СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА Российский патент 1997 года по МПК G01N9/36 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к способам измерения параметров газожидкостных потоков, таких как плотность газожидкостной смеси, плотность жидкости, объемная доля свободного газа, и может быть использовано в нефтяной промышленности на узлах учета товарной нефти и в других отраслях промышленности для исследований и контроля параметров двухфазных газожидкостных потоков в различных технологических процессах.

Известны способы измерения плотности жидких сред, средней плотности смеси, объемной доли свободного газа (истинного объемного газосодержания) газожидкостных потоков, основанные на облучении контролируемого объема узким (широким) лучом ионизирующего излучения и регистрации прошедшего через контролируемую среду прямого (рассеянного) излучения. При этом об измеряемых параметрах контролируемой среды судят по величине потока регистрируемого излучения. (Гарт Г. Радиоизотопное измерение плотности жидкостей и бинарных систем. М. Атомиздат, 1975, с. 106-109, Гольдин М.Л. Теоретические основы измерительной техники фотонного излучения, М. Энергоатомиздат, 1985, с. 60-64, 69).

При использовании узких коллимированных пучков излучения и детекторов с малыми по сравнению с контролируемым объектом размерами рассеянные гамма-кванты практически не регистирируются детектором. В случае широкого пучка детектор регистрирует как первичное излучение, так и вторичное, т.е. рассеянное.

Преимущество радиоизотопных способов контроля параметров газожидкостных потоков в их бесконтактности. При их применении не нарушается структура потока газожидкостной смеси.

Однако известные методы имеют и недостатки. Так, например, при измерении объемной доли свободного газа необходимо знать плотность жидкости и отслеживать ее изменения в ходе измерений. Разнообразие структур газожидкостных потоков обуславливает различные пространственные распределения газа и жидкости в трубопроводе и влечет необходимость в контролировании всего сечения. Кроме того, флуктуации плотности контролируемой среды, характерные для газожидкостных потоков, создают дополнительную погрешность измерений за счет так называемого "динамического смещения".

Эти обстоятельства учтены в способе измерения истинного объемного газосодержания в газожидкостных потоках [1] являющимся по совокупности признаков наиболее близким к заявляемому способу. В нем, также как и в заявляемом способе, облучают контролируемую среду в поперечном сечении трубопровода узким пучком ионизирующего излучения, регистрируют прямое излучение, прошедшее через контролируемую среду, формируют соответствующий сигнал в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группируют отсчеты в выборке заданного объема, определяют значения структурной функции, однозначно связанной с автокорреляционной, и сравнивают их с пороговым значением. В этом способе контролируемый объем (поперечное сечение трубопровода) разделяют на элементарные объемы (хорды), при этом операции, описанные выше, выполняют для каждого контролируемого объема, а значение плотности жидкой фазы определяют как значение средней плотности контролируемой среды в элементарных объемах, в которых структурная функция равна нулю.

Как видно из изложенного, в этом способе необходимо просвечивать гамма-излучением каждый элементарный контролируемый объем. Для этого в процессе измерения источник и детектор излучения перемещают относительно поперечного сечения трубопровода. Это приемлемо при разовых измерениях в процессе исследований газожидкостных потоков, но практически не подходит для непрерывных измерений в процессе промышленной реализации способа.

В нефтяной промышленности на узлах учета нефти нефтеперекачивающих станций необходимо выполнять измерения как плотности нефти, так объемной доли свободного газа, находящегося в потоке товарной нефти. Причем способ измерения должен обеспечивать приемлемые эксплуатационные характеристики средства измерения. Так необходимость перемещения источника и детектора излучения относительно поперечного сечения трубопровода, длительное время измерения и большая трудоемкость существенно снижают эксплуатационные характеристики известного способа.

Необходимый технический результат, заключающийся в повышении эксплуатационных характеристик, достигается в предлагаемом способе измерения параметров газожидкостного потока путем облучения контролируемой среды узким пучком ионизирующего излучения, регистрации прямого излучения, прошедшего через контролируемую среду, формирования соответствующего ему сигнала в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группировании отсчетов в выборки заданного объема, определении значений автокорреляционной функции по полученным выборкам и сравнения их с пороговым значением, а также дополнительного облучения контролируемой среды по крайней мере одним пучком ионизирующего излучения, направленным под углом к узкому, регистрации излучения, рассеянного контролируемой средой, и формировании соответствующего ему сигнала, по которому определяют плотность газожидкостной смеси. При этом выборки, по которым определяют значения автокорреляционной функции, группируют из исходной последовательности отсчетов путем скольжения по ней окном фиксированной ширины, причем скольжение осуществляют, сдвигая окно для каждой выборки на один отсчет, а далее формируют из исходной последовательности дополнительную по условию, что значения автокорреляционных функций всех выборок, в которые входит отсчет, не превышают порогового значения и по этой последовательности определяют плотность жидкости.

Угол между узким и широкими пучками ионизирующего излучения выбирается исходя из конкретных условий измерения и конструктивных требований.

В предлагаемом частном случае контролируемую среду облучают по хорде поперечного сечения трубопровода двумя встречными широкими пучками ионизирующего излучения, а узкий пучок направляют по диаметру поперечного сечения, перпендикулярному указанной хорде.

Положение указанной хорды определяют в процессе градуировки устройства, реализующего способ, исходя из условия получения требуемого вида функции преобразования.

Дополнительное обучение контролируемой среды широким пучком ионизирующего излучения и регистрация рассеянного излучения обеспечивают измерение плотности газожидкостной смеси во всем сечении трубопровода без перемещений источника и детектора излучения.

При определении плотности жидкости по ослаблению узкого пучка прямого излучения и при применении предложенных операций обработка сигнала, соответствующего зарегистрированному излучению, также не требуется перемещать источник и детектор в процессе измерений.

Возможность измерения плотности жидкости предлагаемым способом следует из установленной авторами экспериментально и подтвержденной теоретически особенности течения газожидкостной смеси с малым содержанием свободного газа. Эта особенность состоит в том, что при движении смеси по трубопроводу, не имеющему местных гидравлических сопротивлений, свободный газ группируется в скоплении мелких пузырей. Эти скопления разделены пробками чистой от газа жидкости.

Предложенная процедура обработки сигнала позволяет обнаруживать пробки жидкости и измерять плотность жидкости в момент прохождения таких пробок.

Таким образом, заявляемый способ измерения позволяет отказаться от перемещения источника и детектора излучения. За счет этого уменьшается время измерения, снижается трудоемкость способа, т.е. улучшаются его эксплуатационные характеристики, что и является искомым техническим результатом.

Что касается третьего измеряемого параметра газожидкостного потока - объемной доли свободного газа, то, зная плотность газожидкостной смеси и плотность жидкости без газа, ее определяют по известному соотношению

где Φ объемная доля свободного газа;
r_см плотность газожидкостной смеси;
ρ_ж плотность жидкости.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ.

Это устройство содержит блоки источников излучения (БИИ) 1-3, блок детектирования (БД) 4 и вычислительное устройство (ВУ) 5. БИИ 1 и БД расположены с противоположных сторон трубопровода 6 по его диаметру. БИИ 2 и 3 расположены также с противоположных сторон трубопровода по хорде, перпендикулярной указанному диаметру.

С помощью БИИ 1 контролируемую среду облучают узким пучком ионизирующего излучения. Для этого БИИ 1 включает в себя коллиматор, формирующий узкий пучок. Одновременно контролируемую среду облучают широким пучком ионизирующего излучения от БИИ 2, охватывающего все сечение трубопровода.

В частном случае с целью создания более равномерного поля облучения и повышения точности измерения контролируемую среду облучают встречным широким пучком ионизирующего излучения от БИИ 3. При этом от БИИ 2 и 3 на детектор БД попадает излучение, рассеянное контролируемой средой и стенками трубопровода.

С помощью БД прямое и рассеянное излучения регистрируют и формируют соответствующие сигналы. Для этого в БД предусмотрено несколько, по крайней мере два, энергетических окон регистрации ионизирующего излучения. При регистрации излучения в двух энергетических окнах, когда в качестве источников применяют радионуклиды на основе Цезия-137, регистрацию прямого излучения осуществляют в диапазоне энергий свыше 550 кэV, а регистрацию рассеянного в диапазоне от 30 до 550 кэV. БД при этом имеет два выхода, условно обозначаемые на фигуре "30" и "550", на которые поступают сигналы в виде последовательности электрических импульсов, нормированных по амплитуде и длительности.

Последовательности импульсов с выходов БД поступают в ВУ 6. С помощью ВУ выполняют следующие операции:
формируют соответствующие исходные сигналы в виде последовательности отсчетов импульсов в фиксированные моменты времени;
группируют отсчеты в выборки заданного объема, при этом выборки из исходной последовательности отсчетов, соответствующей прямому излучению, группируют путем скольжения по ней окном фиксированной ширины, причем скольжение осуществляют, сдвигая окно для каждой выборки на один отсчет;
по выборкам, сгруппированным из отсчетов, соответствующих рассеянному излучению, определяют плотность газожидкостной смеси по градуировочной зависимости;
по выборкам, сгруппированным из отсчетов, соответствующих прямому излучению, определяют значения АКФ;
сравнивают значение АКФ с пороговым значением, определяемым при градуировке устройства, реализующего способ;
формируют дополнительную последовательность из отсчетов по условию, что значение АКФ всех выборок, в которые входит данный отсчет и число которых определяется шириной окна, не превышают порогового значения;
по выборке, сгруппированной из отсчетов дополнительной последовательности, определяют плотность жидкости по градуировочной зависимости;
определяют объемную долю свободного газа по известному соотношению (1).

При конкретной реализации способа на трубопроводе диаметром 250 мм контролируемую среду облучают с помощью трех стандартных БИИ, заряженных радионуклидом Цезий-137 активностью порядка 6,0•10⁹ Бк. В коллимационный канал БИИ, расположенного по диаметру трубопровода, вставлен дополнительный коллиматор, формирующий узкий пучок гамма-излучния. БИИ, предназначенные для облучения широким пучком, размещены с противоположных сторон трубопровода по хорде, перпендикулярной упомянутому диаметру и отстоящей от края трубопровода на 70 мм.

Прямое и рассеянное излучения регистрируют с помощью БД, включающего в себя сцинтиляционный счетчик гамма-излучения на основе кристалла NAJ(T1) размером ⊘ 30х63 и фотоэлектронного умножителя ФЭУ-115. Установив в счетчике соответствующие пороги, гамма-кванты регистрируют в энергетических окнах, указанных ранее и соответствующих прямому и рассеянному излучениям.

В качестве ВУ применено специализированное устройство на базе микропроцессорной серии К 580. Дискретные отсчеты формируются из входных импульсов БД длительностью 0,5 мкс за промежутки времени порядка 6 мс через 1 мс. Объем выборки для определения АКФ (фиксированная ширина окна) выбирался в диапазоне от 30 до 70 отсчетов. Объем массива отсчетов, по которому осуществлялось скольжение, равен 250. Объем для определения измеряемых величин устанавливается в зависимости от требуемой точности измерения.

Экспериментальное опробование способа, приведенное на барботажной метрологической установке в диапазоне изменения объемной доли свободного газа от 0 до 0,03 отн.ед. подтвердило его работоспособность. Оценка приведенной погрешности измерения объемной доли свободного газа составила 0,2%

Использование: изобретение предназначено для использования на узлах учета товарной нефти для измерения объемной доли свободного газа и плотности чистой нефти без газа непосредственно в потоке нефти. Сущность: способ заключается в облучении газожидкостного потока узким и по крайней мере одним широким пучком ионизирующего излучения, регистрации прямого и рассеянного излучений, прошедших через контролируемую среду, формировании соответствующих им сигналов в виде дискретных отсчетов и группировании отсчетов и выборки заданного объема. По выборке, соответствующей рассеянному излучению, определяют плотность газожидкостной смеси. По выборкам, соответствующим прямому излучению, определяют значения автокорреляционной функции, причем эти выборки группируют из исходной последовательности отсчетов путем скольжения по ней окном фиксированной ширины, сдвигая окно на один отсчет для каждой выборки. Далее формируют дополнительную последовательность отсчетов по условию, что значения автокорреляционной функции всех выборок, в которые входит отсчет, не превышают порогового значения и по этой последовательности определяют плотность жидкости. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения параметров газожидкостного потока путем его облучения узким пучком ионизирующего излучения, регистрации прямого излучения, прошедшего через контролируемую среду, формирования соответствующего ему информационного сигнала в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группирования отсчетов в выборки заданного объема, определения значений автокорреляционной функции по полученным выборкам и сравнения их с пороговым значением, отличающийся тем, что дополнительно облучают контролируемую среду по крайней мере одним широким пучком ионизирующего излучения, направленным под углом к узкому, регистрируют излучение, рассеянное контролируемой средой, формируют соответствующий ему сигнал, по которому определяют плотность газожидкостной смеси, а выборки, по которым определяют значения автокорреляционной функции, группируют из исходной последовательности отсчетов путем скольжения по ней окном фиксированной ширины, причем скольжение осуществляют, сдвигая окно для каждой выборки на один отсчет, далее формируют из исходной последовательности отсчетов дополнительную по условию, что значения автокорреляционных функций всех выборок, в которые входит отсчет, не превышают порогового значения, и по этой последовательности отсчетов определяют плотность жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что контролируемую среду дополнительно облучают по хорде поперечного сечения трубопроводов двумя встречными широкими пучками излучения, а узкий пучок направляют по диаметру поперечного сечения, перпендикулярному указанной хорде.