Устройство для отбора проб в двухфазных потоках
DEVICE FOR SAMPLING IN TWO-PHASE FLOWS

Изобретение относится к устройствам для отбора проб в двухфазных потоках и может быть использовано в нефтедобывающей отрасли при оценке качества сепарации газовой фазы на выходе сепарационных установок нефтеводогазовой смеси, на газоконденсатных скважинах, а также в металлургической, машиностроительной, энергетической, химической, нефтяной, пищевой, строительной и других отраслях промышленности, где возникает необходимость измерений расхода и содержания дисперсной фазы в двухфазном потоке.
Одной из проблем при измерениях дебита углеводородных скважин методом предварительного разделения фаз с помощью сепарационных установок является неполная сепарация, являющаяся, в частности, причиной уноса капель жидкости по газоотводящим трубопроводам, и тем самым вносящая погрешность в результат измерений. Аналогичная задача возникает при добыче природного газа и газового конденсата, в технологическом процессе очистки и подготовки газа к транспортировке и дальнейшей переработке, где применяются многоступенчатые сепарационные установки, на выходе из которых пробоотбор необходим для определения эффективности отделения газовой фазы с целью снижения уноса углеводородной жидкости.
При измерениях количества уносимой газом капельной жидкости в двухфазном потоке на практике применяется отбор проб газожидкостного потока различными методами с применением пробоотборного оборудования, например, рекомендованных стандартами ISO 3171 [1], ГОСТ 31370-2008 [2] и МИ 3270-2010 [3].
Известно устройство для отбора дисперсной фазы в двухфазных потоках (патент RU 2053493), содержащее концентрично смонтированные в полости трубопровода цилиндрические наружный корпус и ампулу с входными пазами, образующие рабочий блок, блок управления и средство крепления этих блоков к стенке трубопровода. Ампула рабочего блока выполнена с изолированными фильтрующими отсеками, снабженными сменными фильтрующими элементами. Наружный корпус и ампула рабочего блока выполнены с выходными пазами, идентичными по количеству, геометрии и площади проходного сечения, при этом отбор дисперсной фазы производится одновременно по всему диаметру газохода.
Однако, известное устройство имеет низкую представительность отбора проб, так как не учитывает неравномерность распределения дисперсной фазы в поперечном сечении газожидкостного потока в трубопроводе.
Известно устройство для измерения концентрации капельной жидкости в потоке газа (патент RU 2439544), содержащее патрубок отбора газа с регулятором расхода, направляющим цилиндром, фильтровальным узлом и набором сменных выдвижных пробозаборных зондов с различным внутренним сечением.
Недостатком данного устройства также является низкая представительность отбираемой пробы, так как пробозабор происходит лишь в определенной точке поперечного сечения и при неоднородности распределения дисперсной фазы в поперечном сечении потока результат измерений ее содержания может существенно отличаться от фактического. Кроме того, регулятор расхода не может обеспечить в широком диапазоне одновременно выполнение функций обеспечения изокинетичности отбора пробы и соответствия расхода отбираемого потока рабочему диапазону расходомера-счетчика газа.
Известно устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу (патент RU 2455618), состоящее из измерительного узла с трубкой Пито, термоанемометра и устройства определения химического состава, оснащенного пробозаборным зондом.
Общим недостатком вышеописанных устройств является то, что их пробозаборные зонды не обеспечивают представительность отбираемых проб газожидкостной смеси, так как форма и расположение отверстий или щелей не учитывают неравномерность концентрации дисперсной капельной фазы в поперечном сечении трубопровода, к примеру, ими не улавливается расход жидкости, движущейся непосредственно на стенке трубопровода - пленки, возникающей при кольцевом режиме течения [4]. Профиль концентрации дисперсной фазы в поперечном сечении трубопровода при таком режиме течения существенно меняется, являясь функцией радиуса поперечного сечения [5]. Из-за неравномерности распределения происходит несоответствие концентрации дисперсной фазы в отбираемых пробах ее средневзвешенному значению в двухфазном потоке, если конструкция пробозаборного зонда не отвечает требованиям представительного отбора.
Задача, решаемая изобретением, состоит в создании устройства, отбирающего пробы двухфазного потока, имеющие высокий уровень представительности по показателю содержания дисперсной фазы, с возможностью регулирования расхода и осуществления как периодического, так и непрерывного отбора проб.
Использование: для отбора проб двухфазного газожидкостного потока с преобладанием газовой фазы, несущей дисперсную фазу жидкости, по своей структуре представляющей капельный или кольцевой режим течения, с последующей сепарацией, раздельным измерением расхода и количества каждой фазы и определения содержания дисперсной фазы в газовом потоке.
Сущность заявляемого технического решения состоит в использовании при отборе пробы двухфазного потока пробозаборного зонда секторного типа, выполненного в виде аэродинамически обтекаемого радиально расположенного пилона с раскрывающимися навстречу потока при отборе пробы створками, у которого в рабочем положении щель для отбора пробы имеет форму сектора с углом раскрытия ϕ, при этом доля отбираемого расхода в осесимметричном течении газожидкостного потока составляет .
Кроме того, в механизме раскрытия створок предусмотрен поворотный овальный кулачок, раздвигающий рычаги управления углом раскрытия створок, фиксирующемся и отображающемся на шкале, по которой определяется доля отбираемого потока, с тем, чтобы отбираемый зондом расход двухфазного потока соответствовал диапазону измерений расходомера-счетчика газа.
Для исключения переполнения накопительный мерник жидкости снабжен датчиком уровня, срабатывающим при достижении критического уровня жидкости в мернике, сигнал которого передается контроллеру, подающему команду управляющему механизму закрытия створок пробозаборника, либо, для сохранения непрерывности измерений, кран на отстойнике закрывается, заполненный накопительный мерник заменяется на пустой из сменного комплекта, кран открывается и набор пробы жидкости продолжается.
На фиг. 1 схематично изображено расположение элементов, из которых состоит устройство для отбора проб в двухфазных потоках. Как правило, подобные устройства состоят из измерительного участка 1 трубопровода, на котором установлен пробозаборный зонд 2. Отбираемая проба поступает в сепаратор 3, где происходит разделение фаз, при этом дисперсная фаза оседает в мернике жидкости 4, а газ проходит через расходомер-счетчик газа 5 и далее снова возвращается ниже по потоку в трубопровод. Для предотвращения переполнения на мернике жидкости установлен датчик уровня 6, сигнал с которого передается управляющему программируемому контроллеру 7, связанному с механизмом закрытия створок 8 для осуществления периодического или непрерывного отбора проб двухфазного потока. С целью выравнивания поля скоростей и повышения представительности проб перед измерительным участком установлен сужающийся переходник 9. При замене заполненного мерника на запасной из сменного комплекта, для обеспечения непрерывности отбора, а также при его завершении имеются запорные краны 10.
Пробозаборный зонд секторного типа, изображенный на фиг. 2, выполнен в виде обтекаемого пилона, радиально установленного в трубопровод, и имеет раскрывающиеся створки 11, шарнирно закрепленные на корпусе пробозаборного зонда 2. Зонд установлен на трубопроводе с помощью переходного патрубка 12, имеющего фланцевое соединение с уплотняющей вставкой 13, внутри которой имеется полость, где размещены рычаги разведения створок 14, прижимаемые друг к другу пружинными упорами 15, управляемые поворотным механизмом 8 посредством штока 17 и овального кулачка 16.
Технический результат изобретения состоит в повышении представительности отбора проб газожидкостного потока, производимого пробозаборным устройством секторного типа, для определения содержания дисперсной фазы двухфазного потока, расширении диапазона использования данного устройства путем регулирования угла раскрытия створок и контроля уровня в мернике жидкости.
Литература
1. ISO 3171: 1988 Petroleum liquids; automatic pipeline sampling. Нефтепродукты жидкие. Автоматический отбор проб из трубопроводов.
2. ГОСТ 31370-2008 (ИСО 10715: 1997) Газ природный. Руководство по отбору проб.
3. МИ 3270-2010 Рекомендация. ГСИ. Содержание капельной жидкости в потоке природного и попутного газа. Методика выполнения измерений.
4. С.Л. Малышев, Р.С.Малышев. «Пробоотбор "влажного" газа на газоконденсатных и нефтяных скважинах». Газовая промышленность, №9, 2019 г. с. 24-29.
5. С.Л. Малышев. Контроль и воспроизведение двухфазного потока на эталоне массового расхода газожидкостных смесей: дис. к.т.н. Казань, 2018.140 с.