Устройство для одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси

Устройство для одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения величин расходов многофазного потока, например для измерения дебита нефтяных скважин. В предлагаемом устройстве, содержащем вертикальный измерительный гидроканал с восходящим потоком среды, генератор электрических колебаний, соединенный с передатчиком ультразвука, помещенным в измерительный гидроканал, и приемник ультразвука, сигнал с приемника ультразвука подается на комплексный детектор, выделяющий синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, и сигнал с комплексного детектора подается на цифровое вычислительное устройство.

Полезная модель относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения величин расходов многофазного потока, например для измерения дебита нефтяных скважин.

Известны устройства для определения расходов многофазных потоков, описанные, например, в главе 12 (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник Кн.2/Под общ. ред. Е.А.Шорникова, -5е изд., перераб. и доп.- СПб.: Политехника; 2004, с.255).

Недостатками данных устройств являются сложность устройств, низкая точность и надежность.

Известна система для определения расхода компонентов двухфазного потока (RU, патент 2339915 С1, G01F 1/74, 27.11.2008 г.), содержащая измерительный участок трубопровода с установленными на его внешней поверхности двумя диаметрально расположенными и смещенными вдоль оси трубопровода электроакустическими преобразователями; и электронный блок возбуждения ультразвуковых волн в трубопроводе. Для излучения и приема используются выполненные в виде многоэлементных фазированных решеток накладные преобразователи, представляющие собой наборы пьезоэлектрических элементов. Электроакустические преобразователи и датчики температуры и давления среды в измерительном участке через дифференциальные усилители подключены к микропроцессору электронного блока.

Недостатками данной системы измерения компонентов двухфазного потока являются сложность конструкции, а также тот факт, что ультразвуковой сигнал практически не распространяется через газожидкостную смесь на большое расстояние.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство измерения расхода нефтеводогазового потока, описанные в: Дробков В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., подписано в печать 20.04.2007 г.

Устройство состоит из вертикального измерительного гидроканала с восходящим потоком среды, преобразователей температуры, давления и обводненности; преобразователей скорости; преобразователей газосодержания; компьютера.

Недостатками устройства, принятого за прототип является необходимость применения нескольких конструктивно различных датчиков, что усложняет устройство и ведет к удорожанию измерительного устройства.

Задачей предлагаемого устройства является упрощение измерения и уменьшение стоимости устройства измерения расхода компонентов двухфазного потока при одновременном повышение точности измерения и расширении диапазона измеряемых величин.

Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве для одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, содержащем вертикальный измерительный гидроканал с восходящим потоком среды, генератор электрических колебаний, соединенный с передатчиком ультразвука, помещенным в измерительный гидроканал, и приемник ультразвука, сигнал с приемника ультразвука подается на комплексный детектор, выделяющий синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие, и сигнал с комплексного детектора подается на цифровое вычислительное устройство.

Сущность полезной модели поясняется следующей функциональной схемой устройства, где цифрами обозначено:

1 - измерительный гидроканал с восходящим потоком газо-жидкостной смеси;

2 - излучающий электроакустический преобразователь;

3 - приемный электроакустический преобразователь;

4 - генератор непрерывных колебаний;

5 - комплексный детектор, выделяющий синфазную с зондирующим сигналом составляющую и квадратурную составляющую;

6 - вычислительное устройство, в котором реализованы необходимые алгоритмы.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Через вертикальный измерительный участок трубопровода 1 (см. рис.) проходит восходящий поток несепарированной смеси жидкости и газа. В измерительный участок трубопровода помещены два электроакустических преобразователя 2 и 3. С генератора электрических колебаний 4 сигнал поступает на передающий электроакустический преобразователь 2.

Ультразвуковые колебания от преобразователя 2 передаются в движущую среду, отражаются от неоднородностей среды и поступают на приемный электроакустический преобразователь 3.

Сигнал с приемника ультразвука 3 подается на комплексный детектор 5, выделяющий синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие и сигнал с комплексного детектора 5 подается на цифровое вычислительное устройство 6.

Аналого-цифровой преобразователь на схеме не показан, так как он не влияет на принцип работы. Его можно расположить как до комплексного детектора и комплексный детектор выполнить в цифровом исполнении, так и после комплексного детектора, который в таком случае применяют в аналоговом исполнении.

Также устройство может дополнительно содержать усилители сигналов, которые не изменяют принцип его действия.

При восходящем потоке жидкости, ультразвук отражается от неоднородностей потока, приходит на комплексный детектор, который выделяет разностную частоту. При наличии небольшого количества газа в потоке жидкости реализуется так называемый «пузырьковый» режим течения, при котором газ содержится в небольших пузырьках, всплывающих в жидкости.

Обтекание жидкости вокруг пузырьков приводит к увеличению степени турбулентности потока. Также в некоторые моменты времени локальная часть жидкости движется в обратном направлении, обтекая газовые пузырьки.

При дальнейшем увеличении количества газа формируется так называемый «снарядный» режим течения, при котором отдельные пузырьки газа сливаются в снаряды. При этом газовые снаряды концентрируются к центру гидроканала, а жидкость по стенкам. Значительные доли времени жидкость движется в обратную сторону, обтекая газовый снаряд. Чем больше количество газа, тем в большей степени будет выражен этот эффект.(См. Полянин Л.Н. Дробков В.П. Прикладная гидромеханика восходящих газожидкостных потоков. М. Энергоатомиздат, 2004, рис.1.3. стр.9.).

Для различения направления движения неоднородностей применяют комплексное детектирование, выделяющее синфазную с зондирующим сигналом и квадратурную составляющие.

Одну из этих составляющих рассматривают как действительную компоненту, другую как мнимую составляющие единый комплексный сигнал. После комплексного преобразования Фурье получаем спектр сигнала. Знак преобладающей частоты в спектре указывает на направления движения неоднородностей, что позволяет различить направление движения навстречу к датчику и от него.

Определяем два параметра спектра сигнала: частоту доплеровского смещения (разностную частоту) и долю времени, когда преобладающая разностная частота принимает отрицательное значение (далее долю времени).

Во время калибровки определяют зависимости разностной частоты и доли времени сигнала от расходов жидкости и газа и по полученным во время калибровки зависимостям определяют расходы жидкости и газ. Необходимым условием для возможности определения расходов жидкости и газа является то, что зависимость разностной частоты от расходов жидкости и газа отличалась от зависимости доли времени.

Предлагаемое устройство было изготовлено на предприятии заявителе и были получены положительные результаты.

Устройство для одновременного определения расходов жидкой и газовой фаз потока газожидкостной смеси, содержащее вертикальный измерительный гидроканал с восходящим потоком среды, генератор электрических колебаний, соединенный с передатчиком ультразвука, помещенным в измерительный гидроканал, и приемник ультразвука, отличающееся тем, что приемник ультразвука соединен со входом комплексного детектора, выполненного с возможностью выделения синфазной с зондирующим сигналом и квадратурной составляющих, а выход комплексного детектора соединен с цифровым вычислительным устройством.