способ отбора проб газожидкостного потока и устройство для его осуществления. Изокинетичность потока нефти это


способ отбора проб газожидкостного потока и устройство для его осуществления - патент РФ 2091579

Использование: нефтяная промышленность, а частности отбор проб при определении газового фактора и дебита скважин. Сущность изобретения: в зоне отбора проб создают условия для критического течения основного потока, а отбор пробы ведут из этой зоны с критической скоростью течения отбираемого потока, при этом критические режимы течений создают путем установки на пути потоков калиброванных штуцеров и отбором пробы в пробоотборную трубку из зоны критического истечения основного потока. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил. Изобретение относится к нефтяной промышленности и может быть использовано при отборе частиц (пробы) газонефтяного потока, поступающего из скважины на поверхность. Отбираемая проба газонефтяного потока используется для определения величин газового фактора и дебита скважин и от степени ее представительности (идентичности основному потоку) зависит достоверность определяемых величин. Представительность пробы определяется тремя основными факторами: изокинетичностью основного потока и отбираемой пробы, гомогенностью потока в зоне отбора проб и пульсирующем режиме работы скважины, длительностью отбора части потока. Известный способ отбора проб для измерения газового фактора, включающий установку в трубопроводе трубного сопротивления с осевым каналом, перемешивания компонентов газонефтяной смеси в этом канале и отбор из него части смеси, а также устройство для осуществления этого способа, включающее трубопровод и установленный в трубопроводе штуцер, канал которого выполнен с радиальным отводом для отбора проб [1] Известные способ и устройство создают достаточно высокую гомогенность потока, но не обеспечивают изокинетичности основного и отбираемого потоков. Известный способ отбора проб газонефтяного потока, предусматривающий установку на пути потока многоканального (многоструйного) трубного сопротивления и отвод в мерник одной из струй, а также устройство для осуществления этого способа, содержащее установленное в трубопроводе трубное сопротивление с каналами одинакового диаметра, один из которых сообщается с обводной пробоотборной трубкой [2] Недостатками известного способа и устройства являются невозможность отбора достаточно представительной (идентичной основному потоку) пробы, так как в различных каналах потоки газожидкостной смеси неоднородны по количественному соотношению газа и жидкости, а также то, что не выдерживается принцип изокинетичности потоков из-за различных градиентов давления в каналах. Наиболее близким к изобретению является способ отбора части газожидкостного потока, включающий создание гомогенной среды путем интенсивного перемешивания основного потока и отбора проб при изокинетическом режиме течения основного и отбираемого потоков. Устройство для осуществления этого известного способа содержит корпус с размещенным в нем изокинетическим зондом и турбулизатор потока в виде коаксиально установленного в корпусе патрубка с турбулизирующей решеткой [3] Техническими недостатками известного способа и устройства являются недостаточная гомогенизация газожидкостной среды и сложность в обеспечении изокинетического режима течения потоков, так его нужно постоянно контролировать и поддерживать. Техническая задача изобретения создание способа отбора проб газожидкостного потока и устройства для его осуществления, которые позволяют повысить представительность отбираемой части газожидкостного потока, обеспечить высокую степень гомогенизации газожидкостной смеси в зоне отбора проб и стабилизировать изокинетический режим течения основного и отбираемого потоков. Задача решается тем, что при отборе проб газожидкостного потока, включающем создание гомогенной среды в зоне отбора и изокинетического режима течения основного и отбираемого потоков, создают зону критического течения основного газожидкостного потока и отбор пробы ведут из этой зоны с критической скоростью течения отбираемого потока, при этом критические режимы течений потоков создают путем установки на их пути штуцеров, на входе и выходе которых поддерживают давления, соотношения которых не меньше 1,6. Сущность изобретения заключается также в том, что в устройстве для осуществления этого способа, содержащем полый корпус с каналами для входа и выхода газожидкостного потока и размещенную в полости корпуса пробоотборную трубку, в корпусе и на входе пробоотборную трубку установлены докритические штуцеры, при этом их проходные сечения заданы так, что обеспечивают установление критических режимов течения газожидкостных потоков, а пробоотборная трубка размещена так, что вход в нее (в установленный в нем штуцер) находится в зоне критического истечения основного газожидкостного потока. Для быстрой настройки устройства на любые расходы по жидкости и газу штуцеры могут быть выполнены сменными, а при работе в скважинах, оборудованных штанговыми насосами, перед штуцером в корпусе устройства и в пробоотборной трубке необходимо установить обратные клапаны. На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа; на фиг. 2 - устройство, смонтированное в скважинной арматуре; на фиг. 3 графики замеров дебита и газосодержания; на фиг. 4 график замера дебита при различном расстоянии точки отбора проб от зоны критического течения потока. Предлагаемый способ основан на законах движения газожидкостной системы в поле сил, вызванных перепадом давления на сужающих устройствах соплах. На докритических соплах, какими являются используемые на нефтегазопромыслах штуцеры, скорость потока на выходе из сопла меньше либо равна критической, равной скорости звука при данном давлении и температуре. Если при заданном перепаде давления скорость потока на выходе сопла достигает критической скорости, то дальнейшее увеличение давления на входе не приводит к изменению скорости. При этом наступает так называемый кризис течения. Как показывают расчеты и опытно-промышленные испытания устройство, критическая скорость на выходе штуцера достигается при условиях, когда отношение давления на входе штуцера к давлению на его выходе равно или больше 1,6. Факт достижения потоком критической скорости легко проверяется на практике путем изменения давления на входе или выходе штуцера соответственно центральной или коллекторной задвижкой. Если при изменении давления расход (дебит скважины) не меняется, то на штуцере установилось критическое истечение газожидкостной системы. Поместив в область критического истечения газожидкостной системы пробоотборную трубку (зонд) с докритическим соплом-штуцером, можно отсечь часть потока, который в штуцере будет двигаться также с критической скоростью, то есть в изокинетическом режиме с основным потоком. При этом доля отбираемой части потока, которая определяется отношением площадей, проходных сечений штуцеров может меняться в широких пределах (0,5-10-3) путем изменения диаметра штуцера в пробоотборной трубке, обеспечивая тем самым требуемое время измерения и требуемый объем замеряемой жидкости. Требование гомогенности среды в точке отбора, как известно, удовлетворяется при критическом истечении газожидкостной системы. Способ реализуется устройством, обеспечивающим прохождение всей продукции скважины через калиброванное трубное сопротивление (штуцер) и содержащим пробоотборный зонд с запорным вентилем и съемным штуцером с заостренным концом, который на входном участке имеет калиброванный канал малого диаметра, а на выходном участке канал большого диаметра, равный или близкий по диаметру каналу в пробоотборном зонде. Устройство (фиг.1) для отбора проб содержит корпус 1, на входе в который установлен сменный штуцер 2, канал 3, в котором является каналом для входа газонефтяного потока в полость корпуса. Штуцер 2 подбирают исходя из условия установления в нем критического режима течения газожидкостной смеси. В полости корпуса 1 соосно штуцеру 2 установлена пробоотборная трубка (зонд) 4 с запорным вентилем 5, через который она может быть подсоединена к мерному сепаратору и газовому счетчику. На входе в пробоотборную трубку 4 установлен штуцер 6, который также, как и штуцер 2 обеспечивает критический режим течения смеси. Расположение торцов штуцеров 2 и 6 в одной плоскости гарантирует установку входа трубки 4 в зону критического течения потока в штуцере 2. В корпус 1 трубка 4 вводится через уплотнительное резьбовое соединение 7, что обеспечивает возможность корректировки положения штуцера 6 относительно штуцера 2. Для выхода газонефтяного потока из полости корпуса 1 служат радиальные каналы (отверстия) 8. Устройство с критически штуцером устанавливают в выкидную линию 9 скважины через уплотнение 10 и фиксируют резьбовым соединением 11. Устройство может быть смонтировано непосредственно в скважинной арматуре (фиг. 2). В этом случае в качестве корпуса 1 используется арматура скважины. Для удобства монтажа пробоотборная трубка помещена в перфорированный патрубок 12, соединяющий штуцер 2 с фланцем 13. Как правило, на большинстве эксплуатационных скважин уже стоят рабочие штуцеры, определяющие режим их работы. Рабочие штуцеры установлены по схеме, аналогичной показанной на фиг.1, но в заглушенном с торца корпусе. Для ввода трубки 4 в торце корпуса 1 делают отверстие, которое в период эксплуатации скважины может быть закрыто пробкой. Для оценки режима течения газонефтяной смеси замеряют буферное давление (на входе в штуцер) и линейное (на выходе из штуцера). Если отношение замеренных давлений выше 1,6, то рабочий штуцер обеспечивает критическое течение потока, а отбор представительной пробы может производиться на всех штуцерах с диаметром, равным ему или меньше. Если отношение давлений меньше 1,6, то следует установить штуцер меньшего диаметра и добиться необходимого соотношения давлений. Надежность выхода на критический режим проверяется путем регулирования линейного давления линейной задвижкой. Если рост линейного давления в пределах 0,2 0,4 МПа не ведет к изменению замеряемого дебита, то режим течения является критическим. Способ можно реализовать следующим образом. При открытии запорных задвижек арматуры скважины газонефтяной поток поступает в штуцер 2, на выходе из которого устанавливают критическую скорость истечения, что обеспечивает гомогенность газонефтяной смеси. При открытии вентиля 5 на штуцере 6 обеспечивается критический перепад давления и устанавливается изокинетический режим течения отбираемой части (пробы) газонефтяного потока. Поскольку изокинетический режим течения при таком способе отбора проб практически является саморегулирующимся, то высокая степень представительности проб гарантируется. Отбираемая часть газонефтяного потока используется для получения данных по газосодержанию продукции и дебиту скважины. При подключении трубки 4 к мерному сепаратору газосодержание определяют по отношению объема газа, прошедшего через газовый счетчик, к объему жидкости в сепараторе. Дебит скважины по жидкости рассчитывают путем умножения объема жидкости, поступившей в мерник в единицу времени, на отношение площади проходного сечения штуцера, установленного в корпусе устройства для отбора проб, к площади проходного сечения штуцера, установленного в пробоотборном патрубке. Конструкция устройства позволяет для скважин, значительно отличающихся по дебиту и газосодержанию, подбирать для пробоотборной трубки штуцер с диаметром входного канала, обеспечивающим представительный отбор части продукции скважины за заданный промежуток времени при заданных объеме мерника и рабочих характеристиках газового счетчика. Все упомянутое (в совокупности) обеспечивает упрощение способа получения гомогенной среды в точке отбора и изокинетического режима отбора части потока, повышает представительность отбираемой газожидкостной системы и надежность замеров газосодержания и дебита скважин, а также расширяет диапазон замеряемых дебитов и газосодержаний. На графиках (фиг.3) представлены результаты опытно-промышленных испытаний способа и устройства. Кривая "А" замера дебита скважины построена по результатам, полученным на скважине 1117 Тагринского месторождения, которая на штуцере 6 мм работала с дебитом по нефти 38 м3/сут. Давление на устье скважины составляло 55 ати, в коллекторной линии 9 ати. Давление на выходе штуцера меняли коллекторной задвижкой до 50 ати. Результаты замера дебита и газосодержания (кривая "В") устройством оставались практически постоянными при изменении давления на выходе штуцера от 9 ати до 33 ати, что указывает на критический режим течения газожидкостной смеси на выходе штуцера. При дальнейшем росте давления (при соотношении давлений меньше 1,6) режим истечения стал докритическим и результаты замера газосодержания и дебита стали зависеть от давления, что указывает на нарушение условий гомогенности системы и изокинетического режима потоков в штуцере и жиклере. Кривая "Б" (фиг.4) построена по результатам замеров дебита скважины при различном положении точки отбора относительно выходного сечения штуцера 2. При этом давление на входе штуцера составляло 55 ати, на выходе 9 ати, т.е. в условиях критического истечения газожидкостной смеси. На фиг. 4 показано, что при удалении точки отбора от выходного сечения штуцера более чем на 2,0 мм полученный устройством дебит падает в связи с резким падением плотности среды и скорости потока, т.е. из-за нарушения условия изокинетичности режимов течения основного и отбираемого потоков и его гомогенности. Таким образом, необходимыми условиями достоверности результатов замера являются критический режим истечения системы из штуцера и отбор части потока в зоне критического течения. Известно, что на выходе докритического прямолинейного сопла в так называемой мертвой зоне, а также на поверхности пробоотборного устройства, стоящего в потоке, возникают вихревые течения. С целью исключения влияния краевых эффектов на результаты замеров штуцеров должен иметь острые кромки с плавно меняющимся профилем и устанавливаться по центральной оси штуцера 2, что достигается установкой центратора 14. При больших перепадах давления на устье скважины и в коллекторной линии возможно смятие перфорированного патрубка 12 (фиг. 2), в связи с чем он может быть усилен ребрами жесткости. Устройство позволяет отбирать представительную часть потока и замерять дебит фонтанных и газлифтных скважин, а также скважин, оснащенных электроцентробежными насосами. На скважинах со штанговыми насосами перепад давления на штуцере меняется в широком диапазоне в каждом цикле, при этом часть времени перепад давления на штуцере может оказаться меньше критического, что не позволяет получать корректные результаты замера дебита и газосодержания продукции. Для обеспечения замеров в критическом режиме течения основной и отбираемой части потока в коллекторной линии перед штуцером и в пробоотборной трубке устанавливаются обратные клапаны, запирающие потоки при перепаде давления меньше критического.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ отбора проб газожидкостного потока, включающий создание гомогенной среды в зоне отбора проб и изокинетического режима течения основного и отбираемого потоков, отличающийся тем, что создают зону критического течения основного газожидкостного потока и отбор пробы ведут из этой зоны с критической скоростью течения отбираемого потока, при этом критические режимы течений основного и отбираемого потоков создают путем установки на пути потоков штуцеров. 2. Устройство для отбора проб газожидкостного потока, содержащее полый корпус с каналами для входа и выхода потока и размещенную в полости корпуса пробоотборную трубку, отличающееся тем, что в корпусе и на входе в пробоотборную трубку установлены штуцеры, при этом проходные сечения штуцеров заданы так, что обеспечивают установление критических режимов течения газожидкостных потоков, а пробоотборная трубка размещена так, что вход в нее находится в зоне критического истечения основного газожидкостного потока. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что оно снабжено обратными клапанами, установленными в корпусе перед штуцером и в пробоотборной трубке. 4. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что штуцеры выполнены сменными.

www.freepatent.ru

2.3.1. Условие изокиненичности

При отборе проб воздуха из организованных источников на содержание аэрозольных частиц (пыли) необходимым условием является соблюдение условия изокинетичности, т.е. равенства скоростей газовоздушного потока в измеряемом сечении и в наконечнике проботборного устройства. Изокинетический режим пробоотбора обеспечивает представительность отобранной пробы по дисперсному составу.

Запыленность воздуха (Z, г/м3) определяется по формуле:

Z =m/(Vн · ), (2.31)

где m – привес пыли в фильтрующем устройстве, г; Vн – объемный расход воздуха через проботборное устройство, приведенный к нормальным условиям, м3/мин;  – время отбора пробы, мин.

Задача 2.11. Определить скорость аспирации при отборе пробы воздуха на содержание аэрозольных частиц. Скорость в газоходе, из которого отбирается проба, составляет υг, м/с. Диапазон, в котором возможно регулировать производительность аспиратора, G, л/мин. В наличии имеется комплект наконечников пробоотборных трубок с диаметрами d, мм. Рассчитать запыленность воздуха для установленной скорости аспирации, если привес пыли в фильтрующем устройстве составил 0,05 г, время аспирации – 10 мин, температура газового потока в газоходе – t, оС, избыточное давление (разрежение) ∆Р, Па а атмосферное давление – Ра, кПа. Исходные данные для решения задачи приведены в таблице 2.29.

Таблица 2.29

Исходные данные и варианты задачи

Показатель

Вариант

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

υг, м/с

22

10

3

25

12

2,5

6,5

9

4

5,5

Gmin, л/мин

5

3

5

5

1

5

5

10

5

10

Gmax, л/мин

20

15

30

25

10

20

15

25

20

30

d1, мм

4

5

4

4

4

5

4

4

4

5

d2, мм

5

6

5

6

5

6

5

6

5

6

d3, мм

6

8

8

8

6

8

8

8

6

8

∆Р, Па

-200

+50

+180

+100

-300

-210

+230

+50

+110

-140

Ра,кПа

100,2

99,3

98,9

99,7

100

100,5

98,9

98,3

99,5

99,1

t,оС

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

studfiles.net

Способ и устройство для измерения расходов фаз газожидкостного потока в трубопроводе с последующим измерением расходов, составляющих компонент жидкой фазы

Изобретение может быть использовано для измерения расхода газа, конденсата и его составляющих и воды в газовой и нефтедобывающей промышленности. С помощью щелевого отборника в виде креста, установленного навстречу потоку, отбирают представительную пробу. Отобранная проба поступает в измерительный участок, соединенный с эжектором, создающим разрежение для компенсации гидравлических потерь отборника и измерительного участка. Изокинетический отбор пробы устанавливают краном, выполненным с возможностью регулирования гидравлического сопротивления измерительного участка. Отобранная проба с помощью сепараторов разделяется на жидкую и газовую фазы. Расход отобранной жидкой фазы измеряют с помощью тензометрических весов, а расход отобранной газовой фазы - с помощью мерной шайбы. После отстоя жидкой фазы измеряют объемы, занимаемые ее компонентами, с помощью соединенной с мерной емкостью прозрачной градуированной трубки или с помощью емкостных датчиков. По расходам фаз в пробе при известной площади входа в отборник и площади сечения трубопровода определяют расходы этих фаз в трубопроводе. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения расходов всех фаз в газожидкостном потоке как в ручном, так и автоматическом режимах, без нарушения технологического процесса. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода газа, конденсата и его составляющих, и воды в газовой и нефтедобывающей промышленности при добыче газа и подготовке его к транспортировке. Изобретение также может быть использовано в других отраслях промышленности, в которых осуществляется работа с многофазными потоками.

Ближайшим аналогом предлагаемому изобретению является изобретение US № 212990 A, G01F 1/74 «Способ и приспособление для определения расходов компонентов жидкостей буровых скважин» [1] имеет ряд существенных недостатков.

Отвод газожидкостной пробы путем отбора ее через отверстие перпендикулярно потоку в основном трубопроводе невозможно осуществить так чтобы проба была представительной. Возмущения, создаваемые отверстием для отбора пробы, приведут к искривлению линий тока, и линии тока газа и жидкости не совпадут между собой. Газа из потока будет отбираться больше, т.е. не пропорционально той доле, которая существует, в основном потоке жидкости будет отбираться меньше, т.к. искривления линий тока жидкости будут меньшими, чем у газа. В месте соединения основного трубопровода и расходной трубки для отбора пробы будут образовываться вихри, которые сузят проходное сечение, что также будет способствовать уменьшению расхода отбираемой пробы. Место соединения основного трубопровода и расходной трубки для отбора пробы обладает большим гидравлическим сопротивлением, возмущения, создаваемые им будут распространяться как вверх, так и вниз по потоку в основном трубопроводе и частично разрушать нефтеводяную эмульсию. Образовавшиеся при этом капли жидкости в силу своей инерционности частично пройдут мимо отверстия для отбора пробы.

Фиксированное положение входных отверстий трубок для отбора газа и жидкости из сепаратора не дает гарантии, что в них будет попадать именно та компонента, на которую она рассчитана.

В патенте [1] не приводятся диапазоны изменения концентраций жидкости и газа, при которых предлагаемое устройство работоспособно. Вместе с тем, можно предположить, что способ и устройство применимы только для малых концентраций газовой фазы, в противном случае невозможно создать нефтеводяную эмульсию.

Предлагаемые способ и устройство [1] не снимают вопроса о замене всех емкостей, подлежащих сертификации.

В рассматриваем патенте [1] не описано, как разделятся компоненты воды и нефти, входящие в жидкую фазу. Обходится молчанием, как работают входящие в предлагаемом устройстве другие агрегаты, например, это касается массового расходомера.

Автор изобретения [1] сам утверждает, что пред

лагаемый им способ и устройство рассчитаны на измерения двух компонент жидкой фазы, а, именно воды и нефти.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения расходов всех фаз, входящих в газожидкостной поток, уменьшение габаритов устройства измерения, проведение измерений без нарушения технологического процесса, возможностью работать как в автоматическом, так и в ручном режиме. При этом устраняются те недостатки, которые рассмотрены в изобретении-аналоге [1].

Поставленная цель достигается следующим образом. Через установленный в трубопроводе навстречу потоку щелевой отборник изокинетически, без создания противодавления и при сохранении скорости потока во входном участке, отбирается представительная газожидкостная проба. Представительность пробы достигается за счет формы щелевого отборника. Наиболее приемлемой представляется форма щелевого отборника, выполненная в виде креста. При такой форме щелевого отборника будут наиболее полно учитываться как неравномерность ядра потока, так и неравномерность расходов жидкой пленки на стенках трубопровода. Вместе с тем допускаются и другие формы щелевых отборников. Изокинетичность отбора газожидкостной пробы достигается за счет соединения магистрали отборника с эжектором, создающим разряжение на выходе из магистрали отбора и установкой специального крана, регулирующего сопротивление магистрали отборника газожидкостной пробы. Эжектор устанавливается в самом трубопроводе, в котором производятся измерения. Расход отбираемой газожидкостной пробы достаточно мал по сравнению с расходом газожидкостного потока в трубопроводе, и всегда можно будет создать необходимое разрежение. Так при ширине щелевого отборника, выполненного в виде креста, и имеющего ширину щели, равную 4 мм, в трубопроводе диаметром 100 мм будет отбираться 10% расхода потока. Можно на выходе из магистрали отборника установить эксгаустер, который также создаст необходимое разрежение.

Отобранная газожидкостная проба разделяется в сепараторе на жидкую и газовую фазы. Расход газовой фазы предлагается измерять с помощью предварительно протарированной мерной шайбы (сопла Вентури). Расход жидкой фазы предлагается измерять с помощью тензометрических весов, на которых устанавливается специальная мерная емкость. Определив расходы отобранной газовой фазы - mgom, и жидкой фазы - mfom, при известных площадях входа отборника - Som и сечения трубопровода - Sm, расход газовой фазы - mg, и расход жидкой фазы - mf в трубопроводе находятся как . Соотношение расходов составляющих компонент жидкой фазы, в том числе и воды, определяются после отстоя отобранной жидкости в мерной емкости. Для этого на ней устанавливается прозрачная градуированная трубка, которая используется при ручной обработке измерений, и устанавливаются емкостные или иные датчики, позволяющие определить поверхности раздела воды и составляющих компонент конденсата, а также их плотности при автоматической обработке измерений.

Емкостные датчики установлены последовательно друг за другом, их положение известно в управляюще-измерительном блоке 24. При построении зависимости плотности жидкости по высоте измерительной емкости кривая, описывающая эту зависимость, будет иметь точки перегиба, которые и будут являться границами жидкости с различными плотностями. По этим границам определяется объем, занимаемый какой-либо составляющей отобранной компоненты жидкой фазы.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа определения расходов составляющих фаз газожидкостного потока в трубопроводе. Щелевой отборник 2, выполненный в виде креста (см. вид А), устанавливается между подводящим трубопроводом 1 и проставкой 3, за которой установлен эжектор 4, соединенный с продолжением трубопровода 5. С целью предотвращения ударного входа потока в щелевой отборник задняя стенка каждой щели отборника 2 гладко спрофилирована.

Вход в щелевой отборник 2 и выход из трубопровода 1 соединены с датчиками давления 6 и 7, показания которых дублируются манометрами 8 и 9. Сигналы с датчиков давления поступают на управляюще-измерительный блок 24, который одновременно совмещает функцию управления системой измерения и функцию вычисления при определении измеряемых параметров, и, в принципе, представляет собой компьютер с заданной программой действий. Сборный коллектор 34 отборника 2 соединен с измерительной магистралью, выходы которой через краны 32 и 33 соединены с эжектором 4. На входе в измерительную магистраль установлен кран 10, регулирующий гидравлическое сопротивление всей магистрали отбора газожидкостной пробы, которым можно управлять как с управляюще-измерительного блока 24, так и вручную. С помощью регулирующего крана 10 устанавливается давление в манометре 8 (датчике 6) такое же, как в манометре 9 (датчике 7), и этим достигается изокинетичность отбора газожидкостной пробы. За регулирующим краном 10 установлены сепараторы 11 и 12 типа гидроциклонов или иного типа. При малых концентрациях жидкости в потоке работает один сепаратор 11, при этом кран 14, установленный в магистрали отбора пробы, открыт, а кран 13, подводящий отобранную газожидкостную смесь к сепаратору 12, и кран 23 закрыты. При больших концентрациях жидкости кран 14 закрыт, а краны 13 и 23 открыты, и отобранная газожидкостная смесь дополнительно проходит через сепаратор 12.

Магистрали выхода для жидкости обоих сепараторов соединены, и за этим соединением установлена мерная емкость 26, соединенная с магистралью отбора жидкости и ее слива двумя гибкими шлангами 25 и 31, и установленная на тензометрических весах 30, сигнал с которых подается на управляюще-измерительный блок 24. Для измерения расхода жидкости вручную мерная емкость 26 соединяется с прозрачной градуированной трубкой 27. На выходе из мерной емкости 26 устанавливаются два крана 28 и 32. Кран 28 служит для дренажа мерной емкости и для ее тарировки, а кран 32 установлен на магистрали, соединяющей мерную емкость 26 с эжектором 4.

На мерной емкости 26, устанавливаются емкостные датчики 29, позволяющие определить после отстоя жидкой фазы границы раздела ее компонент и их плотности, а следовательно, соотношение расходов компонент жидкости. Емкостные датчики установлены последовательно друг за другом, их положение известно в управляюще-измерительном блоке 24. При построении зависимости плотности жидкости по высоте измерительной емкости, кривая, описывающая эту зависимость, будет иметь точки перегиба, которые и будут являться границами жидкости с различными плотностями. По этим границам определяется объем, занимаемый какой-либо составляющей отобранной компоненты жидкой фазы.

Сигнал с этих предварительно протарированных датчиков подается на управляюще-измерительный блок 24. В ручном режиме работы соотношение расходов компонент жидкости определяется визуально с помощью прозрачной градуированной трубки 27 при освещении ее монохроматическим светом под некоторым небольшим углом к ней. Вследствие различных углов преломления на границах раздела различных компонент жидкости, в том числе воды, эти границы должны четко проявиться.

На магистрали выхода газа из сепараторов устанавливается предварительно протарированная мерная шайба 15. Для измерения температуры газа перед мерной шайбой 15 устанавливается датчик температуры 16, сигнал с которого подается на управляюще-измерительный блок 24, а также на милливольтметр 17. Перед мерной шайбой измеряется также давление газа с помощью датчика давления 18, сигнал с которого поступает на управляюще-измерительный блок 24 и на милливольтметр 20. Измерение давления газа перед мерной шайбой дублируются с помощью манометра 19. Для измерения перепада давления на мерной шайбе устанавливается датчик 21, сигнал с которого поступает как на управляюще-измерительный блок 24, так и на милливольтметр 22.

Все упомянутые датчики и милливольтметры подбираются исходя из значения параметров измеряемого газожидкостного потока, соответственно, параметров отобранной пробы и необходимой точности измерения.

Работа по измерению расходов двухфазного многокомпонентного потока в трубопроводе с помощью щелевого отборника осуществляется следующим образом. Открываются краны 10 и 33 и закрывается кран 32, и с помощью программы, заложенной в компьютер управляющего измерительного блока, по сигналам с датчиков давления 6 и 7, устанавливается такое положение крана 10, чтобы давление в сечении трубопровода 1, в котором происходят измерения, и на входе в щелевой отборник 2, были одинаковыми или достаточно близкими друг к другу. При управлении краном 10 вручную равенство давлений на выходе из трубопровода и на входе в щелевой отборник можно обеспечить по показаниям манометров 8 и 9. Точки замера давления на входе в щелевой отборник 2 желательно иметь в каждой из его четырех щелей, тогда датчик давления 6 или манометр 8 покажут в случае неравномерности давления его среднее значение.

Изокинетически отобранная проба после регулирующего крана 10 поступает в сепаратор 11, в котором газовая фаза отделяется от жидкой фазы. В случае работы одного сепаратора 11 кран 14 открыт, а краны 13 и 23 закрыты. Закрытие и открытие всех кранов, приведенных на чертеже, осуществляется либо автоматически по сигналу с управляюще-измерительного блока 24 (на схеме линии подсоединения приводов всех кранов к управляющему блоку не показаны), либо вручную. Необходимость подключения второго сепаратора определяется эмпирически, т.е. производится измерение с одним сепаратором и с двумя, и если при этом результаты измерения расходов как жидкой фазы, так и газовой фазы не отличаются, то оставляют работать один сепаратор 11. При работе с двумя сепараторами кран 14 закрывается, а краны 13 и 23 открывается.

Отделенная от газа жидкость, как показано на схеме, поступает в мерную емкость 26, установленную на тензометрических весах 30, по сигналу с которых по специальной программе, заложенной в управляюще-измерительном блоке 24, определяется ее расход - mfom в промежутке времени - τиз. За это же время с помощью поплавкового датчика измеряется объем емкости, занятый жидкой фазой - Vfom.

При проведении измерений в ручном режиме с помощью градуированной трубки 27 определяется объем мерной емкости - Vfom, заполненный жидкостью за промежуток измерения - τиз.

После прохождения через сепараторы отделенная газовая фаза поступает на мерную шайбу 15. На входе в мерную шайбу измеряются температура газа, его давление и перепад давления на шайбе с помощью, соответственно, датчиков 16, 18 и 21. При автоматической работе системы измерения сигналы с этих датчиков поступают в управляюще-измерительный блок 24, в котором по специальной программе с заложенными в ней тарировками датчиков определяется расход газа в отобранной пробе - mgom. При определении расхода газовой фазы вручную все перечисленные выше параметры снимаются с милливольтметров 17, 20 и 22, и расход газа определяется по проведенным ранее тарировкам.

После определения расходов жидкости и газа в отобранной пробе определяются расходы жидкости и газа в трубопроводе по формулам (1) и (2).

Для определения расходов отдельных составляющих компонент жидкой фазы закрываются краны 10, 32 и 33, и дается некоторое время для отстоя отобранной жидкости с целью установления межфазных границ.

При автоматическом определении соотношения составляющих компонент жидкости в результате обработки показаний емкостных датчиков определяются объем мерной емкости, заполненный жидкостью после ее отстоя - Vfomc, и объемы и плотности составляющих компонент отобранной жидкости, соответственно, и ρk, где k изменяется от единицы до n, а n, в свою очередь, число компонент жидкой фазы. Объем жидкости после ее отстоя, а также объемы отдельных ее составляющих, будут несколько больше тех, которые были по окончании изокинетического отбора, т.к. часть жидкости сольется в мерную емкость из проводящих трубопроводов за время выхода из изокинетического режима отбора пробы и закрытие кранов. Тогда при ранее определенном суммарном расходе жидкости в трубопроводе - mf, расход i-той составляющей в трубопроводе определятся по формуле

В режиме визуального определения расхода отдельных компонент жидкой фазы без проведения взвешивания мерной емкости предварительно должен быть найден химический состав жидкой фазы. Тогда при известных температуре и давлении смеси жидкости будут известны и плотности ее составляющих компонент - ρk. Температуру отобранной жидкой пробы можно принять равной температуре газа, определенной на предыдущем этапе, или поставить термопару в мерную емкость 26. Давление в мерной емкости 26 можно определить по показаниям щитового милливольтметра 20 или по показаниям манометра 19 при открытом кране 14. С помощью градуированной трубки 27 измеряется объем мерной емкости, занятый каждой i-ой фазой жидкости - и полный объем мерной емкости, занятый жидкостью - Vfomc.

Тогда при известном объеме - Vfom, найденном за время измерения - τиз, на этапе изокинетического отбора пробы, расход каждой компоненты жидкости в трубопроводе - , рассчитывается по следующей формуле:

Суммарный расход жидкости в трубопроводе определится как

Способ определения суммарного расхода жидкой фазы путем взвешивания ее на тензометрических весах за время изокинетического режима отбора пробы является более точным, чем по формуле (5), т.к. в первом случае измерение производится с помощью достаточно точных тензометрических весов, а во втором случае с помощью емкостных датчиков, измерение с помощью которых менее точно из-за расплывчатости границ между составляющими компонентами жидкой фазы. Следует также учесть тот фактор, что при сложении расходов отдельных составляющих компонент жидкой фазы складываются и погрешности в их измерении. Вмести с тем формулу (5) следует оставить для контроля измерения расходов отдельных компонент жидкой фазы.

Предлагаемые авторами «Способ и устройство для измерения расходов фаз газожидкостного потока в трубопроводе с последующим измерением расходов составляющих компонент жидкой фазы» могут быть использованы во всей области изменения концентраций жидкой фазы, практически, до ее значений, близких к нулю. При использовании предлагаемых способа и устройства для их реализации не требуется емкостей, подлежащих сертификации.

1. Способ покомпонентного измерения расхода фаз многофазного потока в трубопроводе, отличающийся тем, что с помощью установленного в трубопроводе отборника из потока изокинетически, без изменения скоростей всех входящих в него фаз, отбирают представительную пробу, разделяют ее на жидкую и газовую фазы, определяют их расходы, и по этим расходам находят расходы газовой и жидкой фазы в целом в трубопроводе по формулам

где mgom - расход отобранной газовой фазы,

mfom - расход отобранной жидкой фазы,

mg - расход газа в трубопроводе,

mf - расход жидкости трубопроводе,

Som - площадь входа отборника пробы,

Sm - площадь радиального сечения трубопровода;

после отстоя жидкой фазы отобранной пробы определяют границы и объемы компонентов жидкой фазы в отобранной пробе путем измерения плотностей компонентов и границ между ними с помощью емкостных датчиков, и вычисляют расходы компонентов жидкой фазы в трубопроводе по формуле

где - расход i-й компоненты жидкости в трубопроводе,

ρi, ρk - плотности i-й и k-й компонент отобранной жидкой фазы,

и - измеренные объемы i-ой и k-й компонент отобранной жидкой фазы после ее отстоя,

n - число компонент жидкой фазы.

2. Устройство для покомпонентного измерения расхода фаз многофазного потока в трубопроводе, отличающееся тем, что включает в себя щелевой отборник, установленный в трубопроводе навстречу потоку и выполненный в виде креста для обеспечения представительности отобранной пробы, и измерительный участок, соединенный с выходным коллектором щелевого отборника, состоящий из двух последовательно установленных сепараторов для отделения жидкой фазы от газовой с предусмотренной возможностью работы одного сепаратора при малых концентрациях жидкости в потоке, мерной емкости, установленной на тензометрических весах, позволяющих определять расход жидкой фазы в режиме изокинетического отбора пробы, и сообщенной с прозрачной градуированной трубкой, предназначенной для тарировки мерной емкости, и оснащенной емкостными датчиками для измерения плотности отдельных компонентов жидкой фазы отобранной пробы и границы между ними, а также мерной шайбы для измерения расхода газовой фазы, при этом выходные магистрали для жидкости и газа измерительного участка соединены через краны с эжектором, создающим разрежение и компенсирующим гидравлические потери измерительного участка, а на входе в измерительный участок установлен кран, выполненный с возможностью регулирования гидравлического сопротивления измерительного участка и выхода на изокинетический режим отбора пробы.

www.findpatent.ru


Смотрите также