Способ измерения расхода газожидкостного потока
METHOD FOR MEASURING THE FLOW RATE OF GAS-LIQUID FLOW

Предложенный способ измерения расхода газожидкостного потока относится к области изменения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности.
Известны способы измерения расхода газожидкостного потока, в которых используются различные методы покомпонентного измерения газожидкостной среды (ГЖС). В известных решениях определение и измерение расходов компонентов смеси основываются на идентификации компонентов путем использования различных их физических свойств. Например, таких физических свойств как различный отклик на пропускаемую через измеряемый поток электромагнитную энергию СВЧ-диапазона (RU 2269765 С, 10.02.2004); или различный отклик компонентов на пропускаемые вдоль потока ультразвуковые акустические волны с использованием эффекта (Кокуев А.Г., Сорин А.В. Устройство для измерения расхода многофазного потока, Вестник Астраханского государственного технологического университета, сер. Управление, вычисл. техн. информ. 2015, №1, стр. 7-14); или неодинаковый отклик на проходящий поперек потока лазерный луч на основе оптико-акустического эффекта (Васильев Т.Р., Конкуев А.Г. Прибор для измерения расхода многофазного потока на основе опто-акустического эффекта, Вестник Дагестанского технического университета 2016, том 43, выпуск 4, стр. 34-41).
Примененные в них идентифицирующие параметры оптический, акустическая плотность, длинные волны, испускаемые из разных источников, отклик на ядерно-магнитный резонанс требуют сложную аппаратурную оснастку и тонкую избирательность. Это усложняет систему измерения.
Известны тепловые методы, к достоинствам которых, наряду с другими достоинствами, можно отнести высокую чувствительность в области низких расходов (возможность измерения расходов в трубах малого диаметра). В этих расходомерах используются такие тепловые методы измерения, как метод теплового пограничного слоя, термоанемометрический метод, калометрический и меточный тепловой метод (динамический).
Известный бесконтактный тепловой меточный способ измерения расхода газожидкостных потоков, реализованный в расходомере и принятый нами за прототип, состоит в последовательном измерении теплового пограничного слоя и измерении меточным методом скорости потока. Измеряется две величины: ΔT - разность температур стенок патрубка до и после нагревателя в точках установки термопреобразователей и τ - время прихода тепловой метки к термопреобразователю за теплонагревателем. При измерении ΔТ в поток нагревателем постоянно вводится тепло. При измерении скорости движения метки в поток вводится кратковременный тепловой импульс. По совокупности этих измерений исчисляются величины газа и жидкости. (Д.Д. Булкин, Г.А. Соколов. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков/ж. Датчики и системы. Sensors & Systems • №12. 2008).
Недостатком известного способа является сложный последовательный двухступенчатый процесс нагревания контролируемого газожидкостного потока с завышенной затратой энергии на непрерывное нагревание при измерении разности температур ΔT.
Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения расхода многокомпонентного газожидкостного потока при использовании единого простого теплового параметра идентификации компонента.
Технический результат достигается тем, что способ измерения расхода газожидкостного потока заключается в том, что пропускают поток через проточный продольный щелеобразный корпус с входом, подают на входе импульс теплового заряда, продвигают с потоком через корпус нагретые одновременно до разных температур компоненты, измеряют скорость потока по времени прохождения через корпус теплового заряда, снимают тепловизором термограмму тепловой метки, перемещающейся с потоком, вычисляют доли масс компонентов и общий расход.
На фиг. 1 представлена схема измерения.
1
2
3
На фиг. 2 показаны уровни Т, Т, Т приобретаемых компонентами температур.
уч
На схеме измерения (фиг. 1) показаны: корпус 1 с входным парубком 2, выходным патрубком 3 и прямоугольным щелеобразным измерительным участком 4, инфракрасный импульсный нагреватель 5, прямоугольный конус 6 и тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации 7 по матрице 8, тепловая метка длиной L, 10 - единичный объем W=b*b*h, h - ширина измерительного участка длиной L и высотой Н.
Массовый расход компонентов в смеси определяется следующим образом.
Поток проходит через входной патрубок 2 (фиг. 1), по корпусу 1, содержащему измерительный участок 4, к выходному патрубку 3. Во входном патрубке 2 поток равномерно по всему сечению нагревается в течение времени Δt инфракрасным импульсным нагревателем 5, охватывающим входной патрубок. Поскольку скорости зарядов компонентов различны из-за различных величин их общих теплоемкостей С, то за заданное время Δt заряда каждый компонент нагревается до различной температуры Тк (фиг. 2) в зависимости от их удельных теплоемкостей «с», масс «m» и заданного времени их нагрева Δt, т.е.
Поступившие в измерительный участок 4 компоненты, например: вода, нефть и газ, нагретые до своих разных температур Тв, Тн и Тг, распределяются по продольной плоскости измерительного участка, контактируют с его стенкой и создают в ней местные области нагретые до этих разных температур, термограмма которых показана на фиг. 1 с клеткой, соответствующей матрице тепловизора. Детектор тепловизора получает инфракрасное излучение и преобразовывает его в электрический сигнал. Тепловизор с вычислительным комплексом 7 по ячейкам активизированной части матрицы (клеткам) 8 (фиг. 1) измеряет температуры в единичных объемах W.
к
в
в
н
г
в
к
Образуются области с разными температурами. По количеству клеток с равными температурами вычисляются размеры областей (площадей) термограммы каждого компонента. По соотношениям этих равнотемпературных площадей определяются доли α масс Мк компонентов в общей массе М потока (α=Мк/М). Например, суммарные площади с температурой Воды определяют долю воды α в общей площади тепловой метки L*H при сохранении закона постоянной массы по сечению измерительного участка или тепловой метки в виде формулы 1=α+α+α и тогда α=Мв/М. Аналогично определяется коэффициент α других компонентов.
y
к
При изменении скорости V газожидкостного потока изменяется при неизменном времени нагрева Δt длина L нагретой зоны потока = длина тепловой метки (фиг. 1). Скоростью V, измеренной временем τ пробега тепловой меткой продольной длины L=V/τ измерительного участка 4, корректируют измеренную тепловизором температуру массы в единичном объеме W. Вычислительный комплекс тепловизора 7 определяет общую массу М всех компонентов и отдельно массы М компонентов по долям α в соответствии с размерами их площадей на теплограмме измерительного участка 4.
Идентификация компонента по величине присущей ему температуры выполняется вычислителем путем сравнения измеренных температур с уставками, полученными при пусковой настройке измерения смеси конкретных компонентов в соответствии с плотностью ρ и удельной теплоемкостью с
вода
нефть
p
газ
компонентов: (ρс=4,2*1009); (ρс=2,1*900); (ρс=1,4*1,29).
к
к
к
к
к
Измененная длина L тепловой метки 9, заполненной ячейками матрицы вычислительного комплекса 7 тепловизора, соизмеряется со скорректированной по скорости V потока площадью L3*h с температурой компонента, приобретенной им при его нагреве одним импульсом теплового заряда. В соответствии с уравнением (1) масса m в единичном объеме W=h*b*b (фиг. 1) каждого компонента с учетом скорректированной температуры равна m=ρW=TV/К1⋅c⋅Δt. Размеры b*b определяются ячейкой матрицы 10 в тепловизоре.
к
1
к
к
як
Скорректированная по скорости V температура каждого компонента T=КρWcΔt/V на измерительном участке 4 преобразуется в тепловизоре 7 в каждой ячейке матрицы в электрический сигнал Е:
як
2
к
2
1
к
к
Е=КТ=ККρWcΔt/V. где К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности.
як
И общая масса М всех компонентов вычислительным в тепловизоре комплексом 7 определяется как сумма Е электрических сигналов всех ячеек активированной части матрицы
к
в
н
г
Раздельно массы компонентов подсчитываются как Мк=αМ. Например для газожидкостного потока воды, нефти и газа: Мв=αМ, Мн=αМ, Мг=αМ.
Предложенный способ обеспечивает бесконтактное измерение расхода многокомпонентной газожидкостной среды, за счет использования единого простого температурного параметра идентификации компонента, позволяющего упростить процедуру измерения.