Способ оптического измерения расхода газового потока лазерным расходомером

 

Использование: изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при измерении расхода газового потока, содержащего дисперсные включения твердых частиц и капель жидкости. Сущность изобретения: в измеряемом газовом потоке создают две области рассеяния оптического излучения путем фокусирования лазерного излучения в плоскости, где скорость потока равна средней скорости, регистрируют рассеянное частицами излучение двумя фотоприемниками под углом 35^o к оси фокусированного лазерного излучения, выделяют импульсы фотоприемников, длительность которых соответствует заранее заданному размеру частиц, и измеряют время пролета этими частицами базового расстояния, по которому определяют величину расхода газа. 1 ил. 1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения газового потока, содержащего дисперсные включения твердых частиц и капель в процессе разработки газовых и газоконденсатных месторождений.

Известен способ измерения расхода контролируемой среды /нефти или газа/ в трубопроводе с использованием датчика ультразвукового расходомера [1] Недостатком способа является недостаточно высокая точность измерения расхода потока контролируемой среды.

Известен способ измерения скоростей частиц в полидисперсном потоке путем создания в последнем двумя световыми лучами базы измерения и регистрации двумя фотоприемниками моментов пролета частицами этой базы [2] Данный способ также не позволяет достаточно точно измерить скорость полидисперсного потока.

Наиболее близким аналогом изобретения является способ оптического измерения расхода газового потока, движущегося в трубопроводе и содержащего включения дисперсных частиц, включающий создание в измеряемом потоке двух областей рассеяния оптического излучения путем фокусирования лазерного излучения, регистрацию рассеянного частицами излучения двумя фотоприемниками и определение величины скорости потока по времени пролета частицами базового расстояния между областями рассеяния [3] Недостатком указанного способа является его невысокая точность.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение точности измерения расхода газового потока.

Такой технический результат достигается за счет того, что при создании областей рассеяния излучение фокусируют на линии средней скорости, регистрацию рассеянного излучения осуществляют под углом 35^o к оси фокусированного лазерного излучения, а для определения величины скорости потока выделяют импульсы фотоприемников, длительность которых соответствует заранее заданному размеру частиц, по которому определяют время пролета частицами базового расстояния.

Способ осуществляется с помощью устройства лазерного расходомера, изображенного на фиг.1.

Лазерный расходомер состоит из оптико-электронного датчика и контроллера.

Оптико-электронный датчик /ОЭД/ содержит блок питания 1, лазер 2, оптическую систему 3, включающую микрообъектив, цилиндрическую линзу, оптический клин, приемный объектив 4, два фотоприемника 5 и 6, схему обработки 7.

Излучение лазера /полупроводникового/ 2 поступает на оптическую систему 3, которая формирует два сфокусированных пучка, разнесенных по движению дисперсной частицы /жидкой или твердой/ газового потока на расстояние L, разделяющее формирующиеся в потоке газа две измерительные области /ИО1 и ИО2/, размеры каждой из которых 4х3х0,1 мм.

Работа ОЭД основана на принципе оптического формирования внутри потока газа двух областей рассеяния путем фокусирования лазерного излучения цилиндрической линзой через оптический клин, регистрации под углом 35^o /получен экспериментально/ излучения двумя фотоприемниками и формирования импульсов, длительность и высота которых зависят от размера дисперсных частиц /капель жидкости и твердых частиц/ и скорости их движения в потоке газа. Непрерывное излучение полупроводникового лазера коллимируется микрообъективом и фокусируется цилиндрической линзой через оптический клин внутри потока газа.

При прохождении частицы через измерительные области ИО1 и ИО2 формируются последовательно два импульса рассеянного излучения, которые преобразуются фотоприемниками 5 и 6 в импульсы тока и далее схемой обработки 7 в импульсы напряжения t_p1 и t_p2. Импульсы напряжения преобразуются в нормированные по амплитуде, длительность которых определяется выражением: где t_p1, t_p2 длительность импульсов на выходе, h ширина пучка излучения в измерительной зоне, d диаметр частицы, v скорость движения частицы в потоке.

Cкорость частицы определяется по задержке t₃ между импульсами t_p1 и t_p2:
где L расстояние между ИО1 и ИО2.

Размер частицы определяется по длительности импульса и скорости:
d t_p1·v,
где v скорость частицы, d диаметр частицы.

Но это регистрируются мгновенные значения скорости и размеров частиц, пересекающих ИОЛ1 и ИО2. Наличие турбулентных пульсаций газа приводит к разбросу скоростей частицы по величине и направлению относительно скорости газа.

Поэтому необходима статистическая обработка результатов измерений, которую осуществляет контроллер, изготовленный на базе микрокомпьютера семейства "MicroPC". Выходные сигналы ОЭД поступают на контроллер и обрабатывают по заданной программе с целью определения средних характеристик газового потока: расхода и содержания дисперсной фазы.

При определении величины скорости газового потока выделяют импульсы фотоприемников, длительность которых соответствует заранее заданному размеру частиц /не более 0,1 мм/, по которым определяют время пролета частицами базового расстояния.

Рассмотрим влияние размеров твердых частиц на их скорость.

При движении в горизонтальном потоке частица будет осаждаться на дно канала под действием силы тяжести. В результате взаимодействия частицы со стенками трубы скорость ее изменится и станет отличной от скорости несущей среды. Движение газа относительно частицы приводит к возникновению силы трения, которая стремится выровнять их скорости.

Можно предположить, что чем меньше время выравнивания скоростей относительно времени осаждения, тем ближе значение скорости частицы к скорости газа.

Для оценки времени осаждения частицы можно воспользоваться соотношением, определяющим скорость осаждения одиночной сферической частицы:

;
где V_oc cкорость осаждения частицы,
d диаметр частицы,
ρ плотность частицы,
r_г плотность газа,
Re_oc число Рейнольдса для газа,
fa коэффициент трения,
ν_г кинематическая вязкость.

Рассчетные данные отношения времени выравнивания скоростей и времени осаждения дисперсных частиц показали, что гравитационные силы оказывают заметное влияние на частицы радиусом более 0,1 мм. Таким образом наличие в реальном составе дисперсной фазы газового потока частиц и капель жидкости диаметром не более 0,1 мм позволяет определить расход газа по результатам измерения скорости частиц.

Среднее по времени значение скорости частиц, зарегистрированных в точке проведения измерений, определяют из соотношения:

где v_i мгновенные значения скорости частиц, N количество зарегистрированных частиц.

Известно, что при большой скорости газового потока ее профиль хорошо описывается универсальным законом дефекта скорости:

где v_c скорость на оси трубы, v_τ динамическая скорость, v_s средняя по сечению скорость, R радиус трубы, у расстояние от точки измерения до стенки трубы, k коэффициент /≠4,07/. Определяют среднюю скорость (v_s= v_c-kv_τ), по которой рассчитывают расход газа: Q = π·R²·v_s..

Содержание жидкости в газовом потоке рассчитывают из соотношения:

где W содержание жидкости в газовом потоке, t время измерения, S_ИО1 площадь поперечного сечения ИО1, f(r,α,Q) функция, учитывающая неравномерность распределения жидкости по сечению канала, r радиальная координата, α угловая координата, d_i диаметр частицы.

Вид функции f(r,α,Q) зависит от распределения фаз в газовом потоке. В диапазоне рабочих расходов газовых скважин возможны, как показывает анализ, два режима течения фаз:
расслоенный, когда основная часть жидкости движется в виде пленки в нижней части трубы;
дисперсно-кольцевой, когда жидкость движется в виде пленки в нижней части трубы по стенкам трубы и в виде капель в газовом потоке. Расслоенный режим течения существует при наиболее низкой скорости газа и по мере ее увеличения переходит в дисперсно-кольцевой. Таким образом характер распределения дисперсной фазы по сечению канала может изменяться от явно асимметричного при расслоенном режиме до сравнительно равномерного при дисперсно-кольцевом.

Были проведены экспериментальные исследования с использованием лазерного расходомера. Измерения проводились на различных режимах работы скважин в диапазоне расходов газа от 250 до 1500 тыс.м³/сут. Для исследования влияния профиля скорости газа и распределения фаз лазерный расходомер смещали относительно трубопровода таким образом, чтобы ИО1 и ИО2 располагались в различных точках поперечного сечения трубы.

Результаты экспериментальных исследований показали, что погрешность измерения расхода газового потока не превысила 3% При этом установлено, что оптимальным расстоянием от оси трубы является r 0,777R, на котором аксиальная скорость принимает значение средней вне зависимости от величины динамической скорости.

Формула изобретения

Способ оптического измерения лазерным расходомером расхода газового потока, движущегося в трубопроводе и содержащего включения дисперсных частиц, включающий создание в измеряемом потоке двух областей рассеяния оптического излучения путем фокусирования лазерного излучения, регистрацию рассеянного частицами излучения двумя фотоприемниками и определение величины скорости потока по времени пролета частицами базового расстояния между областями рассеяния, отличающийся тем, что при создании областей расстояния излучение фокусируют на линии средней скорости, регистрацию рассеянного излучения осуществляют под углом 35^o к оси фокусированного лазерного излучения, а при определении величины скорости потока выделяют импульсы фотоприемников, длительность которых соответствует заранее заданному размеру частиц, по которым определяют время пролета частицами базового расстояния.

РИСУНКИ

Рисунок 1