ITVE20060066A1 - MEASUREMENT METHOD OF THE FLOWS OF THE DIFFERENT PHASES OF A MULTIFASE FLOW AND DEVICE FOR IMPLEMENTING THE METHOD. - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION
dell'invenzione avente per titolo: of the invention entitled:
"Metodo di misura delle portate delle differenti fasi di un flusso multifase e dispositivo per attuare il metodo" "Method for measuring the flow rates of the different phases of a multiphase flow and device for implementing the method"
della PIETRO FIORENTINI S.p.A. a Milano of PIETRO FIORENTINI S.p.A. in Milan
depositata il 20 ottobre 2006 presso la Camera di Commercio dell'Industria, dell'Artigianato e dell'Agricoltura di Venezia. filed on 20 October 2006 at the Chamber of Commerce of Industry, Crafts and Agriculture of Venice.
La presente invenzione concerne un metodo di misura delle portate delle differenti fasi di un flusso multifase ed un dispositivo per attuare il metodo. The present invention relates to a method for measuring the flow rates of the different phases of a multiphase flow and a device for implementing the method.
Sono noti metodi di misura delle portate delle differenti fasi di un flusso multifase, qual è ad esempio il petrolio grezzo che esce da un pozzo petrolifero ed è costituito da una miscela di olio, acqua e gas. Methods for measuring the flow rates of the different phases of a multiphase flow are known, such as crude oil that comes out of an oil well and consists of a mixture of oil, water and gas.
Il problema che normalmente si presenta in questi casi è legato al fatto che la determinazione delle portate delle differenti fasi di un flusso multifase che attraversa il condotto è effettuata indirettamente attraverso misure di pressione differenziale tra due punti di misura distanziati lungo il tubo, misure cosiddette di "cross correlation", che consentono di determinare la velocità del flusso, e misure di impedenza (capacità e/o conduttanza). The problem that normally occurs in these cases is linked to the fact that the determination of the flow rates of the different phases of a multiphase flow that crosses the duct is carried out indirectly through differential pressure measurements between two measurement points spaced along the pipe, so-called measurements of "cross correlation", which allow to determine the flow velocity, and impedance measurements (capacitance and / or conductance).
Tuttavia la presenza nel flusso di bolle di gas, ed in particolare di bolle di gas relativamente grosse, determina un fenomeno indesiderato conosciuto con il nome di "slip" e legato al fatto che mentre le bolle piccole di gas hanno una velocità prossima a quella del liquido, le bolle più grandi hanno una velocità maggiore. Ne consegue che la velocità media del gas è maggiore della velocità media del liquido e poiché per determinare le portate delle differenti fasi del flusso multifase si utilizza un unico valore di velocità del flusso, la misura risulta inevitabilmente imprecisa. However, the presence in the flow of gas bubbles, and in particular of relatively large gas bubbles, determines an undesired phenomenon known as "slip" and linked to the fact that while small gas bubbles have a speed close to that of liquid, larger bubbles have a faster speed. It follows that the average velocity of the gas is greater than the average velocity of the liquid and since a single flow velocity value is used to determine the flow rates of the different phases of the multiphase flow, the measurement is inevitably inaccurate.
Allo scopo di ridurre questo inconveniente sono state proposte varie soluzioni, in parte basate sul principio di non mescolare il flusso multifase prima delle misurazioni, ed in parte basate sul principio di mescolare detto flusso. In order to reduce this drawback, various solutions have been proposed, partly based on the principle of not mixing the multiphase flow before measurements, and partly based on the principle of mixing said flow.
Con un metodo di misurazione multi-velocità è possibile misurare separatamente le velocità del liquido e del gas. Tuttavia esso si è rivelato With a multi-speed measurement method it is possible to measure liquid and gas velocities separately. However it turned out
Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA svantaggioso a causa della distribuzione molto grande delle velocità (da 5 a 10 m/sec) e della difficoltà di determinare quale velocità media utilizzare. Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA disadvantageous due to the very large distribution of speeds (from 5 to 10 m / sec) and the difficulty of determining which average speed to use.
Un flusso mescolato dovrebbe consentire teoricamente di eliminare il fenomeno dello slip e quindi di avere una sola velocità da misurare. Tuttavia si è constatato che lo slip si riforma molto rapidamente dopo la miscelazione e per questo è necessario non solo effettuare le misure vicino alla zona di miscelazione, ma anche di impedire che lo slip si riformi prima che le misure siano effettuate. A mixed flow should theoretically allow to eliminate the slip phenomenon and therefore to have only one speed to measure. However, it was found that the slip reforms very quickly after mixing and for this it is necessary not only to carry out the measurements near the mixing area, but also to prevent the slip from reforming before the measurements are made.
Secondo l'invenzione il problema è risolto con un metodo di misura delle portate delle differenti fasi di un fluido multifase, secondo il quale il flusso che attraversa un condotto viene sottoposto ad almeno una misura di pressione differenziale, a misure di cross correlation, per determinare la velocità del flusso, ed a misure di impedenza, caratterizzato dal fatto che si effettua la misura di pressione differenziale entro un primo strozzamento costituito da un Venturi con tratto di recupero ridotto ed immediatamente a valle di questo si sottopone il flusso a miscelazione e successivamente, prima che si riformi lo slip, lo si sottopone a misure di cross correlation e di impedenza in un secondo strozzamento avente un passaggio a sezione non circolare. According to the invention, the problem is solved with a method of measuring the flow rates of the different phases of a multiphase fluid, according to which the flow that passes through a duct is subjected to at least one differential pressure measurement, to cross correlation measurements, to determine the speed of the flow, and to impedance measurements, characterized by the fact that the differential pressure is measured within a first throttling consisting of a Venturi with a reduced recovery section and immediately downstream of this the flow is subjected to mixing and subsequently, before the slip is reformed, it is subjected to cross correlation and impedance measurements in a second throttling having a passage with a non-circular section.
Vantaggiosamente si effettuano le misure di cross correlation e di impedenza in detto secondo strozzamento formante un passaggio delimitato da due superfici piane e parallele. Advantageously, cross correlation and impedance measurements are carried out in said second constriction forming a passage delimited by two flat and parallel surfaces.
Sempre secondo l'invenzione il dispositivo per attuare il metodo comprende un condotto attraversato dal flusso multifase ed interessato da un primo strozzamento costituito da un Venturi con tratto di recupero ridotto, da un successivo allargamento formante una camera di miscelazione, e da un Still according to the invention, the device for carrying out the method comprises a conduit crossed by the multiphase flow and affected by a first throttling consisting of a Venturi with a reduced recovery section, a subsequent enlargement forming a mixing chamber, and a
Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA successivo secondo strozzamento, nel quale sono previsti elettrodi per effettuare le misure di cross correlation e di impedenza. Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA following second throttling, in which electrodes are provided to carry out cross correlation and impedance measurements.
La presente invenzione viene qui di seguito ulteriormente chiarita in una sua preferita forma di pratica realizzazione riportata a scopo puramente esemplificativo e non limitativo con riferimento alle allegate tavole di disegni, in cui: The present invention is further clarified hereinafter in a preferred embodiment thereof reported for purely illustrative and non-limiting purposes with reference to the attached drawings, in which:
la figura 1 illustra schematicamente un metodo tradizionale per determinare la portata dei singoli componenti di un flusso multifase, la figura 2 illustra schematicamente il metodo secondo l'invenzione, Figure 1 schematically illustrates a traditional method for determining the flow rate of the individual components of a multiphase flow, Figure 2 schematically illustrates the method according to the invention,
la figura 3 mostra in sezione longitudinale un dispositivo per attuare il procedimento secondo l'invenzione, e figure 3 shows in longitudinal section a device for carrying out the process according to the invention, e
la figura 4 lo mostra secondo la sezione trasversale IV-IV di figura 3. Figure 4 shows it according to the cross section IV-IV of Figure 3.
In figura 1 si riconosce che un metodo tradizionale per determinare la portata delle singole fasi di un fluido, ad esempio di petrolio grezzo, contenente gas, acqua e olio, prevede che nel modello matematico rappresentativo dello strumento di misura vengano forniti, quali dati di ingresso, la pressione differenziale dP tra due punti di misura in corrispondenza di un Venturi, il valore della velocità V del flusso multifase, rilevata attraverso tradizionali misure di cross correlation, ed il valore di impedenza Z del fluido. In figure 1 it is recognized that a traditional method for determining the flow rate of the single phases of a fluid, for example crude oil, containing gas, water and oil, provides that in the mathematical model representative of the measuring instrument are provided, as input data , the differential pressure dP between two measurement points in correspondence with a Venturi, the value of the multiphase flow velocity V, measured through traditional cross correlation measurements, and the impedance value Z of the fluid.
Attraverso una elaborazione dei dati di ingresso il modello matematico fornisce in uscita i valori di portata Qgdel gas, Qadell'acqua e Qodell'olio. By processing the input data, the mathematical model provides the flow rate values Qg of the gas, Q of the water and Q of the oil at the output.
Tuttavia, per quanto detto, a causa del fenomeno dello slip, il valore V di velocità è un valore medio, che è quello misurato con il metodo di cross correlation, e non la velocità del liquido e del gas (la velocità Vadell'acqua e Vodell'olio sono sensibilmente vicine tra loro). However, due to the slip phenomenon, the velocity V value is an average value, which is the one measured with the cross correlation method, and not the velocity of the liquid and gas (the velocity V of the water and Vodell'olio are noticeably close to each other).
Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA Il metodo secondo l'invenzione, raffigurato schematicamente nella figura 2, prevede di provocare un'intima miscelazione del flusso sotto misura in modo da omogeneizzare le sue fasi, ed immediatamente dopo, e cioè quando ancora il fenomeno dello slip non si è ripresentato, sottoporlo alle misure di cross correlation e di impedenza. In questo modo esiste una sostanziale identità tra il valore di velocità del flusso ed i valori di velocità delle singole fasi liquida Vle gassosa Vg, e ciò consente di utilizzare un unico valore V di velocità della miscela e di ottenere più precisi valori di portata Qg, Qae Qodelle differenti fasi del flusso. Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA The method according to the invention, schematically represented in figure 2, foresees to cause an intimate mixing of the flow under measurement in order to homogenize its phases, and immediately after, that is when the phenomenon of the slip is still did not come back, subject it to cross correlation and impedance measurements. In this way there is a substantial identity between the flow velocity value and the velocity values of the individual liquid phases Vle gaseous Vg, and this allows to use a single velocity value V of the mixture and to obtain more precise values of flow rate Qg, Qa and Qodelle different phases of the flow.
In pratica, per attuare il metodo l'invenzione utilizza il dispositivo esemplificativamente illustrato nelle figure 3 e 4. Esso comprende un condotto di misura 2, nel quale è ricavato un primo strozzamento, costituito da un Venturi comprendente una prima sezione convergente 4, preferibilmente realizzata con due tratti troncoconici congiunti da un tratto cilindrico, ed una gola 6. In quest'esempio il Venturi non presenta a valle della gola 6 un tratto divergente, anche se questo potrebbe essere presente, ma dovrebbe comunque essere molto breve, allo scopo di favorire la creazione di una turbolenza nel flusso. In practice, to implement the method, the invention uses the device illustrated by way of example in Figures 3 and 4. It comprises a measuring duct 2, in which a first throttle is obtained, consisting of a Venturi comprising a first converging section 4, preferably made with two truncated cone sections joined by a cylindrical section, and a groove 6. In this example the Venturi does not have a divergent section downstream of the groove 6, even if this could be present, but it should still be very short, in order to favor creating turbulence in the flow.
A questo Venturi è associato un misuratore di pressione differenziale 8, con un punto di misura 10 all'interno della sezione convergente del Venturi e con l'altro punto di misura 12 nella gola 6. A differential pressure gauge 8 is associated with this Venturi, with a measuring point 10 inside the converging section of the Venturi and with the other measuring point 12 in the groove 6.
Immediatamente a valle della gola 6, con riferimento al senso di avanzamento del flusso nel condotto 2, indicato dalla freccia 14, è prevista una camera di miscelazione 16, di lunghezza preferibilmente compresa tra 0.5 ed 1 diametro della camera stessa. Essa è seguita da un secondo Immediately downstream of the throat 6, with reference to the direction of advancement of the flow in the duct 2, indicated by the arrow 14, there is a mixing chamber 16, preferably of a length between 0.5 and 1 diameter of the chamber itself. It is followed by a second
Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA strozzamento, delimitato da due pareti laterali e parallele 18 ed avente pertanto sezione di forma differente da quella circolare della gola 6. Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA throttling, delimited by two lateral and parallel walls 18 and therefore having a section with a different shape from the circular one of the throat 6.
A queste pareti 18 sono applicati tradizionali elettrodi 20,22 per effettuare le misure di cross correlation e di impedenza. Traditional electrodes 20,22 are applied to these walls 18 to carry out cross correlation and impedance measurements.
Preferibilmente la distanza tra gli elettrodi 20,22 è inferiore al diametro interno della gola 6. Preferably the distance between the electrodes 20,22 is smaller than the internal diameter of the throat 6.
Il funzionamento del dispositivo secondo l'invenzione è il seguente: il flusso multifase di petrolio grezzo che entra nel condotto 2 percorre il tratto convergente 4 del Venturi ed aumenta la sua velocità, riducendo di conseguenza la sua pressione. La pressione differenziale dP viene misurata tra i suoi punti di misura 10 e 12. The operation of the device according to the invention is as follows: the multiphase flow of crude oil which enters the duct 2 runs along the converging portion 4 of the Venturi and increases its speed, consequently reducing its pressure. The differential pressure dP is measured between its measuring points 10 and 12.
Il flusso multifase uscente dalla gola 6 del Venturi entra nella camera 16, nella quale la brusca variazione di sezione sottopone il flusso ad elevata turbolenza e quindi ad una sua intensa omogeneizzazione. The multiphase flow outgoing from the venturi throat 6 enters the chamber 16, in which the sudden variation in section subjects the flow to high turbulence and therefore to its intense homogenization.
Il flusso così omogeneizzato attraversa il secondo strozzamento, nel quale viene sottoposto alle misure di cross correlation e di impedenza Z. The homogenized flow passes through the second throttling, in which it is subjected to cross correlation and impedance Z measurements.
In questa fase la variazione di sezione del passaggio del fluido dalla forma circolare in corrispondenza della gola 6 alla forma non circolare in corrispondenza del secondo strozzamento consente di far perdurare l'effetto di miscelazione e di ritardare quindi la riformazione dello slip. In this phase, the cross section variation of the fluid passage from the circular shape at the throat 6 to the non-circular shape at the second throttling allows the mixing effect to persist and therefore to delay the reformation of the slip.
In sostanza, grazie alla miscelazione, cui è sottoposto il flusso multifase tra la misura di pressione differenziale e le misure di cross correlation e di impedenza, il metodo ed il dispositivo secondo l'invenzione si presentano particolarmente vantaggiosi ed in particolare: Basically, thanks to the mixing, to which the multiphase flow is subjected between the differential pressure measurement and the cross correlation and impedance measurements, the method and the device according to the invention are particularly advantageous and in particular:
- rendono sostanzialmente insensibile la misura al fenomeno dello slip e quindi rendono la misura stessa alquanto precisa, - make the measurement substantially insensitive to the slip phenomenon and therefore make the measurement itself quite precise,
Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA - nel caso di assenza della sezione di recupero del Venturi, e cioè del suo tratto divergente, rendono migliore la miscelazione, migliorando ulteriormente l'accuratezza della misura, Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA - in the case of the absence of the recovery section of the Venturi, that is of its divergent section, they make the mixing better, further improving the accuracy of the measurement,
- grazie alle pareti piane del secondo strozzamento consentono di avere una ridotta distanza tra gli elettrodi 20,22 e conseguentemente una ridotta loro lunghezza, che comporta una ridotta lunghezza complessiva del dispositivo ed un ulteriore miglioramento dell'accuratezza della misura, - thanks to the flat walls of the second throttle, they allow a reduced distance between the electrodes 20,22 and consequently a reduced length thereof, which entails a reduced overall length of the device and a further improvement in the accuracy of the measurement,
- nel caso il tratto convergente 4 del Venturi sia realizzato a doppia sezione convergente e cioè con due tratti troncoconici congiunti da un tratto cilindrico, come illustrato in fig. 3, effettuano una premiscelazione del flusso multifase e quindi migliorano ulteriormente l'accuratezza della misura. - if the convergent section 4 of the Venturi is made with a double convergent section, that is, with two truncated cone sections joined by a cylindrical section, as illustrated in fig. 3, carry out a pre-mixing of the multiphase flow and therefore further improve the accuracy of the measurement.
La presente invenzione è stata illustrata e descritta in una sua preferita forma di realizzazione, ma si intende che varianti esecutive potranno ad essa in pratica apportarsi, senza peraltro uscire dall'ambito di protezione del presente brevetto per invenzione industriale. The present invention has been illustrated and described in a preferred embodiment thereof, but it is understood that executive variations may be applied to it in practice, without however departing from the scope of protection of the present patent for industrial invention.
Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA Dr. Ing. PAOLO PIOVESANA
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