Способ измерения весового расхода газожидкостной смеси и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к измерительной технике и могут использоваться для измерения расхода непосредственно при добыче нефти из скважин. Для реализации способа организуют два измерительных участка: один - для измерения объемного расхода и выравнивания скоростей легкой и тяжелой фаз смеси, другой - для измерения веса определенного объема (удельного веса) смеси. Объемный расход измеряется методом нулевого перепада давления на объемном моторе по частоте вращения его вала. Весовой расход находится вычислителем путем умножения удельного веса на объемный расход смеси. Изобретения обеспечивают повышение точности и расширение динамического диапазона измерения. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться для измерения расхода различных газожидкостных смесей, в частности непосредственно при добыче нефти из скважин.

Известны способы измерения массового расхода, например [1. П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества вещества. СПб.: Политехника. 2002; 2. Кивилис С.С. Плотномеры. М.: Энергия. 1980], включающие измерение расхода по показаниям дифференциального манометра и плотности с помощью сужающих устройств и осреднения показаний для некоторого промежутка времени [1. с.240] и весового измерителя плотности [2. С.191-200].

Недостатками этих технических решений является большая погрешность измерения расхода, а также большие габариты устройства.

Наиболее близким к предлагаемому способу, принятому за прототип, является способ измерения весового расхода [3. Патент SU №1811583 A3, G01 F 1/86, 27.07.90].

Устройство по известному способу [3] содержит датчик объемного расхода, гравиметрический плотномер, выполненный в виде контрольного участка, систему распределительных трубопроводов, источник и детектор ионизирующего излучения для измерения средней плотности в контролируемом объеме среды.

Недостатками известного способа и устройства [3] являются:

- определение плотности растянуто по времени, т.к. сканируется все сечение трубопровода, в течение которого может измениться состав, структура и средняя плотность контролируемого объема. Отсюда низкая точность измерения;

- не выравниваются скорости отдельных фаз газожидкостной смеси для уменьшения погрешности измерения расхода;

- при прохождении средой гидравлических сопротивлений контролируемый объем может увеличиваться в объеме при изменении давления в газовой фазе;

- большая погрешность при измерении объемного расхода, т.к. не учитывается сжимаемость газовой составляющей смеси;

- небольшой динамический диапазон измерения весового расхода;

Для устранения перечисленных недостатков предлагается способ измерения весового расхода газожидкостной смеси, включающий организацию двух измерительных участков, на первом из которых по потоку измеряют вес смеси, а на расположенном по потоку за первым участком втором участке - объемный расход, по измеренному весу и известному объему первого измерительного участка определяют удельный вес смеси и вычисляют весовой расход путем умножения текущей величины удельного веса на объемный расход, отличающийся тем, что поддерживают нулевой перепад для выравнивания скоростей легкой и тяжелой фазы указанной смеси и одновременно измеряют объемный расход на объемном моторе по частоте вращения его вала.

Для реализации указанного способа предлагается весовой расходомер газожидкостной смеси, содержащий два измерительных участка, причем вход второго по потоку участка расположен за выходом первого участка, на котором расположено весоизмерительное устройство, связанное с вычислителем, и объемный расходомер, отличающийся тем, что объемный расходомер включает в себя объемный мотор в составе контура поддержания нулевого перепада давления, расположенный на втором измерительном участке, измеритель частоты вращения вала двигателя, связанного с входным валом мотора, и измеритель перепада давления, связанный с устройством управления частотой вращения вала двигателя, при этом выход устройства управления связан с двигателем, а выход измерителя частоты вращения вала - с вычислителем.

Предлагается способ измерения весового расхода, в котором объемный расход газожидкостной смеси Q измеряется методом нулевого перепада давления, при котором обеспечиваются одинаковые скорости различных фаз смеси, для более точного измерения объемного расхода. Компенсационным методом измеряется вес смеси определенного объема в рабочих условиях его непрерывного изменения (скользящий и пробковый режимы движения смеси по трубопроводу).

При применении предлагаемого способа организуют два измерительных участка: первый для измерения объемного расхода Q, второй - для измерения величины удельного веса смеси γ и последующего вычисления весового расхода γQ, величина которого пропорциональна произведению.

Для получения режима течения смеси, при котором скорости продвижения отдельных фаз смеси имеют практически одинаковую скорость в транспортной трубе, измерительные участки располагают по ходу потока. Например, вначале второй измерительный участок и за ним первый. Первый измерительный участок выполнен как объемный расходомер, например с винтовым мотором, обеспечивающий равномерный беспульсационный характер потока.

На этом участке поддерживается нулевой перепад давления, обеспечивающий практически одинаковую скорость всех фаз смеси, включая газовую. В то же время первый участок служит расходной нагрузкой для второго участка и тем самым обеспечивается постоянство скоростей фаз смеси на втором участке. Такое взаимодействие первого и второго измерительных участков позволяет более точно измерять весовую часть смеси на втором участке.

На фиг.1-2 представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где: 1 - второй измерительный участок для измерения объемного расхода смеси, 2 - вход в второй измерительный участок, 3 - выход из второго измерительного участка, 4 - объемный мотор, например винтовой, 5 - первый измерительный участок для весового измерения смеси, 6 - весоизмерительное устройство компенсационного типа, 7 - упругий элемент канала первого измерительного участка, 8 - вход в первый измерительный участок, 9 - выход из первого измерительного участка, 10 - гидравлический вход в весовой расходомер смеси, 11 - гидравлический канал выхода из весового расходомера смеси.

Измерительная часть содержит: 12 - измеритель перепада давления, 13 - устройство управления частотой вращения вала двигателя, 14 - двигатель, например электрический, жестко связанный с входным валом мотора 4, 15 - измеритель частоты вращения вала электродвигателя, 16 - вычислитель, 17 - выход весового расходомера.

Способ реализуется следующим образом.

Регулирующий контур с устройствами 12, 13, 14 предназначен для поддержания нулевого перепада на моторе 4, измеряемый на входе 2 и выходе 3 участка 1. Измеритель перепада давления 12 при возникновении перепада давления на моторе 4 подает сигнал управления через устройство управления частотой вращения 13 вала, например, электродвигателя 14 для снижения величины перепада давления до нуля. Частота вращения вала 15 электродвигателя регистрируется в вычислителе 16 для подсчета объемного расхода смеси.

На первый измерительный участок 5 смесь попадает по входу 10 всего устройства, через вход 8 и гибкий упругий элемент 7 в петлеобразный канал, который укреплен на весах 6. Полученные данные о весе части смеси, находящейся в объеме измерительного участке 5, передаются в вычислитель 16.

На измерительный участок 1 контролируемая смесь проходит по каналу 9 через вход 2 и попадает в мотор 4. Частота вращения вала мотора 4 прямо пропорциональна объемному количеству смеси в единицу времени, которая контролируется измерителем частоты вращения вала 15, и его сигнал передается в вычислитель 16. Далее смесь проходит через выход 3 измерительного участка 1, на выход 11 всего устройства.

При одновременном измерении частоты вращения вала двигателя 14, пропорциональной объемному расходу смеси, измеряется объемный вес части смеси. По этим данным производят в вычислителе 16 операцию обработки результатов измерения для получения искомого результата - весового расхода G смеси путем умножения величины удельного веса (γ) на величину объемного расхода (Q).

Имеем две величины: первая измеренная величина - это вес части смеси на измерительном участке 5, полученный с помощью устройства измерения веса 6 и петлеобразного канала 5 и вторая измеренная величина - это частота вращения вала электродвигателя, умноженная на постоянный размерный коэффициент, пропорциональна объемному расходу среды Q на измерительном участке 1.

Произведение объемного расхода Q на удельный вес γ смеси пропорционально величине весового расхода смеси G=γQ.

Преимущества предлагаемого способа состоят в следующем:

- введение двух измерительных участков для получения данных о двух независимых переменных и для решения одного уравнения с двумя неизвестными γ и Q

G=γ к n g=к γ Q.

G - искомый весовой расход, к - коэффициент весового расхода, n - частота вращения вала электродвигателя 14 и одновременно мотора 4, q - литраж мотора 4 (объем смеси за один оборот мотора).

- сочетание способов измерения: измерения объемного расхода при нулевом перепаде давлений на моторе по частоте вращения его вала и измерения весовой части смеси методом компенсационного взвешивания.

- создание в устройстве одинаковой скорости для разных фаз смеси, в том числе образования пробкового режима, с помощью второго измерительного участка для более качественного и точного взвешивания смеси на первом измерительном участке.

Измерение расхода при нулевом перепаде давлений на моторе придает предлагаемому техническому решению следующие преимущества:

- значительное расширение диапазона измерений,

- отсутствие протечек при нулевом перепаде позволяет измерять расход с максимальной точностью по всему диапазону,

- среда не подвергается сжатию и расширению, проходя через измерительный участок при измерении объемного расхода,

- сведение к минимуму влияния плотности и вязкости среды,

- выравнивание скоростей различных фаз смеси на втором измерительном участке.

Устройство для реализации предлагаемого способа работает следующим образом.

Измерительный участок 5 конструктивно выполнен, например, как в [2, рис.7-4]

Контролируемая смесь поступает через входы 10 и 8 и упругий элемент 7 на измерительный участок 5, где проходит автоматическое взвешивание определенного объема. На фиг. для понимания процедуры взвешивания весоизмерительное устройство условно показано в той же плоскости, что и измерительные участки 1 и 5. Конструктивно весоизмерительное устройство находится в плоскости, перпендикулярной измерительным участкам. Под действием изменения веса при наличии различного состава ГЖС на участке 5 перемещения петлеобразного канала относительно входа 8 и выхода 9 через упругие деформируемые элементы 7 передаются на чувствительный элемент, например тензометрических весов 6 и далее в вычислитель 16 для обработки данных по весовому расходу ГЖС.

Далее контролируемая смесь продвигается на вход 2 измерительного участка 1 мотора 4. Измеритель перепада давления 12 фиксирует отклонения по перепаду давления между входом 2 и выходом 3 и передается их в устройство управления частотой вращения 13 вала электродвигателя 14. В устройстве элементы 1, 2, 3, 4, 12, 13, 14 вместе составляют регулятор по поддержанию перепада давления ΔР≈0 на измерительном участке 1. Регулятор поддержания нулевого перепада давления реагирует на изменение нагрузки по давлению как на входе 2, так и на выходе 3 участка 1. При превышении давления на входе 2 над давлением выхода 3 отрицательный сигнал по перепаду давления приводит к повышению частоты вращения вала мотора 4 для компенсации сигнала по перепаду давления. При положительном знаке перепада давления 12, устройство управления 13 частотой вращения вала электродвигателя 14 и мотора 4 уменьшает частоту вращения для снятия этого сигнала.

Таким образом, мотор 4 работает в режиме нулевого перепада на всем диапазоне частоты вращения вала вместе с электродвигателем 14.

Данные по частоте вращения, полученные с измерителя оборотов 15, передаются вычислителю 16 как величины пропорциональные действительному объемному расходу Q для обработки результатов измерения, преобразования и получения искомой величины в виде весового расхода G.

Весовые данные на участке 5 совместно с полученными данными по измерительному участку 1 формируют окончательно значение G весового расхода смеси в виде

G = γ K n q = K γ Q.

Преимущества устройства, реализующего предлагаемый способ, следующие:

- мотор 4 практически не имеет неучтенных перетечек, как внутри элементов мотора (например, винтов), так и снаружи между элементами и корпусом мотора, что значительно уменьшает погрешность измерения объемного расхода Q на измерительном участке 1,

- фактически диапазон измерения зависит от технических возможностей мотора и двигателя с большим диапазоном изменения частоты вращения,

- объем q (литраж), приходящийся на 1 оборот мотора, всегда один и тот же во всем диапазоне измерения и не зависит от типа жидкости и газа, плотности, вязкости и температуры перекачиваемой среды, поскольку геометрический объем замыкания, например между винтами, всегда один и тот же,

- погрешность исчисляется во всем диапазоне от текущего значения,

- повышается точность при измерении расходов смеси с высокими уровнями давления, в широком диапазоне изменения температур смеси,

- для повышения точности весового измерения выравниваются скорости различных фаз смеси.

1. Способ измерения весового расхода газожидкостной смеси, включающий организацию двух измерительных участков, на первом из которых по потоку измеряют вес смеси, а на расположенном по потоку за первым участком втором участке - объемный расход, по измеренному весу и известному объему первого измерительного участка определяют удельный вес смеси и вычисляют весовой расход путем умножения текущей величины удельного веса на объемный расход, отличающийся тем, что поддерживают нулевой перепад давления для выравнивания скоростей легкой и тяжелой фазы указанной смеси и одновременно измеряют объемный расход на объемном моторе по частоте вращения его вала.

2. Весовой расходомер газожидкостной смеси, содержащий два измерительных участка, причем вход второго по потоку участка расположен за выходом первого участка, на котором расположено весоизмерительное устройство, связанное с вычислителем, и объемный расходомер, отличающийся тем, что объемный расходомер включает в себя объемный мотор в составе контура поддержания нулевого перепада давления, расположенный на втором измерительном участке, измеритель частоты вращения вала двигателя, связанного с входным валом мотора, и измеритель перепада давления, связанный с устройством управления частотой вращения вала двигателя, при этом выход устройства управления связан с двигателем, а выход измерителя частоты вращения вала - с вычислителем.