СПОСОБ ОТБОРА ПРОБ ЖИДКОСТИ ИЗ ТРУБОПРОВОДА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК G01N1/10 

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения примесей.

Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода, при котором производят вертикальное размещение в трубопроводе пяти пробозаборных трубок, при котором оси входных отверстий трубок расположены параллельно оси трубопровода, направлены навстречу потоку и отстоят на 0.2 диаметра трубопровода и при этом входное отверстие центральной трубки расположено на оси трубопровода, а соотношение диаметров трубок от периферии к центру трубопровода удовлетворяет соотношению 13:10:6; отбор пробы пропорционально расходу потока трубопровода; объединение отобранных через пробозаборные трубки частей потока путем их смешения и перекачку объединенной пробы по вспомогательному трубопроводу на анализ в блок контроля качества жидкости (ГОСТ 2517-85. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. п.2.1/.1.8, п.2.13.1.10, фиг.18) [1]. Известно устройство для реализации данного способа, включающее пробозаборный элемент из пяти пробозаборных трубок, установленных вертикально по диаметру трубопровода, оси входных отверстий которых расположены параллельно оси трубопровода, направлены навстречу потоку и удалены друг от друга на расстояние 0.2 диаметра трубопровода, при этом входное отверстие центральной трубки расположено на оси трубопровода. Противоположные концы трубок входят в смесительную камеру, из которой проба поступает на анализ в блок контроля качества. Диаметры пробозаборных трубок к центру трубопровода уменьшаются в соответствии с соотношением 13:10:6 (ГОСТ 2517-85, п.2.13, фиг.15) [2].

Недостаток данных технологии и техники отбора проб - невысокая представительность получаемой пробы. Низкое качество пробы - следствие нарушения соответствия между объемом отбираемой пробы и расходом потока на уровнях отбора: доля отбираемой пробы от периферии к центру трубопровода уменьшается, тогда как расход потока на уровнях отбора от периферии к центру трубопровода увеличивается.

Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода, включающий размещение в трубопроводе перпендикулярно движению потока пробозаборной трубки входным отверстием параболической формы навстречу потоку, при котором начальный участок отверстия обращен к центру трубопровода, а конечный участок отверстия - к нижней части трубопровода, отбор пробы под действием из избыточного давления. SU 634152, кл. G 01 N 1/10, 1978, [3], прототип способа).

Известно устройство для реализации данного способа, включающее пробозаборную трубку, установленную в трубопроводе по диаметру трубопровода входным отверстием навстречу потоку, при этом отверстие имеет форму сегмента параболы с вершиной, обращенной к центру трубопровода [3], (прототип устройства).

Очевидно, что высокая представительность получаемой пробы при помощи известных способа и устройства может быть обеспечена лишь при равномерном распределении балласта в потока трубопровода.

Техническим результатом данного изобретения является получение высокопредставительной пробы, обеспечение удобства монтажа устройства для отбора проб и его обслуживание.

Для достижения технического результата в способе отбора проб жидкости из трубопровода, при котором осуществляют размещение в трубопроводе пробозаборного элемента входным отверстием (дискретным, непрерывным) навстречу потоку, отбор пробы пропорционально расходу потока трубопровода, согласно изобретению отбор пробы осуществляют из областей Si, получаемых условно разделением пространства трубопровода симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода плоскостями, перпендикулярными продольной плоскости X трубопровода, которая для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода является вертикальной, при этом центры входного отверстия в каждой условно образованной области Si совмещают с точками, симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода или отстоящими от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода, а пробу в каждой условно образованной области Si отбирают пропорционально расходу потока трубопровода с коэффициентом пропорциональности, отклонение которого от их среднего арифметического значения не превосходит 20%, при этом при размещении пробозаборного элемента в трубопроводе под давлением, пробозаборный элемент размещают в трубопроводе через сальниковое устройство с запорной арматурой.

Чтобы получить пробу высокого качества при условии расслоения потока трубопровода под воздействием сил гравитации, очевидно, необходимо ее отбирать с различных уровней потока трубопровода и притом в соответствии с расходом потока трубопровода на уровнях отбора - отбор пробы только по центру трубопровода (что осуществляется согласно способу-прототипу [3]) при расслоении потока не обеспечит высокой представительности пробы. Благодаря отбору пробы из симметрично расположенных областей Si, заключенных между плоскостями, перпендикулярными продольной плоскости X трубопровода (которая вертикально расположена для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода), пропорционально расходу потока через эти области Si с коэффициентами пропорциональности ki, отклонение которых от их среднего значения не превосходит 20%, достигается (как установлено экспериментально) соответствие доли отбираемой пробы расходу потока на уровнях отбора, что и обеспечивает высокую представительность пробы. При этом допуски на расположение центров входных отверстий, - когда они совмещаются с точками, симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода или отстоящими от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода, - оправданы, поскольку при изменении положения центров отверстий в указанных областях Si распределение включений можно считать равномерным, а потому не влияющим на представительность пробы (что подтверждено экспериментальными данными, приводимыми ниже).

Осуществление же отбора пробы из трубопровода при размещении пробозаборного элемента при наличии давления в трубопроводе через сальник и запорную арматуру, обеспечивает удобство монтажа устройства для отбора проб и его обслуживание.

Таким образом, благодаря осуществлению перечисленных операций заявляемого способа обеспечивается улучшение качества пробы, отбираемой по заявляемому способу, по сравнению со способом-прототипом [3], а также удобство эксплуатации устройства, реализующие заявляемый способ.

Применение заявляемого способа позволит осуществлять более точный количественный и качественный учет перекачиваемой по трубопроводам жидкости и уменьшить потери при товарно-коммерческих операциях.

Для достижения технического результата при реализации заявляемого способа используют устройство, которое включает пробозаборный элемент, установленный в трубопроводе входным отверстием (дискретным или непрерывным) навстречу потоку, узел выхода устройства, согласно изобретению входное отверстие пробозаборного элемента выполняют из условий: во-первых, отбора пробы из областей Si, получаемых условно разделением пространства трубопровода симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода плоскостями, перпендикулярными продольной плоскости X трубопровода, которая для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода является вертикальной, во-вторых, расположении центров входного отверстия в каждой условно образованной области Si в точках, симметрично расположенных относительно центральной оси трубопровода или отстоящих от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода, в-третьих, что пробу в каждой условно образованной области Si отбирают пропорционально расходу потока трубопровода с коэффициентом пропорциональности, отклонение которого от их среднего арифметического значения не превосходит 20%.

Чтобы получить пробу высокого качества при условии расслоения потока трубопровода под воздействием сил гравитации, очевидно, необходимо ее отбирать с различных уровней потока трубопровода и притом в соответствии с расходом потока трубопровода на уровнях отбора - отбор пробы только по центру трубопровода (что осуществляется согласно устройству (ГОСТ 2517-85, п. 2.13.1.6, п. 2.13.1.7, [4] ) при расслоении потока не обеспечит высокой представительности пробы. Благодаря выполнению входного отверстия пробозаборного элемента из перечисленных трех условий (первое: отбор пробы из областей Si, получаемых условно разделением пространства трубопровода симметрично расположенными относительно центра трубопровода плоскостями, перпендикулярными продольной плоскости X трубопровода, которая для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода является вертикальной; второе: расположение центров входного отверстия в каждой условно образованной области Si в точках, симметрично расположенных относительно центральной оси трубопровода или отстоящих от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода; третье: пробу в каждой условно образованной области Si отбирают пропорционально расходу потока трубопровода с коэффициентом пропорциональности, отклонение которого от их среднего арифметического значения не превосходит 20%) при работе заявляемого устройства достигается (как установлено экспериментально) соответствие доли отбираемой пробы расходу потока на уровнях отбора, что и обеспечивает высокую представительность пробы.

Таким образом, благодаря выполнению входного (пробозаборного) отверстия из указанных условий, обеспечивается более высокая представительность пробы получаемой заявляемым устройством, нежели при помощи устройства [4].

Заявляемые способ отбора проб жидкости из трубопровода и устройство для его осуществления могут конкретно применяться на нефтепромыслах - на коммерческих узлах учета товарной нефти, на нефтеперерабатывающих заводах - при анализе качества получаемых нефтепродуктов.

Заявляемый способ отбора проб жидкости из трубопровода осуществляется следующим образом.

В трубопроводе, по которому транспортируют жидкость, через сальник входным отверстием навстречу потоку производят размещение пробозаборного элемента, - размещение производят относительно продольной плоскости трубопровода X, которая в случае наклонно или горизонтально расположенного трубопровода является вертикальной, - далее, отбор пробы осуществляют из областей Si, получаемых условно разделением пространства трубопровода симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода плоскостями, перпендикулярными плоскости X, при совмещении центров входного отверстия в каждой условно образованной области Si с точками, симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода или отстоящими от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода, при этом отбор пробы из каждой условно образованной области Si осуществляют пропорционально расходу в ней потока с коэффициентом пропорциональности, отклонение которого от их среднего арифметического значения не превосходит 20%; - для осуществления указанного отбора пробы соответствующим образом рассчитываются параметры входного отверстия пробозаборного элемента (параметры для пробозаборных элементов, которые применялись в экспериментах, приведены в табл.1). Под действием избыточного давления отобранная пробозаборным устройством проба направляется по отводной линии на анализ /на определение содержащегося в пробе балласта/.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 3 представлен один из вариантов заявляемого устройства для отбора проб жидкости из трубопровода - вид в поперечном сечении трубопровода.

Устройство включает пробозаборный элемент - пробозаборную трубку 1 с фланцем 2, - и установленным на нем вентилем 3; пробозаборная трубка 1 устанавливается относительно продольной плоскости X трубопровода 4 системой пробозаборных отверстий 5-8 навстречу потоку трубопровода 4 (в случае наклонно или горизонтально расположенного трубопровода продольная плоскость X совпадает с вертикальной плоскостью, которая в плоскости Oyx совпадает с осью Ox); пробозаборная трубка 1 устанавливается на трубопроводе 4 на монтажном патрубке 9 с фланцем 10 через сальник 11 с патрубком 12, ответный фланец 13 и запорную арматуру 14; дополнительно на пробозаборной трубке 1 устанавливаются ограничители свободного перемещения пробозаборной трубки 1 через сальник 11: кольцо безопасности 15 с амортизатором 16 и прижимная пластина 17, положение которой фиксируется с использованием шпилек 18.

Параметры системы отверстий 5-8 определяются из условий:
- центры отверстий 5-8 совмещены с точками 19-22 условно образованных областей Si (с порядковыми номерами 23-26), симметрично расположенными относительно центра Z, или точками 27-30, отстоящими от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода; области Si с номерами 23-26 получены разделением пространства трубопровода 4 плоскостями 31-34 при перпендикулярном пересечении с продольной плоскостью X трубопровода 4;
- объем отбираемой пробы через каждое из пробозаборных отверстий 5-8 находится в соответствии с расходом потока трубопровода 4 через условно образованные области Si с номерами 23-26, то есть отверстия 5-8 выполняются из условия отбора пробы из каждой области Si (о номерами 23-26) пропорционально расходу потока с коэффициентом ki: коэффициент пропорциональности ki отличается от их среднего арифметического не более чем на 20% (используемые в экспериментах значения ki приведены в табл. 1).

Пробозаборное устройство, фиг. 3, предназначено для отбора пробы через систему отверстий 5-8 из трубопровода 4 в соответствии с расходом потока через каждую из условно образованных областей Si (с номерами 23-26), для чего отверстия 5-8 пробозаборной трубки 1 выполняются из условия отбора пробы из каждой области Si (с номерами 23-26) пропорционально расходу в них потока при условии, что коэффициент пропорциональности для каждой области Si (с номерами 23-26) отличается от их среднего арифметического не более чем на 20% (используемые в экспериментах коэффициенты пропорциональности ki приведены в табл. 1).

Монтаж пробозаборного устройства на трубопроводе через сальник 11 обеспечивает удобство его эксплуатации, простоту обслуживания. Прижимная пластина 17 при помощи шпилек 18 обеспечивает заданное положение пробозаборной трубки 1 в трубопроводе 4 при работе устройства (отборе пробы через систему отверстий 5-8).

Пробозаборное устройство (фиг. 3) работает следующим образом.

Часть жидкости, транспортируемой по трубопроводу 4, под избыточным давлением поступает через систему расположенных на встречу потоку отверстий 5-8 (центры отверстий 5-8 совмещены с точками 19-22, симметрично расположенными относительно центра Z трубопровода 4 или отстоящими от них точками 27-30 не более чем на 0,1 диаметра трубопровода 4) в расположенную в трубопроводе 4 пробозаборную трубку 1 (плоскость X при горизонтально или наклонно расположенном трубопроводе 4 совпадает с вертикальной продольной плоскостью трубопровода 4) пропорционально расходу потока через области 23-26 с коэффициентами пропорциональности, отличающихся от их среднего арифметического значения не более чем на 20% (значения коэффициентов пропорциональности ki, при которых проведены эксперименты, приведены в табл. 1). Вследствие такого выбора параметров входного отверстия обеспечивается отбор пробы в соответствии с расходом потока в областях Si отбора. В результате происходит качественное усреднение отбираемой пробы через систему отверстий 5-8 (то есть, уменьшение влияния на представительность пробы расслоения потока). Ограничители свободного перемещения пробозаборного элемента (пробозаборной трубки 1) - прижимная пластина 17 со шпильками 18, обеспечивает заданное положение размещенного через сальник 11 пробозаборного элемента (пробозаборной трубки 1) при работе устройства (при отборе пробы через систему отверстий 5-8 из потока трубопровода 4); кольцо 15 с амортизатором 16 обеспечивают безопасность монтажа или проведение профилактического осмотра без остановки перекачки потока трубопровода. Отобранная через систему отверстий 5-8 в соответствии с расходом потока проба характеризуется высокой представительностью. Пробу отбирают при условии изокинетичности отбора - регулирование расхода производят при помощи вентиля 3, расход контролируют по показанию расходомера 34, установленного на выходной линии 35.

Для опытно-промышленных испытаний были изготовлены образцы заявляемого устройства с вариантами расположения входных отверстий 5-8 согласно фиг. 3-7, в которых внутренний диаметр трубки 1 составлял 18 мм; образцы устанавливались на трубопроводе с внутренним диаметром 96 мм на горизонтальном, наклонном под 40^o и вертикальном участках трубопровода 4. Параметры системы входных отверстий 5-8 изготовленных устройств сведены в табл. 1. Из всевозможных вариантов расположения входных отверстий 5-8 выбраны именно варианты I-V (фиг. 3-7), по которым можно уже сделать вывод о работоспособности заявляемого технического решения при расслоении потока трубопровода 4 под воздействием сил гравитации:
- на фиг. 3 отверстия 5-8 удалены к периферии (точка B - верхняя образующая трубопровода 4, а также границы 31-33) областей Si (под номерами 23-26) от центра трубопровода Z;
- на фиг. 4 отверстия 5-8 расположены вблизи нижних границ (31-33 и нижняя образующая трубопровода 4 - точка О) областей Si (под номерами 23-26) трубопровода 4;
- на фиг.5 отверстия 5-8 расположены вблизи верхних границ (В - верхняя образующая трубопровода 4 и границы 31-33) областей Si (под номерами 23-26) трубопровода 4;
- на фиг. 6 центры 19-22 областей Si (под номерами 23-26) совмещены с центрами 27-30 отверстий 58;
- на фиг. 7 в отличие от варианта расположения отверстий 5-8, изображенного на фиг. 6, нижнее отверстие 8 смещено к верхней границе 33 области 26.

В экспериментах поток трубопровода 4 представлял нефтяную эмульсию обводненностью 0.30%, 0.74%, 1.64%, 24.5%, 43.6% масс.; температура потока составляла 25^oC; вязкость безводной нефти при 20^oC составляла 4 сП; средний размер водных капель в эмульсии - 40-70 мкм.

Сравнительные испытания заявляемых способа и устройства отбора проб жидкости из трубопровода были проведены с использованием способа отбора проб по ГОСТ 2517-85 [4] и устройства отбора проб по ГОСТ 2517-85 п.2.13., фиг. 14) [5] (реализация способа и устройства прототипов по [3] на нефтепромысле ввиду ограничений действующих нормативных документов при учете нефти затруднительна; способ отбора проб жидкости из трубопровода по [4] включает размещение в трубопроводе перпендикулярно движению потока пробозаборной трубки входным отверстием навстречу потоку на оси трубопровода, отбор пробы под действием избыточного давления; устройство [5] для реализации способа [4] включает пробозаборную трубку, установленную в трубопроводе по диаметру трубопровода входным отверстием навстречу потоку на оси трубопровода).

Максимальное содержание воды в пробе, получаемой при помощи заявляемого способа, будет только тогда, когда в устройстве для его реализации входные пробозаборные отверстия 5-8 расположены в соответствии с изображением на фиг. 4, и при этом обеспечивается отбор пробы в соответствии с пунктом (1) табл. 1, то есть, когда коэффициенты пропорциональности k1, k2, k3, k4 отбора пробы из областей Si (N 23 - 36) отклоняются от их среднего арифметического 0,009 на максимальное значение (на 20%) и при этом находятся в соотношении:
k1 = k2 = 0.0075, k3 = k4 = 0-0105 (1)
(в этом случае доля пробы с нижних слоев потока, наиболее богатая водной фазой, будет максимальна, а значит, в интегральной пробе - пробе от всех отверстий 5-8, - будет максимальное значение воды по сравнению с обводненностью пробы, полученной при иных соотношениях коэффициентов ki, отличных от соотношения (1) и различных расположениях отверстий 5-8).

Минимальное содержание воды в пробе, получаемой при помощи заявляемого способа, будет только тогда, когда в устройстве для его реализации входные пробозаборные отверстия 5-8 расположены в соответствии с изображением на фиг. 5 и при этом обеспечивается отбор пробы в соответствии с пунктом (2) табл. 1, то есть, когда коэффициенты пропорциональности k1, k2, k3, k4 отбора пробы из областей Si (N 23 - 26) отклоняются от их среднего арифметического 0.009 также на максимальное значение (на 20%) и при этом находятся в соотношении:
k1 = k2 = 0.0105, k3 = k4 = 0.0075 (2)
(в этом случае доля пробы с верхних наименее обводненных слоев потока будет максимальна, а значит, обводненность интегральной пробы по сравнению с обводненностью интегральной пробы, полученной при иных соотношениях коэффициентов ki, отличных от соотношения (2) и различных расположениях отверстий 5-8, будет минимальной).

Таким образом, как следует из сказанного, при иных соотношениях коэффициентов k1, k2, k3, k4, отличных от соотношений (1)-(2) и вариантах расположения входных отверстий 5-8 на пробозаборной трубке 1, обводненность пробы (интегральной - от входных пробозаборных отверстий 5-8) будет промежуточной - заключенной между минимальной и максимальной обводненностью пробы, полученной согласно условиям (1)-(2). Такую зависимость обводненности пробы от расположения отверстий 5-8 при условиях (1)-(2) (а также условиях (3)-(4) табл.1) полностью подтверждают данные экспериментов табл. 2-9.

Заявляемый способ отбора проб и устройство для его осуществления промышленно применимы ввиду того, что они включают в себя технологические и технические решения, гарантирующие снижение потерь при учете перекачиваемой по трубопроводам жидкости к минимуму, наряду с удобством изготовления, монтажа и эксплуатации устройства.

Источники информации
1. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. ГОСТ 2517-85 /п. 2.13.1.8, п.2.13.1.10, черт.18/.

2. Пробоотборник. ГОСТ 2517-85 /п.2.13. черт.15/.

3. А.с. СССР N 634152, G 01 N 1/10, 1978 г.

4. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. ГОСТ 2517-85 /п. 2.13.1.6, п.2.13.1.7/.

5. Пробоотборник. ГОСТ 2517-85 /п.2.13. черт.14/.

Способ и устройство для отбора проб жидкости из трубопровода могут быть использованы в нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, где требуется высокая точность определения примесей. В способе пробозаборный элемент размещают входным отверстием навстречу потоку и осуществляют отбор пробы из областей Si, образованных условным разделением пространства трубопровода симметрично расположенными относительно его центра плоскостями, перпендикулярными продольной плоскости трубопровода X. Эта плоскость для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода является вертикальной. Центры входного отверстия каждой области Si совмещают с точками, симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода. Или располагают от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода. Пробу в каждой области Si отбирают пропорционально расходу потока с коэффициентом пропорциональности Ki, отклонение которого от их среднего арифметического значения не более 20%. В устройстве имеется пробозаборный элемент, установленный в трубопроводе входным отверстием навстречу потоку и узел выхода из устройства. Входное отверстие на пробозаборном элементе выполнено из условия отбора пробы вышеописанным способом. Изобретение позволяет снизить потери при учете перекачиваемой по трубопроводам жидкости к минимуму, позволяет получить пробу высокого качества. 2 c. и 1 з.п.ф-лы, 7 ил., 9 табл.

1. Способ отбора проб жидкости из трубопровода, при котором размещают в трубопроводе пробозаборный элемент входным отверстием навстречу потоку и осуществляют отбор пробы пропорционально расходу потока, отличающийся тем, что отбор пробы осуществляют из областей Si, образованных условным разделением пространства трубопровода симметрично расположенными относительно его центра плоскостями, перпендикулярными продольной плоскости трубопровода X, которая для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода является вертикальной, при этом центры входного отверстия каждой области Si совмещают с точками, симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода, или располагают от них не более чем на 0,1 диаметра трубопровода, а пробу в каждой области Si отбирают пропорционально расходу потока с коэффициентом пропорциональности Ki, отклонение которого от их среднего арифметического значения не более 20%. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в случае размещения пробозаборного элемента в трубопроводе под давлением пробозаборный элемент размещают в трубопроводе через сальниковое устройство с запорной арматурой. 3. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, содержащее пробозаборный элемент, установленный в трубопроводе входным отверстием навстречу потоку и узел выхода из устройства, отличающееся тем, что входное отверстие на пробозаборном элементе выполнено из условия отбора пробы из областей Si, образованных условным разделением поперечного сечения трубопровода симметрично расположенными относительно его центра плоскостями, перпендикулярно расположенными к продольной плоскости трубопровода X, которая является вертикальной для наклонно или горизонтально расположенного трубопровода, а входные отверстия каждой области Si выполнены из условия совмещения их центров с точками, симметрично расположенными относительно центральной оси трубопровода, или из условия расположения центров входного отверстия каждой области Si, отстоящими от этих точек не более чем на 0,1 диаметра трубопровода, при этом входные отверстия выполнены из условия обеспечения возможности отбора пробы из каждой области Si пропорционально расходу в ней потока с коэффициентом пропорциональности Ki, отклонение которого от их среднего арифметического значения составляет не более 20%.