МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА Российский патент 1999 года по МПК G01F1/74 G01F1/86 

Изобретение относится к устройствам для измерения расхода газожидкостных потоков и может использоваться для измерения массового расхода жидкой фазы газонефтеводяного потока в нефтяной промышленности и в других отраслях промышленности для исследования, измерений и контроля параметров газожидкостных потоков.

Известны устройства для измерения пофазного расхода потока газоводонасыщенной нефти, содержащие сепаратор и расходомеры жидкости и газа, включенные в разделенные потоки нефти и газа [Акимов В.Г. Измерение расхода газонасыщенной нефти. -М.: Недра, 1979, с.51].

Указанное устройство позволяет измерить расход жидкой фазы потока газонефтеводяной смеси, являющийся важным информационным параметром для контроля и учета товарной нефти.

Недостатками указанного устройства являются сложность конструкции из-за необходимости осуществления сепарации потока, а также высокая погрешность, обусловленная зависимостью точности измерения контролируемых параметров от качества сепарации.

Известно устройство для измерения содержания жидкой фазы в нефтегазоводяных смесях [патент РФ N 1811580, G 01 F 1/00, 1993].

Устройство содержит полый корпус, в котором установлены измерительные ковши с грузовым уравновешиванием. Параллельно корпусу включены газовый счетчик и дифференциальный манометр. Устройство монтируют на продуктоводе. Контролируемая смесь поочередно подается в ковш и выводится из корпуса через гидрозатвор, при этом газ сепарируется из жидкости и протекает через газовый счетчик. Выход дифференциального манометра соединен со счетчиком опрокидывания ковшей.

Устройство позволяет определить массовый расход жидкой фазы смеси и учесть в ней газовые включения.

Недостатками устройства являются сложность конструкции, неудобство эксплуатации, а также значительная погрешность, обусловленная, в частности, недостаточным исключением влияния газовой фазы на результаты измерения массового расхода жидкости.

Известны устройства, позволяющие определить массовый расход газожидкостных потоков косвенным путем на основании измерения объемного расхода и плотности газожидкостной смеси [например, патент РФ N 1811583, G 01 F 1/86, 1993].

Устройство используется на станциях заправки углеводородным топливом автотранспортных средств и содержит гравиметрический плотномер, установленный в общей магистрали, и объемные расходомеры, установленные в магистралях выдачи топлива.

Устройство позволяет определить весовое количество, а также стоимость отпущенного потребителям топлива.

Однако указанное устройство не позволяет определить массовый расход жидкой фазы газожидкостной смеси без газовых включений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство для измерения массового расхода газожидкостного потока, выбранное авторами за прототип [а.с. СССР N 1428924, G 01 F 1/86, 1988].

Указанное устройство включает датчик объемного расхода, датчик плотности, выходы которых подключены к умножителю, индикатор, подключенный к умножителю, а также схему формирования управляющего сигнала, включающую пороговое устройство, причем вход указанной схемы формирования управляющего сигнала соединен с выходом датчика плотности.

На выходе умножителя формируется сигнал, пропорциональный массовому расходу газожидкостной смеси, который определяется по формуле
Q_м = Q_об•ρ_см, (1)
где Q_об, ρ_см - объемный расход смеси и плотность смеси соответственно.

Плотность потока изменяется в интервале от некоторого минимального значения до некоторого максимального значения (ρ_min, ρ_max), причем плотность потока имеет минимальное значение в случае наличия в потоке газовых включений в виде пробок.

Сигнал, пропорциональный плотности потока, поступает на вход схемы формирования управляющего сигнала, которая содержит пороговое устройство. Если плотность потока находится в интервале от ρ_min до ρ_max, то сигнал с выхода умножителя через схему коммутации поступает на индикатор, который индицирует значение массового расхода жидкой фазы. Если значение плотности меньше минимального значения ρ_min, то в схеме формирования управляющего сигнала срабатывает включенное в нее пороговое устройство. В результате на выходе указанной схемы формируется управляющий сигнал, который поступает в схему коммутации, при этом сигнал с выхода умножителя проходит черев делитель и далее на индикатор, а индикатор индицирует величину средней массы газа в газовой пробке.

Указанное устройство позволяет измерить массовый расход жидкой фазы газожидкостной смеси без крупных газовых включений в виде газовых пробок.

Однако устройство не позволяет учесть мелкие газовые пузыри, случайно расположенные в потоке газожидкостной смеси, что привносит значительную погрешность в измерение массового расхода жидкой фазы исследуемого потока.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения массового расхода жидкой фазы газожидкостного потока, в частности газонефтеводяного потока.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в массовом расходомере газожидкостного потока, включающем датчик объемного расхода, подключенный к первому входу умножителя, датчик плотности, подключенный ко второму входу умножителя, умножитель, подключенный к индикатору, а также схему формирования управляющего сигнала, включающую пороговое устройство, причем вход схемы формирования управляющего сигнала соединен с выходом датчика плотности, датчик объемного расхода подключен к первому входу умножителя через блок пропускания сигнала, схема формирования управляющего сигнала содержит последовательно соединенные блок определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство, причем вход блока определения структурной функции соединен с выходом датчика плотности, а выход порогового устройства соединен с управляющим входом блока пропускания сигнала.

Новыми, отличительными от прототипа признаками являются: датчик объемного расхода подключен к первому входу умножителя через блок пропускания сигнала, схема формирования управляющего сигнала содержит последовательно соединенные блок определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство, причем вход блока определения структурной функции соединен с выходом датчика плотности, а выход порогового устройства соединен с управляющим входом блока пропускания сигнала.

В предлагаемом устройстве схема формирования управляющего сигнала содержит блок определения структурной функции процесса изменения средней плотности смеси, вход которого соединен с выходом датчика плотности, а выход - со входом порогового элемента.

В случае, когда в газожидкостных потоках распределение отдельных фаз носит случайный характер, плотность смеси непрерывно флуктуирует вокруг некоторого среднего значения.

Известно, что структурная функция - это средний квадрат приращений флуктуаций плотности на интервале времени t, t+Δt, где Δt - фиксировано, т. е.

Определяя приращения средней плотности исследуемого газожидкостного потока за малые промежутки времени Δt (например, порядка 10^-3 - 10^-1с), можно определить пульсации средней плотности, вызываемые мелкими пузырями газа, хаотично расположенными в потоке. В то же время, когда структурная функция процесса изменения плотности потока равна нулю или меньше некоторого заданного порогового значения, это означает, что в потоке нет приращений средней плотности, а следовательно, отсутствуют газовые включения.

Таким образом, по значению структурной функции можно с большой достоверностью определить моменты времени, соответствующие протеканию гарантированно жидкой фазы в исследуемом потоке, и моменты времени, соответствующие протеканию жидкости, несущей газовые включения.

Введение в схему формирования управляющего сигнала блока определения структурной функции, последовательно соединенного с пороговым устройством, позволяет на выходе указанной схемы получить управляющий сигнал, разрешающий прохождение сигнала с выхода объемного расходомера на вход умножителя (через схему пропускания сигнала) только в те моменты времени, когда значение структурной функции меньше заданной пороговой величины, т.е. когда контролируемый поток не содержит газовых включений. При этом в случае пропускания сигнала с выхода объемного расходомера на вход умножителя в последнем реализуется вычисление массового расхода жидкости по формуле (1), а соответственно индикатор, связанный с умножителем, показывает значение массового расхода жидкой фазы с высокой точностью.

На прилагаемом чертеже изображена блок-схема заявляемого устройства.

Устройство содержит объемный расходомер 1, датчик 2 средней плотности газожидкостного потока, блок 3 пропускания сигнала, схему 4 формирования управляющего сигнала, содержащую блок 5 определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство 6, а также умножитель 7 и индикатор 8.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода датчика 2 средней плотности поступает на второй вход умножителя 7 и вход блока 5 определения структурной функции в схеме 4 формирования управляющего сигнала. В блоке 5 осуществляется вычисление структурной функции процесса изменения плотности потока в соответствии с выражением (2).

Сигнал, пропорциональный значению структурной функции, поступает с выхода блока 5 на вход порогового устройства 6, в котором на основании сравнения значения структурной функции с заданным пороговым значением данной функции формируется управляющий сигнал. Управляющий сигнал с выхода порогового устройства 6 поступает на управляющий вход блока 3 пропускания сигнала. В моменты времени, когда на управляющий вход блока 3 поступает разрешающий сигнал из схемы 4, с выхода объемного расходомера 1 через блок 3 пропускания сигнала на первый вход умножителя 7 проходит сигнал, пропорциональный объемному расходу жидкой фазы. В умножителе 7 в указанные моменты времени реализуется вычисление массового расхода жидкой фазы контролируемого потока по формуле (1).

Сигнал, пропорциональный вычисленному значению массового расхода жидкой фазы, поступает с выхода умножителя 7 на вход индикатора 8.

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства индицируется массовый расход жидкой фазы газожидкостного потока с высокой точностью.

В качестве объемного расходомера может быть использован любой расходомер, адаптированный к измерению расхода газожидкостного потока.

В качестве датчика плотности может быть использован, например, радиационный датчик плотности, включающий в себя источник ионизирующего излучения, защитно-коллимирующее устройство и детектор ионизирующего излучения.

Блок определения структурной функции может быть реализован в виде специализированного вычислительного устройства, например, как указано в а.с. N 1022002, G 01 N 9/36, 1983.

Блок пропускания сигнала может быть выполнен, например, в виде стробирующего устройства.

Изобретение может быть использовано для измерения массового расхода жидкой фазы газонефтеводяного потока в нефтяной промышленности. Расходомер содержит датчик объемного расхода, датчик плотности, схему формирования управляющего сигнала, включающую последовательно соединенные блок определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство, блок пропускания сигнала и индикатор. Изобретение обеспечивает повышение точности вычисления массового расхода жидкой фазы потока при наличии хаотично расположенных в нем газовых включений в виде мелких пузырей. 1 ил.

Массовый расходомер газожидкостного потока, включающий умножитель, подключенный к индикатору, датчик объемного расхода, подключенный к первому входу умножителя, датчик плотности, подключенный к второму входу умножителя, а также схему формирования управляющего сигнала, включающую пороговое устройство, причем вход схемы формирования управляющего сигнала соединен с выходом датчика плотности, отличающийся тем, что датчик объемного расхода подключен к первому входу умножителя через блок пропускания сигнала, схема формирования управляющего сигнала содержит последовательно соединенные блок определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство, причем вход блока определения структурной функции соединен с выходом датчика плотности, а выход порогового устройства - с управляющим входом блока пропускания сигнала.