DE102016116989A1

DE102016116989A1 - Gasabscheider und Vorrichtung zur Ermittlung eines Durchflusses einer oder mehrerer Komponenten eines mehrphasigen Mediums, insbesondere eines Erdgas-Wasser Gemisches.

Info

Publication number: DE102016116989A1
Application number: DE102016116989.7A
Authority: DE
Inventors: Guido Horoba; Helmut Zeislmeier; Wolfgang Drahm; Rainer Höcker
Original assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Current assignee: Endress and Hauser Flowtec AG
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2018-03-15
Also published as: WO2018046299A1; AU2017324747A1; CA3035992A1; ZA201901030B; US11550342B2; RU2706820C1; AU2017324747B2; US20190196518A1; CA3035992C; EP3510365A1; CN109690261A

Abstract

Ein Gasabscheider (100) zur Trennung eines mehrphasigen Mediums (3) umfassend zumindest ein Gas, insbesondere in Form von Gasblasen (4), und eine Flüssigkeit (27), wobei der Gasabscheider (100) einen rohrförmigen Grundkörper (6) mit einer Längsachse (L1), sowie einen Einlauf (1) für ein gasförmiges Medium, einen Flüssigkeits-Auslass (16) und einen Gas-Auslass (21) aufweist, wobei der rohrförmige Grundkörper (6) einen Einlaufbereich (40) mit einem und einen Auslaufbereich (50) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasabscheider (100) zwischen dem Einlaufbereich (40) und dem Auslaufbereich (50) ein Wehr (5) mit einer Leitfläche (11) aufweist, welche mit dem Medium (3) unter Ausbildung eines Flachwasserbereichs überströmbar ist, derart dass das im Medium enthaltene Gas im Flachwasserbereich aus dem Medium austreten kann und durch den Gas-Auslass aus dem Gasabscheider (100) abführbar ist, sowie eine Vorrichtung zum Erfassen eines Durchflusses zumindest einer Einzelkomponenten eines mehrphasigen Mediums (3).

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft einen Gasabscheider nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Durchflusses einer oder mehrerer Komponenten eines mehrphasigen Mediums, sowie eine bevorzugte Verwendung dieser Vorrichtung.
Durchflussmessung von zweiphasigen Strömungen in Rohrleitungen. Durchflussmessgeräte sind im Allgemeinen für die Messung von einphasigen Fluiden ausgelegt. Wenn das zu messende Fluid zweiphasig ist (Tropfen im Gas oder Blasen in der Flüssigkeit), führt dies zu einer erhöhten Messunsicherheit oder macht die Messung gänzlich unmöglich.
Grundsätzlich sind Separatoren bzw. Gasabscheider für die Trennung von Gas-Flüssig-Medien aus dem Stand der Technik, insbesondere aus der US 6 620 221 B1 , US 5 507 858 A , US 3 960 525 A bekannt. Dabei werden unterschiedliche konstruktive Lösungen, beispielsweise Lochplatten und dergleichen, zur Abtrennung des Gases aus einer Flüssigkeit eingesetzt.
Die der Erfindung zu Grund liegende Aufgabe einen Gasabscheider bereitzustellen, der die Trennung einer mit Gasblasen beladenen Strömung auf besonders effiziente Weise ermöglicht. Die besondere Aufgabe besteht zudem darin eine Messung von zumindest einer Einzelkomponenten dieses mehrphasigen Mediums zu ermöglichen.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch den Gasabscheider mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und dessen Verwendung in einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Ein erfindungsgemäßer Gasabscheider zur Trennung eines mehrphasigen Mediums umfassend zumindest ein Gas, insbesondere in Form von Gasblasen, und eine Flüssigkeit, weist einen rohrförmigen Grundkörper mit einer Längsachse, sowie einen Einlauf für ein gasförmiges Medium, einen Flüssigkeits-Auslass und einen Gas-Auslass auf.
Der rohrförmige Grundkörper weist einen Einlaufbereich und einen Auslaufbereich auf.
Der Gasabscheider weist zwischen dem Einlaufbereich und dem Auslaufbereich ein Wehr mit einer Leitfläche auf, welche mit dem Medium unter Ausbildung eines Flachwasserbereichs im bestimmungsgemäßen Gebrauch überströmbar ist, wobei das Wehr, insbesondere die Leitfläche, derart ausgebildet ist, dass das im Medium enthaltene Gas im Flachwasserbereich aus dem Medium austreten kann und durch den Gas-Auslass aus dem Gasabscheider abführbar ist.
Das Wehr kann beispielsweise durch einen Formkörper gebildet werden, welcher im Inneren des rohrförmigen Grundkörpers angeordnet ist.
In einer weiteren bevorzugten von mehreren verschiedenen Ausführungsvarianten kann der Wehr durch ein vorgeformtes Blech und dessen Anordnung im Inneren des rohrförmigen Grundkörpers ausgebildet sein. Das Blech und der Grundkörper bilden in diesem Fall einen Hohlraum aus.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das Wehr kann vorteilhaft eine Höhe aufweisen, welche zwischen 60% bis 120% bezogen auf den senkrechten Abstand der Längsachse bis zur Wandung des rohrförmigen Grundkörpers beträgt.
Ein Teilbereich des Wehres kann als eine Rampe ausgebildet sein, welche von der Leitfläche in Richtung des Auslaufbereichs verläuft bzw. abfällt. Diese Rampe kann vorzugsweise ein Gefälle zwischen 15 bis 45 Grad aufweisen. Sie verhindert die Bildung von Verwirbelungen durch Strömungsabriss.
Die Längserstreckung der Leitfläche des Wehres ist vorzugsweise größer ist als der mittlere Durchmesser des rohrförmigen Grundkörpers.
Der Gasabscheider kann zwischen dem Gas-Auslass und dem rohrförmigen Grundkörper ein Gasableitungsrohr aufweist, welches eine trichterförmige Querschnittsverengung aufweist. Der größere Aufnahmebereich des Gasableitungsrohres dient einem Entfernen von Flüssigkeitsanteilen aus dem Gas.
Das Gasableitungsrohr kann hierfür besonders vorteilhaft einen Teilbereich aufweisen mit einem mittleren Durchmesser von zumindest 75 % des mittleren Durchmessers des rohrförmigen Grundkörpers, vorzugsweise mit einem mittleren Durchmesser von nicht mehr als ein Nennweitensprung gegenüber dem mittleren Durchmesser des rohrförmigen Grundkörpers,
Im Auslaufbereich des Grundkörpers kann ein Ableitungsrohr zur Ableitung der Flüssigkeit, insbesondere der blasenfreien Flüssigkeit, angeordnet sein, wobei im Ableitungsbereich und/oder im Ableitungsrohr ein Wirbelbrecher zur Verhinderung eines Blaseneintrags in die Flüssigkeit angeordnet ist.
Eine imaginäre Schnittebene entlang der Längsachse unterteilt den Gasabscheider in eine Oberseite und eine Unterseite. Ein Einleitungsrohr zur Zuleitung des Mediums in den rohrförmigen Grundkörper und das Ableitungsrohr zur Ableitung der Flüssigkeit, insbesondere der blasenfreien Flüssigkeit, aus dem rohrförmigen Grundkörper, sind dabei vorteilhaft an der Unterseite des rohrförmigen Grundkörpers angeordnet. Das Gas-Ableitungsrohr ist bevorzugt an der Oberseite des rohrförmigen Grundkörpers angeordnet.
Um bereits erste Gasbläschen aus dem Medium zu entfernen kann das Einleitungsrohr vorteilhaft als Steigrohr ausgebildet sein.
Erfindungsgemäß weist eine Vorrichtung zum Erfassen eines Durchflusses zumindest einer Einzelkomponenten eines mehrphasigen Mediums mit zumindest einem Gas, insbesondere in Form von Gasblasen, und einer Flüssigkeit, den erfindungsgemäßen Gasabscheider auf, wobei zumindest ein Durchflussmessgerät zum Erfassen des Durchflusses des Gases und/oder der Flüssigkeit strömungsmechanisch in Richtung der Gasströmung oder der Flüssigkeitsströmung hinter dem rohrförmigen Grundkörper angeordnet sind.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Am oder im Ableitungsrohr für die Flüssigkeit ist ein Durchflussmessgerät oder ein Rohr mit einem Durchflussmessgerät, zum Erfassen des Durchflusses der Flüssigkeit vorteilhaft angeordnet, wobei das Durchflussmessgerät vorzugsweise ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, ein Vortex-Durchflussmessgerät, ein Coriolis-Durchflussmessgerät oder ein Ultraschall-Durchflussmessgerät ist.
Am oder im Gas-Ableitungsrohr ist ein Durchflussmessgerät oder ein Rohr mit einem Durchflussmessgerät zum Erfassen eines Gasdurchflusses angeordnet, wobei das Durchflussmessgerät vorzugsweise ein thermisches Durchflussmessgerät, ein Vortex-Durchflussmessgerät oder ein Ultraschall-Durchflussmessgerät ist.
Die Vorrichtung weist besonders bevorzugt ein Ventil zur Regelung des Gas-Durchflusses am Gas-Auslass des Gasabscheiders auf. Dieses kann zur Einstellung eines Füllpegels im Flachwasserbereich über der Leitfläche des Wehres unterhalb eines maximalen Grenzwerts genutzt werden und somit eine zu starke Befüllung des rohrförmigen Grundkörpers verhindern.
Die Vorrichtung weist vorzugsweise zusätzlich zum vorgenannten Ventil, ein weiteres Ventil zur Regelung des Flüssigkeits-Durchflusses am Flüssigkeits-Auslass des Gasabscheiders auf. Dieses kann zur Einstellung eines Füllpegels im Ausflussbereich des rohrförmigen Grundkörpers oberhalb eines maximalen Grenzwerts genutzt werden und so ein Leerlaufen des Ausflussbereichs verhindern.
Das Ventil zur Regelung des Gas-Durchflusses am Gas-Auslass des Gasabscheiders und/oder das Ventil zur Regelung des Flüssigkeits-Durchflusses am Flüssigkeits-Auslass des Gasabscheiders steuerbare Ventile sind, wobei als Steuergröße jeweils ein Grenzwert für einen Füllpegel im Auslassbereich oder im Flachwasserbereich dient. Die Einhaltung des Füllpegels innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte kann messtechnisch überwacht werden, z.B. Geräte zur Füllstandsüberwachung und/oder -ermittlung.
Eine besonders bevorzugte Verwendung der vorgenannten Vorrichtung findet sich bei der Ermittlung der Durchflussgeschwindigkeit eines mehrphasigen Erdgas-Wasser-Mediums, insbesondere bei der Erdgasbohrung.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Zuhilfenahme der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gasabscheiders;
2 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Messung einer oder mehrerer Komponenten einer Mehrphasenströmung mit dem erfindungsgemäßen Gasabscheider der 1 und
3 schematische Darstellung der geometrischen Ausgestaltung eines im Gasabscheider angeordneten Wehres.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Gasabscheider 100. Dieser weist einen Einlauf 1 für ein mehrphasiges Medium 3 auf. Dieses mehrphasige Medium 3 umfasst eine Flüssigphase und eine Gasphase, welche in Form von Gasbläschen 4 im mehrphasigen Medium 3 enthalten sind. Diese Gasbläschen 4 können in bestimmten Fällen nur schwer aus dem mehrphasigen Medium entweichen, da sie oftmals durch die Strömung mitgerissen und durch den Druck der Flüssigkeit am Entweichen gehindert werden.
Ein typisches Beispiel ist ein Wasser-Erdgas-Medium, welches beim Bohren nach Erdgas oder Erdöl anfällt. Dieses Wasser ist oftmals Meerwasser und weist bis zu 20 Volumenanteile Erdgas auf. Der Erdgasgehalt macht einerseits die Entsorgung des Wassers problematisch, andererseits kann das enthaltene Erdgas noch wirtschaftlich wiederverwendet werden.
Unabhängig von ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten ist eine Durchflussmessung eines flüssigen Mediums mit enthaltenen Gasblasen zwar bislang grundsätzlich möglich, jedoch lediglich mit sehr teuren Durchflussmessgeräten.
Die Durchflussmessung der Einzelkomponenten, also der Flüssigkeit und des Gases, kann gemäß der vorliegenden Erfindung mit dem erfindungsgemäßen Gasabscheider 100 erfolgen.
Der Gasabscheider 100 weist einen rohrförmigen Grundkörper 6 auf, welcher über eine Längsachse L1 verfügt. Diese Längsachse kann vorzugsweise senkrecht zur Lotrichtung oder gekippt zur Lotrichtung ausgerichtet sein. Durch eine imaginäre Ebene, welche auf der Längsachse L1 liegt kann der rohrförmige Körper in eine Unterseite 70 und eine Oberseite 60 eingeteilt werden. Der rohrförmige Grundkörper 6 der 1 ist in den Endbereichen 7 und 8 geschlossen. In einem Einlaufbereich 40 ist ein Einlaufrohr 2 angeordnet, welches in der Variante der 1 und 2 als ein Steigrohr ausgebildet ist. Innerhalb des Einlaufrohres 2 wird das mehrphasige Medium 3 in den rohrförmigen Grundkörper 6 eingeleitet. Dabei vergrößert sich der Querschnitt des Einlaufrohres 2 vom Einlauf 1 bis zur Schnittstelle mit dem rohrförmigen Grundkörper 6, wodurch die Einlaufgeschwindigkeit vorteilhaft verringert wird und es nicht zur Ausbildung einer Fontäne oberhalb des Steigrohres kommt.
Die Befüllung des rohrförmigen Grundkörpers 6 erfolgt von der Unterseite 70 des rohrförmigen Grundkörpers 6, also von dem Einlass 1 her, welcher unterhalb des rohrförmigen Grundkörpers 6 angeordnet ist. Dadurch kann ein Teil der Gasblasen aufgrund der erhöhten Flüssigkeitssäule, welche größer ist als die Füllhöhe des rohrförmigen Grundkörpers 6, aufgrund der erhöhten Auftriebskräfte zur Oberfläche hin aufsteigen.
In einer weniger bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist es jedoch auch möglich, dass die Zuführung des mehrphasigen Mediums 3 nicht über das Steigrohr erfolgt, sondern dass das Einlaufrohr 2 im Endbereich 7 des rohrförmigen Grundkörpers 6 angeordnet ist, welcher sich vor dem Einlaufbereich 40 des rohrförmigen Grundkörpers 6 befindet.
Weiterhin weist der Gasabscheider einen Auslaufbereich 50 für die im Wesentlichen blasenfreie Flüssigkeit 27 als Komponente des mehrphasigen Mediums 3 auf.
Im Auslaufbereich 50 befindet sich ein Ableitungsrohr 15 zur Ableitung der Flüssigkeit 27 aus dem rohrförmigen Grundkörper 6, welches in einen Flüssigkeits-Auslass 16 mündet. Dieses Ableitungsrohr 15 ist auf der Unterseite 70 des rohrförmigen Grundkörpers 6 angeordnet. Es weist im Bereich der Schnittstelle mit rohrförmigen Grundkörper 6 eine Trichterform auf. In der Trichterform 13 ist ein Wirbelbrecher 14 angeordnet, Dies kann beispielsweise ein Element aus zwei oder mehreren kreuzförmig zueinander angeordneten Flächengebildet umfassen. Dies verhindert eine Wirbelbildung. Der verringerte Querschnitt des Auslaufrohres in dessen Endbereich gewährleistet zudem eine vollständige Befüllung des Auslaufrohres.
Zwischen dem Ein- und Auslaufbereich 40 und 50 ist im rohrförmigen Grundkörper 6, vorzugsweise entlang der Unterseite 70 des rohrförmigen Grundkörpers 6 ein Wehr 5 angeordnet, welches im bestimmungsgemäßen Gebrauch vom Medium 3 überströmt wird. Im Unterschied zu einer Lochplatte ist dabei die strömungsüberflossene Oberfläche des Wehres geschlossen.
Das Wehr 5 des erfindungsgemäßen Gasabscheiders ist ein Vorsprung, vorzugsweise als ein im Grundkörper festgelegtes Flächengebilde, z.B. ein eingeschweißtes Blech, oder ein Formkörper, z.B. ein Kunststoff- oder Metallkörper. Der Vorsprung kann bevorzugt von der Unterseite 70 des rohrförmigen Grundkörpers 6 in das Rohr hineinstehen. Dabei ist das Wehr 5 bevorzugt spiegelsymmetrisch ausgebildet, wobei Längsachse L1 des rohrförmigen Grundkörpers 6 auf der Symmetrieebene des Wehres 5 liegt.
Der minimale Abstand des Randbereichs des Einlaufrohres 2 zum rohrförmigen Grundkörper 6 und des Randbereichs des Ableitungsrohres 15 zum rohrförmigen Grundkörper 6 definiert eine Strecke l.
Das Wehr 5 erstreckt sich bevorzugt über einen Bereich von mehr als 60%, vorzugsweise mehr als 80%, über diese Strecke L.
Die Höhe z des Wehres 5 kann zwischen 30% bis 60% bezogen auf den mittleren Durchmesser des rohrförmigen Grundkörpers 6 betragen. Der mittlere Durchmesser ist bei einem Grundkörper mit kreisrundem Querschnitt der „normale“ Durchmesser. Es können allerdings auch Grundkörper mit Vieleck-Querschnitt, z.B. Dreieck, Viereck, Sechseck usw., verwendet werden. In diesem Fall ist der mittlere Durchmesser der Mittelwert aller auftretender Durchmesser eines Querschnitts senkrecht zur Längsachse L, also der Mittelwert aller Abstände zweier Punkte der Rohrwand des Grundkörpers 6 die durch die Längsachse L verlaufen.
Die Höhe z bezieht sich auf den maximalen Abstand zwischen der Wandung und der Oberfläche des Wehres 5 in einer Schnittebene, auf welcher die Längsachse L1 angeordnet ist. Dies ist typischerweise der Längsschnitt des rohrförmigen Grundkörpers 6.
Der Grundkörper 6 muss jedoch nicht zwingend als Rundrohr ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise auch ein Rohr mit einem Dreiecks-Querschnitt, Rechteck-Querschnitt, Sechseck-Querschnitt oder dergleichen sein.
Das Wehr 5 verfügt über eine Leitfläche 11, welche mit dem Medium überflossen wird. Die Leitfläche kann gebogen sein, sofern der Querschnitt des rohrförmigen Grundkörpers im Bereich des Wehres 5 zumindest abschnittsweise kreisförmig ausgebildet ist.
Die Leitfläche weist in einem Längsschritt des rohrförmigen Grundkörpers 6 entlang der Längsachse L1 parallelen Verlauf zur Längsachse L1 des Grundkörpers 6 auf.
Auf der Leitfläche 11 strömt das Medium breitverteilt entlang. Die Funktion des Wehres 5 mit der Leitfläche 11 dient der Verringerung des Abstandes der Gasbläschen 4 bis zur Flüssigkeitsoberfläche, da der Flüssigkeitspegel 19 bzw. die Überlaufhöhe über der Leitfläche 11 nur sehr gering ist. Beim Überströmen des Wehres wird der Weg der Gasbläschen in der Flüssigkeit minimiert, wodurch das Gas aus dem Medium im Bereich über der Leitfläche 11, dem Flachwasserbereich 20, ausgetrieben werden kann. Der Füllstand über dem Flachwassergebiet, inkl. der Wehrhöhe z, sollte vorzugsweise nicht höher sein als ¾ des Rohrdurchmessers. Bevorzugt kann eine Überwachung dieses maximalen Grenzwertes des Füllstands, z.B. mit Grenzschalter, erfolgen.
Das Wehr 5 weist zudem eine in Richtung des Auslaufbereichs 50 abfallende Rampe 12 auf in welche die Leitfläche 11 übergeht. Diese Rampe weist ausgehend von der Leitfläche in ihrem Verlauf parallel zur Längsachse L1 zum Auslaufbereich 50 hin, eine stete Verringerung der Höhe zur Wandung des Grundkörpers 6 hin auf.
Das Wehr 5 kann beispielsweise als ein gebogenes Blech ausgebildet sein, welches mit der Rohrwandung verschweißt ist oder als Formkörpers der mit der Rohrwandung verbunden ist.
Die Neigung der Rampe 12 des Wehres 5 kann bevorzugt zwischen 15–45° betragen. Die Rampe verhindert vorteilhaft ein Überschießen der Flüssigkeit über das Wehr. Dies würde zu Wirbelbildung durch eine sich ablösende Strömung führen und zu einer unerwünschten Bildung von Gasbläschen.
Der Einlaufbereich 40 weist im bestimmungsgemäßen Betrieb einen ersten Flüssigkeitspegel I auf und der Auslaufbereich 50 einen zweiten Flüssigkeitspegel II. Der Flachwasserbereich 20 weist den Flüssigkeitspegel 19, als dritten Flüssigkeitspegel auf.
Der Flüssigkeitspegel II innerhalb des rohrförmigen Grundkörpers 6 sollte im Auslaufbereich 50 bevorzugt zumindest 20% des Rohrdurchmessers betragen. Dies verhindert ein Trockenlaufen des Grundkörpers und eine unerwünschte Wirbelbildung.
Entlang der Oberseite 60 des rohrförmigen Grundkörpers 6 ist ein Gasableitungsrohr 9 für das aus dem Medium 3 abgeschiedene Gas. Das Gasableitungsrohr 9 ist vorzugsweise zumindest bereichsweise oberhalb des Wehres 5 an der Oberseite 8 des rohrförmigen Grundkörpers 6 angeordnet.
Das Gasabteilungsrohr 9 weist einen Gas-Auslass 21 des Gases aus dem Gasabscheider 100 auf. Das Gasableitungsrohr 9 weist eine trichterförmige Querschnittsverengung 17 zum Gasauslass 21 hin auf. Dies ist von Vorteil, damit mit Flüssigkeitsanteile an den Schrägflächen des Gasableitungsrohres 9 kondensieren können. Zudem kann so ein großer Auffangbereich für das Gas gebildet werden, so dass sich Flüssigkeitsanteile im abgeschiedenen Gas in diesem Bereich sammeln und in die Flüssigkeit zurückfallen können. Daher ist es von Vorteil, wenn das Gasableitungsrohr 9 zumindest bereichsweise einen mittleren Durchmesser von zumindest 75 % des mittleren Durchmessers des rohrförmigen Grundkörpers 6, vorzugsweise nicht mehr als ein Nennweitensprung, also mehr oder weniger als eine einzige Nennweite des Durchmessers des rohrförmigen Grundkörpers 6 beträgt.
Der mittlere Durchmesser ist beispielsweise für rechteckige anzuwenden, bei denen mehrere Durchmesser auftreten können. Der mittlere Durchmesser ist dabei der gemittelte Wert aller im Rohr auftretenden Durchmesser.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist das Gasableitungsrohr senkrecht zur Längsachse L1 des rohrförmigen Grundkörpers 6 angeordnet.
Insbesondere der rohrförmige Grundkörper 6 als auch das Wehr 5 können aus seewasserresistentem Stahl gefertigt sein. Der Gasabscheider kann mit einer oder mehreren Rohrleitungen verschweißt oder mittels Flanschverbindung daran befestigt werden.
Zur Überwachung des abströmseitigen zweiten Flüssigkeitspegels II kann optional eine Messeinrichtung 18 vorgesehen sein, zur Überwachung des Unterschreitens einer minimalen Füllhöhe. Dies kann vorzugsweise mechanisch oder elektromechanisch erfolgen, beispielsweise durch einen Schwimmer oder durch einen Grenzschalter.
2 zeigt in schematischer Weise die Anordnung des Gasabscheiders 100 in einer Vorrichtung zur Ermittlung des Durchflusses zumindest einer Komponenten des mehrphasigen Mediums 3.
Von Interesse ist hierbei vorrangig die Ermittlung des Durchflusses, insbesondere der Durchflussgeschwindigkeit, des Volumen- und/oder des Massendurchflusses, der Flüssigphase. Dies kann bei vorgeschaltetem Gasabscheider nunmehr problemlos durch ein Durchfluss-Messgerät der Prozessmesstechnik 26, beispielsweise durch ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, durch ein Vortex-Durchflussmessgerät, durch ein Ultraschall-Durchflussmessgerät oder durch ein Coriolis-Durchflussmessgerät, erfolgen, welches dem Flüssigkeits-Auslass strömungsmechanisch nachgeordnet ist.
Bezogen auf das konkrete Beispiel der Messung der Wasserphase eines Erdgas-Wasser-Mediums kann an dieser Stelle der Volumendurchfluss V_W von Wasser ermittelt werden.
Am Gasauslass 21 kann direkt ein Messrohr eines Durchflussmessgerätes der Prozessmesstechnik 24 zur Ermittlung eines Durchflusses eines Gases, insbesondere des Erdgases, beispielsweise ein Ultraschall-Durchflussmessgerät, ein thermisches Durchflussmessgerät oder Vortex-Durchflussmessgerät angeschlossen werden.
In der Bohrtechnik ist es allerdings üblich, neben dem Wasser auch gleichzeitig Erdgas zu fördern. Daher mündet der Gasauslass 21 des Gasabscheiders in ein gasführendes, insbesondere erdgasführendes Rohr 23 in welchem bereits ein Erdgas mit der Strömungsgeschindigkeit V_Gas2 fließt und zu welchem das Erdgas mit der Strömungsgeschwindigkeit V_Gas1 zugeleitet wird. Strömungsmechanisch hinter dem Gasauslass 21 ist am gasführenden Rohr 23 das Durchflussmessgerät 24 angeschlossen, so dass der Gesamtdurchfluss des geförderten Gases ermittelt werden kann. An dieser Stelle interessiert nicht die Ermittlung des Durchflusses des Gasanteils im Wasser. Es kann allerdings andere Anwendungen geben, wo der Gasdurchfluss die relevante Messgröße sein kann.
Die Vorrichtung der 2 weist zusätzlich zu der Messanordnung mit den beiden Durchflussmessgeräten 24 und 26 zudem zwei Ventile 22 und 25 auf, welche in 2 am oder im Gasableitungsrohr 9 und am oder im Ableitungsrohr 15 angeordnet sind. Diese Ventile können allerdings auch in der Vorrichtung außerhalb des Gasabscheiders 100 angeordnet sein.
Die Funktion dieser Ventile wird nachfolgend erläutert. Konstruktionsbedingt ist das Einströmen des Mediums 3 abhängig von der Pumpenleistung in 2 nicht dargestellten der Vorrichtung vorgeschalteten Pumpe. Das Ausströmen der Flüssigkeit 27 im Auslaufbereich 50 ist eher abhängig vom Druckverlust, welcher z.B. in einem der Vorrichtung strömungsmechanischen nachgeschalteten Reservoir auftreten kann.
Dadurch kann es in bestimmten Fällen vorkommen, dass der oder die Flüssigkeitspegel I und/oder II ungewollt steigen. Durch Verschluss des Ventils 22 kann dem entgegengewirkt werden. Dabei kommt es zu einem erhöhten Gasdruck auf das Medium 3 und somit zwangsweise zu einem Absenken des Flüssigkeitspegels I und/oder II. Die Ventilsteuerung kann durch die zuvor beschriebene Überwachung eines maximalen Füllstands im Flachwasserbereich 20 erfolgen.
Weiterhin sollte der Flüssigkeitspegel II der Flüssigkeit 27, welche sich strömungsmechanisch hinter dem Wehr 5 befindet, nicht unterhalb eines Minimalwertes absinken. Sonst würde der Auslaufbereich 50 trocken laufen und es würde Gas in das Ableitungsrohr 15 gelangen. Die Überwachung der Einhaltung kann an dieser Stelle auf mechanische oder elektromechanische Weise erfolgen, z.B. durch einen Grenzschalter oder einen Schwimmer.
Auch eine Differenzdruckmessung oder andere Varianten zur Füllstandsüberwachung können für die Ventilsteuerung der Ventile 22 und 25 genutzt werden.
Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßes Gasabscheiders 100 und eine Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich in der Förderung von Erdgas, namentlich bei der Gasabscheidung von Erdgas aus gefördertem Wasser. Hierbei wird Wasser, welches in der Tiefe (bei hohem Druck) noch Erdgas gelöst mitführt, mittels einer Pumpe aus dem Bohrloch gefördert. Durch die Förderung an die Erdoberfläche sinkt der Druck und das freiwerdende Erdgas sammelt sich in Blasen in der Strömung an. Die Blasen führen bei der Durchflussmessung zu erhöhter Messungenauigkeiten. Des Weiteren würde das Erdgas, wenn das Wasser im weiteren Prozessablauf mit der Atmosphäre in Kontakt kommt, in diese abgegeben werden, was ökologisch und ökonomisch unerwünscht ist. Daher ist es gerade bei dieser Anwendung wichtig das Erdgas zuverlässig vom Wasser zu trennen, sodass eine hinreichend genaue Messung möglich ist und kein Erdgas in die Atmosphäre entweicht sondern ggf. in eine Rohleitung zum Weitertransport eingeleitet wird.
Eine analytische Abschätzung der Erdgas-Blasengröße zeigt, dass sehr kleine Blasen abgeschieden werden müssen (Durchmesser << 1mm). Die Blasenaufstiegsgeschwindigkeit hängt aber von ihrer Größe ab: große Blasen steigen schneller auf als kleine. Daraus ergibt sich die Tatsache, dass kleine Blasen eine längere Verweilzeit zur Abscheidung benötigen als große Blasen. Da das Fluidgemisch aber in den bekannten Gasabscheidern bzw. Separatoren nicht ruht, sondern durch diesen hindurch strömt, bedeutet das, dass bei gegebener Strömungsgeschwindigkeit ein Separator in der Bauweise nach dem Stand der Technik umso länger sein, je kleiner die abzuscheidenden Blasen sind. Ein Separator mit großen Abmessungen ist aber unerwünscht, da die Kosten eines Separators mit seiner Größe steigen. Eine Reduzierung der Baulänge könnte grundsätzlich durch eine Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit, herbeigeführt durch die Erweiterung der durchströmten Querschnittsfläche, erreicht werden. Dies wäre aber nicht zielführend, da die Baugröße dann ebenfalls zunimmt.
Nachfolgend sollen nochmals zur besseren Nachvollziehbarkeit einzelne Vorteile der konstruktiven Ausgestaltung des Gasabscheiders 100 und der Vorrichtung zur Ermittlung des Durchflusses zumindest einer Einzelkomponenten des mehrphasigen Mediums erläutert werden.
Durch Schaffung des Flachwasserbereichs 20 durch Nutzung des mediumsüberströmten, insbesondere flüssigkeitsüberströmten Wehres 5 im erfindungsgemäßen Gasabscheider 100 wird die Blasenaufstiegszeit durch eine Reduzierung der Wassertiefe verkürzt. In das Gehäuse des Separators wird dazu das Wehr 5 als ein nicht durchströmter Einbau eingebracht, der das Flachwassergebiet 20 erzeugt. Bekannte Separatoren nutzen an dieser Stelle Lochplatten, was nicht zur Schaffung eines Flachwassergebietes führt.
Der Weg, den eine Blase vom Grund der Strömung bis an die Oberfläche zurücklegen muss, wird so verkürzt. Bei gegebener Blasenaufstiegsgeschwindigkeit reduziert sich so die erforderliche Verweilzeit.
Das Wehr 5 zeichnet sich in einer bevorzugten Ausführungsvariante anströmseitig durch eine senkrechte oder sehr steile Vorderfläche 10 aus. Diese kann allerdings auch in einer weniger bevorzugten Ausführungsvariante schräg zur Leitungsfläche 11 zunehmen.
Die Vorderfläche 10 sorgt für eine Beschleunigung der Strömung entgegen der Schwerkraft. Die Trägheitskräfte sorgen so dafür, dass auch im Flachwasserbereich 20 eine Anfangsgeschwindigkeit in einer der Schwerkraft entgegengesetzten Richtung vorhanden ist. Am Ende des Flachwassergebiets sorgt das moderate Gefälle der Rampe 12 dafür, dass das Wasser ungestört abströmen kann und eine erneute Durchmischung von Gas und Wasser vermieden wird.
Das abgeschiedene Gas wird in der der Schwerkraft entgegengesetzten Richtung abgeführt.
Durch die trichterförmige Querschnittsverringerung 17 des Gas-Ableitungsrohres 9 wird erreicht, dass das Gas zunächst so langsam strömt, dass die Umströmung eventuell im Gas vorhandener Tropfen laminar erfolgt. Somit sind die Tropfen im Wesentlichen der Schwerkraft ausgesetzt und erfahren nur sehr kleine Kräfte durch das abströmende Gas. Die Tropfen fallen zurück in den Separator und die Gasströmung bleibt frei von Wasser.
Die Praxis hat gezeigt, dass die Füllhöhe im erfindungsgemäßen Gasabscheider 100 von den Druck- und Durchflussrandbedingungen am Ein- und Auslauf abhängen können. Ein verminderter Abfluss kann dazu führen, dass der Separator geflutet wird und somit Wasser unerwünschter Weise in die Gasleitung eindringt. Andererseits kann ein erhöhter Abfluss den Separator vollständig leeren, so dass Gas in die Wasserleitung eintritt. Es hat sich als sinnvoll erwiesen, den Separator mit einer Füllstandmessung auszurüsten. Die Füllstandmessung kann mit einem bzw. zwei Grenzwertschaltern oder mit einer kontinuierlichen Messung der Füllhöhe (z.B. Differenzdruck) realisiert werden. Aus der Füllhöhe werden Signale abgeleitet, die jeweils ein am Gas- und Wasser- bzw. Flüssigkeitsauslass angebrachtes Ventil 22, 26 steuern.
Wenn die Füllhöhe im Gasabscheider – tatsächlich oder absehbar – über einen Grenzwert steigt, wird das Ventil 22 am Gasauslass geschlossen und wieder geöffnet, wenn der Grenzwert – tatsächlich oder absehbar – unterschritten wird. Ebenso wird das Ventil 26 am Wasserauslass geschlossen, wenn ein zweiter Grenzwert – tatsächlich oder absehbar – unterschritten wird. Dieses Ventil wird wieder geöffnet, wenn der zweite Grenzwert – tatsächlich oder absehbarüberschritten wird.
Die Füllstandmessung kann vorzugsweise mit einem Elektronischen Differenzdruckmessgerät realisiert werden. Diese misst den Absolut-Druck an zwei Positionen und ermittelt den Differenzdruck numerisch. Der Absolut-Druck kann dann z. B. verwendet werden, um Dichte des Gases für eine Massenstrommessung zu berechnen.
Die geometrische Gestaltung und Funktionsweise des Wehres 5 der 1 und 2 soll anhand der 3 und anhand des Gemisches Methan in Wasser als mehrphasiges Medium 3 näher erläutert werden. Eine Gasblase mit 10 Mikrometern Durchmesser soll sicher abgeschieden werden. (Grössere Blasen steigen schneller auf, daher wird die kleinste Blase als Grenzfall betrachtet.)
Eine Methangasblase hat in Wasser z. B. eine Auftriebsgeschwindigkeit u_g von 0.017 m/s. Sie muss in der Zeit t die Höhe h2 überwinden, um aus dem Wasser austreten zu können. In der gleichen Zeit t strömt das Wasser mit der Fliessgeschwindigkeit u_w über das Wehr (5) mit der Leitfläche der Länge L.
u_g = I2 / t
u_w = L / t
u_w = u_g· L / I2
Der Volumenstrom v . entspricht der Fliessgeschwindigkeit u_w mal der Höhe h2 mal der Breite des Wehres D (Das wehr ist so breit wie der Rohrdurchmesser. v . = u_w·I2·D v . = u_g·L·D
Damit ergibt sich die Länge L der Leitfläche (11) des Wehrs (5) in Fliessrichtung:
Die Höhe h2 und h1 sind aus der Hydraulik bekannt.
Dabei ist g die Erdbeschleunigung (9,81 m/s^2) und \mu der ebenfalls aus der Hydraulik bekannte Überströmparameter, der für ein Wehr der hier betrachteten Bauart den Wert von 0,5 annimmt. Die Höhe z des Wehrs soll etwa dem halben Rohrdurchmesser entsprechen. Idealerweise ist z + I2 = D / 2
Idealerweise ist dabei auch noch z > 2
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6620221 B1 [0003]
US 5507858 A [0003]
US 3960525 A [0003]

Claims

Gasabscheider (100) zur Trennung eines mehrphasigen Mediums (3) umfassend zumindest ein Gas, insbesondere in Form von Gasblasen (4), und eine Flüssigkeit (27), wobei der Gasabscheider (100) einen rohrförmigen Grundkörper (6) mit einer Längsachse (L1), sowie einen Einlauf (1) für ein gasförmiges Medium, einen Flüssigkeits-Auslass (16) und einen Gas-Auslass (21) aufweist, wobei der rohrförmige Grundkörper (6) einen Einlaufbereich (40) und einen Auslaufbereich (50) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass der Gasabscheider (100) zwischen dem Einlaufbereich (40) und dem Auslaufbereich (50) ein Wehr (5) mit einer Leitfläche (11) aufweist, welche mit dem Medium (3) unter Ausbildung eines Flachwasserbereichs überströmbar ist, derart dass das im Medium enthaltene Gas im Flachwasserbereich aus dem Medium austreten kann und durch den Gas-Auslass aus dem Gasabscheider (100) abführbar ist.
Gasabscheider (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wehr (5) über den Verlauf der Leitfläche (11) eine Höhe (z) aufweist, die zwischen 60% bis 120% bezogen auf den senkrechten Abstand der Längsachse (L1) bis zur Wandung des rohrförmigen Grundkörpers (6) beträgt.
Gasabscheider (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wehr (5) eine Rampe (12) aufweist, welche von der Leitfläche (11) in Richtung des Auslaufbereichs (5) verläuft.
Gasabscheider (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rampe (12) ein Gefälle zwischen 15 bis 45 Grad aufweist.
Gasabscheider (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasabscheider (100) zwischen dem Gas-Auslass (21) und dem rohrförmigen Grundkörper (6) ein Gasableitungsrohr (9) aufweist, welches eine trichterförmige Querschnittsverengung (17) aufweist.
Gasabscheider (100) nach einem der vorhergehenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Längserstreckung der Leitfläche (11) des Wehres (5) größer ist als der mittlere Durchmesser des rohrförmigen Grundkörpers (6).
Gasabscheider (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasableitungsrohr (9) einen Teilbereich aufweist mit einem mittleren Durchmesser von zumindest 75 % des mittleren Durchmessers des rohrförmigen Grundkörpers (6), vorzugsweise mit einem mittleren Durchmesser von nicht mehr als ein Nennweitensprung gegenüber dem mittleren Durchmesser des rohrförmigen Grundkörpers (6),
Gasabscheider (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Auslaufbereich (50) des Grundkörpers (6) ein Ableitungsrohr (15) zur Ableitung der Flüssigkeit (27), insbesondere der blasenfreien Flüssigkeit, angeordnet ist, wobei im Ableitungsbereich (50) und/oder im Ableitungsrohr (15) ein Wirbelbrecher (14) angeordnet ist.
Gasabscheider (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittebene entlang der Längsachse (L1) den Gasabscheider (100) in eine Oberseite (60) und eine Unterseite (70) unterteilt, wobei ein Einleitungsrohr (2) zur Zuleitung des Mediums (3) in den rohrförmigen Grundkörper (6) und das Ableitungsrohr (15) zur Ableitung der Flüssigkeit (27), insbesondere der blasenfreien Flüssigkeit, aus dem rohrförmigen Grundkörper (6), an der Unterseite (70) des rohrförmigen Grundkörpers (6) angeordnet sind und wobei das Gas-Ableitungsrohr (9) an der Oberseite (60) des rohrförmigen Grundkörpers (6) angeordnet ist.
Gasabscheider (100) dadurch gekennzeichnet, dass das Einleitungsrohr (2) als Steigrohr ausgebildet ist.
Vorrichtung zum Erfassen eines Durchflusses zumindest einer Einzelkomponenten eines mehrphasigen Mediums (3), umfassend zumindest ein Gas, insbesondere in Form von Gasblasen (4), und eine Flüssigkeit (27), mit dem Gasabscheider (100), gemäß Anspruch 1, wobei zumindest ein Durchflussmessgerät (24 oder 26) zum Erfassen des Durchflusses des Gases (4) und/oder der Flüssigkeit (27) strömungsmechanisch in Richtung der Gasströmung oder der Flüssigkeitsströmung hinter dem rohrförmigen Grundkörper (6) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Ableitungsrohr (15) für die Flüssigkeit ein Durchflussmessgerät (26) oder ein Rohr mit einem Durchflussmessgerät, zum Erfassen des Durchflusses der Flüssigkeit, angeordnet ist, wobei das Durchflussmessgerät vorzugsweise ein magnetisch-induktives Durchflussmessgerät, ein Vortex-Durchflussmessgerät, ein Coriolis-Durchflussmessgerät oder ein Ultraschall-Durchflussmessgerät ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass am oder im Gas-Ableitungsrohr (9) ein Durchflussmessgerät oder ein Rohr (23) mit einem Durchflussmessgerät (24) zum Erfassen eines Gasdurchflusses angeordnet ist, wobei das Durchflussmessgerät vorzugsweise ein thermisches Durchflussmessgerät, ein Vortex-Durchflussmessgerät oder ein Ultraschall-Durchflussmessgerät ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Ventil (22) zur Regelung des Gas-Durchflusses am Gas-Auslass (21) des Gasabscheiders (100) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Ventil (25) zur Regelung des Flüssigkeits-Durchflusses am Flüssigkeits-Auslass (16) des Gasabscheiders (100) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (22) zur Regelung des Gas-Durchflusses am Gas-Auslass (21) des Gasabscheiders (100) und/oder das Ventil (25) zur Regelung des Flüssigkeits-Durchflusses am Flüssigkeits-Auslass (16) des Gasabscheiders (100) steuerbare Ventile sind, wobei als Steuergröße jeweils ein Grenzwert für einen Füllpegel (II, 19) im Auslassbereich (50) oder im Flachwasserbereich (20) dient.
Verwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 10 zur Ermittlung der Durchflussgeschwindigkeit eines mehrphasigen Erdgas-Wasser-Mediums, insbesondere bei der Erdgasbohrung.