Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды
METHOD FOR MEASUREMENT OF PROPORTIONS OF THE COMPONENTS IN A TWO-PHASE MEDIUM FLOW

Предложенный способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности.
Известны способы измерения расхода газожидкостного потока, в которых используются различные методы покомпонентного измерения газожидкостной среды (ГЖС). В известных решениях определение и измерение текущих долей компонентов смеси основываются на идентификации компонентов путем использования различных их физических свойств. Например, таких физических свойств как различный отклик на пропускаемую через измеряемый поток электромагнитную энергию СВЧ-диапазона (патент RU 2269765 c1); или различный отклик компонентов на пропускаемые вдоль потока ультразвуковые акустические волны с использованием эффекта (Кокуев А.Г., Сорин А.В. Устройство для измерения расхода многофазного потока, Вестник Астраханского государственного технологического университета, сер. Управление, вычисл. техн. информ. 2015, №1, стр. 7-14); или неодинаковый отклик на проходящий поперек потока лазерный луч на основе оптико-акустического эффекта (Васильев Т.Р., Кокуев А.Г. Прибор для измерения расхода многофазного потока на основе опто-акустического эффекта, Вестник Дагестанского технического университета 2016, том 43, выпуск 4,стр.34-41).
Примененные в них идентифицирующие параметры оптический, акустическая плотности, длинные волны, испускаемые из разных источников, отклик на ядерно-магнитный резонанс требуют сложную аппаратурную оснастку и тонкую избирательность. Это усложняет способ измерения.
В последние годы в связи с качественным изменением конструкции тепловизионного оборудования, потенциал термографии как метода неразрушающего контроля и мониторинга значительно возрос.
Известный бесконтактный тепловой меточный способ измерения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды, реализованный в расходомере и принятый нами за прототип (Д. Д. Булкин, Г. А. Соколов. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков/ж. Датчики и системы. Sensors & Systems • №12.2008), состоит в последовательном измерении теплового пограничного слоя и измерении меточным методом скорости потока. Известным способом измеряются разность температур термопреобразователей до и после нагревателя и время прихода тепловой метки к термопреобразователю после нагревателя, для определения скорости потока вводится кратковременный тепловой импульс, по этим параметрам определяются доли компонентов жидкости и газа в потоке.
Недостатком известного способа является сложный двухступенчатый процесс непрерывного нагревания потока двухфазной среды с завышенной затратой энергии для процедуры измерения разности температур.
Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при использовании единого параметра идентификации компонента.
Технический результат достигается тем, что способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды характеризуются тем, что проводят поток среды через поворотное колено, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов.
На чертеже представлена конструктивная схема, реализующая способ измерения долей компонентов в потоке при помощи измерения температуры и величины излучения компонентами по термограмме на стенке щелевого корпуса.
По способу измерения долей компонентов в потоке двухкомпонентной среды характеризующегося тем, что проводят поток среды со скоростью V через поворотное колено 11 с возрастающим сечением входа 2, направляют ее в щелевой корпус 1, создают на входе 2 одновременный для всех компонентов в потоке импульс тепловой метки импульсным нагревателем 5, продвигают с потоком через корпус 1 компоненты с тепловой меткой 9, снимают на корпусе 1 термограмму тепловой метки 9 тепловизором 7 с вычислительным комплексом обработки информации по матрице 8 с ячейкой 10 в пикселях, вычисляют доли масс компонентов.
В изогнутых трубах и каналах (коленах, отводах) 11 вследствие искривления течения потока появляются центробежные силы. Направленные от центра кривизны к внешней стенке трубы и далее к плоской стенке измерительного участка 4. Этим обусловливается повышение давления у внешней стенки с понижением скорости. Искривление потока проводится в двух плоскостях - в плоскости чертежа и перпендикулярной к нему, показанным эллипсом 14 выходного отверстия трубы.
Можно считать, что инерционные силы уменьшают слой компонентов, прижатых к продольной стенке, через которую извлекается необходимые параметры излучательной способности ε компонентов, не оставляя за измеряемым в поперечном слое компонентов другого свойства. При этом увеличивается адгезия компонентов к продольной стенке с увеличением теплопроводности, повышается достоверность ИК- изображения, предотвращая передачу тепловой энергии по самой стенке от компонента к компоненту.
Кроме того, положительное влияние инерционных сил проявляется в том, что происходит выравнивание поля скоростей компонентов жидкой В и газовой Г фаз.
Текущие доли компонентов среды определяются с помощью передачи ИК-изображения температурных областей компонентов на термограмме, а по величинам излучательной способности ε каждого компонента на экране тепловизора идентифицируется сам компонент путем следующих операций.
к
- теплоотдача компонентам определенного теплового заряда Q от импульсного источника заряда Q и формирование тепловой метки 9 размером L*H компонентов в потоке двухфазной среды,
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
к
2
2
- передача теплового потока от заряженных компонентов тепловой метки к стенке щелевого корпуса измерительного участка (от нагретых ИК компонентов менее нагретым областям продольной стенки измерительного участка) по зависимости Q=α F τΔΤ, где α - коэффициент теплоотдачи, [Вт/(мК)]; F - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача, [м]; τ - продолжительность процесса теплоотдачи, [с]; ΔТ - разность температур поверхности стенки и компонента, [К,°С]. В предложенном способе импульсный источник тепла излучает тепло, направленное внутрь трубы потоку смеси, поэтому тепловой заряд Qпоглощается только компонентами с коэффициентом поглощения α. Параметр ΔТ, по которому определен коэффициент поглощения α равный излучательной способности компонента ε=α, определяется из следующего уравнения α F τΔΤ=Q, откуда Т=Q/ ε F τ.
к
к
к
к
к
κ
ку
к
ку
4
-8
2
4
2
2
- передача и получение ИК -изображения по температуре Т и по величине излучательной способности ε каждого компонента на экран тепловизора. Величина ε выражена в известном уравнении мощности излучения, испускаемым нагретым телом, P=Q/τ=σ εΑ Т, где σ=5,67*10 [Вт/(мК)] - постоянная Стефана-Больцмана, А - площадь излучающей поверхности в м или в пикселях/м, Т - преобразованная температура излучающего компонента, переданная от тепловой метки к продольной стенке измерительного участка в виде термограммы.
окр
к4
к
к
окр
ку
окр
4
По процедуре измерения тепловизор объединен с плоским измерительным участком 4 трубопровода закрытым кожухом 6, внутри которого имеется атмосфера с температурой Т. Одновременно излучающая продольная стенка измерительного участка 4 поглощает излучение, испускаемое окружающей средой внутри кожуха 6, величиной теплового потока Q=σ ε А τ Т. При температуре Т тепловой метки 9, преобразованной в термограмму, и величине больше окружающей температуры Т, и при одинаковой площади, то количество теплоты, действующего на матрицу тепловизора будет иметь вид
к матр
к
к
ку
окр
4
4
Q = σ ε А τ (Т - Т).
- формирование термограммы областей разной температуры, построение областей 13 изотермами 12 для анализа программным обеспечением ПО тепловизора,
- идентификация областей 13 в принадлежности конкретному компоненту по излучательной способности областей, образованных изотермами 12 компонентов,
- вычисление суммарных площадей разделенных различными изотермами 12 однотипной температуры и пропорциональных отношений к общей площади тепловой метки термограммы 9,
- суммирование всех площадей для определения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды.
к
в
н
г
Поток проходит через гидравлическое поворотное колено 11 во входной патрубок 2 (фиг. 1), по корпусу 1, содержащему измерительный участок 4, к выходному патрубку 3. Во входном патрубке 2 поток импульсным инфракрасным нагревателем 5 равномерно по всему сечению нагревается в течение некоторого времени Δt. Поскольку скорости зарядов компонентов различны из-за различных величин их общих теплоемкостей С (различны и сами скорости течения компонентов), то за заданное время Δt заряда каждый компонент нагревается до различной температуры Т в зависимости от его удельной теплоемкости «с», массы «m». Поступившие в измерительный участок 4 компоненты, например: вода В, нефть Η и газ Г, нагретые до своих разных температур Т, Т и Т, распределяются под действием инерционных сил после поворота в колене 11 по продольной плоскости измерительного участка 4, контактируют с его продольной стенкой и создают в ней местные нагретые области на стенке в виде термограммы, отображаемой с клеткой 10 в пикселях, соответствующей матрице 8 тепловизора. Детектор тепловизора 7 получает инфракрасное излучение и преобразовывает его в электрический сигнал согласно свойствам коэффициента излучательной способности ε каждого компонента.
к
к
к
в
в
н
г
в
в
к
Далее строятся изотермы - линии 12, связывающие точки с одинаковой температурой, и выводятся на дисплей эти изотермы с помощью программного обеспечения ПО для анализа (например, Testo IR Soft 2.0) для образования областей 13. В процессе отображения изотерм, все точки на ИК- изображении со значениями температуры в заданном диапазоне выделяются одним цветом. Т.е по количеству клеток (пикселей) с равными температурами (цветом) вычисляются области (площади) каждого компонента. По соотношениям этих равнотемпературных площадей определяются текущие доли а масс М компонентов в общей массе Μ потока (а=М/M). Например, суммарные площади с температурой Воды определяют долю воды α в общей площади тепловой метки L*h при сохранении закона постоянной массы по сечению измерительного участка (тепловой метке) в виде формулы 1=α+α+α и тогда доля воды определится так а=М/M. Аналогично определяется доля по коэффициенту α других компонентов.
к
При изменении скорости V газожидкостного потока изменяется при неизменном заданном времени Δt импульса теплового заряда длина L, заряженной импульсом зоны потока, длина тепловой метки (фиг. 1). Вычислительный комплекс тепловизора 7 определяет общую текущую массу Μ всех компонентов и отдельно массы М компонентов по их долям α в соответствии с площадями на термограмме измерительного участка 4.
в
н
н
н
г
Идентификация компонента выполняется сравнением величин излучательной способности ε на областях термограммы измерительного участка с известными ε из различных источников. Например для воды ε=0,67 при t=38°С (ws.studylib.ru; также incoll. Ru; также En.ppt-online. Org); для нефти (oil) ε=0,94, ε=0,82 (слой масла) (instanko.ru, также En.ppt-online. Org); для сырой нефти ε=0,2; для газа (метан, метанол) ε=0,07 (С.А. Бобков, А. В. Бабурин, П. В. Комраков\ Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Уч. Пособие. МЧС России. М. 2014).
Скорость течения компонентов не влияет на величину областей, определяющих массовую текущую составляющую компонентов в общем массовом подсчете долей в потоке двухфазной среды. При большей скорости потока будут большие области по пикселям компонентов при прежнем соотношении областей.
к
к
B
в
н
н
г
г
Раздельно доли компонентов подсчитываются как М=α М. Например для газожидкостного потока воды, нефти и газа: M=αМ, М=αМ, М=αМ.
Предложенный способ обеспечивает при импульсном нагреве бесконтактное измерение долей компонентов в потоке многокомпонентной газожидкостной среды, за счет использования единого параметра идентификации компонента - излучательной способности, позволяющего упростить процедуру измерения с уменьшенной затратой энергии.