Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды Российский патент 2021 года по МПК G01F1/74 

Предложенный способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности.

Известны способы измерения расхода газожидкостного потока, в которых используются различные методы покомпонентного измерения газожидкостной среды (ГЖС). В известных решениях определение и измерение текущих долей компонентов смеси основываются на идентификации компонентов путем использования различных их физических свойств. Например, таких физических свойств как различный отклик на пропускаемую через измеряемый поток электромагнитную энергию СВЧ-диапазона (патент RU 2269765 c1); или различный отклик компонентов на пропускаемые вдоль потока ультразвуковые акустические волны с использованием эффекта (Кокуев А.Г., Сорин А.В. Устройство для измерения расхода многофазного потока, Вестник Астраханского государственного технологического университета, сер. Управление, вычисл. техн. информ. 2015, №1, стр. 7-14); или неодинаковый отклик на проходящий поперек потока лазерный луч на основе оптико-акустического эффекта (Васильев Т.Р., Кокуев А.Г. Прибор для измерения расхода многофазного потока на основе опто-акустического эффекта, Вестник Дагестанского технического университета 2016, том 43, выпуск 4,стр.34-41).

Примененные в них идентифицирующие параметры оптический, акустическая плотности, длинные волны, испускаемые из разных источников, отклик на ядерно-магнитный резонанс требуют сложную аппаратурную оснастку и тонкую избирательность. Это усложняет способ измерения.

В последние годы в связи с качественным изменением конструкции тепловизионного оборудования, потенциал термографии как метода неразрушающего контроля и мониторинга значительно возрос.

Известный бесконтактный тепловой меточный способ измерения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды, реализованный в расходомере и принятый нами за прототип (Д. Д. Булкин, Г. А. Соколов. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков/ж. Датчики и системы. Sensors & Systems • №12.2008), состоит в последовательном измерении теплового пограничного слоя и измерении меточным методом скорости потока. Известным способом измеряются разность температур термопреобразователей до и после нагревателя и время прихода тепловой метки к термопреобразователю после нагревателя, для определения скорости потока вводится кратковременный тепловой импульс, по этим параметрам определяются доли компонентов жидкости и газа в потоке.

Недостатком известного способа является сложный двухступенчатый процесс непрерывного нагревания потока двухфазной среды с завышенной затратой энергии для процедуры измерения разности температур.

Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при использовании единого параметра идентификации компонента.

Технический результат достигается тем, что способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды характеризуются тем, что проводят поток среды через поворотное колено, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов.

На чертеже представлена конструктивная схема, реализующая способ измерения долей компонентов в потоке при помощи измерения температуры и величины излучения компонентами по термограмме на стенке щелевого корпуса.

По способу измерения долей компонентов в потоке двухкомпонентной среды характеризующегося тем, что проводят поток среды со скоростью V через поворотное колено 11 с возрастающим сечением входа 2, направляют ее в щелевой корпус 1, создают на входе 2 одновременный для всех компонентов в потоке импульс тепловой метки импульсным нагревателем 5, продвигают с потоком через корпус 1 компоненты с тепловой меткой 9, снимают на корпусе 1 термограмму тепловой метки 9 тепловизором 7 с вычислительным комплексом обработки информации по матрице 8 с ячейкой 10 в пикселях, вычисляют доли масс компонентов.

В изогнутых трубах и каналах (коленах, отводах) 11 вследствие искривления течения потока появляются центробежные силы. Направленные от центра кривизны к внешней стенке трубы и далее к плоской стенке измерительного участка 4. Этим обусловливается повышение давления у внешней стенки с понижением скорости. Искривление потока проводится в двух плоскостях - в плоскости чертежа и перпендикулярной к нему, показанным эллипсом 14 выходного отверстия трубы.

Можно считать, что инерционные силы уменьшают слой компонентов, прижатых к продольной стенке, через которую извлекается необходимые параметры излучательной способности ε компонентов, не оставляя за измеряемым в поперечном слое компонентов другого свойства. При этом увеличивается адгезия компонентов к продольной стенке с увеличением теплопроводности, повышается достоверность ИК- изображения, предотвращая передачу тепловой энергии по самой стенке от компонента к компоненту.

Кроме того, положительное влияние инерционных сил проявляется в том, что происходит выравнивание поля скоростей компонентов жидкой В и газовой Г фаз.

Текущие доли компонентов среды определяются с помощью передачи ИК-изображения температурных областей компонентов на термограмме, а по величинам излучательной способности ε каждого компонента на экране тепловизора идентифицируется сам компонент путем следующих операций.

- теплоотдача компонентам определенного теплового заряда Q_к от импульсного источника заряда Q и формирование тепловой метки 9 размером L*H компонентов в потоке двухфазной среды,

- передача теплового потока от заряженных компонентов тепловой метки к стенке щелевого корпуса измерительного участка (от нагретых ИК компонентов менее нагретым областям продольной стенки измерительного участка) по зависимости Q_к=α_к F_к τΔΤ_к, где α_к - коэффициент теплоотдачи, [Вт/(м²К)]; F_к - площадь поверхности, через которую происходит теплоотдача, [м²]; τ - продолжительность процесса теплоотдачи, [с]; ΔТ_к - разность температур поверхности стенки и компонента, [К,°С]. В предложенном способе импульсный источник тепла излучает тепло, направленное внутрь трубы потоку смеси, поэтому тепловой заряд Q_к поглощается только компонентами с коэффициентом поглощения α_к. Параметр ΔТ_к, по которому определен коэффициент поглощения α_к равный излучательной способности компонента ε_к=α_к, определяется из следующего уравнения α_к F_к τΔΤ_к=Q_к, откуда Т_к=Q_к/ ε_к F_к τ.

- передача и получение ИК -изображения по температуре Т_к и по величине излучательной способности ε_к каждого компонента на экран тепловизора. Величина ε_к выражена в известном уравнении мощности излучения, испускаемым нагретым телом, P=Q_к/τ=σ ε_кΑ_κ Т_ку⁴, где σ=5,67*10^-8 [Вт/(м²К⁴)] - постоянная Стефана-Больцмана, А_к - площадь излучающей поверхности в м² или в пикселях/м², Т_ку - преобразованная температура излучающего компонента, переданная от тепловой метки к продольной стенке измерительного участка в виде термограммы.

По процедуре измерения тепловизор объединен с плоским измерительным участком 4 трубопровода закрытым кожухом 6, внутри которого имеется атмосфера с температурой Т_окр. Одновременно излучающая продольная стенка измерительного участка 4 поглощает излучение, испускаемое окружающей средой внутри кожуха 6, величиной теплового потока Q_к4=σ ε_к А_к τ Т_окр⁴. При температуре Т_ку тепловой метки 9, преобразованной в термограмму, и величине больше окружающей температуры Т_окр, и при одинаковой площади, то количество теплоты, действующего на матрицу тепловизора будет иметь вид

Q_{к матр} = σ ε_к А_к τ (Т⁴_ку - Т⁴_окр).

- формирование термограммы областей разной температуры, построение областей 13 изотермами 12 для анализа программным обеспечением ПО тепловизора,

- идентификация областей 13 в принадлежности конкретному компоненту по излучательной способности областей, образованных изотермами 12 компонентов,

- вычисление суммарных площадей разделенных различными изотермами 12 однотипной температуры и пропорциональных отношений к общей площади тепловой метки термограммы 9,

- суммирование всех площадей для определения текущих долей компонентов в потоке двухфазной среды.

Поток проходит через гидравлическое поворотное колено 11 во входной патрубок 2 (фиг. 1), по корпусу 1, содержащему измерительный участок 4, к выходному патрубку 3. Во входном патрубке 2 поток импульсным инфракрасным нагревателем 5 равномерно по всему сечению нагревается в течение некоторого времени Δt. Поскольку скорости зарядов компонентов различны из-за различных величин их общих теплоемкостей С (различны и сами скорости течения компонентов), то за заданное время Δt заряда каждый компонент нагревается до различной температуры Т_к в зависимости от его удельной теплоемкости «с», массы «m». Поступившие в измерительный участок 4 компоненты, например: вода В, нефть Η и газ Г, нагретые до своих разных температур Т_в, Т_н и Т_г, распределяются под действием инерционных сил после поворота в колене 11 по продольной плоскости измерительного участка 4, контактируют с его продольной стенкой и создают в ней местные нагретые области на стенке в виде термограммы, отображаемой с клеткой 10 в пикселях, соответствующей матрице 8 тепловизора. Детектор тепловизора 7 получает инфракрасное излучение и преобразовывает его в электрический сигнал согласно свойствам коэффициента излучательной способности ε каждого компонента.

Далее строятся изотермы - линии 12, связывающие точки с одинаковой температурой, и выводятся на дисплей эти изотермы с помощью программного обеспечения ПО для анализа (например, Testo IR Soft 2.0) для образования областей 13. В процессе отображения изотерм, все точки на ИК- изображении со значениями температуры в заданном диапазоне выделяются одним цветом. Т.е по количеству клеток (пикселей) с равными температурами (цветом) вычисляются области (площади) каждого компонента. По соотношениям этих равнотемпературных площадей определяются текущие доли а масс М_к компонентов в общей массе Μ потока (а_к=М_к/M). Например, суммарные площади с температурой Воды определяют долю воды α_в в общей площади тепловой метки L*h при сохранении закона постоянной массы по сечению измерительного участка (тепловой метке) в виде формулы 1=α_в+α_н+α_г и тогда доля воды определится так а_в=М_в/M. Аналогично определяется доля по коэффициенту α_к других компонентов.

При изменении скорости V газожидкостного потока изменяется при неизменном заданном времени Δt импульса теплового заряда длина L, заряженной импульсом зоны потока, длина тепловой метки (фиг. 1). Вычислительный комплекс тепловизора 7 определяет общую текущую массу Μ всех компонентов и отдельно массы М_к компонентов по их долям α в соответствии с площадями на термограмме измерительного участка 4.

Идентификация компонента выполняется сравнением величин излучательной способности ε на областях термограммы измерительного участка с известными ε из различных источников. Например для воды ε_в=0,67 при t=38°С (ws.studylib.ru; также incoll. Ru; также En.ppt-online. Org); для нефти (oil) ε_н=0,94, ε_н=0,82 (слой масла) (instanko.ru, также En.ppt-online. Org); для сырой нефти ε_н=0,2; для газа (метан, метанол) ε_г=0,07 (С.А. Бобков, А. В. Бабурин, П. В. Комраков\ Физико-химические основы развития и тушения пожаров. Уч. Пособие. МЧС России. М. 2014).

Скорость течения компонентов не влияет на величину областей, определяющих массовую текущую составляющую компонентов в общем массовом подсчете долей в потоке двухфазной среды. При большей скорости потока будут большие области по пикселям компонентов при прежнем соотношении областей.

Раздельно доли компонентов подсчитываются как М_к=α_к М. Например для газожидкостного потока воды, нефти и газа: M_B=α_вМ, М_н=α_нМ, М_г=α_гМ.

Предложенный способ обеспечивает при импульсном нагреве бесконтактное измерение долей компонентов в потоке многокомпонентной газожидкостной среды, за счет использования единого параметра идентификации компонента - излучательной способности, позволяющего упростить процедуру измерения с уменьшенной затратой энергии.

Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды. Предложенный способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды относится к области измерения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности. Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды при использовании единого простого параметра идентификации компонента. Технический результат достигается тем, что по способу измерения долей компонентов в потоке двухкомпонентной среды, характеризующемуся тем, что проводят поток среды через поворотное колено, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов. 1 ил.

Способ измерения долей компонентов в потоке двухфазной среды, характеризующийся тем, что проводят поток среды через поворотное колено с возрастающим сечением, направляют ее в щелевой корпус с входом, создают на входе одновременный для компонентов в потоке импульс тепловой метки, продвигают с потоком компоненты с тепловой меткой через корпус, снимают с его плоской стенки термограмму тепловой метки, вычисляют доли масс компонентов.