СПОСОБ ОДНОВРЕМЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ЖИДКОЙ И ГАЗОВОЙ ФАЗ ПОТОКА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF SIMULTANEOUS DETERMINATION OF GAS-FLUID MIX LIQUID AND GAS PHASES (VERSIONS)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения величин расходов многофазного потока без предварительной сепарации, например для измерения дебита нефтяных скважин.
Известен способ определения расхода компонентов двухфазного потока (RU, патент №2339915 С1, G01F 1/74, 27.11.2008 г.), включающий измерительный участок трубопровода с установленными на его внешней поверхности двумя диаметрально расположенными и смещенными вдоль оси трубопровода электроакустическими преобразователями; и электронный блок возбуждения ультразвуковых волн в трубопроводе. Для излучения и приема используются выполненные в виде многоэлементных фазированных решеток накладные преобразователи, представляющие собой наборы пьезоэлектрических элементов. Электроакустические преобразователи и датчики температуры и давления среды в измерительном участке через дифференциальные усилители подключены к микропроцессору электронного блока.
С помощью скользящего спектрального анализа последовательностей отсчетов сигнала текущее доплеровское смещение частоты (ДСЧ) определяют отношение длительностей участков реализации ДСЧ с различными знаками.
Используя реализации доплеровского смещения частоты из двух различных стробов сигнала, принятого первым электроакустическим преобразователем, для определения корреляционным методом скорости движения газовых полостей определяют сдвиг максимума корреляционной функции временных реализаций ДСЧ, полученных из стробов, сдвинутых относительно друг друга на время.
После чего, используя отношения длительностей участков ДСЧ с различными знаками и сдвиг максимума корреляционной функции определяют расходы газа и жидкости решая систему уравнений.
Недостатками данной системы измерения компонентов двухфазного потока являются сложность конструкции, а также тот факт, что ультразвуковой сигнал практически не распространяется через газожидкостную смесь на большое расстояние.
Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ и устройство измерения расхода нефтеводогазового потока, описанные в: Дробков В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., подписано в печать 20.04.2007 г.
Способ заключается в следующем:
1) измерении скорости нефтеводогазового потока с помощью доплеровского метода;
2) измерении концентрации газовой фазы в нефтеводогазовом потоке с помощью метода акустического зондирования.
При этом локальное истинное объемное газосодержание (объемная концентрация газа) α определяется соотношением:
i
где τ - время нахождения i-го газового включения в контролируемом объеме;
Т - время измерений.
Для измерения скорости нефтеводогазового потока предложен доплеровский метод.
3) Получении интерполяционных функций, удовлетворительно описываются следующими специально подобранными аналитическими зависимостями:
локальное истинное объемное газосодержание:
локальная доплеровская частота:
ж
г
4) Решение системы двух трансцендентных уравнений (1) и (2) для определения расходов жидкости и газа О и Q.
Недостатками способа, принятого за прототип, являются необходимость применения нескольких конструктивно различных датчиков, что усложняет способ и ведет к удорожанию измерительного устройства.
Задачей изобретения является упрощение способа определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси при одновременном повышении точности измерения и расширении диапазона измеряемых величин.
Это достигается тем, что в предлагаемом способе одновременного определения расходов жидкости и газа, включающем зондирование восходящего потока несепарированной смеси жидкости и газа непрерывным ультразвуковым сигналом, приеме отраженного от неоднородностей сигнала, детектирование принятого сигнала для определения разностной частоты принятого и зондирующего сигнала, одновременно с разностной частотой сигнала фиксируют ширину спектра сигнала, во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и ширины спектра сигнала от расходов жидкой и газообразной фаз, и по полученным во время калибровки зависимостям разностной частоты и ширины спектра сигнала, определяют расходы жидкой и газовой фаз.
В одном из вариантов реализации способа одновременно с разностной частотой сигнала, определяют уровни сигнала, когда преобладающая разностной частота принимает положительное и отрицательное значение, во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и отношение уровней сигнала, от расходов жидкой и газообразной фаз, и по полученным во время калибровки зависимостям разностной частоты и отношение уровней сигнала, определяют расходы жидкой и газовой фаз.
В другом варианте реализации способа, являющегося предметом изобретения, одновременно с разностной частотой сигнала, определяют средние разностные частоты сигнала, когда преобладающая разностная частота принимает положительное и отрицательное значение, определяют отношение средних разностных частот сигнала, когда преобладающая разностная частота принимает положительное и отрицательное значение, во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и отношения средних разностных частот сигнала от расходов жидкой и газообразной фаз, и по полученным во время калибровки зависимостям разностной частоты и отношения средних разностных частот сигнала, определяют расходы жидкой и газовой фаз.
В отличие от общепринятых технических решений в основу предлагаемых способов положено извлечение максимальной информации о параметрах двухфазного потока жидкости и газа из ультразвукового сигнала, рассеянного в обратную сторону от движущихся вместе с потоком неоднородностей. Сигнал представляет собой случайный процесс зависимости звукового давления, или напряжения после преобразования, от времени. Этот сигнал можно охарактеризовать некоторыми различными параметрами. Одним из таких параметров является разностная частота. Для доплеровских расходомеров традиционно оценивают только разностную частоту и по ней определяют расход среды. Предлагается кроме разностной частоты оценивать и другие параметры сигнала. В случае, если зависимости этого параметра и разностной частоты от расходов жидкости и газа различны, то имеется возможность одновременного раздельного определения расхода компонентов двухфазного потока по ним.
Рассмотрим пример восходящего потока жидкости. Ультразвук отражается от неоднородностей потока, приходит на комплексный детектор, который выделяет разностную частоту. Поскольку неоднородности движутся примерно с той же скоростью, что и сам поток, то разностная частота, полученная от различных неоднородностей, будет примерно одинаковая и спектр сигнала будет относительно узким.
При наличии небольшого количества газа в потоке жидкости реализуется так называемый «пузырьковый» режим течения, при котором газ содержится в небольших пузырьках, всплывающих в жидкости. В таком случае сигнал будет содержать как составляющую, полученную при отражении от неоднородностей в жидкости, так и от поверхности пузырьков газа. Кроме того, пузырьки имеют различный размер и соответственно всплывают с различной скоростью. Обтекание жидкости вокруг пузырьков приводит к увеличению степени турбулентности потока. В результате всех этих эффектов увеличивается ширина спектра отраженного сигнала в зависимости от увеличения количества газа.
При дальнейшем увеличении количества газа в некоторые моменты времени локальная часть жидкости движется в обратном направлении, обтекая газовые пузырьки.
При дальнейшем увеличении количества газа формируется так называемый «снарядный» режим течения, при котором отдельные пузырьки газа сливаются в снаряды. При этом газовые снаряды концентрируются к центру гидроканала, а жидкость по стенкам. Значительные доли времени жидкость движется в обратную сторону, обтекая газовый снаряд. Чем большее количество газа, тем в большей степени будет выражен этот эффект (см. Полянин Л.Н., Дробков В.П. Прикладная гидромеханика восходящих газожидкостных потоков. М.: Энергоатомиздат, 2004, рис.1.3., стр.9).
Для различения направления движения неоднородностей применяют комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие.
Одну из этих составляющих рассматривают как действительную компоненту, другую как мнимую, составляющие единый комплексный сигнал. После комплексного преобразования Фурье получаем спектр сигнала. Знак преобладающей разностной частоты в спектре указывает на направления движения неоднородностей, что позволяет различить направление движения навстречу к датчику и от него.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
Во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и дополнительного параметра сигнала от расходов жидкой и газообразной фаз и по полученным во время калибровки зависимостям, разностной частоты и дополнительного параметра сигнала определяют расходы жидкой и газообразной фаз. Необходимым условием для возможности определения расходов жидкости и газа является то, что зависимость дополнительного параметра от расходов жидкости и газа отличалась от зависимости разностной частоты.
Для примера рассмотрим применение в качестве дополнительного параметра ширину спектра сигнала.
На чертежах изображены соотношения расходов жидкости и газа, соответствующие определенным значениям разностной частоты и ширины спектра сигнала.
Искомые значения расходов жидкости и газа находят как пересечение линий, соответствующих полученным значениям разностной частоты и ширины спектра сигнала. Тот факт, что каждая линия имеет только одну точку пересечения, говорит о том, что возможно нахождения единственного соотношения расходов жидкости и газа, которые соответствуют полученным значениям разностной частоты и ширины спектра.
Случаи применения в качестве дополнительного параметра отношения уровней сигнала, когда преобладающая разностная частота принимает положительное и отрицательное значение, или отношения средних разностных частот сигнала, когда преобладающая разностная частота принимает положительное и отрицательное значение, аналогичны ранее рассмотренным.
На предприятии заявителе был изготовлен многофазный расходомер, в котором были реализованы предлагаемые способы одновременного определения расхода жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси и были получены положительные результаты.