Расходомер многофазных потоков Российский патент 2024 года по МПК G01F1/40 

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к расходомерам многофазных потоков без предварительной сепарации, и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, для определения количества газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды, содержащихся во взаимно несмешивающихся с водой нефтепродуктах, газовом конденсате и свободном нефтяном или природном газах.

Для определения компонентного состава смеси чаще всего используется метод рентгеновской или гамма-денситометрии. Принцип работы таких устройств основывается на разнице коэффициентов поглощения фотонов рентгеновского спектра излучения различной энергии веществами, входящими в состав исследуемой смеси.

Известен многофазный рентгеновский расходомер (МФР), содержащий источник излучения, детектор остаточного излучения, сконфигурированное для приема фотонов от многофазного потока с учетом текущего времени измерения, чтобы формировать изображение потока в проточной части расходомера для его последующей интерпретации с вычислением количественного содержания компонент многофазного потока в указанный момент времени (патент RU № 2533758, кл. G01F 1/704, опубл. 20.11.2014).

Известен многофазный рентгеновский расходомер (патент RU № 2565346, кл. G01F 1/708, опубл. 20.10.2015) с аналогичным принципом измерения и многие другие. При этом принцип измерения, детектирования отдельных компонент многофазного потока производится на корреляционных зависимостях уровней поглощения отдельных компонент многофазного потока в зависимости от уровня излучения источника.

В последнее время наблюдается тенденция на совершенствование системы детектирования рентгеновского излучения путем применения специальных фильтров, отдельных матричных систем детектирования и других нововведений.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многофазный расходомер, представляющий собой трубку Вентури с конфузором, горловиной и диффузором, содержащий датчики температуры и датчики давления, источник излучения и детектор излучения, установленные напротив двух друг друга в двух рентгенопрозрачных окнах, выполненных в стенке горловины трубки Вентури. В стенке горловины в этой же плоскости сечения выполнено дополнительное рентгенопрозрачное окно, расположенное под углом 90° к оси между источником излучения и детектором излучения, в котором установлен дополнительный детектор излучения, а на входе конфузора последовательно установлены блоки измерения доли воды и доли метанола, включающие СВЧ-излучатель и детектор СВЧ-излучения. Датчики давления установлены на входе в конфузор и горловине, а датчики температуры установлены на входе в конфузор и выходе из диффузора. (Патент 2789623, опубл. 06.02.2023 г.).

В известном расходомере для определения фазового состава смеси используется метод рентгеновской денситометрии. Принцип работы основывается на разнице в коэффициентах поглощения фотонов рентгеновского спектра излучения различной энергии веществами, входящими в состав исследуемой смеси. Известное устройство позволяет повысить точность определения параметров многофазного потока флюида в различных трубопроводных системах. Вместе с тем, данное устройство имеет следующие недостатки.

Так, в известном устройстве используется труба Вентури, горловина которой имеет круглое сечение. Для однофазных стационарных потоков данное техническое устройство обеспечивает высокую точность измерений при высоких числах Рейнольдса Re>5⋅10⁵. Известно, что в данном диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент истечения остается практически неизменным и равен С≈1±1%. Ситуация значительно изменяется в случае измерения данным устройством многофазного потока. За счет применения специальных устройств подготовки потока, такие потоки могут иметь только квазигомогенное течение, как наиболее близкое к стационарному течению. При прохождении сужения трубы Вентури, возникают процессы, приводящие к изменению типа течения потока, вплоть до снарядного типа течения. Соответственно числа Рейнольдса на этом участке трубы Вентури принимают более широкий диапазон при низких скоростях потока 1⋅10⁴<Re<5⋅10⁵. Таким образом в процессе измерений происходит постоянное изменение коэффициента истечения. Причем диапазон изменения коэффициента истечения уже может достигать значений δ_c±25%. В связи с этим обстоятельством каждый из таких приборов проходит отдельные экспериментальные процедуры настройки для разных расходов, составов смесей, скоростей на проливном стенде. Следует отметить, что и такие процедуры настройки не обеспечивают достаточной точности измерений на реальных многофазных потоках, при постоянно изменяющихся значениях вязкости и скорости нефтегазоводяного потока.

Также в известном устройстве используется метод рентгеновской денситометрии, который несмотря на проведенные усовершенствования за счет применения дополнительных измерений, при которых выполняется детектирование уровня рассеяния отраженных под углом 90° гамма-квантов, имеет существенные недостатки, такие как:

- низкая точность определения жидкой фракции при больших значениях газовой фракции (GVF);

- высокая чувствительность к изменениям состава флюида, требующим остановки процесса измерений и перенастройки МФР;

- высокая стоимость обеспечения радиационной безопасности, транспортировки и эксплуатации источника гамма-излучения.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения количества отдельных фаз многофазного газожидкостного потока за счет обеспечения постоянства коэффициента истечения измеряемого потока в широком диапазоне чисел Рейнольдса 2⋅10³<Re<1⋅10⁷ и проведения измерений посредством спектрального анализа измеряемого потока, основанного на принципе абсорбционной спектроскопии в ближней части инфракрасного диапазона.

Технический результат достигается тем, что в расходомере многофазных потоков, представляющим собой трубу с сужающим устройством, включающим входной конфузор, горловину и выходной диффузор, и содержащем источник излучения и приемник излучения, установленные напротив друг друга в выполненных в стенке горловины окнах, а также датчик температуры, датчики перепада давления и датчик выходного давления, горловина сужающего устройства выполнена с сечением в виде эллипса с расположением его меньшего диаметра перпендикулярно продольной оси трубы, а окна выполнены в виде оптически прозрачных окон, расположенных по меньшему радиусу эллипса горловины, при этом источник излучения представляет собой источник ближнего инфракрасного (далее - БИК) излучения, а приемник излучения представляет собой приемник БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала и выполненный в виде матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, представляющие собой четыре последовательно соединенных светодиода, а каждому промежуточному значению длины волны соответствует один светодиод, при этом приемник БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода, а светодиоды в матрице источника БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе, при этом датчик перепада давления соединен с камерой отбора входного давления, расположенной перед конфузором, и камерой отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами по ходу движения многофазного потока.

Кроме того, матрица инфракрасных светодиодов включает в себя 12 светодиодов, соответствующих следующим длинам волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм, при этом на элементах Пельтье установлены термисторы, горловина выполнена с длиной меньшего диаметра эллипса, не превышающей 0,5 длины его большего диаметра, а первичный преобразователь выполнен с возможностью измерений с частотой не менее 100 полных циклов измерений в секунду и вычислением конечных величин количественных и качественных показателей газожидкостного многофазного потока.

Выполнение горловины сужающего устройства с сечением в виде эллипса обеспечивает постоянство коэффициента истечения измеряемого потока в широком диапазоне чисел Рейнольдса 2⋅10³<Re<1⋅10⁷ (стабильность физического процесса протекания многофазной среды), что повышает точность измерений вне зависимости от режима течения газожидкостного многофазного потока и от количества газа в потоке GVF (отношение объемного расхода газа к объемному расходу суммарного потока газа и жидкости).

Расположение оптически прозрачных окон в проточной щели по меньшему диаметру эллиптического сечения горловины, обеспечивает точное измерение объемного содержания отдельных компонент многофазного потока, поскольку на данном участке возникает полная квазигомогенная концентрация всех составляющих потока в текущий момент времени.

Использование в качестве устройства, измеряющего состав протекающей среды, ИК-спектрометра повышает точность измерения плотности и вязкости протекающей среды, необходимых для вычисления расхода измеряемой среды.

Использование в качестве источника БИК излучения объединенных в матрицу инфракрасных светодиодов позволяет обеспечить последовательное кратковременное включение этих светодиодов в работу, что повышает точность измерений и увеличивает ресурс работы источника излучения.

Выполнение в матрице для длины волны максимального поглощения нефти и длины волны максимального поглощения воды связок светодиодов, состоящих из четырех последовательно соединенных светодиодов, позволяет увеличить мощность источников БИК излучения для данных длин волн, что обеспечивает выполнение измерений вне зависимости от влияния оптической плотности смеси и позволяет производить высокоточные измерения во всем диапазоне влагосодержания газожидкостной смеси 0-100%.

Размещение светодиодов матрицы и сдвоенного фотодиода на элементах Пельтье обеспечивает стабилизацию температуры на поверхности светодиодов.

Выполнение матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды в ближней инфракрасной области позволяет обеспечить измерения в максимально возможном диапазоне длин волн.

Размещение на элементах Пельтье термисторов позволяет контролировать и регулировать температуру поверхности источника и приемника БИК излучения. Поддержание температуры на одном уровне (от 20 до 30°С) обеспечивает стабильность измерений вне зависимости от температуры измеряемой среды в диапазоне температур от минус -40 до плюс +95°С и увеличивает срок службы многофазного расходомера.

Включение в матрицу инфракрасных светодиодов с различными длинами волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм позволяет проводить измерения в широком диапазоне длин волн. Измерение спектра поглощения на длинах волн λ=1,07 мкм; λ=1,34 мкм обеспечивает точное вычисление количества нефтяной фракции вне зависимости от типа нефтепродукта по признаку темные-светлые нефтепродукты. Измерение спектра поглощения на длине волны λ=1,94 мкм обеспечивает точное вычисление количества воды. Промежуточные измерения спектра поглощения на длинах волн λ=1,46 мкм; λ=1,63 мкм; λ=1,75 мкм обеспечивают выполнение корректировки измеренных параметров в зависимости от уровня преломления и отражения первичных сигналов БИК излучения, а также вычисление количества газа.

Соединение датчика перепада давления с камерой отбора входного давления, расположенной перед конфузором, и камерой отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами по ходу движения многофазного потока, обеспечивает измерение перепада давления потока измеряемой среды между входным конфузором и горловиной сужающего устройства, что вместе с измерением выходного давления и температуры измеряемой среды является необходимой мерой определения количественного содержания фаз газожидкостного многофазного потока и их расхода в текущий момент времени, которые сопоставляются с измеренными параметрами оптического поглощения БИК излучения первичным преобразователем сигналов. При этом первичный преобразователь обеспечивает измерения с частотой не менее 100 полных циклов измерений в секунду, с вычислением конечных величин количественных и качественных показателей газожидкостного многофазного потока, что повышает точность измерений.

Изобретение поясняется графически, где

- на фиг. 1 представлен предлагаемый расходомер многофазных потоков,

- на фиг. 2 представлен поперечный разрез расходомера,

- на фиг. 3 - место «А» фиг. 2,

- на фиг. 4 представлен общий вид расходомера в проекции ³/₄,

- на фиг. 5 представлен общий вид многофазного расходомера, установленного на трубопровод.

Расходомер многофазных потоков содержит сужающее устройство 1, включающее в себя входной конфузор 2, горловину 3, выполненную в виде проточной щели с сечением в виде эллипса, и выходной диффузор 4. Меньший диаметр эллипса проточной щели преимущественно не превышает 0,5 длины его большего диаметра. В горловине 3 по узкому радиусу эллипса напротив друг друга выполнены оптически прозрачные окна 5. С противоположных сторон горловины 3 напротив оптически прозрачных окон 5 размещены источник 6 ближнего инфракрасного (далее - БИК) излучения и приемник 7 БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала 8. Источник 6 БИК излучения представляет собой матрицу инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, представляющие собой четыре последовательно соединенных светодиода, а каждому промежуточному значению длины волны соответствует один светодиод. Приемник 7 БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода. Светодиоды в матрице источника 6 БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике 7 БИК излучения установлены на модули Пельтье 9, размещенные на теплоотводящем элементе 10. Отбор давления на входе сужающего устройства 1 расположен перед входным конфузором 2 посредством камеры 11 отбора входного давления, отбор выходного давления выполняется посредством камеры 12 отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами 5 по ходу движения многофазного потока. Первичный преобразователь 8 электрически связан со вторичным преобразователем 13 и блоком 14 подключения датчика 16 температуры, датчика 17 выходного давления и датчика 18 перепада давления. Датчик 17 выходного давления размещен после выходного диффузора 4 либо непосредственно в камере 12 отбора выходного давления, датчик 16 температуры размещен также за выходным диффузором 4.

Расходомер многофазных потоков работает следующим образом.

Поток измеряемой среды проходит через сужающее устройство 1. Первичный преобразователь сигнала 8 производит импульсную подачу стабилизованного токового сигнала на светодиоды источника 6 БИК излучения. Длительность каждого импульса, в течение которого светодиоды источника 6 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) или сборки светодиодов (L1-L4, L9-L12) поочередно излучают, не более 300 мкс. Температура светодиодов источника 6, измеряемая при помощи термисторов 15, принудительно поддерживается от элементов Пельтье 9 на уровне от 20 до 30°С, тепловая энергия от которых отводится через теплоотводящий элемент 10 на радиатор 19.

Стабилизация температуры на светодиодах матрицы источника 6 БИК излучения и приемника 7 БИК излучения позволяет избежать искажений проводимых измерений из-за повышенной или пониженной температуры и измерять поглощение измеряемой средой БИК излучения на точно выбранных узких полосах инфракрасного сигнала, а также увеличивает эксплуатационный ресурс расходомера.

Во время излучения на приемной стороне, посредством усиления сигнала сдвоенного фотодиода приемника 7 БИК излучения, первичным преобразователем 8 выполняется измерение величины проходящего радиочастотного излучения. Каждый цикл измерений состоит из последовательного измерения величины пропускания сигнала БИК излучения на каждой из длин волн, путем подключения соответствующего светодиода 7 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) или сборки светодиодов 7: (L1-L4, L9-L12). На каждом цикле измерений первичным преобразователем 8 выполняется измерение сигналов поглощения БИК излучения измеряемой средой, а также текущие значения токовых сигналов первичных преобразователей температуры, давления и перепада давления измеряемой среды.

После выполнения 100 последовательных циклов измерений первичный преобразователь 8 при помощи цифрового сигнала передает через последовательный порт во вторичный преобразователь 13 измеренную информацию.

Вторичный преобразователь 13 путем сравнения с записанными в память эталонными спектрами вычисляет объемное содержание газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды. Вторичный преобразователь 13 путем приведения через измеренные параметры температуры и давления по известным методам вычисляет текущие параметры плотности, вязкости отдельных компонент многофазного потока и по вычисленным параметрам объемного содержания отдельных компонент многофазного потока производит вычисление средней плотности и вязкости многофазного газожидкостного потока. Поскольку в записанной информации всегда есть прослеживаемость к первичным измеренным в каждый момент времени значениям перепада давления на сужающем устройстве, вычислительное устройство производит вычисление мгновенных значений расхода измеряемой среды, а также расхода отдельных компонент многофазной среды: воды, нефти (включая нефтепродукты, ШФЛУ, газовый конденсат и т.д.) и газа. Затем путем интегрирования вычисленных параметров выполняется накопление информации о количестве прошедших через расходомер за отчетный период отдельных компонент многофазного потока.

Далее вторичный преобразователь 13 преобразует полученные значения количества каждого из компонентов измеряемой среды в выходные сигналы посредством цифровой обработки в стандартный токовый сигнал 4-20 мА, частотный сигнал 0-1000 Гц, а также цифровые сигналы посредством протоколов ModBus и HART, с учетом настроек пользователя.

Применение предложенного изобретения позволит значительно повысить точность измерения количества газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды, содержащихся во взаимно несмешивающихся с водой нефтепродуктах, газовом конденсате и свободном нефтяном или природном газах продукции скважин и может найти применение в измерительных установках, установках для исследования скважин, нефтеперерабатывающем оборудовании и нефтепроводах, а также в процессе подготовки сырья в системах контроля качества нефтяной продукции.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к расходомерам многофазных потоков без предварительной сепарации. Расходомер многофазных потоков содержит сужающее устройство 1, включающее входной конфузор 2, горловину 3 в виде проточной щели с сечением в виде эллипса, а также выходной диффузор 4. В горловине 3 по узкому радиусу эллипса напротив друг друга выполнены оптически прозрачные окна 5, напротив которых размещены источник 6 БИК излучения и приемник 7 БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала 8, при этом источник 6 БИК излучения представляет собой матрицу инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, а приемник 7 БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода, причем светодиоды в матрице источника БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе 10. Отбор давления на входе сужающего устройства расположен перед входным конфузором 2 посредством камеры отбора давления 11, отбор выходного давления внутри горловины 3 расположен непосредственно за оптическими окнами 5 по ходу движения многофазного потока. Технический результат - повышение точности измерения количества газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды, содержащихся во взаимно несмешивающихся с водой нефтепродуктах, газовом конденсате и свободном нефтяном или природном газах продукции скважин. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Расходомер многофазных потоков, содержащий сужающее устройство, включающее входной конфузор, горловину в виде проточной щели и выходной диффузор, источник излучения и приемник излучения, установленные напротив друг друга в выполненных в стенке горловины окнах, а также датчик температуры, датчик перепада давления и датчик выходного давления, отличающийся тем, что горловина сужающего устройства выполнена с сечением в виде эллипса с расположением его меньшего диаметра перпендикулярно продольной оси трубы, а окна выполнены в виде оптически прозрачных окон, расположенных по меньшему радиусу эллипса горловины, при этом источник излучения представляет собой источник ближнего инфракрасного (БИК) излучения, а приемник излучения представляет собой приемник БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала и выполненный в виде матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, представляющие собой четыре последовательно соединенных светодиода, а каждому промежуточному значению длины волны соответствует один светодиод, при этом приемник БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода, а светодиоды в матрице источника БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе, при этом датчик перепада давления соединен с камерой отбора входного давления, расположенной перед входным конфузором, и камерой отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами по ходу движения многофазного потока.

2. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что матрица инфракрасных светодиодов включает в себя 12 светодиодов, соответствующих следующим длинам волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм, при этом на элементах Пельтье установлены термисторы.

3. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что горловина выполнена с длиной меньшего диаметра эллипса, не превышающей 0,5 длины его большего диаметра.

4. Расходомер по п. 1, отличающийся тем, что первичный преобразователь выполнен с возможностью обеспечения измерений с частотой не менее 100 полных циклов измерений в секунду, с вычислением конечных величин количественных и качественных показателей газожидкостного многофазного потока.