ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ Российский патент 2020 года по МПК G01N33/00 F04D27/02 

Область техники

Настоящее изобретение относится к определению фазового состава потока текучей среды через турбомашину, такую как турбина, компрессор или насос.

Уровень техники

Турбомашинами являются машины, передающие энергию между ротором и текучей средой. Турбомашины, такие как компрессоры и насосы, используются для повышения давления текучих сред, тогда как турбины используются для передачи энергии от текучей среды к ротору, например, с целью производства электроэнергии. В нефтегазовой отрасли текучую среду, добываемую из скважины, можно сжимать или перекачивать при помощи турбомашинного оборудования, чтобы способствовать транспортировке текучей среды к другому месту на большом расстоянии от скважины. Турбомашины могут играть очень важную роль в продлении срока службы углеводородной скважины за пределы того момента времени, когда имеющееся пластовое давление падает ниже того, которое требуется для добычи без дополнительной поддержки. Турбомашина может использоваться для понижения давления в направлении пластового резервуара посредством эффективного отсасывания углеводородов из пласта, а затем обеспечения текучей среды под давлением на нагнетательной (выходной) стороне. Пример турбомашины для использования при добыче углеводородов раскрыт в документах WO 2009/131462 и WO 2012/007553.

Текучая среда из углеводородной добывающей скважины может, как правило, представлять собой «многофазную» текучую среду, содержащую компоненты газовой и жидкой фазы в некотором соотношении. Современные компрессоры и насосы рассчитаны на сжатие однофазного газа и жидкости соответственно. В случае нежелательной работы технологического оборудования жидкость может переноситься газом в компрессор и, аналогичным образом, газ может поступать в насос. Наличие жидкости в газе, сжимаемом компрессором, может привести к загрязнению, которое может, в свою очередь, воздействовать на динамическое поведение ротора и способность машины обеспечивать рост давления.

Подобным же образом, наличие газа, образующегося вследствие кавитации или технологического процесса может уменьшать производительность насоса.

В последние годы разработано также компрессионное и насосное оборудование, в котором технологическая среда (текучая среда) может состоять из смеси газа и жидкости. При использовании такого оборудования важно знать коэффициент смешения газовой и жидкой фазы для обеспечения защиты и правильного функционирования установки.

Желательно иметь возможность контроля фазового состава текучей среды, протекающей через турбомашину, т.е. относительные доли жидкости и газа. Более конкретно, желательно иметь возможность контроля изменений этого фазового состава, например, чтобы обладать возможностью управления расположенным ниже по потоку технологическим оборудованием для получения лучшего однофазного потока текучей среды. При традиционных подходах, применяемых для достижения этой цели, используют устройство для измерений в потоке, расположенное на входе или выходе турбомашины. Примером такого устройства для измерений в потоке является многофазный расходомер, использующий комбинацию измерений, включая температуру и давление, и измерения, полученные при помощи ядерного источника. Однако такие известные способы имеет недостаток, состоящий в том, что они создают дополнительную сложность, которая влияет на доступность и стоимость полной системы.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является анализ доступных сигналов, таких как, без ограничения, ток электродвигателя, воспринимаемые нагрузки, положение вала, частота вращения вала и/или скольжение ротора асинхронного электродвигателя для определения, например:

- присутствует ли газ в непрерывной жидкой фазе, и измерения количества газа, диспергированного в жидкой фазе;

- присутствует ли жидкость в непрерывной газовой фазе, и измерения количества жидкости, захваченной в газовой фазе.

Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается способ определения фазового состава и/или изменений фазового состава текучей среды, протекающей через турбомашину. Способ включает в себя шаги (а) контроля изменений по меньшей мере одного электрического параметра, связанного с работой турбомашины, и (b) применения известной корреляции между фазовым составом и/или изменениями фазового состава и изменениями электрического (электрических) параметра (параметров), чтобы связать контролируемые изменения с изменениями фактического фазового состава текучей среды.

Следует понимать, что выражение «фазовый состав» используется для указания относительных долей фаз, присутствующих в текучей среде, например, жидкой и газовой, а также, опционально, идентификационных данных фаз, присутствующих в текучей среде.

Электрический параметр может представлять собой параметр источника электропитания, используемого для приведения в действие электродвигателя турбокомпрессора, например, ток, напряжение или мощность источника питания. Источником электропитания можно управлять при помощи преобразователя частоты или постоянной частоты электрической сети. Способ может дополнительно включать в себя настройку конфигурации указанных преобразователя частоты или постоянной частоты электрической сети для поддержания по существу постоянными частоты вращения электродвигателя или уровня сжатия текучей среды.

Альтернативно, параметр может представлять собой параметр измеренного электрического сигнала или сигнала управления, например, параметр сигнала управления, используемого для стабилизации турбомашины.

Шаг контроля изменений по меньшей мере одного электрического параметра, связанного с работой турбомашины, может включать в себя контроль изменений абсолютной величины указанного параметра.

Шаг контроля изменений по меньшей мере одного электрического параметра, связанного с работой турбомашины, может включать в себя контроль изменений отклонения указанного параметра, например, изменений среднеквадратического отклонения этого параметра. Способ может дополнительно включать в себя взятие отсчетов отклонения электрического параметра в каждом из последовательных окон взятия отсчетов.

Изменения фазового состава могут представлять собой изменения жидкой фракции текучей среды, содержащего жидкость и газ. Способ может включать в себя использование идентифицированных изменений жидкой фракции для обнаружения жидких осадков в текучей среде.

Настоящее изобретение применимо, в частности, хотя и необязательно, к случаю, когда указанная текучая среда содержит углеводороды, вытекающие из эксплуатационной скважины, а турбомашина предусмотрена в подводном местоположении.

Способ может дополнительно включать в себя введение некоторого компонента выше по потоку от входа турбомашины, чтобы вызвать флуктуации нежелательной фазы текучей среды.

Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается способ управления клапаном, связанным с турбомашиной, включающий в себя использование способа приведенного выше первого аспекта для идентификации изменений фазового состава текучей среды, протекающей через турбомашину, и управление указанным клапаном в зависимости от идентифицированных изменений.

Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается способ обнаружения неполадок в работе турбомашины, включающий в себя идентификацию изменений фазового состава текучей среды, протекающей через турбомашину, с использованием способа по любому из предшествующих пунктов, обнаружение изменений указанного по меньшей мере одного электрического параметра, которые не могут быть скоррелированы с изменениями фазового состава текучей среды, и использование этих изменений для идентификации указанных неполадок в работе.

Согласно четвертому аспекту настоящего изобретения предлагается контрольно-измерительное устройство для контроля изменений фазового состава текучей среды, протекающей через турбомашину, содержащее детектор для контроля изменений указанного по меньшей мере одного электрического параметра, связанного с работой турбомашины, и анализатор для применения известной корреляции между фазовым составом или изменениями фазового состава и изменениями электрического (электрических) параметра (параметров), чтобы связать контролируемые изменения с фактическим фазовым составом текучей среды или изменениями фактического состава.

Согласно пятому аспекту настоящего изобретения предлагается компьютерная программа, которая, при выполнении на компьютере, управляет компьютером для контроля изменений по меньшей мере одного электрического параметра, связанного с работой турбомашины, и применения известной корреляции между фазовым составом или изменениями фазового состава и изменениями электрического (электрических) параметра (параметров), чтобы связать контролируемые изменения с фактическим фазовым составом текучей среды или изменениями фактического состава текучей среды, протекающей через турбомашину.

Согласно шестому аспекту настоящего изобретения предлагается способ определения состава жидкой фазы многофазного текучей среды, протекающей через турбомашину, включающий в себя использование способа приведенного выше первого аспекта для идентификации фазового состава и/или изменений фазового состава указанного текучей среды, измерение температуры текучей среды на входе и выходе текучей среды турбомашины, использование разности температур на входе и выходе, в сочетании с идентифицированным фазовым составом и/или идентифицированными изменениями фазового состава, для определения состава жидкой фазы.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается способ определения структуры жидкой фазы, протекающей через турбомашину. При этом принимают во внимание, что, когда основной фазой является газ, наличие жидкости в компрессоре, вероятно, будет приводить к охлаждению газа в ходе процесса сжатия. При температуре на выходе, составляющей 15°С, в отсутствие жидкой фазы можно ожидать температуру на выходе, составляющую порядка 100°С. При наличии жидкости температура на выходе может быть уменьшена до 96°С вследствие испарения конденсата/нефти. Однако величина в градусах, на которую уменьшается температура на выходе, будет зависеть от характера жидкой фазы. Нефть будет в гораздо большей степени способствовать охлаждению газа в ходе процесса сжатия, поскольку будет частично испаряться, тогда как наличие воды (и/или МЭГ (гликоля)) будет вызывать лишь минимальное охлаждение (некоторое дополнительное охлаждение будет вызвано газом вследствие более высокой температуры, но не в такой же степени, которая будет обусловлена наличием конденсата/нефти). Измеряя напряжение и температуру на входе и выходе машины, можно определить фактический охлаждающий эффект (отведенную энергию), создаваемый жидкостями. Сравнивая его, в свою очередь, с энергией, отведенной из процесса нормально сухого сжатия, можно оценить жидкий состав на входе, т.е. долю воды/гликоля по сравнению с нефтью/конденсатом.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображены режимы или структуры многофазного потока текучей среды, которые существуют в зависимости от коэффициент смешения, показанные при помощи примерных скоростей газа и жидкости;

на фиг. 2 схематически показан типичный компактный компрессор, при этом электродвигатель и компрессор встроены в один и тот же корпус, работающий под давлением;

на фиг. 3 схематически показана система контроля изменений фазового состава потока текучей среды через компрессор со встроенным электродвигателем (работающий от частотного преобразователя);

на фиг. 4 представлено изображение компьютерного устройства для использования с системой, показанной на фиг. 3;

на фиг. 5 показаны измеренные флуктуации тока электродвигателя (правая ось) в зависимости от времени, построенные на одном графике с фактическим массовым расходом закачиваемой жидкости (левая ось);

на фиг. 6 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ определения изменений фазового состава потока текучей среды через компрессор.

Подробное раскрытие изобретения

Ниже будет раскрыт подход к определению фазового состава потока текучей среды через турбомашину, такую как компрессор или насос. Этот подход основан на наблюдении, согласно которому качество газа в многофазной текучей среде определяет режим потока, как показано на фиг. 1, а также влияет на уровень флуктуаций массового расхода в текучей среде. Такие флуктуации массового расхода в текучей среде, поступающем в машину, приводят к появлению различных уровней флуктуаций электрических сигналов, наблюдаемых в связи с поведением и работой машины.

Для текучей среды массовая доля газа (МДГ) или качество газа определяется как:

где значения массового расхода обозначаются через n_G для газовой фазы, n_A для водной фазы (включая, если применимо, жидкости, отличные от нефти), n_C, для нефтяной или конденсатной фазы, и n_L для полностью свободной жидкой фазы.

Аналогичным образом, объемная доля газа (ОДГ), сравнивающая объемный расход газа с фактической вместимостью трубы, исходя из предположения, что газ и жидкость ведут себя однородно, определяется как:

где Q обозначает значения объемного расхода газа, применяя систему обозначений уравнения 1.

Поверхностную скорость (U) и жидкости, и газа определяют, как если бы однофазная текучая среда использовала всю трубу или доступное проходное сечение потока (т. е. площадь поперечного сечения A_CR).

Различные структуры многофазного потока могут быть описаны на основе фактического визуального поведения газожидкостной смеси. На фиг. 1 показано, как различные структуры потока для газожидкостной смеси образуются в зависимости от коэффициента смешения двух фаз с использованием поверхностных скоростей для жидкости (ось х) и газа (ось у).

Поведение многофазного потока имеет переходный характер, в зависимости от режима потока или коэффициента смешения газа и жидкости. Как правило, низкая скорость текучей среды при большом количестве жидкости приводит к возникновению пузырькового или дисперсного режима потока. Такую систему с преобладанием жидкости сжимают при помощи насоса, при этом различные количества газа, захваченного жидкой фазой, будут влиять на фактическую объемную плотность смеси. Так как пузырьки газа находятся в переходном режиме, фактический массовый расход до насоса будет изменяться.

В случае систем с преобладанием газа жидкость будет захватываться в виде пленок на стенках системы и/или присутствовать в виде тумана или унесенных потоком капель, перемещающихся с той же скоростью, что газовая фаза. Массовые переходные характеристики такого состава текучей среды усиливаются по мере возрастания содержания жидкости.

где применяемые плотности определены как ρ_mjx для газожидкостной смеси (многофазного текучей среды), ρ_G для плотности газа и ρ_L для объемной плотности жидкости.

Если одна из фаз многофазного текучей среды ведет себя как в переходном режиме, т. е. массовый расход изменяется с течением времени, фактический массовый расход потока, поступающего в турбомашину, также будет изменяться. Такое изменение массового расхода будет влиять на крутящий момент, необходимый для поддержания работы насоса или компрессора с постоянной частотой вращения или скоростью вращения ротора. Если для электроприводного двигателя применяют преобразователь частоты (например, частотно-регулируемый привод (ЧРП)), требуемое изменение крутящего момента будет находить отражение в изменении тока электродвигателя для поддержания той же частоты вращения.

На фиг. 2 схематически показан типичный компактный компрессор со встроенным электродвигателем для применения при подводной добыче углеводородов. Электродвигатель 10 содержит неподвижный статор 11 с обмотками 12 статора и ротором 13. Ротор 13 соединен с дополнительным ротором 15 компрессора 16. Несколько рабочих колес 17 ротора прикреплены к ротору 15 компрессора. Рабочие колеса вращаются ротором 15 для перемещения текучей среды от входа 18 компрессора к выходу 19 компрессора. Роторы электродвигателя и компрессора удерживаются в рабочем положении при помощи радиальных подшипников 20 и осевого подшипника 22. Во время эксплуатации текучая среда на выходе будет находиться под значительно более высоким давлением, чем текучая среда на входе.

Наряду с обмотками статора для приведения ротора в действие, электродвигатель и компрессор могут иметь дополнительные компоненты для управления и стабилизации движения или характеристик ротора. Например, компрессор может содержать приспособление 22 для осевого управления положением ротора 15, работа которого позволяет преодолеть действие любых чрезмерных осевых сил со стороны ротора 15. Компрессор может также содержать датчик 21, представляющий собой, например, отметчик оборотов, применяемый для измерения частоты вращения. Данные, получаемые от датчика 21, или ток от источника питания электродвигателя, можно анализировать, как раскрыто на фиг. 6, для количественного определения состава текучей среды, обрабатываемого машиной.

В типичной компрессорной системе с электрическим приводом может применяться преобразователь частоты (ПЧ). Для компрессора со встроенным электродвигателем, сидящих на общем валу, как показано на фиг. 2, преобразователь частоты преобразует фиксированную частоту источника питания в требуемую частоту электродвигателя, пропорциональную частоте вращения компрессора, для вала компрессора со встроенным электродвигателем, сидящих на общем валу, как показано на фиг. 2. Как показано на фиг. 3, система, использующая преобразователь частоты, содержит компрессор 2, принимающий многофазную текучую среду из пласта-коллектора или трубопроводной сети на входе 3 (хотя и показанный схематически, компрессор со встроенным электродвигателем может в целом соответствовать схеме, раскрытой со ссылкой на фиг. 2). Многофазная текучая среда представляет собой текучую среду, содержащую газ и жидкость. Текучая среда проходит через компрессор к выходу 4, при этом компрессор воздействует на текучую среду, сжимая ее. Компрессор имеет корпус, в котором предусмотрены рабочие колеса, выполненные с возможностью вращения (не показаны), которые вращаются, чтобы сжимать текучую среду. Рабочие колеса предусмотрены на пути потока текучей среды через корпус компрессора между входом и выходом. Компрессор 2 приводится в действие электродвигателем 5, который, в свою очередь, получает электроэнергию от источника 7 электропитания при помощи контроллера 6. Контроллер 6 выполнен с возможностью управления или регулирования частоты сигнала возбуждения электродвигателя для достижения требуемой частотой вращения. Хотя источник 7 питания и контроллер 6 могут быть совмещены с электродвигателем 5, они могут также располагаться дистанционно, в некоторых случаях на расстоянии многих десятков километров.

При нормальной работе турбомашина должна быть способна соответствовать требуемой скорости добычи, а это означает, что частоту вращения или количество оборотов в минуту рабочих колес изменяют для приведения в соответствие с требуемым выходным давлением и сопротивлением потоку трубопроводной сети, расположенной ниже по потоку. Рабочая частота вращения и, тем самым, отношение давлений или величина работы могут быть заданы в контроллере преобразователя частоты. Следует понимать, что при наличии колеблющегося во времени состава текучей среды нагрузка компрессора изменяется, и контроллер частоты регулирует ток в соответствии с требуемым крутящим моментом для поддержания рабочей частоты или частоты вращения.

Как уже говорилось, жидкость, как правило, присутствует в перекачиваемой текучей среде в небольших количествах на большинстве месторождений газообразных углеводородов, например, до 5% содержания жидкости по объему. Жидкая фаза диспергирует в непрерывной газовой фазе, и текучую среду сжимают посредством передачи механической энергии через компрессор. Однако состав многофазного текучей среды, транспортируемого внутри трубопровода, колеблется во времени таким образом, что количество жидкости в текучей среде, поступающей в компрессор, может изменяться.

Как видно на фиг. 3, на линии подачи электропитания к электродвигателю 5 предусмотрен электрический измерительный прибор 8. Измерительный прибор 8, например, вольтметр или амперметр, измеряет параметры электрической энергии, а именно, фазовый ток (I_p) и фазовое напряжение (V_p), подаваемые источником питания, или, в данном случае, преобразователем частоты, к электродвигателю 5. (Следует, конечно, понимать, что измерительный прибор 8 необязательно должен находиться внутри преобразователя частоты, но может располагаться в любой подходящей точке в линии подачи электропитания, например, между преобразователем частоты и электродвигателем. Прибор 8 может, далее, быть соединен с автономным компьютером, выполненным с возможностью анализа сигнала мощности). Для поддержания предварительно заданной частоты вращения во время работы компрессора при наличии потока с меняющейся нагрузкой подаваемый ток изменяют соответствующим образом. При увеличении тока возрастает крутящий момент, и компрессор выполняет большую работу, преодолевая нагрузку, создаваемую текучей средой, для поддержания требуемой частоты вращения. Измеренный отклик по току и напряжению преобразователя частоты может затем быть использован для определения свойства текучей среды.

Более конкретно, измеренный ток электродвигателя пропорционален величине работы, передаваемой ротором компрессора текучей среде. В свою очередь, работа, выполняемая компрессором, может быть связана с составом текучей среды, т. е. смеси газа и жидкости, при помощи следующего уравнения (6) политропического напора и уравнения (8) входной мощности электродвигателя:

где

и где р1 и р2 - входное и выходное давления компрессора, а ρ_H1 и ρ_Н2 - объемные плотности многофазного текучей среды на входе и выходе компрессора.

где представляет собой массовый расход многофазного текучей среды [кг/с], Y_TP - теоретическая работа многофазного текучей среды [Дж/кг], определенная в уравнении 6, а η_TP и η_m представляют КПД компрессора и электродвигателя соответственно.

Электропитание (уравнение 8) равно увеличению энергии текучей среды при прохождении через машину, как показано в уравнении 8, т.е.

где Р_Е - уравнение, обычно используемое для электропитания, подаваемого к обычному трехфазному электродвигателю при помощи междуфазного напряжения

U_LL и линейного тока I_{L_RMS}.

Как видно из уравнения 9, мощность компрессора пропорциональна изменению массового расхода (состава текучей среды) потока, поступающего в компрессор, при этом такой переходный параметр также пропорционален изменению линейного тока I_{L_RMS} с той же величиной для рабочей частоты вращения, вследствие чего междуфазное напряжение U_LL остается постоянным. Соответственно, если предположить, что на входе присутствуют жидкая и газовая фракции, и жидкая фракция возрастает, то массовый расход и объемная плотность увеличиваются. Как показывает уравнение, величина работы компрессора при этом возрастает. При этом, аналогичным образом, подвергается изменению ток электродвигателя, необходимый для управления текучей средой с изменившейся плотностью при том же уровне сжатия. Выполняя анализ электрического тока, можно определить состав потока текучей среды.

Управление противопомпажным клапаном 9 может обеспечиваться путем использования определяемого свойства текучей среды, при необходимости. Например, в случае, если выявлено значительное уменьшение содержания жидкости, противопомпажный клапан может быть активирован, чтобы обеспечить возможность пропускания текучей среды с выхода компрессора на вход для предотвращения броска расхода в компрессоре. Управление противопомпажным клапаном с использованием известного многофазного расходомера раскрыто в документе WO 2012/007553.

Для анализа синусоидального тока электродвигателя, вырабатываемого преобразователем частоты, может использоваться программно-реализованный алгоритм. Для каждого периода синусоиды получают и сохраняют среднеквадратическое значение (СКЗ) тока: если электродвигатель работает при частоте 120 Гц, для каждого данного последовательного окна взятия отсчетов регистрируют 120 измерительных точек. Получают среднеквадратическое отклонение по 120 точкам для каждого окна взятия отсчетов. Результатом является непрерывная количественная оценка фактического уровня флуктуаций тока возбуждения электродвигателя. Это дополнительно раскрыто ниже со ссылкой на фиг. 5.

Обратимся теперь к фиг. 4, на котором подробнее раскрыто устройство 6 управления (контроллер). Как можно видеть, контроллер содержит устройство 30 ввода-вывода, микропроцессор 31 и память 32. Память может использоваться для хранения управляющей машинной программы для управления источником питания, а процессор может использоваться для выполнения этой программы. Программа имеет инструкции, которые, при выполнении процессором, генерируют управляющий сигнал для передачи на источник питания. Управляющий сигнал содержит информацию для источника питания, чтобы обеспечить необходимый электрический ток для электродвигателя для достижения требуемой частоты вращения.

Устройство 30 ввода-вывода используется для передачи управляющего сигнала. Устройство 30 ввода-вывода также используется для приема данных электрического параметра от прибора 8 для измерения тока, а также для приема данных о частоте вращения. Процессор 31 используется для обработки принятых данных. Память 32 может использоваться для хранения данных о требуемой частоте вращения компрессора или уровне сжатия, или программы требуемой частоты вращения для компрессора, например, программы повышения частоты, содержащей требуемую частоты вращения в зависимости от времени. Процессор может выполнять сравнение данных о частоте вращения с эталонными данными или заданной частотой вращения, чтобы определить, следует ли увеличить или уменьшить ток. Это сравнение может выполняться в соответствии с машинной программой. В памяти может дополнительно храниться машинная программа анализа, содержащая инструкции для анализа данных электрического параметра. Процессор может выполнять программу анализа для оценки свойства текучей среды на основе данных электрического параметра, например, посредством умножения данных электрического параметра на заданный коррелятор для получения свойства потока текучей среды.

В других вариантах осуществления аппаратура может быть оснащена компьютерным устройством, которое может содержать контроллер 6 или его компоненты. В одном примере компьютерное устройство включает в себя контроллер 6 и дисплей. Данные, принимаемые, обрабатываемые и/или анализируемые контроллером, могут отображаться на дисплее для анализа пользователем. В некоторых вариантах компьютерное устройство или контроллер, или их компоненты, могут быть распределенными и обмениваться данными по сети. Таким образом, соединительные линии между компонентами 30, 31 и 32, показанные на фиг. 4, могут рассматриваться в качестве каналов связи. В других вариантах осуществления контроллер 6 может быть предусмотрен в виде отдельного блока.

Как было предложено, благодаря взятию отсчетов среднеквадратического отклонения тока питания электродвигателя можно сделать выводы о фазовом составе текучей среды. Обратимся снова к фиг. 5, где показаны эффекты увеличения доли жидкости в потоке текучей среды через компрессор. Относительно тонкая линия (более стабильная и начинающаяся в точке «О» на оси времени) показывает количество закачиваемой жидкости, измеренное по эталонному источнику. Закачивание текучей среды выполняют ступенчато, в моменты времени, показанные ступенчатыми изменениями линии. Ток, подаваемый для поддержания постоянной частоты вращения компрессора, показан относительно жирной линией (сильно изменяющейся и начинающейся приблизительно в точке «16:00» на оси времени). Имеет место не только возрастание тока, но возрастает и отклонение, показанное тонкой линией, т.е. среднеквадратическое отклонение измеряемого тока питания. Соответственно, большие наблюдаемые отклонения измеряемого тока могут указывать на большое количество жидкости. Отклонение представляет собой дополнительный параметр, который может использоваться вместе с током для диагностирования проблем. Например, если вырос ток, но не отклонение, можно заключить, что рост ток вызван не содержанием жидкости в потоке, а имеет другое происхождение. Например, это может указывать на износ компонентов компрессора.

Следует отметить, что, как показано на фиг. 5, среднеквадратическое отклонение тока электродвигателя (А) соответствует массовому расходу жидкости (кг/с). Это, однако, является результатом конкретного рассматриваемого примера. Для других машин может оказаться необходимым добавить константу к среднеквадратическому отклонению тока электродвигателя (А) и откалибровать измеренные данные, используя результаты, наблюдавшиеся ранее.

Применение нового изобретательского подхода, раскрытого в настоящем документе, позволяет исключить необходимость в многофазных расходомерах для определения фазового состава или содержания жидкости в потоке текучей среды. При использовании совместно с расходомером данные о токе могут представлять собой диагностический показатель для компрессора. Так, например, если измерения, выполненные при помощи расходомера, свидетельствуют о росте тока и отклонения с увеличением содержания жидкости, может быть определено, что компрессор работает эффективно. В противном случае может быть определено, что компрессор не работает эффективно.

На фиг. 6 показан пример способа определения свойства потока текучей среды, включающий в себя шаги S1-S4, причем:

S1. Регистрируют электрический ток, подаваемый на компрессор. Компрессор может быть выполнен с возможностью работы с постоянной частотой вращения при наличии потока с переменной скоростью течения.

S2 и S3. Анализируют зарегистрированные данные о токе и находят изменения величины тока.

S4. Изменения величины используют для выявления свойства потока через компрессор. Например, может быть определено, что содержание жидкости уменьшилось.

В некоторых случаях может оказаться полезным включить геометрические характеристики участка трубопровода или оборудование выше по потоку от машины, чтобы возбудить некоторый переходный режим фазы текучей среды, которую мы хотим обнаружить. Например, в случае нежелательного присутствия второй фазы (газа в жидкой системе), эти геометрические характеристики или оборудование могут вызвать преобразование нежелательной фазы в другую структуру потока. Как показано на фиг. 1, эта структура потока будет перемещаться, чтобы находиться в соответствии с другим сегментом диаграммы.

Возможности раскрытой выше методологии могут быть расширены, если принять во внимание, что, когда основной фазой является газ, наличие жидкости в компрессоре, вероятно, будет приводить к охлаждению газа в ходе процесса сжатия. При температуре на входе, составляющей 15°С, в отсутствие жидкой фазы можно ожидать температуру на выходе, составляющую порядка 100°С. При наличии жидкости температура на выходе может быть уменьшена до 92°С или даже ниже вследствие испарения конденсата/нефти. Однако величина в градусах, на которую уменьшается температура на выходе, будет зависеть от характера жидкой фазы. Нефть будет в гораздо большей степени способствовать охлаждению газа в ходе процесса сжатия, поскольку будет частично испаряться, тогда как наличие воды (и/или МЭГ (гликоля)) будет вызывать лишь минимальное охлаждение (некоторое дополнительное охлаждение будет вызвано газом вследствие более высокой температуры, но не в такой степени, которая будет обусловлена наличием конденсата/нефти). Измеряя напряжение и температуру на входе и выходе машины, можно определить фактический охлаждающий эффект (отведенную энергию), обеспечиваемый жидкостями. Сравнивая его, в свою очередь, с энергией, отведенной из процесса нормально сухого сжатия, можно оценить жидкий состав на входе, т.е. долю воды/гликоля по сравнению с нефтью/конденсатом.

Специалисту в данной области понятно, что в описанные выше варианты осуществления могут быть внесены различные модификации без отступления от объема настоящего изобретения. Например, контролируемые данные могут быть полезными при диагностировании неисправностей в турбомашине. Если изменение контролируемых данных не удается соотнести с изменением фазового состава текучей среды, это может указывать на неисправность, что может быть отмечено флажком для оператора и/или использовано для управления турбомашиной.

Данная методология была проиллюстрирована выше со ссылкой на возбуждаемый частотой компрессор со встроенным электродвигателем. Однако эта методология применима и для других типов оборудования, взаимодействующего со смесью газа и жидкости, когда имеются сигналы для определения данных о составе текучей среды аналогичным способом. Например, методология применима к машинам, в которых применяется редуктор для передачи крутящего момента от электродвигателя. Эта методология также применима к машинам, в которых компрессор, насос или подобные устройства приводятся в действие турбиной, а не непосредственно электродвигателем (например).

Группа изобретений относится к области определения фазового состава потока текучей среды через турбомашину. Способ определения изменений массового расхода текучей среды, втекающей в турбомашину, включает в себя: (a) контроль изменения тока питания электродвигателя турбомашины и (b) применение известной корреляции между изменениями массового расхода и изменениями тока, чтобы связать контролируемые изменения с изменениями фактического массового расхода текучей среды в турбомашину. Также раскрывается способ управления клапаном, связанным с турбомашиной, способ обнаружения неполадок в работе турбомашины, а также контрольно-измерительное устройство для контроля изменений массового расхода текучей среды, втекающей в турбомашину. Группа изобретений обеспечивает возможность определения фазового состава текучей среды, протекающей через турбомашину. 4 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ определения изменений массового расхода текучей среды, втекающей в турбомашину, включающий в себя следующие шаги: (a) контролируют изменения тока питания электродвигателя турбомашины и (b) применяют известную корреляцию между изменениями массового расхода и изменениями тока, чтобы связать контролируемые изменения с изменениями фактического массового расхода текучей среды в турбомашину.

2. Способ по п. 1, в котором указанная турбомашина включает в себя турбину, компрессор или насос.

3. Способ по п. 1, в котором подачей электропитания управляют при помощи преобразователя частоты или постоянной частоты электрической сети.

4. Способ по п. 3, включающий в себя настройку конфигурации указанных преобразователя частоты или постоянной частоты электрической сети для поддержания по существу постоянными частоты вращения электродвигателя или уровня сжатия текучей среды.

5. Способ по п. 1, в котором указанный шаг контроля изменений тока питания включает в себя контроль изменений абсолютной величины тока питания.

6. Способ по п. 1, в котором указанный шаг контроля изменений тока питания включает в себя контроль изменений отклонения тока питания, например изменений среднеквадратического отклонения тока питания.

7. Способ по п. 6, включающий в себя взятие отсчетов отклонения тока питания в каждом из последовательных окон взятия отсчетов.

8. Способ по п. 1, в котором указанные изменения массового расхода обусловлены изменениями жидкой фракции текучей среды, содержащей жидкость и газ.

9. Способ по п. 1, в котором указанная текучая среда содержит углеводороды, вытекающие из эксплуатационной скважины.

10. Способ по п. 9, в котором указанная турбомашина предусмотрена в подводном местоположении.

11. Способ по п. 1, включающий в себя введение некоторого компонента выше по потоку от входа турбомашины, чтобы вызвать флуктуации нежелательной фазы текучей среды.

12. Способ управления клапаном, связанным с турбомашиной, включающий в себя следующие шаги:

идентифицируют изменения массового расхода текучей среды, втекающей в турбомашину, с использованием способа по п. 1 и

управляют указанным клапаном в зависимости от идентифицированных изменений.

13. Способ по п. 12, в котором указанный клапан представляет собой противопомпажный клапан.

14. Способ обнаружения неполадок в работе турбомашины, включающий в себя следующее:

идентифицируют изменения массового расхода текучей среды, втекающей в турбомашину, с использованием способа по п. 1 и

обнаруживают изменения тока и среднеквадратичного отклонения измеряемого тока;

соотносят изменения массового расхода текучей среды с изменением тока и среднеквадратичного отклонения измеряемого тока и,

при росте тока без соответствующего роста среднеквадратичного отклонения измеряемого тока идентифицируют неполадки в работе турбомашины.

15. Контрольно-измерительное устройство для контроля изменений массового расхода текучей среды, втекающей в турбомашину, содержащее:

детектор для контроля изменений тока питания электродвигателя турбомашины и

анализатор для применения известной корреляции между изменениями массового расхода и изменениями тока, чтобы связать контролируемые изменения с фактическими изменениями массового расхода.

16. Контрольно-измерительное устройство по п. 15, в котором указанный детектор представляет собой измеритель тока.

17. Контрольно-измерительное устройство по п. 18, в котором указанный детектор выполнен с возможностью присоединения к линии подачи электропитания, используемой для приведения в действие электродвигателя турбомашины.