.4). В изолированных участках 15 может быть установлен регулятор давления 25.
Также устройство может быть дополнительно снабжено датчиком количества серы 26 (фиг.2).
Для удобства присоединения устройства к каналу (трубе) используется байпасный трубопровод, по которому направляется поток, в то время как к перекрытому каналу посредством фланцевых соединений 21 (фиг.4) или БРС (фиг.5) присоединяется устройство. Затем байпасный трубопровод перекрывается, и поток направляется через измерительное устройство. Движущийся со скоростью V многофазный поток, проходя через конфузор 22 и решетку 23, успокаивается, а затем выравнивается на участке 24 по поперечному сечению. Далее отвод 7 меняет направление потока, включая формирование нисходящего и восходящего участков. Наличие отводов обуславливает изменение направления потока, вследствие чего возникает местный перепад давления, используемый для измерения скорости потока или объемного расхода.
Мембраны 14 (фиг.2-4) отделяют поток от участков 15 с промежуточной жидкостью, что предотвращает загрязнение этих участков, но обеспечивает передачу давления на дифференциальные датчики 11-13, а для вертикальных участков 1 и 2 дополнительно обеспечивают возможность измерения плотности потока и потерю давления (на трение), по которому определяется вязкость потока.
Измеряя давление в различных сечениях потока датчиками давления 3 и 4, 5 и 6, 3 и 6 или 4 и 5 (фиг.1) или разницу давлений дифференциальными датчиками давления 11-13 (фиг.2), вычислительное устройство 10, решая систему из трех уравнений Бернулли для восходящего, нисходящего и горизонтального измерительных участков, рассчитывает плотность, скорость (объемный расход), массовый расход, а применяя формулу Пуазейля-Гагена для ламинарных потоков или формулу Вейсбаха-Дарси для турбулентных потоков с учетом, например, формулы Кольбрука, рассчитывает вязкость потока. При определении скорости потока дифференциальный датчик давления 13 (фиг.2) не учитывает геометрическую составляющую потока, т.к. его места присоединения к потоку расположены на одном уровне.
Измеряя скорость потока ультразвуковым датчиком 20 (фиг.3), а также измеряя давление в различных точках потока датчиками 3 и 4, 5 и 6 (фиг.1) или разницу давлений дифференциальными датчиками 11 и 12 (фиг.3), вычислительное устройство 10, решая систему из двух уравнений Бернулли для восходящего и нисходящего потоков, рассчитывает плотность и потерю давления на трение, а с учетом измеренной скорости потока аналогично определяет остальные параметры (объемный расход, массовый расход и вязкость потока).
Таким образом измеряется однофазный поток. В случае, если поток газовый, снимая показания с датчика температуры 8 и имея данные давления, вычислительное устройство 10 рассчитывает объем газа по формуле Клапейрона - Менделеева (для идеального газа) или по формуле Ван-дер-Ваальса (для реального газа), приведенного к стандартным условиям.
Для измерения двухфазного потока вычислительное устройство 10, решая дополнительную систему уравнений объемного и массового расхода как потока в целом, так и его фаз, определяет (рассчитывает) параметры каждой фазы. В случае, если одна из двух фаз - газовая, перевод параметров газа к стандартным условиям проводится аналогично описанному выше (для однофазного газового потока).
В случае трехфазного потока (в котором одна фаза - газовая), имеющаяся система двух уравнений не позволяет определить параметры каждой из трех фаз. Для определения газовой фазы необходимо изменить давление потока в канале. Для этого по команде вычислительного устройства 10 регулируемый дроссель 9 изменяет давление в канале, после чего повторно снимаются показания измененного состояния потока и вычислительное устройство 10, решая систему уравнений в различных состояниях потока, рассчитывает объемный и массовый расходы газовой фазы. Перевод параметров газа к стандартным условиям проводится аналогично описанным выше случаям для однофазного газового потока и двухфазного (одна из которых газовая) потоков. Определение параметров жидких фаз проводится так же, как в случае измерения двухфазного жидкого потока.
Так как в устройстве могут быть применены дифференциальные датчики давления различных типов и различной нелинейности своих характеристик, необходимо предварительно настроить устройство. Для чего регулятором давления 25 смещают шкалу дифференциального датчика давления 11-13 от околонулевых значений, в которых погрешность прибора наибольшая.
Для настройки и поверки устройства периодически определяют внутрифазный состав потока, для чего пробником 19 забирают пробы из потока и в лабораторных условиях определяют точный состав потока, после чего вводятся скорректированные установочные данные в вычислительное устройство 10 по принципу обратной связи.
Для оперативного определения наиболее важных внутрифазовых составляющих используют специализированные датчики - в нашем случае датчик по непрерывному анализу серы 26, что позволяет отслеживать качественный состав потока.
Таким образом, заявляемый способ измерения параметров многофазного потока и устройство для его реализации обеспечивают широкие функциональные возможности, расширяют сферы применения, повышение надежности, долговечности прибора и точности измерений.
Источники информации
1. Заявка РФ №2003101902.
2. Журнал «Нефтегаз», 2003 г., №2, с.103…107 (см. Приложение).
3. Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. «Гидравлика и аэродинамика». (Основы механики жидкости). Учебное пособие для вузов. М., Стройиздат, 1975.
4. Дубровский И.М., Егоров Б.В., Рябошапка К.П. Справочник по физике. Киев, «Наукова думка», 1986.