Информатика, вычислительная техника
и управление
Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами
Мансуров А.А., аспирант
Кокуев А.Г., кандидат технических
наук, доцент
(Астраханский государственный технический университет)
РАСХОДОМЕТРИЯ МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ. НЕДОСТАТКИ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
В статье произведен обзор основных методов измерения многофазных потоков и их недостатков. Сформулированы основные проблемы, с которыми сталкиваются инженеры при их эксплуатации. Предложены возможные варианты модернизации многофазных расходомеров.
Ключевые слова: измерение, многофазные потоки, расходометры.
MULTIPHASE FLOWMETERS. WEAKNESSES AND TENDENCIES OF DEVELOPMENT
In the article an overview of the main methods of measuring multiphase flows and their weaknesses was made. The main problems with which engineers can be faced during their use were listed. Possible methods of upgrading multiphase flow meters were suggested.
Keywords: measurement, multiphase flows, flowmeters.
В связи с введением нового стандарта РФ на измерение количества извлекаемой из недр нефти и нефтяного газа (ГОСТ Р 8.615-2005) значительно вырос интерес к проблеме измерения расхода многофазных сред. Согласно вышеуказанному ГОСТу необходимо измерять количество сырой нефти и нефтяного газа на каждой скважине, где, как правило, на выходе мы получаем двух или трех-фазную среду.
Расходометрия многофазных потоков является областью, где невозможно применять единые универсальные методы и средства их реализации по причине значительных различий особенностей измерительного процесса в каждом конкретном случае. Например, при изучении вертикальных и горизонтальных потоков мы встречаемся с разными структурами течения и физическими условиями их проявления. Более того различия проявляются и в разных фазовых составах измеряемых сред и прочих изменяющихся условиях, в которых производятся измерения.
На сегодняшний день существует огромное множество методов и приборов измерения пофазового расхода, как основанных на сепарировании нефтеводогазовой смеси, так и определяющих пофазовый расход многофазового потока без его разделения. Однако несмотря на данное многообразие методов существуют значимые метрологические недостатки каждого из них. Во-первых, точность большинства существующих методов измерения по жидкой фазе эмульсии не превосходит 2%, газовой - 5%. С учетом разделения жидкой составляющей на нефть и воду, точность измерения расхода каждой из фаз ухудшается до приведенной погрешности 5-10%. Во-вторых, когда целью измерения расхода является не только балансовый учет, но и контроль технологических параметров добычи, переработки и транспортировки нефти, появляется необходимость определения режима течения среды. В настоящее время средств, позволяющих определять режим течения и его параметры не существует.
Одним из видов многофазных расходомеров являются кориолисовые расходомеры. Они напрямую измеряют массу и плотность проходящей через них среды и могли бы существенно упростить решение задачи учета сырой нефти на скважинах. Однако в реальности решение не получается настолько простым так, как измерение многофазных потоков кориолисо-выми расходомерами имеет свои нюансы.
Основной проблемой, с которой сталкиваются пользователи кориолисовых расходомеров, является недостаточная чувствительность при измерениях двухфазных текучих сред. Это означает, что показания прибора становятся неверными, либо, в худшем случае, вообще приборы перестают работать.
Кориолисовые расходомеры состоят из одной или двух трубок, колеблющихся по вертикали относительно направления потока. Сила Кориолиса определяется при условии, что все частицы, находящиеся в трубке, сдвигаются в сторону с амплитудой колебания трубы. Это прежде всего относится к однофазным потокам. При двухфазных потоках картина может измениться. К примеру, в случае когда твердая частица имеет плотность большую чем плотность среды, в которой она транспортируется, частица будет перемещаться относительно ее «родительской» фазы. Это в свою очередь приведет к следующим эффектам: из-за трения между частицей и средой будет происходить поглощение энергии; показания массового расходомера будут ниже, по причине того, что поперечное движение частиц менее активное.
Вышеуказанные эффекты и анализ опубликованных результатов испытаний показывают, что при измерении расхода многофазных потоков кориолисовыми расходомерами погрешность измерений может достигать 200%. На характер и величину ошибки влияют следующие факторы: размер частиц или пузырьков; плотность среды и ее соотношение с плотностью твердых частиц; вязкость среды; сила поверхностного натяжения; рабочее давление в расходомере; величина расхода; степень турбулентности; резонансная частота расходомера; конструкция сенсора и его размер.
К основным недостаткам кориолисовых расходомеров можно отнести следующее: большие потери давления; чувствительность к вибрации; сложность поверки на месте эксплуатации; малые диаметры трубопроводов; влияние отложений шлаков в трубопроводах.
В настоящее время большое распространение получили ультразвуковые расходомеры. Они основаны на измерении зависящего от расхода эффекта, возникающего при проходе акустических колебаний через поток жидкости или газа. Можно выделить два основных вида ультразвуковых расходомеров: основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой; основанные на эффекте Доплера.
В основу принципа работы первого вида ультразвуковых расходомеров положено измерение очень малого значения времени прохождения ультразвука, направленного по направлению потока и против него. Измерение можно произвести несколькими способами: фазовым (измеряется разность сдвигов по фазе колебаний, направленных по потоку и против него), времяимпульсным методом (производится непосредственное измерение разности времени прохождения коротких импульсов по и против потока), частотным методом (измеряется разность частот колебаний импульсов по потоку и против него). Наиболее распространен последний метод.
Однако все вышеуказанные методы измерения времени прохождения ультразвука имеют значительные погрешности. Основными источниками погрешностей являются:
- Неправильный учет профиля скоростей, который как правило учитывается поправочным коэффициентом. Однако в области границы ламинарного и турбулентного потоков определить точное значение поправочного коэффициента затруднительно либо вообще не возможно.
- Колебания скорости ультразвука, которые возникают вследствие изменения температуры, давления и состава или содержания отдельных компонентов в жидкостях и газах. Так
например в фазовых и времяимпульсных расходомерах при изменении скорости на 1% погрешность возрастает на 2%. - Акустические помехи. Они имеют различное происхождение. При расположении пьезо-преобразователей снаружи трубы часть акустической энергии отражается от границы раздела труба-жидкость и распространяется в виде акустических колебаний в стенке трубы, которые как правило, достигают приемного пьезоэлемента раньше чем акустические колебание, пропускаемые через жидкость.
Также к основным недостаткам данного вида ультразвуковых расходомеров можно отнести следующее: значительные длины участков до и после преобразователя; огромное влияние аэрации потока; обязательный контроль отложений в трубопроводе на рабочем участке; ограничения по минимальной скорости потока.
Работа доплеровских расходомеров основана на наличии в жидкости пузырьков газа, твердых частиц, или хотя бы градиентов плотности. Причем, грубо говоря, чем выше их концентрация - тем выше его точность. Эти примеси называются рассеивателями. Принцип измерения скорости основан на изменении частоты сигнала, отраженного движущимися рас-сеивателями.
Область применения доплеровских расходомеров не велика. Как, впрочем, и любых других. Для надежного и точного измерения расхода должны выполняться четыре основных требования.
1. Рассеиватели должны иметь отличное от жидкости полное акустическое сопротивление. Это функция от плотности и скорости звука. Идеальный рассеиватель должен иметь плотность, равную плотности жидкости, но другую скорость звука.
2. Частиц должно быть достаточно для того, чтобы вызвать продольное рассеивание.
3. Для каждого диаметра трубопровода продольное рассеяние должно иметь достаточную энергию для преодоления барьера Рэйля (энергетические затраты), создаваемого более мелкими частицами.
4. Скорость рассеивателей должна быть равна скорости жидкости.
Из всего выше сказанного можно сделать вывод о недостатках и преимуществах расходомеров, принцип работы которых основан на эффекте Доплера.
Достоинства: отсутствие необходимости «врезаться» в трубу; независимость измерений от вязкости, абразивности и других свойств потока; простота измерительных схем; отсутствие потери напора; мобильность; высокое быстродействие.
Недостатки: серьезные требования к потоку; большая погрешность.
Последние пять лет стали обширно применяться многофазные расходомеры, использующие радиоактивный источник для измерения коэффициента ослабления гамма-излучения. Они обычно используются как в сочетании с различными электромагнитными приборами для определения фазового состава потока, так и с различными датчиками. Широко известны такие устройства производства компании Schlumberger, как Vx Phase Watcher и Vx Phase Tester, а также MPFM от компании Roxar и MPFM Agar от компании Agar.
Как показали результаты испытаний, проводимые компанией Schlumberger на территории Астраханского газоперерабатывающего завода, прибор Vx Phase Watcher дает очень точные данные и может широко использоваться на высокодебитовых скважинах для постоянного мониторинга. Однако в данном приборе установлен радиоактивный источник, что требует соблюдения минимальных мер физической защиты от радиации. Более того, для использования устройств с радиоактивными источниками требуется получение лицензии Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору, санитарно-эпидемиологическое разрешение Федеральной службы по надзору в сфере защит
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.