Способ контроля наличия газа в потоке жидкости (варианты)
Владельцы патента RU 2375707:
Васильев Александр Алексеевич (RU)
Краузе Александр Сергеевич (RU)
Изобретение относится к технологии и технике контроля наличия газа в потоке жидкости применительно к информационно-измерительным методикам при транспортировке по трубопроводам. Способ включает генерацию электрических импульсов, формирование из них электрических импульсов малой длительности около 10-7 с, преобразование с помощью пьезоэлемента электрических импульсов малой длительности в механические импульсы ультразвуковой частоты с последующим их излучением в поток жидкости, содержащей газ, перпендикулярно направлению его движения, отражение затухающих механических импульсов ультразвуковой частоты на пьезоэлемент и их преобразование в электрические импульсы, по уровню затухания которых определяют наличие остаточного газа в потоке жидкости, при этом генерируют синусоидальные импульсы ультразвуковой частоты, которые преобразуют в короткие синусоидальные ультразвуковые волны, измеряют период времени от момента излучения механического импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса и по отношение этой величины к пороговому значению контролируют относительное количество остаточного газа в потоке жидкости. Также предложен дополнительный вариант реализации вышеуказанного способа. Достигается повышение точности и надежности контроля. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.
Изобретение относится к технологии и технике контроля наличия газа в потоке жидкости и может быть использовано, преимущественно в информационно-измерительных системах объектов добычи, транспорта и подготовки нефти при транспортировке ее по трубопроводам.
Известно, что продукция нефтедобывающих скважин представляет собой двухфазную газожидкостную смесь (жидкость + газ). Элементарный объем продукции нефтедобывающих скважин при движении по нефтепроводу является неустойчивой термодинамической системой, и при изменении температуры или(и) давления из жидкости выделяется свободный газ, который находится в жидкости в виде пузырьков различной дисперсности. Его количество увеличивается со снижением давления и повышением температуры жидкости. Свободный газ увеличивает погрешности средств измерений показателей количества и качества нефти.
Содержание свободного газа в нефти обуславливает причину искажений метрологических характеристик турбинных преобразователей расхода и показаний плотности нефти, а также вносит большие погрешности в измерения массового расхода нефти с помощью кориолисовых преобразователей массового расхода (журнал «Законодательная и прикладная метрология» 2006, №4, стр.37-44).
Известен способ определения содержания свободного газа в нефти после сепарации, реализуемый устройством типа УОСГ - 100 СКП (Рекомендация. Государственная система обеспечения единства измерений. Нефть. Остаточное газосодержание. Методика выполнения измерений МИ-2575-2000, Казань, 1999), согласно которому определяют газосодержание в нефти методом изотермического сжатия пробы газожидкостной смеси.
Определение содержания свободного газа в пробе производится по полученным значениям давления и изменению объема расчетным путем на основе измерения косвенных величин. Данные, полученные расчетным путем, используются для введения поправок в показания измерений количества нефти турбинными счетчиками и оценки качества сепарации нефти и нефтепродуктов.
Недостатком способа является невысокий уровень автоматизации процесса, поскольку пробы прессуют вручную, не автоматизирован и процесс вычисления. Не автоматизирована статистическая обработка результатов измерений газосодержания, т.к. измерения производятся в статике, с задержкой получения результатов во времени, что не позволяет осуществлять непрерывный мгновенный «опрос» системы на остаточное газосодержание.
Известен также способ для измерения покомпонентного расхода жидкой и газовой составляющих, реализуемый устройством (Чудин В.И., Ануфриев В.В., Сухов Д.К. Кольцевые счетчики РИНГ для измерения дебита нефтяных скважин. Материалы общероссийской научно-практической конференции «25-летие Тюменской научно-производственной школы расходометрии». М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. - C.114-122), содержащим два камерных расходомера, соединенных последовательно и разделенных регулируемым дросселем, два датчика избыточного давления, установленных перед первым и вторым расходомерами.
Недостатком этого способа, реализуемого устройством, является его приборная избыточность: два расходомера, два датчика давления, встроенный в трубопровод регулируемый дроссель, что приводит к возмущению потока жидкости и изменению его последующего термодинамического состояния по фактору остаточного газосодержания в жидкости.
Способ, реализуемый этим устройством (Чудин В.И., Ануфриев В.В., Сухов Д.К. Кольцевые счетчики РИНГ для измерения дебита нефтяных скважин. Материалы общероссийской научно-практической конференции «25-летие Тюменской научно-производственной школы расходометрии». М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2004. - C.114-122), заключается в непрерывном измерении объемных расходов нефтегазовой смеси, плотность которой меняется, поскольку увеличивается объем свободной части газа в смеси по причине локальной сепарации, вызванной действием дросселя.
Недостатком известного способа определения количества газа является сложность получения зависимости расхода газа от перепада давления δР на дросселе при изменяющемся расходе нефтегазовой смеси в трубопроводе (перед первым расходомером), поскольку перепад давления δР, в свою очередь, является функцией проходного сечения дросселя и расхода нефти. Для построения такой зависимости требуются предварительные стендовые испытания при изменяющихся в широком диапазоне расходах. В то же время на объектах, в частности в коммерческих узлах учета, требуется не фактическое значение количества (расхода) газа в смеси, а сам факт наличия свободного газа сверх нормативной величины, установленной технологией откачки продукции.
В другом известном способе контроля наличия газа в потоке жидкости (патент РФ №2280842, G01F 1/74, G01N 7/14, G01N 33/28, 2006.07.27), заключающемся в непрерывном и одновременном измерении объемного расхода Q1 и Q2 в двух точках, разнесенных по ходу потока в трубопроводе, после первой из которых в потоке создают локальное гидродинамическое возмущение для изменения существующего фазового состояния расширением его сечения путем увеличения проходного сечения трубопровода, измерения объемного расхода выполняют с идентичной погрешностью, при этом второе измерение осуществляют на расширенном участке потока жидкости, а о наличии газа судят по превышению текущим отношением Q1 и Q2 заданной уставки.
Недостатками аналога являются высокие погрешности индикации и сложность тарировки устройства. Действительно, согласно уравнению Бернулли в части трубопровода с большим диаметром скорость потока V2 меньше скорости потока V1 в части трубопровода с меньшим диаметром, T.e. V2<V1, но при этом соотношение давлений Р1 и Р2 в этих частях трубопровода также будут неравными, Р2>Р1. Отсюда следует, что объемы потока газожидкостной смеси, проходящие через эти участки трубы, не будут одинаковыми, поскольку давления различные, а газожидкостная смесь сжимаема. Это обуславливает появление существенных погрешностей индикации устройства.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому является способ определения остаточного свободного газа, реализуемый устройством (Индикатор фазового состояния потока ИФС-1 В-700М. Руководство по эксплуатации). Способ заключается в непрерывном излучении в жидкость, содержащую свободный газ, ультразвуковых колебаний, поглощении энергии ультразвуковых колебаний средой и оценки затухания ультразвуковых колебаний. Способ оценки затухания ультразвуковых колебаний при их распространении в жидкости, содержащей газ, включает генерацию запускающих импульсов (прямоугольные импульсы частотой 1 кГц, скважность 2), их подачу в генератор зондирующих импульсов, который преобразует запускающие импульсы в зондирующие импульсы (длительность 0,1 мксек), поступающие на пьезоэлемент, преобразующий зондирующие электрические импульсы в механические колебания ультразвуковой частоты (ультразвуковой импульс), распространяющийся перпендикулярно направлению движения потока жидкости, содержащей газ. Ультразвуковой импульс, пройдя через упругую среду (жидкость, содержащую газ), отразится от зеркала и попадет вновь на пьезоэлемент, где этот ЭХО-импульс преобразуется в электрический импульс, но с измененной амплитудой, отражающей информацию о наличии свободного газа в жидкости. При отсутствии свободного газа в жидкости амплитуда отраженного импульса наибольшая. При увеличении количества свободного газа в жидкости амплитуда отраженного импульса уменьшается. Далее этот электрический ЭХО-импульс с измененной амплитудой через усилитель ЭХО-сигнала направляется в измерительный блок, где преобразуется в цифровую информацию. Затем эта информация поступает в блок индикации, где сравнивается с числом, определяемым амплитудой импульса, соответствующего пороговому количеству свободного газа в жидкости. При превышении этого числа включается аварийная сигнализация, означающая повышенное содержание свободного газа в жидкости относительно допустимого - порогового. Недостатком этого способа является использование в качестве зондирующих импульсов, поступающих на пьезоэлемент, последовательности коротких импульсов (длительность около 10-7 с), формируемых из фронтов прямоугольных импульсов и которые в отличие от синусоидальных ультразвуковых монохроматических волн не являются таковыми и их спектр богат гармониками. Такая негармоничная волна является суперпозицией монохроматических волн, близких, но все же различающихся по длине (суперпозицией гармоник). При прохождении неоднородной среды (нефть с газом) различные составляющие такой немонохроматической волны будут рассеиваться неодинаково, и результат их сложения в точке, где расположен пьезоэлемент, будет еще больше отклоняться от закона поглощения. Это значительно снижает чувствительность устройства к остаточному газосодержанию и ухудшает его эксплуатационные свойства.
Недостатком способа-прототипа также является высокая погрешность индикации, связанная не с поглощением, а с рассеянием ультразвуковых колебаний. Для ультразвуковых колебаний длина волны колебаний соизмерима с размером газовых пузырьков, поэтому значительное влияние на затухание амплитуды этих колебаний будет оказывать не столько общее содержание остаточного газа, сколько степень дисперсности пузырьков газа, выделившегося из жидкости.
Задача изобретения - повышение точности контроля наличия газа в потоке жидкости и надежности работы за счет измерения времени задержки прохождения механического импульса через жидкость, содержащую газ, а также за счет регистрации на приемнике и излучателе изменения разности фаз бегущей волны.
Поставленная задача достигается тем, что в способе контроля наличия газа в потоке жидкости, включающем генерацию электрических импульсов, формирование из них электрических импульсов малой длительности около 10-7 с, преобразование с помощью пьезоэлемента электрических импульсов малой длительности в механические импульсы ультразвуковой частоты, с последующим их излучением в поток жидкости, содержащей газ, перпендикулярно направлению его движения, отражение затухающих механических импульсов ультразвуковой частоты на пьезоэлемент и их преобразование в электрические импульсы, по уровню затухания которых определяют наличие остаточного газа в потоке жидкости, в отличие от прототипа, генерируют синусоидальные импульсы ультразвуковой частоты, которые преобразуют в короткие синусоидальные ультразвуковые волны, измеряют период времени от момента излучения механического импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса, и по отношению этой величины к пороговому значению контролируют относительное количество остаточного газа в потоке жидкости.
Таким образом, заявляемый способ контроля наличия газа в потоке жидкости, в отличие от прототипа, основан не на оценке уровня затухания механических колебаний в жидкости, а на измерении скорости их распространения в жидкости. Скорость распространения механических колебаний в жидкости зависит от ее упругости, то есть от сжимаемости. Сжимаемость изменяется с изменением относительного объемного содержания газа в жидкости (чем больше объемное содержание газа в жидкости, тем больше сжимаемость жидкости и ниже скорость распространения в ней механических колебаний). При прохождении механических колебаний через неоднородную среду, какой является жидкость, содержащая пузырьки газа, основным процессом, приводящим к ослаблению амплитуды колебаний этой волны, является не ее поглощение, а ее рассеяние. Рассеяние волны в значительной степени зависит от соотношения длины волны и размеров неоднородности среды. Для ультразвуковых волн ее длина соизмерима с размерами газовых пузырьков. Поэтому значительное влияние на затухание амплитуды механических колебаний будет оказывать не столько общее содержание остаточного газа в жидкости, сколько степень дисперсности растворенного газа (т.е. размеры пузырьков). Для устранения этого эффекта необходимо перейти к более низким частотам, т.е. большим (по сравнению с ультразвуковыми) длинам волн, излучаемым в среду. Для таких волн длина их значительно больше размера пузырьков и поэтому среда (жидкость, содержащая пузырьки газа) для них будет однородной и рассеяние на ее неоднородностях будет пренебрежимо малым. Кроме этого, необходимо учесть, что длина распространяющейся звуковой волны зависит от скорости ее распространения (при заданной частоте). Поэтому, если создать в жидкости бегущую волну, то разность фаз колебаний между двумя произвольными точками этой волны будет зависеть от длины волны, а значит, и от скорости ее распространения, которая зависит от сжимаемости среды.
Поэтому поставленная задача может достигаться и тем, что, в отличие от прототипа, генерируют короткие синусоидальные импульсы, которые преобразуют с помощью пьезоэлемента в короткие синусоидальные звуковые волны.
Поставленная задача достигается также тем, что в способе контроля наличия газа в потоке жидкости, включающем генерацию электрических импульсов, формирование из них электрических импульсов малой длительности около 10-7 с, преобразование с помощью пьезоэлемента электрических импульсов малой длительности в механические импульсы, с последующим их излучением в поток жидкости, содержащей газ, в отличие от прототипа, генерируют синусоидальный сигнал звуковой частоты, преобразуют в бегущую волну в потоке жидкости параллельно направлению его движения, регистрируют значение разности фаз колебаний в двух точках, одна из которых является источником колебаний, а другая - приемником, расположенным на расстоянии 10 - 15 см друг от друга, и по соотношению этой величины к пороговому значению контролируют относительное количество остаточного газа в потоке жидкости.
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена блок-схема идентификатора фазового состояния, реализующего заявляемый способ по п.1, на фиг.2 - блок-схема идентификатора фазового состояния, реализующего заявляемый способ по п.2.
Пример конкретной реализации способа
Способ реализуется посредством идентификатора фазового состояния потока (ИФС). ИФС представляет собой систему, состоящую из датчика, измерительного блока, блока сигнализации и линии связи между блоками. Измерительный блок (фиг.1) содержит:
1 - генератор возбуждающих импульсов
2 - генератор запускающих импульсов
3 - приемник
4 - генератор селекторных импульсов
5 - временной селектор
Датчик 6 располагают непосредственно на трубопроводе во взрывоопасной зоне. В герметичном корпусе датчика 6 размещены пьезоэлемент 7 и зеркало 8. Датчик 6 с помощью штанги через резьбовую стойку (на чертеже не показано) герметично соединен с измерительным блоком. Измерительный блок предназначен для обслуживания датчика и передачи информации в блок сигнализации (на чертеже не показан). Блок сигнализации устанавливают за пределами взрывоопасной зоны в помещении с искусственно поддерживаемыми климатическими условиями. Между ними прокладывается линия связи. Принцип действия ИФС основан на измерении периода времени от момента излучения механического импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса и по отношению этой величины к пороговому значению определяют наличие относительного остаточного свободного газа в потоке жидкости.
Пьезоэлемент 7, находящийся в датчике, излучает механические колебания, которые распространяются по жидкости, содержащей газ, в трубопроводе до зеркала 8 и обратно. Принятый ультразвуковой сигнал, который содержит информацию о фазовом составе потока жидкости, содержащей газ, преобразуется в электрический сигнал и возвращается в измерительный блок. При отсутствии свободного газа в жидкости период времени от момента излучения импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса минимальный, поскольку рассеивания ультразвукового колебания не происходит. При увеличении количества свободного газа в жидкости период времени от момента излучения импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса возрастает. Измерительный блок преобразует периоды времени от момента излучения импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса в цифровую форму о наличии свободного газа и по линии связи передает эту информацию в блок сигнализации. Блок сигнализации принимает информацию, анализирует ее и выдает соответствующие сигналы оператору о наличии свободного газа в жидкости.
Измерительный блок находится в непосредственной близости от датчика для уменьшения влияния сопротивления связывающего их кабеля и электрических наводок на этот кабель.
Действие заявляемого способа по п.2 основано на измерении разности фаз колебаний Δφ в двух точках бегущей волны, одна из которых находится в точке расположения источника колебаний, а другая - на расстоянии l от нее. При этом частота колебаний выбирается невысокой (звуковой диапазон ~ 10 кГц и λ ~ 15 см) с тем, чтобы длина распространяющейся звуковой волны была бы значительно больше размеров неоднородностей (газовых пузырьков), и для такой волны среда была бы однородной, что свело бы к минимуму ее рассеяние на неоднородностях (хотя в данном случае амплитуда волны не имеет значения) (см. таблицу).
| Скорость звука в некоторых средах | ||
| Среда | Скорость звука (м/с) | Время задержки τ (мкс)
|
| вода | 1490 | 67 |
| воздух | 331 | 302 |
| метан | 430 | 232 |
| бензол | 1324 | 75 |
| глицерин | 1923 | 52 |
Из таблицы видно, что τ лежит в пределах от ~ 50 мкс (глицерин) до ~ 300 мкс (воздух).
Если базовое расстояние ℓ взять равным ~ 10 см, то Δφ будет лежать в пределах от ~18 рад (воздух) до 3.3 рад (глицерин). Поэтому предлагается использовать расстояние между источником колебаний и приемником, равное 10…15 см, что при излучении колебаний звуковых частот позволит точно измерять периоды времени (50…300 мкс) простыми средствами и минимизировать массогабаритные характеристики ИФС.
Звуковой синусоидальный сигнал (ν ~ 10 кГц) от генератора 9 (фиг.2) поступает к излучателю 12, возбуждающему бегущую волну в жидкость, содержащую газ. На расстоянии l от излучателя расположен приемник 11. Сигналы от излучателя 12 (начальная фаза колебания равна нулю) и от приемника 11 (фаза колебания Δφ) поступают на фазовый детектор 10. Сигнал с фазового детектора 10, пропорциональный разности фаз колебаний Δφ, поступает далее на блок сигнализации.
Блок сигнализации предназначен для приема, анализа и отображения информации от измерительного блока, контроля исправности оборудования (датчика, измерительного блока, линии связи), передачи информации во внешнее оборудование через аналоговый и цифровой интерфейсы, сигнализации об ошибочных ситуациях.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить точность контроля наличия газа в потоке жидкости и надежность работы за счет измерения времени задержки прохождения механического импульса через газожидкостную смесь, а также за счет регистрации на приемнике и излучателе изменения разности фаз бегущей волны.
1. Способ контроля наличия газа в потоке жидкости, включающий генерацию электрических импульсов, формирование из них электрических импульсов малой длительности около 10-7 с, преобразование с помощью пьезоэлемента электрических импульсов малой длительности в механические импульсы ультразвуковой частоты с последующим их излучением в поток жидкости, содержащей газ, перпендикулярно направлению его движения, отражение затухающих механических импульсов ультразвуковой частоты на пьезоэлемент и их преобразование в электрические импульсы, по уровню затухания которых определяют наличие остаточного газа в потоке жидкости, отличающийся тем, что генерируют синусоидальные импульсы ультразвуковой частоты, которые преобразуют в короткие синусоидальные ультразвуковые волны, измеряют период времени от момента излучения механического импульса в жидкость до прихода ЭХО-импульса, и по отношению этой величины к пороговому значению контролируют относительное количество остаточного газа в потоке жидкости.
2. Способ контроля наличия газа в потоке жидкости, включающий генерацию электрических импульсов, формирование из них электрических импульсов малой длительности около 10-7 с, преобразование с помощью пьезоэлемента электрических импульсов малой длительности в механические импульсы с последующим их излучением в поток жидкости, содержащей газ, отличающийся тем, что генерируют синусоидальный сигнал звуковой частоты, преобразуют в бегущую волну в потоке жидкости параллельно направлению его движения, регистрируют значение разности фаз колебаний в двух точках, одна из которых является источником колебаний, а другая - приемником, расположенных на расстоянии 10-15 см друг от друга, и по соотношению этой величины к пороговому значению контролируют относительное количество остаточного газа в потоке жидкости.
