СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА Российский патент 1999 года по МПК G01N9/24 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в нефтяной промышленности для измерения плотности чистой нефти без газа, объемной доли свободного газа и плотности газожидкостной смеси в потоке нефти, а также в других отраслях промышленности для контроля параметров газожидкостных потоков.

Известны радиоизотопные способы измерения параметров газожидкостного потока, основанные на облучении контролируемого объема лучом ионизирующего излучения и регистрации ослабленного контролируемой средой излучения [ВНИИОЭНГ, серия "Автоматизация и телемеханизация нефтяной промышленности", обзорная информация, выпуск 11 (27), М.: 1983 г., стр. 5-7].

Преимуществом радиоизотопных способов контроля параметров газожидкостных потоков является их бесконтактность, за счет чего в процессе измерения параметров не нарушается структура потока.

Однако указанные способы чувствительны к флуктуациям плотности контролируемой среды, характерным для газожидкостных потоков, а также к изменению ее химического состава. Это вызывает необходимость контролирования потока по всему сечению трубопровода, а также применения методов фильтрации измеряемого сигнала (энергетической, пространственной, временной).

Известен способ измерения параметров газожидкостного потока, в частности истинного объемного газосодержания [а.с. СССР N 1022002, G 01 N 9/36, публ. 1983 г.], основанный на облучении контролируемого объема потока узким пучком ионизирующего излучения. Контролируемую среду облучают указанным пучком излучения в поперечном сечении трубопровода, регистрируют прошедшее через среду прямое излучение, формируют информационный сигнал в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группируют отсчеты в выборки заданного объема, определяют значения структурной функции, однозначно связанной с автокорреляционной, и сравнивают их с пороговым значением. При этом контролируемый объем разделяют на элементарные объемы (хорды), а операции, описанные выше, выполняют для каждого элементарного объема. Значение плотности жидкой фазы определяют как значение средней плотности контролируемой среды в элементарных объемах, в которых структурная функция равна нулю.

Благодаря использованию структурной функции в рассматриваемом способе можно с высокой достоверностью определить элементарные объемы, не содержащие газа, и определить плотность жидкости в объеме с гарантированной жидкой фазой, а также сократить число элементарных объемов, в которых необходимо измерять истинное объемное газосодержание, что повышает точность способа.

Однако, недостатком способа является необходимость просвечивания гамма- излучением каждого элементарного объема, для чего источник и детектор излучения перемещают в поперечном сечении трубопровода. Трудоемкость процесса измерения снижает эксплуатационные характеристики данного способа.

Известен способ измерения параметров газожидкостного потока, наиболее близкий по технической сущности к заявляемому способу и выбранный авторами за прототип [патент РФ N 2 086 955, G 01 N 9/36, публ. 1997 г.].

Указанный способ заключается в облучении контролируемой среды узким и по крайней мере одним широким пучком ионизирующего излучения, регистрации прошедших через контролируемую среду прямого и рассеянного излучений, формировании соответствующих им информационных сигналов в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группировании отсчетов в выборки заданного объема, выделении из информационного сигнала, сформированного при регистрации прямого излучения, выборок, соответствующих однородной жидкости, а также определении контролируемых параметров с использованием измеренных информационных сигналов. При этом по выборке, соответствующей прямому излучению и идентифицированной как относящаяся к однородной жидкости, определяют плотность жидкости. По выборке, соответствующей рассеянному излучению, определяют плотность газожидкостной смеси. Объемную долю свободного газа определяют по известному соотношению, в которое подставляют измеренные значения упомянутых выше плотностей.

Использование описанной в способе процедуры обработки сигнала, полученного при регистрации прямого излучения, позволяет выделить сигнал, соответствующий однородной жидкости, что повышает точность измерения плотности жидкости. Облучение контролируемого потока широким пучком излучения позволяет по сигналу, соответствующему рассеянному излучению, определить плотность газожидкостной смеси во всем сечении трубопровода без перемещения источника и детектора, что повышает эксплуатационные характеристики способа.

Однако использование для определения плотности жидкости результатов обработки только узкого прошедшего через среду прямого пучка излучения не обеспечивает инвариантность результатов измерения к изменению химического состава контролируемой среды, что снижает точность определения параметров газожидкостного потока.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности способа измерения параметров газожидкостного потока, а также расширение его функциональных возможностей.

Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения параметров газожидкостного потока, включающем облучение газожидкостного потока узким и по меньшей мере одним широким пучком ионизирующего излучения, регистрацию прошедших через контролируемую среду прямого и рассеянного излучений, формирование соответствующих им информационных сигналов в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группирование отсчетов в выборки заданного объема, выделение из информационного сигнала, сформированного при регистрации прямого излучения, последовательности отсчетов, соответствующей однородной жидкости, и определение плотности жидкости путем обработки отсчетов в выборке, принадлежащей указанной выделенной последовательности, согласно предлагаемому изобретению выделяют из информационного сигнала, сформированного при регистрации рассеянного излучения, последовательность отсчетов, соответствующую однородной жидкости, осуществляют определение плотности жидкости путем совместной обработки отсчетов в выборках, сформированных при регистрации прямого и рассеянного излучений и принадлежащих соответствующим последовательностям, выделенным для однородной жидкости, осуществляют определение доли свободного газа путем совместной обработки отсчетов в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения, и в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения и принадлежащей последовательности, выделенной для однородной жидкости.

Новым в предлагаемом изобретении является то, что выделяют из информационного сигнала, сформированного при регистрации рассеянного излучения, последовательность отсчетов, соответствующую однородной жидкости, осуществляют определение плотности жидкости путем совместной обработки отсчетов в выборках, сформированных при регистрации прямого и рассеянного излучений и принадлежащих соответствующим последовательностям, выделенным для однородной жидкости, осуществляют определение доли свободного газа путем совместной обработки отсчетов в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения, и в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения и принадлежащей последовательности, выделенной для однородной жидкости.

Принципиальным в заявляемом способе является использование как прямого, так и рассеянного излучений при определении плотности жидкости в потоке, а также определение доли свободного газа в потоке по результатам обработки рассеянного излучения. При этом операция выделения из информационных сигналов, полученных при регистрации как прямого, так и рассеянного излучений, сигналов, соответствующих однородной жидкости, обеспечивает достоверность контролируемых параметров для потоков с неизвестным и изменяющимся пространственным распределением газа и жидкости в трубопроводе.

За счет применения для определения плотности жидкости, помимо прямого, рассеянного излучения удается обеспечить инвариантность результатов измерения к изменению химического состава жидкости.

Сигнал, регистрируемый от узкого пучка прошедшего через среду прямого излучения, связан с плотностью жидкости следующим известным выражением:
r_1ж= r₀₁e^-μdρ, (1)
где r_1ж - средняя величина отсчета в последовательности, выделенной для однородной жидкости из информационного сигнала, полученного при регистрации прямого излучения;
r₀₁ - средняя величина отсчета в выборке заданного объема при регистрации прямого излучения в отсутствии контролируемой среды в трубопроводе;
μ - массовый коэффициент ослабления прямого излучения;
d - эффективная длина просвечиваемого слоя контролируемой среды;
ρ - плотность жидкости.

Величина r_o не зависит от свойств контролируемой среды и ее точность определяется стабильностью характеристик, используемых для реализации способа излучателя, детектора, трубопровода.

Величина μd зависит от химического состава контролируемой среды и, например, для такой неоднородной структуры, как нефть и нефтепродукты, может изменяться неконтролируемым образом. Это приводит к большим погрешностям измерения плотности. Чтобы устранить указанные погрешности, дополнительно используют результаты измерения рассеянного излучения при измерении плотности жидкости.

Точного аналитического выражения, связывающего величину регистрируемого рассеянного излучения с плотностью контролируемой среды, не существует.

Экспериментально авторами выявлены зависимости, связывающие плотность жидкости ρ_ж , массовый коэффициент ослабления прямого излучения μ и среднюю величину отсчета в последовательности, выделенной для однородной жидкости из сигнала, полученного при регистрации рассеянного излучения, r_2ж:
r_2ж= a+bρ_ж; (2)
a = a₁+b₁μd; (3)
b = a₂+b₂μd, (4)
где a₁, b₁, a₂, b₂ - коэффициенты, определяемые по градуировочным зависимостям.

Коэффициенты а₁, b₁, a₂, b₂ не зависят от химического состава контролируемой среды. Их величина главным образом зависит от взаимного положения блоков, формирующих рассеянное излучение, блока детектирования, трубопровода.

Неизменность факторов, влияющих на значения указанных коэффициентов, в течение достаточно продолжительного времени обеспечивается конструкцией прибора, реализующего способ. Объединив уравнения (1), (2), (3), (4) в систему и решив эту систему относительно плотности жидкости ρ_ж, получим:

Как видно из уравнения (5), при определении плотности жидкости обеспечивается инвариантность результатов измерения к изменению химического состава контролируемой среды (в уравнение (5) не входит величина μd).

Входящие в уравнение (5) величины r_1ж и r_2ж определяют прямыми измерениями, а величины r₀₁, a₁, b₁, a₂, b₂ определяются по градуировочным зависимостям.

Для повышения точности определение величины r₀₁ осуществляется путем измерения величины сигнала от прямого излучения r₁ при контроле жидкостей, имеющих различные плотности и одинаковые значения коэффициента μ, например при контроле дистиллированной воды с температурой 90, 75, 60, 35 и 20^oC.

Величина r₀₁ определяется из выражения:
lnr_1в= lnr₀₁-μdρ_в, (6)
в котором In r₀₁ и μd - параметры прямой линии, аппроксимирующей экспериментальную зависимость Inr_1в от ρ_в, полученные при контроле дистиллированной воды.

Определение величин a₁, a₂, b₁, b₂ осуществляют путем измерения величины сигнала от прямого излучения r₁ и величины сигнала от рассеянного излучения r₂ при контроле жидкостей, имеющих различные плотности ρ и коэффициенты μ, например при контроле дизельного топлива (д.т.), керосина (кер.), пресной воды (пр. в. ), соленой воды (сол.в.). Величину μd для каждой из указанных жидкостей определяют из выражения:

Значения коэффициентов a₁, a₂, b₁, b₂ определяют путем решения системы из четырех уравнений с четырьмя неизвестными:

Определив плотность жидкости ρ_ж и решая систему уравнений (1) - (4) относительно μd, можно определить химический состав контролируемой среды, например, при контроле параметров нефти можно определить ее сортность, которая зависит от соотношения атомов углерода и водорода в нефти. Такая возможность расширяет функциональное применение способа.

Для определения доли свободного газа ϕ в контролируемой среде авторы экспериментальным путем выявили зависимость, связывающую указанный параметр со средней величиной отсчета в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения r₂ и со средней величиной отсчета в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения и принадлежащей последовательности, выделенной для однородной жидкости r_2ж:

где a₃, b₃ - градуировочные коэффициенты, определяемые путем измерения сигнала, зарегистрированного от рассеянного излучения при контроле ряда жидкостей с известной (заданной) долей свободного газа.

Для идентификации момента времени прохождения в контролируемом сечении трубопровода однородной жидкости применяют следующую обработку сигнала, зарегистрированного от прямого излучения.

Рассматривают две смежные выборки выходного сигнала блока детектирования по прямому излучению, каждая из которых получена за интервал времени Т_max, соответствующий максимально возможной длительности отрезка времени, в течение которого протекает жидкость с локальными неоднородностями плотности. Проверяют гипотезу о принадлежности указанных выборок одной генеральной совокупности. Проверяют следующие две смежные выборки, сдвинутые относительно рассмотренных на один дискретный отсчет. Для этих выборок также проверяют гипотезу об их принадлежности одной генеральной совокупности. Осуществляют указанную процедуру для массива отсчетов, обеспечивающего требуемую статистическую погрешность. При условии принадлежности всех выборок в указанном массиве одной генеральной совокупности делается вывод, что выделенная последовательность отсчетов принадлежит однородной жидкости.

Идентификацию момента протекания однородной жидкости осуществляют по прямому излучению, так как сигнал от узкого пучка излучения в сильной степени реагирует на присутствие локальных неоднородностей в контролируемой среде.

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

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

С помощью БИИ 1 контролируемую среду облучают узким пучком ионизирующего излучения, для чего БИИ 1 включает коллиматор, формирующий указанный узкий пучок. Одновременно контролируемую среду облучают двумя широкими пучками ионизирующего излучения, охватывающими все сечение трубопровода 6. При этом на БД 4 поступает прямое излучение, прошедшее через среду, а также излучение, рассеянное контролируемой средой и стенками трубопровода 6.

С помощью БД 4 прямое и рассеянное излучение регистрируют и формируют соответствующие указанным излучениям сигналы. Для этого в БД 4 предусмотрены два энергетических окна регистрации ионизирующего излучения. Так, при использовании в качестве источников радионуклидов на основе цезия-137 регистрацию прямого излучения осуществляют в диапазоне энергий свыше 550 кэВ, а регистрацию рассеянного - в диапазоне от 60 до 360 кэВ. Указанные сигналы с выходов БД 4, условно обозначенных на фигуре "60" и "550", поступают в виде последовательностей электрических импульсов, нормированных по амплитуде и длительности, в ВУ 5.

С помощью ВУ 5 выполняют следующие операции.

Формируют соответствующие информационные сигналы в виде последовательностей дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени.

Группируют отсчеты в выборки заданного объема.

Выделяют из сигнала, зарегистрированного от прямого излучения, последовательность отсчетов, соответствующую однородной жидкости, путем скольжения по временной последовательности дискретных отсчетов "окном" фиксированной ширины и сравнения отсчетов в двух смежных выборках, сдвинутых на один дискретный отсчет.

Выделяют из сигнала, зарегистрированного от рассеянного излучения, сигнал, соответствующий однородной жидкости, определяя момент протекания однородной жидкости по моменту регистрации сигнала от прямого излучения, идентифицированного как относящийся к однородной жидкости.

По выборкам, сгруппированным из прямого и рассеянного излучения, определяют плотность жидкости ρ_ж по зависимости (5).

По выборкам, сгруппированным из рассеянного излучения, определяют объемную долю свободного газа ϕ по зависимости (13).

Определяют плотность газожидкостной смеси ρ_см по известному выражению:
ρ_см= (1-ϕ)ρ_ж. (13)
Алгоритмы обработки сигналов в ВУ 5 реализованы в виде программы в реальном масштабе времени для персональной ЭВМ.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, в нефтяной промышленности для измерения параметров товарной нефти на узлах ее учета. Технический результат - повышение точности способа измерения параметров газожидкостного потока, а также расширение его функциональных возможностей. Сущность изобретения: облучают газожидкостный поток узким и по меньшей мере одним широким пучком ионизирующего излучения. Регистрируют прошедшие через контролируемую среду прямое и рассеянное излучения. Формируют соответствующие им информационные сигналы в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени. Группируют отсчеты в выборки заданного объема. Выделяют из информационного сигнала, сформированного при регистрации прямого излучения, последовательность отсчетов, соответствующую однородной жидкости, и определяют плотность жидкости путем обработки отсчетов в выборке, принадлежащей указанной выделенной последовательности. При этом выделяют из информационного сигнала, сформированного при регистрации рассеянного излучения, последовательность отсчетов, соответствующую однородной жидкости. Осуществляют определение плотности жидкости путем совместной обработки отсчетов в выборках, сформированных при регистрации прямого и рассеянного излучений и принадлежащих соответствующим последовательностям, выделенным для однородной жидкости. Осуществляют определение доли свободного газа путем совместной обработки отсчетов в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения, и в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения и принадлежащей последовательности, выделенной для однородной жидкости. 1 ил.

Способ измерения параметров газожидкостного потока, включающий облучение газожидкостного потока узким и по меньшей мере одним широким пучком ионизирующего излучения, регистрацию прошедших через контролируемую среду прямого и рассеянного излучений, формирование соответствующих им информационных сигналов в виде дискретных отсчетов в фиксированные моменты времени, группирование отсчетов в выборки заданного объема, выделение из информационного сигнала, сформированного при регистрации прямого излучения, последовательности отсчетов, соответствующей однородной жидкости, и определение плотности жидкости путем обработки отсчетов в выборке, принадлежащей указанной выделенной последовательности, отличающийся тем, что выделяют из информационного сигнала, сформированного при регистрации рассеянного излучения, последовательность отсчетов, соответствующую однородной жидкости, осуществляют определение плотности жидкости путем совместной обработки отсчетов в выборках, сформированных при регистрации прямого и рассеянного излучений и принадлежащих соответствующим последовательностям, выделенным для однородной жидкости, осуществляют определение доли свободного газа путем совместной обработки отсчетов в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения, и в выборке, сформированной при регистрации рассеянного излучения и принадлежащей последовательности, выделенной для однородной жидкости.