Полнопоточный плотномер жидких сред

Предполагаемая полезная модель относится к области измерения параметров жидких сред, например, нефтесодержащей жидкости непосредственно в потоке или газожидкостной смеси, и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен плотномер для жидких сред, содержащий петлеобразную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три преобразователя давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях трубы, два дифференциальных манометра и регистрирующий прибор (Авт. свид. СССР №1325328, опубл. Бюл. №27, 23.07.1987 г.).
Недостатком плотномера является отсутствие автоматической коррекции плотности «эталонной» жидкости по температуре и давлению применительно к рабочим условиям измеряемой среды, что сказывается на точности измерения плотности жидкости.
Известен плотномер жидких или газообразных сред, в основу которого заложен метод сравнения плотности «эталонной» жидкости с плотностью рабочей среды, что на порядок повышает точность измерения (пат. РФ №67263, G01N 9/26, приор. 24.05.2007 г., опубл. 10.10.2007 г.).
Известный плотномер содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок. Плотномер снабжен дополнительным датчиком температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки и дополнительным отборником давления, расположенным на корпусе для термометра. В качестве «эталонной» жидкости использована жидкость, контактирующая с рабочей средой, но не смешивающаяся с ней. Кроме того, отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, расположенный на корпусе для термометра, находятся на одном уровне в нижней части петли, а плотность жидкости или газообразных сред определяется по прилагаемым формулам.
Кроме того, датчик абсолютного давления, два датчика разности давления, датчики температуры рабочей среды и температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.
Недостаток известного плотномера-расходомера заключается в следующем.
Конструкция устройства содержит два датчика разности давления, на основе показаний которых обеспечивается измерение параметров измеряемой среды. При этом для расчета скорости, массы и вязкости применяются разные формулы в зависимости от характера течения: ламинарного или турбулентного. При турбулентном потоке расход может измеряться только в индикаторном режиме, что сказывается на точности. Ламинарный поток характерен для вязких сред, что ограничивает область применения устройства для измерения параметров сред с другим течением.
Известно устройство для измерения параметров маловязких и вязких текучих сред в трубопроводе, содержащее петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, нижние отборники давления, установленные на одном уровне, соответственно, на восходящей и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, дополнительный отборник давления, установленный на нисходящей ветви, первый и второй датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры «эталонной» жидкости, импульсные трубки с «эталонной» (разделительной) жидкостью, воспринимающей давление текучей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом первый датчик разности давления подключен импульсными трубками с «эталонной» жидкостью к дополнительному отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления на восходящей ветви, а второй датчик разности давления подключен к отборникам давления на нисходящей ветви, при этом дополнительный отборник давления на нисходящей ветви установлен в верхней ее части на высоте h от уровня расположения нижних отборников давления, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью размещены вне петлеобразной трубы, кроме того, регистрирующий блок снабжен программой для измерения и расчета плотности, скоростного напора потока, массового и объемного расходов, вязкости, скорости потока и компонентного объема для смешивающихся двухкомпонентных маловязких и вязких текучих сред. В верхней части измерительных ветвей установлена емкость с «эталонной» жидкостью, поддерживающая уровень «эталонной» жидкости в импульсных трубках, на которой установлен датчик температуры «эталонной» жидкости (Пат. РФ №164946, приор. 09.06.2016).
Недостаток известного устройства заключается в сложности конструкции, в которой для расширения функциональных возможностей устройства за счет способности с достаточной точностью измерять параметры текучих сред с различной вязкостью и состава с малым расходом течения потока установлен дополнительный датчик разности давления, при этом отсутствует учет компенсации потерь на трение на восходящей и нисходящей петлях, что приводит к погрешности в измерениях.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции и повышение точности результатов измерения.
Поставленная задача решается тем, что в полнопоточном плотномере жидких сред, содержащем петлеобразную трубу равного сечения (измерительная колонка), состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, нижние отборники давления, установленные на одном уровне, соответственно, на восходящей и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, дополнительный отборник давления, датчик разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры измеряемой жидкости, импульсные трубки с разделительной жидкостью, воспринимающей давление измеряемой жидкости непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом дополнительный отборник давления установлен на высоте h от уровня расположения нижних отборников давления, в верхней части измерительной колонки установлена емкость с разделительной жидкостью, поддерживающая уровень разделительной жидкости в импульсных трубках,
в отличие от известного, указанный дополнительный отборник давления имеет вводы внутрь восходящей и нисходящей петель и связан импульсной трубкой с «плюсовой камерой» датчика разности давления, «минусовая» камера которого соединена импульсными трубками с нижними датчиками отбора давления на восходящей и нисходящей петлях, кроме того, внутри восходящей петли размещена трубка длиной h, сообщаемая с внешней атмосферной средой.
Измерительная колонка соединена посредством кранов с тройниками, соединенными между собой краном и с концами трубопровода с измеряемой жидкостью.
Датчик разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры измеряемой жидкости соединены с регистрирующим блоком, который по заложенной в нем программе рассчитывает расходную плотность нефтесодержащей жидкости и расходное содержание воды в газожидкостной смеси.
На фигуре изображено заявляемое устройство.
Полнопоточный плотномер жидких сред (измеряемой жидкости Q) для измерения ее параметров содержит измерительную колонку в виде петлеобразной трубы, состоящей из восходящей 1, горизонтальной 2 и нисходящей 3 ветвей, импульсные трубки 4, заполненные разделительной жидкостью, непосредственно контактирующей с измеряемой жидкостью, но не смешивающейся с ней, например кремнеорганической, имеющей известные коэффициенты объемного расширения и сжатия, два отборника давления, расположенные на одном уровне 5 и 6 в нижней части петли, дополнительный отборник давления 7 (отборник давления), расположенный вверху петлеобразной трубы на расстоянии h от уровня расположения нижних отборников давления 5 и 6. При этом отборник давления 5 установлен на восходящей ветви 1, отборник давления 6 - на нисходящей ветви 3, а отборник давления 7 имеет ввод 8 внутрь восходящей петли и ввод 9 внутрь нисходящей петли 3.
Датчик разности давления 10 связан с восходящей ветвью 1 и нисходящей ветвью 3 следующим образом: «минусовая» камера датчика разности давления 10 посредством импульсной трубки 11 с разделительной жидкостью и вентиля 12 соединена с отборником давления 5 на восходящей ветви 1, и соединена посредством импульсной трубки 13 с разделительной жидкостью и вентиля 14 с отборником давления 6 на нисходящей ветви 3. «Плюсовая» камера указанного датчика посредством импульсной трубки 15 с разделительной жидкостью и вентиля 16 соединена с отборником давления 7, расположенным вверху петлеобразной трубы на расстоянии h от уровня расположения нижних отборников давления 5 и 6. В месте контакта разделительной жидкости и измеряемой жидкостью в отборниках давления выполнены мини-камеры для передачи давления.
Устройство снабжено датчиком абсолютного давления 17, установленным на нисходящей петле 3, а в верхней части измерительных ветвей установлена емкость 18 с разделительной жидкостью, поддерживающая уровень разделительной жидкости в импульсных трубках с вентилями 20 и 21.
На нисходящей ветви 3 установлен датчик температуры 22 измеряемой жидкости.
Ввод 8 внутрь восходящей петли 1 и ввод 9 внутрь нисходящей петли 3 соединены с отборником давления 7 посредством трубок с вентилями 23 и 24 соответственно.
Внутри восходящей петли 1 размещена трубка 25 длиной h, сообщаемая с внешней атмосферной средой, которая предназначена для компенсации потерь на трение в восходящей и нисходящей петлях на уровне h.
Измерительная колонка соединена посредством кранов 26 и 27 с тройниками 28 и 29, соединенными между собой краном 30 и с концами трубопровода с текучей средой Q. Вентиль 31 служит для сброса воздуха при гидроиспытаниях измерительной колонки.
Датчик разности давления 10, датчик абсолютного давления 17, датчик температуры 22 соединены с регистрирующим блоком 32 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает расходную плотность нефтесодержащей жидкости, и расходное содержание воды в газожидкостной смеси.
Полнопоточный плотномер для измерения параметров жидкостных сред работает следующим образом.
В рабочем положении вентили: 12, 13, 23 и 24 открыты, а вентили: 20,21 и 31 - закрыты. Краны: 26 и 27 - открыты, а кран 30 - закрыт.
а
Измеряемая жидкость «Q» поступает на вход восходящей ветви 1, где отборник давления 5 передает давление на датчик разности давления 10 в его «минусовую камеру», далее измеряемая жидкость поднимается по восходящей ветви 1 на уровень h, где через ввод 8 отбирается давление из внутренней верхней части восходящей ветви 1 и через вентиль 23 передается в отборник давления 7. Далее измеряемая жидкость опускается по нисходящей ветви 3, из внутренней части которой на уровне h через ввод 9 с вентилем 24 отбирается давление в отборник давления 7, который передает скомпенсированное давление по высоте h в «плюсовую» камеру датчика разности давления 10. На нисходящей ветви 3 измеряется абсолютное давление Р и передается в БОИ 32. Далее измеряемая жидкость опускается вниз, где отборник давления 6 через вентиль 16 также передает давление в плюсовую» камеру датчика разности давления 10, показания разности давлений ΔР, которого поступают на БОИ 32.
На выходе в нисходящей ветви 3 температура жидкости измеряется датчиком температуры 22, показания которого поступают в БОИ 32.
Устройство снабжено емкостью 18 с разделительной жидкостью, которая поддержаивает уровень жидкости в импульсных трубках 4 в случае испарения или протечек, что повышает точность измерения за счет стабильности этого уровня, влияющей на результаты измерений.
Повышение точности измерений достигается также за счет учета компенсации на трение при измерении давления, отбираемого через ввод 8 внутрь восходящей петли 1 и через ввод 9 внутрь нисходящей петли 3, соединенных с отборником давления 7 посредством трубок с вентилями 23 и 24 соответственно.
Кроме того, внутри восходящей петли 1 размещена трубка 25 длиной h, сообщаяемая с внешней атмосферной средой, которая предназначена для компенсации потерь на трение в восходящей и нисходящей петлях на уровне h.
Расходная плотность измеряемой жидкости рассчитывается по формуле:
где:
ж
3
р - расходная плотность измеряемой жидкости, кг/м,
2
g - ускорение свободного падения, м/сек,
h - высота столба жидкости, м,
ΔР - разность давления, измеренная датчиком 10, МПа,
жс
3
±Δρ - поправка на показания плотности измеряемой жидкости в статике, кг/м, устанавливается в процессе градуировки плотномера,
ж∂
3
±Δр - поправка на показания плотности измеряемой жидкости в динамике, кг/м, устанавливается в процессе градуировки плотномера,
tp
3
ρ- плотность разделительной жидкости в рабочих условиях, кг/м,
20p
3
ρ - плотность разделительной жидкости в стандартных условиях, кг/м, измеряется ариометром при стандартных условиях: температура -20 град. С, давление - 1,03 Мпа,
t
β - коэффициент объемного расширения разделительной жидкости, 1/град С, выбирается из справочника по жидкостям,
р
-1
К - коэффициент объемного сжатия разделительной жидкости, МПа, выбирается из справочника по жидкостям,
t - температура измеряемой жидкости, град С,
а
Р - абсолютное давление измеряемой жидкости, МПа.
Температура измеряемой жидкости определяется по формуле:
где:
t - температура измеряемой жидкости, град С,
- верхний предел измерения t, град С,
н
t - нижний предел измерения t, град С,
max
J - ток максимальный, мА,
изм
J - ток, измеряемый, мА,
min
J - ток минимальный, мА,
н
min
max
, t, J, J - значения берутся из паспортных данных на датчик температуры.
Определяется абсолютное давление измеряемой жидкости по формуле:
где:
а
Р - абсолютное давление измеряемой жидкости, МПа,
- верхний предел измерения тока, мА,
н
J - нижний предел измерения тока, мА,
изм
J - ток, измеряемый, мА,
- верхний предел измерения давления, МПа,
н
Р - нижний предел измерения давления, МПа,
н
н
, J, , Р - значения берутся из паспортных данных на датчик давления.
Расходное содержание воды в нефтесодержащей жидкости после сепарации газа определяется по формуле:
где:
i
W - расходное содержание воды в нефтесодержащей жидкости, доля,
3
- плотность воды, кг/м, значение берется из данных геологической службы,
н
3
ρ - плотность нефти, кг/м, значение берется из данных геологической службы,
см
3
ρ - плотность смеси, кг/м, измеряется.
Текущая обводненность нефтяной скважины определяется по формуле:
где:
W - текущая обводненность нефтяной скважины, %,
i
W - расходное содержание воды в нефтесодержащей жидкости, доля.
Остаточное объемное содержание газа в газожидкостной смеси определяется по формуле:
где:
3
3
ϕ - остаточное объемное содержание газа в газожидкостной смеси, м/м,
см
3
ρ - плотность смеси, кг/м, измеряется,
н
3
ρ - плотность нефти, кг/м, значение берется из данных геологической службы,
3
- плотность воды, кг/м, значение берется из данных геологической службы.
Учет компенсации потерь на трение на восходящей и нисходящей петлях за счет применения встроенной трубки на высоте h снижает погрешность в измерениях и обеспечивает повышение точности измерения параметров измеряемой жидкости.
Упрощение конструкции обусловлено наличием одного датчика разности давления и применением тройников для соединения измерительной колонки с трубопроводом, снабженных кранами для перекрытия потока.
Такая конструкция обеспечивает удобство в эксплуатации, так как не требуется остановка потока при снятии плотномера на поверку, при этом путем перекрытия кранов 26 и 27 и открытия крана 30 обеспечивается направление потока Q по трубопроводу, минуя измерительную колонку.
Источники информации:
1. Плотномер для жидких сред. Авт. свид. СССР №1325328, опубл. Бюл. №27,23.07.1987 г.
2. Плотномер жидких или газообразных сред. Пат. РФ №67263, G01N 9/26, приор. 24.05.2007 г., опубл. 10.10.2007 г., Бюл. №28.
3. Устройство для измерения параметров маловязких и вязких текучих сред в трубопроводе. Пат. РФ №164946, приор. 09.06.2016, опубл. 27.09.2016, Бюл. №27.
4. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.