МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА Российский патент 2002 года по МПК G01F1/86 G01F1/74 

Изобретение относится к области измерения расхода, точнее - к устройствам для измерения расхода газожидкостных потоков и может использоваться для исследования, измерений и контроля параметров газожидкостных потоков, в частности массового расхода жидкой фазы, что особенно актуально для нефтяной отрасли, а также для других отраслей промышленности.

Известно устройство для измерения массового расхода газожидкостных потоков косвенным путем на основании измерения объемного расхода и плотности газожидкостной смеси [1] , содержащее гравиметрический плотномер, установленный в общей магистрали, и объемные расходомеры, установленные в магистралях выдачи топлива. Оно позволяет определить весовое количество и стоимость отпущенного потребителям топлива, но не позволяет измерить массовый расход жидкой фазы газожидкостной смеси.

Известно устройство для измерения массового расхода газожидкостного потока [2] , включающее датчик объемного расхода, датчик плотности, выходы которых подключены к умножителю, индикатор, подключенный к умножителю, схему формирования управляющего сигнала, включающую пороговое устройство, вход которой соединен с выходом датчика плотности. На выходе умножителя формируется сигнал, пропорциональный массовому расходу газожидкостной смеси, сигнал, пропорциональный плотности потока, поступает на вход схемы формирования управляющего сигнала, которая содержит пороговое устройство. На выходе этой схемы формируется управляющий сигнал, который поступает в схему коммутации, при этом сигнал с выхода умножителя проходит через делитель и на индикатор, который индицирует величину средней массы газа в газовой пробке. Устройство позволяет измерять массовый расход жидкой фазы газожидкостной смеси без крупных газовых включений(пробок).

Однако погрешность измерений такого устройства велика за счет невозможности учета мелких газовых пузырей, случайно расположенных в потоке газожидкостной смеси.

Прототипом предлагаемого устройства является массовый расходомер газожидкостного потока [3] , представляющий собой устройство, содержащее объемный расходомер, датчик средней плотности газожидкостного потока, блок пропускания сигнала, схему формирования управляющего сигнала, содержащую блок определения структурной функции процесса изменения плотности потока и пороговое устройство, умножитель и индикатор. Датчик объемного расхода подключен к первому входу умножителя через блок пропускания сигнала, датчик плотности подключен к второму входу умножителя и входу блока определения структурной функции, выход которого подключен к входу порогового устройства, выход которого подключен к управляющему входу блока пропускания сигнала. Сигнал, пропорциональный значению структурной функции, поступает на вход порогового устройства, в котором на основании сравнения значения структурной функции с заданным пороговым значением данной функции формируется управляющий сигнал, который поступает на управляющий вход блока пропускания сигнала. В моменты, когда на управляющий вход поступает разрешающий сигнал из схемы формирования управляющего сигнала, с выхода объемного расходомера через блок пропускания сигнала на первый вход умножителя проходит сигнал, пропорциональный объемному расходу жидкой фазы. В умножителе в указанные моменты времени реализуется вычисление массового расхода жидкой фазы контролируемого потока и сигнал, пропорциональный этой величине, поступает на вход индикатора. Устройство позволяет измерять массовый расход жидкой фазы газожидкостного потока, в частности газонефтеводяного.

Однако прототип не обладает точностью, необходимой для многих случаев измерений массового расхода, т. к. не учитывает реально существующую структуру газожидкостного потока.

Предлагаемое устройство решает задачи повышения точности измерения массового расхода жидкой фазы газожидкостного потока и одновременного определения объемных расходов газожидкостной смеси и газовой фазы.

Задачи решаются тем, что, в известном массовом расходомере газожидкостного потока, включающем датчик объемного расхода, выход которого подключен к первому входу блока пропускания сигнала, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу индикатора, датчик плотности, выход которого подключен к управляющему входу блока пропускания сигнала через схему формирования управляющего сигнала, состоящую из последовательно соединенных блока определения структурной функции процесса изменения плотности и порогового устройства, согласно формуле изобретения выход датчика плотности дополнительно подключен ко второму входу блока пропускания сигнала, второй выход которого подключен ко второму входу первого умножителя, дополнительно введены устройство деления, первое и второе вычитающие устройства, блок задания константы, второй умножитель и постоянное запоминающее устройство, причем первый и второй входы устройства деления подключены соответственно ко второму выходу блока пропускания сигнала и к выходу датчика плотности, выход устройства деления подключен к первому входу первого вычитающего устройства, к второму входу которого подключен блок задания константы, выход первого вычитающего устройства подключен к второму входу постоянного запоминающего устройства, первый вход которого подключен к первому выходу блока пропускания сигнала, к второму входу индикатора и вторым входам второго умножителя и второго вычитающего устройства, а выход подключен к первому входу второго умножителя, выход второго умножителя подключен к первому входу второго вычитающего устройства и к третьему входу индикатора, а выход второго вычитающего устройства подключен к первому входу первого умножителя.

Авторы установили, что сигнал с датчика объемного расхода на выходе блока пропускания сигнала (БПС) пропорционален не объемному расходу жидкости, как предполагалось в прототипе, а объемному расходу смеси жидкость-газ, и, за счет учета реальной структуры газожидкостного потока, путем использования экспериментально определяемой с помощью предлагаемого устройства зависимости между величинами, связанными с параметрами потока, авторам удалось решить задачу измерения массового расхода жидкой фазы в потоке с более высокой точностью, а также измерять объемные расходы газа и газожидкостной смеси.

Из гидродинамики известно, что массовый расход газожидкостной смеси и жидкой фазы, Q_мсм и О_мж соответственно, определяются по формулам
Q_мсм= Q_смρ_см; (1)
Q_мж= Q_жρ_ж, (2)
где Q_см и ρ_см- объемный расход газожидкостной смеси и плотность смеси соответственно, Q_ж и ρ_ж- объемный расход и плотность жидкой фазы соответственно. В прототипе считалось, что сигнал на выходе блока пропускания сигнала пропорционален не объемному расходу газожидкостной смеси, а объемному расходу жидкой фазы и путем перемножения этого сигнала с сигналом, пропорциональным плотности потока, получали массовый расход жидкой фазы.

Авторы экспериментально определили, что, вследствие неравномерного распределения скоростей жидкой и газовой фаз по сечению потока, на выходе БПС реально измеряется сигнал, пропорциональный объемному расходу не жидкой фазы, а газожидкостной смеси, поэтому для измерения жидкой фазы необходимо использовать вычисления по формуле (2), а значит, надо определять значения Q_ж и ρ_ж. Предлагаемое устройство позволяет производить измерения параметров, необходимых для более точного, чем у прототипа, измерения массового расхода жидкой фазы газожидкостного потока, а также одновременно с этим измерять объемные расходы газожидкостной смеси и газовой фазы.

Сигнал, пропорциональный ρ_см, пройдя через БПС, преобразуется на его выходе в сигнал, пропорциональный ρ_ж, который поступает на первый умножитель. Q_ж вычисляют из Q_ж= Q_см-Q_г. Авторами экспериментально установлено, что в известной зависимости Q_г= Q_см•β β является функцией Q_см и ϕ, где ϕ = 1-ρ_см/ρ_ж из [4] . Сигналы, пропорциональные ρ_см и ρ_ж, поступают с датчика плотности и с БПС соответственно, затем после прохождения устройства деления и первого вычитающего устройства получается сигнал, пропорциональный ϕ, который вместе с сигналом, пропорциональным Q_см, с выхода БПС, поступает на постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), где каждой паре значений Q_см и ϕ соответствует сигнал, пропорциональный значению β, который вместе с сигналом, пропорциональным Q_см, поступает на второй умножитель и затем на индикатор, где и индицируется в виде сигнала, пропорционального Q_г. Одновременно этот сигнал (Q_г) вычитается во втором вычитающем устройстве из сигнала, пропорционального Q_см, что дает значение Q_ж, и, после перемножения с ρ_ж в первом умножителе, индицируется на индикаторе как сигнал, пропорциональный величине Q_мж. Сигнал, пропорциональный Q_см, поступает на индикатор прямо с выхода БПС. Таким образом, с учетом вклада газовой фазы в газожидкостный поток, более точно определяется массовый расход жидкой фазы, и, кроме того, определяются объемные расходы газожидкостной смеси и газа.

Блок-схема предлагаемого устройства изображена на чертеже, где
1 - датчик объемного расхода;
2 - блок пропускания сигнала (БПС);
3 - первый умножитель;
4 - индикатор;
5 - датчик плотности;
6 - схема формирования управляющего сигнала;
7 - блок определения структурной функции процесса изменения плотности;
8 - пороговое устройство;
9 - устройство деления;
10 - первое вычитающее устройство;
11 - второе вычитающее устройство;
12 - блок задания константы;
13 - второй умножитель;
14 - постоянное запоминающее устройство(ПЗУ).

Устройство работает следующим образом.

Сигналы с датчика объемного расхода 1 и датчика плотности 5 поступают соответственно на первый и второй входы БПС 2, который содержит две схемы пропускания сигнала, управляемые одним сигналом, поступающим с управляющего входа от схемы формирования управляющего сигнала 6. Сигнал с первого выхода БПС 2 подается на второй вход индикатора 4, где индицируется как сигнал, пропорциональный величине Q_см, а со второго выхода - на второй вход первого умножителя 3 и на первый вход устройства деления 9, на второй вход которого подается сигнал с выхода датчика плотности 5. В устройстве деления 9 осуществляется деление сигнала, пропорционального плотности смеси, на сигнал, пропорциональный плотности жидкости, и полученный сигнал поступает на первый вход первого вычитающего устройства 10, где он вычитается из единицы, задаваемой блоком задания константы 12, выход которого подключен ко второму входу устройства 10. С выхода устройства 10 сигнал, пропорциональный величине ϕ, поступает на второй вход ПЗУ 14, на первый вход которого поступает сигнал, пропорциональный Q_см, с первого выхода БПС 2. В ПЗУ 14 происходит вычисление для каждой пары величин Q_см и ϕ соответствующего значения β, сигнал, пропорциональный которому, поступает с выхода ПЗУ 14 на первый вход второго умножителя 13, на второй вход которого подается сигнал, пропорциональный Q_см, с первого выхода БПС 2. Во втором умножителе 13 происходит перемножение сигналов и с выхода получаем сигнал, пропорциональный объемному расходу газовой фазы Q_г, который поступает на первый вход второго вычитающего устройства 11, а также индицируется на индикаторе 4 (подается на его третий вход). Во втором вычитающем устройстве 11, на второй вход которого подан сигнал, пропорциональный Q_см, с первого выхода БПС 2, происходит вычитание объемного расхода газа Q_г из объемного расхода смеси Q_см, что дает объемный расход жидкой фазы, сигнал, пропорциональный которому, поступает с выхода устройства 11 на первый вход первого умножителя 3, и там умножается на сигнал, пропорциональный плотности жидкости, приходящий со второго выхода БПС 2, при этом получаем сигнал, пропорциональный массовому расходу жидкой фазы Q_мж, который поступает на первый вход индикатора 4. Таким образом, на индикаторе 4 индицируются все измеряемые параметры потока: массовый расход жидкой фазы и объемные расходы газожидкостной смеси и газовой фазы.

В качестве объемного расходомера может быть использован любой расходомер, адаптированный к измерению расхода газожидкостного потока. В качестве датчика плотности может использоваться, например, радиационный датчик плотности. Блок определения структурной функции может быть реализован в виде специализированного вычислительного устройства [5] , блок пропускания сигнала - в виде стробирующего устройства. Умножители и вычитающие устройства могут быть выполнены в виде аналоговых вычислительных устройств на операционных усилителях или можно использовать перепрограммируемые логические устройства, например, фирм ALTERA, ATMEL. В качестве блока задания константы можно использовать резистивный делитель. ПЗУ может быть выполнено в виде двухходовой матрицы на ферритовых ячейках памяти.

Пример конкретного исполнения.

В качестве объемного расходомера был взят расходомер-счетчик многоканальный УРСВ "Взлет МР", плотномера - плотномер радиоизотопный "Фактор" КПТВ. 414412.001. , индикатора - дисплей ПК Р-11-400. Остальные блоки были сконструированы в виде единого специализированного вычислительного устройства ГЖРА. 469532.003. Измерялся газожидкостный поток товарной нефти в измерительной линии коммерческого узла учета на нефтеперекачивающей станции Нурлино, ОАО Урало-Сибирские магистральные нефтепроводы. В качестве образцового средства измерений использовались турбопоршневая установка и вибрационный плотномер фирмы Solartron. Погрешность измерений при измерениях устройством-прототипом составила 0,55%, а при измерениях предлагаемым устройством - 0,3%, что является существенным улучшением для таких измерений. Кроме того, с высокой точностью и достоверностью были одновременно измерены объемные расходы газовой фазы и смеси жидкость-газ, величины которых были соответственно равны 0,7 м³/ч и 220 м³/ч.

Предлагаемое устройство может найти широкое применение в промышленности и на нефтепроводах.

Источники информации
1. Патент РФ 1811583, 23.04.93, БИ 15, 1993.

2. А. с. СССР 11428924, БИ 37, 1988.

3. Патент РФ 2128328, БИ 9, 1999.

4. Мамаев, Одишария и др. Газодинамика газожидкостных смесей в трубах. М. : Недра, 1980.

5. А. с. 1022002, БИ 21, 1983.

Изобретение может быть использовано для измерения массового расхода жидкой фазы, (Q_мж) а также объемных расходов газожидкостной смеси и газовой фазы (Q_г) нефтяного потока на нефтепродуктах. Устройство содержит датчик объемного расхода газожидкостной смеси (Q_cм), датчик плотности смеси, блок пропускания сигнала (БПС), схему формирования управляющего сигнала, состоящую из последовательно соединенных блока определения структурной функции процесса изменения плотности и порогового устройства, два умножителя, устройство деления, два вычитающих устройства, блок задания константы, ПЗУ и индикатор. Сигнал на выходе второго умножителя пропорционален Q_г, второго вычитающего устройства - объемному расходу жидкой фазы (Q_ж), а на выходе первого умножителя - Q_мж. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения Q_мж нефтяного потока. 1 ил.

Массовый расходомер газожидкостного потока, содержащий датчик объемного расхода, выход которого подключен к первому входу блока пропускания сигнала, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу индикатора, датчик плотности, выход которого подключен к управляющему входу блока пропускания сигнала через схему формирования управляющего сигнала, состоящую из последовательно соединенных блока определения структурной функции процесса изменения плотности и порогового устройства, отличающийся тем, что выход датчика плотности дополнительно подключен к второму входу блока пропускания сигнала, второй выход которого подключен к второму входу первого умножителя, дополнительно введены устройство деления, первое и второе вычитающие устройства, блок задания константы, второй умножитель и постоянное запоминающее устройство, причем первый и второй входы устройства деления подключены соответственно к второму выходу блока пропускания сигнала и к выходу датчика плотности, выход устройства деления подключен к первому входу первого вычитающего устройства, к второму входу которого подключен блок задания константы, выход первого вычитающего устройства подключен к второму входу постоянного запоминающего устройства, первый вход которого подключен к первому выходу блока пропускания сигнала, к второму входу индикатора и вторым входам второго умножителя и второго вычитающего устройства, а выход - к первому входу второго умножителя, выход второго умножителя - к первому входу второго вычитающего устройства и к третьему входу индикатора, а выход второго вычитающего устройства - к первому входу первого умножителя.