НЕФТЕПРОМЫСЛОВОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
УДК 622.276.5.05.002.56
© Коллектив авторов, 2015
Проблемы измерения расхода и количества многофазных потоков1
A.А. Вакулин, Ю.А. Гильманов, Е.В. Голубев,
B.В. Котлов,
C.Г. Никулин
(Тюменский гос. университет), А.Н. Лищук
(ООО «УК «Группа ГМС»)
Адрес для связи: lan@hms.ru
Ключевые слова: многофазные стенды, многофазные расходомеры, многофазные потоки, гидродинамика, датчики, метрология, испытания, информационно-измерительные системы, автоматизация, виртуальные приборы.
Problems of multi-phase flow metering
A.A. Vakulin, Yu.A. Gilmanov, E.V. Golubev, V.V Kotlov, S.G. Nikulin
(Tyumen State University, RF, Tyumen),
A.N. Lishchuk (HMS Group Management ^^pany LLC, RF,
Moscow)
E-mail: lan@nms.ru
Key words: multi-phase flow loop, multi-phase flow meter, multi-phase flow, flow dynamics, detector, metrology, tests, information and measurement system, automation, virtual set.
The authors discuss the problems of multi-phase flow metering. The article provides data on new multi-phase flow loop, mobile separation unit and small-size metering station. A list of pending tasks is made.
Проблемам корректного измерения расхода и количества многофазных потоков посвящены многочисленные публикации, например [1-4]. На месторождениях Западной Сибири наиболее актуальным в настоящее время является измерение расхода и количества двух видов многофазных потоков: нефтегазового и газоконденсатного. Данные потоки значительно различаются по содержанию жидкой фазы. Объемное содержание жидкой фазы в нефтегазовых потоках на устье скважин составляет 7-90 %, а газоконденсатные потоки содержат жидкую фазу объемной концентрацией 0,5-5 %.
Измерение малого количества жидкой фазы вызывает значительные трудности. Чем меньше содержание жидкой фазы, тем сложнее определить ее количество. В то же время относительная погрешность измерения количества жидкой фазы не должна превышать 5 %.
Можно выделить три направления исследований гидродинамики газожидкостных смесей.
1. Теоретические исследования. Прежде всего это вывод дифференциальных уравнений двухфазных течений на основе уравнений гидродинамики с использованием идей и методов пространственного и временного усреднения, а также исследования волновых течений тонких слоев вязкой жидкости.
2. Полуэмпирические исследования. Например, экспериментально определяются зависимости, описывающие распределение скоростей и содержание газа в поперечном сечении потока, затем эти зависимости используют-
ся при интегрировании исходных дифференциальных уравнений. С применением данных методов удается исследовать какую-либо одну из многих возможных структур течения смеси. Новым перспективным видом исследований в гидродинамике смесей является изучение пульсационных составляющих двухфазного потока, которое позволяет использовать метод анализа двухфазных течений, подобный полуэмпирической теории турбулентности в однофазной гидродинамике. К полуэмпирическим относятся также исследования перехода фаз вследствие как теплообмена, так и изменения давления насыщения в процессе движения двухфазной смеси по трубопроводу.
3. Экспериментальные исследования. Для обобщения экспериментальных данных используются критерии подобия, а для вычисления искомых величин - уравнения движения двухфазной смеси, записанные в одномерном (гидравлическом) приближении.
Необходимо отметить, что измерение расхода и количества многофазных потоков с требуемой точностью является сложной научно-технической задачей. Существует два типа расходомеров-счетчиков, предназначенных для ее решения: сепарационные и бессепарационные. В первом случае проводится физическое разделение многофазного потока на составляющие: нефть, газ и воду. Затем расход и (или) количество каждого компонента измеряются стандартными однофазными расходомерами-счетчиками, работа которых основана на раз-
1Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках реализации проекта по Постановлению Правительства № 218 от 9 апреля 2010 г., по договору № 02. G 25.31.0020. АО «ГМС Нефтемаш» совместно с ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет».
личных физических принципах. При применении бессе-парационных расходомеров-счетчиков многофазный поток на составляющие не разделяют. Расход и количество каждого компонента рассчитываются на основе физико-математического и гидродинамического моделирования многофазного потока с использованием необходимых для применяемой модели экспериментально измеренных параметров.
Одним из важнейших условий коммерческого использования многофазных расходомеров является создание для них метрологического обеспечения с целью определения (или подтверждения) показателей точности. В связи с этим производители многофазных расходомеров любого типа должны иметь доступ к эталону многофазного потока, на котором можно проводить испытания расходомеров и другие метрологические работы (например, калибровку и поверку). В России такие эталоны в настоящее время имеются в Татарстане (ФГУП ВНИИР, г. Казань), Башкортостане (ОАО «АК «ОЗНА», г. Октябрьский), Республике Коми (ОАО «ЛУКОЙЛ-Коми», г. Усинск). В Тюменской области полноценного стенда многофазных потоков до недавнего времени не было.
Согласно Постановлению Правительства № 218 от 09.04.10 г. в АО «ГМС Нефтемаш» (г. Тюмень) совместно с ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет» в рамках реализации проекта «Разработка и серийный выпуск измерительной установки для учета добываемых нефти и газа на месторождениях, находящихся на стадии завершающей добычи» в соответствии с Государственной поверочной схемой был создан эталон расхода многофазного потока 1-го разряда - проливной «Научно-испытательный стенд многофазных потоков» (НИСМП). Стенд предназначен для воспроизведения и хранения единицы массового расхода газожидкостных смесей в диапазоне от 0,2 до 100 т/ч и передачи ее размера рабочим эталонам 2-го разряда и рабочим средствам измерений массового расхода газожидкостных смесей. Стенд может быть использован для испытаний, настройки, калибровки и поверки многофазных расходомеров, различных однофазных счетчиков и измерительных установок серии «МЕРА», таких как «МЕРА-ММ», «МЕРА-МИГ», «МЕРА-МР» [6, 7].
НИСМП представляет собой сложное инженерное сооружение, оснащенное емкостями хранения сред, сепараторами, смесителями, замкнутой системой герметичных трубопроводов, прецизионной трубопроводной арматурой, датчиками, образцовыми расходомерами, насосами, компрессорами, системой управления и другим оборудованием (рис. 1). Подробное описание стенда приведено в работах [5-7].
Система автоматизации НИСМП представляет собой стандартную трехуровневую иерархическую систему:
- нижний уровень: датчики (измерительные преобразователи) и исполнительные механизмы, в том числе запорная арматура;
- средний уровень: многофункциональная платформа с блоками ввода - вывода; здесь осуществляются сбор и первичная обработка технологической информации и управление запорной арматурой;
- верхний уровень: автоматизированное рабочее место оператора, где выполняются сбор и хранение ин-
Рис. 1. Научно-испытательный стенд многофазных потоков АО «ГМС Нефтемаш»
формации со всех технологических объектов, ее отображение в табличном и графическом видах, а также в виде мнемосхем, ведение архива.
В качестве устройства сбора и первичной обработки информации применяется надежная многофункциональная платформа NI PXIe-8135 (National Instruments), предназначенная для создания гибких и мощных систем измерений и автоматизации. PXI объединяет скорость и производительность шины PCI с расширенными возможностями тактирования и синхронизации в надежном корпусе модульной платформы CompactPCI. Для вторичной обработки информации в НИСМП используются виртуальные приборы, созданные с применением специального графического языка программирования LabView: программирование выполняется не символьными командами построчно, а с использованием графических символов или объектов, реализующих функции, аналогичные функциям процедур, составленных из символьных команд в других языках программирования. Скриншот мнемосхемы главного окна на мониторе оператора НИСМП приведен на рис. 2.
По организации алгоритма функционирования указанная информационно-измерительная система относится к интеллектуальной, обладающей способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования, а также к выполнению всех функций измерения и контроля в режиме реального времени. Интерфейс работы оператора с исполнительными механизмами показан на рис. 3.
Автоматизированная система управления научно-испытательного стенда многофазных потоков, созданная на языке LabView, обеспечивает:
- работу стенда в ручном и автоматическом режимах;
- формирование гидравлической схемы путем открытия и закрытия запорно-регулирующей арматуры;
- прием, обработку, хранение, индикацию измерительной, сигнальной и управляющей информации;
- прием, обработку, индикацию и хранение информации, выдаваемой поверяемому средству измерений;
- формирование и печать протоколов установленной формы;
- синхронизацию сигналов измерительной информации, поступающих от поверяемого средства измерения и систем измерений, входящих в состав НИСМП;
- ручной ввод условно-постоянных параметров с пульта управления;
- ручное и дистанционное управление электро- и пневмоприводами кранов и клапанов;
Рис. 2. Мнемосхема главного окна НИСМП
Рис. 3. Интерфейс работы с произвольным клапаном и насосом
- формирование обобщенного сигнала аварии при отклонениях режимов работы оборудования от нормальных; расшифровку сигнала на месте по конкретным признакам аварии; включение при необходимости тревожной сигнализации и передачу сигнала об аварии в систему телемеханики.
Созданный на базе АО «ГМС Нефтемаш» НИСМП представляет собой один из самых современных стендов не только в России, но и в мире. Тем не менее следует отметить, что создание НИСМП - источника нормированных многофазных потоков - является необходимым, но недостаточным условием для разработки и применения в и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.