ПЛОТНОМЕР-РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД Российский патент 2009 года по МПК G01N9/26 G01F1/34 

Изобретение относится к области измерения параметров жидкости или газа непосредственно в потоке и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известен плотномер для жидких сред, содержащий вертикальную измерительную колонку, выполненную в виде двух параллельных труб одинакового диаметра, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, отборники давления, расположенные на внешних изгибах верхних и нижних участков восходящей и нисходящей ветвях труб на равных уровнях (полезная модель №15787, бюл. №31, 2000 г.).

Недостатком конструкции является расположение импульсных трубок с «эталонной» жидкостью внутри измерительных колонок, поэтому при больших скоростях потока жидкости происходит вихреобразование, что вносит погрешность в величину отбора давления, а следовательно, и в результаты измерения величин плотности жидкости.

Известен плотномер для жидких сред, содержащий -образную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три преобразователя давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях трубы, два дифференциальных манометра и регистрирующий прибор (авт. св. СССР №1325328, бюл. №27, 23.07.1987 г.).

Недостатком плотномера является отсутствие автоматической коррекции плотности «эталонной» жидкости по температуре и давлению применительно к рабочим условиям измеряемой среды, что сказывается на точности измерения плотности жидкости.

Известен (полезная модель №67263, опубл. 10.10.2007 г., бюл. №28) плотномер жидких или газообразных сред, который лишен указанных недостатков и содержит -образную (петлеобразную) трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок. Для повышения точности измерения он снабжен дополнительным датчиком температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки, и дополнительным отборником давления, расположенным на корпусе для термометра. В качестве «эталонной» жидкости использована жидкость, контактирующая с рабочей средой, но не смешивающаяся с ней. Кроме того, отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы, и отборник давления, расположенный на корпусе для термометра, находятся на одном уровне в нижней части петли, а плотность жидкости или газообразных сред определяется соответственно по формулам

где ρ_ж, ρ_г - плотности соответственно жидкости и газа, ^кг/_м ³,

- плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, ^кг/_м ³,

ΔP₁ - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления, измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на восходящей ветви, Па,

ΔР₂ - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического столба измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на нисходящей ветви, Па,

g - ускорение свободного падения, ^м/_с ²,

h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,

h_к - высота компенсации столба «эталонной» жидкости, м.

Кроме того, датчик абсолютного давления, два датчика разности давления, датчики температуры рабочей среды и температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком (Прототип).

Недостатком конструкции является низкая точность в определении массового расхода вследствие необходимости ввода поправки на разность показаний (ΔР₂-ΔР₁)±ΔР при определении массового расхода из-за особенности подключения датчиков разности давления.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерения параметров жидкости и газа и расширение функциональных возможностей устройства за счет определения состава жидких двухкомпонентных сред, абсолютной влажности газа и измерения массового расхода жидкости или газа с переменной плотностью.

Указанная задача решается за счет того, что в плотномере-расходомере жидких или газообразных сред, содержащем петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, первый и второй датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли. Устройство снабжено расположенным на одном уровне с упомянутыми отборниками давления дополнительным отборником давления, установленным на нисходящей ветви петлеобразной трубы, второй датчик разности давления подключен импульсными трубками с «эталонной» жидкостью к дополнительному отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления на восходящей ветви, а первый датчик разности давления подключен к отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления, размещенному на корпусе термометра, соединенного с верхним отборником давления на горизонтальном участке петли, расположенным симметрично относительно плеч нисходящей и восходящей ветвей петлеобразной трубы, при этом плотность жидкости или газа определяется соответственно по формулам

величины массовых расходов жидкости или газа определяются соответственно по формулам

а состав жидких двухкомпонентных сред («нефть-вода») и абсолютная влажность газа определяются соответственно по формулам, взятым из источника (6):

где - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, ^кг/_м ³,

ΔР₁ - верхний расчетный перепад давления, зависящий от изменения плотности в рабочих условиях (разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического давления, измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на нисходящей ветви, Па),

ΔР_2ТР - потери давления на трение между точками отбора давления на нисходящей и восходящей ветвях петлеобразной трубы при движении жидкости, Па,

g - ускорение свободного падения, ^м/_с ²,

h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,

h_к - высота компенсации столба «эталонной жидкости», м,

d - диаметр трубопровода, м,

α - поправочный коэффициент, устанавливается по результатам градуировки прибора,

М_ж - массовый расход жидкости, кг/с,

М_г - массовый расход газа, кг/с,

W - процентное содержание воды в нефти, %,

А - абсолютная влажность газа, кг/м³,

ρ_в - плотность пластовой воды, кг/м³, определяется по лабораторным данным по каждой скважине,

ρ_н - плотность дегазированной нефти, кг/м³, определяется по лабораторным данным по каждой скважине,

ρ₀ - плотность сухого газа при стандартных условиях: Т₀=293,15 К,

Р₀=0,10325 МПа, кг/м³, выбирается по известным таблицам,

Т₀, Р₀ - стандартные условия (293,15 К; 0,10325 МПа, кг/м³),

Р, Т - давление и температура в рабочих условиях, МПа, К,

Z - коэффициент сжимаемости газа, выбирается по известным таблицам,

ρ_г - плотность газа, измеренная в рабочих условиях, кг/м³,

ρ_ж - плотность жидкости, измеренная в рабочих условиях, кг/м³.

В заявляемом плотномере датчик абсолютного давления, два датчика разности давлений, датчик температуры рабочей среды и датчик температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.

На чертеже изображено заявляемое устройство.

Плотномер-расходомер жидких или газообразных сред содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей 1, горизонтальной 2 и нисходящей 3 ветвей, импульсные трубки 4, заполненные «эталонной» жидкостью, непосредственно контактирующей с рабочей средой, но не смешивающейся с ней, например кремнеорганической, имеющей известные коэффициенты объемного расширения и сжатия, четыре отборника давления, расположенные на одном уровне 5-8 в нижней части петли, отборник давления 9, расположенный на горизонтальной ветви на расстоянии h от уровня расположения нижних отборников давления. При этом отборник давления 5 установлен на восходящей ветви 1, отборники давления 6 и 8 - на нисходящей ветви 3, а отборник давления 7 установлен на корпусе для термометра 10 с датчиком температуры 11. Два датчика разности давления 12 и 13 связаны с восходящей ветвью 1 и нисходящей ветвью 3 следующим образом: «минусовая» камера датчика разности давления 12 посредством импульсной трубки с «эталонной» жидкостью соединена с отборником давления 5 на восходящей ветви 1, а «плюсовая» камера указанного датчика соединена с дополнительным отборником давления 8 на нисходящей ветви 3, «минусовая» камера датчика разности давления 13 соединена импульсной трубкой с датчиком 6 на нисходящей ветви, а «плюсовая» камера указанного датчика соединена с отборником давления 7 на корпусе для термометра. В месте контакта «эталонной» жидкости и рабочей средой в отборниках давления выполнены мини-камеры для передачи давления.

Датчик абсолютного давления 14 рабочей среды «Q» установлен на прямом участке в начале восходящей ветви 1, а датчик температуры рабочей среды 15 установлен на выходе нисходящей ветви 3. Датчики разности давления 12 и 13, термометр 10, датчик абсолютного давления рабочей среды 14 и датчик температуры рабочей среды 15 связаны с регистрирующим блоком 16 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность рабочей среды, ее массу, состав для двухкомпонентных жидких сред или абсолютную влажность газовых сред и выдает на средство визуализации, например компьютер (не показано).

Плотномер-расходомер жидких или газообразных сред работает следующим образом.

Рабочая жидкость или газообразная среда (рабочая среда «Q») поступает на вход восходящей ветви 1, где датчиком абсолютного давления 14 измеряется давление рабочей среды и передается на блок 16. Далее рабочая среда поднимается по восходящей ветви 1, при этом отборник давления 5 передает давление на датчик разности давления 12 в его «минусовую» камеру, и поступает на горизонтальную линию 2, где через отборник давления 9 давление передается в «плюсовую» камеру датчика разности давления 13, показание которого поступает в регистрирующий блок 16. Далее рабочая среда опускается по нисходящей ветви 3 и ее давление через отборник давления 6 передается в «минусовую» камеру датчика разности давления 13, показания которого поступают на блок 16, а давление этой же рабочей среды через отборник давления 8 поступает в «плюсовую» камеру датчика разности давления 12. На выходе в нисходящей ветви температура рабочей среды измеряется датчиком температуры 15, показания которого поступают на блок 16.

В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды.

Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета параметров жидкости или газообразных сред.

Изделие работает следующим образом.

Исследуемый поток Q жидкости или газообразных сред поступает на вход вертикальной ветви и, проходя через горизонтальную ветвь и нисходящую ветвь, поступает на выход. При этом осуществляется измерение перепадов давления ΔР₁ на нисходящей ветви и потери давления на трение ΔР_2ТР между точками отбора давления на нисходящей и восходящей ветвях трубы при движении жидкости, а также температуры t_эт «эталонной» жидкости в импульсной трубке и рабочей среды в трубопроводе и абсолютного давления Р в трубопроводе. Так как верхний отборник давления 9 расположен симметрично относительно восходящей и нисходящей ветвей, а плотность жидкости (газа) измеряется только на нисходящей ветви, то в формулы введены значения 0,5ΔР_2ТР, а перепады давлений ΔР₁ и ΔР_2ТР определяются по следующим формулам:

при этом

или

откуда

Давление, создаваемое «эталонной» жидкостью, определяется по формуле

где ρ_{t эт} - плотность «эталонной» жидкости, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

h - расстояние (при измерении жидких сред) между точками «отбора давления», м,

ΔР_ж - гидростатическое давление столба жидкости, равное расстоянию h, Па

Так как трубопровод одного диаметра (труба из нержавеющей стали повышенной точности), то можно принять, что коэффициент шероховатости на восходящей ветви примерно равен коэффициенту шероховатости в нисходящей ветви (петля выполнена из одного участка трубы)

где

(см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л., Машиностроение, 1979 г.)

здесь ρ_{20 эт} - плотность «эталонной» жидкости при нормальных условиях (t=20°C, P=0,103 МПа);

β_t - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости при изменении температуры, 1°С;

t - температура «эталонной» жидкости, измеряемая датчиком температуры, °С;

k_p - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/МПа;

Р - абсолютное давление, МПа;

β_t и k_p берутся из государственной системы стандартных данных.

Для выбора диапазона измерения плотности газа необходимо ввести компенсацию столба давления «эталонной» жидкости - h_к,

; ; ,

тогда

,

делим на , получаем

где ΔP₁ - верхний расчетный перепад давления, зависящий от изменения плотности в рабочих условиях (давления и температуры),

ρ_г - плотность газа в стандартных условиях известна.

делим на gh, тогда

откуда

или

В основу измерения потерь на трение заложено уравнение Бернулли для вязкой жидкости [3] при постоянном сечении трубопровода

где h₁ и h₂ - высоты, м;

g - ускорение свободного падения, м/с;

ρ - плотность жидкости или газа, кг/м³;

V₁ и V₂ - скорость потока, м/с;

α₁ и α₂ - коэффициенты Кориолиса;

P₁ и Р₂ - давление, Па;

Р_тр - потери давления на трение, Па.

Для предлагаемого плотномера-расходомера диаметр петлеобразной трубы везде одинаковый (труба из нержавеющей стали повышенной точности), следовательно, площади сечения трубы на всей длине одинаковые и скорости одинаковые, т.е. V₁=V₂, расстояния h₁=h₂, так как отборники давления находятся на одном уровне.

При равенстве скоростей потока коэффициент Кориолиса α=1,

α₁=α₂,

тогда уравнение (17) запишется в следующем виде:

или

Из формулы (18) найдем среднюю скорость потока вязкой жидкости, м/с:

Зная среднюю скорость потока при движении жидкости, диаметр петли трубопровода, плотность жидкости (газа), можно определить массу жидкости или газа по следующей формуле:

где

а , в которой Q - расход жидкости или газа, м³/с.

Использование предлагаемого изделия позволяет измерять плотность жидких или газообразных сред, определять количество массы жидкости или газа и состава жидких двухкомпонентных сред, абсолютной влажности газа и измерять массовый расход жидкости или газа с переменной плотностью

По данному изделию разработаны рабочие чертежи, изготовлен экспериментальный образец, проведены лабораторные испытания на воде, получены положительные результаты, подтверждающие правильность расчетов.

Источники информации

1. Плотномер для жидких сред. Свидетельство на полезную модель RU №15787, МКИ⁷ G01N 9/26, опубл. Бюл. №31, 2000 г.

2. Плотномер для жидких сред. Авт. свид. СССР №1325328, МКИ⁴ G01N 9/26, опубл. Бюл. №27, 1987 г.

3. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1985 г.

4. Плотномер жидких или газообразных сред. Патент на полезную модель RU №67263, МПК G01N 9/26, опубл. 10.10.2007 г., Бюл. №28.

5. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л., «Машиностроение», 1979 г.

6. Плотников В.М., Подрешетников В.А., Радкевич В.В., Тетеревятников Л.Н. Контроль состава и качества природного газа. Л., «Недра», 1983 г.

Изобретение может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности. Техническим результатом изобретения является повышение точности, расширение функциональных возможностей. Плотномер-расходомер содержит петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, четыре отборника давления, установленные соответственно на восходящей (1-й отборник), горизонтальной (2-й отборник) и нисходящей ветвях (3-й отборник) петлеобразной трубы, а также на корпусе термометра датчика температуры эталонной жидкости (4-й отборник), 1-й и 2-й датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры эталонной жидкости, импульсные трубки с эталонной жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды, и регистрирующий блок, 1-й, 3-й, 4-й отборники давления, а также дополнительный отборник (5-й) давления, установленный на нисходящей ветви петлеобразной трубы, расположены на одном уровне в нижней части петли. Второй датчик разности давления подключен импульсными трубками к 5-му отборнику и к 1-му отборнику. 1-й датчик разности давления подключен к 3-му отборнику и к 4-му отборнику давления. Термометр соединен со 2-м отборником давления. Плотность и расход жидкости или газа определяются по установленным математическим формулам. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плотномер-расходомер жидких или газообразных сред, содержащий петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, первый и второй датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли, отличающийся тем, что он снабжен расположенным на одном уровне с упомянутыми отборниками давления дополнительным отборником давления, установленным на нисходящей ветви петлеобразной трубы, второй датчик разности давления подключен импульсными трубками с «эталонной» жидкостью к дополнительному отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления на восходящей ветви, а первый датчик разности давления подключен к отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления, размещенному на корпусе термометра, соединенного с верхним отборником давления на горизонтальном участке петли, расположенным симметрично относительно плеч нисходящей и восходящей ветвей петлеобразной трубы, при этом плотность жидкости или газа определяется соответственно по формулам:
,
,
а величины массовых расходов жидкости или газа определяются соответственно по формулам:
,
,
а состав жидких двухкомпонентных сред: «нефть-вода» и абсолютная влажность газа определяются соответственно по формулам:
,
,
где - плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³;
ΔР₁ - верхний расчетный перепад давления, зависящий от изменения плотности в рабочих условиях, Па;
ΔР_2ТР - потери давления на трение между точками отбора давления на нисходящей и восходящей ветвях петлеобразной трубы при движении жидкости, Па;
g - ускорение свободного падения, м/с²;
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м;
h_к - высота компенсации столба эталонной жидкости, м;
d - диаметр трубопровода, м;
α - поправочный коэффициент;
М_ж - массовый расход жидкости, кг/с;
М_г - массовый расход газа, кг/с;
W - процентное содержание воды в нефти, %;
А - абсолютная влажность газа, кг/м³;
ρ_в - плотность пластовой воды, кг/м³;
ρ_н - плотность дегазированной нефти, кг/м³;
ρ₀ - плотность сухого газа при стандартных условиях: Т₀=293,15 К°, Р₀=0,10325 МПа, кг/м³;
Т₀, Р₀ - стандартные условия (293,15 К°; 0,10325 МПа, кг/м³);
Р, Т - давление и температура в рабочих условиях, МПа, К°;
Z - коэффициент сжимаемости газа;
ρ_г - плотность газа, измеренная в рабочих условиях, кг/м³;
ρ_ж - плотность жидкости, измеренная в рабочих условиях, кг/м³.

2. Плотномер по п.1, отличающийся тем, что датчик абсолютного давления, два датчика разности давлений, датчик температуры рабочей среды и датчик температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.