УЛЬТРАЗВУКОВОЙ РАСХОДОМЕР КОМПОНЕНТОВ МНОГОФАЗНОЙ СРЕДЫ В ТРУБОПРОВОДЕ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической и других отраслях промышленности.
Классические разработки расходомеров для оценки количественного и качественного состава нефтегазового потока, идущего из промысловых скважин, основаны на измерениях плотности потока, скорости его движения с учетом флуктуации контролируемых физических параметров, вызываемых наличием в жидкой фазе неоднородностей в форме, например, газовых пузырьков.
Известен ультразвуковой расходомер в соответствии с патентом РФ 2062995, G01F 1/66, 1996 г. Он снабжен вертикально установленной измерительной камерой с входным и выходным патрубками, блоком управления и последовательно соединенными блоком измерения плотности и вторым счетно-регистрирующим устройством. При этом пьезоэлектрические преобразователи размещены на верхней и нижней стенках измерительной камеры, входы блока управления подключены соответственно к входам блока измерения расхода и блока измерения плотности, а выход блока управления подключен к входу коммутирующего устройства и первому входу блока измерения плотности, ко второму входу которого подключен пьезопреобразователь, размещенный на нижней стенке измерительной камеры.
Технический результат этого решения заключается в том, что на одних и тех же преобразователях используется прямой и обратный пьезоэффект и измерение расхода и плотности в одной зоне. А это позволяет исключить погрешности при калибровке устройства и изменениях, вызываемых колебаниями свойств и параметров контролируемой среды вдоль потока.
Недостатки устройства связаны с тем, что это прибор периодического действия, контролирующий расход многофазной среды вне трубопровода и, соответственно, не учитывающий меняющиеся во времени соотношения компонентов в потоке. Отсюда недостоверность получаемой в результате информации о реальных соотношениях фаз, что в некоторых случаях, например, при анализе состояния выработанных нефтяных скважин, может привести к принятию неадекватных ситуации решений.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является патент №WО01/06 7051А1, G01F 1/74, 1/712, 1/708, 1/66, G01N 29/02, 2000 г., в котором описывается конструкция устройства для определения расхода газа и жидких фаз потока многофазной смеси, проходящей через устройство.
Устройство представляет из себя ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды в трубопроводе, содержащий два элемента изменения скорости потока, представляющих собой два отрезка трубы разного диаметра, соединенных последовательно, в каждом отрезке трубы установлены ультразвуковой блок преобразования скорости газа для измерения реальной скорости газа многофазной среды, основывающийся на эффекте Доплера, ультразвуковой блок преобразования объемной концентрации газа, ультразвуковой блок преобразования объемных концентраций жидких компонентов многофазной среды, электронный вычислитель параметров потока многофазной среды.
Недостатком этого устройства является размещение в каждом отрезке трубы всех преобразователей. Как известно, введение в измерительные участки расходомеров различных сенсорных устройств приводит к значительному изменению характера движения многофазной среды и, как следствие, приводит к непредсказуемым результатам по измерению при незначительных изменениях количественных соотношений в компонентах многофазной среды, что приводит к дополнительным погрешностям при измерении параметров потока контролируемой среды.
Поэтому задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности определения состава многофазной многокомпонентной среды.
Поставленная задача решается за счет ультразвукового расходомера компонентов многофазной среды, содержащего два элемента изменения скорости потока представляющих собой два отрезка трубы разного диаметра соединенных последовательно, каждый отрезок трубы содержит ультразвуковой блок преобразования скорости газа для измерения реальной скорости газа смеси, основывающийся на эффекте Доплера, ультразвуковой блок преобразования объемной концентрации газа, ультразвуковой блок преобразования объемных концентраций жидких компонентов многофазной среды, в который по ходу потока введен третий отрезок трубы большего диаметра, чем второй, в котором размещен ультразвуковой блок преобразования объемных концентраций жидких компонентов многофазной среды и дополнительно введенные датчик абсолютного давления и температуры, при этом второй отрезок трубы имеет меньший диаметр, чем первый и третий отрезки трубы и соединен с ними через конусные участки.
Кроме того, в третий отрезок трубы дополнительно введен второй ультразвуковой блок преобразования объемной концентрации жидких компонентов многофазной среды, при этом один из них производит измерение концентрации жидкой фазы в центре третьего отрезка трубы, а второй у стенки трубы. Ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды дополнительно содержит блок текущего значения времени.
Отличие предлагаемого устройства состоит в том, что расходомер содержит контролируемый объем в виде трех вертикально расположенных отрезков трубы, соединенных между собой конусными участками, при этом третий отрезок трубы содержит ультразвуковой блок преобразования объемных концентраций жидких компонентов и дополнительно введенные датчик абсолютного давления и температуры, при этом второй отрезок трубы имеет меньший диаметр, чем первый и третий отрезки и соединен с ними через конусные участки.
Наличие третьей измерительной камеры позволяет повысить точность измерения параметров потока в первой и второй измерительных камерах за счет исключения в них паразитных завихрений потока многофазной среды, перенесенных оттуда ультразвуковым блоком преобразования концентрации и возникающей необходимостью введения датчиков температуры и давления в первый и второй отрезок трубы при отсутствии третьего отрезка трубы.
Сущность полезной модели поясняется чертежом.
Блок-схема ультразвукового расходомера компонентов многофазной среды содержит первый отрезок трубы 1, второй отрезок трубы 2, третий отрезок трубы 3, 4 и 6- ультразвуковые блоки преобразования скорости потока для определения реальной скорости газа многофазной среды, работающие на эффекте Доплера, 5 и 7 ультразвуковые блоки преобразования объемной концентрации газа, ультразвуковой блок 8 преобразования объемной концентрации жидких компонентов многофазной среды, датчик 9 температуры, датчик давления 10, линия связи 11, электронный вычислитель 12 параметров потока многокомпонентной среды - температуры, давления, расхода нефти, газа и воды, блок 13 текущего значения времени, блок 14 памяти параметров измеряемой среды за определенные моменты времени, второй ультразвуковой блок 15 преобразования объемной концентрации жидких компонентов. Чувствительные элементы (датчики) через уплотнительные устройства введены в соответствующие отрезки труб.
Ультразвуковой расходомер компонентов многофазной среды работает следующим образом. Расходомер размещают внутри трубопровода так, чтобы измеряемая среда проходила через контролируемый объем. При включении электропитания происходит возбуждение ультразвуковых датчиков, после чего электрические сигналы с пьезоприемников поступают на соответствующие (свои) блоки преобразования, на которых происходит усиление принятых сигналов и первичная их обработка, а именно: ультразвуковые блоки 4 и 6 преобразования скорости потока преобразовывают скорость движения потока в смещение доплеровской частоты, ультразвуковые блоки 5 и 7 преобразования объемной концентрации газа преобразуют отношение числа не прошедших зондирующих импульсов к общему числу зондирующих импульсов за определенный период времени, ультразвуковой блок 8 преобразования объемной концентрации жидких компонентов, размещенный в третьем отрезке трубы 3, измеряет время прохождения ультразвуковых импульсов от датчиков через многокомпонентную среду. Выходные сигналы с выхода всех ультразвуковых преобразователей кодируются в цифровую форму и при запросе электронного вычислителя 12 по линии связи 11 поступают в электронный вычислитель 12 параметров потока многокомпонентной среды - температуры, давления, расхода нефти, газа и воды. Туда же поступают кодированные значения с датчиков температуры 9 и давления 10, расположенных в третьем отрезке трубы 3. По поступившим параметрам среды происходит вычисление расходов нефти, воды, газа и выдача в цифровой форме расходов нефти, воды, газа, значение температуры и давления за определенный промежуток времени для запоминания в блоке памяти 15, где накапливается информация за определенные промежутки времени.
Введение всех датчиков и преобразователей в первый и второй отрезки трубы приведет к искажению скорости потока, дополнительным завихрениям и снижению точности измерения параметров потока.
Введение в устройство блока 13 текущего значения времени позволяет фиксировать расход по времени и вести архивирование по времени для анализа работы и состояния скважины.
По результатам испытаний на предприятии-заявителе сделаны следующие выводы:
- выбранное техническое решение позволяет достоверно измерять параметры контролируемого потока;
- численные значения параметров потока, полученные при проведении измерений, близки к измерениям с помощью штатных измерительных систем и величинам, полученным при лабораторных испытаниях.