СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗ ПОТОКА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ
METHOD OF SIMULTANEOUS DETERMINATION OF FLOW AND GAS PHASE FLOWS OF GAS-LIQUID MIXTURE FLOW

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения величин расходов жидкой и газовой фаз в двухфазных потоках, например, при добыче или транспортировке углеводородного топлива.
Известен способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси [патент РФ №2503929, МПК: G01F 1/74, G01F 1/66 от 10.01.2014 г.], включающий зондирование восходящего потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородной жидкости сигнала, комплексное детектирование, проведение спектрального анализа с определением знака преобладающей частоты и калибровку, по результатам которой уже судят о расходах жидкой и газовой фаз.
Однако данный способ обладает рядом существенных недостатков, а именно, он очень трудоемок и малоэффективен из-за ошибок, которые неминуемо возникают при калибровке и последующей интерпретации результатов на ее основе, и малой точности, связанной с возникновением внешних гармоник при ультразвуковом зондировании.
Известен другой способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси [патент РФ №2510489, МПК: G01F 1/74 от 27.03.2014 г.], включающий зондирование потока несепарированной газожидкостной смеси непрерывным ультразвуковым сигналом, прием отраженного от неоднородностей сигнала, комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, проведение спектрального анализа и получение спектра мощности сигнала, определение средней частоты спектра сигнала для определения расходов жидкой и газообразной фаз газожидкостного потока.
Однако и этот, якобы улучшенный, по мнению авторов, способ не лишен прежних недостатков. Он, также как и предыдущий аналог, трудоемок при реализации и малоинформативен в процессе эксплуатации. Попытка авторов сделать данный способ более информативным и простым не получилась. Внешнее расположение ультразвуковых датчиков не только понижает точность, но и существенно понижает его надежность из-за воздействия внешних факторов и самой окружающей среды, как на датчики, так и на сам ультразвуковой сигнал.
Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому способу следует отнести известный способ определения расходов первой газовой фазы и, по меньшей мере, второй жидкой фазы, присутствующих в многофазной текущей среде [патент РФ №2503928, МПК: G01F 1/74 от 10.01.2014 г.], включающий циркуляцию многофазной текучей среды через горловину трубки Вентури, установленной непосредственно на трубопроводе, по которому течет поток исследуемой многофазной текучей среды, и оценку расходов газовой и жидкой фаз за счет использования измеренной разности давления и величины относительной площади, занимаемой газообразной фазой. При этом в оценке расходов газовой и жидкой фаз используют предварительные расчеты для различных режимов истечения через установленную трубку Вентури и экстраполируют их с учетом предварительных измерений и проведенных расчетов.
Способ, принятый за прототип, также как и предыдущие аналоги, обладает рядом существенных недостатков при всей своей простоте эксплуатации. А именно, использование трубки Вентури в качестве основного инструмента не отвечает тем требованиям и условиям, которые необходимы для повышения точности определения расходов газовой и жидкой сред в двухфазном потоке. Процесс компримирования двухфазных сред перед любым сопротивлением общеизвестен, как и то, что при сжатии их часто возникает автоколебательный процесс, из-за которого истинные параметры среды практически неопределимы. К тому же в описании изобретения нет информации о величине достигаемой точности измерений. Другим недостатком является то, что данный способ применим только для двухфазной смеси с большим содержанием газовой среды (более 90%), а при других параметрах, как утверждает сам автор, требует дополнительное обеспечение, а если сказать более точно - он просто непригоден на этих режимах.
Задачей настоящего изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков и проблем путем реализации нового способа одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси при любом содержании газовой среды на основе определения параметров неустойчивости вихря.
Указанная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении заявленного изобретения, заключающегося в получении более простого и надежного способа одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси с улучшенными технико-эксплуатационными параметрами, включая точность измерений при всех параметрах и режимах газожидкостной смеси.
Указанный технический результат достигается известным способом одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, включающим установку прямоточной вихревой камеры на пути следования потока газожидкостной смеси, попарного расположения внутри нее пьезоэлектрических и дифференциальных датчиков давления, и при этом внутри объема вихревой камеры создания условий для прецессирующего вихревого ядра, за счет эффекта прецессии которого и определяют соотношение жидкой и газовой фаз.
Таким образом, особенностью предлагаемого решения является то, что в качестве датчиков используют пьезоэлектрические и дифференциальные датчики давления, которые располагают во внутреннем объеме вихревой камеры в виде сопряженных пар, а измерение осуществляют путем использования эффекта прецессии вихревого ядра, образуемого в объеме вихревой камеры за счет предварительного закручивания и последующего расширения потока газожидкостной смеси по ходу его движения, при этом для подавления когерентных вторичных вихрей на выходе вихревой камеры устанавливают гидродинамический стабилизатор.
Указанный технический результат достигается также тем, что пьезоэлектрические датчики давления располагают внутри вихревой камеры диаметрально друг относительно друга в зоне расширения потока газожидкостной смеси в плоскости, перпендикулярной по отношению к продольной оси вихревой камеры.
Указанный технический результат достигается также тем, что одну пару сопряженных дифференциальных датчиков давления располагают внутри вихревой камеры, соответственно, перед входом и выходом потока газожидкостной смеси из нее, в то время как вторую пару сопряженных дифференциальных датчиков давления располагают внутри вихревой камеры, соответственно, по центру в начале прецессирующего вихревого ядра и на периферии на конце прецессирующего вихревого ядра перед входом его в зону расширения.
На фиг. 1 показана условная схема расположения датчиков внутри объема вихревой камеры и ее ориентация относительно потока газожидкостной смеси. На фиг. 1 показан вид в разрезе по центральной вертикальной плоскости вихревой камеры. Где: 1 - вихревая камера; 2 - прецессирующее вихревое ядро; 3 - завихритель; 4 - расширитель; 5 - гидродинамический стабилизатор; 6 - трубопровод.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявляемого изобретения с помощью указанного технического результата, состоят в следующем.
1
2
Способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси предполагает установку на его пути прямоточной вихревой камеры и основан на использовании эффекта прецессии вихревого ядра внутри объема вихревой камеры путем измерения интегральных характеристик закрученного течения, в частности, частоты прецессии вихревого ядра, полного перепада давления, dP и перепада давления в вихре, dP и их сопоставления с теми параметрами, которые определяются в процессе калибровки. Для чего на трубопроводе 6, по которому перемещается поток газожидкостной смеси, устанавливают вихревую камеру 1, во внутреннем объеме которой создают условия для образования прецессии вихревого ядра 2. С этой целью во внутреннем объеме вихревой камеры располагают, соответственно, по ходу перемещения потока газожидкостной смеси, завихритель 3, расширитель 4 и гидродинамический стабилизатор 5, который препятствует образованию когерентных вторичных вихрей при выходе газожидкостного потока из внутреннего объема вихревой камеры.
1
2
1
2
1
2
В качестве измерительных датчиков в данном способе используют пьезоэлектрические, F и F, и дифференциальные, P и Р, датчики давления. Датчики располагают только во внутреннем объеме вихревой камеры в виде сопряженных пар, из которых пьезоэлектрические датчики давления, F и F, располагают в плоскости перпендикулярной продольной оси вихревой камеры диаметрально друг относительно друга непосредственно на выходе прецессирующего вихревого ядра из расширителя.
1
Одну пару дифференциальных датчиков давления, Р, располагают в потоке, соответственно, перед входом потока газожидкостной смеси во внутренний объем вихревой камеры и перед выходом потока газожидкостной смеси из внутреннего объема вихревой камеры.
2
Другую пару дифференциальных датчиков давления, Р, располагают во внутреннем объеме вихревой камеры, соответственно, в точке, находящейся на оси вихревой камеры у торцевой поверхности завихрителя, что соответствует началу прецессирующего вихревого ядра, и в точке, находящейся в потоке у стенки на выходе из расширителя, что соответствует периферии прецессирующего вихревого ядра.
1
2
1
2
Такое совместное расположение пьезоэлектрических, F и F, и сопряженных пар дифференциальных, P и Р, датчиков давления позволяет достаточно точно диагностировать все флуктуации процесса вихреобразования, которые происходят во внутреннем объеме вихревой камеры. Фурье-анализ разностного сигнала от двух пьезоэлектрических датчиков давления позволяет достаточно точно вычислить частоту прецессии вихревого ядра.
Следует отметить, что в однофазном потоке частота прецессии вихревого ядра во внутреннем объеме вихревой камеры линейно зависит от расхода протекающей жидкости.
1
2
С помощью обеих сопряженных пар дифференциальных датчиков давления осуществляют измерение двух перепадов давления во внутреннем объеме вихревой камеры. Полный перепад давления, dP, между входом в вихревую камеру и выходом из нее газожидкостного потока позволяет определить гидравлическое сопротивление прямоточной вихревой камеры и, соответственно, интенсивность процесса вихреобразования. Перепад давления в вихре, dP, позволяет определить всасывающую силу (интенсивность) прецессирующего вихревого ядра.
1
2
Следует отметить, что в однофазном потоке оба перепада давления, dP и dP, имеют квадратичную зависимость от расхода протекающей жидкости.
Обработку измеряемых величин и расчет осуществляют с помощью специальной программы, позволяющей проводить сравнительный анализ текущих показаний с датчиков с ранее записанными в нее во время калибровки.
Наличие газовой фазы в газожидкостном потоке существенно влияет на интегральные характеристики течения. Вследствие внезапного расширения закрученного потока происходит распад вихря, который сопровождается образованием прецессии вихревого ядра и зон рециркуляции.
1
Частота прецессии вихревого ядра, f, и полный перепад давления, dP, испытывают резкий скачок вниз с появлением газовой фазы в газожидкостном потоке и достигают локального минимума, что объясняется скачкообразным изменением структуры вихревого ядра, когда концентрированное вихревое ядро переходит в кольцевой вихрь с газовой полостью в центре вихря. Формирование более широкого и менее интенсивного вихревого ядра требует меньших энергетических затрат, что приводит к снижению гидравлического сопротивления вихревой камеры. Кроме того, заполнение газом рециркуляционной зоны, образующейся в центре при течении чистой жидкости, также приводит к уменьшению потерь энергии потока.
С увеличением газосодержания разделение газожидкостной смеси происходит уже в завихрителе, в расширителе происходит уширение воздушной полости, при этом жидкость оттесняется к периферии и, соответственно, приобретает большую степень закрутки. Все это приводит к монотонному росту частоты прецессии вихревого ядра, f, вихревого ядра.
1
Полный перепад давления, dP, с ростом расхода газа также испытывает монотонный рост, что связано с уменьшением проходного сечения для жидкости и ростом характерной объемной скорости жидкости через вихревую камеру при подаче газа и, соответственно, увеличением гидравлических потерь.
2
2
2
Величина перепада давления в вихре, dP, связана с уровнем и характером радиального распределения тангенциальной скорости. При этом dΡ имеет высокие значения для сильной закрутки потока, сконцентрированной в маленькой области течения. Вдув газа, как отмечалось, приводит к скачкообразному увеличению характерного размера вихревого ядра и, соответственно, резкому уменьшению dΡ. С увеличением газосодержания перепада давления в вихре, dΡ2, продолжает плавно уменьшаться.
2
1
1
Измеряя значения dP и dP или dP и f при варьировании расходов жидкости и газа, легко осуществить калибровку расходомерного устройства, которое можно создать на основе предлагаемого способа.
1
1
2
Исследование газожидкостного закрученного потока были выполнены в работе [Шторк, Сергей Иванович. Экспериментальное исследование вихревых структур в тангенциальных камерах: автореферат дис. кандидата физико-математических наук: 01.04.14 / Рос. академия наук. Сиб. отд-ние. Ин-т теплофизики.- Новосибирск, 1994. - 18 с.: ил. РГБ ОД, 9 94-3/956-2]. В процессе исследований было обнаружено скачкообразное изменение характеристик вихря при небольшой подаче газа и подавление автоколебаний при увеличении расхода газа. Полученные зависимости частоты прецессии вихревого ядра от полного перепада давления, f (dP), и полного перепада давления от перепада давления в вихре, dP (dP), построенные при варьировании расходов воды и газа, для постоянных расходов жидкости, показаны на фиг. 2 и 3.
1
На фиг. 2 показана зависимость частоты прецессии вихревого ядра от полного перепада давления, f (dP).
1
2
На фиг. 3 показана зависимость полного перепада давления от перепада давления в вихре, dP (dP).
1
Как видно из фиг. 2, данные ложатся на единую квадратичную зависимость для чистой жидкости, независимо от расходов жидкости и воздуха. Взаимосвязанное поведение перепада давления на всей вихревой камере, состоящей из различных элементов с различными типами потока, и частоты прецессии вихревого ядра, измеренной в сечении расширителя и являющейся, таким образом, характеристикой прецессии вихревого ядра (ПВЯ), подтверждает, что основной вклад в сопротивление устройства дает именно эта область течения. Поэтому полный перепад давления, dP, может служить характеристикой ПВЯ, на основании которой возможно определение его параметров.
Как можно видеть из фиг. 3, зависимости для постоянных расходов жидкости имеют вид W-образных кривых. Причем все данные располагаются в секторе, образованном двумя выходящими из начала координат линиями, на которые зависимости выходят при больших и малых газосодержаниях. Верхняя ограничивающая линия соответствует нулевому газосодержанию, а нижняя - абсолютным расходам газа Qg>2 л/с. Два других характерных излома на зависимостях соответствуют абсолютным расходам газа Qg-0.1 л/с и Qg=0.4 л/с.
Таким образом, результаты исследований, выполненных в указанной работе, подтверждают возможность осуществления предлагаемого способа.
Данный способ можно применить и в других областях промышленности, например, при создании ракетных носителей, в которых используют в качестве топлива двухфазную смесь. А также при создании новых технологий по переработке каменного угля в другие виды топлива или в другом химическом производстве. Простота и информативность данного способа при изучении двухфазных смесей дает все основания полагать, что предлагаемый способ будет востребован промышленностью в ближайшем будущем.
Технический эффект от использования предложенного изобретения состоит в следующем. Предложенный способ одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси был успешно апробирован авторами для различных режимов и геометрий на одной из исследовательских установок в Институте теплофизики СО РАН им. С.С. Кутателадзе. Его апробация показала, что по своему содержанию он менее трудоемок и более информативен, чем ранее известные способы диагностики двухфазных течений. Он позволяет с помощью простых доступных средств достаточно точно определять соотношение жидкой и газообразной фаз в газожидкостном потоке без использования наукоемких и весьма дорогих программ. Для его реализации не требуются ни сложные математические изыскания, ни дорогостоящие материалы и приборы. Его эксплуатационные характеристики позволяют использовать его в любых сложных климатических условиях, например, при добыче углеводородного топлива на морских шельфах. Его надежность не вызывает сомнений ввиду того, что не предусматривает использование подвижных и вращающихся элементов при своей реализации. А расположение измерительных датчиков во внутреннем объеме вихревой камеры исключает их выход из строя из-за воздействия на них внешней среды в процессе эксплуатации.