Способ прокачки различных сред по трубопроводу и устройство для его осуществления
METHOD OF DIFFERENT MEDIA PUMPING THROUGH PIPELINE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб из потока в трубопроводе и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров перекачиваемых по трубопроводам различных сред.
Известен способ отбора проб из потока в трубопроводе, при котором производят перемешивание потока путем его прокачки по трубопроводу, размещение в трубопроводе пробозаборного элемента из одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую располагают на оси трубопровода входным отверстием навстречу потоку, отбор пробы пропорционально расходу потока трубопровода, при котором скорость отбора выбирается равной средней скорости потока трубопровода п.п. 2.13.1.2, 2.13.1.7, черт. 14, ГОСТ 2517-1985 [1].
Известно устройство для отбора проб из потока в трубопроводе, включающее пробозаборный элемент из одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую располагают на оси перемешивающего устройства, функцию которого выполняет сам трубопровод, и ориентируют отверстием навстречу потоку п. 2.13.1.7, черт. 14, ГОСТ 2517-1985 [2].
Недостатки известной технологии отбора проб [1, 2] - перемешивающим элементом выступает сам трубопровод, на трубопроводе отсутствует компактное перемешивающее устройство. Наиболее точно параметры потока определяются, когда поток однородный. Это определяет требование к потоку, чтобы он характеризовался высокой турбулентностью, что ограничивает применимость известных технологий.
Известен способ отбора проб из потока в трубопроводе, при котором производят размещение на трубопроводе перемешивающего устройства для перемешивания потока за счет энергии потока, перемешивание потока путем его прокачки по трубопроводу при допустимом, априори заданном, перепаде давления на перемешивание, размещение в трубопроводе пробозаборного элемента из одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую располагают на оси перемешивающего устройства, и ориентируют отверстием навстречу потоку, отбор пробы пропорционально расходу потока трубопровода, при котором скорость отбора выбирается равной средней скорости потока трубопровода п.п. 2.13.1.2, 2.13.1.4, 2.13.1.7, черт. 14, ГОСТ 2517-1985 [3] (прототип способа).
Известно устройство для отбора проб из потока в трубопроводе, включающее перемешивающее устройство для перемешивания потока за счет энергии потока, пробозаборный элемент из одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую располагают на оси после перемешивающего устройства по ходу потока, и ориентируют отверстием навстречу потоку п.п. 2.13.1.4, 2.13.1.7, черт. 14, ГОСТ 2517-1985 [4].
Недостатки известной технологии отбора проб [3, 4] - ограниченность их применимости ввиду реализации этой технологией только линейной зависимости расхода потока от скорости потока, направляемого в зону перемешивания. Тогда как основные параметры для перемешивания, заложенные в технологию, остаются нереализуемыми - при определенном расходе потока в технологию заложен интервал изменения перепада давления на перемешивание. Реализуется при этом одно значение перепада давления в случае неизменности параметров потока, определяемое зависимостью расхода потока и гидравлического сопротивления перемешивающего устройства. По этой причине оказываются нереализуемыми случаи, когда при фиксированном расходе потока необходимо изменять интенсивность перемешивания потока, - увеличивать или уменьшать его.
Техническим результатом данного изобретения является эффективное использование отводимого на перемешивание перепада давления, чтобы при фиксированных расходах потока можно было управлять процессом перемешивания, увеличивая или уменьшая его интенсивность.
Для достижения технического результата в способе отбора проб из потока в трубопроводе, при котором поток перемешивают с допустимым перепадом давления на перемешивание в заданном интервале расхода потока, если необходимо, отбирают пробу при помощи пробозаборного элемента или определяют один или несколько параметров потока анализатором качества, согласно изобретению устанавливают необходимый расход потока, а перемешивание потока осуществляют из условия, что интенсивность его перемешивания можно регулировать в допустимых границах перепада давления на перемешивание.
В заявляемом способе поток перемешивают, устанавливая заданный расход, регулируя интенсивность этой операции в допустимых границах перепада давления на перемешивание и расхода потока, то есть при перемешивании применяют перемешивающее устройство с изменяемым, например регулировкой извне, снаружи трубопровода, гидравлическим сопротивлением, в допустимых границах перепада давления на перемешивание и расхода потока регулируют интенсивность перемешивания потока, изменяя конфигурацию смесительного элемента перемешивающего устройства, изменяя при этом гидравлическое сопротивление перемешивающего устройства, что не достижимо для прототипа [3]. Например, если исходить из рационального расхода энергии потока, заявляемое решение позволит при уменьшении расхода потока его скорость изменением гидравлического сопротивления и выбором перепада давления увеличить скорость потока, направляемого в зону перемешивания, и тем повысить интенсивность перемешивания, а при увеличении расхода потока уменьшить гидравлическое сопротивление перемешивающего устройства для снижения скорости потока, направляемого в зону перемешивания, из условия сохранения интенсивности перемешивания и тем избежать нерационального расхода энергии потока.
При минимальном расходе потока в трубопроводе применение известного решения [3] не позволит рационально использовать априори отводимую энергию потока на перемешивание, которую контролируют по допустимому перепаду давления на перемешивание, расходу потока. Благодаря перечисленным отличительным признакам заявляемого решения обеспечивается его преимущество перед прототипом [3].
(Примечание - данное примечание служит более широким дополнением к вышеприведенному обоснованию достижения поставленного технического решения, которое может быть использовано для корректировки описания и формулы на этапе рассмотрения заявки по существу и которое можно пропустить на этапе формальной экспертизы:
В заявляемом способе при осуществлении операции перемешивания применяют перемешивающее устройство с изменяемым, например регулировкой извне, снаружи трубопровода, гидравлическим сопротивлением, для чего можно применять смесительный элемент перемешивающего устройства с изменяемой конфигурацией. Скорость потока в зоне перемешивания регулируют, изменяя площадь живого сечения потока (или площадь суммарных сечений струй, на которые может разбиваться потока для перемешивания), то есть с уменьшением или с увеличением расхода потока в трубопроводе площадь живого сечения потока соответственно уменьшают или увеличивают, исходя из допустимого перепада давления на перемешивание, например, чтобы перепад давления на перемешивание не превышал прежнее значение в случае уменьшения живого сечения потока и был не менее прежнего значения в случае увеличения живого сечения. При этом площадь живого сечения потока в зависимости от расхода изменяют по непрерывной или ступенчатой зависимостям. Применение заявляемого способа позволит, в отличие от прототипа [3], в случае увеличения расхода потока значительно снизить потери напора (поскольку перепад давления пропорционален квадрату скорости потока) на перемешивание без ухудшения качества перемешивания, а при снижении расхода потока обеспечить необходимую интенсивность перемешивания для достижения однородности перемешивания вследствие увеличения скорости потока, направляемого на перемешивание. Указанное увеличение скорости потока для заявляемого решения обеспечивается увеличением перепада давления на перемешивание в априори задаваемых границах для решений как заявляемого, так и прототипа [3] (для последнего увеличение перепада давления на перемешивание при уменьшении расхода потока не реализуемо и в этом, как было указано выше, один из его главных недостатков). Таким образом, заявляемый способ на этапе перемешивания потока позволяет путем изменения площади живого сечения потока изменять среднюю линейную скорость потока на участке перемешивания и, как следствие, перепад давления на перемешивание, избегая неоправданных потерь напора на перемешивание, с возможностью выбора оптимальных параметров. Осуществление перемешивания по заявляемому способу позволит поддерживать необходимую однородность при более рациональном использовании для этого энергии потока, при отборе пробы обеспечить более представительный отбор пробы, а поточными анализаторами качества определять более точно параметры потока.)
Таким образом, осуществление отличительных операций заявляемого способа позволит по сравнению со способом-прототипом [3] расширить границы применимости перемешивания.
Для достижения технического результата при реализации заявляемого способа используют устройство, которое включает корпус перемешивающего устройства, в полости которого размещают смесительный элемент, при необходимости отбора пробы за смесительным элементом располагают пробозаборный элемент или поточный анализатор качества для определения параметров потока, согласно изобретению в качестве корпуса устройства может быть использован также сам трубопровод или его отдельный элемент, при этом в устройстве устанавливают смесительный элемент с изменяемой конфигурацией, для изменения конфигурации смесительного элемента устройство дополнительно оснащают механизмом, при помощи которого изменяют конфигурацию смесительного элемента.
В заявляемом устройстве используют корпус перемешивающего устройства, в качестве которого может служить сам трубопровод. При этом в конструкции устройства применяют смесительный элемент с изменяемой конфигурацией, с механизмом для изменения конфигурации смесительного элемента, который позволяет регулировать гидравлическое сопротивление смешивающего элемента, регулировать вход для пропуска через него потока трубопровода для изменения скорости потока на этом входе - регулирование размеров входа (изменять его площадь) изменять живое сечение потока в рамках априори задаваемого перепада давления на перемешивание. Применение заявляемого устройства позволит изменять размеры входа в смесительный элемент и тем регулировать интенсивность перемешивания потока. Например, на участке перемешивания при уменьшении расхода потока в трубопроводе скорость его на входе в смесительный элемент можно увеличить так, чтобы перепад давления не превышал допустимое значение, задаваемое априори. Или в случае увеличения расхода потока в трубопроводе скорость его на входе в смесительный элемент можно было уменьшить, чтобы перепад давления не превышал допустимое значение. Это позволяет при увеличении расхода потока увеличивать площадь живого сечения потока, а в случае уменьшения расхода соответственно ее уменьшать, избегать при этом нерационального расхода энергии потока трубопровода на перемешивание.
Благодаря наличию отличительных признаков в заявляемом устройстве перемешивание потока будет осуществляться эффективно в более широких границах по перепаду давления, отводимого на перемешивание, и расходов потока, нежели с применением прототипа [4].
Таким образом, применение заявляемого устройства позволит осуществлять перемешивание потока с регулировкой интенсивности перемешивания, что не достижимо при применении устройства-прототипа [4].
Заявляемые способ отбора проб из потока в трубопроводе и устройство для его осуществления могут конкретно применяться, например, на нефтепромыслах - на коммерческих узлах учета нефти, при перемешивании объединяемых в единый потоков из различных трубопроводов.
Заявляемый способ отбора проб из потока в трубопроводе осуществляется следующим образом.
Поток в трубопроводе подвергают перемешиванию с допустимым отклонением перепада давления и расхода потока на перемешивание, при этом устанавливают необходимый расход потока, а перемешивание потока осуществляют из условия, что интенсивность его перемешивания можно регулировать в допустимых границах перепада давления на перемешивание, если необходимо, поток после перемешивания анализируют, или отбирают пробу при помощи пробозаборного элемента, или определяют один или несколько его параметров анализатором(ами) качества.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
На фиг. 1 представлен один из вариантов заявляемого устройства для реализации заявляемого способа отбора проб из потока трубопровода.
Устройство для отбора проб из потока в трубопроводе 1 включает перемешивающего устройства 2, пробозаборный элемент 3 с вентилем 4, устанавливаемый в трубопроводе 1 по ходу потока после перемешивающего устройства 2, который состоит из корпуса 5 в виде участка для локального изменения направления потока, например T-образного участка, с установленным в нем смесительным элементом 6 в виде усеченного конуса с перфорацией по боковой поверхности, при этом в смесительный элемент 6 упирается второй смесительный элемент 7 для изменения конфигурации совокупности смесительных элементов 6 и 7, то есть для регулировки проходного сечения по боковой поверхности в смесительном элементе 6 при помощи механизма изменения конфигурации смесительного элемента, образуемого смесительными элементами 6 и 7, привода 8 с ограничителем хода 9, сальниковым узлом 10 и штурвалом 11, смонтированных на крышке 12, устанавливаемой на Т-образном корпусе 5.
Устройство для отбора проб из потока в трубопроводе, фиг. 1, предназначено для предварительного перемешивания потока из трубопровода 1 при помощи перемешивающего устройства 2 и последующего отбора пробы из перемешанного потока при помощи пробозаборного элемента 3 под воздействием избыточного давления в трубопроводе 1 по отношению к атмосферному. Корпус 5 перемешивающего устройства 2 служит для размещения в нем смесительного элемента 6 со смесительным элементом 7 для регулировки проходного сечения, образуемого их конфигурацией. Для перемешивания потока в перемешивающем устройстве 2 служит смесительный элемент 6. Смесительный элемент 7 для регулировки проходного сечения в смесительном элементе 6 служит для изменения площади прохода через отверстия по боковой поверхности смесительного элемента 6 при повороте смесительного элемента 7 его вокруг оси смесительного элемента 6 при вращении штурвала 11, который соединен с элементом 7 приводом 8. Привод 8 служит для передачи крутящего момента от штурвала 11 элементу 7. Ограничитель хода 9 на приводе 8 препятствует выдвижению привода 8 под избыточным давлением в трубопроводе 1. Сальниковый узел 10 с крышкой 12 герметично разделяет внешнюю среду и поток в трубопроводе 1. Вентиль 4 служит для отбора пробы через пробозаборный элемент 3.
Устройство для отбора проб из потока в трубопроводе, фиг. 1 работает следующим образом.
Поток трубопровода 1 при поступлении в перемешивающее устройство 2 на участке расположения смешивающего элемента 6 подвергается перемешиванию. Интенсивность перемешивания регулируют изменением прохода через перфорационные отверстия на боковой поверхности смешивающего элемента 6 путем вращения смешивающего элемента 7 при помощи штурвала 11, при вращении штурвал 11 передает крутящий момент смешивающему элементу 7 через привод 8. Смешивающий элемент 7 при повороте вдоль оси трубопровода 1 перекрывает или открывает перфорационные отверстия на смешивающем элементе 6, при уменьшении расхода и скорости потока в трубопроводе 1 живое сечение при прохождении потока через смешивающий элемент 6 уменьшают, чем обеспечивают увеличение скорости потока при прохождении им через перфорацию на боковой поверхности смешивающего элемента 6 и обеспечивают лучшие условия для перемешивания; при увеличении расхода и скорости потока в трубопроводе 1 живое сечение при прохождении потока через смешивающий элемент 6 увеличивают, чем обеспечивают уменьшение скорости потока при прохождении им через перфорацию на боковой поверхности смешивающего элемента 6 и обеспечивают уменьшение перепада давления на смешивающем элементе 6. После перемешивания потока из него при помощи пробозаборного элемента 3 и вентиля 4 отбирают пробу либо анализируют поточными анализаторами качества, установленными ниже по потоку (не показаны).
Для испытаний было использовано устройство для отбора проб из потока в трубопроводе, фиг. 1, с приводимыми ниже параметрами.
Трубопровод 1 – горизонтальный с внутренним диаметром 100 мм, внутренний диаметр корпуса 5 смесителя 4 также составлял 100 мм и представляет собой Т-образный участок трубопровода с крышкой 12. Поток трубопровода 2 представлял собой нефтяную эмульсию со средним содержанием воды 3,5%; вязкость безводной нефти при 20°C составляла 4 сП; минимальная. Пробозаборный элемент 3 представлял собой трубку с внутренним диаметром 6 мм [4]. Смешивающий элемент 6 и элемент 7 представляли собой подобные усеченные конусы с совмещенными перфорационными отверстиями по боковой поверхности, вложенные в трубопровод 1, суммарной площадью 100% от проходного сечения трубопровода диаметром 100 мм. При вращении штурвала 11 перфорационные отверстия на смешивающем элементе перекрывались смешивающим элементом 7 от 0% до 100%.
Сравнительные испытания заявляемого способа отбора проб из потока трубопровода были проведены с использованием способа отбора проб [3] и устройства [4], данные сведены в таблицу.
Устройство-прототип [4] представляло собой заявляемое устройство, фиг. 1, с той лишь разницей, что смешивающий элемент 7 в нем занимал неизменное положение, независимо от расхода потока в трубопроводе 1, и перекрывал перфорацию на смесительном элементе 6 на 60% (см. колонку 6 таблицы).
2
При сравнительных испытаниях скорость/расход потока в трубопроводе 1 составляли при допустимом перепаде давления на перемешивание 2 кгс/см:
- для заявляемого решения:
минимальная 0,1 м/с
/ минимальный расход 0,34 м<sup>3</sup>/ч,
0,4 м/с
/ номинальный расход 11,3 м<sup>3</sup>/ч,
максимальная 3,2 м/с
/ максимальный расход 90,43,4 м<sup>3</sup>/ч,
- для технологии [3, 4]:
минимальная 0,4 м/с
/ минимальный расход 11,3 м<sup>3</sup>/ч,
максимальная 3,2 м/с
/ максимальный расход 90,43,4 м<sup>3</sup>/ч.
Заявляемое устройство позволяет увеличивать живое сечение потока при увеличении расхода потока и уменьшать живое сечение потока при уменьшении расхода потока в трубопроводе из условия, чтобы при уменьшении расхода потока в трубопроводе скорость его на входе (перфорационные отверстия) в смесительный элемент можно увеличить, уменьшая площадь входа, при увеличении расхода потока скорость его можно было уменьшать, увеличивая площадь входа.
Сравнительные эксперименты показали следующее.
3
При расходе потока 11,3 м/ч данные экспериментов для сравниваемых решений совпадают, строка 2 таблицы, перекрытие смешивающим элементом 7 перфорационных отверстий смешивающего элемента 6 для сравниваемых технологий было одинаковым и составляло 60%, скорости потока в перфорационных отверстиях смесительного элемента 6 для сравниваемых технологий были одинаковы и составляли 1 м/с, см. колонки 5 и 6. Качество перемешивания потока в экспериментах оценивали по содержанию содержание воды в потоке трубопровода 1 (см. колонки 5 и 6), которое для сравниваемых технологий совпадало с действительным, то есть составляло 3,5%.
3
3
При расходе потока 2,8 м/ч, строка 1 таблицы, перекрытие смешивающим элементом 7 перфорационных отверстий смешивающего элемента 6 для прототипа технологии [3, 4], строка 1 колонка 6 таблицы, оставалось прежним и составляло 60%, а для заявляемой технологии увеличили до 90%, строка 1 колонка 5 таблицы, с тем, чтобы скорость в перфорационных отверстиях смесительного элемента 6 увеличилась до 1 м/с, значения, при котором перемешивание осуществлялось при расходе потока 11,3 м/ч (строка 1 таблицы), то есть такой выбор скорости был сделан для того, чтобы обеспечить близкие условия для перемешивания для эксперимента №1. Для прототипов [3, 4] скорость потока при этом в перфорационных отверстиях смесительного элемента 6 снизилась по сравнению с номинальным расходом с 1 м/с до 0,25 м/с и, как показывают данные экспериментов, содержание воды при этом в пробе снизилось до 1,9% (строка 1 колонки 3 и 6 таблицы). Это говорит о не достаточно эффективном качестве перемешивания потока в трубопроводе 1 при минимальном его расходе по прототипу [3, 4] и о расширении границ применимости заявляемого решения по расходу.
3
При максимальном расходе потока 90,43 м/ч, строка 3 таблицы, перекрытие смешивающим элементом 7 перфорационных отверстий смешивающего элемента 6 для прототипа технологии [3, 4], строка 1 колонка 6 таблицы, оставалось прежним и составляло 60%, для заявляемой технологии, строка 1 колонка 5 таблицы, составляло 0%, то есть проход через перфорационные отверстия на смешивающем элементе 6 был полностью открыт и площадь прохода на смешивающем элементе 6 совпадала с площадью поперечного сечения трубопровода 1. То есть скорость потока при этом в перфорационных отверстиях смесительного элемента 6 для заявляемых решений была максимально снижена - она сравнялась со скоростью потока в трубопроводе 1 и составляла 3,2 м/с. В то же время для прототипов решений [3, 4] эта скорость возросла и составила 8 м/с. При этом качество перемешивания потока в трубопроводе 1, оцениваемое по содержанию воды в пробе, для сравниваемых технологий по сравнению с экспериментом №2 для номинального расхода потока в трубопроводе 1 можно характеризовать как достаточно хорошее, см. строка 3 колонки 5 и 6, содержание воды в пробе для заявляемых решений совпало с действительным, то есть 3,5%. Однако для прототипов [3, 4] затраты энергии потока на перемешивание были значительно выше, перепад давления на перемешивание потока для прототипа [3, 4] в 6 раз превысил этот показатель для заявляемых решений. Кроме того, если расслоение пробы на нефть и воду для заявляемых решений составило 25 минут, то для прототипов [3, 4] - 35 часов. Это говорит о передиспергировании (излишнем измельчении) водной фазы в нефти при перемешивании потока трубопровода 1 с применением решений [3, 4], которое может создать большие проблемы. На нефтепромысле, когда нефть транспортируют от скважин к установке обезвоживания нефти, такое перемешивание потока приведет к нарушению процесса обезвоживания нефти.
Таким образом, данные сравнительных испытаний подтверждают эффективность применения заявляемых решений по сравнению с решениями-прототипами [3, 4], т.е. варьирование скорости на смесительном элементе при изменении расхода в трубопроводе позволит снизить потери напора потока, увеличить пропускную способность трубопровода, обеспечить требуемое качество перемешивания, высокую представительность пробы.
Заявляемый способ отбора проб и устройство для его реализации промышленно применимы, для реализации заявляемой техники изменения могут быть проведены силами производственников, обслуживающих системы учета потоков в трубопроводах.
№ эксперимента
Параметры потока в трубопроводе 1
Скорость потока в перфорационных отверстиях смесителя 6, м/с,/перекрытие перфорационных отверстий в смесителе 6 элементом 7, %,/содержание воды в пробе, %
Расход, м<sup>3</sup>/ч
Скорость, м/с
Содержание воды, %
Заявляемые решения
Прототип решения [3, 4]
1
2
3
4
5
6
1
2,83(минимальный)
0,1
3,5
1/90/3,5
0,25/60/1,9
2
11,3(минимальный для прототипа решения [3, 4])
0,4
3,5
1/60/3,5
1/60/3,5
3
90,43(максимальный)
3,2
3,5
3,2/0/3,5
8/60/3,5
Источники информации
1. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-1985, пп. 2.13.1.2, 2.13.1.7, черт. 14.
2. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-1985, п. 2.13.1.7, черт. 14.
3. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-1985, пп. 2.13.1.3, 2.13.1.4, 2.13.1.7, черт. 14, ГОСТ 2517-1985.
4. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-1985, пп. 2.13.1.4, 2.13.1.7, черт. 14, ГОСТ 2517-1985.