BR112017028145B1

BR112017028145B1 - determinação da composição fásica de um fluxo de fluido

Info

Publication number: BR112017028145B1
Application number: BR112017028145-7A
Authority: BR
Inventors: Lars Brenne; Svend Tarald Kibsgaard; Bjarne MONSEN; Tom Odin Gaustad
Original assignee: Statoil Petroleum As
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2021-01-12
Also published as: RU2724429C2; AU2015400261B2; US20180188226A1; AU2015400261A1; RU2018101963A; GB2556499B; GB2556499A; US11022595B2; RU2018101963A3; WO2016206761A1; NO20180094A1; BR112017028145A2; GB201721790D0; CA2990516C; CA2990516A1

Abstract

Trata-se de um método de identificação da composição fásica e/ou mudanças na composição fásica de um fluido que flui através de uma turbomáquina. O método compreende as etapas de (a) monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina, e (b) empregar uma correlação conhecida entre composição fásica, e ou mudanças de composição fásica, e mudanças no parâmetro (ou parâmetros) elétrico para associar as mudanças monitoradas com mudanças na composição fásica real do fluido.

Description

CAMPO DA TÉCNICA

[0001] A presente invenção refere-se à determinação da composição fásica de um fluxo de fluído através de uma turbomáquina, tal como uma turbina, compressor ou bomba.

ANTECEDENTES

[0002] Turbomáquinas são máquinas que transferem energia entre um rotor e um fluido. Turbomáquinas, tais como compressores e bombas, são usadas para pressurizar fluidos, enquanto turbinas são usadas para transferir energia do fluido ao rotor, por exemplo, para o propósito de gerar eletricidade. Na indústria de óleo e gás, o fluido produzido de um poço pode ser compreendido ou bombeado com o uso de turbomaquinário de modo a ajudar no transporte do fluido a outro local distante do poço. As turbomáquinas podem ser muito importantes em estender a vida de um poço de hidrocarboneto além do ponto no tempo quando a pressão disponível dessa formação estiver abaixo do exigido para produção não auxiliada. Uma turbomáquina pode ser usada para abaixar a pressão em direção ao reservatório, sugando de modo eficaz os hidrocarbonetos da formação, e então fornecendo fluido pressurizado no lado de entrega (saída). A turbomáquina exemplificadora para uso na produção de hidrocarboneto é descrita nos documentos no WO2009/131462 e no WO2012/007553.

[0003] O fluido de um poço que produz hidrocarboneto pode ser tipicamente um fluido “multifásico” que contém tanto componentes de fase gasosa quanto componentes de fase líquida em alguma proporção. Compressores e bombas tradicionais são projetados para pressurizar gás e líquido e fase única, respectivamente. No caso de uma operação indesejável de uma usina de processo, o líquido pode ser conduzido com o gás no compressor e, de modo similar, o gás pode entrar na bomba. A presença de líquido no gás que é pressurizado pelo compressor pode induzir à incrustação, o que pode, por sua vez, causar impacto no comportamento dinâmico de rotor e na capacidade da máquina de produzir um aumento de pressão. De modo similar, a presença de gás de cativação ou do processo pode reduzir o desempenho da bomba.

[0004] Nos últimos anos, o máquinário de pressão e bombeamento também foi desenvolvido em que o fluido de processo pode consistir em uma mistura de gás e líquido. É importante com tal maquinário saber a razão de mistura do gás e fase líquida para garantir a proteção e operação correta da instalação.

[0005] É desejável ter capacidade de monitorar a composição fásica de um fluido que flui através de uma turbomáquina, isto é, as proporções relativas de líquido e gás. Mais particularmente, é desejável ter capacidade de monitorar mudanças nessa composição fásica, por exemplo, de modo a ter capacidade de controlar usina a jusante para alcançar um melhor fluxo de fluído de fase única. Abordagens tradicionais para alcançar isso utilizam um dispositivo de fluxo localizado na turbomáquina entrada ou saída. Um exemplo de tal dispositivo de fluxo é o medidor de fluxo multifásico que usa uma combinação de medições que incluem temperatura e pressão, e medições obtidas com o uso de uma fonte nuclear. No entanto, tais métodos conhecidos têm a desvantagem de que os mesmos adicionam complexidade que confere a disponibilidade e custos do sistema total.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0006] O objetivo desta invenção é analisar sinais disponíveis, tais como, porém, sem limitação, corrente de motor, forças de apoio, posição de eixo, velocidade rotacional de eixo, e/ou deslizamento de motor para determinar, por exemplo: • se gás estiver presente dentro de uma fase líquida contínua e para quantificar a quantidade de gás disperso na fase líquida; • se líquido estiver presente dentro de uma fase gasosa contínua e para quantificar a quantidade de líquido inserida na fase gasosa.

[0007] De acordo com um primeiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método de identificação da composição fásica e/ou mudanças na composição fásica de um fluido que flui através de uma turbomáquina. O método compreende as etapas de (a) monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina, e (b) empregar uma correlação conhecida entre composição fásica e ou mudanças de composição fásica, e mudanças no parâmetro (ou parâmetros) elétrico para associar as mudanças monitoradas com mudanças na composição fásica real do fluido.

[0008] Será verificado que a expressão “composição fásica” é usada para indicar as proporções relativas das fases presentes no fluido, por exemplo, líquido e gás, assim como, opcionalmente, as identidades das fases presentes no fluido.

[0009] O parâmetro elétrico pode ser um parâmetro de uma fonte de alimentação elétrica usada para acionar um motor do turbocompressor, por exemplo, a corrente, tensão ou potência da fonte de alimentação. A fonte de alimentação elétrica pode ser controlada por um conversor de frequência ou uma frequência de rede elétrica fixa. O método pode compreender adicionalmente configurar o dito conversor de frequência ou uma frequência de rede elétrica fixa para manter uma velocidade de motor substancialmente constante ou nível de compressão de fluido.

[0010] Alternativamente, o parâmetro pode ser um parâmetro de um sinal elétrico captado ou de um sinal de controle, por exemplo, um parâmetro de um sinal de controle usado para estabilizar a turbomáquina.

[0011] A etapa de monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina pode compreender monitorar mudanças no valor absoluto do dito parâmetro.

[0012] A etapa de monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina pode compreender monitorar mudanças em um desvio do dito parâmetro, por exemplo, mudanças no desvio padrão do parâmetro. O método pode compreender adicionalmente amostrar o desvio do parâmetro elétrico em cada uma das janelas de amostragem sucessivas.

[0013] As mudanças na composição fásica podem ser mudanças na fração líquida de um fluido que contém líquido e gás. O método pode compreender com o uso das mudanças identificadas na fração líquida para detectar lamas líquidas no fluido.

[0014] A presente invenção é aplicável, em particular, embora não seja necessário, ao caso em que o dito fluido compreende hidrocarbonetos que fluem de um poço de produção, e a turbomáquina é fornecida em um local submarino.

[0015] O método pode compreender adicionalmente introduzir um componente a montante de uma entrada da turbomáquina de modo a causar oscilações de uma fase indesejada do fluido.

[0016] De acordo com um segundo aspecto da presente invenção, é fornecido um método de controle de uma válvula associada a uma turbomáquina e que compreende o uso do método do primeiro aspecto acima para identificar mudanças na composição fásica de um fluido que flui através da turbomáquina, e controlar a dita válvula em dependência de mudanças identificadas.

[0017] De acordo com um terceiro aspecto da presente invenção, é fornecido um método de detecção de uma operação defeituosa de uma turbomáquina, sendo que o método compreende identificar mudanças na composição fásica de um fluido que flui através de uma turbomáquina com o uso do método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, e detectar mudanças no dito pelo menos um parâmetro elétrico que não pode ser correlacionada com mudanças no fluido composição fásica e que usa essas mudanças para identificar a dita operação defeituosa.

[0018] De acordo com um quarto aspecto da presente invenção, é fornecido um monitor para monitorar mudanças na composição fásica de um fluido que flui através de uma turbomáquina e que compreende um detector para monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação de uma turbomáquina, e um analisador para empregar uma correlação conhecida entre composição fásica ou mudanças de composição fásica, e mudanças no parâmetro (ou parâmetros) elétrico para associar as mudanças monitoradas com a composição fásica real do fluido ou mudanças na composição real.

[0019] De acordo com um quinto aspecto da presente invenção, é fornecido um programa de computador que, quando executado em um computador, faz com que o computador monitore mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado a uma turbomáquina, e empregue uma correlação conhecida entre composição fásica, ou mudanças na composição fásica, e mudanças no parâmetro (ou parâmetros) elétrico para associar as mudanças monitoradas com a composição fásica real de um fluido, ou mudanças na composição de fluido real, que flui através do fluido de turbomáquina.

[0020] De acordo com um sexto aspecto da presente invenção, é fornecido um método de determinação da composição de uma fase líquida de um fluido multifásico que flui através de uma turbomáquina, sendo que o método compreende com o uso do método do primeiro aspecto acima para identificar a composição fásica e/ou mudanças na composição fásica do dito fluido, medir a temperatura do fluido na entrada e na saída de fluido da turbomáquina, com o uso da diferença em temperaturas na entrada e na saída, em combinação com a composição fásica identificada e/ou mudanças identificadas in composição fásica, para determinar a composição da fase líquida.

[0021] De acordo com um aspecto adicional da presente invenção, é fornecido um método de determinação de formação de uma fase líquida que flui através de uma turbomáquina. Isso leva em consideração que, em que a fase primária é gás, a presença de líquido no compressor é propensa a resfriar o gás durante o processo de compressão. Para uma temperatura de entrada de 15° C, na ausência de fase líquida, a temperatura de saída pode ser esperada como cerca de 100° C. Na presença de um líquido, a temperatura de saída pode ser reduzida para 96° C devido à evaporação do condensado/óleo. No entanto, o grau ao qual a temperatura de saída é reduzida dependerá da natureza da fase líquida. O óleo contribuirá muito mais para resfriar o gás durante o processo de compressão visto que o mesmo evaporará parcialmente, enquanto a presença de água (e ou MEG (glicol) produzirá somente resfriamento mínimo (algum resfriamento adicional será efetuado pelo gás devido à maior temperatura, mas não na mesma extensão conforme se resultará da presença de condensado/óleo). Medindo-se a pressão e temperatura na entrada e a saída da máquina, o efeito de resfriamento real (energia removida) fornecida pelos líquidos pode ser determinado. Comparando-se isso, por sua vez, com a energia removida de um processo de compressão normalmente seco, a composição líquida na entrada pode ser estimada, isto é, o quanto é água/glicol em comparação ao óleo/condensado.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0022] A Figura 1 ilustra regimes de fluxo de fluido multifásico ou padrões que existem como uma função da razão de mistura, ilustrado com o uso de velocidades de gás e líquido exemplificadoras;

[0023] A Figura 2 ilustra esquematicamente um compressor compacto típico, com motor e compressor integrados no mesmo invólucro de pressão;

[0024] A Figura 3 ilustra esquematicamente um sistema para monitorar mudanças na composição fásica de um fluxo de fluído através de um (conversor de frequência acionado) motor compressor;

[0025] A Figura 4 é uma representação de um dispositivo de computador para uso com o sistema da Figura 3;

[0026] A Figura 5 ilustra a oscilações de corrente de motor medidas (eixo geométrico direito) versus tempo, plotadas junto com uma taxa de fluxo de massa de injeção de líquido real (eixo geométrico esquerdo); e

[0027] A Figura 6 é um fluxograma que ilustra um método de determinação de mudanças na composição fásica de um fluxo de fluído através de um compressor.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0028] Uma abordagem de determinação da composição fásica de um fluxo de fluído através de uma turbomáquina, tal como um compressor ou bomba, será agora descrita. Essa abordagem é baseada na observação de que a qualidade do gás de um fluido multifásico determina o regime de fluxo conforme descrito na Figura 1 e também causa impacto no nível de oscilações de taxa de fluxo de massa no fluido. Tais oscilações de taxa de fluxo de massa no fluido de chegada à máquina geram diferentes níveis de oscilações em sinais elétricos observáveis em relação ao comportamento e desempenho de turbomáquina.

[0029] Para um fluido, a fração em massa de gás (GMF) ou qualidade do gás é definida como:

[Equação]

[0030] em que as taxas de fluxo de massa são indicadas mG para a fase gasosa, mA para a fase aquosa (incluindo, se for relevante, líquidos diferentes de óleo), mc para a fase de óleo ou condensado, e mL para a fase líquida livre total.

[0031] De modo similar, uma fração de volume de gás (GVF), que compara a taxa de volume de gás com o volume de tubo real, presumindo que o gás e líquido se comportem de modo homogêneo, é definido como.

[Equação 2]

[0032] em que Q indica gás taxas de volume que aplicam a nomenclatura da Equação 1.

[0033] Uma velocidade superficial (U) tanto de líquido quanto de gás é definida como se a fase única de fluido utilizasse o tubo completo ou área de fluxo disponível (isto é, a área de corte transversal, ACR).

[Equação 3] [Equação 4]

[0034] Diferentes padrões de fluxo multifásico podem ser descritos com base no comportamento visual real da mistura de gás e líquido. A Figura 1 ilustra quão diferente os padrões de fluxo para uma mistura de gás e líquido se desenvolvem dependendo da razão de mistura das duas fases com o uso das velocidades superficiais para o líquido (eixo geométrico x) e gás (eixo geométrico y).

[0035] A natureza do comportamento de fluxo multifásico é transiente, dependendo do regime de fluxo ou da razão de mistura de gás e líquido. Tipicamente, uma baixa velocidade de fluido com uma grande quantidade de líquido, gera bolhas ou fluxo disperso. Tal sistema dominante de líquido será normalmente pressurizado com o uso de uma bomba, e várias quantidades de gás inserido na fase líquida causarão impacto na densidade de volume real da mistura. Como as bolhas de gás se comportam de modo transiente, a taxa de fluxo de massa real para a bomba variará.

[0036] No caso de sistemas dominantes de gás, o líquido será arrastado como filmes nas paredes do sistema e/ou estará presente como uma névoa ou gotas arrastadas que se deslocam com velocidade similar à fase gasosa. O comportamento transiente de massa de tal composição de fluido é crescente com o teor de líquido.

[Equação 5]

[0037] onde as densidades aplicadas são definidas como pmix para a mistura de gás e líquido (fluido multifásico), PG para a densidade do gás, e PL para a densidade de volume do líquido.

[0038] Se uma das fases de fluido em um fluido multifásico se comportar de modo transiente, isto é, a taxa de fluxo de massa muda com o tempo, a taxa de fluxo de massa real que entra a turbomáquina também mudará. Tal mudança da taxa de fluxo de massa causará impacto no torque exigido para manter uma bomba ou compressor em execução com uma velocidade constante ou velocidade de rotor. Se um conversor de frequência (por exemplo, acionamento de velocidade variável - VSD) for aplicado em um motor acionado elétrico, a mudança de torque exigida será refletida em uma corrente de motor mudada para manter a mesma velocidade rotacional.

[0039] A Figura 2 ilustra esquematicamente um motor-compressor compacto típico para uso em produção de hidrocarboneto submarino. O motor 10 compreende um estator fixado 1 1 com enrolamentos de estator 12, e um rotor 13. O rotor 13 é acoplado a um rotor adicional 15 do compressor 16. Vários impulsores 17 são anexados ao rotor de compressor 15. Os impulsores são girados pelo rotor 15 de modo a mover fluido de uma entrada de compressor 18 a uma saída de compressor 19. Os rotores de motor e compressor são mantidos em posição por mancais radiais 20 e mancal axial 22. Em uso, o fluido na saída estará em uma pressão significativamente maior do que o fluido na entrada.

[0040] Assim como enrolamentos de estator para acionar o rotor, o motor e compressor podem ter componentes adicionais para controlar e estabilizar o movimento ou desempenho de rotor. Por exemplo, o compressor pode compreender meios 22 para controlar axialmente a posição do rotor 15, funcionando para superar quaisquer forças de empuxo excessivas do rotor 15. O compressor também pode compreender um sensor 21 - que poderia ser, por exemplo, um keyphasor -usado para medição de velocidade rotacional. Dados disponíveis do sensor 21 ou corrente da fonte de alimentação ao motor podem ser analisados conforme descrito na Figura 6 para quantificar a composição de fluido processada pela máquina.

[0041] Em um sistema compressor acionado elétrico típico, um conversor de frequência (FC) pode ser usado. Para um motor-compressor acoplado direto conforme mostrado na Figura 2, o conversor de frequência converte uma frequência de suprimento fixada para uma frequência de motor exigida proporcional à velocidade de compressor para um eixo de motor-compressor acoplado direto conforme mostrado na Figura 2. Em referência à Figura 3, um sistema que utiliza um conversor de frequência compreende um compressor 2 que recebe fluido multifásico de um reservatório ou sistema de tubo em uma entrada 3 (embora mostrado esquematicamente, o motor-compressor pode se conformar geralmente à disposição descrita em relação à Figura 2). O fluido multifásico é um fluido que compreende gás e líquido. O fluido atravessa o compressor a uma saída 4, e o compressor atua para pressurizar o fluido. O compressor tem um alojamento no qual são fornecidos os impulsores giratórios (não mostrados), que giram para comprimir o fluido. Os impulsores são fornecidos na trajetória de fluxo do fluido através do compressor alojamento entre a entrada e a saída. O compressor 2 é acionado por um motor elétrico 5 que, por sua vez, é suprido com energia elétrica de uma fonte de alimentação elétrica 7 por meio de um controlador 6. O controlador 6 é disposto para controlar ou ajustar a frequência do sinal de acionamento de motor de modo a alcançar uma velocidade desejada. Embora a fonte de alimentação 7 e o controlador 6 possam ser colocalizados com o motor 5, os mesmos também podem ser localizados remotamente, em alguns casos, muitas dezenas de quilômetros de distância.

[0042] Na operação normal, a turbomáquina precisa ter capacidade de atingir a taxa de produção desejada, o que significa que a velocidade ou revoluções por minuto dos impulsores é mudada para acomodar a pressão de saída exigida ou resistência de fluxo de sistema de tubo a jusante. A frequência de execução e, desse modo, a razão ou trabalho de pressão de compressor pode ser definida no conversor de frequência controlador. Conforme será verificado, na presença de uma composição de fluido oscilante, a carga no compressor varia e a frequência controlador regula a corrente para atingir o torque exigido para manter a frequência operacional ou velocidade rotacional.

[0043] Conforme já foi discutido, o líquido está tipicamente presente no fluido bombeado em pequenas quantidades para a maioria dos campos de gás de hidrocarboneto, por exemplo, até 5% teor de líquido em volume. A fase líquida é dispersa na fase gasosa contínua e o fluido é pressurizado transferindo-se energia mecânica através do compressor. No entanto, a composição de um fluido multifásico transportada dentro de um tubo oscila ao longo do tempo, de modo que a quantidade de líquido no fluido que entra no compressor possa variar.

[0044] Conforme observado na Figura 3, um dispositivo de medição elétrico 8 é fornecido na linha de suprimento elétrico ao motor 5. O dispositivo de medição 8, por exemplo, um medidor de volts ou medidor de amps, mede parâmetros de energia elétrica, ou seja, corrente fásica (lp) e tensão fásica (Vp), suprida pela fonte de alimentação ou, nesse caso, o conversor de frequência, ao motor 5. [Será evidentemente verificado que o dispositivo de medição 8 não precisa ser localizado dentro do FC, mas poderia ser localizado em qualquer ponto apropriado na linha de suprimento, por exemplo entre o FC e o motor. O dispositivo 8 pode ser então acoplado, por exemplo, em um computador padrão que é configurado para analisar o sinal de potência.] De modo a manter uma velocidade pré-definida durante a operação do compressor na presença de um fluxo com carga variada, a corrente suprida é variada de modo correspondente. Aumentando-se a corrente, o torque é aumentado e o compressor realiza mais trabalho contra a carga exercida pelo fluido para manter a velocidade desejada. A resposta de corrente e tensão medida do conversor de frequência pode ser então usada para determinar uma propriedade de fluído.

[0045] Mais especificamente, a corrente de motor medida é proporcional ao trabalho transferido pelo rotor de compressor ao fluido. Por sua vez, o trabalho realizado pelo compressor pode ser relacionado à composição do fluido, isto é, mistura de gás e líquido, através da seguinte equação de trabalho politrópico (6) e a equação de potência de entrada de motor (8):

[Equação 6]

[0046] em que

[Equação 7]

[0047] e em que p1 e p2 são as pressões de entrada e saída do compressor, e PHI e pH2 são as densidades de volume multifásicas na entrada e na saída de compressor.

[Equação 8]

[0048] em que o mtp é o fluido multifásico taxa de fluxo de massa [kg/s], YTP o trabalho teórico de fluido multifásico [J/kg] definido na Equação 6, e nTp e nm representam a eficiência de compressor e motor, respectivamente.

[0049] A fonte de alimentação elétrica (Equação 8) é igual ao aumento de energia de fluído através da máquina conforme mostrado na Equação 8, isto é;

[Equação 9]

[0050] em que PE é a equação normalmente usada para a fonte de alimentação a um motor trifásico convencional que usa a tensão linha a linha ULL e a corrente de linha IL_RMS.

[0051] Conforme pode ser observado a partir da Equação 9, a potência de compressor é proporcional à mudança na taxa de fluxo de massa (composição de fluido) ao compressor e tal transiente é também proporcional à mudança de corrente de linha IL_RMS com a mesma magnitude para uma frequência de execução e assim a tensão linha a linha ULL se mantém constante. Consequentemente, supondo que frações de líquido e gás estejam presentes na entrada, e a fração líquida aumenta, então a taxa de fluxo de massa e a densidade de volume são aumentadas. Conforme a Equação indica, o trabalho do compressor então aumenta. A corrente de motor necessária para gerenciar o fluido com a densidade mudada no mesmo nível de compressão é então afetada de modo similar. Realizando-se uma análise da corrente elétrica, a composição do fluxo de fluído pode ser determinada.

[0052] O controle de um válvula antioscilação 9 pode ser alcançada com o uso da propriedade de fluído determinada quando for necessário. Por exemplo, em que uma diminuição significativa no teor de líquido é identificada, a válvula antioscilação pode ser atuada para permitir que o fluido flua da saída do compressor para a entrada de modo a evitar surto no compressor. O controle de um válvula antioscilação com o uso de um medidor multifásico conhecido é descrito no documento no WO2012/007553.

[0053] Um algoritmo de software pode ser usado para analisar a corrente de motor sinusoidal do conversor de frequência. Uma raiz média quadrática (RMS) da corrente é obtida e armazenada para cada período sinusoidal: se o motor operar em 120 Hz, 120 pontos de dados são coletados para cada dada janela de amostra consecutiva. O desvio padrão dos 120 pontos para cada janela de amostra é obtido. O resultado é uma medição contínua do nível de oscilação real da corrente de acionamento de motor. Isso é descrito adicionalmente abaixo em referência à Figura 5.

[0054] Em referência adicional agora à Figura 4, o dispositivo de controlador 6 é mostrado em mais detalhes. Conforme pode ser observado, o controlador tem um dispositivo In/Out 30, um microprocessador 31 e uma memória 32. A memória pode ser usada para armazenar um programa de computador de controle para controlar a fonte de alimentação, e o microprocessador pode ser usado para executar o programa. O programa tem instruções que, quando executadas pelo processador, gera um sinal de controle para enviar à fonte de alimentação. O sinal de controle inclui informações para que a fonte de alimentação forneça a corrente elétrica necessária ao motor para alcançar a velocidade desejada.

[0055] O dispositivo In/Out 30 é usado para enviar o sinal de controle. O dispositivo In/Out 30 é também usado para receber os dados de parâmetro elétrico do dispositivo de medição de corrente 8 e também para receber dados de velocidade. O processador 31 é usado para processar os dados recebidos. A memória 32 pode ser usada para armazenar a velocidade de compressor desejada ou dados de nível de compressão, por exemplo, uma velocidade desejada definida para o compressor, ou um programa de velocidade desejado para o compressor, por exemplo, programa de inclinação de velocidade para cima que compreende a velocidade desejada em relação ao tempo. O processador pode operar para realizar uma comparação da velocidade data com os dados de referência ou velocidade definida, de modo a determinar a possibilidade de aumentar ou diminuir a corrente. Essa comparação pode ser realizada de acordo com o programa de computador. A memória pode armazenar adicionalmente um programa de computador de análise que compreende instruções para analisar os dados de parâmetro elétrico. O processador pode executar o programa de análise para estimar a propriedade de fluído a partir dos dados de parâmetro elétrico, por exemplo, multiplicando-se os dados de parâmetro elétrico com um correlacionador pré- determinado para obter a propriedade do fluxo de fluído.

[0056] Em outras modalidades, o aparelho pode ser fornecido com um dispositivo de computador, que pode compreender o controlador 6 ou componentes do mesmo. Em um exemplo, o dispositivo de computador inclui o controlador 6 e um visor. Os dados recebidos, processados e/ou analisados pelo controlador podem ser exibidos no visor para análise por um usuário. Em algumas variantes, o aparelho de computador ou controlador ou componentes do mesmo podem ser distribuídos, e em comunicação em uma rede. Desse modo, as linhas de conexão entre componentes 30, 31 e 32 mostrados na Figura 4 podem ser consideradas enlaces de comunicação. Em outras modalidades, o controlador 6 pode ser fornecido como uma unidade individual.

[0057] Conforme foi proposto, pela amostragem do desvio padrão da corrente de suprimento ao motor, inferências podem ser realizadas sobre a composição fásica do fluido. Novamente em referência à Figura 5, isso mostra os efeitos de aumento da proporção de líquido em um fluxo de fluído através do compressor. A linha relativamente fina (mais estável e começando em “0” no eixo geométrico de Tempo) indica a quantidade de líquido injetada medida por uma fonte de referência. A injeção de fluido é realizada em etapas em tempos indicados por mudanças de etapa em linha. A corrente suprida para manter uma velocidade de compressor constante é mostrada pela linha relativamente espessa (que varia altamente e começa em aproximadamente “16:00 no eixo geométrico de Tempo). Não somente há um aumento na corrente, mas o desvio mostrado pela linha espessa, por exemplo, o desvio padrão, da corrente de suprimento medida aumenta. Consequentemente, grandes desvios observados na corrente medida podem indicar uma grande quantidade de líquido. O desvio é um parâmetro adicional que pode ser usado junto com a corrente para diagnosticar problemas. Por exemplo, se a corrente for aumentada, mas o desvio não for, então poderia ser possível concluir que o aumento de corrente não se dá devido ao teor de líquido no fluxo, mas tem outras origens. Por exemplo, o mesmo pode indicar desgaste nos componentes de compressor.

[0058] Deve-se observar que, em referência à Figura 5, no exemplo considerado, a corrente de desvio padrão de motor (A) corresponde à taxa de fluxo de massa de líquido (Kg/s). Isso resulta, no entanto, do exemplo particular considerado. Para outras máquinas, pode ser necessário adicionar uma constante à corrente de desvio padrão de motor, e calibrar os dados medidos com o uso de resultados observados anteriormente.

[0059] Empregando-se a abordagem inovadora e inventiva descrita aqui, pode ser possível eliminar a necessidade de medidores de fluido multifásico para determinar a composição fásica ou o teor de líquido no fluxo de fluído. Se usados junto com um medidor de fluxo, os dados de corrente podem ser um indicador de diagnóstico para o compressor. Desse modo, por exemplo, se a corrente e o desvio aumentarem com o aumento de líquido medido pelo medidor de fluxo, então pode-se determinar que o compressor opera de modo eficaz. Em caso negativo, então pode-se determinar que o compressor não opera de modo eficaz.

[0060] Na Figura 6, um método exemplificador de determinação de uma propriedade do fluxo de fluído é mostrado, tendo as etapas S1 a S4 em que:

[0061] S1. A corrente elétrica suprida ao compressor é registrada. O compressor pode ser configurado para ser operado com velocidade constante na presença de fluxo variável.

[0062] S2 & S3. Os dados de corrente registrados são analisados e mudanças de magnitude da corrente são encontradas.

[0063] S4. As mudanças de magnitude são usadas para indicar uma propriedade do fluxo através do compressor. Por exemplo, uma redução do teor de líquido pode ser determinada.

[0064] Em algumas situações, pode ser útil incluir uma geometria de segmento de tubo ou equipamento a montante da máquina de modo a induzir determinado comportamento transiente da fase de fluido desejada para detecção. Por exemplo, no caso da presença indesejada de uma segunda fase (gás em um sistema de líquido), essa geometria ou equipamento podem fazer com que a fase indesejada adote um padrão de fluxo diferente. Em referência à Figura 1, o padrão de fluxo será movido para se conformar a um segmento diferente do diagrama.

[0065] Um melhoramento potencial à metodologia descrita acima levando em consideração que, onde a fase primária é gás, a presença de líquido no compressor é propensa a resfriar o gás durante o processo de compressão. Para uma temperatura de entrada de 15 °C, na ausência de fase líquida, pode-se esperar que a temperatura de saída seja cerca de 100 °C. Na presença de um líquido, a temperatura de saída pode ser reduzida para 92 °C ou ainda menos devido à evaporação do condensado/óleo. No entanto, o grau ao qual a temperatura de saída é reduzida dependerá da natureza da fase líquida. O óleo contribuirá muito mais para resfriar o gás durante o processo de compressão visto que o mesmo evaporará parcialmente, enquanto a presença de água (e ou MEG (glicol) produzirá somente resfriamento mínimo (algum resfriamento adicional será efetuado pelo gás devido à maior temperatura, mas não na mesma extensão conforme se resultará da presença de condensado/óleo). Medindo-se a pressão e temperatura na entrada e a saída da máquina, o efeito de resfriamento real (energia removida) fornecida pelos líquidos pode ser determinado. Comparando-se isso, por sua vez, com a energia removida de um processo de compressão normalmente seco, a composição líquida na entrada pode ser estimada, isto é, o quanto é água/glicol em comparação ao óleo/condensado.

[0066] Será verificado pelo elemento versado na técnica que várias modificações podem ser realizadas às modalidades descritas acima sem se afastar do escopo da invenção. Por exemplo, os dados monitorados podem ser úteis para diagnosticar falhas com a turbomáquina. Se uma mudança nos dados monitorados não puder ser correlacionada a uma mudança na composição fásica de um fluido, a mesma pode ser indicativa de uma falha, e pode ser apontada a um operador e/ou usada para controlar a turbomáquina.

[0067] A metodologia foi ilustrada acima em referência a um motor-compressor acionado por frequência. No entanto, a metodologia é relevante para outros tipos de maquinário voltado para uma mistura de gás e líquido em que sinais estão disponíveis para determinar os dados de fluido composicionais de maneira similar. Por exemplo, a metodologia é aplicável às máquinas na qual uma caixa de engrenagem é usada para transferir potência rotacional do motor. A metodologia é também aplicável às máquinas em que o compressor, bomba ou similar não é acionada diretamente por um motor, mas por uma turbina (por exemplo).

Claims

1. Método de identificação de mudanças na taxa de fluxo de massa que flui para uma turbomáquina, sendo o método caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: (a) calibrar as mudanças medidas em um ou mais parâmetros elétricos de uma fonte de alimentação elétrica usada para acionar um motor da turbomáquina usando mudanças observadas na taxa de fluxo de massa para determinar uma correlação conhecida entre mudanças na taxa de fluxo de massa e mudanças em um ou mais parâmetros elétricos, a calibração compreendendo a injeção de fluido por uma fonte de referência para fornecer as referidas mudanças observadas; (b) monitorar mudanças em um ou mais parâmetros elétricos de uma fonte de alimentação de energia elétrica usada para acionar um motor da turbomáquina; e (c) empregar a correlação conhecida entre as mudanças da taxa de fluxo de massa, e mudanças em um ou mais parâmetros elétricos para associar as mudanças monitoradas com mudanças na taxa de fluxo de massa real do fluido na turbomáquina, em que cada um do dito parâmetro elétrico é um dentre corrente, tensão ou potência da fonte de alimentação de energia elétrica.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a dita turbomáquina compreende uma turbina, um compressor ou uma bomba.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a dita fonte de alimentação elétrica é controlada por um conversor de frequência ou uma frequência de rede elétrica fixa.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que compreende configurar o dito conversor de frequência ou uma frequência de rede elétrica fixa para manter uma velocidade de motor ou nível de compressão de fluido substancialmente constantes.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina compreende monitorar mudanças no valor absoluto do dito parâmetro.

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a dita etapa de monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina compreende monitorar mudanças em um desvio do dito parâmetro, por exemplo, mudanças no desvio padrão do parâmetro.

7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende amostrar o desvio do parâmetro elétrico em cada uma das janelas de amostragem sucessivas.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que as ditas mudanças na taxa de fluxo de massa resultam das mudanças na fração líquida de um fluido que contém líquido e gás.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de que o dito fluido compreende hidrocarbonetos que fluem de um poço de produção.

10. Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a dita turbomáquina é fornecida em um local submarino.

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que compreende introduzir um componente a montante de uma entrada da turbomáquina de modo a causar oscilações de uma fase indesejada do fluido.

12. Método de controle de uma válvula associado a uma turbomáquina e caracterizado pelo fato de que o método compreende: usar o método, conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, para identificar mudanças na taxa de fluxo de massa de um fluido que flui para a turbomáquina; e controlar a dita válvula em dependência de mudanças identificadas.

13. Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a dita válvula é uma válvula antioscilação.

14. Método de detecção de uma operação defeituosa de uma turbomáquina, caracterizado pelo fato de que o método compreende: identificar mudanças na taxa de fluxo de massa de um fluido que flui para uma turbomáquina, executando o método de identificação de mudanças conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores; e detectar mudanças no dito pelo menos um parâmetro elétrico e determinar se as mudanças detectadas podem ser correlacionadas às mudanças na taxa de fluxo de massa detectada por um medidor de fluxo e usar a determinação para identificar a dita operação defeituosa.

15. Monitor para monitorar mudanças na taxa de fluxo de massa de um fluido que flui para uma turbomáquina e caracterizado pelo fato de que o monitor compreende: um calibrador para calibrar as mudanças medidas em um ou mais parâmetros elétricos de uma fonte de alimentação elétrica usada para acionar um motor da turbomáquina, a calibração usando mudanças observadas na taxa de fluxo de massa para determinar uma correlação conhecida entre mudanças na taxa de fluxo de massa e mudanças em um ou mais parâmetros elétricos; um detector para monitorar mudanças em pelo menos um dito parâmetro elétrico associado à operação de uma turbomáquina; e um analisador para empregar a correlação conhecida entre mudanças de taxa de fluxo de massa, e mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico para associar as mudanças monitoradas com as mudanças na taxa de fluxo de massa real; em que o dito parâmetro elétrico é um de corrente, tensão ou potência de uma dita fonte energia elétrica e o dito detector compreende um dentre um medidor de corrente, tensão ou potência.

16. Monitor, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o dito detector é configurado para ser acoplado a uma linha de fonte de alimentação elétrica usada para acionar um motor da turbomáquina.

17. Monitor, de acordo com a reivindicação 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que o dito detector é configurado para monitorar mudanças em pelo menos um parâmetro elétrico associado à operação da turbomáquina monitorando-se mudanças em um desvio do dito parâmetro, por exemplo, mudanças no desvio padrão do parâmetro.

18. Programa de computador caracterizado pelo fato de que, quando executado em um computador, faz com que o computador execute o método como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 14.