RU2002100228A - Способ измерения покомпонентного расхода многокомпонентного газожидкостнотвердотельного потока и устройство для его осуществления - Google Patents

Claims (13)

1. Способ измерения покомпонентного расхода многокомпонентных газожидкостных, газожидкостнотвердотельных или жидкостнотвердотельных смесей, проходящих по трубопроводу, включающий измерение общего расхода смеси, определение относительного содержания компонентов с использованием зависимости резонансной частоты объемного высокочастотного или сверхвысокочастотного резонатора от диэлектрической проницаемости пропускаемой через него измеряемой смеси компонентов, вычисление расхода каждого из компонентов в соответствии с их относительным содержанием и обработку полученных результатов, отличающийся тем, что для определения относительного содержания нескольких компонентов с помощью только одного объемного резонатора в зависимости от количества компонентов измеряют помимо его первой резонансной частоты также вторую и более высокие резонансные частоты и амплитуды выходного сигнала на этих резонансных частотах и измеряют или стабилизируют амплитуду входного сигнала, выводят теоретические или подбирают под эксперимент аналитические зависимости указанных резонансных частот и амплитуд сигналов от относительного содержания компонентов и их диэлектрических проницаемостей и используют эти зависимости для определения относительного содержания и расхода каждого из компонентов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения относительного содержания трех компонентов измеряют одну резонансную частоту f_рез и амплитуду сигнала на ней, вычисляют коэффициент передачи К_рез как отношение амплитуд выходного и входного сигналов и определяют относительное содержание компонентов по формулам, например, для воды V_w, для нефти V_о, для газа V_g

V_w=V_w1+ksin(2πV_w1),

V_o=V_o1-ksin(2πV_w1),

или

g=1-V_w-V_o=1-V_w1-V_o1,

где показатели преломления воды, нефти и газа n_w, n_о и n_g а также показатель поглощения воды κ_w известны из результатов периодических лабораторных анализов проб и по мере необходимости корректируются в программе электронного блока изделия;

коэффициенты k, k₁, k_a, k_n, kω, k_о, k_g, k_s, k_f, k_обм, r, r₁, r₂, r₃, r_k, r_b, rω, l₂, l_f, l_σ, l_wf, d₁, d₂ зависят от конкретной конструкции зондирующего блока и подбираются часть при разработке и часть при заводской калибровке.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения относительного содержания трех компонентов измеряют две резонансные частоты f_рез1 и f_рез2 и определяют относительное содержание компонентов по формулам, например, для воды V_w, для нефти V_o, для газа V_g

V_w=V_w1+ksin(2πV_w1);

V_o=V_o1-ksin(2πV_w1);

или

V_g=1-V_w-V_o=1-V_w1-V_o1,

где показатели преломления воды для двух частот n_w1 и n_w2, а также для нефти и газа n_о и n_g известны из результатов периодических лабораторных анализов проб и по мере необходимости корректируются в программе электронного блока изделия,

коэффициенты k, k₁, k_a, k_n, kω, k_о, k_g, k_s, k_f, k_обм, r, r₁, r₂, r₃, r_k, r_b, rω, l₂, l_f, l_σ, l_wf, d₁, d₂ зависят от конкретной конструкции зондирующего блока и подбираются часть при разработке и часть при заводской калибровке.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для устранения влияния на точность определения относительного содержания и расхода газовой фазы зависимости ее диэлектрической проницаемости от давления и температуры учитывают в алгоритме компьютера изделия эту известную зависимость, выраженную, например, формулой

(ε'_g-1)_P,T=(ε'_g-1)₀P/P₀·T₀/T,

где ε $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{,}}{\text{g}}$ - вещественная диэлектрическая постоянная газа при давлении Р и температуре Т и, соответственно, при давлении Р₀ и температуре Т₀ (Т в град. Кельвина),

используя информацию от датчиков давления и температуры, установленных в зоне измерения, а интересующий нас коэффициент преломления газа определяют по известной формуле

n_g=(ε^,g)^1/2.

5. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для устранения влияния изменения температуры на точность определения относительного содержания компонентов применяют коррекцию в программном обеспечении компьютера изделия на основе известных зависимостей диэлектрических проницаемостей компонентов от температуры.

6. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что для обеспечения независимости результатов измерения от изменения солености воды производят измерение амплитуды сигнала на двух резонансных частотах и, используя зависимость показателя поглощения κ_w, коэффициента поглощения β и показателя преломления n_w от частоты и проводимости воды σ_w, получают систему из четырех уравнений с четырьмя неизвестными - k_w1, κ_w2, σ_w, V_w, которая, в частности, может быть сведена к одному уравнению четвертой степени с одним неизвестным в качестве интересующей нас проводимости воды σ_w, в виде

a₄σw⁴+a₃σw³+a₂σw²+a₁σw+a₀=0

коэффициенты которого а₀, a₁, а₂, а₃, a₄ являются функциями замеренных значений двух резонансных частот и двух амплитуд на этих резонансных частотах, определяют из него проводимость воды σ_w и учитывают ее значение при вычислении относительного содержания компонентов в рабочей программе компьютера изделия.

7. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что для обеспечения независимости результатов измерения от изменения солености воды измеряют три резонансных частоты и, используя зависимость показателя преломления n_w от частоты и проводимости воды σ_w, приравнивают выражения для относительного содержания воды V_w при различных парах частот, получают формульную зависимость показателей преломления n_w при разных частотах от этих частот, например, в виде

откуда, учитывая зависимость показателя преломления от проводимости

где ε∞ - диэлектрическая постоянная воды для бесконечно большой частоты;

ε_s=С+D*T+Е*Т²;

Т - температура жидкости;

С, D, Е - константы, которые могут быть найдены в R. P. Wharton et al. Doc. of Petroleum Engineers, Paper 9267 (1981);

τ_w - постоянная времени, связанная со свойствами диэлектрической абсорбции для воды (из справочных таблиц),

определяют проводимость воды σ_w и учитывают ее значение при вычислении относительного содержания компонентов в рабочей программе компьютера изделия.

8. Способ по пп.1-7, отличающийся тем, что общий расход определяют путем измерения скорости потока смеси через объемный резонатор корреляционным методом, используя протяженность активной зоны объемного резонатора вдоль измеряемого потока, для чего в блоке памяти периодически записывают отрезки реализации амплитуды выходных сигналов резонатора на частоте, смещенной от резонансной частоты в сторону ее возрастания и большего значения крутизны амплитудно-частотной характеристики, дифференцируют (вычисляют первые разности) эти реализации, выделяют участки реализации с положительными и отрицательными производными (первыми разностями), участки реализации с отрицательными производными центрируют (вычисляют и вычитают средние значения), а положительные производные по участкам усредняют, перемещают полученные таким образом функции относительно друг друга и вычисляют их взаимно-корреляционную функцию, являющуюся дискриминационной характеристикой, по положению нуля которой в области ее максимальных положительных и отрицательных значений определяют время, за которое измеряемый поток проходит расстояние, равное длине активной зоны объемного резонатора, и вычисляют скорость потока путем деления длины активной зоны резонатора на указанное время.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что, для повышения точности определения скорости потока корреляционным методом, вдоль потока смеси устанавливают второй объемный резонатор на заданном расстоянии от первого, в блоке памяти периодически записывают отрезки реализации амплитуд сигналов с этих двух объемных резонаторов на частоте, смещенной от резонансной частоты в сторону ее возрастания и большего значения крутизны амплитудно-частотной характеристики, записанные реализации одного из объемных резонаторов центрируют, а из другого резонатора - дифференцируют (вычисляют первые разности), перемещают полученные таким образом функции относительно друг друга и вычисляют их взаимно-корреляционную функцию, являющуюся дискриминационной характеристикой, по положению нуля которой в области ее максимальных положительных и отрицательных значений определяют время, за которое измеряемый поток проходит расстояние между объемными резонаторами, и вычисляют скорость потока путем деления этого расстояния на указанное время.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что при вычислении расхода газовой компоненты пересчитывают его в условия нормального давления и нормальной температуры, используя для этого показания датчиков давления и температуры, установленных в измеряемой зоне.

11. Устройство для измерения покомпонентного расхода трехкомпонентных газожидкостных, газожидкостнотвердотельных или жидкостнотвердотельных смесей, проходящих по трубопроводу, состоящее из зондирующего блока в виде отрезка трубопровода с установленными на нем первичным преобразователем высокочастотного резонатора, например радиоволнового датчика, или СВЧ-датчика покомпонентного состава потока и датчиками температуры и давления и электронного блока с вычислительно-управляющим устройством, отличающееся тем, что электронный блок содержит синтезатор частот, возбуждающий через усилитель обмотку первичного преобразователя высокочастотного резонатора, например радиоволнового датчика, или СВЧ-датчика, подключенные к выходу усилителя последовательно соединенные первый детектор и первый АЦП, выходной сигнал которого поступает на первый вход вычислительно-управляющего устройства, подключенные к выходу первичного преобразователя высокочастотного резонатора, например радиоволнового датчика, или СВЧ-датчика последовательно соединенные второй усилитель, второй детектор и второй АЦП, выходной сигнал которого поступает на второй вход вычислительно-управляющего устройства, на третий и четвертый входы которого подаются сигналы с датчиков температуры и давления, соответственно, причем первый выход вычислительно-управляющего устройства соединен с управляющим входом синтезатора частоты, а второй выход - с введенным в электронный блок интерфейсным модулем, обеспечивающим двустороннюю связь по линиям RS-232, RS-432 или RS-485 с такими устройствами как персональный компьютер, консоль оператора, матричная клавиатура, знакосинтезирующие дисплеи, принтеры, НГМД и др.

12. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в него введен второй зондирующего блок, аналогичный первому, и установленный последовательно с ним вдоль потока, при этом вход первичного преобразователя второго зондирующего блока подсоединен к выходу первого усилителя, а его выход - ко входу дополнительно введенной цепи из последовательно соединенных третьего усилителя, третьего детектора и третьего АЦП, выходной сигнал которого поступает на пятый вход вычислительно-управляющего устройства, причем второй зондирующий блок не содержит датчиков температуры и давления.

13. Устройство по п.11, отличающееся тем, что в него введен установленный последовательно с зондирующим блоком расходомер общего потока, например, механический расходомер "дозированного перемещения" лопастного, ролико-лопастного или шнекового типа, либо ультразвуковой расходомер, выходной сигнал электронного датчика которых подается на шестой вход вычислительно-управляющего устройства, что обеспечивает работу расходомера в случаях, когда уровня флюктуации амплитуды или частоты сигнала недостаточно для реализации корреляционного метода измерения скорости потока.