ИЗМЕРИТЕЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ В ГАЗОВОМ ПОТОКЕ Российский патент 2018 года по МПК G01N25/56 G01F13/00 G01N1/20 

Изобретение относится к области контроля качества подготовки природного и попутного нефтяного газов к транспорту, а также к области контроля качества жидкостей, транспортируемых по трубопроводам, в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано на топливно-энергетических, химических, нефтехимических и нефтегазоперерабатывающих предприятиях.

Измеритель содержания дисперсной фазы (ИСДФ) в газовом потоке применяется для определения количества жидкой или твердой дисперсной фазы в газовом потоке до или после технологического оборудования, газовых сепараторов, фильтров, адсорберов, абсорберов, компрессоров для оценки параметров их работы.

Измеритель содержания дисперсной фазы (ИСДФ) в жидкостном потоке применяется для определения количества твердой дисперсной фазы (механических примесей) до или после технологического оборудования, фильтров, насосов, отстойников, теплообменников для оценки параметров их работы.

Известно устройство для измерения концентрации капельной жидкости в потоке газа (патент на изобретение РФ №2439544, дата приоритета 22.03.2010 г., МПК G01N 25/56). Устройство для измерения концентрации капельной жидкости в потоке газа содержит фильтровальный узел с пробоотборным зондом, патрубок отбора газа с регулятором расхода, направляющий цилиндр, счетчик газа с манометром и термометром. При этом устройство снабжено ручным зубчатоканатным приводом с пружинным фиксатором положения фильтровального узла с зондом, линейной шкалой на направляющем цилиндре и индикатором текущего расхода газа и набором сменяемых зондов с различным внутренним сечением. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения за счет обеспечения изокинетичности отбора проб газа и расширения диапазона применения устройства по давлению в газопроводе.

Известна система и метод выборочной проверки или точечного отбора проб многофазной смеси, протекающей в трубопроводе (международная заявка WO 2008117024, дата приоритета 27.03.2007 г., МПК G01N-001/20, G01N-033/28). Система выборочной проверки или точечного отбора проб многофазной смеси, протекающей в трубопроводе, содержит: средство отбора проб многофазной смеси в изокинетических условиях; средства для подачи потока пробы многофазной смеси в сепаратор или поток пробкового типа; и средство для определения содержания фазы, прошедшей сепаратор или поток пробкового типа в месте обнаружения фазы.

Известен изокинетический способ и система отбора проб для мультифазного потока из подземных скважин (международная заявка WO 200760386, дата приоритета 22.11.2005 г., МПК G01F-001/74* G01F-015/02). Система для отбора проб мультифазного потока текучей среды, проходящего в трубопроводе, при изокинетических условиях и измерения реологических параметров мультифазного потока текучей среды, проходящего по трубопроводу, содержащая устройство отбора проб, выполненное с возможностью отбора части мультифазного потока текучей среды, проходящего по трубопроводу, причем упомянутое устройство содержит пробоотборный зонд, установленный в месте отбора проб в трубопроводе; дифференциальный манометр-расходомер, выполненный с возможностью измерения перепада давления между первым давлением мультифазного потока текучей среды, проходящего по трубопроводу, и вторым давлением отобранной части мультифазного потока текучей среды, проходящего в пробоотборном зонде, причем измеряют первое давление в первом напорном отверстии, расположенном на стенке трубопровода в плоскости поперечного сечения отверстия в зонде для отбора проб, а второе давление измеряют во втором напорном отверстии, выполненном в пробоотборном зонде под отверстием для отбора проб, причем плоскость поперечного сечения отверстия для отбора проб лежит в плоскости поперечного сечения трубопровода, контроллер, выполненный с возможностью регулирования скорости потока отобранной части мультифазного потока текучей среды, проходящего в пробоотборном зонде, в котором средство регулирования скорости потока отобранной части мультифазного потока текучей среды, проходящего в пробоотборном зонде, установлено для обеспечения того, чтобы перепад давления равнялся, по существу, нулю; один или несколько счетчиков, выполненных с возможностью измерения массовой скорости потока фаз мультифазной смеси, плотности фаз мультифазной смеси, соотношения вода-жидкость, соотношения нефть-жидкость отобранной части мультифазного потока текучей среды; и один или несколько компьютерных процессоров, выполненных с возможностью обработки измеренных данных для определения реологических параметров мультифазного потока текучей среды, проходящего по трубопроводу.

Известна установка для определения содержания дисперсной фазы в газовом потоке (патент РФ №2498231, дата приоритета 19.06.2012 г., МПК G01F 13/00), включающая пробоотборный зонд, блок сепарации, содержащий сепаратор, снабженный фильтр-патроном и мерником для отсепарированной жидкости из газа, блок поддержания постоянного расхода газа при давлении, температуре и скорости в системе установки, равных давлению, температуре и скорости газового потока, включающий клапан регулировки расхода газа, расходомер и узел подачи ингибитора гидратообразования, содержащий емкость с ингибитором и клапан подачи ингибитора к клапану регулировки расхода газа, при этом установка дополнительно содержит блок фильтрации, установленный параллельно блоку сепарации между пробоотборным зондом и расходомером, и включающий фильтр-патрон для улавливания выделившейся жидкости при наборе в системе устройства давления, равного давлению газового потока, затем фильтр-патрон для улавливания капельной влаги и механических примесей из газа и после него фильтр-патрон для коррекции результатов измерений, а блок поддержания постоянного расхода газа в качестве расходомера содержит массовый расходомер, установленный перед клапаном регулировки расхода газа.

Известные решения не обеспечивают достаточной степени точности измерения содержания дисперсной жидкой или твердой фазы в потоке.

Технической задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения содержания дисперсной жидкой или твердой фазы в потоке с соблюдением условий сохранения температуры, давления и представительности пробы.

Технический результат - повышение точности измерения содержания дисперсной фазы в потоке.

Технический результат достигается тем, что измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке, включающий пробоотборный зонд, сепаратор, снабженный фильтр-патроном и мерником для отсепарированной жидкости из газа, клапан регулировки расхода газа, емкость с ингибитором и клапан подачи ингибитора к клапану регулировки расхода газа, фильтр-патрон для улавливания механических примесей из газа, при этом дополнительно содержит устройство для автоматического перемещения пробозаборного зонда по сечению исследуемого трубопровода, преобразователь перепада давления между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, предназначенный для осуществления изокинетичного пробозабора за счет автоматического поддержания клапаном-регулятором, установленным на выходе пробоотборной линии, нулевого значения разницы давлений между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, средства термостатирования, массовый расходомер для учета количества отсепарированной жидкости в мернике, содержащем уровнемер.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами:

Фиг. 1 - Принципиальная схема устройства;

Фиг. 2 - Фрагмент пробозаборного зонда;

Фиг. 3 - Устройство перемещения пробозаборного зонда.

Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке включает систему автоматизированного управления (САУ) (не показана).

Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке (ИСДФ) соединяется с технологическим трубопроводом 1 (фиг. 1) через имеющийся на нем штуцер 2, оснащенный полнопроходным краном или задвижкой 3, на который монтируется устройство перемещения пробозаборного зонда (УППЗ) 4.

УППЗ позволяет вводить в сечение трубопровода 1 пробозаборный зонд 5.

Конструкция УППЗ показана на фиг. 2.

Пробозаборный зонд 5 служит для отбора части потока из газопровода 1. Форма наконечника показана на фиг. 3. За счет выноса атакующего наконечника вперед по потоку, а также изогнутой формы тела зонда 5, создаваемая им зона повышенного давления не вносит возмущения в отбираемый поток. Входной канал зонда имеет постоянный диаметр d (3-6 мм) и длину h1. Внешняя форма входа зонда имеет форму усеченного конуса, направленного зауженным концом навстречу потоку.

Атакующий срез зонда 5 изготовлен из материала, превосходящего сталь по твердости и износостойкости (например, спеченные твердые сплавы или керамика).

Геометрические размеры зонда позволяют подключиться к трубопроводу через штуцер 2 и кран 3 с внутренним диаметром от 25 мм.

Выполняют следующие требования к форме зонда (фиг. 3):

- протяженность входного канала с постоянным внутренним сечением d должна удовлетворять условию l,5d>h1>d;

- изменение внутреннего диаметра канала после входного канала допускается за счет концентрического расширения с углом конуса α<30°;

- угол конусности внешней формы наконечника зонда α должен быть менее 30°;

- изгибы зонда должны находиться на расстоянии не более (5-8) d от оси наконечника.

Атакующая форма зонда исследована, геометрические параметры обоснованы моделированием.

Конструкция зонда предусматривает также дополнительный канал отбора статического давления потока, реализованный в виде внешней концентрической трубки 28 (фиг. 2), в которую запрессована прямая часть зонда 5. На трубке предусмотрены усредняющие отверстия 29 диаметром от 0,5 до 6 мм в количестве от одного до двенадцати, а внутренний диаметр самой трубки больше наружного диаметра трубки зонда не менее чем на 0,5 мм. Максимальный диаметр внешней трубки должен быть меньше диаметра штуцера 2 и крана 3 на 3-6 мм.

Для обеспечения изокинетичности в атакующей трубке зонда автоматически поддерживается нулевая разность полного давления потока и статического давления, измеряемая преобразователем перепада давления 6.

Изменение глубины погружения зонда в поток реализуется автоматически по алгоритму системы автоматизированного управления (САУ) измерителя содержания дисперсной фазы.

Для герметизации внешней трубки пробозаборного зонда 28 в узле ввода зонда 30 предусмотрено сальниковое уплотнение 31, поджимаемое гайкой 32. Узел ввода зонда прикреплен резьбовым соединением на нижней опорной плите 33, на которой также закреплены стержни 34 и сервомотор 35.

Стержни 34 удерживают верхнюю опорную плиту 36. В отверстиях, выполненных в верхней и нижней опорных плитах, вращается ходовой винт 37. Свободный конец ходового винта имеет съемную рукоять 38 для вращения винта вручную.

Ходовой винт 37 и вал сервомотора 35 соединены через зубчатую пару шестерен 39 и 40. Вращение вала ходового винта преобразуется в поступательное движение подвижной плиты 41, которая удерживается на стержнях 34 и передвигается по ним. Плавность и легкость перемещения подвижной плиты 41 достигается за счет втулок скольжения 42, как правило, выполняемых из бронзы.

На подвижной плите 41 жестко закреплена внешняя трубка 28 пробозаборного зонда 5, которая, перемещаясь вместе с плитой, проталкивается или вытягивается сквозь узел ввода 30 в зависимости от направления вращения сервомотора 35 или рукояти 38.

На конце внешней трубки зонда герметично присоединен тройник 43. Сквозь него свободно проходит основная (внутренняя) трубка зонда 5. На всем протяжении внешней трубки 28 и в тройнике 43 трубка зонда 5 внутри находится с небольшим зазором (не менее 0,5 мм). Проходной резьбовой штуцер тройника 43 герметично обжимает трубку зонда 5. Таким образом, внутренняя трубка 5 закреплена внутри внешней 28 в ее начале, где конец трубки 28 запрессован и обжимает трубку 5, и в конце, где обжатие производится проходным штуцером тройника 43. На непроходном конце тройника реализован резьбовой штуцер, к которому присоединена импульсная трубка 44.

На конце основной (внутренней) трубки зонда 5 предусмотрен тройник 45, оснащенный резьбовыми штуцерами. К проходному штуцеру присоединена трубка 46 пробозаборной линии ИСДФ. К непроходному штуцеру тройника присоединена импульсная трубка 47.

По трубке 46 пробозаборной линии проба газа, отобранная из газового потока технологического трубопровода, поступает в пробоотборную линию. По импульсным трубкам 44 и 47 в камеры преобразователя перепада давления 6 на фиг. 1 подаются импульсы статического давления и полного давления потока соответственно. Предусмотрен кран К1, позволяющий соединить камеры преобразователя давления друг с другом. Это позволяет производить периодическую калибровку нуля преобразователя перепада давления 6.

После УППЗ в пробозаборной линии содержится соленоидный трехходовой клапан К2 и фильтр 7, а сама пробозаборная линия теплоизолирована и обогревается греющим кабелем.

Фильтр 7 оснащен самозакрывающимися быстроразъемными соединениями, позволяющими снять его и соединить линию без него. Он предназначен для улавливания твердых дисперсных частиц в случае, если ИСДФ используется для этой цели. В фильтре содержится фильтрующий слой. Количество механических примесей определяется в лаборатории взвешиванием остатка после сжигания фильтрующего слоя. Содержание твердых дисперсных частиц вычисляется САУ по количеству, введенному вручную по результатам взвешивания, и суммарному объему пробы газа, из которого эти примеси отфильтрованы. При измерении количества жидкой дисперсной фазы в газовом потоке фильтр 7 снимают, а пробозаборную линию переключают клапаном К2, минуя фильтр 7.

Для подачи пробы газа в основной блок ИСДФ используют гибкий рукав высокого давления (8, 9, 10 или 11). В зависимости от параметра ΔT=Т_газ.-Т_окр., определяемого как разность между температурой отбираемой пробы газа и температурой окружающего воздуха, могут применяться рукава различных исполнений:

- при минус 10°C≤ΔT≤+10°C обычный РВД 8,

- при +10°C<ΔT≤+20°C и при минус 10°C < ΔT ≤ минус 20°C теплоизолированный РВД 9,

- при +20°C<ΔT теплоизолированный РВД с кабельным электрообогревом 10,

- при ΔT < минус 20°C теплоизолированный РВД с охлаждающей рубашкой 11.

Указанные требования могут быть ужесточены при необходимости прецизионных измерений или смягчены при экспресс-анализе.

При использовании для подачи проба газа в основной блок ИСДФ рукавов 8, 9 или 10 для сброса отработанной пробы из ИСДФ на свечу используется гибкий РВД 12 аналогичный рукаву 8.

При использовании для подачи проба газа в основной блок ИСДФ рукава 11 сброс отработанной пробы из ИСДФ на свечу осуществляется через охлаждающую рубашку рукава 11, к выходному штуцеру которой подключается рукав 8, соединенный с трубопроводом сброса на свечу.

Трубопроводы внутри блока ИСДФ имеют теплоизоляцию и кабельный обогрев.

В ИСДФ предусмотрен теплообменник 13, входы и выходы которого оснащены кранами К4, К5, К24, К25 и термопреобразователями 14, 15, 16, 17. Также предусмотрены байпасные краны К3 и К23, которые позволяют пустить поток, минуя теплообменник.

Теплообменник 13 осуществляет охлаждение пробы за счет нагрева встречного потока отработанной пробы газа, сбрасываемой на свечу или факел, или нагрев пробы газа электронагревателями, предусмотренными в его корпусе. Охлаждение и нагрев осуществляются с такой интенсивностью, чтобы придать проходящему потоку пробы газа при любом ее расходе ту же температуру, что и в технологическом трубопроводе с точностью ±2°C.

Предусмотрен сепаратор 18, имеющий в своем составе датчик температуры 19 и датчик давления 20. По датчику температуры контролируют соблюдение изотермичности процесса, по датчику давления контролируют соблюдение изобаричности процесса сепарации пробы газа. Посредством переключения кранов К6 на входе сепаратора, К7 на байпасе сепаратора и К8 на выходе сепаратора проба газа может подаваться как через сепаратор, так и минуя его.

Сбор отфильтрованной в сепараторе жидкой фазы осуществляется в мернике 21 известной вместимости. Мерник выполнен из прозрачного материала и имеет миллиметровую шкалу, по которой определяют его заполнение. В верху мерника предусмотрен соленоидный клапан К9. Внизу мерника предусмотрен не учитываемый сброс дренажа через игольчатый клапан К10 вручную и учитываемый массовым расходомером 23 автоматический сброс дренажа через электроприводной регулирующий клапан К11 и ручной учитываемый массовым расходомером 23 сброс дренажа через клапан К12. САУ открывает клапан К11 при заполнении и закрывает его при опорожнении мерника по сигналу от уровнемера 22, смонтированного внутри мерника. Верхний уровень жидкости - уровень открытия клапана дренажа, и нижний уровень жидкости - уровень закрытия клапана дренажа выбираются в пределах визуальной шкалы мерника. На время дренажа мерника САУ отсекает сепаратор от пробозаборной линии путем закрытия соленоидного клапана К9.

Уровнемер 22 одновременно определяет два текущих уровня в мернике 21: общий уровень заполнения и уровень границы раздела жидких фаз (если жидкость разделялась на фазы).

В процессе автоматического дренирования приток жидкости в мерник из сепаратора исключен, так как К9 закрыт.

Оставшееся в мернике 21 количество жидкости в конце измерения сливают через дренажную линию, где оно учитывается массовым расходомером 23.

Фильтр 24 может быть соединен последовательно с сепаратором 18 путем переключения трехходового соленоидного клапана К13 на линию через фильтр и при открытых К14 и К15. Подключенный последовательно фильтр 24 используется в качестве проверочного индикатора уноса капельной жидкости из сепаратора 18. Фильтр 24, включенный в линию, минуя сепаратор 18, используется в том случае, когда количество дисперсной фазы в потоке настолько мало, что за продолжительное время исследования не удается набрать минимальный уровень в мернике 21. Также, фильтр 24, включенный в линию, минуя сепаратор 18, используется для проведения экспресс-анализа содержания жидкой дисперсной фазы в газовом потоке или для построения профиля концентраций сечения потока, что может понадобиться в исследовательских целях. В остальных случаях фильтр отключен от процесса и может быть снят, а клапан К13 переключен в обход фильтра 24.

Включенный последовательно после сепаратора 18 и фильтра 24 массовый расходомер 25 измеряет мгновенный массовый расход, суммарный массовый расход, суммарную массу, мгновенную плотность и температуру пробы газа, прошедшей через сепаратор 18 или фильтр 24. САУ по параметрам, измеряемым расходомером 25, может также определять объемный расход газа и суммарный объем газа за время измерения в рабочих условиях и в стандартных условиях. После прохождения сепаратора 18 и/или фильтра 24, а также расходомера 25 проба газа считается отработанной.

При подготовке к работе проба газа пропускается по байпасному крану К16, а кран К17 на выходе после расходомера К25 закрыт. В работе К16 должен быть закрыт, а К17 открыт.

После расходомера К25 в отработанную пробу газа вводится жидкий ингибитор гидратообразования, подаваемый самотеком из емкости 26, установленной выше линии. Емкость соединена с линией отработанной пробы трубкой, оснащенной краном К18. При открытом К18 давление в емкости 26 равно давлению газа в линии. Расход ингибитора, подаваемого в линию, измеряется массовым расходомером 27 и регулируется по его сигналу автоматически по алгоритму САУ электроприводным клапаном-регулятором К19.

Расход отработанной пробы газа регулируется автоматически по сигналу преобразователя перепада давления 6 по алгоритму САУ электроприводным клапаном-регулятором К20 для обеспечения расхода пробы, проходящего по линии, таким, чтобы обеспечивалось условие изокинетичности пробозабора.

САУ на фиг. 1 условно не показана. САУ принимает и обрабатывает сигналы от:

- преобразователя перепада давления 6;

- сервомотора 35 в составе УППЗ, показанного на фиг. 2;

- термопреобразователей 14, 15, 16, 17, 19;

- датчика давления 20;

- уровнемера 22;

- расходомеров 23, 25, 27;

- состояние клапанов-регуляторов K11, К19, К20.

САУ в автоматическом режиме или под управлением оператора выдает управляющие сигналы на следующие элементы:

- сервомотор 35 в составе УППЗ, показанного на фиг. 2;

- соленоидные клапаны К2, К9, К13;

- электроприводные клапаны-регуляторы K11, К19, К20.

Описание работы устройства

Устройство имеет возможность работать в различных режимах в зависимости от поставленной задачи.

Исследуемый газовый поток движется по основному трубопроводу 1, внутренний диаметр D которого известен. Сведения о расходе среды в трубопроводе 1 и ее плотности не обязательны.

Для анализа отбирается незначительная часть потока через специальный пробозаборный зонд 5 известного диаметра d, соединенный с устройством перемещения пробозаборного зонда (УППЗ) 4. УППЗ 4 используется для первичного ввода пробозаборного зонда 5 в технологический трубопровод через штуцер 2, предусмотренный на трубопроводе и оснащенный полнопроходной задвижкой 3 (шаровой кран, шиберная или клиновая задвижка).

В дальнейшем устройство перемещения пробозаборного зонда 5 обеспечивает автоматическое по заданному алгоритму изменение глубины погружения зонда в сечение основного трубопровода, что обеспечивает забор пробы по всему профилю потока основного трубопровода. Это позволяет определять значение концентрации дисперсных частиц в нескольких сечениях профиля потока. Также это позволяет, за счет многократного и последовательного набора исследований концентрации во многих сечениях профиля потока, получать более точное усредненное значение концентрации.

1 Подготовка к работе

1.1 Приведение в состояние «Готовность»

До начала измерений УППЗ 4 позиционируют так, чтобы атакующий наконечник зонда 5 был направлен навстречу потоку, и монтируют УППЗ на штуцер 2 и закрытый кран 3, предусмотренные на технологическом трубопроводе 1.

К2 открывают в обход фильтра 7.

Кратковременным открытием крана 3 проверяют герметичность сальникового уплотнения 31 УППЗ. При необходимости поджимают гайку 32.

Измеряют расстояние от нижней опорной плиты 33 до наружной поверхности стенки трубопровода 1. В САУ вводят результат измерения в миллиметрах, а также известное значение толщины стенки трубопровода 1 в миллиметрах и известное значение внутреннего или наружного диаметра трубопровода 1 в миллиметрах.

УППЗ и основной блок ИСДФ соединяют одним из рукавов 8, 9, 10 или 11, исходя из описанного условия ДТ. Емкость 26 заполняют ингибитором и герметично закрывают. Рукав 12 подключают к выходу ИСДФ и к свече сброса газа или к выходному штуцеру охлаждающей рубашки рукава 11 и к свече сброса газа.

В случае исследования жидкостного потока в трубопроводе 1 используют рукава 8 и 12. В этом случае рукав 12 подключают к дренажному трубопроводу.

Открывают полнопроходной кран 3 на штуцере 2 трубопровода 1.

Открывают кран К1 и подают в САУ команду на калибровку прибора 6 (преобразователя перепада давления)

Закрывают кран К1.

После этого ИСДФ и УППЗ готовы к работе в одном из описанных ниже режимов.

1.2 Приведение в состояние «Пауза в работе»

В состояние «Пауза в работе» ИСДФ приводят как непосредственно перед началом измерения, так и в процессе работы, когда очередное измерение завершено или приостановлено, но планируется проведение следующего измерения или возобновление текущего измерения.

Для приведения в состояние «Пауза в работе» ИСДФ собирают, как показано на фиг. 1.

Кран К1 закрыт. Клапан К2 открыт в обход фильтра 7. Краны К3, К4, К5, К6, К8 закрыты. К7 и К9 открыты. К10, К12 закрыты. К13 открыт в обход фильтра 24. К14, К15 закрыты. К16, К18, К21, К22 открыты. К23, К24, К25, К26 закрыты. Клапаны К11, К19, К20 управляются автоматически САУ. Краны К7, К15, К17, К18, К23 открыты. Проток пробы через ИСДФ отсутствует.

При измерениях количества и концентрации механических примесей в жидкостных потоках систему защиты от гидратообразования не используют и отключают путем закрытия клапана К19 и крана К18.

Вводят зонд на глубину в четверть диаметра трубопровода 1.

Открывают К3 и набирают давление:

- в фильтр 7 кратковременным переключением К2 на фильтр 7;

- в фильтр 24 кратковременным открытием крана К15;

- в сепаратор 18 открытием крана К8;

- в теплообменник 13 кратковременным открытием кранов К5, К24.

При измерениях количества и концентрации механических примесей в жидкостных потоках давление набирают только в фильтр 7, в котором заранее заменяют фильтрующую кассету на стойкую к исследуемой жидкости. Теплообменник 13, сепаратор 18, фильтр 24 не используются и остаются отключенными.

При исследованиях газодисперсных потоков приводят сепаратор 18 в состояние готовности, для чего насыщают его фильтрующий слой жидкостью. Открывают К6. Закрывают К21. Через сепаратор 18 сбрасывается проба газа на свечу. За счет расширения газа в сепараторе C1 интенсивно выпадает влага.

Набирают мерник 21 до уровня на 50-60 мм выше нижнего уровня, на котором сброс дренажа останавливается. Вводят в САУ команду на калибровку К11, после чего САУ выбирает уровень открытия К11 таким, чтобы расход дренажа был равен номинальному расходу расходомера 23. При достижении нижнего уровня, САУ закрывает К11.

Открывают К7, закрывают К6 и К8. Открывают К17, К21. Закрывают К16, К22. Проба газа проходит через расходомер 25 и регулируется клапаном К20 автоматически. Сепаратор при этом готов к измерениям и закрыт.

В САУ выбирают режим «Пауза в работе», после чего САУ автоматически, регулируя степень открытия клапана К20 выставляет расход, при котором перепад давления на приборе 6 будет равен нулю. После достижения установившегося режима САУ подтверждает условие изокинетичности и подтверждает режим «Пауза в работе».

В состоянии «Пауза в работе» через ИСДФ проходит расход пробы q.

2. Определение плотности среды в рабочих условиях

Если не известна плотность среды, в САУ вводят команду на измерение плотности расходомером 25.

Подтверждают в САУ измеренную расходомером 25 плотность в качестве условно постоянной величины на время исследования профиля скорости или расхода среды в трубопроводе 1.

В этом случае, погрешность измерения плотности определяется метрологическими характеристиками расходомера 25.

Для точного определения плотности газа в лаборатории отбирают пробу, для чего в самоблокирующиеся быстроразъемные соединения вместо фильтра 7 включают контейнер для отбора и хранения проб и отбирают пробу в соответствии с требованиями: для газа ГОСТ 31370-2008 или действующий нормативный документ на территории РФ и других стран, для сжиженных углеводородных газов и газовых конденсатов ГОСТ 55609-2013 или действующий нормативный документ на территории РФ и других стран, для нефтей и нефтепродуктов ГОСТ 2517-2012 или действующий нормативный документ на территории РФ и других стран. Для этого кратковременно перенаправляют поток газа клапаном К2 через контейнер. Плотность газа в рабочих условиях определяют в лаборатории прямым измерением газовым плотномером или расчетом по компонентному составу в соответствии с ГОСТ 30319-1 или действующим нормативным документом на территории РФ и других стран.

3. Режим исследования профиля скорости потока и измерение локальных скоростей

Для измерения скорости потока в САУ вводят значение плотности газа при рабочих условиях или подтверждают значение, измеренное ИСДФ (см. п. 2).

Приступают к измерению локальных скоростей потока и построению профиля скорости потока.

Приводят ИСДФ в состояние «Пауза в работе».

Отключают Фильтр 7.

В САУ вводят задание на последовательное погружение зонда, задают шаг погружения или количество точек, в которых необходимо исследовать поток. При необходимости задают время удержания зонда в каждой точке (необязательно, так как в алгоритме САУ по умолчанию введено оптимальное время удержания). При необходимости задают количество повторов исследования.

До начала исследования САУ открывает трехходовой клапан К2 на линию фильтра 7 (так как фильтра 7 нет, а самоблокирующийся БРС закрыт, то К2 закрыт).

САУ автоматически выполняет исследование в каждой очередной точке сечения, а именно:

- позиционирует зонд в точке потока;

- выдерживает паузу;

- фиксирует усредненную величину перепада давления по сигналу от прибора 6 за заданное алгоритмом время ожидания, а также величину наибольших отклонений от усредненного значения;

- автоматически пересчитывает величину перепада давления в линейную скорость, используя заданное значение плотности среды, и фиксирует ее в результатах измерений;

- позиционирует зонд в следующей точке сечения.

Если задано многократное повторение исследования, САУ, после завершения исследования в последней точке сечения, переходит к первой точке и повторяет алгоритм заданное количество раз.

Полученные значения скорости в каждой заданной точке усредняются.

Таблицу скоростей в различных точках сечения потока сохраняют в виде отчета об исследовании или проводят исследование заново. В отчете содержатся сведения о мгновенном объемном расходе газа в трубопроводе 1, рассчитанные САУ автоматически, в м³/ч и ст.м³/ч.

4. Измерение расхода среды в трубопроводе 1

ИСДФ переводят в режим «Пауза в работе».

В САУ задают команду на измерение расхода среды в исследуемом трубопроводе 1.

САУ автоматически выполняет исследование в каждой очередной точке сечения, а именно:

- позиционирует зонд в точке потока;

- регулирует открытие К20 таким образом, чтобы обеспечивалось условие нулевого перепада на приборе 6 в текущем положении зонда;

- фиксирует мгновенный массовый расход, проходящий через ИСДФ, по расходомеру 25;

- позиционирует зонд в следующей точке сечения.

Если задано многократное повторение исследования, САУ, после завершения исследования в последней точке сечения, переходит к первой точке и повторяет алгоритм заданное количество раз.

Полученные значения расхода интегрируются САУ по сечению трубопровода.

САУ автоматически формирует отчет, в котором содержатся проинтегрированное по сечению значение массового расхода среды в трубопроводе 1 в кг/ч, и рассчитанное значение объемного расхода, в м3/ч и ст.м3/ч.

В простейшем случае или при проведении такого измерения вручную, проводят многократное измерение мгновенного массового расхода по показаниям расходомера 25 в одной точке сечения, на половине расстояния от оси трубопровода 1 до его стенки. Измеренный массовый расход ИСДФ используют для определения массового расхода в трубопроводе 1 по формуле:

Q=q⋅D²/d² [кг/ч],

где q - объемный расход пробы газа, измеряемый расходомером 25 при условии автоматического поддержания клапаном К20 нулевого перепада на приборе 6, м3/ч; d - диаметр отверстия в наконечнике зонда 5, мм; D - внутренний диаметр исследуемого трубопровода 1, мм.

По массовому расходу определяют объемный по алгоритму расчета расхода газа ГОСТ 8.586.1-5 или действующий нормативный документ на территории РФ и других стран.

5. Измерение содержания твердой дисперсной фазы в газовом или жидкостном потоке

Для измерения содержания твердой дисперсной фазы в потоке проводят следующие действия.

Приводят ИСДФ в состояние «Пауза в работе».

Переводят САУ в режим измерения содержания твердой дисперсной фазы в газовом или жидкостном потоке. Вводят количество точек сечения потока, количество измерений в каждой точке и время каждого измерения. Начало каждого измерения подтверждают в САУ.

САУ проверяет выполнение условия обеспечения изокинетичности. Если условие выполняется, переключает К2 с линии в обход фильтра 7 на линию через фильтр 7. По истечении заданной продолжительности САУ переводит К2 в исходное положение.

Снимают фильтр 7 и меняют в нем фильтрующий слой на такой же чистый из комплекта ИСДФ. Снятый фильтрующий слой помещают в герметичный пакет. Вручную надписывают пакет - указывают глубину погружения зонда в поток, номер измерения, длительность измерения.

Подтверждают в САУ начало следующего измерения.

После завершения всех измерений надписанные пакеты с фильтрующими элементами 7 отправляют в лабораторию.

В лаборатории взвешивают механические примеси, оставшиеся после сжигания фильтровальной бумаги из каждого фильтра по отдельности.

Результаты взвешиваний вносят в САУ и вводят команду на формирование отчета об измерении. Если было задано измерение на различной глубине погружения зонда 5 в трубопровод 1, САУ в отчете выстраивает профиль концентрации механических примесей в сечении потока.

6. Измерение содержания жидкой дисперсной фазы в газовом потоке

При помощи любого средства измерения температуры воздуха (например, бытового термометра) измеряют температуру воздуха в непосредственной близости от ИСДФ. Вычисляют значение параметра ΔT=Т_газ.-Т_окр., определяемого как разность между температурой отбираемой пробы газа и температурой окружающего воздуха.

В зависимости от значения ΔT выбирают и подключают рукав различных исполнений:

- при условии минус 10°C≤ΔT≤+10°C обычный РВД 8,

- при условии +10°C<ΔT≤+20°C и при минус 10°C < ΔT ≤ минус 20°C теплоизолированный РВД 9,

- при условии +20°C<ΔT теплоизолированный РВД с кабельным электрообогревом 10,

- при условии ΔT < минус 20°C теплоизолированный РВД с охлаждающей рубашкой 11.

При использовании для подачи проба газа в основной блок ИСДФ рукавов 8, 9 или 10 для сброса отработанной пробы из ИСДФ на свечу используют гибкий РВД 12 аналогичный рукаву 8.

Кабельный обогрев РВД 10 управляется САУ автоматически.

ИСДФ переводят в состояние «Пауза в работе».

Если САУ не подключен к АСУТП (автоматизированной системе управления технологическим процессом) объекта и в нее не поступают сигналы температуры и давления газового потока, то значение температуры и давления вводят вручную.

Открывают К6, К8. Закрывают К7.

Переводят САУ в режим измерения содержания жидкой дисперсной фазы в газовом потоке.

Вводят длительность измерения или количество заполнений мерника 21, которые необходимо достигнуть, или количество циклов погружений зонда 5. Вводят количество точек сечения потока, в которые необходимо перемещать пробозаборный зонд 5.

САУ автоматически измеряет Т_проб. - температуру пробы газа в сепараторе 18 при помощи термопреобразователя 19 и вычисляет абсолютную ошибку изотермичности ΔT_{изотермичности} = Т_газ - Т_проб. как разницу между температурой газа в трубопроводе 1 и температурой пробы газа в сепараторе 18. Параметр изотермичности задается оператором. Далее рассматриваются значения, введенные в САУ ИСДФ по умолчанию.

Если выполняется условие минус 5°C ≤ ΔT_{изотермичности} ≤ 5°C, то САУ выводит на экран подтверждение изотермичности пробозабора. Если это условие не выполняется, то САУ выводит на экран требование обеспечить изотермичность пробозабора.

При ΔT_{изотермичности} > 5°C кроме подогрева пробы в РВД 10 используют электрообогреватель в теплообменнике 13. Для этого открывают К4 и К5, после чего закрывают К3. САУ управляет подогревом автоматически.

При ΔT_{изотермичности} < минус 5°C кроме охлаждения пробы в РВД 11 используют теплообменник 13 в качестве охладителя. Для этого открывают К4, К5, К24, К25, после чего закрывают К3. Плавно закрывают К23 пока не будет выполняться условие минус 5°C - ≤ ΔT_{изотермичности} ≤ 5°C.

После достижения условия изобаричности САУ оценивает условие изобаричности, по параметру ошибка изобаричности ΔP_{изобаричности} = 100% ⋅ Р_{сепаратор} / Р_{трубопровод}, как отношение давлений газа в сепараторе 18, измеренному по датчику давления 20, и трубопроводе 1. Должно выполняться условие ΔP_{изобаричности} ≥ 99%.

Дренируют жидкость из мерника 21 до нижнего уровня (метка на миллиметровой шкале мерника), плавно открывая К10.

САУ показывает готовность к измерению, если подтверждены:

- изобаричность сепарации;

- изотермичность сепарации;

- изокинетичность пробозабора;

- готовность мерника 21.

В САУ вводят команду на начало измерения.

САУ фиксирует уровень жидкости в мернике 21 на начало измерений. При необходимости это делают вручную.

САУ автоматически измеряет текущие общий уровень жидкости и уровень раздела жидких фаз (жидкие фазы с разной плотностью: водный раствор спиртов, солей и нестабильный газовый конденсат; водный раствор и масла; и пр.), а также фиксирует их значения в момент начала слива мерника 21 в дренаж. В дренаж слив происходит автоматически открытием клапана К11 и продолжается до тех пор, пока общий уровень жидкости в мернике не достигнет нижнего уровня по показаниям уровнемера 22. На время дренажа мерника 21 САУ закрывает К9. В это время сепарация дисперсной фазы в сепараторе 18 не прекращается, а жидкость копится внизу сепаратора до момента завершения дренажа и открытия К9.

САУ фиксирует уровень жидкости в мернике 21 после каждого дренажа.

Количество сдренированной жидкости определяется массовым расходомером 23.

По завершении времени измерения САУ закрывает К20, фиксирует текущие общий уровень жидкости и уровень раздела жидких фаз на конец измерения, дренирует жидкость из мерника 21 до уровня, зафиксированного в начале измерения.

САУ автоматически формирует отчет:

- суммарная масса жидкой фазы, выделившейся в сепараторе 18 за время измерения;

- суммарный объем жидкой фазы, выделившейся в сепараторе 18 за время измерения;

- средняя плотность жидкой фазы;

- наибольшая и наименьшая плотность жидкой фазы.

Для контроля качества сепарации в сепараторе 18 открывают К14, К15. Клапан К13 переключают на фильтр 24 и в течение 3-15 минут пропускают отсепарированную в сепараторе 18 пробу через фильтр. Переключают клапан К13 в обход фильтра и закрывают К14, К15. Снимают фильтр 24 и вынимают из него фильтрующую кассету. Кассету помещают в герметичный пакет. Пакет взвешивают в лаборатории, не нарушая его целостность. Определяют количество неотсепарированной в сепараторе 18 жидкости по разнице массы сухой кассеты в пакете и использованной кассеты.

Для лабораторного анализа жидкой фазы дренажную линию мерника 21 соединяют с любым пробоотборником сжиженных углеводородных газов.

7. Экспресс-анализ и исследование профиля концентраций содержания жидкой дисперсной фазы в газовом потоке

Экспресс-анализ применяют в случае, когда не требуется точное значение содержания. Например, это требуется для подтверждения работоспособности сепараторов после выхода их за проектные режимы работы (аварийные или пусковые режимы). Также экспресс-анализ используют для построения профиля концентрации дисперсной фазы в потоке.

Приводят ИСДФ в режим «Пауза в работе».

Переводят САУ в режим проведения экспресс-анализа содержания дисперсной фазы. Вводят количество точек сечения потока, количество измерений в каждой точке и время каждого измерения. Начало каждого измерения подтверждают в САУ.

Достигают выполнения условия изотермичности так же, как описано в п. 5.

САУ проверяет выполнение условия обеспечения изокинетичности. САУ переключает К13 с линии в обход фильтра 24 на линию через фильтр 24. По истечении заданной продолжительности САУ переводит К13 в исходное положение.

Снимают использованный фильтр 24 и меняют в нем фильтрующую кассету на чистую из комплекта ИСДФ. Снятую кассету помещают в герметичный пакет. Надписывают пакет.

Подтверждают в САУ начало следующего измерения.

После завершения всех измерений надписанные пакеты с кассетами фильтра 24 отправляют в лабораторию.

В лаборатории взвешивают кассеты, не нарушая герметичности пакетов.

Результаты взвешиваний и массу каждой чистой кассеты с пакетом, указанную на пакете, вносят в САУ и вводят команду на формирование отчета об измерении. Если было задано измерение на различной глубине погружения зонда 5 в трубопровод 1, САУ в отчете выстраивает профиль концентрации жидкой дисперсной фазы в сечении потока.

8. Интерпретация результатов измерений содержания дисперсной фазы

САУ автоматически интерпретирует результаты измерений. Для этого во всех измерениях содержания дисперсной фазы САУ фиксирует суммарный объем и суммарную массу проанализированной пробы по показаниям расходомера 25.

Абсолютное значение массы твердой дисперсной фазы, полученное в лаборатории взвешиванием мех. примесей, оставшихся после сжигания фильтровальной бумаги фильтра 7; абсолютное значение массы жидкой дисперсной фазы, полученное в лаборатории, как разница масс использованной фильтрующей кассеты фильтра 24 в пакете и новой кассеты в пакете; объем жидкой фазы, отсепарированной в сепараторе 18 - относятся в САУ на суммарный объем и суммарную массу пробы газа, прошедших через фильтр 7; фильтр 24; сепаратор 18 соответственно.

Массовая концентрация механических примесей в газовом потоке или в точке сечения газового потока при использовании фильтра 7 определяется САУ как:

где m_{мех.примесей} - масса твердой дисперсной фазы, определенная в лаборатории; V_р.у. [м³ при р.у.] и V_ст.у., [м³ при ст.у.] - суммарный объем пробы газа в рабочих и стандартных условиях соответственно, прошедшей через фильтрующий слой за время исследования.

Объемная концентрация жидкой дисперсной фазы в газовом потоке или в точке сечения при использовании сепаратора 18 определяется САУ как:

где V_{дисп.фазы} [мл] - объем жидкой дисперсной фазы, выделившийся в мернике 21 за время исследования, определенный массовым расходомером 23.

Массовая концентрация жидкой дисперсной фазы в газовом потоке или в точке сечения определяется САУ как:

где m_{дисп.фазы} [г] - масса дисперсной жидкой фазы, выделившейся за время проведения измерения.

В случае использования сепаратора 18 m_{дисп.фазы} [г] определяется массовым расходомером 23 за время измерений.

В случае использования фильтра 24 m_{дисп.фазы} [г] определяется в лаборатории по формуле:

m_{дисп.фазы} = m_{исп.кассеты} - m_{нов.кассеты} [г],

где m_{нов.кассеты} и m_{исп.кассеты} [г] - масса новой фильтрующей кассеты вместе с герметичным пакетом и масса использованной (в конце измерения) фильтрующей кассеты вместе с герметичным пакетом, определенные на лабораторных весах.

Если сепаратор 18 и фильтр 23 были включены последовательно, определяют суммарную объемную концентрацию жидкой дисперсной фазы.

Таким образом, в итоговом отчете САУ выводит значения содержания дисперсной фазы в г/м³ или мл/м³.

Линейная локальная скорость исследуемого потока в точке сечения определяется:

где q - объемный расход пробы газа, измеряемый расходомером 25 при условии автоматического поддержания клапаном К20 нулевого перепада на приборе 6, м³/ч; d - диаметр отверстия в наконечнике зонда 5.

Преимущества заявляемого технического решения

1. За счет применения автоматического перемещения пробозаборного зонда достигается исследование концентрации дисперсных частиц в различных точках профиля концентраций. Возможно измерение усредненной концентрации или измерение концентрации в различных точках потока и построение профиля концентраций по сечению потока.

2. Репрезентативность усредненной пробы, отобранной зондом с автоматическим многократным повторяющимся позиционированием в нескольких точках сечения, выше, чем репрезентативность пробы, отобранной зондом, перемещаемым вручную.

3. За счет осуществления автоматического регулирования расхода пробы из условия нулевого перепада давления на приборе 6 обеспечивается равенство скоростей потока в трубопроводе и на входе в зонд в течение всего времени измерения, независимо от перемещения зонда между точками сечения с различными локальными скоростями потока.

4. За счет примененной формы пробозаборного зонда обеспечивается сохранение профиля концентраций в области забора пробы. Создаваемый в потоке телом зонда тормозной фронт находится за атакующим срезом зонда и не вносит изменений в сканируемый профиль концентраций. Это, совместно с обеспечением изокинетичности, обеспечивает представительность пробы.

5. За счет применения массового расходомера обеспечивается корректное и с высокой точностью измерение массового и объемного расхода пробы газа, которое не зависит от падения давления и изменений температуры пробы на участке от зонда до расходомера. Во многих аналогичных устройствах используется расходомер объемного типа, установленный в иных термобарических условиях, нежели зонд. Это требует коррекции объема по давлению и температуре.

6) За счет применения в комплексе или по отдельности средств термостатирования (охлаждающего теплообменника, охлаждающего рукава, нагревающего рукава, нагревающего теплообменника, кабельного обогрева элементов Устройства, теплоизоляции элементов Устройства) обеспечивается равенство температур пробы газа в точке пробозабора и в сепараторе 18, что обеспечивает корректность измерений.

7. За счет применения способов обеспечения изокинетичности становится возможным измерение концентрации дисперсной фазы в технологического газовом потоке с неизвестными расходом и плотностью среды.

8. Обеспечивается соблюдение изокинетичности в любой точке профиля потока, где локальная скорость газа существенно отличается от средней (например, в пристеночных областях цилиндрического трубопровода).

9. Обеспечивается возможность измерения плотности отбираемой пробы газа при сохранении изобарических условий трубопровода.

10. Обеспечивается возможность измерения скорости потока газа в технологическом трубопроводе по всему профилю скоростей, а также возможность определения объемного и массового расхода газа.

11. За счет автоматического дозирования ингибитора с обратной связью обеспечивается эффективная защита клапана-регулятора расхода газа в блоке автоматического регулирования расхода пробы газа от кристаллизации паров воды на седельной паре.

Изобретение относится к области контроля качества подготовки природного и попутного нефтяного газов к транспорту, а также к области контроля качества жидкостей, транспортируемых по трубопроводам, в нефтегазодобывающей промышленности и может быть использовано на топливно-энергетических, химических, нефтехимических и нефтегазоперерабатывающих предприятиях. Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке, включающий пробоотборный зонд, сепаратор, снабженный фильтр-патроном и мерником для отсепарированной жидкости из газа, клапан регулировки расхода газа, емкость с ингибитором и клапан подачи ингибитора к клапану регулировки расхода газа, фильтр-патрон для улавливания механических примесей из газа, при этом дополнительно содержит устройство для автоматического перемещения пробозаборного зонда по сечению исследуемого трубопровода, преобразователь перепада давления между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, предназначенный для осуществления изокинетичного пробозабора за счет автоматического поддержания клапаном-регулятором, установленным на выходе пробоотборной линии, нулевого значения разницы давлений между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, средства термостатирования, массовый расходомер для учета количества отсепарированной жидкости в мернике, содержащем уровнемер. Технический результат - повышение точности измерения содержания дисперсной фазы в потоке. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке, включающий пробоотборный зонд, сепаратор, снабженный фильтр-патроном и мерником для отсепарированной жидкости из газа, клапан регулировки расхода газа, емкость с ингибитором и клапан подачи ингибитора к клапану регулировки расхода газа, фильтр-патрон для улавливания механических примесей из газа, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство для автоматического перемещения пробозаборного зонда по сечению исследуемого трубопровода, преобразователь перепада давления между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, предназначенный для осуществления изокинетичного пробозабора за счет автоматического поддержания клапаном-регулятором, установленным на выходе пробоотборной линии, нулевого значения разницы давлений между пробозаборной линией и исследуемым газодисперсным потоком, средства термостатирования, массовый расходомер для учета количества отсепарированной жидкости в мернике, содержащем уровнемер.

2. Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке по п. 1, отличающийся тем, что средства термостатирования включают охлаждающий теплообменник, охлаждающие рукава, нагревающие рукава, нагревающий теплообменник, кабельный обогрев элементов устройства, теплоизоляционные элементы.

3. Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке по п. 1, отличающийся тем, что атакующий срез зонда 5 изготовлен из материала, превосходящего сталь по твердости и износостойкости.

4. Измеритель содержания дисперсной фазы в газовом потоке по п. 1, отличающийся тем, что содержит проверочный фильтр-индикатор уноса капельной жидкости.