СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ Российский патент 1998 года по МПК G01F1/66 G01F1/76 

Изобретение относится к методам бесконтактного измерения.

Известен способ измерения массового расхода двухфазных сред (Кремлевский П. П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, 1982 г.), основанный на одновременном измерении средней скорости потока и его плотности. При его реализации скорость определяется акустическим методом, основанном на непрерывном излучении через движущуюся среду двух ультразвуковых (УЗ) сигналов в противоположных направлениях и в сравнении разности фаз сигналов, которая пропорциональна скорости потока. Плотность потока измеряется радиоизотопным методом, основанном на измерении ослабления β-излучения.

Известен способ бесконтактного определения массового расхода нефтегазовой смеси (Roach G.I. et al. Muitphase Flowmeter for Oil Water a Gas by Dual Energy Gamma-Ray Transmission. Nucl. Geophys. vol. 8, N 3, p. 225, 1994), основанный на регистрации ослабления пучка прямого гамма-излучения от радионуклидных источников и использующий взаимно корреляционный метод для измерения скорости потока. Погрешность определения массового расхода указанным способом составляет 8,9% для нефти, 6,2% для газа, что также не может быть достаточно высокую точность измерений.

Недостатком ультразвуковых методов бесконтактного измерения расхода является сравнительно невысокая точность измерений (около 2%) (см., например, Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989 г.).

Техническим результатом предлагаемого способа является повышенная точность бесконтактных измерений массового расхода (около 0,3%), достигающаяся за счет измерения плотности жидкости, учета эпюры скоростей потока перекачиваемой среды, учета доли газовой фракции в среде перекачиваемого продукта, учета геометрического фактора предварительным одноразовым сканированием соответствующего участка трубопровода, применением корреляционного метода обработки данных. Техническим результатом является также и то, что способ дает возможность оперативно определять тип или марку перекачиваемого продукта. Технический результат заключается также в существенном повышении надежности измерения массового расхода, так как плотность среды измеряется одновременно по скорости звука и ослаблению интенсивности потока гамма-квантов.

Повышенная точность достигается дополнительной многоканальной обработкой полученных значений скорости движения среды корреляционным методом с высокой частотой опроса (до 10 Гц), а также за счет предварительного одноразового сканирования измерительного участка трубопровода с определением его площади поперечного сечения.

Пространственное ультразвуковое поле формируют в виде по крайней мере трех ультразвуковых лучей в трех разных плоскостях по потоку жидкости, производят соответственно три измерения скорости среды, учитывая тем самым непостоянство по сечению трубопрвода эпюры скоростей.

Кроме того, формируют четвертый ультразвуковой луч, направленный перпендикулярно потоку среды, и производят одновременное измерение скорости звука в перекачиваемой среде и измерение затухания интенсивности потока гамма-излучения в среде и по полученным данным судят о типе перекачиваемой среды, в частности о марке нефтепродукта. Измерения по "прямому" лучу (d-d), перпендикулярному оси трубопровода, свободны от некоторых погрешностей, возникающих из-за неточного знания геометрических параметров, закладываемых в ультразвуковой расхдомер. По прямому лучу d-d совершаются коррекции заложенных в ультразвуковой расходомер геометрических параметров трубопровода так, чтобы измерения скорости звука по лучам a-a, b-b, c-c систематически не уклонялись друг от друга.

За счет выделения флюктуирующих частей сигналов многоканального ультразвукового расходомера появляется еще один многоканальный (корреляционный) расходомер. Для реализации необходимо, чтобы сигналы УЗ-расходомера опрашивались с достаточно высокой частотой и представлялся достаточно большим числом цифровых разрядов. Все измерения физических параметров в данном способе производятся с частотой 10 Гц и разрядностью цифрового представления, обеспечивающей точность по любому из параметров не хуже 0,2%.

Кроме того, в УЗ-канале заложены измерения числа сбойных событий, зарегистрированных при измерениях времени прохода УЗ-лучом расстояния между парой УЗ-головок за время Δt(ξ1, ξ2, ξ3 - троированные измерения, полученные по каждому из УЗ-лучей). Случайные процессы ξ1, ξ2, ξ3 должны коррелировать с измерениями доли газовой фазы - ϕ, так как сбои УЗ-расходомера происходят из-за наличия газовых включений в потоке перекачиваемой жидкости. Эти корреляции должны увеличить достоверность вывода о наличии в данный момент в трубопроводе газовой фазы.

Локальные флюктуации скорости потока возникают из-за турбулентных вихрей, которые перемещаются в потоке со средней скоростью, близкой к средней скорости потока. При турбулентном режиме течения потока, скорость перемещения турбулентных вихрей, как протяженных в поперечном направлении трубопровода пространственных образований, мало зависит от эпюры скоростей потока и числа Рейнольдса.

Таким образом имеются два класса измерений средней скорости потока - детерминированный - Vda

, Vdb, Vdc и корреляционный - Vka-b, Vkb-c, Vka-c. Каждый класс содержит свои закономерности по систематическим и случайным погрешностям измерений средней скорости. Результирующая средняя скорость потока, является линейным преобразованием всех шести измерений

Коэффициенты (A, B, C, D, E, F) минимизируют случайные погрешности и "взвешивают" измерения в соответствии с их точностной ценностью, а систематические погрешности каждого из методов компенсируются параметрами ΔV ... . Их численное значение определяется в калибровочных, метрологических условиях на эталонном проливочном стенде.

Предварительное одноразовое сканирование сечения трубопровода осуществляют гамма- и ультразвуковым излучением с погрешностью не хуже 0,1%.

Таким образом, с помощью гамма-поля радиоактивного источника в гамма-плотномере измеряются два параметра, каждый не хуже, чем 0,1%: ρ - плотность жидкости и ϕ - доля газовой фракции. В многолучевом ультразвуковом расходомере измеряются: скорость звука в перекачиваемой жидкости (C1, C2, C3 - троированные измерения) и скорости перекачиваемой жидкости (V1, V2, V3 - три измерения скорости в трех продольных сечениях). По измерениям V1, V2, V3 вычисляется интегральная скорость V, которая учитывает непостоянство по сечению трубопровода эпюры скоростей, за счет чего точность параметра V - не хуже 0,2%. Массовый расход вычисляется по формуле
Q = ρ•V•(1-ϕ)•S,
где S - поперечное сечение трубопровода.

В результате указанная совокупность и последовательность действий и приемов в процессе измерения расхода перекачиваемой среды позволяет достигнуть указанные технические результаты.

На чертеже показаны размещения источников и детектора гамма-плотномера и типичный вариант размещения приемопередающих ультразвуковых головок при реализации данного способа.

Способ осуществляется следующим образом.

Перекачиваемая среда 1 по трубопроводу 2 сканируется гамма- и ультразвуковыми излучениями с помощью соответственно гамма-плотномера 6 и многолучевого ультразвукового расходомера 9. Все измерения физических параметров перекачиваемой среды 1 (плотность - ρ , скорости в трех сечениях V1, V2, V3, интегральная скорость - V, троированные измерения скорости звука С1, С2, С3, объемная доля газовой фракции - ϕ) обрабатываются как традиционными (детерминированными) методами, так и статистическими (корреляционными) методами.

Пример реализации способа.

Три пары приемоизлучающих ультразвуковых головок 7 (a-a, b-b, c-c на чертеже) расположены в трех плоскостях, параллельных оси симметрии трубопровода 2 диаметром до 530 мм и проходящих соответственно через диаметр и две хорды поперечного сечения трубопровода. В продольном направлении перечисленные пары головок разнесены на расстоянии L₁ и L₂. Такое расположение позволяет, с одной стороны, восстановить реальную эпюру скоростей потока, что минимизирует погрешность вычисления интегральной скорости V = F(V_a, V_b, V_c), с другой стороны - позволяет оценивать взаимным корреляционным методом три времени транспортного запаздывания T_1,1, T_1,2, T_1,1+1,2. Эти времена при известных расстояниях L₁ и L₂ используются для уточнения интегральной скорости V. При этом многоканальную обработку полученных значений скорости среды по трубопроводу корреляционным методом производят на частоте опроса 10 Гц. Усредненная скорость звука по таблице соответствия C ⇔ ρ , где ρ - плотность перекачиваемой среды 1, используется для определения марки продукта (нефть, бензины, мазут, дизельное топливо).

Измерения плотности перекачиваемого продукта - ρ и доли газовой фракции - ϕ с погрешностями не хуже, чем 0,1%, производится гамма-плотномером. Он состоит из трех источников гамма-излучения 4 с изотопом цезий-137 активностью 10⁹ Бк и блока детектирования 3 на сцинтилляционном кристалле NaJ(Ti) размером ⊘63×63 мм (см. чертеж). Вычисления параметров ρ и ϕ производятся известным методом (см., например, M.D. Rebgetz, J.S. Watt, Determination of the Volume Fractions of Oil, Water and Gas by Dual Energy Gamma-ray Transmission, Nucl. Geophys. v. 5, N 4, p. 479 - 490, 1991). Метод основан на регистрации ослабления прямого гамма-излучения от источника "f" с энергией 661 кэВ и гамма-излучения от двух источников "e-e" в "мягком" энергетическом диапазоне энергией до 400 кэВ. Известное расстояние L₃ от плоскости гамма-сканирования до ближайшей пары ультразвуковых головок "c-c" используется для вычисления времени транспортного запаздывания T_L3 из взаимной корреляционной функции между флюктуациями скорости и флюктуациями плотности перекачиваемой среды. По времени T_L3 уточняется значение интегральной скорости потока V.

Этот же гамма-плотномер совместно с ультразвуковым толщиномером применяется для одноразового предварительного сканирования участка трубопровода с целью измерения его поперечного сечения (S). Таким образом точность измерения массового расхода Q = ρ•V•(1-ϕ)•S в числовом выражении составит величину не более 0,3%.

Сущность изобретения: через перекачиваемую среду пропускают несколько ультразвуковых лучей по крайней мере в трех разных плоскостях по потоку и одновременно проводят γ-сканирование среды. Измеряют скорости среды V₁, V₂, V₃ в этих плоскостях, по которым вычисляют интегральную скорость потока V. По затуханию интенсивности потока γ-излучения и измерений скорости звука C₁, C₂, C₃ вычисляют плотность среды, а также определяют тип или марку перекачиваемого продукта. С помощью одноразового предварительного сканирования γ-излучением определяют площадь сечения измерительного участка. 1 ил.

Способ измерения расхода нефти и нефтепродуктов путем излучения и приема ультразвуковых импульсов по нескольким акустическим каналам по и против потока перекачиваемой среды, с последующим вычислением интегральной скорости потока, плотности среды и объемной доли газовой фракции, отличающийся тем, что осуществляют одноразовое сканирование геометрических размеров измерительного сечения трубопровода γ-излучением или ультразвуковым излучением, создают пространственное ультразвуковое поле в виде по крайней мере трех ультразвуковых лучей в трех разных плоскостях по потоку перекачиваемой среды и производят три измерения скорости среды v₁, v₂, v₃ в этих плоскостях, по которым вычисляют интегральную скорость потока, при этом одновременно с формированием ультразвукового поля проводят непрерывное γ-сканирование среды, измеряют затухание интенсивности потока γ-излучения и скорость звука c₁, c₂, c₃ и по полученным данным вычисляют плотность перекачиваемой среды.