СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДОВ ФАЗ ДВУХФАЗНОЙ СМЕСИ В ТРУБОПРОВОДЕ
METHOD OF DETERMINING FLOW RATE OF PHASES OF TWO-PHASE MIXTURE IN PIPELINE

Изобретение относится к измерениям параметров многофазных смесей при их транспортировке по трубопроводам.
Измерение параметров течения многофазной среды представляет большой интерес для оптимизации транспорта флюидов. Обычно процесс измерения расходов фаз осложнен отсутствием информации о структуре течения, форме межфазной границы, чувствительностью плотностей к перепадам давления и другими факторами.
Известны различные способы измерения параметров флюидов в трубопроводе. В патенте GB 2422016 описан способ визуального определения параметров многофазного течения. Другая серия патентов рассматривает расходомеры, собранные из измерителя давления и оптических датчиков, установленных в специальных точках трубы (см., например, ЕР 0684450, СА 2573665, WO 2012101139). Упомянутые изобретения основываются на предположении о стационарности течения внутри сегмента трубы. Однако часто в многофазных течениях наблюдаются пульсация расходов. Известно несколько подходов для стабилизации многофазных течений. В патенте ЕР 1348065 предлагается подавлять осцилляции наряду с измерением расходов многофазного течения и компьютерным моделированием.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в обеспечении возможности точного измерения расходов фаз двухфазной смеси в трубопроводе без установки каких-либо устройств внутри трубопровода. Кроме того, предлагаемый способ обеспечивает надежность и экономичность определения расходов фаз, поскольку для реализации способа необходимо только точное измерение временных периодов и объема жидкости.
Для достижения указанного технического результата в трубопроводе формируют нестационарный импульсный режим течения многофазной смеси, обеспечивающий на выходе трубопровода пульсирующие выплески жидкой фазы. После установления импульсного режима течения на выходе трубопровода измеряют параметры выплесков жидкой фазы и на основе измеренных параметров выплесков жидкой фазы определяют расходы фаз.
Импульсный режим течения в трубопроводе может быть обеспечен путем установки на выходе трубопровода дополнительной трубы, состоящей по меньшей мере из одного наклонного сегмента, угол наклона которого обеспечивает формирование нестационарного импульсного режима течения. Угол наклона сегмента может составлять от 5 до 70 градусов. Дополнительно может осуществляться регулирование давления в дополнительной трубе.
Для регулирования давления к дополнительной трубе между выходом трубопровода и наклонным сегментом может быть подключен резервуар для накопления газовой фазы, расположенный над трубой и выполненный с возможностью изменения его объема.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема устройства, а на фиг. 2 приведены расходы воды на выходе из устройства для двух экспериментов.
Предлагаемый способ измерения расходов фаз двухфазной смеси при стационарном течении в трубопроводе основан на формировании в трубопроводе специального импульсного режима течения, измерении параметров импульсов и интерпретации этих измерений с целью получения значений расходов. Требуемый импульсный режим представляет собой такое течение, в котором на выходе из трубопровода наблюдаются периодические выплески одной из фаз. Такое течение может возникать в трубопроводе, где имеются нисходящие и восходящие колена, и называется пробковый, т.к. связан с периодическим перекрытием просвета трубы жидкой тяжелой фазой в нижних точках трубопровода. Пробковое течение также может возникать и в окологоризонтальных непрофилированных трубопроводах, однако в этом случае физический механизм возникновения такого режима иной, и он связан с развитием неустойчивости границы раздела стратифицированного течения.
Для формирования периодического течения необходимо, чтобы одна из фаз была достаточно сжимаема (обычно это газ). В результате образования пробки тяжелой фазы легкая сжимаемая фаза накапливается перед ней, а затем выталкивает ее. При этом на выходе из трубы формируются периодические выплески тяжелой фазы. Примеры такого рода течений известны из экспериментов и моделирования, см., например, Malekzadeh, R., Henkes, R.A. W.М., Mudde, R.F., Severe Slugging in Large-Scale Pipeline-Riser Systems: Experiments and Modelling. Int. J. of Multiphase Flow, 2012, 46, 32-37, или Osiptsov, A.A., Sinkov, K.F., Spesivtsev, P.E., Justification of the drift-flux model for two-phase flow in a circular pipe. Fluid Dynamics, 2014, 49(5), 614-626.
Способ может быть осуществлен следующим образом.
Как показано на фиг. 1, для формирования в трубопроводе нестационарного импульсного режима течения двухфазной смеси, обеспечивающего на выходе трубопровода пульсирующие выплески жидкой фазы, на конец трубопровода устанавливают устройство, представляющее собой дополнительную трубу 1, содержащую по меньшей мере один наклонный сегмент. Общая длина трубы 1 может составлять несколько метров. Сегменты наклонены таким образом, чтобы трансформировать входящее в трубу стационарное течение в нестационарное импульсное. Углы наклона сегментов трубы могут варьироваться от 5 до 70 градусов и зависят от свойств фаз. Вне этого диапазона углов наклона не всегда возможно получить требуемый пробковый режим течения. Конфигурацию трубы определяют исходя из свойств жидкой фазы таким образом, чтобы сформировать устойчивое импульсное течение.
Дополнительная труба 1 может быть снабжена резервуаром 2, в который встроен регулятор объема 3. Выходной конец дополнительной трубы 4 открыт в пространство с постоянным давлением (например, атмосферным).
В результате течения многофазной смеси по дополнительной трубе 1 на выходе 4 должно сформироваться периодическое пульсирующее течение с выплесками жидкой фазы. Примеры такого течения показаны на Фиг. 2. Жидкая фаза выходит пульсами, характеристики которых подлежат измерению.
-6
-4
-1
На следующем этапе необходимо дождаться установления нестационарного импульсного режима течения (примерно 150 секунд). Измерения начинают только после того, как возмущения, вызванные установкой устройства, затухнут и установится пульсирующий характер течения на выходе трубопровода. Появление пульсирующего характера течения на выходе трубопровода напрямую зависит от наличия достаточно сжимаемой фазы в многофазной смеси (сжимаемость порядка 10-10 Ра). Таким образом устройство может быть использовано для определения расходов фаз смеси.
Для достижения устойчивого пульсирующего характера течения смеси к дополнительной трубе 1 между выходом трубопровода и наклонным сегментом (или первым наклонным сегментом, если их несколько) может быть подключен расположенный над трубой резервуар 2, предназначенный для накопления газовой фазы (фиг. 1). Резервуар 2 представляет собой емкость с максимальным объемом порядка объема подсоединенной к выходу трубопровода дополнительной трубы и имеет встроенный регулятор объема 3, в качестве которого может использоваться, например, поршень. Варьирование объема резервуара 2 позволяет контролировать давление газа и тем самым управлять давлением в дополнительной трубе: давление поднимается тем медленнее, чем больше установленный объем резервуара 2. Давление в свою очередь влияет на частоту выплесков жидкой фазы.
Затем осуществляют измерения параметров выплесков (пульсов) жидкой фазы на выходе. Измерять можно все возможные характеристики, например: длительность периода выплеска, объем и массу флюида, выходящего за период, давление т.д. Для измерения объема и массы жидкой фазы ее можно собрать в отдельный резервуар на выходе (на фиг. 1 не показан). Необходимо измерить как минимум длительность периодов выплеска. Остальные измерения являются вспомогательными и могут служить для дополнительного контроля результатов.
Сделанные измерения интерпретируют с целью получения значений расходов фаз. Для этого используется интерполяция данных, полученных в результате математического численного моделирования. Так проводятся симуляции газожидкостного течения в трубе, аналогичной той, что используется для измерений. В результате симуляций для широкого диапазона расходов определяют значения длительностей периодов выплесков, объема и массу флюида, выходящего за период, давление т.д. Затем полученные данные используются, чтобы определить, какому расходу соответствовали параметры, полученные в процессе натурных измерений.
На фиг. 2 представлен пример численного моделирования течения воды и воздуха с использованием устройства, показанного на фиг. 1. Дополнительная труба имела диаметра 51.8 мм и общую длину 62.8 метра и состояла из 4 сегментов одинаковой длины с углами раствора между сегментами порядка 50 градусов. В примере измерялись длительности периодов выплесков. На основе численных симуляций течения в такой конфигурации для различных расходов флюидов составлена таблица, в которой приведены значения периодов выплесков и соответствующие им значения расходов фаз. На фиг. 2а и 2б представлены значения расходов жидкой фазы для экспериментов №10 и №9 соответственно. Таким образом, для выбранной конфигурации устройства и газожидкостной смеси по значению длительности периода можно установить расходы фаз.