Способ измерения массового расхода газожидкостного потока и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01F1/00 

Изобретение относится к технике измерения расхода текучих сред,, имеющих двухфазную структуру потока, например сжиженных газов и газовых конденсатов, и предназначено для использования в информационно-измерительных системах для измерения расхода товарных и технологических потоков в газовой, нефтяной и других отраслях промышленности. Цель изобретения - повьшение точности измерения объемного и массового расхода газожидкостного углеводородного потока. I Су1дность способа измерения расхода жидкостей, склонных к образованию двухфазных газожвдкостных потоков, состоит в следующем. Жидкость, имеющая при входе в трубопровод однофазную структуру, направляется к датчику расхода объемного типа, который измеряет объемный расход Q,. При движении жидкости по трубопроводу на гидравлических сопротивлениях (клапанах, задвижках, коленах и т.п.) происходит снижение рабочего давления . При наличии легких углеводородов (метан, этан, пропан) в данной жидкости и перепада давления на указанных гидравлических сопротивлениях трубопровода некоторое количество этих углеводородов переходит из жидкого и растворенного состояний в газообразное. Поток приобретает двухфазную структуру. При этом даже при рабочем да:влении образовавшаяся газовая фаза занимает объем, на порядок больший, чем объем жидкости, из которого она образовалась. Вследствие этого в начале участка трубопровода через поперечное сечение трубопровода за единицу времени проходит один объем потока (жидкости) V, а в конце этого участка (на входе в датчик расхода) через аналогич ное сечение проходит другой (больши объем потока (газожидкостной смеси) 4ijM измеряемый датчиком расхода. В результате в показаниях расходоме ра, фиксирующего объемный расход га зожидкостного потока, постоянно присутствует погрешность измерения, которая накапливается при интегриро вании объемного расхода. Предлагаемый способ учитывает присутствие га за в потоке и тем самым снижает пог решность измерения, 1 7 Объемы V соответственно равны V V + V ; v V,, объем жидкой фазы; объем жидкой фазы, перешедшей в газовую при снижении рабочего давления в конце участка трубопровода на лР . объем газа при рабочем давлении, получившийся из объема v. G учетом зависимостей (1) и (2) 4i3M проводят по формукорректировкуле - (V объем коррекции V, газожидкостногопотока. Объем коррекции газожидкостного потока V, зависит от компонентного состава перекачиваемой жидкости (массовой доли легких угдеводородов С f), давления в начале трубопровода Р и перепада давления йР . С увеличением лР (при постоянньк остальных параметрах) функция V f(&P) нелинейно возрастает. Совокупность различных значений С и Р определяет совокупность кривых V f(AP). Отдельные кривые V f(uP) аппроксимируются в устройстве с достаточной для.технологических целей точностью (в рабочем диапазоне дР 0... 1,0 МПа) многочленом; второй степени V т,дР + т(йР)2, (4) и m - коэффициенты аппроксимации. Кривые V f(4P) пронумеров аны. Устройство по доле легких углеводородов С и давлению в начале трубопровода Р выбирает номер кривой, а по нему - значения коэффициентов аппроксимахщи ш и т. С учетом зависимостей (4) и (3) объем V равен т(дР)г(5) V V,, - Ч,,„ m,-uP Переходя к соответствующим расходам, получают Q Р„,„ к Q,,, (1 - т,ьР - т,лРЪ, (1 - га ДР - т-4) - коррекгде К тирующий множитель;

.31272

Q - откорректированный объемный

расходi

QHJM расход, измеренный датчиком расхода.,

Номер кривой зависимости V 5 f(uP) соответствует номеру кривой зависимости К (дР}. При умножении расхода Q на плотность потока, определенную для начала участка трубопровода (когда в потоке нет свободнего газа), получают массовый расход.

На фиг. 1 изображена блок-схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 2 - временные диаграммы работы устройства.

Устройство содержит датчик 1 расхода, датчик 2 перепада давления, датчик 3 давления, узел 4 отбора проб, блок 5 алгебраического суммирования, делитель 6 частоты, счетчик , 7 импульсов, преобразователь-синхронизатор 8, блок 9 управления, анализатор 10, интегратор 11, блок 12 соотношения, блой 13 вычисления плотности, блок 14 выбора коэффициентов, первый регистр 15, второй регистр 16, первый блок 17 умножения, сумматор 18, второй блок 19 умножения, вычислительный блок 20, задатчик 21 цены и регистратор 22.

Выход датчика 1 расхода подключен к первому входу блока 5 алгебраического суммирования, выход которого через делитель 6 частоты соединен с 35 входом счетчика 7 импульсов. Анализатор 10 подключен первым входом к выходу узла 4 отбора проб, а выходом - к входз интегратора 11, первым выходом связанного с первым входом блока 13 вычисления плотности, второй вход которого соединен с первым выходом датчика 3 давлений, а выход - с первым входом вычислительного блока 20, второй вход которого подключен к выходу задатчика 21 цены, а третий вход - к первому выходу счетчика 7 импульсов, соединенного вторым выходом с первым входом регистратора 22, второй вход которого 50 подключен к выходу вычислительного блока 20.

Преобразователь-синхронизатор 8 подключен выходом к второму входу блока 5 алгебраического суммирова- 55 ния. Блок 12 соотношения подключен первым входом к второму выходу интегратора 11, вторым входом - к ВТО

174

рому выходу датчика 3 давления и выходом - к первому входу блока 14 выбора коэффициентов, который подключен первьм и вторым выходами к первым входам первого и второго регист-i ров 15 и 16 соответственно. Первый регистр 15 подключен выходом к первому входу сумматора 18. Второй регистр 16 подключен выходом к первому входу первого блока 17 умножения, который связан первым выходом-с вторым входом сум атора 18, а вторым входом - с выходом датчика 2 перепада давления. Второй блок 19 умножения соединен первым входом с выходом датчика 2 перепада давления, а первым выходом - с первым входом преобразователя-синхронизатора 8, подключенного вторым входом к выходу датчика 1 расхода. Блок 9 управления связан первым выходом с соединенными вместе входом узла 4 отбора проб и вторым входом анализатора 10, вторым выходом - с вторым входом блока 14 выбора коэффициентов и вторыми входами первого и второго регистров 15 и 16, третьим выходом - с трет им входом первого блока 17 умножения, первым входом - с вторым выходом первого блока 17 умножения, четвертым выходом - с третьим входом сумматора 18, пятым выходом - с вторьтм входом второго блока 19 умножения, третьим входом - с вторым выходом второго блока 19 умножения, шестым выходом - с четвертым входом вычислительного блока 20, седьмым выходом - с третьим входом регистратора 22. Второй выход сумматора 18 соединен с третьим входом второго блока 19 умножения.

Устройство работает следующим образом.

При подаче на устройство напряжения питания блок 9 управления принуительно устанавливается в исходное состояние, при котором на его,первом выходе начинает формироваться первый мпульс цикла его работы, а на всех остальных выкодах имеются логические нули. Первый импзльс цикла длится течение времени 7 , величина котоого задается блоком 9 управления сходя из быстродействия узла 4 отбоа проб, анализатора 10, интегратоа 1 1 и блока 12 соотношения. По тому импульсу запускается в работу зел 4 отбора проб и анализатор 10,

$1

Проба транспортируемого продукта отбирается в начале трубопровода узлом 4 отбора проб и направляется в анализатор 10 хроматографического типа. Анализатор 10 определяет компонентны состав пробы. При разделении углеводородов пробы в хроматографической колонке анализатора 10 порядок выхода из нее, а следовательноj и порядок прохождения их через детектор анализатора 10, является строго определенным и соответствует плотностям углеводородов. Каждому компоненту, присутствующему в пробе, на выходе анализатора 10 соответствует аналоговьш сигнал напряжения в виде пика определенной амплитуды и длительности. Площадь такого пика пропорциональна количеству данного компонента в пробе.

Таким образом, на выходе анализатора 10 появляется последовательност пиков различной площади, причем первыми появляются пики, соответствующие легким углеводородам (мегану, этану, пропану), а последними - тяжелым углеводородам.;С выхода анализатора 10 последовательность пиков поступает на вход интегратора 11, преобразующего площадь каждого из них в импульсный сигнал, количество импульсов в котором пропорционально площади пика. Последовательность импульсных сигналов передается интегратором 11 в блок: 13 вычисления плотности. Кроме того, интегратор 11 подсчитывает сумму S площадей пиков легких углеводородов по формуле

(7)

S« + S, + 8„,

А М Э П

где Б„, Sj, S - площади пиков метана, этана и пропана соответственно, подсчитывает сумму площадей пиков всех компонентов пробы

S L: S,, (8)

1-1

где S - площадь пика i-ro компонента;п - количество компонентов в

пробе,

находит массовую долю легких углеводородов в пробе

(9) 55

Вычисленное значение С с второго выхода интегратора 11 передается на

176

первый вход блока 12 соотношения. Сигнал, пропорциональный текущему значению давления Р, передается на второй вход блока 13 вычисления плотности, а с второго выхода этого датчика - на второй вход блока 12 соотношения. Блок 12 соотношения в зависимости от величины доли легких углеводородов С„ в пробе и рабочего давления потока Р формирует код номера кривой зависимости корректирующего множителя К от перепада давлени ,йР (формула 6). Блок 13 вычисления плотности определяет плотность Р потока продукта на входе в трубопровод и передает ее значение в вычислительный блок 20. Первый импульс цикла работы блока 9 управления заканчивается .

Одновременно с этим на втором выходе блока 9 управления начинает формироваться второй импульс цикла. Этот импульс длится в течение времени Т , величина которого задается блоком 9 управления с учетом быстродействия блока 14 выбора коэффициентов и регистров 15 и 16. Код номера кривой зависимости К (ЛР) поступает на первый вход блока 14 выбора коэффициентов и по второму импульсу цикла, приходящему с второго выхода блока 9 управления на его второй вход, запокннается в нем. При этом старое значение кода номера кривой К f(uP) стирается. Новое значение кода номера кривой К f(,uP) шифруется в значение коэффициентов аппроксимации т и m соответственно в блоке 14 вы(3ора коэффициентов. В течение вымени tj, значения m и m перезаписываются из него в первый и второй регистры 15 и 16 соответственно. После этого второй импульс ,цикла работы блока 9 управления заканчивается.

Одновременно с этим на третьем выходе блока 9 управления начинает формироваться третий импульс цикла, который длится в течение времени Т Значение коэффициента m поступает с выхода второго регистра 16 на первый вход первого блока 17 умножения. Частотный сигнал л от датчика 2 перепада давления, пропорциональный перепаду давления ДР поступает на второй вход первого блока 17 умножения . По приходу третьего импульса цикла работы блока 9 управления на

71

третий вход первого блока 17 умножения он запускается в работу. По окончании процесса умножения на первом выходе первого блока 17 умножения формируется числовое значение произведения га дР, а на втором - короткий импульс, который поступает на первый вход блока 9 управления.

При этом третий импульс цикла работы блока 9 управления заканчивается, а на четвертом его выходе начинает формироваться четвертый импульс цикла, который длится в течение времени i . Величина коэффициента m , поступакяцая на первый вход сумматора 18, величина произведения т„йР, поступающая на второй его вход, суммируются по приходу четвертого импульса цикла на третий вход сумматора 18. По окончании процесса суммирования на первом вькоде сумматора 18 появляется короткий импульс, а на втором - числовое значение суммы (т + ШдЛР). По приходу короткого импульса с первого выхода сумматора

18на второй вход блока 9 управления заканчивается четвертый импульс цикла и на пятом выходе блока 9 управления .начинает формироваться пятый импульс цикла, который длится в течение времени

Частотньй сигнал fД, пропорциональный перепаду давления йР, поступает с выхода датчика 2 перепада давления на первый вход второго блока

19умножения. По приходу пятого импульса цикла на второй вход второго блока 19 умножения он запускается в работу и умножает числовое значение суммы (т + ), поданное на его . третий вход с-второго выхода сумматора 18, на величину перепада давления ДР. По завершении процесса умножения на первом выходе второго блока

19 умножения формируется числовое значение произведения ДР (т + т,ДР) а на втором - короткий импульс, по приходу второго на третий вход блока 9 управления заканчивается пятый импульс цикла. Числовое значение произведения йР-(т + ) поступает на первый вход преобразователя-синхронизатора 8, на второй вход которого подается импульсная последовательность N с выхода датчика 1 расхода, пропорциональная измеряемому датчиком 1 расхода объемному расходу N , .(10)

1Г78

где п - коэффициент передачи датчика

расхода.

Преобразователь-синхронизатор 8 формирует частотный сигнал R, ранный

п Р.знР(,

R N- ДР(ш, + ) (11) + т дР) .

Причем импульсы этой последовательности синхронизированы с паузами последовательности N. Импульсная последовательность N от датчика 1 расхода поступает на первый вход блока 5 алгебраического суммирования, а импульсная последовательность R - на второй его вход. При этом на выходе блока 5 формируется импульсная последовательность G, равная

N- NftF(m, + т,дР) (1 - - т,,,лР2). (12)

Импульсная последовательность G делится в делителе 6 частоты на нормирующий коэффициент S. При этом на его выходе формируется иьшульсная последовательность Н , равная

Н -| (1 - - mjuPi). (13

Импульсы последовательности Н подсчитываются счетчиком 7 импульсов с нарастающим итогом. Задавая нормирующий коэффициент S соответствующим образом, получают увеличение показаний счетчика 7 при приходе одного импульса на его вход на 0,01, 0,1 или 1,0 мз .

После того, как заканчивается пятый импульс цикла, на шестом выходе блока 9-управления начинает формироваться шестой импульс цикла, которъй длится в течение времени . Длительность задается блоком 9 управления исходя из быстродействия вычислительного блока 20. За время t осуществляется перезапись значения откорректированного объема продукта, перекачанного по трубопроводу к данному моменту времени, из счетчика, 7 в вычислительный блок 20, вычисление этим блоком приращения мае,сы перекачанного продукта, интегрирование массы продукта и определение стоимости этой массы. Шестой иь пульс цикла работы блока 9 управления заканчивается.

Одновременно с этим на седьмом выходе блока 9 управления начинает формироваться седьмой импульс цикла

91

длительностью t Величина t задается блоком 9 управления с учетом быстродействия регистратора 22. Параметры, подлежащие регистрадаи, поступают на первый и второй входы ре-гистратора 22 с второго выхода счетчика 7 и выхода вычислительного блока 20 соответственно и регистрируются им по седьмому импульсу цикла, поступающему на третий вход регистратора 22. После регистрации откорректированного объемного расхода, массы перекачанного продукта,, плотности и стоимости перекачанного продукта седьмой импульс цикла работы блока 9 управления заканчивается. Одновременно с этим на первом выходе блока 9 управления начинает формироваться первый импульс следующего цикла его работы.

Формула изобретения

1. Способ измерения массового расхода газожидкостного потока без предварительной сепарации отд 5льньгх компонентов, включающий измерение объемного расхода общего потока, давления в двух точках трубопровода и плотности, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности измерения расхода газожидкостиого углеводородного потока, на входе в трубопровод определяют компонсгнтньгй состав потока и по доле легких углеводородов и давлению в начале трубопровода устанавливают коэффициенты аппроксимации зависимости корректи. руняцего множителя от перепада давления на участке трубопровода, определяют перепад давления между входом трубопровода и местом установки расходомера, а объемный расход общего потока корректируют по соотношению

Q Ризм 1(1 - лР(т, - ),

где QHJM - измеренньш объемный расход общего потока,

т и т - коэффициенты аппроксимации зависимости корректирующего множителя от перепада давления на участке трубопровода /ftp - перепад давления м(гжду

входом трубопровода и мес

1710

том установки расходомера,

2.Способ по п, 1, отличающийся тем, что плотность потока определяют в сечении трубопровода, где давление выше давления насьпцения и газовая фаза отсутствует.

3.Устройство для измерения массового расхода газожидкостного потока, содержащее датчик расхода, подключенный через блок алгебраического суммирования и делитель частоты

к счетчику импульсов, связанному с блоком регистрации непосредственно и через вычислительный блок, подключенный через блок вычисления плотности, интегратор и анализатор к узлу отбора проб, отличающеес я тем, что, с целью повьтет я точности измерения, в него введены датчик давления, датчик перепада давления, блок соотношения, блок выбора коэффициентов, два регистра, два блока умножения, сумматор, преобразователь-синхронизатор, чоторьй подключен выходом к одному из входов блока алгебраического суммирова1шя и блок управления, блок соотношения подключен.входами к интегратору и датчику давления, подключенного к блоку вычисления плотности, и выходом - к входу блока выбора коэффициентов, подключенного выходами к первому и второму регистрам, причем первый регистр подключен к суммато-, ру, а второй регистр - к первому блоку умножения,, который подключен к сумматору и выходу датчика перепада давления, соединенного выходом с втоpbir-J блоком умножения, подключенным к первому входу преобразователясинхронизатора, соединенного вторым входом с выходом датчика расхода, при этом блок управления выходами связан с объединенными входами узла отбора проб и анализатора, с входами блока выбора коэффициентов, первого и второго регистров, первого и второго блоков умножения, сумматора, регистратора и вычислительного блока, а входами - с выходами первого и второго блоков умножения и сумматора, причем выход сумматора соединен с одним из входов второго блока умножения.

9 5wx./

1

АЛ.-Л Ю „

1L

II

JLL

11

1L ппппппппппп- 2

55б/х.

/8 . 9в.2

Эвы}(.5

19 . 96x3

9Вых.6

д5ых.7

Фиг. 2. пппппппппппп

Изобретение относится к технике измерения расхода текущих сред,имеющих двухфазную структуру потока, например сжиженных газов- и газовых конденсаторов, и предназначено для использования в информационно-измерительных системах для измерения расхода товарных и технологических потоков в газовой, нефтяной и других областях промышленности. Устройство для осуществления способа содержит датчики расхода 1, перепада давления 2 и давления 3, узел отбора проб 4, блок алгебраического суммирования 5, делитель 6, счетчик 7, преобразователь-синхронизатор 8, блок управления 9, анализатор 10, интеграто р 11, блоки соотношения 12, вычисления плотности 13, выбора коi эффициентов 14, регистры 15 и 16, блоки умножения 17 и 19, сумматор 18, вычислительный блок 20, задатчик цены 21 и регистратор 22. Блоки устройства соединены друг с другом определенным образом, что позволяет повысить точность измерения объемного и массового расхода газожидкостN5 0 ного потока углеводородов. 2 с.п. ф-лы, 1 з.п. ф-лы, 2 ил.