Объёмный гравиметрический счётчик жидкости
VOLUMETRIC GRAVIMETRIC LIQUID COUNTER

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерений объёма и объёмного расхода жидкой фазы в составе газожидкостной смеси, например, нефти в составе нефтегазовой смеси.
Из существующего уровня техники известны различные счётчики прямого действия (патент на изобретение №2235296, патент на изобретение №2454635, патент на полезную модель №172054), способные измерять объём всей газожидкостной смеси или объём жидкости из её состава только после предварительной сепарации. Недостатком таких измерительных устройств при необходимости измерения объема только жидкости является обязательное предварительное выделение жидкой фазы от газовой при помощи специальных устройств – сепараторов.
Известны измерительные установки опосредованного действия (авторское свидетельство №1580171, измерительная установка СПЕКТР-М производства ООО НПО «НТЭС», принцип действия которой описан nponts.ru/wp-content/uploads/2019/11/a252a47bffad08da57dc069300844d2c.pdf) в которых измерение объёма жидкости в составе газожидкостной смеси производится на основании данных, получаемых от датчиков, считывающих различные характеристики газожидкостной смеси – давления, разности давлений, температуры, обводнённости и т.д., с последующими вычислениями значений объёма и массы всех фаз.
Недостатками известных измерительных установок являются сложность изготовления, большая металлоёмкость, сложность программного обеспечения их вычислителей и соответствующая дороговизна.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявляемому техническому решению является массовый камерный счётчик жидкости (патент на полезную модель №174112), состоящий из первичного и вторичного преобразователей. Первичный преобразователь состоит из горизонтально расположенного цилиндрического корпуса с входным и выходным патрубками, в котором установлен измерительный блок, содержащий крышку и опору заднюю, соединённые между собой двумя верхними и одной нижней штангами. Между крышкой и опорой задней установлена измерительная камера с возможностью её поворота, содержащая две открытые сверху полости, образованные плоскими боковинами и днищами, и боковые пластины, на которых закреплены контргрузы. Угол поворота измерительной камеры ограничен гасителями ударов, установленными на верхних штангах. На крышке расположен датчик импульсов, имеющий возможность взаимодействия с магнитом, закреплённым на нижней части измерительной камеры так, что в одном из положений измерительной камеры датчик импульсов располагается в зоне его действия. Датчик импульсов соединён с вторичным преобразователем. Внутри корпуса после входного патрубка установлено сопло. Биссекторные плоскости двугранных углов, образованных днищами каждой полости измерительной камеры, располагаются строго вертикально в положении этой полости под налив.
Недостатком известного массового камерного счётчика жидкости прямого действия является невозможность непосредственного измерения объёма жидкости.
Технической задачей заявляемого изобретения является создание счётчика прямого действия, способного измерять объём жидкости из газожидкостного потока без предварительной сепарации.
Поставленная задача осуществляется внесением изменений в измерительную камеру массового камерного счётчика жидкости прямого действия, а именно – ось поворота измерительной камеры смещается на пересечение биссекторных плоскостей двугранных углов, образованных днищами каждой объёмной полости измерительной камеры, контргруз смещается под днища, а по краям полостей добавляются дополнительные массовые полости. Причём величина контргруза и его месторасположение обеспечивают расположение центра масс незаполненной измерительной камеры немного выше оси её поворота, чтобы всегда присутствовал минимально необходимый момент силы, удерживающий измерительную камеру в одном из крайних положений до полного заполнения полости и перелива в массовую полость.
При заполнении измерительной камеры часть газа из нефтегазовой смеси выделяется за счёт эффекта гравитационной сепарации прямо внутри корпуса первичного преобразователя. Избыток газа также вытесняется в выходной патрубок. Необходимым условием работы в такой закрытой системе сбора (под избыточным давлением), является наличие газа в корпусе счётчика, в заявляемом техническом решении газ выделяется из состава нефтегазовой смеси в процессе работы объёмного гравиметрического счётчика жидкости.
Для снижения погрешности измерения объёма на измерительной камере могут быть закреплены два магнита. При работе объёмного гравиметрического счётчика жидкости каждый из двух магнитов поочерёдно располагается в зоне чувствительности одного датчика импульсов в крайних положениях измерительной камеры. Датчик импульсов при этом может генерировать отличающиеся друг от друга сигналы в зависимости от того, с каким из двух магнитов он взаимодействует. Один из магнитов взаимодействует с датчиком импульсов южным полюсом, а другой – северным.
Для предотвращения возможного расплёскивания измеряемой жидкости из объёмной полости, установленной под налив, в полостях измерительной камеры могут быть установлены специальные пластины с отверстиями.
Корпус первичного преобразователя может представлять собой сосуд с днищем и крышкой, а крышка – являться составной частью измерительного блока, в состав которого входят измерительная камера, задняя опора и соединяющие крышку и заднюю опору штанги. На двух штангах при этом располагаются упоры измерительной камеры, измерительная камера устанавливается с помощью подшипников на крышке и задней опоре. Внутри корпуса после входного патрубка может быть установлено сопло.
С целью горизонтального выравнивания продольной оси измерительного блока в пространстве первичный преобразователь может быть подключён к основному трубопроводу посредством входного и выходного патрубков. Ось основного трубопровода при этом должна располагаться перпендикулярно продольной оси измерительного блока.
С целью выравнивания измерительного блока внутри корпуса измерительный блок может располагаться в корпусе с возможностью поворота вокруг своей продольной оси.
Для возможности конструирования удлинённого типоразмера первичного преобразователя при том же посадочном размере крышки измерительный блок может быть закреплён в корпусе так, что опора задняя измерительного блока дополнительно фиксируется на корпусе.
Ресурс подшипниковых узлов измерительной камеры может быть увеличен установкой под измерительной камерой на нижней штанге поворотного демпфера, способного уменьшать кинетическую энергию поворачивающейся камеры до её удара об упоры. Для получения плавной характеристики в момент подхвата измерительной камеры демпфер может содержать упругие элементы.
Для работы в холодное время корпус может подогреваться устройством обогрева с теплоизолирующим кожухом.
Для возможности полной очистки первичного преобразователя от асфальтопарафиновых отложений (АСПО) без его разборки в разрезе основного трубопровода между входным и выходным патрубками первичного преобразователя счётчика может располагаться запорное устройство, которое вместе с устройством обогрева и теплоизолирующим кожухом образуют систему временного отключения счётчика и расплавления АСПО. Более лёгкому очищению способствуют антикоррозионное покрытие внутренней поверхности корпуса первичного преобразователя и измерительная камера, изготовленная из титанового сплава.
На корпусе первичного преобразователя или непосредственно на датчике импульсов счётчика может быть установлен датчик температуры. Датчик температуры может иметь возможность передавать показания во вторичный преобразователь счётчика, который в свою очередь может управлять устройством обогрева и запорным устройством, например, на основании измерения времени поворота измерительной камеры. То есть, если время поворота измерительной камеры становится слишком малым, то делается логический вывод о том, что счётчик критически загрязнён, и исполняется команда на его автоматическую очистку.
Запорное устройство может быть напрямую связано с устройством обогрева, при этом открытое положение запорного устройства соответствует включённому состоянию устройства обогрева в режиме очистки счётчика, а закрытое – выключенному.
Если сливаемая из измерительной камеры жидкость не успевает полностью выходить через выходной патрубок и её уровень поднимается до самой измерительной камеры, то возможен неполный слив жидкости из объёмных полостей. Поэтому для отсекания ошибочных значений или для выдачи сигнала о необходимости контроля над сложившейся ситуацией внутри корпуса первичного преобразователя может быть установлен датчик уровня жидкости, соединённый с вторичным преобразователем.
Заявляемое техническое решение поясняется следующими чертежами.
На фигурах 1 и 2 показана схема объёмного гравиметрического счётчика жидкости с одним магнитом (виды спереди и сбоку).
На фигурах 3 и 4 показана схема объёмного гравиметрического счётчика жидкости с двумя магнитами (виды спереди и сбоку).
На фигуре 5 показана схема объёмного гравиметрического счётчика жидкости на основном трубопроводе, с демпфером, с устройством обогрева.
На фигурах 6 и 7 показана система очистки первичного преобразователя от АСПО (виды спереди и сбоку).
Объёмный гравиметрический счётчик жидкости (фигуры 1 и 2) состоит из первичного 1 и вторичного 2 преобразователей. Первичный преобразователь состоит из корпуса 3 с входным 4 и выходным 5 патрубками, внутри которого установлены датчик импульсов 6 и измерительная камера с возможностью её поворота, содержащая две открытые сверху объёмные полости 7. Объёмные полости 7 образованы плоскими боковинами 8 и днищами 9, под днищами 9 расположен контргруз 10. На плоскости симметрии измерительной камеры расположен магнит 11, который имеет возможность взаимодействия с датчиком импульсов 6 в промежуточном между крайними положениями измерительной камеры. Угол поворота измерительной камеры ограничен двумя упорами 12. Датчик импульсов 6 соединён с вторичным преобразователем 2.
Биссекторные плоскости двугранных углов, образованных днищами 9 каждой объёмной полости 7 измерительной камеры, располагаются строго вертикально в положении этой полости под налив. Биссекторные плоскости проходят через ось поворота (т.О) измерительной камеры, центр масс незаполненной измерительной камеры расположен немного выше от оси поворота (т.О) измерительной камеры таким образом, что всегда присутствует минимально необходимый момент силы, удерживающий измерительную камеру в одном из крайних положений до полного заполнения объёмной полости 7. По краям полостей 7 расположены дополнительные массовые полости 13.
Вместо одного магнита на измерительной камере симметрично относительно плоскости симметрии измерительной камеры могут быть закреплены два магнита 14 (фигуры 3 и 4), которые взаимодействуют с датчиком импульсов 6 различными полюсами только в крайних положениях измерительной камеры. Датчик импульсов 6 при этом может генерировать отличающиеся друг от друга сигналы в зависимости от того, с каким из двух магнитов 14 он взаимодействует.
В объёмных полостях 7 измерительной камеры могут быть установлены специальные пластины 15 с отверстиями (фигуры 3 и 4).
Корпус 5 может представлять собой сосуд с днищем 16 и крышкой 17 (фигуры 2 и 4), а крышка 17 – являться составной частью измерительного блока, в состав которого входят измерительная камера, задняя опора 18 (фигура 4) и соединяющие крышку 17 и заднюю опору 18 (или днище 16) штанги 19. На двух штангах 19 при этом располагаются упоры 12 измерительной камеры, измерительная камера устанавливается с помощью подшипников 20. Внутри корпуса после входного патрубка может быть установлено сопло 21 (фигуры 3 и 4).
С целью горизонтального выравнивания продольной оси измерительного блока в пространстве первичный преобразователь 1 может быть подключён к основному трубопроводу 22 посредством входного 4 и выходного 5 патрубков (фигура 5). Ось основного трубопровода 22 при этом должна располагаться перпендикулярно продольной оси измерительного блока.
С целью выравнивания измерительного блока внутри корпуса 3 измерительный блок может располагаться в корпусе 3 с возможностью поворота вокруг своей продольной оси.
Задняя опора 18 измерительного блока может дополнительно фиксироваться на корпусе 5 (фигура 4).
Под измерительной камерой на нижней штанге может быть закреплён поворотный демпфер 23, который в свою очередь может содержать упругие элементы 24 (фигура 5).
Корпус 3 первичного преобразователя 1 может иметь устройство обогрева 25 (фигуры 5 – 7), а весь первичный преобразователь может быть помещён в теплоизолирующий кожух 26 (фигуры 6 и 7).
Для возможности полной очистки от АСПО первичного преобразователя 1 без его разборки (фигуры 6 и 7) первичный преобразователь 1 располагается над основным трубопроводом 22. В разрезе основного трубопровода 22 между входным 4 и выходным 5 патрубками при этом находится запорное устройство 27.
Внутренняя поверхность корпуса 3 первичного преобразователя 1 может иметь антикоррозионное покрытие. Измерительная камера может быть изготовлена из титанового сплава.
Корпус 3 первичного преобразователя 1 или непосредственно датчик импульсов 6 могут содержать датчик температуры, передающий показания во вторичный преобразователь 2. Вторичный преобразователь 2 при этом может управлять устройством обогрева 25 и запорным устройством 27.
Запорное устройство 27 может быть напрямую связано с устройством обогрева 25.
Внутри корпуса 3 первичного преобразователя 1 может быть установлен датчик уровня жидкости, соединённый с вторичным преобразователем 2.
Объёмный гравиметрический счётчик жидкости работает следующим образом.
Незаполненная измерительная камера находится в устойчивом равновесном положении благодаря тому, что её центр тяжести находится немного выше оси её поворота. Измеряемая жидкость поступает из входного патрубка 4 в одну из объёмных полостей 7 измерительной камеры. Благодаря заявляемому техническому решению центр масс жидкости по мере наполнения полости постоянно находится над осью поворота измерительной камеры. После полного наполнения объёмной полости 7, жидкость перетекает в массовую полость 13. Уравновешенное контргрузом 10 положение измерительной камеры преодолевается, измерительная камера поворачивается, заполненные полости опорожняются, а под налив устанавливается смежная объёмная полость 7, и процесс повторяется. Слитая жидкость стекает в нижнюю часть корпуса 3 и затем в выходной патрубок 5. Во время поворота магнит 11 проходит в зоне чувствительности датчика импульсов 6. Вычисление объёма и объёмного расхода производится вторичным преобразователем 2 по периодам между сигналами от датчика импульсов 6.
При исполнении с двумя магнитами 14, после поворота в зоне чувствительности датчика импульсов 6 происходит смена магнитов 14. Вычисление объёма и объёмного расхода производится вторичным преобразователем 2 по периодам между отличающимися друг от друга сигналами от датчика импульсов 6. В случае если полного поворота измерительной камеры от одного крайнего положения до другого по какой-либо причине не происходит, а один из магнитов 14 из-за незначительных колебаний воздействует на датчик импульсов 6 более одного раза, то в это время вторичный преобразователь 6 вычисление объёма не производит.
При большом потоке измеряемой жидкости её расплёскивание, и соответственно, увеличение погрешности измерений может быть минимизировано пластинами с отверстиями 15.
Скорость в момент удара об упоры может быть значительно снижена при использовании поворотного демпфера 23.
Система очистки от АСПО без разборки первичного преобразователя 1 работает следующим образом. В рабочем режиме, когда запорное устройство 27 закрыто, измеряемая жидкость поступает из основного трубопровода 22 через входной патрубок 4 в корпус 3.
В режиме очистки запорное устройство 27 вручную или автоматически, например, на основании измерения времени поворота измерительной камеры, переводится в открытое положение. Поток направляется напрямую по основному трубопроводу 22, корпус 3 первичного преобразователя 1 полностью опустошается от жидкой среды. Вручную или автоматически (напрямую по сигналу от запорного устройства или через вторичный преобразователь 2) включается устройство обогрева 25, с помощью которого расплавляют отложения на внутренней поверхности и в рабочем объёме корпуса 3. После этого переводят запорное устройство 27 в закрытое положение, соответственно отключают устройство обогрева 25, тем самым направляют поток нефтегазовой смеси через корпус 3 и вытесняют из него среду с расплавленными отложениями.
На корпусе 3 первичного преобразователя 1 или непосредственно на датчике импульсов 6 может быть установлен датчик температуры для передачи показаний во вторичный преобразователь 2. Соответственно, устройство обогрева 25 может отключаться на основе показаний измерения температуры в первичном преобразователе 1.
Если сливаемая из измерительной камеры жидкость не успевает полностью выходить через выходной патрубок 5 и её уровень поднимается до самой измерительной камеры, то возможен неполный слив жидкости из массовых полостей 13. Поэтому для отсекания ошибочных значений или для выдачи сигнала о необходимости контроля над сложившейся ситуацией уровень жидкости внутри корпуса 3 может отслеживаться датчиком уровня жидкости, соединённым с вторичным преобразователем 2.