СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ СРЕДСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ДОЛИ СВОБОДНОГО ГАЗА Российский патент 2007 года по МПК G01N23/02 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в нефтяной промышленности, для определения газосодержания в газожидкостной смеси с помощью радиоизотопных средств измерения.

В настоящее время весьма перспективными являются бесконтактные радиоизотопные средства измерения параметров транспортируемой по трубопроводу газожидкостной смеси, работа которых основана на измерении прошедшего через газожидкостную смесь ионизирующего излучения. Указанные средства требуют проведения предварительной градуировки, в ходе которой определяются градуировочные зависимости, связывающие показания указанных средств с измеряемым параметром.

Так, в частности, известен способ градуировки радиоизотопного средства для измерения доли свободного газа, изложенный в описании к патенту на полезную модель RU 35008.

Данный способ градуировки осуществляется на рабочем участке трубопровода измерительной линии узла учета нефти и включает операцию снятия показаний градуируемого измерительного средства при заполнении рабочего участка трубопровода газожидкостными смесями с известной долей свободного газа.

Известен способ градуировки радиоизотопного средства для измерения доли свободного газа, изложенный в описании к патенту на изобретение RU 2141640, который выбран авторами в качестве ближайшего аналога.

Указанный способ градуировки основан на измерении на рабочем участке трубопровода величины прошедшего через газожидкостную смесь ионизирующего рассеянного излучения r_{тр расс}, зарегистрированного при облучении газожидкостной смеси широким пучком ионизирующего излучения. При этом измерения проводят для ряда смесей с известной долей свободного газа, формирование которых осуществляют непосредственно в рабочем участке трубопровода. Затем, используя полученные данные, определяют градуировочную зависимость, связывающую величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной r_{тр расс}.

Однако рассматриваемый способ градуировки (также как и способ, изложенный в RU 35008) трудно реализовать на рабочих участках трубопроводов, входящих в состав установок для контроля параметров и транспортировки нефтегазовых потоков, поскольку на указанных участках сложно организовать процесс формирования газожидкостных смесей с точно известным объемным газосодержанием.

Задачей заявляемого способа градуировки средства для измерения объемной доли свободного газа является упрощение его реализации применительно к рабочему участку трубопровода, входящего в состав установки для контроля параметров и транспортировки нефтегазового потока.

Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе градуировки средства для измерения объемной доли свободного газа в транспортируемой по трубопроводу газожидкостной смеси, основанном на измерении прошедшего через газожидкостную смесь ионизирующего излучения, включающем измерение на рабочем участке трубопровода величину рассеянного излучения r_{тр расс}, зарегистрированного при облучении газожидкостной смеси широким пучком ионизирующего излучения и определение на основании произведенных измерений градуировочной зависимости, связывающей величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной r_{тр расс}, при этом для получения указанной градуировочной зависимости используют смеси с известной объемной долей свободного газа, согласно изобретению смеси с известной объемной долей свободного газа формируют в измерительной емкости, изготовленной из того же материала и имеющей такие же геометрические размеры в плоскости поперечного сечения, что и рабочий участок трубопровода, при этом на измерительной емкости для каждой из газожидкостных смесей с известным значением ϕ_i измеряют величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_{пр i}, зарегистрованного при облучении смеси узким пучком ионизирующего излучения, включая измерение величины излучения r_{пр 0}, зарегистрированного при облучении смеси, представляющей собой свободную от газа жидкость, и величины излучения r_{пр 1}, зарегистрированного при облучении смеси, представляющей собой газ, после чего получают зависимость, связывающую величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной объемной доли свободного газа ϕ_пр, содержащегося в той части объема указанной газожидкостной смеси, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения, вычисляя значения ϕ_{пр i}, соответствующие известным значениям ϕ_i, путем подставления измеренных r_{пр i}, r_{пр 0}, r_{пр 1} в уравнение, полученное на основании закона Ламберта-Бэра:

а затем на рабочем участке трубопровода для ряда газожидкостных смесей с неизвестной объемной долей свободного газа ϕ_j измеряют величину рассеянного излучения r_{тр расс j} и дополнительно измеряют величину прямого излучения r_{тр пр j}, при этом измеряют величину прямого излучения r_{тр пр 0}, заполняя рабочий участок трубопровода свободной от газа жидкостью, и величину излучения r_{тр пр 1}, заполняя рабочий участок трубопровода газом, после чего вычисляют значения объемных долей свободного газа ϕ_{пр j}, содержащегося в той части объема газожидкостных смесей с неизвестными величинами ϕ_j, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения, путем подставления измеренных величин r_{тр пр j}, r_{тр пр 0}, r_{тр пр 1} в выше приведенное уравнение, и далее по полученной ранее для измерительной емкости зависимости, связывающей величину ϕ с величиной ϕ_пр, находят соответствующие вычисленным значениям ϕ_{пр j} численные значения ϕ_j, а затем на основании произведенных измерений величин r_{тр расс j} и найденных значений ϕ_j определяют искомую градуировочную зависимость, связывающую величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной r_{тр расс}.

Принципиально важным отличием заявляемого способа градуировки является то, что формирование смесей с известной объемной долей свободного газа ϕ осуществляют не на рабочем участке трубопровода, а в измерительной емкости, изготовленной из того же материала и имеющей такие же геометрические размеры в плоскости поперечного сечения, что и рабочий участок трубопровода, для того, чтобы условия прохождения ионизирующего излучения через размещенную в указанной емкости газожидкостную смесь были аналогичны условиям прохождения излучения через газожидкостную смесь, находящуюся в рабочем участке трубопровода.

Это позволяет проводить на измерительной емкости, а не на рабочем участке трубопровода, операции точного задания и/или замера объема или массы входящих в состав газожидкостной смеси компонентов, осуществляемые в ходе формирования ряда газожидкостных смесей с известным газосодержанием.

При этом на измерительной емкости, заполненной смесью с известным газосодержанием, измеряют не величину рассеянного излучения, полученного при облучении находящейся в емкости смеси широким пучком ионизирующего излучения, а величину прямого излучения, полученного при облучении смеси узким пучком ионизирующего излучения, поскольку регистрируемый сигнал прямого излучения менее чувствителен к возможным различиям геометрических параметров измерительной емкости и рабочего участка трубопровода.

На основании измеренного прямого излучения для находящейся в измерительной емкости газожидкостной смеси с известным во всем ее объеме газосодержанием ϕ вычисляют по уравнению, полученному на основании закона Ламберта-Бэра, объемную долю свободного газа ϕ_пр, содержащегося в той части объема указанной газожидкостной смеси, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения. Таким образом получают зависимость, связывающую величину газосодержания во всем объеме газожидкостной смеси ϕ с величиной газосодержания ϕ_пр в части ее объема, через которую проходит узкий пучок излучения.

Далее на рабочем участке трубопровода для ряда газожидкостных смесей с некоторым неизвестным газосодержанием измеряют как рассеянное, так и прямое ионизирующее излучение. При этом измеренные величины прямого излучения позволяют для каждой смеси вычислить по указанному выше уравнению величину газосодержания ϕ_пр в части объема смеси, через которую проходит узкий пучок излучения, и по полученной ранее на измерительной емкости зависимости, связывающей ϕ и ϕ_пр, определить для каждой смеси ранее неизвестную величину ϕ.

Измеренные величины рассеянного излучения при соотнесении их с соответствующими им известными значениями ϕ позволяют получить искомую градуировочную зависимость.

Таким образом, за счет осуществления сложной и трудоемкой процедуры формирования газожидкостных смесей с известным газосодержанием в специальной измерительной емкости и адаптации зависимостей, полученных для измерительной емкости, к результатам измерений и вычислений, произведенных на рабочем участке трубопровода, упрощается реализация способа на рабочих участках трубопровода, входящих в состав установки для контроля параметров и транспортировки нефтегазового потока.

На фиг.1 представлен общий вид градуируемого измерительного средства и измерительной емкости; на фиг.2 представлен разрез А-А на фиг.1.

Способ осуществляют следующим образом.

Производят градуировку размещаемого на горизонтально ориентированном рабочем участке трубопровода радиоизотопного средства для определения объемной доли свободного газа в газожидкостной смеси, проходящей по указанному участку трубопровода. Рассматриваемое измерительное средство содержит размещаемые снаружи трубопровода источник ионизирующего излучения, включающий блок 1 излучения, облучающий газожидкостную смесь узким пучком прямого ионизирующего излучения, и блоки 2 и 3, облучающие смесь двумя пучками широкого ионизирующего излучения, охватывающими все сечение трубопровода, а также блок 4 определения объемной доли свободного газа в газожидкостной смеси ϕ, который включает блок регистрации прошедшего через газожидкостную смесь прямого излучения, а также излучения, рассеянного указанной смесью и стенками трубопровода, и блок вычислений, в котором на основании обработки зарегистрированных сигналов вычисляется значение ϕ.

Размещают градуируемое средство на измерительной емкости 5, которая выполнена в форме горизонтально ориентированного цилиндра, изготовлена из того же материала и имеет такие же геометрические размеры в плоскости поперечного сечения, что и рабочий участок трубопровода, при этом длина указанной емкости 5, как правило меньше, чем длина рабочего участка трубопровода.

Емкость 5 снабжена краном 6 для заполнения ее жидкостью, краном 7 для слива жидкости, а также сквозными отверстиями 8 для контроля полноты заполнения емкости 5 жидкостью и горизонтальности ее положения.

Формируют в указанной емкости 5 ряд сред с известным объемным газосодержанием ϕ_i и для каждой среды измеряют величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_{пр i}.

При этом вначале производят измерение сигнала r_{пр 1} для среды, у которой ϕ=1, на емкости 5, полностью заполненной атмосферным воздухом.

Затем через кран 6 полностью заполняют емкость 5 жидкостью (например, не содержащей газа нефтью), контролируя полноту заполнения емкости 5 и горизонтальность уровня жидкости в ней с помощью отверстий 8, и производят измерение сигнала r_{пр 0} для среды, у которой ϕ=0.

Формирование газожидкостных смесей с известным газосодержанием ϕ_i осуществляют, отливая фиксированное количество жидкости через кран 7, при этом объем отлитой жидкости соответствует объему поступившего из атмосферы в емкость 5 газа, и измеряют сигнал r_{пр i}.

Для каждой из смесей, зная величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_{пр i}, вычисляют значение объемной доли свободного газа ϕ_{пр i} в части объема смеси, облучаемой узким пучком прямого излучения (объем V_пр на фиг.2), по уравнению (1), полученному на основании закона Ламберта-Бэра ослабления узкого пучка прямого ионизирующего излучения, прошедшего через газожидкостную смесь.

Зная вычисленные значения ϕ_{пр i} и соответствующие им известные для каждой из сформированных смесей значения объемного газосодержания ϕ_i, строят графическую зависимость, связывающую указанные величины.

Размещают градуируемое средство на рабочем участке трубопровода.

Измеряют сигнала r_{тп пр 1} для среды, у которой ϕ=1, полностью заполняя рабочий участок трубопровода атмосферным воздухом.

Затем заполняют указанный участок жидкостью (например, не содержащей газа нефтью) и измеряют сигнала r_{тр пр 0} для среды, у которой ϕ=0.

Формируют на рабочем участке трубопровода ряд сред с некоторым неизвестным объемным газосодержанием ϕ_j и для каждой среды измеряют величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_{тр пр j} и величину прошедшего через нее рассеянного ионизирующего излучения r_{тр расс j}.

Для каждой из смесей, зная величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_{тр пр j}, вычисляют значение объемной доли свободного газа ϕ_{пр j} в части объема смеси, облучаемой узким пучком прямого излучения.

Определяют по полученной для измерительной емкости 5 графической зависимости значениям ϕ_j, соответствующие вычисленным значениям ϕ_{пр j}.

Зная измеренные значения r_{тр расс j} и определенные по графической зависимости соответствующие им значения ϕ_j, строят искомую градуировочную зависимость в графической форме.

Использование: для градуировки средства для измерения объемной доли свободного газа. Сущность: смеси с известной объемной долей свободного газа формируют в измерительной емкости, изготовленной из того же материала и имеющей такие же геометрические размеры в плоскости поперечного сечения, что и рабочий участок трубопровода, при этом на измерительной емкости для каждой из газожидкостных смесей с известным значением объемной доли свободного газа ϕi измеряют величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_{пр i}, зарегистрированного при облучении смеси узким пучком ионизирующего излучения, после чего вычисляют значения ϕ_{пр i}, соответствующие известным значениям ϕi, получая зависимость, связывающую величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной объемной доли свободного газа ϕ_пр, содержащегося в той части объема газожидкостной смеси, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения, а затем на рабочем участке трубопровода для ряда газожидкостных смесей с неизвестной объемной долей свободного газа ϕj измеряют величину рассеянного излучения r_{тр расс j} и дополнительно измеряют величину прямого излучения r_{тр пр j}, после чего вычисляют значения объемных долей свободного газа ϕ_{пр j}, содержащегося в той части объема газожидкостных смесей с неизвестными величинами ϕj, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения, и далее по полученной ранее для измерительной емкости зависимости, связывающей величину ϕ с величиной ϕ_пр, находят соответствующие вычисленным значениям ϕ_{пр j} численные значения ϕj, а затем на основании произведенных измерений величин r_{тр расс j} и найденных значений ϕj определяют искомую градуировочную зависимость. Технический результат: упрощение способа градуировки средства для измерения объемной доли свободного газа применительно к рабочему участку трубопровода. 2 ил.

Способ градуировки средства для измерения объемной доли свободного газа в транспортируемой по трубопроводу газожидкостной смеси, основанный на измерении прошедшего через газожидкостную смесь ионизирующего излучения, включающий измерение на рабочем участке трубопровода величины рассеянного излучения r_{тр.расс}, зарегистрированного при облучении газожидкостной смеси широким пучком ионизирующего излучения и определение на основании произведенных измерений градуировочной зависимости, связывающей величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной r_{тр.расс}, при этом для получения указанной градуировочной зависимости используют смеси с известной объемной долей свободного газа, отличающийся тем, что смеси с известной объемной долей свободного газа формируют в измерительной емкости, изготовленной из того же материала и имеющей такие же геометрические размеры в плоскости поперечного сечения, что и рабочий участок трубопровода, при этом на измерительной емкости для каждой из газожидкостных смесей с известным значением ϕ_i измеряют величину прошедшего через нее прямого ионизирующего излучения r_пр.i, зарегистрированного при облучении смеси узким пучком ионизирующего излучения, включая измерение величины излучения r_пр.0, зарегистрированного при облучении смеси, представляющей собой свободную от газа жидкость, и величины излучения r_пр.1, зарегистрированного при облучении смеси, представляющей собой газ, после чего получают зависимость, связывающую величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной объемной доли свободного газа ϕ_пр, содержащегося в той части объема указанной газожидкостной смеси, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения, вычисляя значения ϕ_пр.i, соответствующие известным значениям ϕ_i, путем подставления измеренных r_пр.i, r_пр.0, r_пр.1 в уравнение, полученное на основании закона Ламберта-Бэра

а затем на рабочем участке трубопровода для ряда газожидкостных смесей с неизвестной объемной долей свободного газа ϕ_j измеряют величину рассеянного излучения r_{тр.расс.j} и дополнительно измеряют величину прямого излучения r_тр.пр.j, при этом измеряют величину прямого излучения r_тр.пр.0, заполняя рабочий участок трубопровода свободной от газа жидкостью, и величину излучения r_тр.пр.1, заполняя рабочий участок трубопровода газом, после чего вычисляют значения объемных долей свободного газа ϕ_пр.j, содержащегося в той части объема газожидкостных смесей с неизвестными величинами ϕ_j, которая облучается узким пучком ионизирующего излучения, путем подставления измеренных величин r_тр.пр.j, r_тр.пр.0, t_тр.пр.1 в выше приведенное уравнение, и далее, по полученной ранее для измерительной емкости зависимости, связывающей величину ϕ с величиной ϕ_пр, находят соответствующие вычисленным значениям ϕ_пр.j численные значения ϕ_j, a затем на основании произведенных измерений величин r_{тр.расс.j} и найденных значений ϕ_j определяют искомую градуировочную зависимость, связывающую величину объемной доли свободного газа ϕ в газожидкостной смеси с величиной r_{тр.расс}.