Способ отбора проб жидкости из трубопровода и устройство для отбора проб жидкости из трубопровода Российский патент 2021 года по МПК G01N1/10 

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности.

При разработке продуктивного нефтяного пласта в продукции скважины присутствуют нефть, вода и попутный газ, а также, хлористые соли и различные мелкие механические примеси в твердой фазе (твердые углеводороды, минеральные частицы и др.). Состав добываемой многофазной жидкости для каждой скважины уникален и требует постоянного контроля, так как концентрация каждого компонента может изменяться по времени, что, в свою очередь, нарушает стабильность физических свойств и режим течения нефтеводогазового потока.

Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода, при котором производят размещение в трубопроводе пробозаборного элемента из одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую располагают на оси трубопровода входным отверстием навстречу потоку; отбор пробы пропорционально расходу потока трубопровода, при котором скорость отбора составляет не менее половины и не более двойной средней скорости потока трубопровода (см. Способ отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85. п. 2.13.1.3. 2.13.1.7).

Известно устройство для реализации данного способа, включающее пробозаборный элемент в виде одной пробозаборной трубки с загнутым концом, которую устанавливают на оси трубопровода входным отверстием навстречу потоку (см. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода. / ГОСТ 2517-85, п.2.13.1.7, черт. 14).

При наличии в потоке жидкости свободного газа известные технология и техника отбора проб не обеспечивает высокой представительности пробы.

Известен способ интенсификации конвективного теплообмена входных кромок лопаток высокотемпературных газовых турбин с помощью циклонного охлаждения (см. монографию «Теплообмен и гидродинамика при циклонном охлаждении лопаток газовых турбин» / Халатов А.А., Романов В.В., Борисов И.И., Дашевский Ю.Я., Северин С.Д. / Институт технической теплофизики НАН Украины. – Киев. – 2010. – 317 с.), где показано, что циклонный процесс может возникать только в пустотелом цилиндре (см. в указанной монографии рис. 2.1, 2.6, 2.8, 2.13, 2.23, 2.31 и др.), в котором организуется центральный смерчеобразный вихрь, совершающий вращательное движение, при подводе в него охлаждающего воздуха через тангенциальные каналы, выполненные в теле лопатки. Возникновение циклонного процесса способствует существенному увеличению окружной скорости в радиальном цилиндрическом канале, выполненном во входной кромке турбинной лопатки, что позволяет повысить эффективность ее охлаждения за счет четырехкратного повышения теплоотдачи.

Однако, при циклонном охлаждении смерчеобразный вихрь, неоднократно проходящий во вращательном движении около охлаждаемой внутренней стенки входной кромки лопатки, осуществляет эффективное перемешивание охлаждающего воздуха, но приводит к снижению его хладозапаса из-за увеличения времени воздействия на внутреннюю стенку входной кромки и, как следствие, к недостаточному охлаждению турбинных лопаток.

Известно устройство для реализации данного способа, выполненное в виде охлаждаемой лопатки турбомашины (см. Патент РФ № 2117768, МПК F01D 5/18, опубл. 20.08.1998), содержащее перо с центральной полостью и радиальным каналом в зоне входной кромки и сообщенным чередующимися по высоте входными и выходными каналами с центральной полостью и внешней поверхностью выпуклой части пера, причем выходные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала, отличающаяся тем, что входные каналы выполнены тангенциальными относительно радиального канала и направлены вдоль внутренней поверхности вогнутой части пера, а отношение площадей проходных сечений выходных и входных каналов выбрано в интервале 4,2 > F_выхода / F_входа > 1,7.

Наличие чередующихся по высоте пера лопатки входных и выходных каналов, выполненных тангенциально относительно радиального канала во входной кромке, позволяет организовывать несколько зон циклонного движения с образованием смерчеобразных вихрей по всей длине радиального канала, что обеспечивает интенсивное и равномерное перемешивание охлаждающего воздуха при сохранении его достаточного хладозапаса по всей высоте пера лопатки. При этом площади проходных сечений входных и выходных каналов не должны засоряться мелкими твердыми частицами (пыль, песок), попадающими в охлаждающий воздух, забираемый из компрессора авиационного двигателя при его эксплуатации. Возможным вариантом решения этой проблемы является увеличение диаметра входных и выходных каналов, что в свою очередь приводит к увеличению расхода охлаждающего воздуха и снижению КПД компрессора.

Известен способ отбора проб жидкости из трубопровода (см. Патент РФ № 2215277, МПК G01N 1/10, опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30) наиболее близкий по технической сущности к заявляемому изобретению и принятый за прототип, при котором осуществляют размещение в трубопроводе пробозаборника и осуществляют отбор пробы; перед отбором пробы осуществляют совмещение смешения потока в поперечном сечении трубопровода со смешением потока вдоль трубопровода. В процессе перемешивания многофазного потока в поперечном сечении трубопровода удается обеспечить равномерное распределение попутного газа и уменьшить его концентрацию, в тоже время под действием массовых сил происходит оседание на стенках трубопровода в виде осадка твердых частиц, что нарушает гидродинамику потока и понижает интенсивность его перемешивания, снижает точность отбора пробы и обеспечение ее представительности.

Известно устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (см. Патент РФ № 2215277, МПК G01N 1/10, опубл. 27.10.2003, Бюл. № 30) для реализации данного способа, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому изобретению и принятое за прототип, содержащее пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку; на трубопроводе перед пробозаборным элементом устанавливают смеситель, выполненный из соосно с трубопроводом расположенной перфорированной трубы, выполненной состыкованной с блоком поперечно сужающихся и расширяющихся секций. Использование в смесителе перфорированной трубы с достаточно мелкими отверстиями, системы конфузорно-диффузорных каналов, образованных внутри блока поперечно сужающихся и расширяющихся секций, решает проблему равномерного распределение попутного газа и уменьшения его концентрации на входе в пробозаборный элемент.

Однако в смесителе данной конструкции имеются участки, где при турбулентном режиме течения происходит образование осадков твердых частиц, нарушающих гидродинамику многофазного потока и снижающих эффективность процесса перемешивания. К этим участкам относятся: достаточно мелкие отверстия перфорированной трубы; участок кольцевой полости между трубопроводом и перфорированной трубой в месте состыковки ее с блоком поперечно сужающихся и расширяющихся секций; места стыковки поперечно сужающихся и расширяющихся секций, внутри блока, входящего в состав смесителя.

При наличии в потоке жидкости различных мелких механических примесей в твердой фазе известные технология и техника отбора проб не обеспечивают высокой представительности пробы и не устраняют склонность к засорению гидродинамического тракта смесителя. Кроме того, изготовление блока поперечно сужающихся и расширяющихся секций смесителя требует усложнения технологии его изготовления и, как следствие, – повышения стоимости данного устройства.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышения представительности пробы при ее отборе пробозаборным элементом и устранение загрязнений в виде осадков твердых частиц на рабочих поверхностях трубопровода.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении интенсивности перемешивания компонентов, входящих в состав жидкости, и точности определения ее состава при отборе пробы и выполнении гидродинамической очистки от загрязнений рабочей поверхности трубопровода перед отбором пробы.

Технический результат достигается тем, что в способе отбора проб жидкости из трубопровода пробозаборным элементом из предварительно перемешенного потока, новым является то, что процесс перемешивания потока осуществляют путем циклонного гидродинамического воздействия на поток.

Перед отбором пробы осуществляют гидродинамическую очистку от загрязнений рабочих поверхностей трубопровода.

Таким образом, осуществление перечисленных операций позволяет при отборе пробы не только обеспечить равномерное распределение газа в потоке, уменьшить его концентрацию и снизить дисперсность на единицу объема потока, но и препятствует отложению осадков твердых частиц на рабочей поверхности трубопровода в результате его гидродинамической очистки перед отбором пробы. Это способствует пропорциональному отбору пробы и получению ее более высокой представительности по сравнению с способом-прототипом.

Для достижения технического результата при реализации заявляемого способа используют устройство, содержащее пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку, перед пробозаборным элементом в трубопроводе установлен смеситель для перемешивания потока, новым является то, что смеситель выполнен из скрепленных, соосно расположенных входного участка и наружного и внутреннего цилиндрических корпусов, концентрично вставленных друг в друга с радиальным зазором, входной участок смесителя выполнен с центральным отверстием, переходящим в гладкий кольцевой диффузор, а к нижней части наружного корпуса закреплена сливная воронка, внутренний корпус выполнен с непроницаемым закругленным входным участком, а в стенках внутреннего корпуса в равномерно чередующихся поперечных плоскостях выполнены отверстия, оси которых отклонены от радиального направления или имеют тангенциальное расположение.

Угол раскрытия гладкого кольцевого диффузора во входном участке смесителя составляет θд = 75…100°.

Площадь поперечного сечения на выходе из гладкого кольцевого диффузора во входном участке смесителя больше суммарной площади всех отверстий F_д>ΣF_отвi, выполненных в стенках внутреннего корпуса смесителя.

Сущность изобретения поясняется чертежом.

На фиг. 1 представлен продольный разрез трубопровода с установленным в нем устройством для отбора проб жидкости.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение А-А смесителя с подводом жидкости в него через отверстия, оси которых отклонены от радиального направления.

На фиг. 3 представлено поперечное сечение Б-Б смесителя с подводом жидкости в него через отверстия, оси которых имеют тангенциальное расположение.

Где:

1 – пробозаборный элемент, установленный вертикально входным отверстием навстречу потоку;

2 – трубопровод;

3 – наружный цилиндрический корпус смесителя;

4 – внутренний цилиндрический корпус смесителя;

5 – отверстия во внутреннем цилиндрическом корпусе смесителя;

6 – входной участок смесителя;

7 – кольцевой диффузор;

8 – сливная воронка;

9 – кран для отбора проб;

10 – кран для гидродинамической очистки смесителя;

d – диаметр отверстий во внутреннем цилиндрическом корпусе смесителя;

t – шаг между рядами отверстий, выполненными в плоскостях поперечного сечения, в осевом направлении;

θ_д – угол раскрытия кольцевого диффузора;

– направление движения потока жидкости.

Способ отбора проб жидкости из трубопровода осуществляется следующим образом. В трубопроводе 2 (см. фиг.1), по которому перекачивают жидкость, последовательно устанавливают смеситель для ее перемешивания и пробозаборный элемент 1.

Поток жидкости, затекая в смеситель, попадает в полость между цилиндрическими наружным 3 и внутренним 4 корпусами, установленными концентрично друг относительно друга с радиальным зазором и скрепленных между собой. Трубопровод 2 жестко соединен с наружным цилиндрическим корпусом 3 с помощью входного участка 6 смесителя, в котором выполнено центральное отверстие, переходящее в гладкий кольцевой диффузор 7. Все эти элементы расположены соосно. При прохождении потоком гладкого кольцевого диффузора 7 происходит повышение статического давления на входе в смеситель (см. работу Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.). Для снижения гидравлических потерь и формирования диффузорного входа в полость между наружным 3 и внутренним 4 корпусами, расположенными концентрично относительно друг друга, входной участок внутреннего корпуса 4 выполнен закругленным с непроницаемой стенкой. Жидкость из полости между наружным 3 и внутренним 4 корпусами через отверстия 5, выполненные в плоскостях поперечного сечения внутреннего корпуса 3 и равномерно расположенные по его длине, поступает внутрь смесителя, образуя вращающиеся смерчеобразные вихри, формируя циклонное движение, эффективно перемешивающее жидкость по всему объему смесителя и состыкованного с ним трубопровода 2, где установлен пробозаборный элемент 1, с помощью которого производится отбор пробы для ее анализа при открытом кране 9.

Для удаления загрязнений с рабочих поверхностей трубопровода перед отбором пробы производится его гидродинамическая очистка. С этой целью используется сливная воронка 8, закрепленная на нижней части наружного корпуса 3 смесителя. Удаление загрязнений производится при открытом кране 10, который закрывают после завершения этой операции. Загрязненная жидкость собирается в емкость (не показана на чертеже) для последующей утилизации.

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять более точный количественный и качественный учет перекачиваемой по трубопроводу жидкости и продлевает срок эксплуатации пробозаборного элемента 1 за счет гидродинамической очистки рабочих поверхностей смесителя, установленного на трубопроводе 2.

Устройство для осуществления предлагаемого способа отбора проб жидкости из трубопровода работает следующим способом. Поток жидкости (направление движения показано стрелками на фиг.1) по трубопроводу 2 поступает в смеситель, установленный в трубопроводе 2 перед пробозаборным элементом 1, установленном на трубопроводе и имеющим ориентацию входного отверстия навстречу потоку. Смеситель выполнен из соосно расположенных входного участка 6 и наружного 3 и внутреннего 4 цилиндрических корпусов, концентрично вставленных друг в друга с радиальным зазором Трубопровод 2, входной участок смесителя 6 и его наружный 3 и внутренний 4 корпуса скреплены между собой. Жидкость попадает в смеситель через его входной участок 6, имеющий центральное отверстие, переходящее в гладкий кольцевой диффузор 7. При прохождении потока через гладкий кольцевой диффузор 7 происходит повышение статического давления потока жидкости и заполнение кольцевой полости между наружным 3 и внутренним 4 корпусами смесителя. Входной участок внутреннего корпуса 4 смесителя выполнен закругленным с непроницаемой стенкой для формирования диффузорного канала на входе в кольцевую полость между наружным 3 и внутренним 4 корпусами смесителя. Плавное очертание стенок этого диффузорного канала с величиной угла раскрытия θ_д = 75…100° позволяет обеспечить при движении потока допустимый уровень гидравлических потерь на входе в смеситель.

Из кольцевой полости между наружным 3 и внутренним 4 корпусами смесителя жидкость через отверстия 5, выполненные в стенках внутреннего корпуса 4 в равномерно расположенных между собой плоскостях поперечного сечения, поступает внутрь смесителя. Оси отверстий 5 отклонены от радиального направления (фиг. 2) или имеют тангенциальное расположение (фиг. 3), что способствует возникновению циклонного вихревого движения жидкости внутри внутреннего корпуса 4 смесителя. Диаметр d и количество отверстий 5, а также шаг в осевом направлении t между ними зависят от условий эксплуатации и состава жидкости и подбираются индивидуально с обязательным соблюдением условия – площадь поперечного сечения на выходе из гладкого кольцевого диффузора 7 входного участка 6 смесителя больше суммарной площади всех отверстий 5, выполненных в стенках внутреннего корпуса 4 смесителя F_д>ΣF_отвi. При выполнении этого условия обеспечивается оптимальный характер процесса течения многофазной жидкости в гидравлическом тракте смесителя с допустимым уровнем гидравлических потерь.

Под действием циклонного движения в смесителе происходит эффективное перемешивание по всему его объему жидкости, поступающей в трубопровод 2 (фиг. 1) для отбора пробы в пробозаборном элементе 1, что происходит при открытом кране 9, и последующего ее анализа.

При движении жидкости в кольцевой полости между наружным 3 и внутренним 4 корпусами смесителя могут образовываться загрязнения в виде осадков различных мелких механических примесей в твердой фазе, нарушающих гидродинамику многофазного потока и снижающих эффективность процесса перемешивания. Для удаления этих загрязнений перед отбором пробы производится гидродинамическая очистка смесителя через сливную воронку 8, закрепленную на нижней части наружного корпуса 3 смесителя. Так как процесс формирования осадков, загрязняющих рабочие поверхности смесителя, занимает достаточно много времени, гидродинамическая очистка смесителя производится периодически. Для этого открывают кран 10 и проливают смеситель, удаляя загрязненную жидкость в специальную емкость (на чертеже не показана). После этого загрязненную жидкость утилизируют.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволит повысить эффективность и качество перемешивания компонентов многофазной жидкости в смесителе, установленном в трубопроводе перед пробозаборным элементом, что обеспечит повышение представительности пробы при ее отборе и анализе. Использование перед отбором пробы гидродинамической очистки смесителя от загрязнений в виде осадков твердых частиц из потока сохраняет эффективность процесса перемешивания и повышает срок службы смесителя и пробозаборного элемента.

Изобретение относится к технологии и технике отбора проб жидкости из трубопровода и может найти применение в нефтедобывающей и других отраслях промышленности. Способ отбора проб жидкости из трубопровода (2) пробозаборным элементом (1) включает предварительное перемешивание потока циклонным гидродинамическим воздействием с помощью устройства для отбора проб. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода (2) содержит последовательно установленные смеситель и пробозаборный элемент (1) с ориентацией входного отверстия навстречу потоку. Смеситель, выполнен из скрепленных, соосно расположенных входного участка (6) и наружного (3) и внутреннего (4) цилиндрических корпусов, концентрично вставленных друг в друга с радиальным зазором. Входной участок (6) смесителя выполнен с центральным отверстием, переходящим в гладкий кольцевой диффузор (7) с углом раскрытия θ_д = 75…100°. К нижней части наружного корпуса (3) закреплена сливная воронка (8). Внутренний корпус (4) выполнен с непроницаемым закругленным входным участком, а в стенках этого корпуса в поперечных плоскостях выполнены отверстия (5), оси которых отклонены от радиального направления или имеют тангенциальное расположение. Группа изобретений повышает представительность отбираемой пробы многофазной жидкости из трубопровода и точность определения ее состава, а также увеличивает ресурс надежной работы смесителя и пробозаборного элемента. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для отбора проб жидкости из трубопровода, содержащее пробозаборный элемент, установленный на трубопроводе с ориентацией входного отверстия навстречу потоку, перед пробозаборным элементом в трубопроводе установлен смеситель для перемешивания потока, отличающееся тем, что смеситель выполнен из скрепленных, соосно расположенных входного участка и наружного и внутреннего цилиндрических корпусов, концентрично вставленных друг в друга с радиальным зазором, входной участок смесителя выполнен с центральным отверстием, переходящим в гладкий кольцевой диффузор, а к нижней части наружного корпуса закреплена сливная воронка, внутренний корпус выполнен с непроницаемым закругленным входным участком, а в стенках внутреннего корпуса в равномерно чередующихся поперечных плоскостях выполнены отверстия, оси которых отклонены от радиального направления или имеют тангенциальное расположение.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол раскрытия гладкого кольцевого диффузора во входном участке смесителя составляет θд = 75…100°.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что площадь поперечного сечения на выходе из гладкого кольцевого диффузора во входном участке смесителя больше суммарной площади всех отверстий Fд>∑F_отвi, выполненных в стенках внутреннего корпуса смесителя.

4. Способ отбора проб жидкости из трубопровода пробозаборным элементом из предварительно перемешанного потока, отличающийся тем, что процесс перемешивания потока осуществляют путем циклонного гидродинамического воздействия на поток посредством устройства по п. 1.

5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что перед отбором пробы осуществляют гидродинамическую очистку от загрязнений рабочих поверхностей трубопровода.