Измерение характеристик однофазных и многофазных флюидов
Первая характеристика технологического флюида измеряется с использованием измерительного устройства объемного расхода или расходомера перепада давления. Вторая характеристика технологического флюида измеряется с использованием расходомера Кориолиса. Третья характеристика технологического флюида определяется на основе измеренной первой характеристики и измеренной второй характеристики. Технический результат - повышение точности измерения. 4 н. и 40 з.п. ф-лы, 7 ил.
Перекрестная ссылка на соответственные заявки
В настоящей заявке заявлен приоритет предварительной заявки США №60/746744, поданной 8 мая 2006 г.
Область техники
Настоящее изобретение относится к расходомерам.
Предшествующий уровень техники
Расходомеры позволяют получить информацию о материалах, передаваемых по трубопроводу. Например, массовые расходомеры обеспечивают измерение массы материала, передаваемого по трубопроводу. Аналогично, денситометры обеспечивают измерение плотности материала, текущего через трубопровод. Массовые расходомеры также могут обеспечить измерение плотности материала.
Например, кориолисовые массовые расходомеры основаны на эффекте Кориолиса, при котором в текущем через трубопровод материале появляется радиально-перемещающаяся масса, на которую действует сила Кориолиса и, поэтому, она испытывает ускорение. Во многих конструкциях массовых кориолисовых расходомеров сила Кориолиса возникает при синусоидальном колебании трубопровода вокруг поворотной оси, ортогональной направлению трубопровода. В таких массовых расходомерах сила реакции Кориолиса, испытываемая перемещающейся массой жидкости, передается на сам трубопровод и проявляется как отклонение или смещение трубопровода в направлении вектора силы Кориолиса в плоскости вращения.
Краткое изложение сущности изобретения
В соответствии с одним общим аспектом измеряется первая характеристика технологического флюида с использованием устройства измерения объемного расхода. Вторая характеристика технологического флюида измеряется с использованием расходомера Кориолиса. Третья характеристика технологического флюида определяется на основе измеренной первой характеристики и измеренной второй характеристики.
Реализации включают в себя один или несколько следующих признаков. Например, первой характеристикой может быть объемный расход, второй характеристикой может быть массовый расход, и третьей характеристикой может быть объемная плотность. Технологический флюид может включать в себя газовый компонент и жидкий компонент. Массовый расход газового компонента может быть определен на основе определенной объемной плотности. Массовый расход жидкого компонента может быть определен на основе определенной объемной плотности. Технологический флюид может быть влажным газом. Измеренный массовый расход может быть скорректирован на основе определенной объемной плотности. Определенная объемная плотность может быть скорректирована на основе скорректированного массового расхода.
В соответствии с другим общим аспектом первая характеристика технологического флюида измеряется с использованием расходомера перепада давления. Вторая характеристика технологического флюида измеряется с использованием расходомера Кориолиса. Третья характеристика технологического флюида определяется на основе измеренной первой характеристики и измеренной второй характеристики.
Реализации могут включать в себя один или несколько следующих признаков. Например, технологический флюид может быть влажным газом. Первая характеристика может быть массовым расходом влажного газа как сухого газа, и вторая характеристика может быть массовым расходом влажного газа. Определение третьей характеристики влажного газа на основе массового расхода влажного газа как сухого газа и массового расхода влажного газа может включать в себя определение качества смеси влажного газа и коррекцию массового расхода влажного газа на основе качества смеси. Определение третьей характеристики влажного газа на основе массового расхода влажного газа как сухого газа и массового расхода влажного газа может включать в себя уточнение определенного качества смеси на основе скорректированного массового расхода. Третья характеристика может быть массовым расходом жидкого компонента влажного газа. Третья характеристика может быть массовым расходом газового компонента влажного газа. Расходомер перепада давления может включать в себя диафрагменный расходомер.
Реализации любой из описанных выше методик могут включать в себя способ или процесс, систему, расходомер, или инструкции, сохраняемые в устройстве памяти трансмиттера расходомера. Детали конкретной реализации показаны на сопровождающих чертежах и приведенном ниже описании. Другие признаки станут очевидными из следующего описания, включающего в себя чертежи и прилагаемую формулу изобретения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1A изображает расходомер, использующий изогнутую расходомерную трубку, согласно изобретению;
Фиг.1B - расходомер Кориолиса, использующий прямую расходомерную трубку, согласно изобретению;
Фиг.2 - блок-схему расходомера Кориолиса согласно изобретению;
Фиг.3А - блок-схему системы, содержащей устройство измерения объемного расхода и расходомер Кориолиса, согласно изобретению;
Фиг.3B - блок-схему последовательности операций при использовании устройства измерения объемного расхода и расходомера Кориолиса согласно изобретению;
Фиг.4 - блок-схему вихревого расходомера согласно изобретению;
Фиг.5 - блок-схему системы, включающей в себя расходомер перепада давления и расходомер Кориолиса, согласно изобретению;
Фиг.6 - схему диафрагменного расходомера согласно изобретению;
Фиг.7A и 7B - блок-схемы последовательности операций при использовании расходомера перепада давления и Кориолисового расходомера согласно изобретению.
Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения
Типы расходомеров включают в себя цифровой расходомер Кориолиса. Например, в патенте US 6311136 раскрыто использование цифрового расходомера Кориолиса и соответствующей технологии, включающей в себя обработку сигнала и методики измерения. Такие цифровые расходомеры могут быть очень точными при измерениях с малым или незначительным шумом и могут быть пригодны для предоставления широкого диапазона положительных и отрицательных усилений в схеме привода для управления трубопроводом. Таким образом, цифровые расходомеры Кориолиса имеют преимущество благодаря разнообразию настроек. Например, в патенте US 6505519 раскрыто использование широкого диапазона усилений и/или использование отрицательного усиления для предотвращения срыва потока и для более точного контроля за расходомерной трубкой, даже в сложных условиях, например при двухфазном потоке (т.е. потоке, содержащем смесь жидкости и газа).
Хотя ниже (Фиг.1A, 1B и 2) рассматриваются цифровые расходомеры Кориолиса, следует понимать, что аналоговые расходомеры Кориолиса также существуют. Аналоговым расходомерам Кориолиса могут быть свойственны типичные недостатки аналоговой схемы, например низкая точность и высокие измерительные шумы, по сравнению с цифровым расходомером Кориолиса, но они также могут быть совместимыми с рассматриваемыми здесь различными методиками и реализациями. Таким образом, далее, термины "расходомер Кориолиса" или "измеритель Кориолиса" используются для обозначения любого типа устройства и/или системы, в которых эффект Кориолиса используется для измерения массового потока, плотности и/или других параметров материала(-ов), движущегося через расходомерную трубку или другой трубопровод.
На Фиг.1A показан цифровой расходомер Кориолиса, использующий изогнутую расходомерную трубку 102. Конкретно, изогнутая расходомерная трубка 102 может быть использована, например, для измерения одного или нескольких физических параметров флюида (перемещающегося или не перемещающегося), как упомянуто выше. На Фиг.1A цифровой трансмиттер 104 осуществляет обмен сигналов датчика и привода с изогнутой расходомерной трубкой 102, чтобы и воспринять колебание изогнутой расходомерной трубки 102, и возбудить колебание изогнутой расходомерной трубки 102 соответственно. Посредством быстрого и точного определения сигналов датчика и привода, цифровой трансмиттер 104, как отмечено выше, может обеспечить быстрое и точное функционирование изогнутой расходомерной трубки 102. Примеры цифрового трансмиттера 104, используемого с изогнутой расходомерной трубкой, раскрыты, например, в патенте US 6311136.
На Фиг.1B показан цифровой расходомер Кориолиса, использующий прямую расходомерную трубку 106. Прямая расходомерная трубка 106 взаимодействует с цифровым трансмиттером 104. Такая прямая расходомерная трубка функционирует подобно изогнутой расходомерной трубке 102 и имеет различные преимущества/недостатки относительно изогнутой расходомерной трубки 102. Например, прямая расходомерная трубка 106 может быть заполнена (полностью) и опорожнена легче, чем изогнутая расходомерная трубка 102, просто из-за геометрии ее конструкции. На практике изогнутая расходомерная трубка 102 может работать на частотах, например, 50-110Гц, тогда как прямая расходомерная трубка 106 может работать на частотах, например, 300-l000Гц. Изогнутая расходомерная трубка 102 представляет собой расходомерную трубку, имеющую различные диаметры, и может функционировать в различных положениях, например при вертикальном или горизонтальном положении.
Цифровой массовый расходомер 200 на Фиг.2 содержит цифровой трансмиттер 104, один или несколько датчиков 205 движения, один или несколько приводов 210, расходомерную трубку 215 (которая также может быть трубопроводом и которая может представлять собой изогнутую расходомерную трубку 102, прямую расходомерную трубку 106 или расходомерную трубку другого типа), температурный датчик 220 и датчик 225 давления. Цифровой трансмиттер 104 может быть реализован с использованием одного или нескольких устройств, например процессора, Цифрового Сигнального Процессора (DSP), программируемой вентильной матрицы (FPGA), ASIC, других программируемых логических схем или вентильных матриц, или программируемой логической схемы с процессорным ядром. Следует понимать, что, как описано в патенте US 6311136, соответствующие цифроаналоговые преобразователи могут быть подключены для функционирования приводов 210, тогда как аналого-цифровые преобразователи могут быть использованы для преобразования сигналов от датчиков 205 для использования цифровым трансмиттером 104.
Цифровой трансмиттер 104 может включать в себя систему 240 измерения плотности (объемной) и систему 250 измерения массового расхода. Система 240 измерения плотности и система 250 измерения массового расхода могут производить измерения соответственно плотности и/или массового расхода материала, текущего через расходомерную трубку 215 на основе, по меньшей мере, сигналов, принятых от датчиков 205 движения. Цифровой трансмиттер 104 также управляет приводами 210 для индуцирования движения в расходомерной трубке 215. Это движение регистрируется датчиками 205 движения.
Измерения плотности материала, текущего через расходомерную трубку, связаны, например, с частотой движения расходомерной трубки 215, которая задается в расходомерной трубке 215 (обычно это резонансная частота) приводной силой, прикладываемой приводами 210, и/или с температурой расходомерной трубки 215. Аналогично, массовый поток через расходомерную трубку 215 связан с фазой и частотой движения расходомерной трубки 215, так же как и с температурой расходомерной трубки 215.
Температура в расходомерной трубке 215, которая измеряется с использованием температурного датчика 220, влияет на некоторые свойства расходомерной трубки, например на ее жесткость и размеры. Цифровой трансмиттер 104 может компенсировать эти температурные эффекты. Датчик 225 давления связан с трансмиттером 104 и с расходомерной трубкой 215, чтобы определять давление материала, текущего через расходомерную трубку 215.
Следует понимать, что и давление жидкости, входящей в расходомерную трубку 215, и перепад давления по соответствующим точкам расходомерной трубки, могут быть индикаторами некоторых условий потока. Кроме того, при условии, что внешние температурные датчики могут быть использованы для измерения температуры флюида, такие датчики могут использоваться в дополнение к внутреннему датчику расходомера, предназначенному для измерения характерной температуры для калибровок расходомерной трубки. Кроме того, некоторые расходомерные трубки используют множество температурных датчиков для коррекции измерений из-за влияния разности температур между технологическим флюидом и окружающей средой (например, температура оболочки корпуса расходомерной трубки).
Следует понимать, что различные элементы цифрового трансмиттера 104 связаны между собой, хотя линии связи для простоты не показаны. Кроме того, следует понимать, что обычные компоненты цифрового трансмиттера 104 не показаны на Фиг.2, но предполагается, что они в нем имеются или же доступны для цифрового трансмиттера 104. Например, цифровой трансмиттер 104 обычно содержит схему привода для запуска привода 210 и схему измерения, чтобы измерять частоту колебания расходомерной трубки 215 на основе сигналов датчиков 205 и чтобы измерять фазу между сигналами датчиков 205.
При определенных условиях расходомер Кориолиса может, посредством резонансной частоты вибрации расходомерной трубки, точно определять объемную плотность технологического флюида в расходомерной трубке 215. Таким образом, при определенных условиях может быть определено точное значение объемной плотности технологического флюида.
Кроме того, в некоторых ситуациях, технологический флюид может содержать больше одной фазы, например смесь двух или нескольких материалов (например, нефти и воды, или флюида с вовлеченным газом), или одним и тем же материалом в различных фазах (например, вода и водяной пар), или различными материалами в различных фазах (например, водяной пар и нефть). В некоторых режимах многофазного потока расходомер Кориолиса, или взятый в отдельности, или в комбинации с другим оборудованием, может точно определить плотность и массовый расход составляющих флюида.
Вместе с тем, в других условиях, расходомер Кориолиса, может работать недостаточно хорошо. Например, при некоторых условиях расходомер Кориолиса может быть не в состоянии измерить объемную плотность, плотность составляющих компонентов многофазного потока или массовые расходы составляющих компонентов многофазного потока в пределах требуемых допустимых отклонений, необходимых в конкретном применении. Иначе говоря, расходомер Кориолиса может быть не в состоянии измерить эти объекты с необходимой степенью точности для данного применения расходомера Кориолиса.
Примеры таких условий включают в себя ситуации, в которых технологический флюид является однофазным газом и когда технологический флюид представляет собой влажный газ (то есть в основном содержит газовый компонент, но имеет и некоторый жидкий компонент). Влажный газ обычно возникает при использовании природного газа, когда газовый компонент является природным газом, а жидкий компонент может быть водой, углеводородом или компрессорным маслом. При использовании природного газа может быть желательно точно измерить плотность технологического флюида для расчета потока энергии технологического флюида. Другие применения, в которых встречается влажный газ, могут включать в себя применения с паром в качестве технологического флюида.
Влажный газ обычно включает в себя технологический флюид, который содержит 5% по объему, или менее, жидкости, или, иначе говоря, технологический флюид, который имеет паровую долю 0.95 (95%), или более. Однако описанные ниже методики относительно влажных газов не ограничиваются обработкой флюидов, которые содержат 5% по объему, или менее, жидкости. Реально методики ограничиваются требуемой точностью данного приложения, при условии, что точность зависит от точности расходомера Кориолиса и других измерителей расхода, описанных ниже для данной паровой доли.
Система 300A (Фиг.3А) может быть использована для точного измерения объемной плотности технологического флюида при условиях, в которых расходомер Кориолиса не измеряет объемную плотность с необходимой точностью. Кроме того, система 300A может быть использована для точного измерения объемной плотности влажного газа или другого многофазного технологического флюида и массовых расходов составляющих компонентов такого многофазного технологического флюида.
Система 300A содержит трубопровод 302, который переносит технологический флюид, устройство 304 измерения объемного расхода, которое измеряет объемный расход технологического флюида, и расходомер Кориолиса 306, который измеряет массовый (объемный) расход технологического флюида.
В одном варианте реализации устройство 304 измерения объемного расхода представляет собой вихревой расходомер. Обычно, вихревой расходомер может измерять объемный расход однофазного газа и влажного газа (и возможно других многофазных флюидов) с разумной степенью точности. Могут использоваться другие устройства измерения объемного расхода, в зависимости от точности, требуемой в данном приложении.
Обычно, вихревой расходомер 304 имеет на выходе сигнал, который пропорционален средней скорости технологического флюида. Если площадь сечения трубопровода 302 фиксирована, или известна как пропорциональная объемному расходу, то:
SV=KV × Apipe × 
где:
Sv - сигнал объемного измерения от измерителя;
KV - коэффициент пропорциональности;
Apipe - площадь трубки;
QV - объемный расход вихревого измерителя.
Массовый расходомер 306 Кориолиса в общем случае имеет следующий выходной сигнал для одной фазы:
Где: SM - сигнал массового измерения от измерителя;
KM - коэффициент пропорциональности;
- массовый расход в измерителе Кориолиса.
Кроме того, массовый расход в вихревом измерителе 304 такой же, что и в измерителе 306 Кориолиса в силу сохранения массы. Поэтому:
и окончательно
где - массовый расход в измерителе Кориолиса, QV - объемный расход в вихревом измерителе, и ρfluid - плотность флюида в вихревом измерителе.
После получения плотности технологического флюида в вихревом измерителе 304, плотность в других точках вдоль трубопровода 302 может быть рассчитана логометрически с компенсацией температуры и давления (и сжимаемости, для большей точности) для местных изменений вдоль трубопровода 302. Например, температура и давление в вихревом измерителе 304 могут быть измерены наряду с температурой и давлением в выбранном месте трубопровода. Затем, используя закон идеального газа или закон реального газа, плотность газа может быть рассчитана в выбранном месте трубопровода 302.
Вышеупомянутый расчет плотности в вихревом измерителе 304 может быть выполнен для однофазного газа и влажного газа (или некоторого другого многофазного флюида). В случае влажного газа (или другого многофазного флюида) эта плотность может быть использована для расчета массового расхода составляющих компонентов технологического флюида. В этом случае может потребоваться знание плотностей газа и жидкости.
В общем случае было показано, что при разумно высокой паровой доле, 0,8 или более, вихревой измеритель еще дает разумно точное измерение объемного расхода, поскольку флюид имеет тенденцию распространяться в виде тумана в газе, если газовый расход достаточно высок. Фактические границы зависят от требуемой точности. В предположении того, что расходомер 306 Кориолиса не дает ошибки из-за заполнения жидкостью, вышеупомянутое уравнение дает:
где ρbulk - теперь объемная плотность флюида в вихревом измерителе.
Плотность газового компонента может быть определена посредством измерений давления и температуры в вихревом измерителе 304 при использовании закона идеального газа, или закона реального газа, или некоторого другого уравнения состояния для газа. Плотность жидкости может быть определена посредством выборки, или может быть аппроксимирована исходя их состава жидкости. Насколько это должно быть точным, зависит от того, насколько точный требуется результат. Во многих приложениях с влажным газом, например, точности в 5% может быть достаточно.
Зная плотности жидкого и газового компонентов, можно получить:
Тогда объемный расход газа равен
И для жидкости:
Массовые расходы или компоненты газа и жидкости могут быть рассчитаны умножением Qgas и Qliquid на плотности газа и жидкости соответственно.
Когда расходомер Кориолиса используется для измерения массового расхода многофазного флюида, например влажного газа, могут быть ошибки в измерении массового расхода из-за нагрузки жидкостью. Иначе говоря, демпфирование, обусловленное многофазным флюидом, может привести к ошибкам в измеренном массовом расходе. В подобных ситуациях для коррекции измерений массового расхода могут быть использованы такие методики, как описаны в патенте US 6505519. Однако такие методики обычно используют скорректированное измерение плотности, которое выполняется измерителем Кориолиса. Вместе с тем, в случае влажного газа измерение плотности может быть недостаточно точным, даже если оно скорректировано. Таким образом, в некоторых вариантах реализации измерение объемной плотности при объединении устройства 304 измерения объемного расхода и расходомера 306 Кориолиса может быть использовано для коррекции измерения массового расхода расходомера 306 Кориолиса. Кроме того, итерационная процедура может быть использована затем для уточнения объемной плотности, с использованием скорректированного массового расхода от расходомера 306 Кориолиса. Иначе говоря, объемная плотность, измеренная на основе системы 300A, может быть использована для коррекции измерения массового расхода измерителя 306 Кориолиса. Скорректированный массовый расход может быть использован затем для уточнения измерения объемной плотности. Уточненная объемная плотность может быть использована затем для уточнения массового расхода. Такой итерационный процесс может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут предел.
Процесс 300B (Фиг.3B) может быть использован для выполнения операций, рассмотренных выше. Процесс 300B может быть осуществлен системой 300A. Процесс 300B начинается, когда объемный расход технологического флюида измеряется (310) с использованием устройства измерения объемного расхода. Технологический флюид может быть влажным газом или другим многофазным технологическим флюидом. Устройство измерения расхода может быть, например, устройством 304 измерения объемного расхода, рассмотренным выше. Процесс 300B также включает в себя измерение (320) массового расхода технологического флюида с использованием расходомера Кориолиса. Расходомер Кориолиса может быть расходомером 306 Кориолиса, рассмотренным выше.
Процесс 300B продолжается, когда объемная плотность технологического флюида определяется (330) на основе измеренного объемного расхода и измеренного массового расхода. Измеренный массовый расход может быть скорректирован (340) на основе определенной объемной плотности. Определенная объемная плотность затем может быть скорректирована (350) на основе скорректированного массового расхода. Операции (340) и (350) могут повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предел, или пока не будет установлен необходимый уровень точности. Таким образом, описанный выше повторяющийся процесс может быть осуществлен посредством процесса 300B; однако в некоторых вариантах реализации такой интерактивный процесс может не осуществляться.
Технологический флюид может включать в себя не только однофазный флюид. Например, технологический флюид может быть влажным газом, который содержит газовый компонент и жидкий компонент. Процесс 300B может также включать в себя определение массового расхода газового компонента и/или жидкого компонента технологического флюида на основе определенной или скорректированной (360) объемной плотности. Иначе говоря, массовый расход одного компонента или и газового компонента и жидкого компонента может быть определен из скорректированной объемной плотности (например, скорректированной посредством повторяющегося процесса, описанного выше). В других вариантах реализации массовый расход этих компонентов может быть получен из определенной объемной плотности (например, объемной плотности, определенной на основе измеренного (330) объемного расхода и измеренного массового расхода).
Вихревой расходомер 400 (Фиг.4) содержит трубопровод 402 для транспортировки технологического флюида. Трубопровод 402 содержит плохо обтекаемое тело 404, которое вызывает вихревой поток во флюиде, текущем в трубопроводе 402. Стрелка 408 указывает направление потока. Датчик 406 давления расположен снизу по течению относительно плохо обтекаемого тела 404. Датчик 406 давления может включать в себя, например, датчик перепада давления или датчик абсолютного давления и может включать в себя такие материалы, как пьезоэлектрический материал. Таким образом, один пример датчика 406 давления - это пьезоэлектрический датчик перепада давления, который измеряет перепад давления поперек трубопровода 402.
В общем случае, вихревой расходомер измеряет объемный поток на основе эффекта вихревого потока. Вихревой поток является естественным процессом, при котором флюид, проходящий плохо обтекаемое тело, образует граничный слой медленно перемещающегося флюида вдоль поверхности плохо обтекаемого тела. Позади плохо обтекаемого тела создается зона низкого давления, которая и заставляет граничный слой закручиваться, что и создает последовательные вихри на противоположных сторонах плохо обтекаемого тела. Вихри вызывают вариации давления, которые могут быть зарегистрированы датчиком 406 давления. Вариации давления в вихревом потоке имеют частоту, которая связана с объемным расходом. Соответственно, посредством измерения частоты вариаций давления, с использованием датчика 406 давления, может быть определен объемный расход.
Вихревой расходомер 400 может также включать в себя датчик 410 давления и температурный датчик 412, которые могут быть использованы для расчета плотности технологического флюида в других точках трубопровода 302, как описано выше.
Расходомер (Фиг.5) перепада давления может быть использован в комбинации с измерителем Кориолиса для измерения массовых расходов составляющих компонентов влажного газа или другого многофазного технологического флюида. Как показано, система 500 содержит трубопровод 502, который транспортирует технологический флюид (например, влажный газ), расходомер 504 перепада давления, который измеряет массовый расход технологического флюида, как если бы он был однофазным. Например, в случае влажного газа, расходомер перепада давления измеряет массовый расход технологического флюида, как если бы он был сухим газом (то есть однофазным газом). Система 500 также включает в себя расходомер 506 Кориолиса, который измеряет массовый (объемный) расход технологического флюида. Массовый расход, измеренный расходомером 504 перепада давления, и массовый расход, измеренный измерителем 506 Кориолиса, используются затем для расчета массовых расходов газового компонента и жидкого компонента.
Определение массового расхода составляющих компонентов влажного газа с использованием системы 500 описано в связи с вариантом реализации, использующим диафрагменный расходомер 600 (Фиг.6). В общем случае, расходомеры перепада давления направляют поток технологического флюида на участок с площадью сечения, отличающейся от сечения трубопровода, транспортирующего флюид. Это приводит к вариациям скорости потока и давления. Посредством измерения изменений давления может затем быть рассчитана и скорость потока. Массовый расход может затем быть рассчитан из скорости потока.
В частности, измерительная диафрагма, например измерительная диафрагма 604, представляет собой обычно плоскую пластину с отверстием. Измерительная диафрагма обычно устанавливается между парой фланцев на прямом участке гладкой трубы, чтобы избежать возмущения режима потока от патрубков и клапанов.
Поток через диафрагму сопровождается изменением его скорости. При прохождении флюида через отверстие поток флюида сужается, и скорость флюида увеличивается до максимального значения. В этой точке давление имеет минимальное значение. Поскольку флюид отклоняется, заполняя всю область трубки, скорость снова снижается до первоначального значения. Давление увеличивается приблизительно на 60-80% относительно первоначального входного значения. Давления с обеих сторон отверстия измеряются, приводя к перепаду давления, которое пропорционально скорости потока. Из расхода может быть рассчитан массовый расход.
Таким образом, диафрагменный расходомер 600 содержит трубопровод 602 для транспортировки технологического флюида и диафрагменную пластину 604, расположенную в трубопроводе 602. Стрелка 608 показывает направление потока. Сверху по течению относительно диафрагменной пластины 604 находится первый датчик 606a давления, и снизу по течению относительно диафрагменной пластины 604 находится второй датчик 606b давления. Разность между измерениями первого датчика 606a и второго датчика 606b дает перепад давления, который может быть использован для расчета скорости потока и массового расхода.
В общем случае, если диафрагменный расходомер 600 используется для определения перепада давления, перепад давления может быть использован для расчета массового расхода технологического флюида, как если бы технологический флюид был сухим газом вместо влажного газа. Это может быть использовано с измерением объемно-массового расхода измерителем 506 Кориолиса для расчета массовых расходов жидкого и газового компонентов влажного газа.
Ниже поясняется, как рассчитываются массовые расходы этих компонентов. Для диафрагменной пластины с сухим газом могут быть использованы известные уравнения для получения массового расхода из перепада давления ΔP:
где
ΔP - перепад давлений поперек пластины;
P1 - давление сверху по течению относительно пластины;
ρ1gas - плотность сухого газа сверху по течению;
Cgas - коэффициент расхода;
Y1 - коэффициент расширения газа;
Уравнения Мердока, рассматриваемые, например, в Flow Measurement Engineering Handbook, R.W.Miller, McGraw Hill, 3-е издание, учитывают коэффициент коррекции, используемый для коррекции измерения массового расхода, когда имеется влажный газ вместо сухого газа. С учетом уравнений Мердока, которые справедливы приблизительно до 90% газа по массе, приведенное выше уравнение для массового расхода принимает вид:
где
X = масса газа/масса жидкости + масса газа;
ρliq - плотность жидкости.
Предполагая, что плотности двух компонентов известны, единственным неизвестным в правой части вышеуказанного уравнения оказывается X, который является качеством смеси технологического флюида, основанным на массе газа и массе жидкости.
Используя расходомер 506 Кориолиса, может быть получено измерение массового расхода смеси Mcor. Вследствие сохранения массы массовый расход эквивалентен Mgas,wet в диафрагменном расходомере 600. Следовательно:
Преобразуя и разрешая относительно X, получаем:
и
и
Таким образом, посредством измерения перепада давления, созданного диафрагменной пластиной 604, массовый расход технологического флюида, как сухого газа, Mgas,dry, может быть рассчитан на основе известных уравнений. Этот массовый расход может затем быть использован с объемным массовым расходом, измеренным измерителем 506 Кориолиса. Оба этих массовых расхода могут затем быть использованы для расчета массовых расходов жидкого и газового компонентов, или влажного газа, используя любую комбинацию вышеприведенных уравнений для X и Mgas,true и Mliquid.
Аналогично описанной выше процедуре, некоторые варианты реализации могут использовать итерационную процедуру для уточнения измерения Mcor и расчета X. Например, в некоторых вариантах реализации, первоначальный расчет может быть использован для коррекции измерения массового расхода Mcor, расходомера 506 Кориолиса. Итерационная процедура может затем быть использована для уточнения расчета X, используя скорректированный массовый расход от расходомера 506 Кориолиса, и процесс может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнут предел.
Хотя был рассмотрен частный вариант реализации с использованием диафрагменного расходомера 600, коррекция Мердока справедлива и для других расходомеров перепада давления, например для трубок Вентури и измерительных насадок. Поэтому другие варианты реализации могут использовать другие расходомеры перепада давления. Таким образом, в общем случае соответствующее уравнение для расчета Mgas,dry может быть использовано для конкретного используемого расходомера перепада давления, и Mgas,dry может быть объединено с массовым расходом, измеренным расходомером Кориолиса для расчета массовых расходов газового и жидкого компонентов технологического флюида, как описано выше. Кроме того, другие подобные, но отличающиеся коррекции, которые могут быть разработаны или уже разработаны для влажных газов, могут быть использованы вместо уравнений Мердока.
Процесс 700 (Фиг.7A) может быть использован для выполнения описанных выше операций. Процесс 700A может быть осуществлен системой 500. Процесс 700A использует влажный газ в качестве примера технологического флюида, но процесс 700A может быть применен к другим многофазным флюидам, которые включают в себя жидкий и газовый компоненты.
Процесс 700A начинается, когда массовый расход влажного газа, как сухого газа, измеряется (710) с использованием расходомера перепада давления. Например, расходомер перепада давления может быть расходомером 504 перепада давления. В другом примере расходомер перепада давления может быть диафрагменным расходомером 600. Процесс 700 продолжается, если массовый расход влажного газа измеряется (720) с использованием расходомера Кориолиса. Измеритель Кориолиса может быть расходомером 506 Кориолиса, описанным выше. Процесс 700A также включает в себя определение массового (730) расхода жидкого компонента и/или газового компонента влажного газа на основе измеренного массового расхода влажного газа как сухого газа и измеренного массового расхода влажного газа.
Процесс 700B (Фиг.7B) может быть использован для определения (730) массового расхода жидкого и/или газового компонента влажного газа (или другого многофазного флюида). Процесс 700B включает в себя определение (740) качества смеси влажного газа на основе измеренного массового расхода влажного газа как сухого газа и измеренного массового расхода влажного газа. Качество смеси может быть качеством смеси X, которое основано на массе газа и массе жидкости, составляющих технологический флюид. Измеренный массовый расход влажного газа может быть скорректирован (750) на основе определенного качества смеси. Качество смеси затем может быть уточнено (760) на основе скорректированного массового расхода влажного газа. Операции 750 и 760 могут повторяться до тех пор, пока не будет достигнут предел, или пока не будет достигнут необходимый уровень точности. Таким образом, в некоторых вариантах реализации процесс 700B может означать итерационный процесс, описанный выше для Фиг.6. Процесс 700B также включает в себя определение (760) массового расхода жидкого компонента и/или газового компонента влажного газа на основе скорректированного массового расхода влажного газа и уточненного качества смеси.
Расчеты, описанные в различных вариантах реализации, могут быть выполнены трансмиттером расходомера Кориолиса, вычислительным устройством, связанным с устройством измерения объемного расхода или расходомером перепада давления, или поточным компьютером, или вычислительным устройством, связанным с расходомером Кориолиса и устройством измерения объемного расхода или расходомером перепада давления.
Было рассмотрено некоторое количество вариантов реализации. Однако следует понимать, что возможны различные модификации. Соответственно, возможны и другие варианты реализации в пределах объема притязаний следующей формулы изобретения.
1. Способ измерения характеристик флюидов, содержащий следующие шаги:
пропускают многофазный технологический флюид через устройство измерения объемного расхода, причем многофазный технологический флюид содержит по меньшей мере первую фазу и вторую фазу;
измеряют расход многофазного технологического флюида, используя устройство измерения объемного расхода;
пропускают многофазный технологический флюид через расходомер Кориолиса, который отделен от устройства измерения объемного расхода;
измеряют характеристику многофазного технологического флюида, используя расходомер Кориолиса; и
определяют, используя одно или более технологических устройств, объемную плотность многофазного технологического флюида на основе расхода, измеренного используя устройство измерения объемного расхода, и на основе характеристики, измеренной используя расходомер Кориолиса.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расход содержит объемный расход, при этом характеристика содержит массовый расход.
3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первая фаза многофазного технологического флюида представляет газовый компонент, а вторая фаза многофазного технологического флюида представляет собой жидкий компонент.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно определяют массовый расход газового компонента на основе определенной объемной плотности.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что дополнительно определяют массовый расход жидкого компонента на основе определенной объемной плотности.
6. Способ по п.3, отличающийся тем, что многофазный технологический флюид содержит влажный газ.
7. Способ по п.2, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют коррекцию измеренного массового расхода на основе определенной объемной плотности.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что дополнительно осуществляют коррекцию определенной объемной плотности на основе скорректированного массового расхода.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерение расхода многофазного технологического флюида с использованием устройства измерения объемного расхода содержит измерение расхода многофазного технологического флюида с использованием вихревого расходомера с телом обтекания.
10. Способ измерения характеристик флюидов, содержащий следующие шаги:
пропускают многофазный технологический флюид через расходомер перепада давления, причем многофазный технологический флюид содержит по меньшей мере первую фазу и вторую фазу;
измеряют расход технологического флюида, как однозвенного флюида, с использованием расходомера перепада давления,
пропускают многофазный технологический флюид через расходомер Кориолиса;
измеряют величину характеристики многофазного технологического флюида, используя расходомер Кориолиса;
при этом измеренная величина включает погрешность, вызванную многофазным технологическим флюидом, проходящим через расходомер Кориолиса;
корректируют измеренную величину характеристики на основе расхода, измеренного используя измеритель дифференциального давления, чтобы вычесть погрешность, и получают скорректированное значение характеристики,
определяют расход первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида на основе скорректированного значения характеристики.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что многофазный технологический флюид содержит влажный газ, при этом указанная первая фаза представляет собой газовый компонент, а вторая фаза представляет собой жидкий компонент.
12. Способ по п.11, отличающийся тем, что измерение расхода многофазного технологического флюида, как однофазного флюида, используя расходомер перепада давления, содержит измерение массового расхода влажного газа, как сухого газа, и измерение характеристики многофазного технологического флюида, используя расходомер Кориолиса, содержит измерение массового расхода влажного газа.
13. Способ по п.12, отличающийся тем, что определение расхода первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида содержит определение многофазного расхода жидкого компонента влажного газа.
14. Способ по п.12, отличающийся тем, что определение расхода первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида содержит определение массового расхода газового компонента влажного газа.
15. Способ по п.12, отличающийся тем, что определение расхода первой фазы или второй фазы влажного газа на основе массового расхода влажного газа, как сухого газа, и массового расхода влажного газа содержит:
определение качества смеси влажного газа, и
осуществление коррекции массового расхода влажного газа на основе качества смеси.
16. Способ по п.15, отличающийся тем, что определение расхода влажного газа на основе массового расхода влажного газа, как сухого газа, и массового расхода влажного газа содержит:
уточнение качества смеси, определенное выше, на основе скорректированного массового расхода.
17. Способ по п.10, отличающийся тем, что расходомер перепада давления содержит диафрагменный расходомер.
18. Способ по п.10, отличающийся тем, что расходомер перепада давления содержит трубку Вентури.
19. Способ по п.10, отличающийся тем, что измерение расхода многофазного технологического флюида, как однофазного флюида, используя расходомер перепада давления, содержит измерение массового расхода многофазного технологического флюида.
20. Способ по п.10, отличающийся тем, что измерение расхода первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида на основе расхода, измеренного с использованием расходомера перепада давления, и на основе характеристики, измеренной с использованием расходомера Кориолиса, содержит:
определение массового расхода первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида.
21. Способ по п.10, отличающийся тем, что измерение значения характеристики многофазного технологического флюида с использованием расходомера Кориолиса содержит определение паросодержания многофазного технологического флюида.
22. Система измерения характеристик флюидов, содержащая
устройство измерения объемного расхода, сконфигурированное для измерения расхода многофазного, проходящего через устройство измерения объемного расхода технологического флюида, содержащего по меньшей мере первую фазу и вторую фазу,
расходомер Кориолиса, отделенный от устройства измерения объемного расхода и сконфигурированный для измерения характеристики многофазного технологического флюида, проходящего через расходомер Кориолиса,
вычислительное устройство, сконфигурированное для определения объемной плотности технологического флюида на основе расхода, измеренного с использованием устройства измерения объемного расхода и характеристики, измеренной с использованием расходомера Кориолиса.
23. Система по п.22, отличающаяся тем, что расход содержит объемный расход, и характеристика содержит массовый расход.
24. Система по п.23, отличающаяся тем, что первая фаза многофазного технологического флюида является газовым компонентом, и вторая фаза многофазного технологического флюида является жидким компонентом.
25. Система по п.24, отличающаяся тем, что вычислительное устройство сконфигурировано для определения массового расхода газового компонента на основе определенной объемной плотности.
26. Система по п.24, отличающаяся тем, что вычислительное устройство сконфигурировано для определения массового расхода жидкого компонента на основе определенной объемной плотности.
27. Система по п.24, отличающаяся тем, что многофазный технологический флюид содержит влажный газ.
28. Система по п.23, отличающаяся тем, что вычислительное устройство сконфигурировано для коррекции измеренного массового расхода на основе определенной объемной плотности.
29. Система по п.28, отличающаяся тем, что вычислительное устройство сконфигурировано для определения объемной плотности на основе скорректированного массового расхода.
30. Система по п.22, отличающаяся тем, что устройство измерения объемного расхода содержит вихревой расходомер с телом обтекания.
31. Система по п.22, отличающаяся тем, что дополнительно содержит трубопровод, соединенный с устройством измерения объемного расхода и с расходомером Кориолиса, при этом трубопровод сконфигурирован для переноса многофазного технологического флюида.
32. Система по п.22, отличающаяся тем, что устройство измерения объемного расхода содержит датчик давления и датчик температуры.
33. Система измерения характеристики флюидов, содержащая
расходомер перепада давления для измерения расхода многофазного технологического флюида, проходящего через расходомер перепада давления, при этом многофазный технологический флюид содержит по меньшей мере первую фазу и вторую фазу, а расходомер перепада давления сконфигурирован для измерения расхода многофазного технологического флюида, как однофазного флюида;
расходомер Кориолиса для измерения величины характеристики многофазного технологического флюида, проходящего через расходомер Кориолиса, причем измеренное значение содержит погрешность, вызванную многофазным технологическим флюидом, проходящим через расходомер Кориолиса,
причем вычислительное устройство сконфигурировано для:
корректировки измеренного значения характеристики на основе расхода, измеренного с использованием расходомера перепада давления, для вычитания погрешности и получения скорректированного значения характеристики,
определения расхода первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида на основе скорректированного значения характеристики.
34. Система по п.33, отличающаяся тем, что многофазный технологический флюид содержит влажный газ.
35. Система по п.34, отличающаяся тем, что
расход многофазного технологического флюида, как однофазного флюида, является массовым расходом влажного газа, как сухого газа, при этом
расходомер перепада давления сконфигурирован для измерения массового расхода влажного газа, как сухого газа, и
характеристики содержит массовый расход влажного газа.
36. Система по п.35, отличающаяся тем, что первая фаза многофазного технологического флюида является жидким компонентом влажного газа, и расход жидкого компонента является массовым расходом, при этом вычислительное устройство сконфигурировано для определения массового расхода жидкого компонента влажного газа.
37. Система по п.35, отличающаяся тем, что вторая фаза многофазного технологического флюида является газовым компонентом влажного газа, и расход компонента является массовым расходом, при этом вычислительное устройство сконфигурировано для определения массового расхода газового компонента влажного газа.
38. Система по п.35, отличающаяся тем, что для определения расхода первой фазы или второй фазы влажного газа на основе массового расхода влажного газа, как сухого газа, и массового расхода газа вычислительное устройство дополнительно сконфигурировано для
определения качества смеси влажного газа и
коррекции массового расхода влажного газа на основе качества смеси.
39. Система по п.38, отличающаяся тем, что для определения расхода влажного газа на основе массового расхода влажного газа, как сухого газа, и массового расхода влажного газа вычислительное устройство дополнительно сконфигурировано для уточнения определенного качества смеси на основе скорректированного массового расхода.
40. Система по п.33, отличающаяся тем, что расходомер перепада давления содержит диафрагменный расходомер.
41. Система по п.33, отличающаяся тем, что расходомер перепада давления содержит трубку Вентури.
42. Система по п.33, отличающаяся тем, что расходомер перепада давления предназначен для измерения массового расхода многофазного технологического флюида.
43. Система по п.33, отличающаяся тем, что расходомер Кориолиса предназначен для измерения паросодержания многофазного технологического флюида.
44. Система по п.33, отличающаяся тем, что вычислительное устройство сконфигурировано для определения массового расхода первой фазы или второй фазы многофазного технологического флюида.
