СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ЖИДКОСТИ ИЗ ТРУБОПРОВОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
SAMPLING METHOD OF FLUID FROM PIPELINE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения параметров перекачиваемой по трубопроводам жидкости.
Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода, при котором в трубопроводе размещают пробозаборный элемент в виде системы из 5-ти трубок с входом (система пробозаборных отверстий), отверстия которого расположены по диаметру трубопровода и удалены друг от друга на 0.2 диаметра трубопровода, при этом вход в среднюю трубку расположен по центру трубопровода, а диаметры трубок от центра к периферии находятся в соотношении 6:10:13, отбор и объединение проб [1].
Известно устройство для реализации данного способа, при котором в трубопроводе размещают пробозаборный элемент для отбора пробы в виде системы из 5-ти трубок с входом в пробозаборные отверстия, отверстия которого расположены по диаметру трубопровода и удалены друг от друга на 0.2 диаметра трубопровода, при этом вход в среднюю трубку расположен по центру трубопровода, а диаметры трубок от центра к периферии находятся в соотношении 6:10:13 [2].
Недостаток известных техники и технологий отбора проб - нарушение динамики отбора проб, когда поток неоднородный, как следствие, низкая представительность пробы. При транспортировке по трубопроводу расслоенного на фазы потока, отбор пробы трубками, которые погружены в различные фазы потока, происходит пропорционально вязкости каждой из фаз. Отсутствие при этом смешения проб от трубок приводит к не пропорциональному отбору пробы относительно расхода потока на уровнях отбора. Поэтому проба, отбираемая известной техникой отбора пробы, характеризуется низкой представительностью.
Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода, при котором производят размещение на трубопроводе пробозаборного элемента из одной трубки с входом в виде пробозаборных отверстий на боковой поверхности, обращенным навстречу потоку, отбор пробы с заданным расходом и со скоростью, равной скорости потока в трубопроводе или отличающейся от нее в два раза [3] (прототип способа).
Известно устройство для реализации данного способа, включающее пробозаборный элемент из одной трубки с входом в пробозаборное отверстие в виде пробозаборных отверстий на боковой поверхности, установленный в трубопроводе, обращенным навстречу потоку [4] (прототип устройства).
Недостаток данных технологии и техники отбора проб - пробозаборный элемент с пробозаборным отверстием на боковой поверхности оказывает большое сопротивление потоку. При этом изменяется распределение поля скоростей потока перед пробозаборным элементом, а выполнение требования равенства скоростей пробы на входе в пробозаборное отверстие и потока необходимо рассматривать с учетом измененного распределения поля скоростей потока перед пробозаборных отверстием. Кроме того, выполнение пробозаборного отверстия на боковой стенке пробозаборного элемента приводит к сжатию пробы на входе и, вследствие этого, к дополнительной потере напора при отборе пробы. Потеря напора отрицательно влияет на работу насоса, если его применяют для создания избыточного давления, необходимого для отбора пробы - требуется дополнительный перепад давления на пробозаборном элементе для обеспечения требуемого расхода пробы и насос оказывается перегружен. В результате не обеспечивается не только необходимый скоростной режим отбора пробы, но и нормальный режим работы насоса, при помощи которого отбирают пробу, вплоть до нарушения процедуры отбора пробы или преждевременного выхода насоса из строя.
Техническим результатом данного изобретения является восстановление соответствия между скоростью отбора пробы при помощи пробозаборного элемента и скоростью потока вблизи боковой поверхности пробозаборного элемента для отбора представительной пробы, а также устранение перегрузки насоса, создающего избыточный перепад давления на пробозаборном элементе при отборе пробы.
Для достижения технического результата в способе отбора проб жидкости из трубопровода, при котором осуществляют размещение в трубопроводе пробозаборного элемента с пробозаборным отверстием, дискретного, непрерывного на боковой поверхности, ориентированного (-ых) навстречу потоку трубопровода, отбор пробы через вход с заданным расходом, согласно изобретению проход пробозаборного отверстия увеличивают на коэффициент, обратно пропорциональный 0,6-1, а отбор пробы из потока в трубопроводе осуществляют со средней скоростью, пропорциональной средней скорости потока в трубопроводе с коэффициентом пропорциональности из интервала 0,6-1; при этом отбор пробы со средней скоростью, пропорциональной коэффициенту расхода пробозаборного отверстия, является оптимальным (коэффициенту сжатия струи пробы при входе в пробозаборное отверстие), является оптимальным.
вx
щ
c
вx
щ
c
При отборе пробы со скоростью (далее всегда имеется ввиду под скоростью средняя скорость) при входе в пробозаборное отверстие, равной скорости потока в трубопроводе, происходит сжатие пробы, которое оказывает влияние на распределение поля скоростей отбираемой пробы перед пробозаборным элементом 1, - см. фиг.1, - и формирует это распределение скоростей. Увеличивая ширину отверстия 2 и сохраняя при этом расход пробы, распределение поля скоростей в потоке отбираемой пробы перед пробозаборным элементом, проходящий через площадки S, S, S, не будет изменяться. Таким образом, оставляя неизменным расход отбора пробы и увеличивая отверстие до коэффициента, обратно пропорционального коэффициенту сжатия пробы (или коэффициента расхода исходного отверстия), увеличение ширины входа в пробозаборное отверстие 2 не будет влиять на распределение поля скоростей в потоке пробы, проходящую через площадки S, S, S, - см. фиг.2. Таким образом, осуществляя отбор пробы из условия сохранения расхода пробы и увеличивая ширину пробозаборного отверстия 2 на величину, не превосходящую максимального увеличения отверстия, - на коэффициент, обратно пропорциональный расходу пробозаборного отверстия, который лежит в интервале 0,6-1, - отбор пробы будет соответствовать требованию изокинетичности с учетом изменения поля скоростей потока вблизи пробозаборного элемента 1. Именно такую технологию отбора пробы обеспечивает заявляемый способ, а именно, когда пробу отбирают из потока в трубопроводе со средней скоростью, пропорциональной средней скорости потока в трубопроводе с коэффициентом пропорциональности из интервала 0,6-1.
Кроме того, при увеличение ширины пробозаборного отверстия снижает гидравлическое сопротивление пробозаборного элемента, при этом уменьшится перепад давления при отборе пробы на пробозаборном элементе. Таким образом, отбор пробы по заявляемому способу по сравнению с прототипом [3] обеспечит меньший перепад давления на пробозаборном элементе. При этом отбор пробы при максимальном увеличении ширины пробозаборного отверстия (в рамках заявленного интервала) обеспечит максимальное снижение гидравлического сопротивления пробозаборного элемента и будет оптимальным для снижения перепада давления, необходимого для отбора пробы и обеспечения изокинетичности с учетом измененного поля скоростей потока вблизи пробозаборного элемента. Благодаря осуществлению отличительных операций при отборе пробы по заявляемому способу, в отличие от прототипа [3], обеспечивается необходимый режим скорости отбора представительной пробы и более благоприятные условия для нормальной работы насоса, при помощи которого предполагается создавать избыточный перепад давления для отбора пробы.
Таким образом, осуществление перечисленных операций заявляемого способа позволит по сравнению со способом-прототипом [3] повысить представительность пробы.
Применение заявляемого способа позволит обеспечить необходимый скоростной режим отбора пробы, соответствующий отбору пробы высокой представительности, а также снизить потери напора и улучшить работу насоса, предназначенного для отбора пробы.
Для достижения технического результата при реализации заявляемого способа используют устройство, которое включает пробозаборный элемент, устанавливаемый по диаметру трубопровода с пробозаборным отверстием, ориентированным навстречу потоку в трубопроводе и выполненным на боковой поверхности пробозаборного элемента, согласно изобретению проход пробозаборного отверстия выполняют из условия, чтобы отбор пробы из потока в трубопроводе осуществлялся со средней скоростью, пропорциональной средней скорости потока в трубопроводе с коэффициентом пропорциональности из интервала 0,6-1 (или эквивалентного условия, при котором площадь пробозаборного отверстия выбирается равной площади живого сечения струи пробы).
Как установлено, при отборе пробы при помощи заявляемого устройства, пробозаборное отверстие для отбора пробы, в котором обращено навстречу потоку и выполнен на боковой поверхности пробозаборного элемента, обеспечивается соответствие средних скоростей потока в трубопроводе вблизи боковой поверхности пробозаборного элемента и потока пробы на входе в пробозаборное отверстие. Это достигается, когда пробозаборное отверстие выполняют из условия, чтобы отбор пробы из потока в трубопроводе осуществлялся со средней скоростью, пропорциональной средней скорости потока в трубопроводе с коэффициентом пропорциональности из интервала 0,6-1, - для чего площадь пробозаборного отверстия на коэффициент обратно пропорциональный 0,6-1 по сравнению с площадью пробозаборного отверстия для прототипа [4]. Такое увеличение площади пробозаборного отверстия в заявляемом устройстве уменьшает гидравлическое сопротивление пробозаборного элемента. Этим обеспечивается снижение как перепада давления при отборе пробы на пробозаборном элементе, так и нагрузка на насос, если его применяют для создания избыточного перепад давления для отбора пробы. При этом, когда площадь пробозаборное отверстие оказывается равной площади живого сечения струи пробы при ее входе в пробозаборное отверстие, - что выполняется, когда коэффициент пропорциональности отбора пробы будет равен или приближенно равен коэффициенту расхода пробозаборного отверстия (коэффициенту сжатия струи пробы), минимизируется погрешность соответствия (равенства) скорости потока в трубопроводе вблизи пробозаборного элемента со стороны входа и скорости отбора пробы на входе в пробозаборное отверстие, - это является оптимальным условием выполнения входа для заявляемого устройства. Таким образом, благодаря осуществлению перечисленных признаков заявляемого устройства, по сравнению с прототипом [4], достигается не только необходимое соответствие между средней скоростью пробы на входе в пробозаборный элемент и средней скоростью потока в трубопроводе, но и отбор пробы с меньшим перепадом давления. Благодаря этому при отборе пробы из трубопровода при помощи заявляемого устройства, в отличие от прототипа [4], обеспечивается необходимый режим скорости для отбора представительной пробы и более благоприятные условия для нормальной работы насоса, если при помощи него предполагается осуществлять отбор пробы.
В результате проба, полученная при помощи заявляемого устройства, будет более представительная, нежели проба, полученная при помощи устройства-прототипа [4], при более благоприятных условиях для насоса, которым могут создавать перепад давления на пробозаборном элементе при отборе пробы.
Таким образом, благодаря выполнению элементов заявляемого устройства из указанных условий будет осуществляться более представительной пробы заявляемым устройством при более благоприятных условиях для насоса, которым могут создавать перепад давления на пробозаборном элементе для отбора пробы (в отличие от устройства прототипа [4]).
Заявляемые способ отбора проб жидкости из трубопровода и устройство для его осуществления могут конкретно применяться, например, на нефтепромыслах - на коммерческих узлах учета нефти.
Заявляемый способ отбора проб жидкости из трубопровода осуществляется следующим образом.
В трубопроводе, по которому транспортируют жидкость, размещают пробозаборный элемент с пробозаборным отверстием на боковой поверхности в виде отверстия (-ий), ориентированного (-ых) навстречу потоку трубопровода, отбирают пробу через пробозаборное отверстие с заданным расходом со средней скоростью, пропорциональной средней скорости потока в трубопроводе с коэффициентом пропорциональности из интервала 0,6-1; при этом для минимизации погрешности между средней скоростью потока вблизи пробозаборного отверстия и средней скоростью пробы на входе в него пробу отбирают со средней скоростью, коэффициент пропорциональности для которой выбран равным или близким (расчетным) коэффициенту сжатия струи пробы при входе в пробозаборное отверстие (коэффициенту расхода пробозаборного отверстия); далее, пробу отправляют на анализ.
Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1-3.
На фиг.1 и 2 представлены линии тока жидкости в трубопроводе при обтекании потока пробозаборного элемента.
На фиг.3 представлен один из вариантов заявляемого устройства для отбора проб жидкости из трубопровода.
Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (фиг.1) включает пробозаборный элемент 1 с пробозаборным отверстием на боковой поверхности, ориентированным навстречу потоку в трубопроводе 3, дополнительный трубопровод 4, последовательно соединенный с пробозаборным элементом 1 и параллельно подключенный к трубопроводу 3, ручной пробоотборник 5, насос 6, манометры 7, пробоприемник 8, расходомер 9.
Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (фиг.1) предназначено для отбора проб: пробозаборный элемент 1 служит для отбора части потока трубопровода под воздействием избыточного давления, создаваемым насосом 6; ручной пробоотборник 5 - для отбора пробы в пробоприемник 8 ручным способом из части потока трубопровода 3, прокачиваемого через пробозаборный элемент 1 и последовательно соединенный с ним дополнительный трубопровод 4; манометры 7 - для контроля перепада давления, создаваемого насосом 6 при отборе пробы из трубопровода 3 через пробозаборный элемент 1, расходомер 9 - для контроля расхода и скорости отбираемой пробы через пробозаборный элемент 1.
Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (фиг.1) работает следующим образом.
При транспортировке потока по трубопроводу 3 часть его под воздействием избыточного давления, создаваемого насосом 6, поступает через пробозаборный элемент 1 в дополнительный трубопровод 4, при этом расход и скорость отбора пробы контролируется при помощи расходомера 9; изменение перепада давления контролируют при помощи манометров 7; из дополнительного трубопровода 4 пробу отбирают при помощи ручного пробоотборника 5 в пробоприемник 8.
Для испытаний было использовано устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (фиг.3) с приводимыми ниже параметрами.
2
3
3
Диаметр трубопровода 3 - 508 мм, устройство-прототип [4] было рассчитано по патенту [5], с пробозаборным отверстием, представляющим собой пять щелевых отверстий на боковой поверхности с площадью входа 642 мм. Заявляемое устройство было аналогично прототипу [4] с разницей в площади, а именно вход в пробозаборное отверстие был пропорционально увеличен согласно патента [6] на коэффициент, обратный коэффициенту k=0,6-1, - см. таблицу. Значение коэффициента k=0,6-0,76 соответствует расчетному, который равен коэффициенту сжатия струи пробы [8] и принят для расчета оптимальной площади входа заявляемого устройства при реализации заявляемого способа. Жидкость в трубопроводе 3 представляла нефть с содержанием воды 0,09-0,18% об. Вязкость безводной нефти при 20°С составляла 4 сСт. Расход потока в трубопроводе 3 составлял 273,63 м/час, расход пробы через пробозаборное устройство составлял в обоих случаях (заявляемой и прототип техники отбора пробы) 0,92 м/час.
Сравнительные испытания заявляемых способа и устройства отбора проб жидкости из трубопровода были проведены с использованием способа отбора проб [3] и устройства отбора проб [4], - данные также сведены в таблицу.
Данные сравнительных испытаний таблицы подтверждают, что перепад давления при отборе пробы снизился от 6 до 40% по заявляемому способу, качество пробы повысилось, при этом для оптимального значения площади входа потери давления в дополнительном трубопроводе 4 (фиг.3), сократились приблизительно на 28%. Таким образом, данные экспериментов свидетельствуют о преимуществе заявляемых техники отбора пробы по сравнению с прототипом [4], - снижение потерь давления позволят уменьшить нагрузку на насос и потери электроэнергии, - если насос предполагается применять для создания избыточного давления при отборе пробы, - а приведение скорости отбора пробы через пробозаборное отверстие в соответствие со скоростью потока вблизи входа в пробозаборный элемент - обеспечить высокое качество пробы.
Заявляемый способ отбора проб и устройство для его осуществления промышленно применимы - необходимое изменение площади входа пробозаборных элементов могут быть проведены силами производственников, обслуживающих пробозаборные устройства и обеспечивающих и контролирующих технологию отбора пробы.
№ эксперимента
Значение коэффициента пропорциональности отбора пробы по заявляемому способу / площади заявляемого устройства, мм<sup>2</sup>
Исх. содержание воды в потоке в трубопроводе, % об.
Содержание воды, % об., в пробе, отобранной по способу
Заявляемые способ и устройство
Прототип [4]
1
0,95 / 676
0,12
0,15
0,15
2
0,85 / 755
0,09
0,11
0,13
3
0,74/ 868
0,18
0,18
0,21
4
0,70/ 917
0,12
0,11
0,15
5
0,64/1003
0,15
0,14
0,18
6
0,60/ 1070
0,12
0,10
0,15
Примечание - в экспериментах перепад давления при отборе пробы на пробозаборном элементе по заявляемой технологии снизился от 6 до 40% (возрастание в соответствие с ростом номера эксперимента).
Источники информации
1. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85, черт.15.
2. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85, черт.15.
3. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85 с изменением №1, черт.15б).
4. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85 с изменением №1, черт.15б).
5. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, патент №2141105, MПК G01N 1/10.
6. Способ отбора проб жидкости из трубопровода и устройство для его осуществления, патент №2144179, МПК G01N 1/10.