ВИБРАЦИОННЫЙ РАСХОДОМЕР С ОЧЕНЬ НИЗКОЙ ЧАСТОТОЙ ВИБРАЦИИ
VERY LOW FREQUENCY VIBRATORY FLOW METRE

Область техники
Настоящее изобретение относится к вибрационному расходомеру и, более конкретно, вибрационному расходомеру с очень низкой частотой вибрации.
Предшествующий уровень техники
Вибрационные расходомеры, такие как массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры, обычно работают посредством регистрации движения вибрирующего трубопровода, который содержит протекающий или не протекающий флюид. Характеристики, связанные с материалом в трубопроводе, такие как массовый расход, плотность и т.п., могут быть определены в результате обработки измерительных сигналов, принимаемых от датчиков перемещения, связанных с трубопроводом. Колебательные моды заполненной материалом вибрирующей системы обычно зависят от суммарной массы, жесткости и параметров демпфирования заполняемого трубопровода и содержащегося в нем материала.
Типичный вибрационный расходомер включает в себя один или несколько трубопроводов, которые соединяются в линейную магистраль или другую транспортную систему и транспортируют в системе материал, например флюиды, шламы и т.п. Трубопровод можно рассматривать как систему, имеющую ряд собственных колебательных мод, включая, например, простые изгибные, крутильные, радиальные и связанные моды. Обычно для измерений трубопровод возбуждается на одной или нескольких колебательных модах, когда материал течет через трубопровод, и движение трубопровода регистрируется в точках, разнесенных вдоль трубопровода. Возбуждение обычно обеспечивается приводом, например электромеханическим устройством, таким как индукционный привод, работающий на звуковых частотах, который периодически возмущает трубопровод. Плотность флюида может быть получена определением резонансной частоты потока флюида. Массовый расход может быть определен по измерению временной задержки или по разности фаз между перемещениями в местоположениях датчиков. Два таких датчика (или тензодатчика) обычно используются для измерения колебательного отклика трубопровода или трубопроводов и обычно располагаются в положениях сверху и снизу по течению относительно привода. Два тензодатчика соединяются с электронным измерительным прибором с помощью кабеля, например, с помощью двух независимых пар проводов. Измерительный прибор принимает сигналы от двух тензодатчиков и обрабатывает сигналы, чтобы получить измерение массового расхода.
Расходомеры используются для измерения массового расхода и/или плотности при широком разнообразии протекающих флюидов и обеспечивают высокую точность для однофазных потоков. Одно из применений вибрационных расходомеров заключается в измерении выхода нефти и газа из скважины. Продукт таких скважин может содержать многофазный поток, включающий в себя жидкости, но также включающий в себя и газы и/или твердые вещества, которые могут быть вовлечены в поток флюида. Поток флюида из месторождения нефти может поэтому включать в себя нефть, воду, воздух или другие газы, и/или песок или, например, другие частицы грунта. Однако когда вибрационный расходомер используется для измерения потока флюида, включающего в себя вовлеченные газы и/или твердые вещества, точность измерителя может быть значительно ухудшена. Весьма желательно, чтобы окончательное измерение было настолько точным, насколько это возможно даже для таких многофазных потоков.
Многофазные протекающие флюиды могут включать в себя вовлеченные газы, особенно потоки газовых пузырей. Многофазные потоки могут включать в себя вовлеченные твердые вещества или вовлеченные твердые частицы, смеси, например бетон, и т.д. Кроме того, многофазные потоки могут включать в себя жидкости различных плотностей, например водные и нефтяные компоненты. Фазы могут иметь различные плотности, вязкости или другие свойства.
В многофазном потоке вибрация трубопровода не обязательно перемещает вовлеченные газы/твердые вещества точно в фазе с протекающим флюидом. Эта вибрационная аномалия обозначается как разделение или отставание. Газовые пузыри, например, могут отделиться от протекающего флюида, влияя на колебательный отклик и любые, получаемые впоследствии, параметры потока. Маленькие пузыри обычно перемещаются с протекающим флюидом, когда расходомер вибрирует. Однако большие пузыри не перемещаются с протекающим флюидом во время вибрации трубопровода. Вместо этого пузыри могут отделиться от протекающего флюида и могут перемещаться независимо, с вовлеченными газовыми пузырями, перемещающимися дальше и быстрее, чем с протекающим флюидом при каждом вибрационном смещении. Это неблагоприятно влияет на колебательный отклик расходомера. Сказанное справедливо также для твердых частиц, вовлеченных в протекающий флюид, в котором твердые вещества с большой вероятностью отделяются от движения протекающего флюида при увеличении размеров частиц или вибрационных частот. Разделение может произойти даже тогда, когда многофазный поток включает в себя жидкости различающихся плотностей и/или вязкостей. Установлено, что влияние разделения зависит от различных факторов, например таких как вязкость протекающего флюида и различие в плотности протекающего флюида и инородного материала.
В дополнение к проблемам, вызванным относительным движением пузырей и частиц, точность измерителей Кориолиса может ухудшиться из-за эффектов, связанных со скоростью звука (SOS) или сжимаемостью, когда скорость звука измеряемого флюида низка или частота колебания измерителя высока. Жидкости имеют более высокие скорости звука, чем газы, но наиболее низкие значения скорости звука получаются для смеси жидкости и газа. Даже малое количество газа, вовлеченного в жидкость, приводит к драматическому снижению скорости звука смеси; ниже скорости звука для любой из фаз.
Колебание расходомерной трубки производит звуковые волны, которые распространяются в поперечном направлении на частоте привода измерителя. Когда скорость звука для флюида высока, как в однофазном флюиде, первая акустическая мода для поперечных звуковых волн поперек круглого трубопровода соответствует намного более высокой частоте, чем частота привода. Однако когда скорость звука падает из-за добавления газа к жидкости, частота акустической моды также падает. Когда частоты акустической моды и приводной моды близки, возникают ошибки измерителя из-за нерезонансного возбуждения акустической моды приводной модой.
Для низкочастотных измерителей и типичных используемых давлений эффекты скорости звука присутствуют в многофазных потоках, но обычно они незначительны при заданной точности измерителя. Однако для высокочастотных измерителей Кориолиса, работающих при низких давлениях с флюидами с пузырями, скорость звука может быть достаточно низкой, чтобы вызвать существенные ошибки измерения из-за взаимодействия между приводной модой и колебательной модой флюида.
Размер пузырей может варьироваться в зависимости от количества присутствующего газа, давления протекающего флюида, температуры и степени смешивания газа с протекающим флюидом. Уровень снижения рабочих параметров определяется не только тем, как много газа имеется в целом, но также и с размером отдельных газовых пузырей в потоке. Размер пузырей влияет на точность измерения. Большие пузыри занимают больший объем и, увеличиваясь, отделяются, приводя к флуктуациям плотности и измеряемой плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменять содержание газа или массу, не обязательно изменяясь в размере. Наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь, когда давление падает, или сокращаясь, когда давление увеличивается. Это может также вызвать вариации собственной или резонансной частоты расходомера.
Вибрационные расходомеры предшествующего уровня техники обычно конструировались для рабочих частот приблизительно 100-300 Герц (Гц). Некоторые измерители предшествующего уровня техники конструировались так, чтобы работать на значительно более высоких частотах. Рабочая частота вибрационного расходомера в технике предшествующего уровня обычно выбирается так, чтобы облегчить конструкцию расходомера, его изготовление и его работу. Например, вибрационный расходомер в технике предшествующего уровня конфигурируется так, чтобы быть физически компактным и по существу однородным по размерам. Например, высота расходомера в технике предшествующего уровня обычно меньше, чем длина, давая низкое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) и соответствующую высокую приводную частоту. Пользователи расходомера предпочитают малый общий размер, чтобы упростить его установку. Кроме того, конструкция расходомера обычно предполагает однородный поток однофазного флюида и предназначена для оптимальной работы с таким однородным протекающим флюидом.
В технике предшествующего уровня расходомеры обычно имеют низкое характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Расходомер с прямым трубопроводом имеет нулевое характеристическое отношение высоты к длине, что обычно приводит к высокой частоте привода. Часто используются изогнутые трубопроводы, чтобы избежать преобладания значения длины и увеличить характеристическое отношение высоты к длине (H/L). Однако расходомеры предшествующего уровня техники с большими характеристическими отношениями не разработаны. Искривленный или изогнутый трубопроводный расходомер в предшествующем уровне техники может иметь характеристическое отношение высоты к длине, приближающееся к 1,3, например.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей настоящего изобретения в данной области техники является необходимость создания вибрационного расходомера, который пригоден для точного и надежного измерения расхода многофазных флюидов.
В одном аспекте изобретения вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации содержит:
сборку расходомера, включающую в себя один или несколько трубопроводов со сборкой расходомера, сконфигурированной для создания колебательного отклика с очень низкой частотой, которая ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида независимо от размера инородного материала или состава инородного материала; и
электронный измеритель, соединенный со сборкой расходомера и сконфигурированный, чтобы принимать колебательный отклик с очень низкой частотой и производить по нему одно или несколько измерений расхода.
Предпочтительно, чтобы колебательный отклик с очень низкой частотой был ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.
Предпочтительно, чтобы электронный измеритель был сконфигурирован так, чтобы разделительное отношение (Ap/Af) составляло около 1:1 для вовлеченных твердых веществ или вовлеченного газа при очень низкой частоте.
Предпочтительно, чтобы электронный измеритель был сконфигурирован так, чтобы вязкость была по существу бесконечной относительно движения частицы для протекающего флюида при очень низкой частоте.
Предпочтительно, чтобы колебательный отклик с очень низкой частотой был ниже приблизительно 5-ти Герц (Гц).
Предпочтительно, чтобы колебательный отклик с очень низкой частотой был ниже приблизительно 50-ти Герц (Гц).
Предпочтительно, чтобы колебательный отклик с очень низкой частотой соответствовал обратному Стоксову числу (δ), которое выше чем приблизительно 3,5.
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с очень большой амплитудой колебательного отклика.
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с амплитудой колебательного отклика, большей чем приблизительно один миллиметр (мм).
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с амплитудой колебательного отклика, большей чем приблизительно пять миллиметров (мм).
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы достигнуть колебательного отклика с очень низкой частотой посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости трубопровода, длины трубопровода, разделительного отношения трубопровода, материала трубопровода, толщины трубопровода, формы трубопровода, геометрии трубопровода или одного или нескольких положений колебательных узлов.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации возбуждается вне резонанса на заданной низкой частоте и получается нерезонансное измерение массового расхода, причем измерение массового расхода вне резонанса по существу невосприимчиво к эффектам SOS (скорости звука) и разделения.
Предпочтительно, заданная низкая частота выбирается так, чтобы соответствовать обратному Стоксову числу (δ), большему чем пороговое значение, выбранное, чтобы, по существу, устранить ошибки из-за многофазности.
Предпочтительно, измерение массового расхода вне резонанса сравнивается с резонансным измерением массового расхода, полученным на резонансной частоте, и если измерение массового расхода вне резонанса и резонансное измерение массового расхода отличаются больше, чем на заданные пределы разделения, вырабатывается указание на многофазность.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации возбуждается вне резонанса на множественных заданных нерезонансных частотах, и получаются соответствующие множественные нерезонансные измерения массового расхода, причем множественные нерезонансные измерения массового расхода сравниваются для определения, имеется ли многофазный поток, и чтобы определить величину ошибки из-за многофазности.
В одном аспекте изобретения способ работы вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации содержит следующие операции:
осуществляют вибрацию одного или нескольких трубопроводов вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации на очень низкой частоте, которая ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;
осуществляют прием колебательного отклика с очень низкой частотой; и
осуществляют одно или несколько измерений расхода из колебательного отклика с очень низкой частотой.
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости независимо от размера инородного материала или состава инородного материала.
Предпочтительно, расходомер с очень низкой частотой сконфигурирован так, что разделительное отношение (Ap/Af) составляет приблизительно 1:1 для вовлеченных твердых веществ или вовлеченного газа на очень низкой частоте.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации сконфигурирован так, что вязкость оказывается по существу бесконечной относительно движения частицы для протекающего флюида на очень низкой частоте.
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой находится ниже около 5-ти Герц (Гц).
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой находится ниже около 50-ти Герц (Гц).
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое выше значения 3,5.
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с очень большой амплитудой колебательного отклика.
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с амплитудой колебательного отклика, большей чем около одного миллиметра (мм).
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с амплитудой колебательного отклика, большей чем около пять миллиметров (мм).
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы достигнуть колебательного отклика с очень низкой частотой посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости трубопровода, длины трубопровода, разделительного отношения трубопровода, материала трубопровода, толщины трубопровода, формы трубопровода, геометрии трубопровода или одного или нескольких положений колебательных узлов.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации возбуждается вне резонанса на заданной низкой частоте, и получается нерезонансное измерение массового расхода, причем нерезонансное измерение массового расхода по существу невосприимчиво к эффектам SOS (скорости звука) и разделения.
Предпочтительно, заданная низкая частота выбирается так, чтобы соответствовать обратному Стоксову числу (δ), большему чем пороговое значение, выбранное, чтобы, по существу, устранить ошибки из-за многофазности.
Предпочтительно, измерение массового расхода вне резонанса сравнивается с резонансным измерением массового расхода, полученным на резонансной частоте, и если измерение массового расхода вне резонанса и резонансное измерение массового расхода отличаются больше чем на заданные пределы разделения, вырабатывается указание на многофазность.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации возбуждается вне резонанса на множественных заданных нерезонансных частотах, и получаются соответствующие множественные нерезонансные измерения массового расхода, причем множественные нерезонансные измерения массового расхода сравниваются для определения, существует ли многофазный поток, и чтобы определить величину ошибки из-за многофазности.
В одном аспекте изобретения способ формирования вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации содержит следующие операции:
определяют заданную очень низкую рабочую частоту для вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации на основе, по меньшей мере, ожидаемого протекающего флюида, причем очень низкая рабочая частота находится ниже заданной минимальной частоты разделения для протекающего флюида независимо от размера инородного материала или состава инородного материала;
выбирают один или несколько параметров конструкции трубопровода исходя из заданной очень низкой рабочей частоты, с одним или несколькими параметрами конструкции трубопровода, выбираемыми, чтобы по существу достигнуть заданной очень низкой рабочей частоты; и
изготавливают вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации, использующий выбранные один или несколько параметров конструкции трубопровода, или посредством привода вне резонанса непосредственно на желаемой низкой частоте.
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой находится ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости независимого от размера инородного материала или состава инородного материала.
Предпочтительно, расходомер сконфигурирован так, что разделительное отношение (Ap/Af) составляет около 1:1 для вовлеченных твердых веществ или вовлеченного газа на очень низкой частоте.
Предпочтительно, расходомер сконфигурирован так, что вязкость по существу бесконечна относительно движения частицы для протекающего флюида на очень низкой частоте.
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой находится ниже около 5-ти Герц (Гц).
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой находится ниже около 50-ти Герц (Гц).
Предпочтительно, колебательный отклик с очень низкой частотой соответствует обратному Стоксову числу (δ), которое выше чем около 3,5.
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с очень большой амплитудой колебательного отклика.
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с амплитудой колебательного отклика, большей чем приблизительно один миллиметр (мм).
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы колебаться с амплитудой колебательного отклика, большей чем около пять миллиметров (мм).
Предпочтительно, чтобы один или несколько трубопроводов были сконфигурированы так, чтобы достигнуть колебательного отклика с очень низкой частотой посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости трубопровода, длины трубопровода, разделительного отношения трубопровода, материала трубопровода, толщины трубопровода, формы трубопровода, геометрии трубопровода или одного или нескольких положений колебательных узлов.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации возбуждают вне резонанса на заданной низкой частоте и получают нерезонансное измерение массового расхода, причем измерение массового расхода вне резонанса по существу невосприимчиво к эффектам SOS и разделения.
Предпочтительно, заданную низкую частоту выбирают так, чтобы соответствовать обратному Стоксову числу (δ), большему чем пороговое значение, выбранное, чтобы по существу устранить ошибки из-за многофазности.
Предпочтительно, измерение массового расхода вне резонанса сравнивают с резонансным измерением массового расхода, полученным на резонансной частоте, и если измерение массового расхода вне резонанса и резонансное измерение массового расхода отличаются больше чем на заданные пределы разделения, вырабатывается указание на многофазность.
Предпочтительно, вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации возбуждают вне резонанса на множественных заданных нерезонансных частотах и получают соответствующие множественные нерезонансные измерения массового расхода, причем множественные нерезонансные измерения массового расхода сравнивают для определения, существует ли многофазный поток, и определяют величины ошибки из-за многофазности.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением;
фиг.2 - вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения;
фиг.3 - диаграмма зависимости эффекта разделения от частоты для очень низкой рабочей частоты до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме;
фиг.4 - диаграмма зависимости разделения фазового угла (φ) от частоты для очень низкой рабочей частоты до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме;
фиг.5 - диаграмма зависимости разделительного отношения от отношения плотностей для вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением;
фиг.6 - участок вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением;
фиг.7 - блок-схема последовательности операций способа действия вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением.
Подробное описание изобретения
Прилагаемые фиг.1-7 и нижеследующее описание демонстрируют конкретные примеры для специалистов в данной области техники, поясняя, как реализовать и использовать наилучший вариант изобретения. С целью объяснения принципов изобретения некоторые обычные объекты упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники должны быть очевидны возможные вариации этих примеров, которые находятся в пределах объема притязаний изобретения. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что описанные ниже признаки могут быть объединены различным образом, формируя множественные вариации изобретения. Таким образом, изобретение не ограничивается описанными ниже конкретными примерами, но определяется формулой изобретения или эквивалентами.
На фиг.1 показан вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением. Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации в одном варианте реализации содержит расходомер Кориолиса. В другом варианте реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации содержит вибрационный денситометр.
Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации предназначен для измерения параметров протекающего флюида, включая измерение параметров протекающего флюида или в динамическом, или в стационарном режимах. Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации, кроме того, предназначен для точного и надежного измерения параметров протекающего флюида, когда протекающий флюид включает в себя множественные фазы. В некоторых вариантах реализации многофазный протекающий флюид может включать в себя вовлеченный газ, причем вовлеченный газ может содержать поток пузырей. Вовлеченный газ может включать в себя воздушные пузыри или пузыри различных размеров. Вовлеченный газ создавал проблемы в вибрационных измерителях расхода предшествующего уровня техники. Вовлеченный газ, особенно в случае средних и больших пузырей, может перемещаться независимо от протекающего флюида и вызвать ошибки измерения или неопределенности. Кроме того, вовлеченный газ может вызвать эффекты неоднозначности в измерениях из-за сжимаемости газа, изменяющегося с изменением рабочего давления протекающего флюида.
В некоторых вариантах реализации многофазный протекающий флюид может включать в себя вовлеченные твердые вещества, причем вовлеченные твердые вещества могут содержать шлам. Один пример содержит частицы песка или грунта в нефтяном потоке. Вовлеченные твердые вещества могут перемещаться независимо от протекающего флюида и приводить к ошибкам измерения и/или к неопределенностям.
В некоторых вариантах реализации многофазный поток может включать в себя различающиеся жидкости, такие как несмешивающиеся жидкости, которые не могут быть смешаны между собой. Например, протекающий флюид может включать в себя и воду, и нефть. Если компоненты протекающего флюида имеют отличающиеся плотности, компоненты протекающего флюида могут испытать некоторое разделение во время вибрации расходомера. Вовлеченная жидкость может быть менее плотной, чем объемный флюид. Вовлеченная жидкость может быть более плотной, чем объемный флюид.
Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации включает в себя сборку 10 расходомера и электронный измеритель 20. Электронный измеритель 20 соединен со сборкой 10 измерителя посредством кабелей 100 и сконфигурирован, чтобы предоставить результаты измерений одного или нескольких из следующих параметров: плотности, массового расхода, объемного расхода, общего массового расхода, температуры и другой информации по каналу 26 связи. Специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что настоящее изобретение может быть использовано для любого типа вибрационного расходомера независимо от числа приводов, тензометрических датчиков, трубопроводов или типа используемой колебательной моды. Следует отметить, что расходомер 5 может содержать вибрационный денситометр и/или массовый расходомер Кориолиса.
Сборка 10 расходомера включает в себя пару фланцев 101 и 101', манифольды 102 и 102', привод 104, тензометрические датчики 105 и 105' и трубопроводы 103A и 103B. Привод 104 и тензометрические датчики 105 и 105' присоединены к трубопроводам 103A и 103B.
В одном варианте реализации трубопроводы 103A и 103B содержат по существу U-образные трубопроводы, как показано. Альтернативно, в других вариантах реализации трубопроводы могут содержать по существу прямые трубопроводы. Однако другие формы также могут использоваться, и они имеются в виду в рамках описания и приложенных формул.
Фланцы 101 и 101' прикреплены к манифольдам 102 и 102'. Манифольды 102 и 102' могут быть прикреплены к противоположным концам проставки 106. Проставка 106 поддерживает интервал между манифольдами 102 и 102', чтобы предотвратить нежеланные колебания в трубопроводах 103A и 103B. Когда сборка 10 расходомера вставляется в трубопроводную систему (не показана), которая переносит измеряемый протекающий флюид, протекающий флюид входит в сборку 10 расходомера через фланец 101, проходит через входной манифольд 102, где весь протекающий флюид направляется на вход трубопроводов 103A и 103B, протекает через трубопроводы 103A и 103B и назад в выходной манифольд 102', где он выходит из измерительной сборки 10 через фланец 101'.
Трубопроводы 103A и 103B выбираются и соответственно монтируются на входном манифольде 102 и на выходном манифольде 102' так, чтобы иметь по существу одинаковое массовое распределение, моменты инерции и упругие модули вокруг изгибных осей W--W и W'--W' соответственно. Трубопроводы 103A и 103B вытянуты наружу от манифольдов 102 и 102' по существу параллельным образом.
Трубопроводы 103A и 103B возбуждаются приводом 104 в противоположных направлениях вокруг соответственных изгибных осей W и W', на которых проявляется первая несинфазная изгибная мода расходомера 5. Однако трубопроводы 103A и 103B могут альтернативно колебаться на второй несинфазной изгибной моде или более высокой, если это желательно. Это может быть сделано для проведения калибровки или тестирования, для установления вязкости флюида или для получения значений измерения на различных частотах колебаний. Привод 104 может содержать одно из многих известных устройств, например магнит, установленный на трубопроводе 103A, и противостоящую катушку, установленную на трубопроводе 103B. Через противостоящую катушку проходит переменный ток, заставляя оба трубопровода колебаться. Соответствующий возбуждающий сигнал подается электронным измерителем 20 на привод 104 через соединительный кабель 110.
Электронный измеритель 20 принимает сигналы датчика по соединительным кабелям 111 и 111' соответственно. Электронный измеритель 20 производит возбуждающий сигнал на соединительном кабеле 110, который посредством привода 104 заставляет колебаться трубопроводы 103A и 103B. Электронный измеритель 20 обрабатывает сигналы левой и правой скорости от тензометрических датчиков 105 и 105', чтобы рассчитать массовый расход. Канал связи 26 предоставляет входное и выходное средство, которое позволяет соединять электронный измеритель 20 с оператором или с другими электронными системами. Описание фиг.1 предоставляется исключительно как пример работы вибрационного расходомера и не должно служить принципиальным ограничением существующего изобретения.
При работе вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации вибрирует на очень низкой частоте. Очень низкая частота может содержать первую изгибную колебательную моду. Однако возможны и другие колебательные моды, и они имеются в виду в рамках описания и прилагаемых формул.
Например, в некоторых вариантах реализации сборка 10 расходомера может возбуждаться вне резонанса на заданной низкой частоте, причем массовый расход (и/или другие параметры потока) измеряются вслед за этим. Заданная низкая частота может быть меньше, чем резонансная частота. Получающееся измерение массового расхода будет по существу невосприимчиво к эффектам разделения и SOS и может быть выполнено по измерению фазы на заданной низкой частоте. Заданная низкая частота может быть выбрана так, чтобы соответствовать обратному Стоксову числу (δ), большему, чем пороговое значение, выбранное, чтобы по существу устранить ошибки из-за многофазности. Измерение плотности невозможно вследствие того, что частота была заранее выбрана, а не измерена. Проблема при этом режиме работы в том, что амплитуда отклика трубопровода будет малой из-за нерезонансного колебания. Однако эта проблема может быть преодолена введением дополнительной мощности возбуждения или усреднением фазовых измерений, способствуя тем самым фильтрации шума.
Кроме того, расходомер 5 может колебаться с очень большой амплитудой. В некоторых вариантах реализации расходомер 5 может колебаться одновременно на очень низкой частоте и с очень большой амплитудой. Протекающий флюид может быть или стационарным, или динамическим, как предварительно было рассмотрено. В результате вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации производит колебательный отклик с очень низкой частотой. Колебательный отклик с очень низкой частотой обрабатывается для определения одного и обоих параметров из частоты отклика и амплитуды отклика. Частота отклика и/или амплитуда отклика могут быть использованы для определения одного или нескольких параметров протекающего флюида, включая массовый расход, плотность, вязкость и так далее. Сущность использования очень низкой частоты для расходомера 5 рассматривается ниже.
Преимущество вибрационного расходомера 5 с очень низкой частотой вибрации заключается в том, что расходомер 5 в некоторых вариантах реализации может работать на более высоких частотах, если это желательно. Это может быть сделано тогда, когда не ожидается многофазный поток. Например, если расходомер 5 устанавливается снизу по течению относительно устройства сепаратора, то протекающий флюид может быть допустимо однородным и свободным от вовлеченного инородного материала. В такой ситуации расходомер 5 может работать на более высоких частотах, например, на второй, третьей или четвертой изгибной моде и так далее, где изгибные моды более высокого порядка содержат частоты, кратные резонансной частоте, или гармоники, например.
В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 100 с очень низкой частотой вибрации может работать на множественных колебательных частотах. Множественные колебательные частоты могут включать в себя колебание сборки 10 расходомера на периодически изменяющихся частотах или на различных частотах в разных интервалах времени. Альтернативно, сборка 10 расходомера может одновременно колебаться на множественных колебательных частотах.
Например, вибрационный расходомер 100 с очень низкой частотой вибрации может работать на резонансной частоте и получать резонансные массовый расход и измерения плотности и может работать вне резонанса и получать одно или несколько нерезонансных измерений массового расхода. Затем одно или несколько измерений массового расхода вне резонанса могут быть сравнены с резонансным измерением массового расхода. Если одно или несколько измерений массового расхода вне резонанса и резонансное измерение массового расхода отличаются больше, чем на заданные пределы разделения, может быть выработано указание на многофазность.
Кроме того, множественные измерения массового расхода вне резонанса могут быть сравнены, чтобы определить, существует ли многофазный поток, и определить величину ошибки из-за многофазности. Следовательно, если измерения массового расхода вне резонанса на 10, 20 и 30 Гц по существу идентичны, но измерение массового расхода вне резонанса на 40 Гц значительно отклоняется от предыдущих измерений, то может быть определено, что ошибки из-за многофазности произошли на частоте колебаний выше 30 Гц.
Приводная частота представляет собой частоту, на которой колеблются один или несколько трубопроводов 103A и 103B, чтобы измерить параметры потока протекающего флюида. Приводная частота может быть выбрана так, чтобы быть для протекающего флюида, например, резонансной частотой. Поэтому приводная частота может отличаться от частоты колебательного отклика и может варьироваться в соответствии с составом протекающего флюида. Кроме того, приводная частота зависит от параметров жесткости расходомера. При увеличении параметров жесткости увеличивается и приводная частота. В результате понижение жесткости трубопровода приведет к более низкой резонансной частоте трубопровода и снижению частоты расходомера. Жесткость трубопровода может быть изменена различным образом, как рассматривается ниже.
Следствием многофазности протекающего флюида является то, что точные измерения флюида затрудняются во время таких характерных периодов многофазности. Эффекты многофазности могут присутствовать даже при наличии от умеренных до средних режимов многофазности потока. Особенности многофазного протекающего флюида могут проявляться в эффектах сжимаемости/скорости звука (SOS) и в эффектах разделения между компонентами многофазного протекающего флюида. Два эффекта могут быть управляемы или же их можно устранить надлежащим выбором частоты и амплитуды колебаний.
Многофазные протекающие флюиды могут включать в себя вовлеченные газы, особенно потоки газовых пузырей. Многофазные потоки могут включать в себя вовлеченные твердые вещества или вовлеченные твердые частицы, смеси, такие как бетон, шламы, и т.д. Кроме того, многофазные потоки могут включать в себя жидкости различных плотностей, такие как водные и нефтяные компоненты, например. Фазы могут иметь различные плотности или вязкости.
В многофазном потоке вибрация трубопровода не обязательно перемещает вовлеченные газы/твердые вещества полностью в фазе с протекающим флюидом. Эта вибрационная аномалия обозначается как разделение или отставание. Газовые пузыри, например, могут стать отделенными от протекающего флюида, влияя на колебательный отклик и любые, получаемые впоследствии, параметры потока. Маленькие пузыри обычно перемещаются с протекающим флюидом, когда расходомер вибрирует. Однако большие пузыри не перемещаются с протекающим флюидом во время вибрации трубопровода. Вместо этого пузыри могут быть отделены от протекающего флюида и могут перемещаться независимо с вовлеченными газовыми пузырями, перемещающимися дальше и быстрее, чем протекающий флюид во время каждого колебательного движения. Это неблагоприятно влияет на колебательный отклик расходомера. Это также справедливо для твердых частиц, вовлеченных в протекающий флюид, когда твердые частицы все с большей вероятностью отделяются от движения протекающего флюида при увеличении частот вибрации. Разделение может даже произойти тогда, когда многофазный поток включает в себя жидкости различающихся плотностей и/или вязкостей. Было установлено, что на факт разделения влияют различные факторы, такие как вязкость протекающего флюида и различия в плотности протекающего флюида и инородного материала, например.
Размер пузырей может различаться в зависимости от количества присутствующего газа, давления протекающего флюида, температуры, степени смешивания газа в протекающем флюиде и других свойств потока. Уровень снижения рабочих характеристик связан не только с тем, сколько всего газа присутствует, но также и с размером отдельных газовых пузырей в потоке. Размер пузырей влияет на точность измерений. Большие пузыри занимают больший объем, приводя к флуктуациям плотности и измеряемой плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменяться по массе и при этом не обязательно изменяться в размерах. И наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь, если давление падает, или сжимаясь при увеличении давления. Это может также вызвать изменение собственной или резонансной частоты расходомера.
В вибрирующем трубопроводе ускорение вибрирующего трубопровода заставляет пузыри перемещаться. Ускорение трубопровода определяется частотой и амплитудой колебаний. В случае вовлеченного газа пузыри ускоряются в том же самом направлении, что и ускорение трубопровода. Пузыри перемещаются быстрее и дальше, чем трубопровод. Более быстрое движение пузыря (и образующееся смещение флюида) заставляет некоторое количество флюида перемещаться медленнее, чем трубопровод, вызывая истинное смещение центра притяжения смеси флюида от центра вибрирующего трубопровода. Это составляет основу проблемы разделения. В результате параметры расхода и плотности оказываются заниженными (отрицательный поток и ошибки определения плотности), когда присутствует вовлеченный воздух.
Шламы представляют собой подобную же проблему. В случае шламов, однако, твердые частицы часто тяжелее жидкого компонента. При ускорении вибрирующего трубопровода более тяжелые частицы перемещаются меньше, чем жидкость. Но потому, что тяжелые частицы перемещаются меньше, центр притяжения флюидной смеси еще перемещается несколько назад от центра трубопровода. Это снова приводит к отрицательному потоку и ошибкам определения плотности.
В случаях газ - жидкость, твердое вещество - жидкость и жидкость - жидкость отличающееся движение вовлеченной фазы вызвано различием в плотности вовлеченной фазы и жидкого компонента. Если сжимаемостью газа пренебречь, то те же самые уравнения могут быть использованы для описания поведения всех трех сценариев.
Компенсация разделения флюида была затруднена, поскольку имеется несколько факторов, которые определяют, насколько пузыри перемещаются относительно флюида. Вязкость флюида представляет собой очевидный фактор. В очень вязком флюиде пузыри (или частицы) эффективно замораживаются на месте во флюиде, и возникает небольшая ошибка для параметров потока. При очень низкой вибрационной частоте протекающий флюид будет действовать как очень вязкий флюид, то есть так, как если бы вязкость была бесконечной. При очень большой вибрационной частоте протекающий флюид будет действовать как невязкий флюид, то есть так, как если бы вязкость была приблизительно нулевой (то есть невязкий случай).
Вязкость представляет собой меру сопротивления флюида, который деформируется или сдвиговым напряжением, или напряжением растяжения. Обычно это является сопротивлением течению жидкости, а также количественной оценкой вязкости флюида. Вязкость может рассматриваться как мера внутреннего трения флюида. Все реальные флюиды имеют некоторое сопротивление напряжению, но флюид, который не имеет сопротивления по отношению к сдвиговому напряжению, считается идеальным флюидом или невязким флюидом.
Также на подвижность пузыря оказывает влияние размер пузыря. Гидродинамическое сопротивление пузыря пропорционально площади поверхности, тогда как выталкивающая сила пропорциональна объему. Поэтому очень маленькие пузыри имеют большое отношение гидродинамического сопротивления к выталкивающей силе и могут перемещаться с флюидом. Маленькие пузыри соответственно приводят к малым ошибкам. И наоборот, большие пузыри могут не перемещаться с флюидом и приводить к большим ошибкам. То же самое справедливо для твердых частиц, поскольку малые частицы могут перемещаться с флюидом и вызывать только малые ошибки.
Другая проблема, вызванная вибрацией, - это скорость звука (SOS) или эффекты сжимаемости. Эти эффекты делают измерения массового расхода и плотности для потоков с содержанием газа все более неточными при увеличении частоты вибрации.
Различие плотности представляет собой другой фактор. Выталкивающая сила пропорциональна разности плотности флюида и газа. Газ высокого давления может иметь достаточно высокую плотность, чтобы влиять на выталкивающую силу и уменьшить эффект разделения. Кроме того, большие пузыри занимают больший объем, приводя к истинным флуктуациям плотности протекающего флюида. Из-за сжимаемости газа пузыри могут изменяться по количеству газа и при этом не обязательно изменяться в размере. И наоборот, если давление изменяется, размер пузыря может соответственно измениться, расширяясь при падении давления или сжимаясь при увеличении давления. Это может также вызвать изменение собственной или резонансной частоты расходомера и, таким образом, изменение фактической плотности двух фаз.
Факторы второго порядка также могут иметь влияние на пузыри и подвижность частицы. Турбулентность при большом расходе флюида может разбивать большие газовые пузыри на меньшие, таким образом, уменьшая ошибку разделения. Сурфактанты уменьшают поверхностное натяжение пузырей и уменьшают их тенденцию к сращиванию. Клапаны могут уменьшить размер пузыря посредством увеличения турбулентности, тогда как колена трубопровода могут увеличить размер пузыря, сжимая их посредством центробежной силы.
В некоторых вариантах реализации преимущества очень низкой частоты и большой амплитуды вибрационного расходомера 5 с очень низкой частотой вибрации могут быть достигнуты посредством соответствующих параметров конструкции (или в комбинации с другими факторами, такими как рабочая частота). Основное соображение при создании вибрационного расходомера 5 с очень низкой частотой вибрации заключается в том, что эффективная жесткость изгибной моды измерителя должна быть уменьшена, чтобы уменьшить резонансную (или собственную) частоту. Это может сопровождаться уменьшением или увеличением амплитуды колебаний трубопровода. Снижение жесткости измерителя может быть достигнуто любым образом, и неважно, как именно достигнуто снижение жесткости измерителя. Однако несколько возможных путей рассматриваются ниже.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - длина трубопровода. Длина расходомера по существу коррелирует с жесткостью измерителя, причем увеличение длины измерителя приводит к некоторому снижению жесткости измерителя и рабочей частоте. Соответственно, длина расходомера может быть выбрана так, чтобы достигнуть, по меньшей мере, некоторого снижения жесткости измерителя.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - характеристическое отношение трубопровода. В данном случае характеристическое отношение расходомера определено как высота расходомера (H), разделенная на длину расходомера (L), и характеристическое отношение = (H/L) (фиг.2). Если высота (H) меньше, чем длина (L), характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет меньше единицы. Если расходомер представляет собой прямой расходомер, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет эффективно нулевым. Если высота (H) больше длины (L), характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет больше единицы. Например, в расходомере 5 на фиг.2 характеристическое отношение высоты к длине (H/L) будет значительно большим единицы и может достигать относительно большого значения. Как следствие, характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть увеличено, чтобы уменьшить жесткость измерителя и уменьшить резонансную/рабочую частоту измерителя.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - материал трубопровода. Материал трубопровода может быть выбран так, чтобы уменьшить жесткость измерителя и снизить частоту.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - толщина трубопровода. Толщина трубопровода может быть уменьшена, чтобы уменьшить жесткость измерителя. Однако практически существенные сокращения толщины трубопровода могут привести к снижению пределов по давлению и к неудовлетворительной долговечности или прочности.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - форма трубопровода. Форма трубопровода может быть модифицирована любым желаемым образом, включая использование трубопроводов, по существу круглых, эллиптических, прямоугольных, неправильной формы или других подходящих форм.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - геометрия трубопровода. Геометрия трубопровода может быть выбрана любым желаемым образом, включая использование соответствующих прямых и кривых секций, например. Например, U-образный трубопровод имеет меньшую жесткость, чем прямой трубопровод расходомера той же длины и такого же типа.
Фактор, влияющий на частоту измерителя, - масса трубопровода. Резонансная частота сборки 10 расходомера падает, если масса трубопровода увеличивается при неизменных всех других факторах. Масса трубопровода может быть увеличена любым образом. Например, масса трубопровода может быть увеличена посредством добавления противовесов или других масс. Добавление массы в отдельной точке или местоположении уменьшит рабочую частоту, не увеличивая жесткость трубопровода.
Фактор, влияющий на жесткость измерителя, - узловой дроссель трубопровода и местоположения узлов колебаний. Сборка 10 расходомера может включать в себя один или несколько узловых дросселей, которые управляют положением узла колебаний и изгибной осью и поэтому влияют на колебательный отклик. Обычный узловой дроссель в показанном варианте реализации содержит проставку 106 в комбинации с манифольдами 102 и 102'. Альтернативно, в других вариантах реализации узловой дроссель может содержать один или нескольких стягивающих скоб, которые жестко располагаются между двумя трубопроводами в определенной точке по существу вблизи фланцев 101 и 101' (то есть, по существу, на двух концах расходомера 5). Другие узловые положения показаны на фиг.6. Один или несколько узловых дросселей включены, чтобы зафиксировать узлы колебаний искривленных трубопроводов, 103A и 103B, создавая желаемые изгибные оси. Один или несколько узловых дросселей могут быть помещены (или удалены), чтобы увеличить длину трубопроводов, которые испытывают вибрацию, и снизить частоту. На фиг.6 скрученность секций 102 и 102' также уменьшает жесткость изгибной моды и, таким образом, снижает частоту.
Благодаря точной конструкции измерителя вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может работать на очень низких частотах. Работа на очень низкой частоте приводит к газовому разделению или разделению твердых веществ, поддерживаемому с разделительным отношением приблизительно 1:1, когда инородный материал в многофазном протекающем флюиде перемещается по существу с протекающим флюидом. Кроме того, работа на очень низкой частоте дает параметры потока, подобные для потока, в котором вязкость очень велика. Это справедливо, содержит ли инородный материал газовые, жидкие или твердые компоненты. Это справедливо, имеет ли инородный материал умеренно отличающуюся плотность относительно протекающего флюида, или же инородный материал имеет сильно отличающуюся плотность. Как следствие, вовлеченный инородный материал по существу не будет влиять на измерения, выполненные вибрационным расходомером 5 с очень низкой частотой вибрации, и вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации будет давать удовлетворительно точные и надежные измерения. Кроме того, вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации будет по существу невосприимчив к вариациям доли газовых пустот (GVF) и/или доли твердых веществ и оказывается пригоден для удовлетворительного измерения протекающего флюида, даже когда состав многофазного протекающего флюида изменяется. Кроме того, при работе вибрационного расходомера 5 с очень низкой частотой вибрации на очень низкой частоте эффекты сжимаемости не проявляются, поскольку поперечные акустические моды реализуются на намного более высоких частотах.
Электронный измеритель 20 генерирует возбуждающий сигнал для привода 104 и может быть сконфигурирован так, чтобы возбуждать/заставлять колебаться сборку 10 расходомера на очень низкой частоте. Как и в обычной практике применения вибрационных расходомеров, электронный измеритель 20 при этом производит возбуждающий сигнал заданной частоты и амплитуды, причем заданная частота и амплитуда могут управляться и модифицироваться посредством сигнала обратной связи, снимаемого от тензодатчиков. Например, возбуждающий сигнал может управляться в соответствии с обратной связью, чтобы достигнуть резонансной (то есть собственной) частоты колебательного отклика, измеряемого тензодатчиками 105 и 105'.
Электронный измеритель 20 может быть сконфигурирован так, чтобы генерировать очень низкую частоту различным образом. Очень большая амплитуда может быть следствием очень низкой частоты или может следовать из амплитуды возбуждающего сигнала. Электронный измеритель 20 может быть сконфигурирован в процессе изготовления, например, соответственно программируя устройство памяти электронного измерителя 20. Альтернативно, электронный измеритель 20 может быть сконфигурирован с очень низкой частотой во время процесса калибровки, например, когда программирование очень низкой частоты в некоторых вариантах реализации может зависеть от измеренной или определенной жесткости измерителя, как это определяется процессом калибровки. В другой альтернативе очень низкая частота может быть получена или определена во время операции запуска измерителя. Например, очень низкая частота может быть основана на предварительно сохраненных или введенных пользователем значениях. Это может включать в себя, например, очень низкую частоту, которая основана на предварительно сохраненной или введенной пользователем информации относительно характера многофазного протекающего флюида.
На фиг.2 показан вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации в соответствии с вариантом реализации изобретения. Трубопроводы 103A и 103B могут находиться в пределах кожуха 203, как показано. Кожух 203 может защитить трубопроводы 103A и 103B и может дополнительно служить для удержания протечки в случае отказа или повреждения трубопровода. Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации включает в себя высоту H и длину L. Из чертежа можно видеть, что высота H в этом варианте реализации значительно больше длины L измерителя. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) представляет собой отношение этих двух линейных параметров. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть увеличено, чтобы снизить очень низкую рабочую частоту. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть увеличено до любого необходимого значения, включая значение, много большее единицы, например. Характеристическое отношение высоты к длине (H/L) может быть еще выше, например, разделительное отношение может приближаться к значению 4 или 5 или выше.
В одном варианте реализации полная линейная длина L представляет собой по существу расстояние между фланцами 101 и 101' расходомера 5, тогда как полная линейная высота H представляет собой по существу расстояние между средней линией входного/выходного манифольдов 102 и 102' и самой удаленной средней линией (то есть центр максимума наклоненного участка). Поэтому характеристическое отношение представляет собой приблизительное количественное определение полной формы и размера расходомера 5. Большое характеристическое отношение (H/L) в соответствии с этим определением означает, что расходомер имеет большую высоту H по сравнению с его длиной L.
На фиг.3 показана диаграмма эффекта разделения в зависимости от частоты для диапазона рабочих частот до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме. Диаграмма показывает эффект разделения в зависимости от частоты в пределах амплитуд колебаний. Расходомер, работающий на частоте, меньшей чем приблизительно 5-10 Гц, будет функционировать успешно, потому что разделительное отношение останется приблизительно 1:1, то есть разделение почти не произойдет. Для очень низкой частоты вибрации, 5 Гц или меньше, можно видеть, что величина разделения в отклике (Ap/Af) останется в самой темной области по левой оси диаграммы в пределах разделительного отношения 1:1, как указано масштабной шкалой по правой стороне диаграммы. Можно также видеть, что эффект разделения уменьшается для высоких амплитуд вибрации. В результате вовлеченные газовые пузыри переместятся с протекающим флюидом, не приводя к ошибкам в измерениях массового расхода или измерениях плотности смеси. Эффекты скорости звука также будут незначительны для такой низкой частоты, поскольку эффекты SOS/сжимаемости обычно не становятся заметными, пока частота вибрации не превышает приблизительно 200 Гц.
На фиг.4 показана соответствующая диаграмма фазового угла (φ) разделения в зависимости от частоты для рабочей частоты до 100 Гц в примере, показанном на диаграмме. Из этой диаграммы можно видеть, что фазовый угол (φ) разделения остается малым, когда частота вибрации не превышает 5 Гц.
Независимо от амплитуды колебания флюида, размера частиц, плотности флюида, плотности частиц и вязкости флюида относительное движение частиц и флюида не возникает для очень низкой частоты колебания. Амплитудное отношение (то есть разделительное отношение (Ap/Af)) приближается к отношению 1:1, и фазовый угол (φ) разделения приближается к нулю. Поэтому нет необходимости в расчете разделительного отношения (Ap/Af) или фазового угла (φ) разделения. Кроме того, результат не зависит от обработки флюида и устройства трубопровода. Измеритель производит точные и надежные измерения, поскольку нет относительного движения между многофазными компонентами. Это справедливо для шламов, флюидов с пузырями, эмульсий или любого другого композитного флюида с составляющими с различающимися плотностями.
Вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации, такой, как описан выше, мог бы также возбуждаться на его второй, третьей или четвертой изгибной модах без ограничения. Это выполнимо благодаря старту с очень низкой (резонансной) частотой. Также измеритель может возбуждаться вне резонанса на любой частоте. Как рассмотрено выше, разделение ухудшается с увеличением частоты. Поэтому все более отрицательная ошибка появится в измерениях плотности и массового расхода при увеличении рабочей частоты.
Этот факт может быть полезным для диагностики. Измеритель может быть сконфигурирован для определения того, влияют ли на измерения SOS или эффекты разделения, и на каких частотах эффекты становятся незначительными. Например, расходомер может возбуждаться одновременно на резонансных и нерезонансных частотах 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 Гц. Для данного протекающего флюида измерения на 10, 20 и 30 Гц могут все быть эквивалентными, указывая, что эффекты SOS/разделения не влияют на измерения ниже приблизительно 40 Гц. Если больше газа вовлечено или увеличиваются размеры пузырей, то может быть, что только измерения на 10 и 20 Гц являются эквивалентными, означая, что разделение хуже, чем в приведенном выше примере, и требуется измерение на более низкой частоте. Эта диагностическая возможность может использоваться для определения наличия множественных фаз или может быть использована, чтобы дать пользователю информацию о точности измерений на каждой частоте.
Изначальное применение вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации может быть для измерения сверху по течению (предсепаратор) природного газа и нефти. Такой многофазный измеритель устранил бы потребность в сепараторе, - чрезвычайно дорогом устройстве. Вибрационный расходомер, который работает с точностью +/-5% в этом трудном применении, был бы очень желателен для нефтяных и газовых компаний, для которых необходимо измерение сырой продукции каждой нефтяной скважины. Другое применение возможно при смешивании и/или дозировке цемента, когда цемент содержит частицы грунта и вовлеченный газ, что составляет три фазы в смеси. Без относительного движения всех имеющихся фаз на низкой частоте измеритель может работать так, как если бы была одна гомогенная фаза, и давать правильные измерения массового расхода смеси и плотности независимо от числа компонентов или фаз.
Хотя возможно возбудить измеритель вне резонанса на низкой частоте, реализуемость вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации, возбуждаемого в резонансе, может в некотором отношении зависеть от того, какой длины трубопроводы должны были бы быть, чтобы достигнуть желаемой очень низкой частоты. Как пример, для Кориолисова расходомера модели Micro Motion E200, который обычно вибрирует на частоте 70 Гц для измерения воды, трубопроводы вытягиваются приблизительно на 18 дюймов за стягивающую скобу. В качестве оценки рассмотрим уравнение для частоты фиксированной - свободной консольной балки:
<img file="00000001.tif" he="10" wi="24" img-content="undefined" img-format="tif" />
(1)
где E - модуль упругости; I - момент инерции для сечения, m - масса на единицу длины и l - длина. Для частоты (f) в семьдесят Гц и длины (L) восемнадцать дюймов константа пропорциональности может быть найдена для (EI/m) компоненты. Как пример, трубопровод должен быть приблизительно шестьдесят семь дюймов длиной для расходомера Кориолиса модели E200, чтобы достигнуть вибрационной частоты в пять Гц, без изменения значений E, I или m.
Другой подход заключается в комбинации предварительно рассмотренных факторов. Например, одно решение могло бы заключаться в том, чтобы несколько удлинить трубопроводы, несколько уменьшить толщину стенки, добавить небольшую массу около привода или тензодатчиков, и/или работать ниже резонанса. Другой эффективный способ понижения частоты мог бы заключаться в том, чтобы допустить изгиб трубопроводов в линию с магистралью перед стягивающими скобами или даже устранить стягивающие скобы. Это значительно уменьшило бы жесткость возбуждаемой моды из-за дополнительного скрученного компонента (фиг.5).
Вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для специального применения. Поэтому вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может иметь очень низкую рабочую частоту, которая достигает заданной очень низкой вибрационной частоты и очень низкой частоты колебательного отклика и очень большой амплитуды колебательного отклика.
Вибрационная частота может быть определена различным образом. Вибрационная частота может быть определена как частотный порог или предел. Вибрационная частота может быть определена как находящаяся ниже заданного порога разделения или предела. Вибрационная частота может быть определена как находящаяся ниже заданного порога SOS/сжимаемости или предела. Вибрационная частота может быть определена как соответствие заданному порогу обратного Стоксова числа или пределу (рассматривается ниже). Например, заданный порог обратного Стоксова числа может быть выбран так, чтобы по существу устранить ошибки из-за многофазности потока.
Массовые расходомеры Кориолиса и вибрационные денситометры требуют, чтобы протекающий флюид перемещался с трубопроводами во время колебания на собственной частоте измерителя. Когда введен инородный материал, это предположение больше не выполняется, поскольку имеется относительное движение или разделение между двумя или несколькими фазами. Модель была разработана для предсказания условий, которые необходимы для успешного измерения плотности смеси, конкретных условий работы измерителя. Модель флюидов, которая была подтверждена экспериментально, может предсказать эффекты разделения. Уравнения, чтобы найти разделительное отношение (Ap/Af) и фазовый угол (φ) разделения, имеют вид:
<img file="00000002.tif" he="13" wi="72" img-content="undefined" img-format="tif" />
(3)
Разделительное отношение (Ap/Af) содержит отношение амплитуды частицы (то есть инородного материала) (Ap) и амплитуду трубопровода (Af). Частица может содержать любой инородный материал, включая газовые пузыри, твердые частицы или даже участки отличающегося флюида, вовлеченного в пределах протекающего флюида. Отдельные величины уравнения (3) определяются как:
<img file="00000003.tif" he="58" wi="65" img-content="undefined" img-format="tif" />
(4)
(5)
(6)
(7)
Предполагается, что движение протекающего флюида соответствует движению трубопровода. Движение пузыря или частицы рассчитывается следующим образом:
Скорость флюида=<i>u</i>=A<sub>f</sub> cos(<i>ωt</i>)
(8)
Скорость частиц=<i>v</i>=A<sub>p</sub> cos(<i>ωt+ϕ</i>)
(9)
Вышеприведенные уравнения могут быть использованы, чтобы определить движение частицы в колеблющейся окружающей среде вибрационного расходомера в пределах точности приблизительно плюс или минус десять процентов для вибрационной амплитуды и разности фаз в большинстве ситуаций.
Шесть исходных величин необходимы для разрешения вышеупомянутых уравнений для движения пузыря: частота (f) колебательного отклика, амплитуда (Af) колебательного отклика, плотность (ρf) флюида, плотность (ρp) частиц для частиц инородного материала, вовлеченного в протекающий флюид, динамическая вязкость (μf) протекающего флюида и распределение (a) радиусов частиц инородного материала, вовлеченного в протекающий флюид. Частота (f) колебательного отклика и амплитуда (Af) колебательного отклика могут быть определены из колебательного отклика одного или нескольких трубопроводов (103A, 103B), например, из сигнала колебательного отклика, произведенного тензодатчиками (105, 105'). Плотность (ρf) флюида может быть задана пользователем, например, в случае известного протекающего флюида, или может быть получена из измерения. Плотность (ρp) частиц может быть определена пользователем или, альтернативно, может быть определена из закона идеального газа в случае вовлеченного газа, задавая измеренные температуру и давление протекающего флюида. Динамическая вязкость (μf) может быть определена пользователем, например, в случае известного протекающего флюида, или может быть получена из измерения. Распределение (a) размеров частиц может быть определено пользователем, например, в случае известного протекающего флюида, или может быть получено из измерения, включая акустические или радиационные измерения частиц инородного материала или пузырей в протекающем флюиде.
На фиг.5 показана диаграмма разделительного отношения в зависимости от отношения плотностей для вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением. Диаграмма дополнительно включает в себя результаты для различных обратных Стоксовых чисел (δ). Обратное Стоксово число (δ) может использоваться, чтобы более кратко характеризовать условия, для того чтобы избежать связанного с частотой разделения и эффектов SOS/сжимаемости.
Диаграмма показывает пять различных обратных Стоксовых чисел (δ) и получающиеся разделительные отношения. Из диаграммы можно видеть, что вовлеченный газ и вовлеченные твердые вещества реагируют противоположным образом в отношении разделения, причем вовлеченные газы демонстрируют большее движение, чем объемный флюид и твердые частицы, демонстрирующие меньшее движение. Независимо от этого идеальная ситуация заключается в том, что все фазы внутри трубопровода перемещаются с точно той же самой амплитудой и фазой (то есть когда Ap/Af=1). Можно также видеть, что когда размер газового пузыря увеличивается, количество разделения увеличивается. Разделение твердых частиц также отходит от идеального случая движения 1:1, когда размер твердых частиц увеличивается.
Обратное Стоксово число (δ) определяется как:
<img file="00000004.tif" he="15" wi="23" img-content="undefined" img-format="tif" />
(2)
Обратное Стоксово число (δ) учитывает кинематическую вязкость (η) протекающего флюида, угловую частоту (ω) вибрации и радиус (a) частицы или пузыря инородного материала. Кинематическая вязкость (η) содержит динамическую вязкость (μ), разделенную на плотность (ρ) флюида, то есть η=μ/ρ. Инородный материал может включать в себя вовлеченный газ или вовлеченные твердые вещества, как рассмотрено ранее. Обратное Стоксово число (δ) поэтому может быть использовано для более полного и точного определения верхнего предела частоты вибрации, чем это возможно только через задание частоты.
Увеличение обратного Стоксова числа (δ) сдвигает разделительное отношение (Ap/Af) ближе к единице, указывая снижение относительного движения. Когда отношение плотностей становится больше, чем приблизительно 50, разделительное отношение зависит, прежде всего, от обратного Стоксова числа (δ). Это особенно важно, потому что все газовые/жидкие смеси имеют высокие отношения плотностей, обычно выше 100. Таким образом, для самых обычных многофазных состояний потока в вибрационном расходомере степень ошибки измерения зависит, прежде всего, от обратного Стоксова числа (δ). Если этот параметр очень мал, результат приближается к невязкому случаю 3:1 для разделительного отношения, тогда как если параметр велик, относительное движение ограничено и разделительное отношение приближается к 1:1. Обратное Стоксово число (δ) показывает, что важен баланс между кинематической вязкостью флюида, размером частиц и частотой, а не любая одна из этих переменных. Однако частота зависит от параметров конструкции измерителя, тогда как вязкость и размер частиц или пузырей зависит от комплексных и, часто не поддающихся контролю, условий процесса.
Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации содержит число, выше чем около 3,5. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации содержит число, выше чем около 1,0. Обратное Стоксово число (δ) в некоторых вариантах реализации содержит число, выше чем около 0,5.
В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с частотой колебательного отклика приблизительно до 5 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с частотой колебательного отклика приблизительно до 10 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с частотой колебательного отклика приблизительно до 20 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с частотой колебательного отклика приблизительно до 30 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с частотой колебательного отклика до около 40 Гц. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с частотой колебательного отклика до около 49 Гц. Желаемые частоты изгибной моды могут быть достигнуты посредством особенностей конструкции измерителя или, альтернативно, посредством нерезонансной вибрации на заданной частоте.
В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с амплитудой колебательного отклика выше чем около 1 мм. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с амплитудой колебательного отклика выше чем около 2 мм. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с амплитудой колебательного отклика выше чем около 5 мм. В некоторых вариантах реализации вибрационный расходомер 5 с очень низкой частотой вибрации может быть предназначен для работы с амплитудой колебательного отклика выше чем около 10 мм.
На фиг.6 показан участок вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации 5 в соответствии с изобретением. Этот чертеж показывает, что расходомер 5 использует большое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения. Большое характеристическое отношение высоты к длине (H/L) понижает жесткость расходомера и рабочую частоту расходомера.
Кроме того, чертеж показывает изменение положений колебательных узлов. Пунктирные линии на чертеже показывают типичные стягивающие скобы 120 и 120'. Стягивающие скобы обычно используются, чтобы зафиксировать изгибные узлы и установить изгибную ось. Стягивающие скобы фиксируют трубопроводы друг относительно друга, если используются два трубопровода, и формируют изгибный колебательный узел. Стягивающие скобы 120 и 120' устанавливают изгибную ось W--W, и только участки трубопровода выше изгибной оси W--W могут колебаться. Изгибная ось W--W ограничивает частоту колебаний и обычно поддерживает частоту как высокую.
Чтобы изменить рабочую частоту, местоположение изгибной оси может быть смещено. Следовательно, рабочая частота может быть понижена соответствующим местоположением изгибной оси, например, соответственным расположением колебательных узлов. В некоторых вариантах реализации это может быть достигнуто перемещением стягивающих скоб, как показано на примере стягивающих скоб 122 и 122' на чертеже. Стягивающие скобы 122 и 122' устанавливают изгибную ось W"--W". В других вариантах реализации это может быть достигнуто полным устранением стягивающих скоб. В таких вариантах реализации изгибная ось может быть задана фланцами 101 и 101' или может быть достигнута манифольдами 102 и 102'. Следует отметить, что имеется только два возможных способа для понижения частоты посредством модификации геометрии трубопровода. Другие способы рассматривались и содержатся в рамках описания и приложенных формул.
На фиг.7 показана блок-схема 700 последовательности операций для способа работы вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации в соответствии с изобретением. На этапе 701 расходомер вибрирует на очень низкой частоте. Очень низкая частота может включать в себя частоту ниже около 50-ти Герц (Гц). Очень низкая частота может включать в себя частоту ниже около 5-ти Герц (Гц) в некоторых вариантах реализации. Другие очень низкие частоты рассмотрены и содержатся в рамках описания и приложенных формул.
Очень низкая частота может включать в себя частоту, когда разделительное отношение (Ap/Af) приблизительно 1:1 достигается для конкретного применения или для большинства применений, включая применения с вовлеченным газом или твердыми частицами. Очень низкая частота может включать в себя частоту, такую что для протекающего флюида достигается эффективная вязкость, приближающаяся к бесконечной. Очень низкая частота может быть ниже заданной минимальной частоты разделения независимо от размера инородного материала или состава инородного материала. Очень низкая частота поэтому позволяет избежать эффектов разделения и вовлеченный инородный материал движется по существу с протекающим флюидом. Очень низкая частота может быть ниже заданного минимального порога SOS/сжимаемости независимо от размера инородного материала или состава инородного материала. Очень низкая частота поэтому позволяет избежать эффектов SOS/сжимаемости, которые не появляются, пока не будут достигнуты более высокие частоты.
Один или нескольких трубопроводов вибрационного расходомера с очень низкой частотой вибрации были сконфигурированы так, чтобы достигнуть очень низкой частоты посредством конфигурации одного или нескольких из следующих параметров: жесткости трубопровода, длины трубопровода, разделительного отношения трубопровода, материала трубопровода, толщины трубопровода, формы трубопровода, геометрии трубопровода или одного или нескольких положений колебательных узлов, как рассмотрено выше. Альтернативно, один или несколько трубопроводов могут возбуждаться вне резонанса на заданной низкой частоте, ниже чем резонансная частота, как рассмотрено выше.
На этапе 702 принимается колебательный отклик сборки расходомера. Колебательный отклик может быть использован для определения получающейся частоты и амплитуды, включая частоту, которая может содержать резонансную частоту для протекающего флюида.
На этапе 703 одно или несколько измерений расхода могут быть произведены из колебательного отклика с очень низкой частотой. Одно или несколько измерений расхода могут содержать массовый расход. Одно или несколько измерений расхода могут содержать измерение плотности. Измерение плотности с использованием очень низкой частоты может быть определено с предположениями относительно разделительного отношения и вязкости флюида. Другие измерения расхода рассмотрены и содержатся в рамках описания и приложенных формул.
Разделение, вообще говоря, есть сложная функция многих исходных параметров, что делает очень трудным компенсировать его при измерениях расходомера. Однако было установлено, что эффект разделения незначителен для маленьких газовых пузырей. Аналогично, когда протекающий флюид имеет большую вязкость, разделение, возможно, не произойдет или может произойти только с очень высокими частотами вибрации. Кроме того, в сценарии с вовлеченным газом, если инородный материал хорошо перемешан с протекающим флюидом, уменьшение размера пузыря и/или равномерное распределение газа может уменьшить разделение или эффективно устранить его в некоторых случаях. Также высокая вязкость протекающего флюида уменьшает или устраняет разделение и увеличивает точность измерения. Однако параметры протекающего флюида могут быть фактически зафиксированы, и размер пузырей и вязкость в этом случае приходится принимать такими, как они есть.
Вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации может быть по существу невосприимчив к эффектам многофазности, включая и эффекты SOS/сжимаемости и эффекты разделения. Конечно, если объем вовлеченного инородного материала становится достаточно большим, то даже вибрационный расходомер с очень низкой частотой вибрации может не справиться с некоторыми эффектами, но расходомер с очень низкой частотой вибрации все же и в этом случае будет иметь намного большую точность и надежность, чем вибрационные расходомеры со средней или высокой частотой вибрации в предшествующем уровне технике.