Измеритель расхода нефти

Полезная модель относится к средствам измерения расхода жидких продуктов, в частности к средствам измерения расхода нефтепродуктов.

Целью предлагаемой полезной модели является повышение точности определения содержания нефти в нефтеводяной смеси.

Полезная модель реализуется следующим образом. Измеритель расхода нефти устанавливают на вертикальном участке трубопровода. Далее пускают нефтеводяную смесь по трубопроводу через измерительную секцию 14. Нефтеводяная смесь поступает в сужающее устройство 2. В этот момент происходит измерение перепада давления датчиком давления 1 и измерение скорости потока первым 3 и вторым 12 ультразвуковыми преобразователями.. После нахождения времен распространения акустических волн по потоку и против потока нефтеводяной смеси, блок измерения скорости потока 11 вычисляется скорость потока смеси по формуле V_w=2*L₀*(t₁-t₂)/(t ₁+t₂). Блок измерения скорости потока 11 передает сигнал, содержащий информацию о скорости потока к блоку вычисления 9. В момент измерения скорости потока, датчик давления 1 производит измерение изменения давления. Измерение давления основано на измерении разности давлений в двух последовательных точках измерительной секции, то есть на входе сужающего устройства 2, и в сужающем устройстве 2. Далее происходит измерение температуры и содержания воды. Соответствующие сигналы от датчика температуры 4 передаются в блок вычисления 9. Измерение содержания воды производится датчиком содержания воды 5. Блок измерения содержания воды 6 вычисляет процентное содержание воды в смеси. Из блока измерения содержания воды 6 сигнал о содержании воды передается в блок вычисления 9. Блок вычисления 9 производит вычисление расхода нефти, а также процентное содержание воды в смеси и общий расход нефтеводяной смеси.

Область техники

Полезная модель относится к средствам измерения расхода жидких продуктов, в частности к средствам измерения расхода нефтепродуктов.

Уровень техники

Известно устройство- расходомер (см. http://www.promrezerv.ru/).

В состав известного устройства входят ультразвуковые преобразователи, корпус в виде отрезка трубы с фланцами на торцах трубы, блок электроники. Ультразвуковые преобразователи крепятся на внешней поверхности трубы, и подключаются с помощью специального кабеля к блоку электроники. Сравнивая время прохождения сигнала по и против направления течения потока, прибор автоматически вычисляется скорость.

Недостатками известного технического решения являются недостаточная точность определения содержания нефти в нефтеводяной смеси.

Целью предлагаемой полезной модели является повышение точности определения содержания нефти в нефтеводяной смеси.

Поставленная цель достигается за счет того, что в измерителе расхода нефти, содержащем измерительную секцию, дифференциальный манометр, датчик температуры, датчик содержания воды, блок измерения скорости потока, блок измерения давления, блок измерения содержания воды, блок вычисления, причем измерительная секция выполнена в виде трубы с расположенными в ней сужающим устройством, а также датчиком температуры, дифференциальным манометром, датчиком содержания воды, первый и второй ультразвуковые преобразователи соединены с блоком измерения скорости потока, дифференциальный манометр соединен с блоком измерения давления, датчик температуры соединен с блоком вычисления, датчик содержания воды соединен с блоком измерения содержания воды, в состав которого входят генератор, усилитель, блок согласования, блок автоматической регулировки усиления, детектор напряжения и детектор тока, причем генератор соединен с усилителем, который соединен с блоком автоматической регулировки усиления, соединенным с генератором, и с блоком согласования, соединенным с датчиком содержания воды, с которым соединены также детектор напряжения и детектор тока, детектор напряжения и детектор тока, блок измерения давления, блок измерения скорости потока соединены с блоком вычисления, первый и второй ультразвуковые преобразователи установлены друг относительно друга с обеспечением возможности обмена ими акустическими сигналами друг с другом через внутреннее пространство трубы в сужающем устройстве так, что распространение акустических сигналов происходит под углом к измеряемому потоку, а дифференциальный манометр установлен с обеспечением возможности измерения разности давления вне сужающего устройства и внутри него.

Краткое описание чертежей

Полезная модель поясняется чертежами (фиг.1-4). На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, на фиг.2 изображена измерительная секция с датчиками, на фиг.3 изображен продольный разрез датчика содержания воды, на фиг.4 изображена принципиальная схема блока измерения содержания воды.

Раскрытие полезной модели

На чертежах обозначены: датчик давления 1, сужающее устройство 2, первый ультразвуковой преобразователь 3, датчик температуры 4, датчик содержания воды 5, блок измерения содержания воды 6, блок измерения давления 7, блок памяти 8, блок вычисления 9, блок питания 10, блок измерения скорости потока 11, второй ультразвуковой преобразователь 12, провода 13, измерительная секция 14, шестое отверстие 15, стакан 16, первое отверстие 17, третье отверстие 18, пятое отверстие 19, внутренняя поверхность 20, второй фланец 21, второе отверстие 22, пьезокерамика 23, первый фланец 24, втулка 25, стержень 26, четвертое отверстие 27, чехол 28, антенна 29, генератор 30, усилитель 31, детектор напряжения 32, детектор тока 33, блок согласования 34, блок автоматической регулировки усиления 35.

Основными элементами расходомера являются измерительная секция 14, ультразвуковой измеритель скорости потока, датчик давления 1, датчик температуры 4, сужающее устройство 2, датчик содержания воды 5, блок измерения давления 7, блок измерения содержания воды 6 и блок вычисления 9.

Здесь и далее под вертикальным понимается направление, параллельное вектору силы тяжести, под горизонтальным понимается направление, перпендикулярное вектору силы тяжести. Направление «сверху вниз» принимается совпадающим с направлением вектора силы тяжести.

Измерительная секция 2 представляет собой отрезок трубы цилиндрической формы. К противоположным краям измерительной секции 2 приварены первый 24 и второй 21 фланцы в виде дисков с отверстиями. В стенках измерительной секции 2 выполнены пять отверстий. В первом фланце 24 выполнено шестое отверстие 15, причем ось шестого отверстия 15 перпендикулярна оси измерительной секции 2. Под осью измерительной секции 2 понимается ось отрезка трубы. Первое отверстие 17 и второе отверстие 22 расположены вблизи первого фланца 24. Первое 17 и второе 22 отверстия расположены соосно, причем их оси расположены под углом 45 градусов к оси измерительной секции 2. Оси остальных отверстий расположены перпендикулярно оси измерительной секции 2. Оси третьего отверстия 18 и пятого отверстия 19 параллельны. Первое отверстие 17, третье отверстие 18 и пятое отверстие 19 расположены последовательно от первого фланца 24 до второго фланца 21. Ось четвертого отверстия 27 расположена перпендикулярно к осям третьего 18 и пятого 19 отверстий. Четвертое отверстие 27 расположено вблизи второго фланца 21. Отверстия могут быть получены сверлением.

Внутри измерительной секции 14 установлено сужающее устройство 2. Сужающее устройство 2 предназначено для получения перепада давления в измерительной секции 14. Сужающее устройство 2 представляет собой две пластины, присоединенные к внутренней поверхности 20 измерительной секции 14. Пластины расположены симметрично относительно оси измерительной секции 14. Каждая пластина представляют собой тело сложной формы, имеющая закругление на концах. В частном случае пластины имеют овалоподобную форму. Пластины расположены на участке между первым фланцем 24 и пятым отверстием 19. Пластины расположены параллельно друг другу, образуя канал постоянной высоты. По мере продвижения вдоль измерительной секции 1 4 от начала сужающего устройства 2 до его конца, в поперечном сечении, расстояние между пластинами изменяется. Пластины сужающего устройства 2 образуют щелевой канал с двумя параллельными стенками. Две другие стенки канала являются частью внутренней поверхностью 20 измерительной секции 14 и имеют дугообразную форму. Пластины образуют щелевой канал, меняющий свое сечение. На участке от первого фланца 24 до первого отверстия 17 канал плавно изменяет свое сечение до щелевого канала шириной 18 мм. На участке от первого отверстия 17 до второго отверстия 22 щелевой канал имеет постоянную ширину 18 мм. На участке от второго отверстия 22 до третьего отверстия 18 щелевой канал изменяет свою ширину от 18 мм до 5 мм. От третьего отверстия 18 канал плавно переходит в круглое сечение, до размера внутреннего диаметра трубы.

К измерительной секции 14 присоединен ультразвуковой измеритель скорости потока нефтеводяной смеси. Ультразвуковой измеритель скорости потока нефтеводяной смеси состоит из первого 3 и второго 12 ультразвуковых преобразователей и блока измерения скорости потока 11. Первый 3 и второй 12 ультразвуковые преобразователи состоят из стаканов 16 и размещенных в них дисков пьезокерамики 23, например ЦТС-19. Стаканы 16 представляют собой прямые цилиндры. Стаканы 16 размещены соосно друг другу и под углом 45 градусов к оси измерительной секции 14. Ось одного стакана 16 совпадает с осью первого отверстия 17, ось другого стакана 16 совпадает с осью второго отверстия 22. Один стакан 16 размещен в первом отверстии 17 измерительной секции 14, другой стакан 16- во втором отверстии 22 измерительной секции 14. Стаканы 16 присоединены к измерительной секции 14. Присоединение стаканов 16 к измерительной секции 14 осуществлено с обеспечением герметичности, например, при помощи сварки. Стаканы 16 выполнены из стали и закрыты с одного торца материалом, позволяющим передавать излучение от первого 3 и второго 12 ультразвуковых преобразователей в поток смеси.

Первый 3 и второй 12 ультразвуковые преобразователи выполнены стандартным образом. Первый 3 и второй 12 ультразвуковые преобразователи расположены таким образом, что акустическая волна от первого ультразвукового преобразователя 3 принимается вторым ультразвуковым преобразователем 12, причем направление распространения акустической волны параллельно пластинам сужающего устройства 2. Первый 3 и второй 12 ультразвуковые преобразователи соединены с блоком измерения скорости потока 11. Блок измерения скорости потока 11 производит вычисление скорости потока методом измерения разности времени распространения импульса акустических волн от первого ультразвукового преобразователя 3 ко второму ультразвуковому преобразователю 12 или от второго ультразвукового преобразователя 12 к первому ультразвуковому преобразователю 3, т.е. по движению потока и против движения потока смеси. Блок измерения скорости потока 11 также передает сигналы первому 3 и второму 12 ультразвуковым преобразователям для их своевременного срабатывания.

К измерительной секции 14 присоединен датчик содержания воды 5, представляющий собой антенну 29. Антенна 29 соединена с блоком измерения содержания воды 6. Антенна 29 соединена с блоком измерения содержания воды 6 посредством стержня 26. Датчик содержания воды 6 расположен в трубе, при этом стержень 26 пропущен через четвертое отверстие 27. Блок измерения содержания воды 6 расположен с внешней стороны измерительной секции 14. Антенна 29 представляет собой СВЧ излучатель дипольного типа, покрытый фторопластовой оболочкой. Стержень 26 расположен во втулке 25. Втулка 25 присоединена к измерительной секции 14 с обеспечением герметичности соединения. Один конец втулки 25 расположен в четвертом отверстии 27. Стержень 26 расположен вертикально. Антенна 29 представляет собой пластину прямоугольной формы. Антенна 29 расположена в чехле 28. Чехол 28 в продольном сечении представляет собой прямоугольник, имеющий уширения в районе углов. В поперечном сечении чехол 28 представляет собой прямоугольник с расширениями на противоположных краях. Чехол 28, с расположенной в нем антенной 29, установлен внутри измерительной секции 14 в распор и ориентирован широкой поверхностью параллельно потоку.

Блок измерения содержания воды состоит из генератора 30, усилителя 31, блока согласования 34, блока автоматической регулировки усиления 35 (далее блок АРУ), детектора тока 33 и детектора напряжения 32.

Генератор 30 соединен с усилителем 31, усилитель 31 соединен с блоком согласования 34. Блок согласования 34 соединен с антенной 29 и блоком АРУ 35, блок АРУ 35 соединен с генератором 30. Детектор тока 33 и детектор напряжения 32 соединены с антенной 29 посредством стержня 26. Соединение всех элементов электронного блока осуществлено посредством проводов 13.

Детектор тока 33 представляет собой стандартное устройство, предназначенное для детектирования тока в необходимый пользователю сигнал, содержащий информацию о токе. Детектор напряжения 32 представляет собой стандартное устройство, предназначенное для детектирования тока в необходимый пользователю сигнал содержащий информацию о напряжении. Детектор тока 33 и детектор напряжения 32 соединены с блоком вычисления 9.

Генератор 30 представляет собой стандартной устройство, предназначенное для генерирования высокочастотного сигнала. В частном случае генератор 30 представляет собой СВЧ генератор.

Усилитель 31 представляет собой стандартное устройство. Усилитель 31 осуществляет увеличение энергетических параметров входного сигнала.

Блок согласования 34 представляет собой стандартное устройство. Блок согласования 34 обеспечивает согласование входного сопротивления антенны 29 с входным сопротивлением от усилителя 31.

Блок АРУ 35 автоматически поддерживает сигнал на постоянном уровне и представляет собой стандартное устройство.

В третьем 18 и шестом 15 отверстиях расположен датчик давления 1. Датчик давления 1 представляет собой дифференциальный манометр, выполненный стандартным образом. Датчик давления 1 предназначен для регистрации перепада давления на сужающем устройстве 2. Датчик давления 1 соединен с измерительной секцией 14 с обеспечением герметичности соединения. Датчик давления 1 соединен с блоком измерения давления 7. Блок измерения давления 7 предназначен для непрерывного преобразования изменения давления на сужающей устройстве 2 в токовый сигнал, предназначенный для дальнейшей его передачи и обработки.

В пятом отверстии 19 расположен датчик температуры 4. Датчик температуры 4 представляет собой стандартное платиновое термосопротивление. Датчик температуры 4 преобразует контролируемую величину (температуру) в сигнал, удобный для измерения, передачи, преобразования и хранения. Датчик температуры 4 соединен с блоком вычисления 9, который производит регистрацию температуры нефтеводяной смеси.

Блок питания 10 соединен с блоком измерения скорости потока 11, блоком измерения давления 7, блоком измерения содержания воды 6. Блок питания 10 обеспечивает электрическое питание всех блоков устройства.

Блок вычисления 9 соединен с блоком измерения скорости потока 11, блоком измерения давления 7, блоком измерения содержания воды 5. Блок вычисления 9 представляет собой устройство, определяющее искомый параметр (расход нефти) по известным формулам или по градуировочным таблицам значений зависимости искомого параметра от параметров, поступающих от блока измерения скорости потока 11, блока измерения давления 7 и блока измерения содержания воды 6 в блок вычисления 9. Блок вычисления 9 производит обработку поступивших данных от блока измерения скорости потока 11, блока измерения давления 7, блока измерения содержания воды 6, передает данные для отображения данных на соответствующем устройстве отображения, например, на мониторе. Блок вычисления 9 соединен с блоком памяти 8. В блок памяти 8 записывается необходимая пользователю информация, например информация, соответствующая значения содержания воды и нефти в смеси в зависимости от изменения давления, температуры, расхода смеси и скорости потока смеси, а также от избыточного давления, плотности смеси, вязкости смеси и других параметров.

В устройстве дополнительно может быть установлен датчик избыточного давления (на рисунке не показан). Для его установки дополнительно может быть выполнено отверстие в измерительной секции.

Осуществление полезной модели

Полезная модель реализуется следующим образом. Измеритель расхода нефти устанавливают на вертикальном участке трубопровода так, чтобы весь объем измерительной секции 14 был заполнен рабочей жидкостью. При помощи болтов соединяют один фланец трубопровода с первым фланцем 24 измерительной секции 14, другой фланец трубопровода соединяют со вторым фланцем 21 измерительной секции 14. Далее пускают нефтеводяную смесь по трубопроводу через измерительную секцию 14. Подключают соответственно элементы устройства к блоку питания 10.

При прохождении нефтеводяной смеси в измерительной секции 14 нефтеводяная смесь проходит через сужающее устройство 2. Нефтеводяная смесь поступает в сужающее устройство 2 с давлением, равным давлению напора нефтеводяной смеси в трубопроводе. При прохождении через сужающее устройство 2 давление нефтеводяной смеси увеличивается. В этот момент происходит измерение перепада давления датчиком давления 1 и измерение скорости потока первым 3 и вторым 12 ультразвуковыми преобразователями.

Измерение скорости потока смеси производится следующим образом. Блок измерения скорости потока 11 передает сигналы первому ультразвуковому преобразователю 3 на излучение акустической волны. Первый ультразвуковой преобразователь 3 излучает акустическую волну в сторону второго ультразвукового преобразователя 12 (под углом к измеряемому потоку). Второй ультразвуковой преобразователь 12 принимает акустическую волну. При принятии акустической волны вторым ультразвуковым преобразователем 12, акустическая волна преобразуется в токовый сигнал. Полученный токовый сигнал от второго ультразвукового преобразователя 12 передается в блок измерения скорости потока 11. Блок измерения скорости потока 11 регистрирует время распространения акустической волны между первым 3 и вторым 12 ультразвуковыми преобразователями. После чего, блок измерения скорости потока 11 передает сигнал второму ультразвуковому преобразователю 12 на излучение акустической волны. Второй ультразвуковой преобразователь 12 излучает акустическую волну. Первый ультразвуковой преобразователь 3 принимает акустическую волну. При принятии акустической волны первым ультразвуковым преобразователем 3, акустическая волна преобразуется в токовый сигнал. Полученный токовый сигнал от первого ультразвукового преобразователя 3 передается в блок измерения скорости потока 11. Блок измерения скорости потока 11 регистрирует время распространения акустической волны между первым 3 и вторым 12 ультразвуковыми преобразователями. После нахождения времен распространения акустических волн по потоку и против потока нефтеводяной смеси, блок измерения скорости потока 11 вычисляется скорость потока смеси по формуле V_w=2*Lo*(t₁-t ₂)/(t₁+t₂)², где L ₀-расстояние между первым 3 и вторым 12 ультразвуковыми преобразователями, t₁, t₂ - время распространения акустических волн против и по потоку смеси. После вычисления блоком измерения скорости потока 11, блок измерения скорости потока 11 передает сигнал, содержащий информацию о скорости потока к блоку вычисления 9.

В момент измерения скорости потока, датчик давления 1 производит измерение изменения давления. Измерение давления осуществляется следующим образом. Измерение давления основано на измерении разности давлений в двух последовательных точках измерительной секции, то есть на входе сужающего устройства 2, и в сужающем устройстве 2 (в месте наименьшей ширины щелевого канала, составляющей 5 мм). Соответствующие сигналы о разности от датчика давления 1 на сужающем устройстве 2 передаются в блок измерения давления 7. В блоке измерения давления 7 может производиться дополнительное преобразование сигналов от датчика давления 1, после чего соответствующие сигналы передаются в блок вычисления 9.

Далее происходит измерение температуры и содержания воды. Измерение температуры производится датчиком температуры 4. Соответствующие сигналы от датчика температуры 4 передаются в блок вычисления 9.

Измерение содержания воды производится датчиком содержания воды 5. Измерение содержания воды основано на изменении диэлектрической проницаемости нефтеводяной смеси. Измерение содержания воды производится следующим образом. К антенне 29 от генератора 30 подводится СВЧ сигнал через блок согласования 34 и стержень 26. От генератора 30 СВЧ сигнал проходит через усилитель 31. От усилителя 31 сигнал передается к блоку согласования 34. Для поддержания сигнала на постоянном уровне используется блок АРУ 35. От блока согласования 34 через изолированный от трубы стержень 26, распложенный в стенке трубы, сигнал поступает к антенне 29. Антенна 29 излучает соответствующие волны в пространство трубы. Эффективность излучения антенной 29 зависит от диэлектрической проницаемости среды, которая определяется содержанием воды и нефти в смеси. Детектор тока 33 и детектор напряжения 32 в этот момент детектируют ток и напряжение и соответствующие сигналы. Сигналы от детектора тока 33 и детектора напряжения 32 передаются в блок измерения содержания воды 6. Блок измерения содержания воды 6 вычисляет процентное содержание воды в смеси. Из блока измерения содержания воды 6 сигнал о содержании воды передается в блок вычисления 9.

При необходимости измеряют избыточное давлении посредством датчика избыточного давления.

Блок вычисления 9 производит вычисление расхода нефти, а также процентное содержание воды в смеси и общий расход нефтеводяной смеси. Бок вычисления 9 обрабатывает поступившую к нему информацию о температуре, давлении и скорости потока смеси от соответствующих блоков. После чего сравнивает полученную информацию с информацией, имеющейся в блоке памяти 8. Для этого блок вычисления 9 извлекает данные градуировочных таблиц из блока памяти 8 и производит сопоставление расхода нефти в зависимости от изменения давления, температуры, расхода смеси и скорости потока смеси, а также от избыточного давления, плотности смеси, вязкости смеси и других параметров. После сопоставления информации блок вычисления 9 определяет количество нефти и воды в смеси. В блоке памяти 8 дополнительно может быть записана информация о плотности нефтеводяной смеси, значение вязкости и другая необходимая пользователю информация.

Также блок вычисление 9 может производить вычисление расхода нефти по формулам V₀=K(R_e)*L/, где К(R_е) - коэффициент, зависящий от числа Рейнольдса, R_e=*V₀*D₀/µ. Далее к блоку вычисления 9 поступают данные о давлении в потока, о скорости потока. Блок вычисления 9 вычисляет скорость потока смеси и расход смеси по формуле V₀=K(R_e)*V₀(1), G=V ₀*3600**D₀²/4=7,065* V₀, где V₀ - средняя скорость смеси на входе сужающего устройства, D ₀ - диаметр входного сечения сужающего устройства. Масса нефти вычисляется по формуле M=V**W, (кг), где -плотность нефти (кг/м³), V-объем смеси, прошедшей за интервал времени (м³), W-содержание нефти в смеси (%). Плотность нефти вычисляется по формуле _i=₂₀-(T-20), где -поправка на изменение плотности при изменении температуры на 1°С, ₂₀-плотность нефти при Т=+20°С.

Таким образом, использование данного устройства, включающем в себя измерительную секцию 14, датчик давления 1, датчик температуры 4, датчик содержания воды 5, блок измерения скорости потока 11, блок измерения давления 7, блок измерения содержания воды 6, блок вычисления 9, с совокупностью всех признаков достигается повышение точности определения содержания нефти в нефтеводяной смеси.

Измеритель расхода нефти, содержащий измерительную секцию, дифференциальный манометр, датчик температуры, датчик содержания воды, блок измерения скорости потока, блок измерения давления, блок измерения содержания воды, блок вычисления, причем измерительная секция выполнена в виде трубы с расположенными в ней сужающим устройством, а также датчиком температуры, дифференциальным манометром, датчиком содержания воды, первый и второй ультразвуковые преобразователи соединены с блоком измерения скорости потока, дифференциальный манометр соединен с блоком измерения давления, датчик температуры соединен с блоком вычисления, датчик содержания воды соединен с блоком измерения содержания воды, в состав которого входят генератор, усилитель, блок согласования, блок автоматической регулировки усиления, детектор напряжения и детектор тока, причем генератор соединен с усилителем, который соединен с блоком автоматической регулировки усиления, соединенным с генератором, и с блоком согласования, соединенным с датчиком содержания воды, с которым соединены также детектор напряжения и детектор тока, детектор напряжения и детектор тока, блок измерения давления, блок измерения скорости потока соединены с блоком вычисления, первый и второй ультразвуковые преобразователи установлены относительно друг друга с обеспечением возможности обмена ими акустическими сигналами друг с другом через внутреннее пространство трубы в сужающем устройстве так, что распространение акустических сигналов происходит под углом к измеряемому потоку, а дифференциальный манометр установлен с обеспечением возможности измерения разности давления вне сужающего устройства и внутри него.