СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКОМПОНЕНТНОГО РАСХОДА ТРЕХКОМПОНЕНТНОГО ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА, ПРОХОДЯЩЕГО ПО ТРУБОПРОВОДУ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1994 года по МПК G01F5/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода трехкомпонентного потока, в частности к нефтедобывающей отрасли при контроле дебита нефтяных скважин.

Известен способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, включающий измерение его диэлектрической проницаемости с помощью емкостного датчика и плотности с помощью γ -плотномера [1] .

Недостатком этого способа является большая погрешность измерения расхода, обусловленная скольжением фаз потока.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению являются способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкосного потока, проходящего по трубопроводу, включающий предварительную подготовку потока, последовательное измерение его плотности, соотношения фаз и расхода и обработку результатов измерения, и устройство, содержащее узел подготовки потока, устанавливаемые последовательно ему радиоволновый датчик состава жидкой фазы, расходомер и плотномер, и вычислительный блок [2] .

Недостатками этого технического решения являются большие габариты устройства, необходимые для обеспечения качественной сепарации потока, и большая погрешность измерения при неизбежном появлении отложений на стенках первичных преобразователей.

Целью изобретения является повышение точности измерения и уменьшение габаритов устройства.

Цель достигается тем, что в способе измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающем предварительную подготовку потока, последовательное измерение соотношения фаз и расхода и обработку результатов измерения, подготовку потока осуществляют путем его перемешивания мешалкой, вращаемой двигателем, последовательно измеряют момент на валу двигателя и диэлектрическую проницаемость потока, а при обработке результатов измерений определяют относительное содержание жидкости α в потоке из условий
α= , где M^*(t) - максимальный момент на валу двигателя;
M(t) - измеренный момент на валу двигателя;
M_o - момент холостого хода, и расход каждой из фаз по формулам:
Q_o= Q
Q_w= Q
Q_g = Q ˙ ( 1 - α ) , где Q - измеренное значение расхода потока;
ε - измеренное значение диэлектрической проницаемости потока;
Q_g, Q_o, Q_w - значения расхода потока каждого из компонентов;
ε_g , ε_o , ε_w- эффективные диэлектрические проницаемости соответственно газовой и жидких фаз, а в устройстве для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, содержащем устанавливаемые на трубопроводе последовательно узел подготовки потока, радиоволновый датчик состава жидкой фазы и расходомер, и вычислительный блок, узел подготовки потока выполнен в виде активной мешалки с приводом и установленным на ее валу датчиком момента, соединенным с первым входом вычислительного блока, датчик состава жидкой фазы выполнен в виде первичного преобразователя, представляющего собой замкнутый зигзагообразный проводник, размещенный на диэлектрической полой трубе, внутренний диаметр которой равен диаметру трубопровода, и соединен через элементы связи с детектором и перестраиваемым генератором с двумя выходами, при этом первый выход перестраиваемого генератора подсоединен с элементу связи, второй - к входу ключа, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым регистрами, выход которых подключен к второму и третьему входам вычислительного блока, первый вход перестраиваемого генератора соединен с выходом экстремального регулятора, вход которого подключен к выходу детектора, второй вход перестраиваемого генератора соединен к первым выходом тактового генератора, второй выход которого подключен к управляющему входу ключа, а расходомер подсоединен к четвертому входу вычислительного блока, при этом расходомер содержит корпус с проточной камерой, тело обтекания, нагревательный элемент, чувствительный элемент с двухплечевым передающим элементом, прижим, два вторичных преобразователя и блок вычитания, тело обтекания выполнено с внутренней полостью и установлено в камере поперек ее оси, нагревательный элемент размещен во внутренней полости тела обтекания, чувствительный элемент выполнен в виде пластины и консольно закреплен основанием к стенке проточной камеры параллельно телу обтекания в плоскости продольных осей тела обтекания и проточной камеры, передающий элемент выполнен в виде балки с балансиром на одном конце и разжимающейся цангой на другом, размещен вне проточной камеры соосно чувствительному элементу и сопряжен с вторичными преобразователями с помощью прижима, закрепленного в корпусе так, что вторичные преобразователи, установленные параллельно плоскости пластины и соединенные с блоком вычитания, взимодействующим с передающим элементом симметрично относительно его поперечной плоскости, проходящей через продольную ось прижима, при этом прижим контактирует с передающим элементом в местах, расположенных на продольной плоскости передающего элемента, проходящей через центр массы передающего элемента с закрепленными на нем цангой и балансиром, а разжимающаяся цанга размещена в основании чувствительного элемента с возможностью продольного перемещения.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ; на фиг. 2 - структурная схема вычислительного блока; на фиг. 3 - первичный преобразователь радиоволнового датчика состава жидкой фазы; на фиг. 4 - структурная схема расходомера; на фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 4.

Устройство для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока содержит (фиг. 1) последовательно установленные на трубопроводе мешалку 1, первичный преобразователь 2 радиоволнового датчика и вихревой расходомер 3. Мешалка снабжена приводом 4 и датчиком 5 момента. В состав радиоволнового датчика входят также перестраиваемый генератор 6, управляемый экстремальным регулятором 7, соединенным с детектором 8, и тактовым генератором 9, управляющим ключом 10, соединенным с первым регистром 11 и вторым регистром 12. Вычислительный блок 13 своими частотными входами 14-16 (фиг. 2) соединен соответственно с регистрами 11,12 и расходомером 3, а информационным входом M(t) - с датчиком 5 момента.

Вычислительный блок 13 содержит (фиг. 2) блоки 17-19 вычитания, компараторы 20-22, ключи 23-28, делитель 29, интеграторы 30 и 31, умножители 32-47, задатчики 48-50 и сумматоры 51-54.

Первичный преобразователь 2 представляет собой замкнутый зигзагообразный проводник 55 (фиг. 3), уложенный на полой диэлектрической трубе 56, соединенный через элементы 57 связи с генератором 6 и детектором 8.

Расходомер 3 содержит корпус 58 (фиг. 4) с проточной камерой 59, тело 60 обтекания, нагревательный элемент 61, чувствительный элемент 62, двухплечевой передающий элемент 63, прижим 64, два вторичных преобразователя 65, блок 66 вычитания, балансир 67 и разжимающуюся цангу 68.

Для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока необходимо иметь информацию о составе потока и скорости каждой из фаз. В предложенном способе скорости фаз благодаря использованию мешалки одинаковы, что существенно облегчает процедуру измерения. Состав потока может быть определен по измеренному моменту на валу мешалки и значению диэлектрической проницаемости потока. Момент на валу мешалки является мерой содержания газа в потоке в связи с тем, что он зависит от вязкости и плотности перемешиваемого потока. Вязкости жидких фаз и их плотности близки между собой и существенно выше аналогичных параметров газовой фазы. В результате этого момент на мешалке линейно падает с ростом содержания газа. Однако в процессе работы в силу воздействия неблагоприятных факторов (износ подшипников, появление отложений и т. п. ) значение максимального момента изменяется, в связи с чем газосодержание необходимо определять с учетом изменившегося максимального момента. Таким образом, относительное содержание жидкости в потоке α определяется по формуле
α= , (1) где M^*(t) - максимальный момент на валу двигателя;
M(t) - измеренный момент на валу двигателя;
M_o - момент холостого хода.

Диэлектрическая проницаемость потока зависит от соотношения входящих в него веществ и их диэлектрических проницаемостей.

Значение диэлектрической проницаемости потока ε может быть измерено с помощью радиоволнового датчика, причем
ε_g V_g + ε_w V_w + ε_o V_o = ε , (2) где ε_g , ε_o , ε_w - эффективные диэлектрические проницаемости соответственно газовой и жидких фаз. Учитывая, что относительные содержания компонентов связаны соотношением
V_g + V_w + V_o = 1, (3) из выражений (1), (2) и (3) следует, что расход каждого из компонентов может быть определен по формулам:
где Q - измеренное значение расхода потока;
ε - измеренное значение диэлектрической проницаемости потока;
Q_o, Q_w, Q_g - значение расхода потока каждого из компонентов.

Способ реализуется следующим образом. Контролируемый поток проходит по трубопроводу, где подвергается перемешиванию мешалкой 1. В результате этого все компоненты равномерно перемешиваются и приобретают одинаковую скорость, при этом измеряется момент на мешалке. Затем полученный однородный поток последовательно проходит через радиоволновый датчик 2, где измеряется его диэлектрическая проницаемость ε и расходомер 3, где определяют общий расход потока Q. По измеренному моменту на мешалке в соответствии с формулой (1) определяют относительное содержание жидкости в потоке α , после чего по формуле (4) определяют расход каждого из компонентов.

Оценка M^*(t) изменяется во времени при изменении соотношения жидкостных компонентов в потоке, а также при изменении характеристик привода. Для повышения точности измерения α значение оценки M^*(t) непрерывно уточняется. Причем при превышении текущего момента M(t) над оценкой M^*(t) значение последней сразу приравнивается M(t). При M(t) < M^*(t) уменьшение оценки M^*(t) происходит медленно, не быстрее скорости изменения рабочих характеристик привода мешалки. Кроме того, минимальное значение оценки M^*(t) ограничивается M_mf(t). Функция M_mf(t) также отслеживает изменение текущего момента M(t), но скорость уменьшения M_mf(t) не превышает скорости изменения соотношения жидкостных компонентов в потоке. M^*(t)= T(t)+M_mg(t)= M(t) T₉= T(t)+M_mf(t)= 0,9·M(t) T_f= где T_g1 = T_f1 = 1 c - постоянная времени фильтра;
T_g2 = 12 ч - постоянная времени фильтра, соответствующая скорости изменения рабочих характеристик привода мешалки;
T_f2 = 36 с - постоянная времени фильтра, соответствующая скорости изменения соотношения жидкостных компонентов в потоке.

Исходя из этого и определяется текущее значение M^*(t): сигнал, соответствующий измеренному значению момент M(t), поступает на блок 17 вычитания первого фильтра, через умножитель 36 на блок вычитания второго фильтра и на делитель 29 в качестве делимого. В качестве делителя используется сигнал с выходов одного из фильтров. Если сигнал с выхода первого фильтра больше сигнала с выхода второго, то логические сигналы с выходов компаратора 21 открывают ключ 25 и закрывают ключ 26, разрешая при этом прохождение на вход делителя сигнала с выхода первого фильтра. В противном случае на вход делителя поступает сигнал с выхода второго фильтра. Постоянные времени фильтров зависят от соотношения сигналов на их входах и выходах. Если, например, входной сигнал первого фильтра превышает его выходной сигнал, то логические сигналы с выходов компаратора 20 открывают ключ 24 и закрывают ключ 23, обеспечивая тем самым прохождение сигнала через умножитель 35, что соответствует постоянной времени фильтра T_g1. В противном случае сигнал проходит через умножитель 32, в результате чего устанавливается постоянная времени фильтра T_g2. Во втором фильтре аналогичные функции выполняют компаратор 18, ключи 28, 27 и умножители 33, 34. Открытый ключ 28 соответствует постоянной времени T_f1, а открытый ключ 27 - постоянной времени T_f2. В результате этого на выходе делителя 29 формируется сигнал α .

При прохождении потока через первичный преобразователь 2 происходит измерение его диэлектрической проницаемости ε следующим образом. Замкнутый зигзагообразный проводник 55, уложенный на пустотелой диэлектрической трубе 56, является радиоволновым резонатором, частоты которого зависят от ε - диэлектрической проницаемости проходящего по трубе потока. При этом, как показали исследования, при использовании первого и второго типов колебаний этого резонатора оказывается, что и при наличии отложений на стенках диэлектрическая проницаемость потока и величина отложений d могут быть определены по формулам где f₁ и f₂ - соответственно частоты первого и второго типов колебаний резонатора;
K₁, K₂, K₃, K₄, K₅, K₆ - константы, определяемые при тарировке.

Перестраиваемый генератор 6 поддерживает частоту генерации, равную резонансной, поскольку сигнал, снимаемый с детектора 8, имеет экстремум на резонансной частоте, а экстремальный регулятор 7, управляя работой генератора 6, поддерживает эту частоту. Тактовый генератор 9 выдает последовательность тактовых импульсов, которые перебрасывают генератор 6 в области первой и второй резонансных частот и одновременно поочередно подключают выход генератора 6 через ключ 10 к регистрам 11 и 12, где запоминаются значения частот f₁ и f₂, которые поступают на вычислительный блок 13. Умножители 37, 39, задатчик 49 и сумматор 51 производят вычисление ε , а умножители 38,40, задатчик 49 и сумматор 52 - вычисление d согласно соотношениям (5).

Расходомер 3 работает следующим образом. Измеряемый поток подается в проточную камеру 59. Тело 60 обтекания, установленное в проточной камере поперек ее оси, генерирует вихри, частота которых прямо пропорциональна расходу потока, которые взаимодействуют с чувствительным элементом 62, выполненным в виде пластины и закрепленным основанием к стенке проточной камеры в плоскости продольных осей тела обтекания и проточной камеры, вызывая изгибные деформации чувствительного элемента в направлении, перпендикулярном указанной плоскости. При этом деформируется и передающий элемент 63, выполненный в виде балки и сопряженный с вторичными преобразователями 65 с помощью прижима 64, так как закрепленная на его конце разжимающаяся цанга 68 размещена в основании чувствительного элемента. Два одинаковых вторичных преобразователя, взаимодействующие с передающим элементом симметрично относительно его поперечной плоскости, проходящей через продольную ось прижима, преобразуют частотные сигналы деформации передающего элемента, поступающие на них в противофазе с равными амплитудами, в соответствующие им сигналы другого рода энергии, например электрические, которые поступают на входы блока 66 вычитания, формирующего выходной сигнал расходомера.

Конструкция расходомера позволяет повысить точность и надежность измерения расхода потоков при воздействии таких неблагоприятных факторов, как вибрация трубопровода, высокие уровни давления и пульсации давления измеряемой среды, широкий диапазон изменения температуры измеряемой среды, наличие в измеряемой среде легкоплавких веществ, способных налипать на элементы расходомера.

Так, благодаря тому, что передающий элемент выполнен в виде балки с балансиром на одном конце и разжимающейся цангой на другом и сопряжен с двумя вторичными преобразователями с помощью прижима, закрепленного в корпусе и фиксирующего положение передающего элемента так, что вторичные преобразователи взаимодействуют с передающим элементом симметрично относительно его поперечной плоскости, проходящей через продольную ось прижима, при этом прижим контактирует с передающим элементом в местах, расположенных на продольной плоскости передающего элемента, проходящей через центр массы передающего элемента с закрепленными на нем цангой и балансиром, а вторичные преобразователи соединены с блоком вычитания, повышается точность расходомера из-за уменьшения влияния вибрационных помех на выходной сигнал.

Так как чувствительный элемент связан с вторичными преобразователями с помощью передающего элемента с разжимающейся цангой на конце, который при этом размещен вне проточной камеры соосно чувствительному элементу, а разжимающаяся цанга размещена в основании чувствительного элемента с возможностью продольного перемещения, повышается точность и надежность расходомера при измерении расходов потоков с высокими уровнями давления, пульсациями давления в широком диапазоне изменения температур.

Выполнение тела обтекания с внутренней полостью, в которой размещен нагревательный элемент, препятствует возникновению отложений на теле обтекания при измерении потоков с наличием в них легкоплавких веществ, способных налипать на элементы расходомера, что повышает точность измерения.

Сигнал с расходомера 3 поступает на умножитель 47, с которого снимаются сигналы, пропорциональные величине Q. В свою очередь умножитель 41 умножает ε на 1/( ε_w - ε_o ); умножитель 42 умножает α на ( ε_w - ε_g )/ ( ε_w - ε_o ) ; умножитель 43 умножает α на ( ε_g - ε_o )/ ( ε_w - ε_o ) ; задатчик 50 формирует сигнал ε_g /( ε_w - ε_o ) ; сумматоры 53 и 54 суммируют поступающие на них сигналы, а блок 19 вычитания формирует сигнал (1- α ), которые после умножения с соответствующими сигналами, поступающими на умножители 44-46, дают результат, соответствующий формуле (4). (56) 1. K. H. Frantzen, E. Dykesteen. Field Experience Wiht the CM1 Multi-phose Fraction Weter Paper 3.3. North Sea Flow Measurement Work spop 1990. National Engineering laboratory, East Kilbride, Glasgow, 1990.

2. Подводный трехфазный расходомер. Нефть, газ и нефтехимия за рубежом. 1989, N 9, с. 44-45.

Использование: в измерительной технике для измерения расхода трехкомпонентного потока. Сущность изобретения: способ измерения включает предварительное перемещение трехкомпонентного потока мешалкой, вращаемой двигателями, измерение момента на валу двигателя и диэлектрической проницаемости при помощи радиоволнового датчика, определение относительного содержания жидкости по измеренному моменту и опреление расхода каждой из фаз по формулам. Устройство состоит из последовательно установленных на трубопроводе мешалки, первичного преобразователя, радиоволнового датчика и вихревого расходомера. Мешалка снабжена приводом и датчиком момента. В состав радиоволнового датчика входят перестраиваемый генератор, управляемый экстремальным регулятором, соединенным с детектором, и тактовым генератором, одновременно управляющим ключом, соединенным с первым и вторым регистрами. Датчик момента, регистры и выход расходомера соединены с вычислительным блоком. В состав вычислительного блока входят блоки вычитания, компараторы, ключи, делитель, интеграторы, умножители, задатчики и сумматоры. 2 з. п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, включающий предварительную подготовку потока, последовательное измерение соотношения фаз и расхода и обработку результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения, подготовку потока осуществляют путем его перемешивания мешалкой вращаемой двигателем, последовательно измеряют момент на валу двигателя и диэлектрическую проницаемость потока, а при обработке результатов измерений определяют относительное содержание жидкости a в потоке из условий
a=
где M^*(t) - максимальный момент на валу двигателя;
M (t) -измеренный момент на валу двигателя;
M_о - момент холостого хода,
и расход каждой из фаз по формулам
Q_o= Q
Q_w= Q
Q_g = Q (1 - a),
где Q - измеренное значение расхода потока;
ε - измеренное значение диэлектрической проницаемости потока;
Q_g, Q_o, Q_w - значение расхода потока каждого из компонентов;
ε_g, ε_o, ε_w - эффективные диэлектрические проницаемости соответственно газовой и жидких фаз. 2. Устройство для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентного газожидкостного потока, проходящего по трубопроводу, содержащее устанавливаемые на трубопроводе последовательно узел подготовки потока, радиоволновый датчик состава жидкой фазы и расходомер, и вычислительный блок, отличающееся тем, что, с целью уменьшения габаритов и повышения точности измерения, узел подготовки потока выполнен в виде активной мешалки с приводом и установленным на ее валу датчиком момента, соединенным с первым входом вычислительного блока, датчик состава жидкой фазы выполнен в виде первичного преобразователя, предоставляющего собой замкнутый зигзагообразный проводник, размещенный на диэлектрической полой трубе, внутренний диаметр которой равен диаметру трубопровода, и соединен черех элементы связи с детектором и перестраиваемым генератором с двумя выходами, причем первый выход перестраиваемого генератора подсоединен к элементу связи, второй - к входу ключа, выходы которого соединены соответственно с первым и вторым регистрами, выходы которых подключены к второму и третьему входам вычислительного блока, первый вход перестраиваемого генератора соединен с выходом экстремального регулятора, вход которого подключен к выходу детектора, второй вход перестраиваемого генератора соединен с первым выходом тактового генератора, второй выход которого подключен к управляющему входу ключа, а расходомер подсоединен к четвертому входу вычислительного блока. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и надежности измерения при воздействиях неблагоприятных факторов, расходомер содержит корпус с проточной камерой, тело обтекания, нагревательный элемент, чувствительный элемент с двуплечим передающим элементом, прижим, два вторичных преобразователя и блок вычитания, причем тело обтекания выполнено с внутренней полостью и установлено в камере поперек ее оси, нагревательный элемент размещен во внутренней полости тела обтекания, чувствительный элемент выполнен в виде пластины и консольно прикреплен основанием к стенке проточной камеры в плоскости продольных осей тела обтекания и проточной камеры, передающий элемент выполнен в виде балки с балансиром на одном конце и разжимающейся цангой на другом, размещен вне проточной камеры соосно с чувствительным элементом и сопряжен с вторичными преобразователями с помощью прижима, закрепленного в корпусе так, что вторичные преобразователи, установленные параллельно плоскости пластины и соединенные с блоком вычитания, взаимодействуют с передающим элементом симметрично относительно его поперечной плоскости, проходящей через продольную ось прижима, при этом прижим контактирует с передающим элементом в местах, расположенных на продольной плоскости передающего элемента, проходящей через центр массы передающего элемента с закрепленными на нем цангой и балансиром, а разжимающаяся цанга размещена в основании чувствительного элемента с возможностью продольного перемещения.