Автоматизированная система обеспечения работы устройства для измерения расхода компонентов многофазного потока

УДК 681.5.08

А. Г. Кокуев, А. О. Резник, А. В. Сорин

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА КОМПОНЕНТОВ МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА

Цель исследования - разработка системы, обеспечивающей работу устройства для измерения расхода компонентов многофазного потока и решающей три задачи: измерение расхода жидкой и газовой фаз отдельно друг от друга; измерение расхода двухфазного потока, состоящего из одной жидкости и одного газа; измерение расхода трёхфазного потока, состоящего из нефти, газа и воды. Элементы системы: блок подготовки одной-двух жидких и одной газовой фаз; блоки измерения жидких и газовой фаз до их смешения; блок смешения потоков в единый многофазный; устройство для измерения расхода многофазного потока; блок разделения для последующего возвращения в систему измерения. Главная часть предлагаемой системы - измерительная линия многофазного потока, включающая пять устройств измерения: три расходомера, различные по принципу действия (ультразвуковой, акустоэлек-трический и акустомагнетоэлектрический), и два датчика, отображающие давление и температуру в режиме реального времени. Для измерения расхода компонентов трёхфазного потока, состоящего из нефти, газа и воды, в существующие схемы вводится новый элемент -разделительный блок для разделения жидкостей. Это позволяет получить еще один измерительный канал с жидкостью, плотность которой отличается от плотности жидкости в двухфазном потоке. За счет введения большего количества измерительных преобразователей планируется получить большее количество каналов сбора информации с целью повышения точности измерений по сравнению с существующими устройствами.

Ключевые слова: многофазный поток, жидкая фаза, газовая фаза, многофазный расходомер, акустомагнетоэлектрический эффект.

Постановка задачи

Анализ принципов измерений технологических параметров компонентов многофазного потока в режиме реального времени позволяет утверждать, что невозможно проводить необходимые исследования при наличии только самого устройства для измерений и трубопровода с многофазным потоком. Для успешной реализации исследований необходима система, которая должна включать в себя целый ряд элементов, предназначенных для подготовки, предварительного измерения параметров технологических продуктов и анализа состава протекающего потока в режиме реального времени.

В [1, 2] описаны конструкция устройства и математическая модель для измерения расхода компонентов многофазного потока. В основе действия прибора лежит акустомагнетоэлектриче-ский эффект. На основе этой конструкции, с учетом математического описания объекта, можно разработать систему для измерения многофазного потока.

Целью нашего исследования стало проектирование системы, обеспечивающей работу устройства для измерения расхода компонентов многофазного потока и позволяющей решать следующие задачи:

1. Измерение расхода жидкой и газовой фаз отдельно друг от друга.

2. Измерение расхода компонентов двухфазного потока, состоящего из одной жидкой и одной газовой фазы.

3. Измерение расхода компонентов трёхфазного потока, состоящего из нефти, газа и воды. Описание предлагаемой системы

Система для измерения - это комплекс, элементы которого представляют собой целостную структуру для подготовки (в нашем случае - технологических продуктов к измерению (по отдельности)), предварительного анализа каждого потока, а также измерения смеси этих потоков методом, предложенным в [1], с их дальнейшим разделением для обеспечения замкнутости установки. Система должна содержать несколько элементов.

1. Блок подготовки одной-двух жидких и одной газовой фаз. Для жидких фаз - это емкости с требуемой жидкостью, которые обеспечивающие бесперебойную подачу продукта в сис-

тему. Емкости устанавливаются перед блоком измерения. Для газовой фазы - это устройство для забора воздуха из атмосферы с его последующим сжатием компрессором. Устанавливается так же, как и блок для жидкой фазы.

2. Блоки измерения жидких и газовой фаз до их смешения. Блоки представляют собой обычные объёмные расходомеры, измеряющие количество продукта, поданного в блок смешения. Измерение расхода осуществляется перед смешиванием.

3. Блок смешения потоков в единый многофазный поток.

4. Устройство для измерения расхода компонентов многофазного потока. Устройство для измерения расхода многофазного потока в трубе, идущей от скважины, включает в себя два пьезоэлемента, два электрода с измерительной системой и постоянный магнит (либо электромагнит). Все составляющие устройства изображены на рис. 1 [1].

5. Блок разделения для последующего возвращения в систему измерения (для обеспечения замкнутости установки). Блок представляет собой либо емкость для отстаивания продукта, либо, если используются только одна жидкая и одна газовая фаза, емкость со стоком в блок подготовки жидкости.

Рис. 1. Схема устройства для измерения качественного состава многофазного потока с помощью акустомагнетоэлектрического эффекта: 1-2 - пьезоэлементы; 3 - магнит; 4-5 - электроды; 6-7 - конденсаторы

Схема установки системы измерения многофазного потока изображена на рис. 2 (за основу была принята схема из [3, с. 9]).

г

ЯГ) г/г

¿иоайгар рс&ааяф зпехгфи--есхий

росгсоЬкцр

Линия подготовки жидкой фазы I

——с*э-

~ТЕ\ Г/Г} (ЯГ

. J

Смеситель -О-—

Расходомер жидкой фазы

"О-

Насос Резербупр Линия подготодки газодои фазы с жидкостью ж\ 0?\ (РЕ"

Расходомер газодой фазы

Подача воздуха

Ресибер

Воздушный компрессор

Рис. 2. Структурная схема системы измерения расхода компонентов многофазного потока: РЕ - датчик давления; ТЕ - датчик температуры

Система, изображенная на рис. 2, пригодна для измерения расхода жидкой и газовой фаз отдельно друг от друга. Для решения задачи 3 (измерение расхода компонентов трёхфазного потока, состоящего из нефти, газа и воды) в схему системы потребуется ввести ряд элементов. Линия подготовки жидкой фазы представлена на рис. 3.

Линия подготодки г аз о бой фазы

Рис. 3. Линия подготовки жидкой фазы

Жидкость из резервуара 1 подается на центробежный насос 2, который нагнетает требуемое давление в потоке, регистрируемое датчиком 5. Клапан 3 позволяет направлять часть потока обратно в резервуар 1. Расходомер 5 служит для измерения объемного расхода жидкости, поступающей из резервуара 1 через насос 2. Температура отслеживается датчиком 6. Клапан 7 позволяет прекратить подачу жидкости в смеситель 8 в случае аварийной ситуации. Смеситель 8 соединяет два потока в один: жидкость и газ превращаются в газожидкостный поток, идущий на измерительные устройства многофазного потока.

Линия подготовки газовой фазы изображена на рис. 4.

Измерители многофазного

потока 7 --Q-

Линия подготодки жидкой фазы

Линия подготодки газодой фазы

Рис. 4. Линия подготовки газовой (воздушной) фазы

В наших экспериментах газовая фаза будет представлена атмосферным воздухом. Воздушный компрессор 1 преобразует воздух, поступающий из атмосферы, в газовый поток, который аккумулируется в ресивере 2. Затем датчиком давления 3, расходомером 4, датчиком 5 измеряются параметры воздушного потока, проходящего по трубопроводу. Запорный клапан 6 выполняет ту же роль (позволяет прекратить подачу жидкости в смеситель 7, который превращает два потока в один, идущий дальше, для исследования его характеристик).

Главная часть предлагаемой системы - это измерительная линия многофазного потока, включающая 5 устройств измерения (рис. 5).

Рис. 5. Измерительная линия многофазного потока: 1 - смеситель; 2 - датчик давления; 3 - ультразвуковой расходомер; 4 - акустоэлектрический расходомер; 5 - акустомагнетоэлектрический расходомер; 6 - датчик температуры; 7 - клапан; 8 - резервуар с жидкостью

Многофазный поток, образующийся в результате смешения газовой и жидкой фаз, прошедших предварительную подготовку и измерение, поступает в линию измерения, состоящую из трёх расходомеров (3, 4, 5), различных по принципу действия, и двух датчиков, отображающих давление 2 и температуру 6 в режиме реального времени. Измеренный поток поступает в резервуар с жидкостью 8, газ же покидает структуру потока из-за чрезмерно малой плотности по сравнению с плотностью жидкости.

Схема на рис. 2 со структурами на рис. 3-5 позволяет создать измерительную установку, обладающую высокой точностью проверки достоверности результатов, т. к. будут сравниваться значения расхода компонентов, полученные на начальном этапе, когда фазы еще не были смешаны, и значения расхода компонентов, полученные с помощью многофазных расходомеров.

В качестве ультразвукового расходомера можно использовать датчик из двух пьезоэлемен-тов, расположенных на противоположных сторонах трубы. Измеряя время прохождения сигнала от одного пьезоэлемента до другого, можно предположительно определить структуру потока.

В роли акустоэлектрического расходомера предлагается использовать устройство, схема которого приведена на рис. 1, но без использования магнитного поля.

Сравнивая данные применяемых многофазных расходомеров, можно будет сделать вывод о качестве измерений сложного потока, что позволит определить новые направления исследований по разработке и оптимизации устройства для измерения многофазного потока.

Для решения задачи 3 (измерение расхода компонентов трёхфазного потока, состоящего из нефти, газа и воды) в схему вводится новый элемент - разделительный блок (рис. 6). В нефтяной отрасли такие блоки обычно называются сепараторами. Простейший сепаратор, используемый в лабораторных условиях, может иметь недостатки, которых нет у промышленных устройств, применяющихся на нефтеперерабатывающих заводах или морских платформах. Следует учесть, что включение в схему разделительного блока может изменить продолжительность измерений - существенные временные сдвиги могут возникать вследствие инерционности процесса.

Благодаря установке разделительного блока появляется еще один измерительный канал -с жидкостью, плотность которой отличается от плотности жидкости в двухфазном потоке.

Разделительный блок стоит на выходе измерительной линии многофазного потока и служит для разделения жидкостей с учетом их плотности. Так, жидкость с большей плотностью находится ниже и, следовательно, стекает в резервуар линии подготовки жидкой фазы 1; жидкость, плотность которой меньшей, «плавает» на жидкости с большей плотностью и стекает, соответственно, в резервуар линии подготовки жидкой фазы 2.

Рис. 6. Схема системы измерения расхода компонентов многофазного потока

с разделительным блоком

Отметим, что введение простейшего сепаратора в лабораторную установку влечет за собой увеличение продолжительности эксперимента и требует затрат времени на дополнительное регулирование уровня раздела фаз, который может изменяться из-за различного содержания двух жидкостей в многофазном потоке. Контроль уровня раздела фаз на производстве осуществляется особым способом - применяются не менее 3 ультразвуковых датчиков.

Перспективные направления исследований предложенной измерительной системы

Отметим основные направления исследований:

1. Исследование влияния на результаты измерений отношения жидкость/газ.

Известно, что в зависимости от того, какая фаза доминирует в потоке, изменяются показания измеряющих устройств. Необходимо установить, какая фаза (жидкостная или газовая) сильнее всего влияет на результаты эксперимента.

2. Исследования влияния многофазного потока, состоящего из двух жидких и одной газовой фаз, на характер измерений.

3. Расчет производительности лабораторного сепаратора. Расчет позволит узнать, как на достоверность измерений влияет инерционность сепаратора.

4. Сравнение на практике различных способов измерений многофазного потока (разработанное устройство предлагается сравнить с его аналогами).

5. Сравнение двух систем измерения многофазных потоков: двухфазной и трёхфазной.

В существующих устройствах для измерения расхода компонентов многофазного потока приведенная погрешность составляет порядка 15-20 %. Большей точности удается добиться за счет периодических исследований лабораторных проб и введения поправок в модель, обрабатывающую результаты измерений и учитывающую характеристики дебита скважины.

За счет введения большего количества измерительных преобразователей, автоматически корректирующих математическую модель, планируется получить большее количество каналов сбора информации с целью повышения точности измерений до 3-5 %, что будет соответствовать ГОСТ Р 8.615-2005 ГСИ.

Заключение

Вариант устройства для измерения многофазного потока, предложенный в [1], и математическая модель, полученная в [2], позволили нам разработать измерительную систему, которая

включает в себя множество различных датчиков, устройств, блоков и линий, способных обеспечить бесперебойную работу лабораторной установки для исследований по усовершенствованию как устройств для учёта расхода, так и системы в целом.

В дальнейшем, преобразуя разработанную систему, можно будет получить готовый лабораторный стенд, который можно внедрить в учебный процесс для изучения таких специальных дисциплин, как «Технологические измерения и приборы», «Исполнительные механизмы», «Системы измерения и средства аналитического контроля», «Технические средства автоматизации» и т. д.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Кокуев А. Г. Устройство для измерения расхода многофазного потока / А. Г. Кокуев, А. В. Сорин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2015. № 1. С. 7-14.

2. Кокуев А. Г. Математическое описание процесса многофазного измерения / А. Г. Кокуев, А. В. Сорин // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Управление, вычислительная техника и информатика. 2015. № 2. С. 38-44.

3. Xing L. A combination method for metering gas - liquid two-phase flows of low liquid loading applying ultrasonic and Coriolis flowmeters / L. Xing, Y. Geng, C. Hua, H. Zhu, A. Rieder, W. Drahm, M. Bezdek // Flow Measurement and Instrumentation. 2014. 37. P. 135-143.

Статья поступила в редакцию 7.09.2015, в окончательном варианте - 14.10.2015

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Кокуев Андрей Геннадьевич - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; канд. техн. наук, доцент; доцент кафедры «Автоматика и управление»; kokuevag@gmail.com.

Резник Андрей Олегович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; магистрант кафедры «Автоматика и управление»; gexkex@gmail.com.

Сорин Александр Владимирович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Автоматика и управление»; sorin91@mail.ru.

A. G. Kokuev, A. O. Reznik, A. V. Sorin

AUTOMATED SYSTEM PROVIDING THE OPERATION OF THE DEVICE USED FOR MEASUREMENT OF THE FLOW RATE OF MULTIPHASE FLOW COMPONENTS

Abstract. The purpose of the research is to develop a system, that ensures the operation of the device for measuring the flow rate of the multiphase flow components and performs three tasks: measuring the flow rate of the liquid and gas phases separately from each other; measuring two-phase flow stream, consisting of one liquid and one gas, and measuring three-phase flow stream, consisting of oil, gas and water. The elements of the system are a preparation unit of one or two liquid and one gas phase; units of measurement of liquid and gas phases before their mixing; mixing unit into a single multi-phase flow; a device for measuring the flow rate of the multi-phase flow and the separation unit for consequent return to the measurement system. The main part of the proposed system is a measuring line of the multi-phase flow, comprising 5 measuring devices: 3 flow meters different in the operating principle (ultrasonic, acoustoelectric and acoustomagnetoelectric), and 2 sensors that display the pressure and temperature in fact. For measuring three-phase flow components of the stream consisting of oil, gas and water, a new element - a separation unit for

separating liquids, is introduced into the existing scheme. This allows getting one more measurement channel with the liquid, whose density is different from the density of the liquid in two-phase flow. By introducing more transmitters, it is expected to receive more channels of information gathering in order to increase the measurement accuracy compared with the existing devices.

Key words: multiphase flow, liquid phase, gas phase, multiphase flow meter, acoustomagneto-electric effect.

1. Kokuev A. G., Sorin A. V. Ustroistvo dlia izmereniia raskhoda mnogofaznogo potoka [Device for measurement of the flow rate of the multiphase flow]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2015, no. 1, pp. 7-14.

2. Kokuev A. G., Sorin A. V. Matematicheskoe opisanie protsessa mnogofaznogo izmereniia [Mathematical description of the multiphase measurement]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo uni-versiteta. Seriia: Upravlenie, vychislitel'naia tekhnika i informatika, 2015, no. 2, pp. 38-44.

3. Xing L., Geng Y., Hua C., Zhu H., Rieder A., Drahm W., Bezdek M. A combination method for metering gas - liquid two-phase flows of low liquid loading applying ultrasonic and Coriolis flowmeters. Flow Measurement and Instrumentation, 2014, 37, pp. 135-143.

Kokuev Andrey Gennadievich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor of the Department "Automation and Control"; kokuevag@gmail.com.

Reznik Andrey Olegovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Master's Course Student of the Department "Automation and Control"; gexkex@gmail.com.

Sorin Alexander Vladimirovich - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Automation and Control"; sorin91@mail.ru.

REFERENCES

The article submitted to the editors 7.09.2015, in the final version - 14.10.2015

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS