KR20140019793A

KR20140019793A - 스팀 퀄리티와 흐름의 음향적 모니터링을 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20140019793A
Application number: KR1020137026414A
Authority: KR
Inventors: 디펜 엔. 신하; 크리스티안 판테아
Original assignee: 로스 알라모스 내셔널 씨큐어리티 엘엘씨
Priority date: 2011-03-07
Filing date: 2012-03-07
Publication date: 2014-02-17
Also published as: US20130067992A1; AU2012225475B2; US20160356744A1; WO2012122296A2; US10309932B2; CN103930777A; EP2684011A2; WO2012122296A3; US9442094B2; AU2012225475A1; BR112013022328A2; EP2684011A4

Abstract

파이프들(12) 또는 흐르는 스팀을 나르는 도관들(14) 내의 스팀 퀄리티와 흐름을 비침입성으로 모니터링하는 장치와 방법이 기술되었다. 파이프와 직접 접촉(20)하거나 그것과 떨어져서(16) 흐르는 스팀에 의해 스팀을 나르는 도관을 내에서 생성된 음향 진동들을 측정하고, 측정된 음향 진동들(32, 34, 36)을 파이프의 자연 공명 진동들의 주파수 스펙트럼 특성으로 변환하며, 그리고 하나 이상의 선택된 공명 주파수들(36)의 진폭 및/또는 주파수를 모니터링함으로써, 파이프 내의 스팀 퀄리티의 변화들이 결정된다. 스팀 흐름 속도와 스팀 퀄리티는 역비례하며, 적절한 캘리브레이션 커브들이 얻어지면 스팀 퀄리티의 변화들로부터 스팀 흐름 속도의 변화들이 계산된다.

Description

스팀 퀄리티와 흐름의 음향적 모니터링을 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ACOUSTIC MONITORING OF STEAM QUALITY AND FLOW}

본 출원은 2011년 3월 7일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 61/449,791의 "스팀 퀄리티의 음향적 모니터링을 위한 방법 및 장치"의 이익을 주장하며, 그 전체 내용은 이로써 공개하고 개시되는 모든 것에 대해 참조로 구체적으로 포함된다.

본 발명은 계약 No.DE-AC52-06NA25396에 따른 미국 에너지국의 지원을 수여받아 만들어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리들을 가진다.

본 발명은 일반적으로 스팀을 이용한 기름 회수(oil recovery)에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 스팀 퀄리티와 흐름에 대한 비침투성의(noninvasive) 실시간 측정에 관한 것이다.

중유(heavy oil)는 전세계 석유 매장량의 상당한 부분을 차지한다. 일반적인 생산 방식에서는, 매장(reservoir) 조건들에서의 높은 점도가 생산정(production wells)에서의 흐름을 제한하는 부분적인 이유로, 높은 비율의 매장된 석유를 회수할 수 없다. 그러므로 일반적인 생산에 의한 최종적인 회수는 대개 10퍼센트 미만이다. 스팀 투입은 중유의 생산을 촉진하는 데에 가장 널리 쓰이며, 현재 전체의 약 80퍼센트를 차지하는 방법이다. 열 전달 매체로서 스팀을 이용하는 것의 장점은 스팀이 물로 응결될 때 많은 양의 열이 발산되는 것이다. 파운드 당 1000 BTU 만큼의 높은 증발(또는 응결) 잠열에서는, 매우 적은 스팀이 많은 양의 에너지를 나른다. 다른 장점들로는 안전하고, 무독성이며, 비인화성인 스팀의 특성과, 스팀의 일정하고 제어된 온도에서 열을 전달하는 능력이 있다.

스팀 플러딩(steam-flooding)은 매장지로 충분한 퀄리티를 가진 이상(two phase) 스팀을 효과적인 속도로 투입하는 것을 포함한다. 그러나, 스팀 생성의 비용은 매우 높으며, 모든 스팀 플러딩 운용 비용의 약 50퍼센트를 차지한다. 높은 스팀 비용과 생산 허가들을 얻는 것의 어려움 때문에, 투입 스팀의 이용의 최적화가 필요하다. 그러나, 매장지로 운반되는 스팀의 퀄리티는 대체로 알려져 있지 않으며, 이러한 이유로 석유 채굴과 매장지 관리 둘 다를 위해 스팀 퀄리티 측정들이 중요해 졌다. 이러한 결정들은 스팀이 이용되는 다른 산업들에서도 또한 중요하다.

물은 포화 상태에서 기체 또는 액체로 존재할 수 있다. 습스팀(wet steam)은 기체와 액체 성분 양쪽 모두를 포함할 수 있고, 이것은 당업자들에게 이상(two phase) 플로우(flow)라고 알려져 있다. 스팀 퀄리티라고 알려진, 각 상의 양(quantities)을 표현하는 통상의 방법은 기체 상태의 질량 흐름속도(mass flow rate)와 전체 질량 흐름속도의 비이며, 이것은 1보다 작은 숫자 또는 퍼센티지로 나타낸다. 스팀 퀄리티 측정들은 표면 분배 선들(surface distribution lines)에서의 스팀 전달 시스템의 효율에 대해 결정력이 있으며 여러 방법을 이용하여 행해졌다. 하나의 방법은 스팀이 영역 컨스트릭션(area constriction)을 통할 시 압력의 낮아짐의 측정들을 기초로 하였으며, 이것은 파이프라인 내의 압력 측정 디바이스의 정확한 압력들의 측정을 요구한다. 다른 방법은 스팀을 오리피스(orifice)를 통해 파이프의 바깥으로 흐르게 하여 음향 에너지를 발생시키며 이를 검출하는 것이다. 검출된 신호의 진폭은 스팀 퀄리티와 관련된다. 그러나, 이 방법은 불필요한 소음을 만들어내며, 스팀을 외부 환경으로 내보낸다. 스팀 퀄리티 결정을 위한 정전 용량(capacitance) 측정들 (스팀을 나르는 파이프 안으로 측정 기구를 넣음) 또한 추가적인 온도 또는 압력 측정 디바이스를 요구한다. 스팀 퀄리티를 결정하기 위해 스팀을 나르는 파이프에 삽입된 오리피스를 포함하는 금속판의 양쪽 면들의 압력 변화차의 측정들 또한 파이프의 구멍들을 통해 연결되는 압력 측정 디바이스들을 요구한다.

광학 온라인 측정 시스템들 또한 스팀 퀄리티를 결정하는데에 이용되어 왔다. 복사 에너지의 다수의 파장들이 파이프 내의 광학 윈도우들을 통해 방사기(emitter)로부터 검출기(detector)까지 스팀을 통과하게 된다. 각 파장에 대해 스팀의 흐름에 의해 흡수된 복사 에너지의 양을 비교함으로써, 정확한 스팀 퀄리티의 측정이 실시간으로 연속적으로 결정될 수 있다.

이러한 접근들이 스팀을 나르는 파이프들을 뚫거나 또는 파이프 안으로 디바이스들을 삽입하는 것을 요구하므로, 어떤 것도 배관의 큰 변화 없이 손쉽게 한 위치에서 다른 위치로 옮겨서 설치될 수 있는 간단하고 비침입성의 스팀 퀄리티 모니터링 방법을 제공하지 않으므로, 대개 이러한 방법들은 실제 이용에 부적합하다. 추가적으로, 스팀 도관들은 400℉ 보다 높은 온도에서 운용되며, 측정 디바이스들은 높은 온도를 견뎌야만 한다.

스팀 흐름 속도 또는 스팀 퀄리티 파라미터(parameter)들의 대략적인 측정들은 대개 실제의 스팀 투입 오퍼레이션들에 충분하며, 비싸지 않고, 쉽게 관리되며, 쉽게 자동화된 디바이스들을 이용하여 여러 지점들에서 비침입성 측정들을 하는 능력은 가치가 있다.

본 발명의 실시예들은 스팀 퀄리티를 실시간으로 모니터링하는 장치 및 방법을 제공함으로써 종래 기술들의 단점들과 한계들을 극복한다.

본 발명의 실시예들의 다른 목표는 스팀 퀄리티를 실시간으로 비침입성으로 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들의 또 다른 목표는 스팀 파이프를 따라 선택된 위치, 및 스팀 파이프를 따라 선택된 다른 위치들에서의 스팀 퀄리티를 비침입성으로 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 실시예들의 또 다른 목표는 실시간으로 스팀의 흐름을 비침입성으로 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목표들, 장점들과 새로운 특징들은 다음의 기술들에 일부 명기될 것이고, 일부는 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자들이 다음의 내용을 검토하면 분명해질 것이고, 또는 발명의 실시에 의해서 배우게 될 수 있다. 본 발명의 목표들과 장점들은 첨부된 특허청구범위에서 구체적으로 나타내는 여러 수단들과 조합들을 이용하여 실현되고 얻어질 수 있을 것이다.

위의 목표들과, 그리고 다른 목표들을 이루기 위해, 본 발명의 목적들에 따라, 여기에 구현되고 넓게 기술된, 스팀이 흐르는 파이프의 선택된 위치에서 스팀 퀄리티를 모니터링하는 방법은, 선택된 위치에서 파이프를 통해 흐르는 스팀에 의해 파이프에서 생성된 소리를 검출하는 단계; 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하는 단계; 및 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서 피크 진폭을 모니터링하는 단계를 포함하며, 그에 따라 적어도 하나의 음향 진동 주파수의 피크 진폭의 변화들로부터 스팀 퀄리티의 변화들을 얻는다.

본 발명의 또 다른 양태와 본 발명의 목표들과 목적들에 따르면, 스팀이 흐르는 파이프의 선택된 위치에서 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치는, 선택된 위치에서 파이프를 통해 흐르는 스팀에 의해 파이프 내에서 생성된 소리의 검출을 위한 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer); 압전 트랜스듀서로부터의 신호를 수신하고 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하기 위한 신호 프로세서; 및 신호 프로세서로부터의 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서 피크 진폭을 모니터링하기 위한 마이크로프로세서를 포함하며, 그에 따라 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭의 변화들로부터 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어진다.

본 발명의 또 다른 양태와 본 발명의 목표들과 목적들에 따르면, 스팀이 흐르는 파이프의 선택된 위치에서 스팀 퀄리티를 모니터링하기 위한 장치는, 선택된 위치에서 파이프를 통해 흐르는 스팀에 의해 파이프 내에서 생성되는 소리를 검출하기 위한, 파이프와 이격되어 있는 검출기; 검출기로부터 신호를 수신하고 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하기 위한 신호 프로세서; 및 신호 프로세서로부터 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서 피크 진폭을 모니터링하기 위한 마이크로프로세서를 포함하며, 그에 따라 스팀 퀄리티의 변화들은 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서 피크 진폭의 변화들로부터 얻어진다.

본 발명의 또 다른 양태와 본 발명의 목표들과 목적들에 따르면, 스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서 스팀 퀄리티를 모니터링하는 방법은, 선택된 위치에서 파이프를 통해 흐르는 스팀에 의해 파이프에서 생성된 소리를 검출하는 단계; 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하는 단계; 및 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서 피크의 주파수를 모니터링하는 단계를 포함하며, 그에 따라 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭의 주파수의 변화들로부터 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어진다.

본 발명의 또 다른 양태와 본 발명의 목표들과 목적들에 따르면, 스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치는, 선택된 위치에서 파이프를 통해 흐르는 스팀에 의해 파이프에서 생성되는 소리를 검출하기 위한 압전 트랜스듀서; 압전 트랜스듀서로부터 신호를 수신하고 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하기 위한 신호 프로세서; 및 신호 프로세서로부터 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭의 주파수를 모니터링하기 위한 마이크로프로세서를 포함하며, 그에 따라 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭의 주파수의 변화들로부터 스팀 퀄리티의 변화들을 얻는다.

본 발명의 또 다른 양태와 본 발명의 목표들과 목적들에 따르면, 스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치는, 선택된 위치에서 파이프를 통해 흐르는 스팀에 의해 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하기 위한, 상기 파이프로부터 이격되어 있는 검출기; 검출기로부터 신호를 수신하고 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하기 위한 신호 프로세서; 및 신호 프로세서로부터 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭의 주파수를 모니터링하기 위한 마이크로프로세서를 포함하며, 그에 따라 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭의 주파수의 변화들로부터 스팀 퀄리티의 변화들을 얻는다.

본 발명의 실시예들의 효과들과 장점들은 파이프와 직접 접하거나 떨어져서 얻어진 음향 측정들로부터 파이프 내에 흐르는 스팀의 흐름 속도와 스팀 퀄리티를 비침입성으로 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 제공하는 것을 포함하는데, 이에 제한되어 있지 않다. 특정 주파수들에서는, 이러한 음향 측정들이 파이프의 단열(pipe insulation)을 통해 얻어지기도 할 것이다.

명세서에 통합되어 있고 일부분을 구성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 실시예들을 도시하며, 기술된 것과 함께 본 발명의 원리들을 설명하는데에 사용된다. 도면에서:
도 1은 마이크, 완충 막대(buffer rod)에 의해 파이프로부터 분리되어 있는 초음파 트랜스듀서, 또는 파이프와 직접 접하도록 위치한 초음파 트랜스듀서 중 적어도 하나를 사용하여 스팀 파이프 내의 소리의 측정을 나타내는, 본 발명의 장치의 실시예들에 대한 개략적인 도면이다.
도 2a는 흐르는 스팀을 가진 파이프로부터 나오는 소리의, 마이크를 이용하여 얻은 주파수의 함수에 대한 고속 푸리에 변환(FFT)의 일반적인 그래프이며; 도 2b는 흐르는 스팀을 가진 파이프의 벽에서의 소리의, 완충 막대와 함께 트랜스듀서를 이용하여 얻은 주파수의 함수에 대한 고속 푸리에 변환의 일반적인 그래프이며; 도 2c는 흐르는 스팀을 가진 파이프의 벽에서의 소리의, 직접 접촉 트랜스듀서를 이용하여 얻은 주파수의 함수에 대한 고속 푸리에 변환(FFT)의 일반적인 그래프이다.
도 3a는 휴대용 스팀 생성기에 의해 생성된 압력과 온도 측정들로부터 도출된 스팀 흐름 속도를 시간의 함수로서 나타낸 그래프이며; 도 3b는 스팀 속도가 1066과 1128 bbl/day 사이에서 변할 때, 완충 막대에 의해 스팀을 나르는 파이프와 연결된 압전 트랜스듀서의 출력을 시간의 함수로서 나타낸 그래프이며; 도 3c는 하나의 공명 피크에 대해 시간의 함수(스팀 흐름 속도)로서 나타낸 공명 피크 주파수의 그래프이다.
도 4a는 스팀 속도(좌측 좌표)와 스팀 퀄리티(우측 좌표)를 시간의 함수로서 나타낸 그래프이며, 이 두 양들 사이의 역의 관계를 정성적으로 도시하며; 도 4b는 스팀 흐름 속도의 함수로서 스팀 퀄리티 데이터의 최소 제곱법을 보여주는 그래프이며, 이 두 양들 사이의 역의 관계를 정성적으로 도시한다.

스팀이, 특히 습스팀이 파이프를 통해 흐를 때, 낮게 들리는 것과 보통 들림보다 더 높은 것 사이의 범위의 주파수들로, 스팀 흐름에 의해 유도된 진동들이 파이프에서 생성된다. 스팀 퀄리티가 바뀔 때, 파이프에서 생성된 주파수 스펙트럼도 이와 함께 변한다. 본 발명의 실시예들은 흐르는 스팀을 포함하는 파이프들과 도관들 내의 스팀 퀄리티와 흐름을 비침입성으로 모니터링하는 장치 및 방법을 포함한다. 파이프와 직접 접촉하거나 떨어져서, 스팀을 나르는 도관들 내에서 흐르는 스팀에 의해 생성되고, 측정된 음향 진동들을 파이프의 자연 공명 진동들의 주파수 스펙트럼으로 변환하며, 하나 이상의 선택된 공명 피크들의 진폭 및/또는 공명 주파수를 모니터링하는, 음향 진동들의 측정은 파이프 내의 스팀의 흐름 속도의 변화들을 결정할 수 있도록 해준다.

스팀 퀄리티와 스팀 흐름 속도는 반비례하게 관련되어 있으며, 아래에 더 자세히 논의될 것이고, 1995년 6월 6일에 Redus 등에게 허여된 미국 특허 No. 5,421,209의 식(9)에 제시된 것과 같다. 그러므로, 만약 스팀 퀄리티 또는 스팀 흐름 속도 중 하나가 측정되거나 또는 알려진다면, 다른 것도 또한 알려진다.

본 발명의 본 실시예들에 대해 이제 자세하게 언급될 것이며, 이것들의 예들은 첨부된 도면들에 도시되어 있다. 도면들에는, 비슷한 구조는 동일한 참조 캐릭터들을 이용하여 식별될 것이다. 도면들은 발명의 특정한 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 본 발명을 그것들에 제한하고자 의도한 바가 아님을 이해할 수 있을 것이다. 도 1에서, 흐르는 스팀(14)를 나르는 스팀 파이프(12) 내의 진동들을 검출하도록 해주기 위한 본 발명의 실시예들(10)이 도시되어 있다. 브로드밴드 (100Hz - 120kHz), -49 dB 민감도를 갖고, 파이프(12)로부터 이격되어 있는 연필 타입의 마이크(16)가 파이프(12)로부터 2 인치 거리에서 나오는 공기에서, 소리 수집 디바이스를 이용하지 않고 소리를 검출하는 데에 이용된다. 낮은 대역폭(~100Hz - 10kHz) 마이크가 이 목적을 위해 효과적일 것이다. 포물선 리플렉터(18)는 검출 능력을 더 높일 수 있고, 스탠드 오프(stand-off) 거리를 ~100 ft까지 증가시킬 수 있다. 스팀을 나르는 파이프(12)의 열의 효과들을 피하기 위해 마이크(16)는 파이프(12)의 몇 인치(2 in 보다 크게) 내에 위치할 수 있다. 마이크(16)는, 어떤 파이프들에도 디바이스를 꼭 설치하지 않더라도, 파이프의 길이를 따라 스캔하거나 또는 스팀 생성 기관의 다수의 위치들을 빠르게 살펴보는 데에 유용하다. 스팀을 나르는 파이프들이 가까이 모여있을 때, 마이크를 특정 파이프에 가깝게 되도록 움직여서 인접한 파이프들로부터의 신호들이 측정들과 간섭하지 않도록 하는 것이 유용할 것이다. 하나의 마이크보다 더 큰 지향성을 가진 지향성 마이크 또는 페이즈 어레이(phased-array) 마이크 시스템이 이러한 간섭 상황들에서 유용할 수 있다. 페이즈 어레이 시스템은 주기적인 패턴으로 배치된 다수의 마이크를 포함하고, 포물선 수신기 또는 지향성 마이크의 경우와 같이 센서를 움직이지 않고 파이프의 더 넓은 범위에 대한 전자적 조준을 허용한다.

다른 적절한 상업적으로 이용가능한 스탠드 오프(stand-off) 진동 검출기들은 광섬유 시스템들, 레이저 도플러 진동계들 및 정전용량 및 전자기적 센서들을 포함한다.

직접 접촉 진동 검출 측정들이 스탠드 오프 검출기 측정들을 검증하기 위해 이용되었다. 파이프(12)의 표면이 뜨겁고(> 400℉), 디스크 모양이므로, 리튬 니오브산염(lithium niobate) 압전(piezoelectric) 크리스털 (1 MHz 중앙 주파수, 5 mm 지름)(20)은 진동 검출기로서 파이프 표면(22)과 직접적으로 연결되었다. 리튬 니오브산염은 이러한 온도들에서 긴 수명을 가지나, 비스무트(bismuth) 티탄산염(titanate) 압전 세라믹들은 800℉ 까지의 운용 온도들에서 직접 접촉 측정들을 위해 사용될 수 있다. 하나의 대안으로, 원통형 석영 완충 막대 (5 mm 지름과 1 cm 길이)(26)를 가지는, 압전 트랜스듀서 (납 지르콘산염-납 티탄산염(lead zirconate-lead titanate)) 디스크(500 kHz 중앙 주파수)(24)는 트랜스듀서(24)와 파이프 표면(22) 사이에 끼워졌다. 석영은 낮은 열 전도율을 가지며, 그러므로 압전 크리스털들을 보호하기 위한 좋은 온도 절연을 제공한다. 그러나, 완충 막대(26)를 이용하더라도, 압전 진동 검출기는 압전 성질들의 악화로 인해 400℉ 위의 온도들에서 장기 이용에 적합하지 않다. 순환 액체 열 싱크(도 1에 도시하지 않음)가 크리스털 수명을 개선하는 데 이용될 수 있다. 압전 디스크(24)는 이것의 주파수 응답을 넓히기 위해 텅스텐으로 가득 찬(loaded) 에폭시(epoxy)로 채워져(back-loaded) 있다. 필수 주파수 대역폭을 갖는 다른 초음파 트랜스듀서들 또한 이용될 수 있다. 진동들을 검출하기 위해서, 리튬 니오브산염 크리스털(20) 또는 트랜스듀서-완충 막대 어셈블리(assembly)(24, 26)는 파이프(12)와의 음향적 연결을 이루기 위해 약한 압력 하에서 파이프 표면(22)과의 오로지 물리적 접촉만이 요구되며; 연결 젤(gel)은 요구되지 않는다. 파이프에 대해 트랜스듀서-막대 시스템을 잡아주기 위한 기계적 고정(도 1에 도시하지 않음)은 본 측정들을 위해 충분하다.

기술한 바와 같이, 진동 측정 센서들로의 접근을 제공하기 위해 스팀을 나르는 파이프에서의 열 절연이 제거된 곳에서는 측정들을 할 필요가 없을 수 있는데, 그 이유는 10 kHz 보다 작은 주파수들은 이러한 절연을 통해 큰 감쇠 없이 잘 전송되기 때문이다.

직접 접촉 진동 측정들은 스팀을 나르는 파이프들이 너무 많을 때, 밸브들 또는 파이프 섹션들이 서로 너무 가까워서, 스탠드 오프 측정 장치들의 설치 또는 특정의 관심 영역으로부터의 진동 측정들을 막을 때 특히 유용하다. 연결 젤들 또는 에폭시들에 대한 요구사항이 없으므로, 트랜스듀서들은 쉽게 제거되고 다른 위치로 이동될 수 있다.

마이크 또는 접촉 측정 트랜스듀서들로부터의 신호들은 처음에 각각의 증폭기들(28, 30, 32)을 이용하여 증폭되고, 이후 멀티채널, 12비트, 100 kHz 대역폭 A/D 트랜스듀서(34)로 유도된다. 만약 여러 개의 위치들로부터의 측정들이 요구된다면, 본 시스템은 32 또는 더 많은 분리된 채널들로 쉽게 확장될 수 있다. 내장된 혹은 분리된 DSP(디지털 신호 프로세서)를 가지는 마이크로프로세서(36)는 각 채널로부터의 신호를 분석하고, USB 또는 이더넷(Ethernet)(38)과 같은 출력을 제공한다. DSP 시스템은 페이즈 어레이(phased-array) 마이크 시스템으로부터의 신호를 처리하는 데에 충분히 빠르다. 디지털화된 진동 데이터의 FFT(고속 푸리에 변환)는 DSP에 의해 100㎲ 이내로 수행되며, 진동 주파수 스펙트럼을 결정한다. 이러한 진동 주파수들은 파이프를 통한 스팀의 흐름에 의해 자극된 파이프(도관)(12)의 여러 자연 공명 주파수들과 연관되어 있다. 스팀은 이것이 흐를 때 파이프 표면과 상호작용하며, 스팀에 소유되어 있는 분자 에너지를 파이프 표면으로 이동시킴으로써, 본 발명의 실시예들에 따라 검출된 파이프의 자연 진동수들을 들뜨게 하고 증폭시킨다. 높은 흐름 속도들에서는, 흐름의 소용돌이 특성(turbulent nature)은 또한 와류 발산(vortex shedding)에 의해서 이 에너지의 파이프로의 연결, 그리고 다른 연결 현상들을 개선한다. 이러한 흐름에 의해 유도된 진동들을 발달시키는 메커니즘들은 광범위하게 연구되었고 잘 이해되고 있다. 여러 공명 진동수들의 진폭들과 또한 공명 피크 주파수들은 그러므로 스팀 흐름 속도와 스팀 퀄리티와 관련된다. 피크 진폭은 더 쉽게 측정되므로, 더 좋은 지표일 수도 있다. 출력은 그래프들, LCD 화면상에 디스플레이되는 숫자들, 스팀 퀄리티의 식별된 범위가 초과되었을 때의 경고 신호, 또는 적절한 피드백 컨트롤로의 입력(초크(choke) 밸브가 스팀 흐름을 제어하도록 조절되었을 수 있음)과 같이 여러 형태로 될 수 있다.

스펙트럼 분석기는 마이크로프로세서에서 공명 피크들과 진폭들을 추적하는데에 사용될 수 있는 주파수 스펙트럼을 직접 제공하기 위해서 사용될 수 있다.

도 2a, 2b, 2c는 비교 목적들을 위한 동시 측정들에서, 각각 스탠드 오프 마이크, 압전 트랜스듀서, 그리고 완충 막대/압전 트랜스듀서 조합들로부터의 주파수의 함수로서의, FFT 크기의 그래프들이다. 주파수 스펙트럼들은 기록된 실시간의 진동 진폭 데이터의 DSP에서 FFT 처리를 이용하여 얻어진다. 파이프를 통해 스팀이 통과할 때, 스펙트럼들의 변화를 시간의 함수로 표시하기 위해 데이터는 폭포(water-fall)와 같이 기록된다. 스팀은 측정 위치로부터 약 100 피트(feet) 되는 곳에 위치한 트레일러의 휴대용 스팀 생성기로부터 얻어졌다. 스팀 속도와 스팀 퀄리티 값들은 이 휴대용 스팀 생성기를 위해 또한 얻어질 수 있었다. 세 개의 측정들은 그들의 주파수 스펙트럼에 대해 거의 같은 결과들을 제공한다. 예를 들어, 3과 5 kHz 주변의 FFT 스펙트럼들의 피크들은 모든 측정들에서 관찰되고, 실제로 위에 언급되었듯이 스팀의 흐름과 퀄리티에 의해 들뜬 파이프 공명들이다. 직접 접촉 리튬 니오브산염 크리스털 측정은 또한 높은 주파수들에서의 리튬 니오브산염 트랜스듀서의 증가된 민감도(sensitivity)로 인한 8과 9 kHz 주위에서의 더 강한 피크들(높은 진폭)외에도 3과 5kHz 주위의 두 개의 피크들을 보여준다. 이 피크들의 주파수 위치들은 파이프 치수(dimension)들 (지름, 벽 두께, 그리고 파이프 재료)에 연관되며, (도 2에 도시한) 주파수 피크들은 이들 특정한 측정들과 구성에 특정된다. 다른 기하(geometry)들 또는 치수들을 가진 파이프들은 다른 공명 특성들을 갖는다. 스팀을 나르는 파이프의 주어진 타입에 대해 (일반적으로 이들은 표준 파이프들이며 대체로 보편적으로 사용됨), 연관된 공명 피크들이 있을 것이며 이 주파수들의 진폭을 모니터링할 수 있을 것이다. 피크마다 다소 민감도가 변하기는 하지만, 대부분 공명 피크들은 스팀 퀄리티 측정들에 이용될 수 있다. 이 피크들의 진폭들 및/또는 주파수들은 스팀 흐름 속도와 스팀 퀄리티(이들이 위에 언급되었고 아래에서도 설명되었듯이, 캘리브레이션(calibration) 커브(curve)들이 생성되면 반대로 연관되므로)에 연관될 수 있다. 데이터는, 주파수가 약 10 kHz 보다 작을 때 파이프 진동의 주파수 내용이 더 확연해지며; 그러나, 이것은 파이프 치수들에 따라 바뀔 수 있음을 보여준다. 본 측정들을 위해, 25 kHz가 그 주파수 위에서 적은 진동 활동이 나타났기 때문에, 25 kHz가 위쪽 주파수 컷오프(cut off) 값으로 사용되었다. 도 2에 나타난 결과들은, 스탠드 오프와 직접 접촉 진동 측정들 양쪽 모두가 동일한 흐름-유도된 파이프 공명 주파수 정보를 제공하는 것을 분명하게 보여준다.

도 3a와 3b는 휴대용 스팀 생성기에 의해 만들어진 스팀 속도(압력과 온도 측정들로부터 도출됨)와 압전 크리스털-완충 막대 조합으로부터 얻어진 측정치를 비교한다. 마이크와 리튬 니오브산염 크리스털로부터의 측정치들은 위에서 제시된 논의와 일치하는 비슷한 결과들을 보여준다. 이 측정을 위해, 5 kHz 공명 피크가 임의로 선택되었고, 이것의 진폭이 모니터링되었다. 스팀 속도가 1066과 1128 bbl/day 사이에서 변할 때, 측정치들(정규화된)은 약 40분의 주기 동안 표시되었다. 스팀 속도의 이 작은 변화는 스팀 퀄리티(74-76%)의 약 2% 변화에 해당한다. 스팀 퀄리티는 이 휴대용 스팀 생성기에 의해 제공되는 스팀 속도의 역을 따른다. 이러한 작은 범위는 본 방법의 민감도를 설명한다. 음향에 기초한 비침입성 측정과 스팀 생성기에 의해 만들어진 실제 값 사이의 관계는 탁월한 일치를 한다(도 3a와 3b)(여기서, 음향 데이터와 스팀 속도 값의 변화들은 거의 같은 움직임을 보여준다). 측정의 위치에서의 정확한 스팀 속도는 거의 100 ft 떨어져서 위치한 스팀 생성기에서 발생되는 것과 약간 다를 것이라고 예상되므로, 두 측정치들 간에 완벽한 상관을 예상하지 않는다. 그러나, 강한 모니터링된 상관은, 스팀을 나르는 파이프에서 유도된 흐름-유도된 공명 진동이 실제로 스팀 속도 또는 스팀 퀄리티 측정들에 사용될 수 있음을 표시한다. 스팀 속도의 큰 변화들에 대해, 공명 피크 진폭들의 변화들과 주파수 이동(shift)들은 더욱 크다고 예상된다. 이러한 상황들에서, 어떠한 공명 피크에 대응하는 주파수를 추적하는 것이 더 쉽고 이것들은 스팀 퀄리티와 또한 스팀 속도 측정을 위해 이용될 수 있을 것이다. 도 3c는 ~2.6 kHz에서 하나의 공명 피크에 대한 스팀 흐름 속도의 변화들에서 공명 피크 주파수 이동들의 데이터를 보여준다. 스팀 흐름 속도의 변화가 작게 결정되었기 때문에, 이 경우에서 주파수 시프트는 작다. 위에서 일부 논의되었듯이, 공명 주파수의 시프트는 파이프 표면과 흐름의 연결과 도플러 시프트에 의해 발생한다. 그러므로, 어떠한 모니터링된 파이프 공명 피크(peak)의 피크 주파수 위치 또는 이것의 진폭은 스팀 퀄리티 또는 스팀 흐름 속도와 연관된 측정을 위해 이용될 수 있다. 높은 퀄리티의 데이터의 경우, 신호 평균화가 유리하다. 피크 주파수 위치 추적을 위해, 좁은 대역통과 필터(narrow band-pass filter)가 데이터의 변동들을 줄이기 위해 사용될 수 있다. 도 1에 표시된 DSP와 마이크로프로세서는 데이터 평탄화(smoothing)와 실시간 데이터 필터링(filtering)을 수행한다.

도 4a와 4b는 스팀 흐름 속도와 스팀 퀄리티 사이의 관계를 보여준다. 측정들은 압력과 온도의 열역학적 측정들에 기초하는 휴대용 스팀 생성기에 의해 생성된다. 도 4a는 이들 두 개 측정들이, 하나는 다른 하나의 역 형태이므로, 역으로 관련되어 있는 것을 보여주고, 도 4b는 스팀 퀄리티의 함수인 스팀 흐름 속도의 그래프이다. 그래프에서 속이 찬(solid) 원들은 실제 측정들이며, 실선은 데이터의 최소 제곱 맞춤이다. 이 맞춤은 간단한 식, 스팀 퀄리티 = -21.587 + 109234.01/스팀 흐름 속도 에 의해 나타낼 수 있다. 그러므로, 하나의 파라미터의 측정은 다른 하나의 측정을 제공하고, 본 음향 측정들은 양쪽 파라미터 모두와 연관되어 있다.

본 발명의 앞서 말한 기술은 도해와 기술의 목적들을 위해 제공되었고 완전하거나 또는 개시된 정확한 형태로 본 발명을 제한하도록 의도되지 않았으며, 위의 기술에 의해 여러 수정들과 변화들은 당연히 가능하다. 본 실시예들은 본 발명의 원리들과 이것의 실제의 응용을 가장 잘 설명하기 위해서 선택되고 기술되었으며, 따라서 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자들이 본 발명의 여러 실시예들과 고려된 특정 이용에 맞는 여러 수정들을 가장 잘 이용할 수 있게 될 것이다. 본 발명의 범위는 여기에 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 것으로 의도되었다.

Claims

스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서의 스팀 퀄리티(steam quality)를 모니터링하는 방법으로서,
상기 선택된 위치에서 상기 파이프를 통해 흐르는 상기 스팀에 의해 상기 파이프 내에서 생성된 소리(sound)를 검출하는 단계;
상기 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼(natural resonance vibration frequency spectrum)으로부터 적어도 하나의 음향(acoustic) 주파수를 결정하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭(peak amplitude)을 모니터링하는 단계
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 상기 피크 진폭의 변화들로부터 상기 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어지는 방법.
제1항에 있어서, 스팀 퀄리티의 변화로부터 스팀 흐름 속도(steam flow rate)의 변화를 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
제1항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 마이크를 이용하여 달성되는 방법.
제3항에 있어서, 상기 마이크는 포물선 리플렉터(parabolic reflector)를 포함하는 방법.
제3항에 있어서, 상기 마이크는, 연필(pencil) 마이크, 지향성(directional) 마이크, 및 페이즈 어레이(phased-array) 마이크 중에서 선택되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 레이저 도플러 진동계(laser Doppler vibrometer)을 이용하여 달성되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 상기 파이프와 음향적 접촉된(acoustic contact) 압전 트랜스듀서(piezoelectric transducer)를 이용하여 달성되는 방법.
제7항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 리튬 니오브산염(lithium niobate), 납 지르코산염-납 티탄산염(lead zirconate-lead titanate) 및 비스무트티탄산염 크리스털들(bismuth titanate crystals)들로부터 선택되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 상기 파이프와 음향적 접촉된 완충 막대(buffer rod)와 음향적 접촉된 압전 트랜스듀서를 이용하여 달성되는 방법.
제9항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 리튬 니오브산염, 납 지르코산염-납 티탄산염, 및 비스무트 티탄산염 크리스털들로부터 선택되는 방법.
제1항에 있어서, 상기 파이프에서 생성된 상기 검출된 소리의 고속 푸리에 변환을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서의 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치로서,
상기 선택된 위치에서 상기 파이프를 통해 흐르는 상기 스팀에 의해 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 압전 트랜스듀서;
상기 압전 트랜스듀서로부터의 신호를 수신하고 상기 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하는 신호 프로세서; 및
상기 신호 프로세서로부터의 상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭을 모니터링하기 위한 마이크로프로세서
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 상기 피크 진폭의 변화들로부터 상기 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어지는 장치.
제12항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 리튬 니오브산염, 납 지르코산염-납 티탄산염 및 비스무트 티탄산염 크리스털들로부터 선택되는 장치.
제12항에 있어서, 상기 파이프와 음향적 접촉된 완충 막대를 더 포함하는 장치.
제12항에 있어서, 상기 신호 프로세서는, 상기 검출된 소리의 고속 푸리에 변환을 생성하는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 장치.
제15항에 있어서, 상기 디지털 신호 프로세서는 스펙트럼 분석기를 포함하는 장치.
스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서의 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치로서,
상기 선택된 위치에서 상기 파이프를 통해 흐르는 상기 스팀에 의해 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하기 위한, 상기 파이프로부터 이격되어 있는 검출기;
상기 검출기로부터의 신호를 수신하고 상기 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하기 위한 신호 프로세서; 및
상기 신호 프로세서로부터의 상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 피크 진폭을 모니터링하기 위한 마이크로프로세서
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 상기 피크 진폭의 변화들로부터 상기 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어지는 장치.
제17항에 있어서, 상기 검출기는 마이크를 포함하는 장치.
제18항에 있어서, 상기 마이크는 포물선 리플렉터를 포함하는 장치.
제18항에 있어서, 상기 마이크는 연필 마이크, 지향성 마이크 및 페이즈 어레이 마이크 중에서 선택되는 장치.
제17항에 있어서, 상기 검출기는 레이저 도플러 진동계를 포함하는 장치.
제17항에 있어서, 상기 신호 프로세서는, 상기 검출된 소리의 고속 푸리에 변환을 생성하는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 장치.
제22항에 있어서, 상기 디지털 신호 프로세서는 스펙트럼 분석기를 포함하는 장치.
스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서의 스팀 퀄리티를 모니터링하는 방법으로서,
상기 선택된 위치에서 상기 파이프를 통해 흐르는 상기 스팀에 의해 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계;
상기 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하는 단계; 및
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 하나의 피크의 주파수를 모니터링하는 단계
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 상기 피크의 주파수의 변화들로부터 상기 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어지는 방법.
제24항에 있어서, 스팀 퀄리티의 변화로부터 스팀 흐름 속도의 변화를 계산하는 단계를 더 포함하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 마이크를 이용하여 달성되는 방법.
제26항에 있어서, 상기 마이크는 포물선 리플렉터를 포함하는 방법.
제26항에 있어서, 상기 마이크는 연필 마이크, 지향성 마이크 및 페이즈 어레이 마이크 중에서 선택되는 방법.
제24항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 레이저 도플러 진동계를 이용하여 달성되는 방법.
제24항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 상기 파이프와 음향적 접촉된 압전 트랜스듀서를 이용하여 달성되는 방법.
제30항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 리튬 니오브산염, 납 지르코산염-납 티탄산염 및 비스무트 티탄산염 크리스털들로부터 선택되는 방법.
제24항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하는 단계는 상기 파이프와 음향적 접촉된 완충 막대와 음향적 접촉된 압전 트랜스듀서를 이용하여 달성되는 방법.
제32항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 리튬 니오브산염, 납 지르코산염-납 티탄산염 및 비스무트 티탄산염 크리스털들로부터 선택되는 방법.
제24항에 있어서, 상기 파이프 내에서 생성된 상기 검출된 소리의 고속 푸리에 변환을 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서의 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치로서,
상기 선택된 위치에서 상기 파이프를 통해 흐르는 상기 스팀에 의해 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하기 위한 압전 트랜스듀서;
상기 압전 트랜스듀서로부터의 신호를 수신하고 상기 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하기 위한 신호 프로세서; 및
상기 신호 프로세서로부터의 상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 하나의 피크의 주파수를 모니터링하기 위한 마이크로프로세서
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 상기 피크의 주파수의 변화들로부터 상기 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어지는 장치.
제35항에 있어서, 상기 압전 트랜스듀서는 리튬 니오브산염, 납 지르코산염-납 티탄산염 및 비스무트 티탄산염 크리스털들로부터 선택되는 장치.
제35항에 있어서, 상기 파이프와 음향적 접촉된 완충 막대를 더 포함하는 장치.
제35항에 있어서, 상기 신호 프로세서는, 상기 검출된 소리의 고속 푸리에 변환을 생성하는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 장치.
제38항에 있어서, 상기 디지털 신호 프로세서는 스펙트럼 분석기를 포함하는 장치.
스팀이 흐르는 파이프 내의 선택된 위치에서의 스팀 퀄리티를 모니터링하는 장치로서,
상기 선택된 위치에서 상기 파이프를 통해 흐르는 상기 스팀에 의해 상기 파이프 내에서 생성된 소리를 검출하기 위한, 상기 파이프로부터 이격된 검출기;
상기 검출기로부터의 신호를 수신하고 상기 파이프의 자연 공명 진동 주파수 스펙트럼으로부터 적어도 하나의 음향 주파수를 결정하는 신호 프로세서; 및
상기 신호 프로세서로부터의 상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 하나의 피크의 주파수를 모니터링하기 위한 마이크로프로세서
를 포함하며,
상기 적어도 하나의 음향 진동 주파수에서의 상기 피크의 주파수의 변화들로부터 상기 스팀 퀄리티의 변화들이 얻어지는 장치.
제40항에 있어서, 상기 검출기는 마이크를 포함하는 장치.
제41항에 있어서, 상기 마이크는 포물선 리플렉터를 포함하는 장치.
제41항에 있어서, 상기 마이크는 연필 마이크, 지향성 마이크 및 페이즈 어레이 마이크 중에서 선택되는 장치.
제40항에 있어서, 상기 검출기는 레이저 도플러 진동계를 포함하는 장치.
제40항에 있어서, 상기 신호 프로세서는 상기 검출된 소리의 고속 푸리에 변환을 생성하는 디지털 신호 프로세서를 포함하는 장치.
제45항에 있어서, 상기 디지털 신호 프로세서는 스펙트럼 분석기를 포함하는 장치.