Способ измерения состава двухфазного вещества в потоке
METHOD FOR MEASURING COMPOSITION OF TWO-PHASE SUBSTANCE IN THE STREAM

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами двухфазного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода).
Известны способы измерения покомпонентного состава двухфазных веществ, имеющие большое значение и для определения расхода каждого из компонентов добываемой из скважин нефти. Для этого, в частности, нашли применение турбинные расходомеры, которые предполагают предварительную гомогенизацию нефтегазовых смесей, а также и другие типы расходомеров, например на трубке Вентури, для использования которых необходимо наличие сепараторов жидкой и газовой фаз вещества (монография: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1989. 701 с.). Эти способы также имеют ограниченную область применения и сложны в реализации.
Известно техническое решение (Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. С. 168-177), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Способ-прототип предназначен для измерения физических свойств веществ путем измерения их электрофизических параметров с применением радиоволновых (СВЧ) чувствительных элементов в виде резонаторов. В частности, для измерений в трубопроводах данный способ базируется на применении измерительных устройств, содержащих в качестве чувствительных элементов проточные объемные резонаторы с торцевыми элементами в виде запредельных волноводов. Недостатком этого способа измерения является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью определения состава веществ при большем, чем две, компоненты контролируемого вещества. В частности, это относится к нефтеводогазовой смеси.
Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.
Технический результат достигается тем, что в способе измерения состава двухфазного вещества в потоке, при котором выполняют первый такт измерений, в котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующего чувствительного элемента в виде СВЧ-резонатора и измерении его резонансной частоты электромагнитных колебаний, дополнительно выполняют последовательно два такта измерений, в которых воздействуют на вещество электромагнитными волнами СВЧ-диапазона частот в двух частотных диапазонах, одному из которых соответствует изменение объема резонатора на некоторую фиксированную величину, а другому - изменение этого объема еще на некоторую фиксированную величину, производят измерение значений резонансной частоты резонатора в этих трех тактах измерений, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений резонансной частоты резонатора в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав двухфазного вещества.
Предлагаемый способ поясняется чертежом. На фиг. 1 приведена схема устройства, поясняющая данный способ измерения.
Здесь показаны: измерительный участок трубопровода 1, волновод 2, первый дополнительный объем 3, волновод 4, второй дополнительный объем 5, электронный блок 6.
Сущность способа измерения состоит в следующем.
Наиболее важной на практике задачей является определение состава трехкомпонентного двухфазного вещества в потоке, а именно объемного содержания нефти или нефтепродукта, газа и воды в их смеси. На примере такого вещества рассмотрим сущность и пути реализации данного способа измерения.
o
1
г
1
2
В основе данного способа измерения состава двухфазных веществ, перемещаемых по трубопроводам, лежит проведение основного (первого) и дополнительных (второго и третьего) тактов измерений и последующее совместное функциональное преобразование результатов измерений в этих трех тактах с определением искомого состава вещества в результате этого преобразования. На втором такте измерений производят добавление к объему V измерительного участка трубопровода или изъятие из него некоторого фиксированного объема ΔV одной из компонент, в предпочтительном варианте объема газа ΔV. На третьем такте измерений производят, помимо уже добавленного или изъятого объема ΔV на втором такте, еще добавление или изъятие объема ΔV.
1
2
Далее будем рассматривать для ясности реализацию способа с добавлением объемов ΔV и ΔV. Рассмотрение реализации способа с изъятием таких объемов проводится аналогично.
г
н
г
в
н
в
г
p
p1
о
р2
о
1
р3
р3
о
2
Наличие ΔV приводит к составлению дополнительных уравнений связи входных параметров ∈, ∈, ∈, V, V и V и информативного параметра - резонансной частоты ƒэлектромагнитных колебаний проточного резонатора - и, тем самым, позволяет при решении полученной системы уравнений определить покомпонентный состав. Пусть ƒ - резонансная частота проточного резонатора, соответствующая первому такту измерений, когда объем резонатора соответствует объему V измерительного участка трубопровода, ƒ - резонансная частота резонатора во втором такте измерений, когда объем резонатора есть V+ΔV, ƒ - объемом трем циклам измерений - первого, и ƒ - резонансная частота резонатора в третьем такте измерений, когда объем резонатора есть V+ΔV.
Для нефтеводогазового потока будем при этом иметь
н
в
г
о
о
н
в
г
н
в
г
Здесь V, V и V - объемное содержание, соответственно, нефти или нефтепродукта, воды и газа в объеме V измерительного участка трубопровода (V=V+V+V), ∈, ∈ и ∈ - диэлектрические проницаемости этих компонентов потока.
н
в
г
н
г
в
4
5
1
2
Здесь подлежащие измерениям параметры есть V, V и V, а возмущением, от влияния которого на результаты измерений необходимо достичь независимости, является переменная величина (сортность) ∈ нефти или нефтепродукта. Параметры ∈ и ∈ считаются фиксированными; в противном случае систему уравнений (1) следует дополнить уравнениями связи, записанными для частот ƒ и ƒ (и, соответственно, проведением двух дополнительных тактов измерений, соответствующих дополнительным объемам, присоединяемым к полости, уже содержащей два добавленных объема ΔV и ΔV с применением соответствующих запредельных волноводов). Решение системы уравнений (1) возможно как аналитически, с учетом конкретных параметров резонатора, дополнительных объемов и свойств контролируемых веществ, так и при аппроксимации экспериментально полученных кривых соответствующими функциями.
p1
На фиг. 1 изображен измерительный участок 1 трубопровода, на котором организовано подсоединение тестового объема газа ΔV. Здесь сам измерительный участок является проточным волноводным резонатором, имеющим торцевые запредельные волноводы, которыми являются торцы магистрального трубопровода (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 173-117). Зависимость резонансной (собственной) частоты ƒ электромагнитных колебаний резонатора от диэлектрической проницаемости трехкомпонентного вещества соответствует первому уравнению в системе уравнений (1).
р2
p1
о
1
1
о
1
р3
2
p3
h2
p1
1
1
2
o
К измерительному участку 1 через волновод 2, который является запредельным волноводом для частотного диапазона, вблизи подсоединен первый дополнительный объем 3, ограниченный металлической замкнутой поверхностью (фиг. 1). На втором такте измерений при возбуждении в указанном резонаторе электромагнитных колебаний на частоте ƒ (иного типа колебаний), большей частоты ƒ, волновод 2 не является запредельным, вследствие чего объем резонатора становится равным V+ΔV. Этот дополнительный объем ΔV может заполняться газовой фазой потока. Для предотвращения попадания в него жидкости волновод 2 перекрывается проницаемой только для газа диэлектрической перегородкой. На третьем такте измерений к объему V+ΔV с помощью волновода 4, запредельного для частот, меньших, чем частота ƒ, добавляется на измерительном участке 1 второй дополнительный объем 5, равный ΔV, заполняемый газом, при возбуждении электромагнитных колебаний более высокого типа на частоте ƒ>ƒ>ƒ. Такой дополнительный объем 5 может быть подсоединен и к первому дополнительному объему 3 через соответствующий волновод. Итак, второй такт измерений характеризуется добавлением объема ΔV, а третий такт - добавлением объема ΔV+ΔV к первоначальному объему V.
p1
p2
Полученные три зависимости ƒ, ƒ и от входных параметров можно описать с помощью известных соотношений следующего вида (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 173-117):
p0
г
ж
где ƒ - начальная (в отсутствие жидкой фазы) значение резонансной частоты, V - суммарный объем, занимаемый газовой фазой во время соответствующего такта измерений, V - объем жидкости (водонефтяной смеси).
ж
Данное соотношение (2) соответствует рассмотрению задачи определения покомпонентного состава нефтеводогазовой смеси как задачи измерения сплошности, когда требуется определить количество свободного газа в потоке жидкости. Для смеси воды и нефти или нефтепродукта, характеризуемой значением диэлектрической проницаемости ∈, известны различные аналитические и эмпирические соотношения, относящиеся к тем или иным режимам потоков таких смесей. Так, при относительно малом (~5%) содержании воды в потоке нефти или нефтепродуктах справедливо следующее соотношение (монография: Теория и практика экспресс-контроля влажности твердых и жидких материалов/ Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. М.: Энергия. 1980. 240 с. С. 45-66):
в
н
в
где , W=V/(V+V) - влагосодержание.
p1
р2
p1
в
Частоты ƒ, ƒ и ƒ могут быть достаточно близкими. Реализация данного способа не требует различия ∈ на разных частотах.
р1
p2
p3
н
г
в
н
На фиг. 1 приведено схематичное изображение трубопровода с контролируемым двухфазным веществом. В проточном резонаторе на измерительном участке 1 трубопровода возбуждают электромагнитные колебания с помощью генераторов в составе электронного блока 6 (его подсоединение показано схематично) в диапазонах частот, включающих резонансные частоты ƒ, ƒ и ƒ. В этом же электронном блоке 6 измеряют значения этих резонансных частот электромагнитных колебаний, осуществляют совместное функциональное преобразование согласно соотношению (1) и определяют, таким образом, искомые значения V, V и V и, если необходимо, ∈.
p1
р2
р3
н
в
г
н
Возможно также не одновременное, а последовательное возбуждение в проточном резонаторе электромагнитных колебаний в диапазонах частот, включающих резонансные частоты ƒ, ƒ и ƒ, и их измерение. При этом данные измеряемые значения сохраняют в электронном блоке и, по завершении цикла измерений с получением данных во всех трех тактах измерений, производят указанное выше функциональное преобразование согласно соотношению (1) с определением значений V, V и V и, если необходимо, ∈. Поскольку такты измерений производят в течение очень короткого времени, то контролируемая область потока является практически неизменной за время проведения тактов измерений, что не влияет на результаты измерений.
Таким образом, данный способ позволяет определять состав транспортируемого трехкомпонентного двухфазного вещества, в частности нефтеводогазовой смеси. Он реализуем с применением электромагнитных волн СВЧ-диапазонов частот и с использованием соответствующей этим диапазонам элементной базы.