УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
LIQUID-GAS MIXTURE FLOW METRE

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода газожидкостной смеси (ГЖС), в частности, в нефтедобывающей отрасли при контроле дебита газонефтяных скважин, извлекающих сырой газ.
Известен способ камерного измерения дебита (производительности) нефтяной скважины [1. СКЖ счетчик для измерения дебита нефтяной скважины. Описание. Производство НПО НТЭС, г.Бугульма] или с помощью отдельных открытых секций. Счетчик [1] не имеет возможности поточного измерения расхода отдельных фаз смеси.
Известен способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, включающий измерение его диэлектрической проницаемости с помощью емкостного датчика [2. К.Н.Frantzen, E.Dykesteen. Field Experience Wiht the CM1 Multi-phase Fraction Water Paper 3.3. North Sea Flow Measurement Work spop 1990. National Engineering laboratory. East Kilbride, Glasgow. 1990.]. Недостатком этого способа является большая погрешность измерения расхода, обусловленная скольжением фаз потока.
Известен также способ измерения покомпонентного расхода газожидкостного потока, включающий предварительную подготовку потока, последовательное измерение его плотности, соотношения фаз, расхода и обработку результатов измерения, и устройство, содержащее узел подготовки потока, устанавливаемые последовательно ему радиоволновый датчик состава жидкой фазы, расходомер, плотномер и вычислительный блок [3. Патент РФ №2008617]. Недостатком известного способа [3] являются измерение расхода с помощью вихревого расходомера, имеющего малый диапазон измерения, недостаточная точность измерения, сложная схема преобразования сигналов, характеризующих текущий расход. Наличие подогревателя в плохообтекаемом теле усложняет также измерительную схему.
Кроме того, вихревой расходомер имеет ограниченный минимальный уровень расхода, связанный с необходимостью иметь определенный режим течения по числу Рейнолдса (Re), менее числа которого расходомер имеет недостоверные показания, имеются также ограничения по диаметру трубы.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является расходомер ГЖС производства фирмы «Тюменьнефтеавтоматика», в котором используется флуктуационный метод безсепарационного измерения дебита газонефтяных скважин, который принят за прототип (4. А.А.Вакулин, А.Б.Шабаров. Диагностика теплофизических параметров в нефтегазовых технологиях. Новосибирск. Наука. 1998. стр. 201).
В известном расходомере, содержащем измерители абсолютного давления, температуры и измеритель перепада давления, которые входами связаны с каналом смеси и выходами с вычислителем, в качестве источника измерительной информации используются флуктуации давления, возникающие при движении газожидкостного потока через внезапное сужение в трубопроводе. Давление, регистрируемое после сужения измерительным микрофоном, состоит из двух составляющих - среднего медленно меняющегося давления и переменного давления. Величина среднего давления не зависит от характера потока, его количественного состава и в основном определяется уровнем статического давления в системе газосбора. Переменную составляющую используют для измерения расхода компонент газожидкостного потока.
Недостатком такого устройства является большая погрешность измерения расхода (не лучше 5%). Внезапное сужение, выполненное в виде диафрагмы, создает дополнительное сопротивление в тракте подачи газожидкостного потока. Кроме того, на кромках могут появляться отложения, приводящие к изменению коэффициента истечения, и так без этого переменного при разных расходах, значения которого необходимо вводить в вычислитель для коррекции.
Для устранения перечисленных недостатков предложено устройство измерения расхода ГЖС для малых и больших расходов.
Предложено устройство измерения расхода газожидкостной смеси, содержащее сужающее устройство в трубе, датчик перепада давления и вычислитель, отличающееся тем, что введен струйный генератор с соплом питания, которое служит сужающим устройством, и влагомер с расположенным в стенках камеры соударения измерительным контуром, подключенный к вычислителю.
В этом устройстве весь расход ГЖС пропускается через струйный генератор (СГ). Сужающее устройство (СУ) выполнено в виде сопла питания струйного генератора, обеспечивающего перепад давления для работы струйного генератора и влагомера.
Предложено устройство измерения расхода газожидкостной смеси, отличающееся тем, что струйный генератор, выполненный плоским, вместе с влагомером введен в линию байпаса к сужающему устройству трубы (СУТ), датчик перепада подключен параллельно струйному генератору.
Для измерения большого расхода малая часть пропускается через расходомер СГ, встроенный в линию байпаса, а остальной расход пропускается через СУТ, расположенное в потоке по трубе.
В устройстве для измерения большого расхода СУТ выполнено в виде коноидального сопла, в котором плавные обводы практически препятствуют отложениям на кромках. Назначение плавного сужения в предложенном устройстве - это создание перепада давления для перетекания газожидкостной смеси через линию байпаса, параллельную измерительному участку, и включения в работу измерительной системы.
Известное традиционное расположение влагомера в трубе, в которой протекает поток ГЖС, - это отдельное расположение от других средств измерения. Предложенное конструктивное решение выполнено для того, чтобы получить более достоверный результат измерения одновременно в трубе и в камере струйного генератора, в которой поток ГЖС находится в форме струи и колебательном режиме соударения от стенки к стенке камеры. Составляющие потока с различной плотностью, протекая через камеру взаимодействия плоского струйного генератора, более интенсивно перемешиваются, а объемные массы жидкости (конденсата) усредняются, при этом измерение влагосодержания проводится с меньшей погрешностью с помощью резонансных частот. При плоской конструкции камеры взаимодействия струйный генератор вместе со струей сырого газа становится более прозрачным для измерения (фиг.1), требует меньшее количество энергии для сканирования. Кроме того, организованное сканирование влагомером с большей разрешающей способностью на краевых участках камеры, где струя сырого газа при колебаниях поочередно притягивается к стенкам камеры, позволит уменьшить погрешность измерения влагосодержания (фиг.2, 3). Информация о частоте колебаний струи внутри камеры струйного генератора через влагомер передается вычислителю для дальнейшей обработки и определения массовых компонент ГЖС. Далее, протекая по каналу слива СГ, разделенные потоки (фиг.4) вновь объединяются и попадают из байпаса в трубу измерительного участка.
На фиг.1 представлено устройство, врезанное в трубу с потоком сырого газа и измерительным контуром влагомера, расположенным на плоских поверхностях СГ.
На фиг.2 показано устройство, врезанное в трубу с потоком сырого газа и измерительным контуром влагомера, расположенным на боковых стенках камеры СГ.
На фиг.3 представлено устройство, врезанное в трубу с потоком сырого газа и измерительным контуром влагомера, расположенным на боковых стенках камеры СГ по ходу струйного течения до выхода из СГ.
На фиг.4 представлена схема устройства измерения ГЖС, в которой СГ, влагомер и датчик перепада подключены к линии байпаса относительно СУТ, расположенного в трубе с измеряемыми параметрами.
На перечисленных чертежах обозначено: 1 - измерительный участок трубы ГЖС, 2 - контур влагомера, 3 - струйный генератор (расходомер), 4 - вычислитель, 5 - сопло питания струйного генератора (или СУ), 6 - гидравлический выход СГ, 7 - информационный выход вычислителя, 8 - датчик перепада давления, 9 - точка отбора измерения перепада давления и одновременно начало линии байпаса, 10 - точка отбора измерения перепада давления и одновременно конец линии байпаса, 11 - сужающее устройство трубы (СУТ), 12 - колеблющаяся струя смеси, 13 - стенка камеры струйного соударения СГ, 14 - информационный выход влагомера.
На фиг.1 справа показана проекция устройства. Пунктиром обозначены внутренние размеры камеры. Измерительный контур влагомера 2 совмещен с обкладками, герметизирующими камеру взаимодействия, и находится в непосредственном контакте с потоком ГЖС.
На фиг.2 измерительный контур влагомера 2 расположен в боковых стенках камеры соударения 13 для контакта с потоком ГЖС. Одна из стенок 13 вынесена из чертежа отдельно.
На фиг.2 и фиг.3 не показан полностью измерительный участок 1, а также датчик перепада и его связь с вычислителем, т.к. эти связи аналогичные показанным на фиг.1.
см
Для измерения небольших расходов струйный расходомер встраивается непосредственно в трубопровод (фиг.1, 2, 3), и поток целиком проходит через сопло питания 5, влагомер 2, измерительную камеру 3 и выход 6 СГ. Перепад давления ΔР, возникающий на СГ, измеряется датчиком перепада 8, его величина передается в вычислитель для определения ρ потока через точки отбора давления 9 и 10. Измерительный контур влагомера 2 может располагаться по плоской поверхности измерительного участка 1 СГ (фиг.1), а также на обеих стенках 13 камеры 3 СГ, с которыми соударяется и далее примыкает к ним при колебаниях струя ГЖС (фиг.2) или вдоль всей боковой поверхности камеры соударения СГ до выхода 6 (фиг.3).
На фиг.2 стенки 13 с обеих сторон камеры 3 соударения являются одновременно резонансным контуром влагомера 2. Сопло 5 и гидравлический выход 6 СГ являются естественными ограничителями текущего измерительного объема при работе влагомера (фиг.1, 2, 3).
см
см
см
см
Объемный расход Q смеси ГЖС, проходящий через струйный генератор-расходомер, определяется по формуле Q=qf, где f - частота импульсов струйного генератора-расходомера; q - импульсный единичный объем, т.е. объем измеряемой среды ГЖС, приходящейся на один импульс колебаний струйного расходомера.
Поскольку СГ является расходомером переменного перепада давления (с увеличением расхода перепад давления растет), то, имея один минимальный типоразмер струйного расходомера, его можно подключать через байпас относительно сужения в основной трубе разного типоразмера. Импульсный объем струйного расходомера увеличивается при увеличении расхода ГЖС в основной трубе, при этом сохраняется один типоразмер СГ с фиксированным диапазоном изменения выходной частоты.
см
cy
см
cy
см
В этом случае импульсный единичный объем каждого типоразмера определяется по формуле q=Q/f, где Q=Q+Q. Здесь Q - общий расход, Q - объемный расход через сужающее устройство в основной трубе по измерительному участку 1 и Q - объемный расход смеси через струйный расходомер. Таким образом, в расходомере любого типоразмера объемный расход можно определить стандартным (типовым) сужением 11 и струйным расходомером 3 с вычислителем 4.
Измерительный участок 1 расположен в трубе, в которой протекает ГЖС. Движение ГЖС указано стрелками с двойной чертой. Информационная передача сигнала указана простой формой стрелки. Элементы устройства 9, 5, 3, 6, 10 составляют линию байпаса (параллельную) для течения ГЖС к измерительному участку 1 трубы.
Устройство (фиг.4) работает следующим образом. Сырой газ поступает в трубу и проходит измерительный участок 1 в направлении стрелки (на фиг.1, 2 и 3 поток проходит к соплу питания 5). Сырой газ по составу представляет собой газожидкостную смесь из газа, газового конденсата, воды, нефтяного кондесата в виде туманообразной смеси. Перепад давления ΔР, возникающий на сужении 11, измеряется датчиком перепада давления 8, сигнал которого передается в вычислитель 4. Каналы, по которым передается сигнал ΔР, одновременно служат каналами линии байпаса для прокачки ГЖС через измерительные элементы - влагомер 2 и расходомер 3, выполненный в виде СГ. Измерительный контур влагомера 2 содержит информацию по частоте и амплитуде колебаний сигнала резонансной частоты влагомера, связанную с количеством влаги в ГЖС, а также выражает частоту колебаний струи в СГ. Информация о частоте колебаний струи и относительном количестве влаги передается в вычислитель для обработки.
2
3
см
см
см
см
Основной расход ГЖС проходит по трубе через измерительный участок 1. Для измерения массового расхода необходимо иметь текущие данные о перепаде давления на струйном расходомере. Полагая перепад давления ΔР пропорциональным величине mQ, где m - масса смеси, частоту f пропорциональной объемному расходу Q, тогда величина массового расхода М определяется по формуле , где обозначено Q - объемный расход ГЖС, m - масса 1 м ГЖС, k - коэффициент пропорциональности, учитывающий площадь сечения сужения.
см
см
в
в
см
см
см
см
см
г
г
к
к
в
в
г
к
в
Частота f определяется геометрическими параметрами струйного генератора 3 и измеряется контуром влагомера 2, ΔР - измеряется датчиком перепада давления 8, относительное объемное содержание воды α=Q/Q в общем количестве ГЖС измеряется влагомером 2. На основе полученных данных можно вычислить значение плотности смеси по формуле ρ=М/Q. С другой стороны имеем ρ=αρ+αρ+αρ; α+α+α=1.
в
у
г
к
у
в
г
г
см
к
к
см
в
г
к
к
г
см
в
в
у
к
г
к
г
г
см
к
к
см
в
в
см
г
г
см
к
к
см
в
в
см
При измеренных влагомером относительных значений содержания воды α и углеводородов α=α+α и α=1 - α, где обозначено относительное объемное содержание газа α=Q/Q, конденсата α=Q/Q, a также априорно известных ρ, ρ, ρ - плотности воды, газа и конденсата, из вышеприведенных уравнений найдем α и α=(ρ-αρ-αρ)/(ρ+ρ). Далее определим значения покомпонентных расходов по формулам Q=αQ, Q=αQ, Q=αQ; M=αМ, М=αМ, М=αМ.