СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ВЛАЖНОГО ГАЗА Российский патент 2014 года по МПК G01F3/30 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в газодобывающей и других отраслях промышленности для точного измерения расхода газа, содержащего в своем составе до 10% (по объему) воды и газового конденсата (далее - влажного газа) при его транспортировке по трубопроводу.

Известны концентрационные методы измерения расхода жидкостей и газов. Они основаны на зависимости степени разбавления индикатора или примеси от величины расхода измеряемого вещества Q₀ при известной начальной концентрации индикатора C_u и величине его расхода q_u. После достаточного смешения индикатора с измеряемым веществом ниже по течению потока отбирается проба фиксированного объема, в которой измеряется концентрация индикатора C_x. Расход измеряемого вещества при этом можно определить из уравнения баланса индикатора:

$$Q_0{C}_0+q_u{C}_u=\left(Q_0+q_u\right)C_x,\left(1\right)$$

где С₀ - возможная начальная концентрация индикатора в измеряемом веществе.

Если С₀=0 и С₀<<C_u, то

$$Q_0=q_u\frac{C_u}{C_x}\left(2\right)$$ .

Способ приведен в международном стандарте ISO 2975-1 [1]. Суть его более подробно описана во многих статьях, например [2].

Таким образом, для измерения расхода жидкостей и газов необходимо с высокой точностью определять концентрацию индикатора в потоке после его перемешивания. Для газов, содержащих в своем составе до 10% (по объему) воды и газового конденсата, предлагается сначала определять указанным выше способом расход жидкой фазы, а затем осуществлять коррекцию показаний преобразователей расхода газа.

В зависимости от вещества индикатора методы основаны на следующих физических принципах и методах исследования: химических, колориметрических, флуорометрических, рефрактометрических, кондуктометрических. Данные методы предназначены для разовых или периодических измерений расхода при поверке/калибровке стандартных сужающих устройств и других преобразователей расхода газа.

Впервые в качестве вещества индикатора применены парамагнитные метки двух различных типов. Благодаря своей химической структуре и свойствам один тип меток растворим только в воде, а другой тип меток растворим только в газовом конденсате. Интенсивность сигнала ЭПР, пропорциональная количеству парамагнитных меток, убывает с уменьшением их числа в отобранной пробе, и при фиксированном объеме пробы пропорциональна концентрации индикатора, С_х после перемешивания [3]. Анализируя спектры ЭПР парамагнитных меток в отобранных пробах, можно определить расход влажного газа в данном потоке.

Техническим результатом изобретения является увеличение точности результатов измерений расхода влажного газа, возможность одновременного определения содержания воды и газового конденсата во влажном газе, уменьшение количества вещества-индикатора, необходимого для проведения измерений по сравнению с методами, описанными ранее [1, 2, 4].

Поставленная цель достигается за счет высокой чувствительности метода ЭПР при определении концентрации парамагнитных меток в пробе. На Фиг.1 представлены зависимости интенсивности сигнала ЭПР различных типов парамагнитных меток от их концентрации. Также за счет высокой чувствительности метода ЭПР достаточно вводить в поток влажного газа растворы с низкой начальной концентрацией парамагнитных меток, что позволяет уменьшить ее затраты при проведении измерений.

Этот метод одновременного определения содержания воды и газового конденсата во влажном газе очень прост и нагляден благодаря тому, что сигналы ЭПР от различных типов парамагнитных меток «разнесены» (возникают при различных значениях индукции постоянного магнитного поля).

Течение влажного газа в горизонтальном трубопроводе носит слоистый характер. В нижней части потока находится жидкая фаза влажного газа, состоящая из воды и газового конденсата. Сущность изобретения поясняется чертежом, представленным на Фиг.2. В поток влажного газа, текущий по трубопроводу 1 диаметром D и проходящий через преобразователь расхода сухого газа 2, с помощью систем впрыска 3 при постоянном расходе из емкости 4 инжектируются растворы парамагнитных меток с известной начальной концентрацией. После прохождения потоком расстояния не менее 100-D, что обеспечивает необходимое его перемешивание, из трубопровода с помощью пробоотборной системы 5 отбирается проба жидкой фазы влажного газа.

Отобранная проба помещается в СВЧ-резонатор спектрометра ЭПР, и регистрируется ее спектр ЭПР. По интенсивности полученного спектра определяется концентрация обоих типов введенных выше по течению потока парамагнитных меток. Расход жидкой фазы, присутствующей в потоке влажного газа, находится из уравнения баланса индикатора по формуле (1).

Работоспособность метода была определена в лабораторных экспериментах при помощи спектрометра ЭПР Elexsys 500 фирмы Bruker на частоте 9,5 ГГц (что соответствует длине волны 3 см, Х-диапазон), амплитуда модуляции - 0,5 Гс, температура - 300 К.

В качестве парамагнитных меток в экспериментах использовались сульфат меди (медный купорос), растворимый в воде, и спиновая метка на основе нитроксильных радикалов TEMPON, растворимая в керосине. Необходимая концентрация меток в воде и керосине достигалась путем перемешивания в ультразвуковой ванне, масса компонентов контролировалась взвешиванием на весах Vibra НТ (абс.погр. - 1 мг).

Образцы спиновой метки, растворенной в керосине, помещались в стеклянный капилляр с внутренним диаметром 1 мм при помощи тонкой длинной пипетки. Общий объем образца не превышал 5 мкл, что позволяло поддерживать добротность СВЧ-резонатора на приемлемом уровне.

Образцы сульфата меди, растворенные в воде, помещались в стеклянный капилляр с внутренним диаметром 4 мм, общий объем образца не превышал 0,5 мл.

Также были проведены эксперименты, в ходе которых в СВЧ-резонатор спектрометра одновременно в различных количественных пропорциях помещались образцы сульфата меди в воде и образцы спиновой метки в керосине. На спектрах ЭПР (Фиг.3) одновременно присутствуют сигналы от обоих типов меток, интенсивность этих сигналов меняется в соответствии с количественным соотношением двух растворов в резонаторе. Сигналы ЭПР от различных типов парамагнитных меток возникают при значениях магнитного поля 3150 и 3450 Гс соответственно. Интегральная интенсивность сигнала убывает с уменьшением числа парамагнитных меток в отобранной пробе. Сопоставив спектр ЭПР пробы неизвестной концентрации с данными «калибровочными» спектрами, можно определить концентрацию обоих типов меток в пробе и, следовательно, определить расход жидкости на основании уравнения (2), а затем скорректировать показания преобразователей расхода газа, т.е. определить расход влажного газа.

Источники информации

1. ISO 2975-1 «Измерение расхода воды в закрытых каналах. Методы прививок».

2. П.П. Кремлевский. «Расходомеры и счетчики количества», СПб.:

Политехника, 136-152 с. (2004).

3. R. S. Alger, Electron paramagnetic resonance: techniques and applications, New York, pp.201-221 (1971).

4. H. de Leeuw, Wet gas flow measurement by means of a Venturi meter and a tracer technique, North Sea Measurement Workshop (1994).

Способ определения расхода влажного газа основан на зависимости степени разбавления вещества индикатора от величины расхода измеряемого вещества при известном расходе и начальной концентрации вещества индикатора. При этом в качестве вещества индикатора выступают парамагнитные метки, а в качестве используемого метода - метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Технический результат - повышение точности определения процентного содержания воды и газового конденсата во влажном газе и корректировка показания преобразователей расхода сухого газа по результатам анализа спектральных характеристик проб, отобранных из потока влажного газа. 3 ил.

Способ определения расхода влажного газа, основанный на зависимости степени разбавления вещества индикатора от величины расхода измеряемого вещества, при известном расходе и начальной концентрации вещества индикатора, отличающийся тем, что в качестве вещества индикатора выступают парамагнитные метки, а в качестве используемого метода - метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), который позволяет с высокой точностью определить процентное содержание воды и газового конденсата во влажном газе и скорректировать показания преобразователей расхода сухого газа по результатам анализа спектральных характеристик проб, отобранных из потока влажного газа.