УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОВЫХ ПОТОКОВ, СОДЕРЖАЩИХ КАПЕЛЬНУЮ ФАЗУ
APPARATUS FOR MEASURING FLOW RATE OF GAS STREAMS CONTAINING DROPLET PHASE

Изобретение относится к расходометрии и может быть использовано для измерения расхода газовых потоков в трубопроводах, содержащих капельную фазу.
Одной из проблем расходометрии при измерении расходов газовых потоков, например, в нефтедобыче и/или нефтепереработке по определению скорости потока с применением термоанемометров или трубок Пито является тот факт, что наличие капельной фазы (жидкой фазы в виде совокупности капель малого размера) искажает результаты измерений. В то же время капельная фаза является компонентом, часто присутствующим в потоке газа на нефтеперерабатывающих предприятиях.
Известно устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, по патенту США №4545260, МПК 4 G01F 1/46, 1985 г., основанное на использовании трубки Пито и специальных средств, исключающих влияние капельной фазы на процесс измерения расхода потока газа. Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности получения качественной и количественной информации о капельной фазе, в частности о ее расходе.
В качестве ближайшего аналога выбрано устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, по патенту США №4320665, МПК 3 G01F 1/46, 1982 г. Указанное устройство включает трубку Пито, измеряющую дифференциальное давление - разность между динамическим и статическим давлением среды в трубопроводе. Кроме того, каждый канал трубки Пито снабжен ультразвуковым (УЗ) приемопередатчиком для генерации УЗ-волн, распространяющихся в каналах трубки Пито, и для приема отраженных от возмущений среды УЗ-волн. Приемопередатчики УЗ-волн связаны с дифференциальным датчиком давления и измерительным блоком.
Для определения фазового состояния потока и, соответственно, для повышения точности определения его расхода поток газа, содержащий капельную фазу, зондируется УЗ-волнами. При этом используется эффект различного отражения ультразвуковой волны от среды на торцах трубки Пито в зависимости от того, будет ли поток представлять собой однородную газовую среду или будет содержать дополнительную компоненту - капельную фазу. При присутствии в потоке двух различных фаз возникает граница раздела фаз, на которой и происходит отражение УЗ-волн.
Недостатком устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, является невысокая точность определения расхода газового потока и сложность количественного определения капельной фазы.
Указанные недостатки объясняется, в первую очередь, трудностью формирования в металлическом канале трубки Пито (реальный диаметр которой составляет в большинстве случаев 3-5 мм) направленной ультразвуковой волны, достаточной для измерения мощности из-за большого коэффициента поглощения УЗ-волны стенками канала, и практической невозможностью интерпретации выходного сигнала УЗ-преобразователя, позволяющей осуществить количественный анализ капельной компоненты газового потока.
Кроме того, в указанном устройстве высока вероятность блокирования входного отверстия трубки Пито частицами капельной фазы, что приводит, как следствие, к невозможности дальнейшего измерения расхода потока.
Задача, решаемая изобретением, - создание устройства, позволяющего с высокой точностью определять расход газового потока, содержащего капельную фазу, и количественно измерять содержание капельной фазы.
Указанная задача решается тем, что устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, включающее трубку Пито с измерительным узлом, дополнительно снабжено термоанемометром с измерительным узлом, устройством определения химического состава газового потока и блоком обработки информации, при этом измерительный узел трубки Пито выполнен в виде калориметрического расходомера, подсоединенного к блоку обработки информации, к которому также подключен измерительный узел термоанемометра, а устройство определения химического состава газового потока состоит из пробоотборника и анализатора химического состава газового потока, подсоединенного к блоку обработки информации.
В варианте технического решения на боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока, выполнены отверстия для забора газа.
В варианте технического решения отверстия для забора газа расположены вдоль образующей боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока.
В варианте технического решения анализатор химического состава газового потока выполнен в виде квадрупольного масс-спектрометра.
В варианте технического решения анализатор химического состава газового потока выполнен в виде хроматографа.
В варианте технического решения анализатор химического состава газового потока выполнен в виде инфракрасного спектрометра.
Сущность заявляемого технического решения состоит в использовании для измерения расхода газового потока, содержащего капельную фазу, трубки Пито для измерения расхода основной компоненты потока - газа, но без учета потенциального содержания дополнительной компоненты - капельной фазы, термоанемометра для измерения суммарного расхода потока - газа вместе с капельной фазой, при этом выходной сигнал термоанемометра несет качественную информацию о присутствии в потоке капельной фазы, и средств определения химического состава потока. Комбинация этих трех измерительных средств позволяет определить величину расхода, соответствующую присутствию в основном потоке газа дополнительной компоненты - капельной фазы.
Изобретение иллюстрируется чертежом.
На фиг.1 схематически изображено заявляемое устройство.
Устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, включает трубку Пито 1 с измерительным узлом 2, термоанемометр, состоящий из первичного датчика 3 и измерительного узла 4, устройство определения химического состава газового потока, состоящее из пробоотборника 5 и анализатора химического состава газового потока 6, и блок обработки информации 7. Трубка Пито 1, датчик 3 и пробоотборник 5 размещены в трубопроводе 8, по которому проходит газовый поток. Измерительные узлы 2 и 4 и анализатор 6 связаны с блоком обработки информации 7.
На боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока, вдоль ее образующей, выполнены отверстия 9 для забора газа. Такое конструктивное решение, в противоположность стандартному подходу, когда забор газа из трубопровода производится через торец трубки Пито и не исключена вероятность закупорки торца трубки Пито кластерами капельной фазы, обеспечивает поступление газа к измерительному узлу 2 трубки Пито даже при наличии в газовом потоке достаточно крупных по размеру кластеров капельной фазы.
Измерительный узел 2 трубки Пито выполнен в виде калориметрического расходомера. Расходомер такого типа (см., например, патент США №3443434, НКИ 73-202, 1969 г.; патент США №3613448, НКИ 73-205R, 1971 г.) содержит секцию 10, выполненную в виде трубы из электро- и теплопроводящего материала (металла) и соединенную с рабочими сторонами трубки Пито, обращенными против течения потока и по течению потока. На концах секции, с внешней ее стороны расположены по ходу потока проходящего через секцию 10 газа терморезисторы 11 и 12, а в центральной части секции размещен - также с внешней стороны секции 10 - нагреватель 13, при этом нагреватель 13 может быть размещен точно в середине расстояния между терморезисторами 11 и 12 или несколько смещен в сторону терморезистора 11.
Терморезисторы 11 и 12 включены в два плеча мостовой схемы 14 калориметрического расходомера, в другие плечи которой включены образцовые сопротивления. В диагональ мостовой схемы 14 включен токоизмерительный прибор.
Первичный датчик 3 термоанемометра содержит активный элемент (нагреваемый терморезистор) 15 и пассивный элемент (не нагреваемый терморезистор) 16, которые размещены в корпусах и находятся в трубопроводе. Выводы терморезисторов 15 и 16 подключены к измерительному узлу 4, представляющему собой мостовую схему. Терморезисторы 15 и 16 включены в два плеча мостовой схемы, в другие плечи которой включены образцовые сопротивления. В диагональ мостовой схемы включен токоизмерительный прибор.
Пробоотборник, входящий в состав устройства определения химического состава газового потока, размещается в трубопроводе 8.
Анализатор химического состава газового потока 6 может быть выполнен, например, в виде квадрупольного масс-спектрометра, хроматографа или инфракрасного спектрометра.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Проходящий по трубопроводу 8 поток газа через отверстия 9 поступает на рабочую сторону трубки Пито и далее - в секцию 10 калориметрического расходомера. Капли жидкости, находящиеся в потоке газа (капельная фаза), ввиду малых размеров не попадают в каналы трубки Пито.
1
2
2
1
1
2
3
2
1
Терморезистор 11 регистрирует T - температуру потока на входе в секцию 10. Далее проходящий по секции 10 поток нагревается нагревателем 13 и терморезистор 12 фиксирует Т - температуру потока на выходе из секции 10, причем Т > T. Соответственно, токоизмерительный прибор в диагонали мостовой схемы 14 покажет увеличение сигнала на некоторую величину ΔI (либо от нуля до некоторого значения I - при расположении нагревателя 13 точно в центре секции 10 и балансе мостовой схемы, либо от некоторой величины I до I - при смещении нагревателя 13 в сторону входа секции и, соответственно, разбалансе мостовой схемы 14). Величина ΔI пропорциональная разности температур (Т-T), которая является мерой скорости (и соответственно) расхода потока. В блоке обработки информации 7 по поступающим с мостовой схемы 14 данным рассчитывается расход потока газа (без учета капельной фазы), измеряемого калориметрическим расходомером при помощи трубки Пито.
Одновременно пробоотборник 6 отбирает из потока газа пробу и передает ее в анализатор 6, который определяет химический состав потока газа. Из анализатора 6 информация передается в блок 7.
Термоанемометр измеряет суммарный расход потока, проходящего по трубопроводу 8. Принцип определения расхода основан на измерении скорости потока по зависимости между скоростью потока и теплоотдачей нагреваемого электрическим током терморезистора. Сопротивление нагретого терморезистора в процессе теплообмена с набегающим потоком изменяется, сопротивление не нагреваемого терморезистора остается постоянным. Мостовая схема 4 термоанемометра балансируется при скорости потока, равной нулю. Включенный в диагональ мостовой схемы токоизмерительный прибор фиксирует сигнал, являющийся мерой скорости суммарного потока.
Следует отметить, что теплопроводность жидкости (капельной фазы) значительно превышает теплопроводность газа и выходной сигнал термоанемометра вследствие этого не несет непосредственной информации о расходе суммарного потока в трубопроводе (газа и капельной фазы). Поэтому для корректного вычисления расхода суммарного потока и определения содержания в нем капельной фазы необходимо определить химический состав потока. С этой целью в блок обработки информации 7 поступают данные о расходе потока газа (без учета капельной фазы), измеренные с помощью калориметрического расходомера, значение выходного сигнала термоанемометра и данные о химическом составе потока, определенные с помощью анализатора 6.
В блоке 7 из величины выходного сигнала термоанемометра, пропорциональной нескорректированому суммарному расходу потока газа в трубопроводе, вычитается величина выходного сигнала калориметрического расходомера. Наличие разностного сигнала дает качественную информацию, свидетельствуя о присутствии в трубопроводе капельной фазы. Далее блок 7 с учетом информации о химическом составе среды в трубопроводе корректирует разностный сигнал и с высокой степенью точности рассчитывает расход потока газа и количественное содержание в газовом потоке капельной фазы.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет при достаточно простой реализации с высокой степенью точности определить расход газового потока и содержание в нем капельной фазы.