NO159881B

NO159881B - Fremgangsmaate og anordning for maaling av stroemningsmengden av et tofasefluid.

Info

Publication number: NO159881B
Application number: NO845289A
Authority: NO
Inventors: Marcel Arnaudeau; Philippe Rousset
Original assignee: Inst Francais Du Petrole
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1984-12-28
Publication date: 1988-11-07
Also published as: GB2152213A; NO159881C; BE901408A; DE3447656A1; FR2557690A1; AU3724685A; JPH0560046B2; GB2152213B; NL8403966A; WO1990007100A1; ES539531A0; ES8701378A1; IT8468289A0; US4817439A; AU573669B2; JPS60227127A; IT1179901B; GB8432800D0; NL192543B; CA1232683A

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en anordning for å måle strømningsmengden av væskefasen og gassfasen i et strømmende tofasefluid.

Anordninger for pumping av tofasefluider omfattende en bland-ing av væske og gass som ikke er oppløst i væsken, er alle-rede kjent, f.eks. fra fransk patentsøknad nr. 79 31031. Imidlertid opererer disse anordninger tilfredsstillende bare når verdiene for strømningshastigheten av de to faser og det volumetriske forhold mellom gassfasen og væskefasen (GOR)

for de gitte termodynamiske strømningsbetingelser ligger mellom bestemte grenser som avhenger av anordningens geometri og kinematikk. Således benyttes regulerende apparater som kan sikre relativt konstante strømningsmengder og volumetriske forhold ved innløpet av pumpen.

For å muliggjøre operasjonen av disse reguleringsapparater

er det derfor nødvendig å måle nøyaktig verdiene for strøm-ningsmengden for hver av de to faser og det volumetriske forhold i tofasefluidet på oppstrømssiden.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilveiebringe en fremgangsmåte og en anordning som muliggjør utførelse av slike målinger.

For dette formål vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for måling av strømningsmengden av væskefase og gassfase i et tofasefluid under strømning, og er karakterisert ved at tofasé-fluidet roteres om en lengdeakse for å generere en koaksial strømning som har et rørformet sjikt dannet av gassfasen, omgitt av et rørformet sjikt dannet av væskefasen, at det ned-strøms for den sone hvor nevnte tofasefluid er blitt rotert,

på den ene side måles tykkelsene av de rørformede sjikt av væskefase og gassfase, og på den annen side måles strømnings-hastigheten av i det minste væskefasen, og at det fra de målte tykkelses- og hastighetsverdier ved sammenligning med matematiske og/eller eksperimentelle modeller bestemmes strøm-ningsmengde i forhold til volum og masse av hver fase og også volumetrisk forhold av gassfase og væskefase under de termo-

dynamiske betingelser for tofasefluidet.

Disse målinger kan utføres på enhver egnet måte, f.eks. ved bruk av en oppvarmet tråd eller bruk av et Pitot-rør, men tykkelsen av de respektive sjikt bestemmes fortrinnsvis ved å måle absorpsjonsdifferensialet av ^-stråling i nevnte faser og strømningshastighetene ved hjelp av Doppler-effekt.

I visse tilfeller hvor denne fremgangsmåte benyttes, er det volumetriske forhold stort,og tykkelsen av væskesjiktet er meget lite. Nøyaktigheten i målingene kan da forbedres ytterligere dersom tykkelsen av væskesjiktet økes i en kort periode. Dette kan gjøres ved å utføre målingene etter at strømningen av tofasefluid er tilført en forutbestemt strøm-ning av væske, spesielt vann, og/eller ved å modifisere rotasjonshastigheten av tofasefluidet.

I en spesiell utførelse av oppfinnelsen utføres målingene av tykkelse og hastighet ved forutbestemte intervaller, og nevnte tilførsel av ytterligere væske og/eller modifikasjon av rotasjonshastigheten av fluidet bevirkes når verdiene for tykkelsen av sjiktene og/eller strømningshastigheten avviker fra de midlere tilsvarende verdier som tidligere er målt.

Oppfinnelsen omfatter også en anordning for utførelse av oven-nevnte fremgangsmåte, som er karakterisert ved at den omfatter et ytre, fast, rørformet hus, en langsgående aksel anordnet i huset og forbundet med midler som muliggjør dens rotasjon med bestemte variable hastigheter, et rørformet hus som er montert koaksialt med det indre av det ytre hus og kan bringes i rotasjon sammen med akselen, hvilket indre hus strekker seg kun i en del av lengden av det ytre hus, midler for inn-føring av et tofasefluid i det ytre hus og midler for fjerning av tofasefluid fra det ytre hus nedstrøms for det indre hus, idet det ytre hus i en sone mellom den nedstrøms ende av det indre hus og nevnte fjernemidler omfatter midler for måling av tykkelsen av rørformede lag av gassfasen og væskefasen som dannes i det indre hus, og midler for å måle strømnings-hastigheten av i det minste væskefasen.

Nevnte midler for å måle tykkelsen kan omfatte en if-strålingskilde og en flerhet motstående anordnedeJ-strålingsdetektorer, og midlene for måling av strømningshastigheten kan være av Doppler-effekttypen.

I en foretrukket utførelse av oppfinnelsen er det anordnet midler for å innføre en strømning av væske, spesielt vann, som kontrolleres oppstrøms for nevnte indre hus.

Disse midler for innføring av en strømning av væske kan f.eks. være av den type som er angitt i fransk patentsøknad nr. 82 17245.

Med fordel kan anordningen ifølge oppfinnelsen omfatte en elektromotor med variabel hastighet for å rotere akselen og det indre hus.

Et ikke-begrensende utførelseseksempel på oppfinnelsen skal nå beskrives under henvisning til vedføyede tegninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk aksialsnitt gjennom en måleanordning ifølge oppfinnelsen, Fig. 2 er også et aksialt snitt, men i større målestokk, av denne anordnings målesone,

Fig. 3 er et snitt langs linjen III-III på fig. 2,

Fig. 4 illustrerer variasjonen av tykkelsen av væskesjiktet av en koaksial tofasestrømning som funksjon av det volumetriske forhold mellom gassfasen og væskefasen for forskjellige rotasjonshastigheter og med konstant strømningsmengde av væske, Fig. 5 illustrerer variasjonen i denne samme tykkelse som funksjon av det volumetriske forhold for forskjellige strøm-ningsmengder av væskefasen ved konstant rotasjonshastighet, Fig. 6 illustrerer variasjonen av hastigheten av væskefasen som en funksjon av det volumetriske forhold for forskjellige væskestrømningsmengder ved konstant rotasjonshastighet, og

Fig. 7 illustrerer variasjonen i hastigheten av væskefasen som en funksjon av det volumetriske forhold for forskjellige rotasjonshastigheter ved konstant væskestrømningsmengde.

Måleanordningen vist på fig. 1 til 3 omfatter hovedsakelig et fast, rørformet, ytre hus 1 hvor det koaksialt er montert et indre rørformet hus 2 som kan roteres av en motor 3 med variabel hastighet via en aksel 4.

En væskeinjeksjonsanordning 5, f.eks. av den type som er be-skrevet i fransk patentsøknad nr. 82 17245, er anordnet ved innløpet til anordningen og mates av en pumpe 6. Målekammeret 7 er plassert umiddelbart nedstrøms for det indre hus 2 og følges av en strømningsregulerende anordning 8 av kjent type foran utløpet 9 av anordningen.

En Doppler-sender 10 og en tilsvarende mottaker 11 har sine respektive transduktorer anordnet i målekammeret 7 langs en generatrise for det ytre rørformede hus 1.

En ^ -strålingskilde 12 og tilsvarende mottakere 13 er anordnet i det samme transversale plan perpendikulært på akselen 4.

Inngangene og utgangene for målekomponentene 10, 11, 12 og 13 er forbundet med en behandlingsenhet 14, som også er konstru-ert for å styre operasjonen av pumpen 6 og motoren 3 med variabel hastighet.

Ved bruk bevirker det rørformede hus 2 som drives av motoren 3 rotasjon av tofasefluidet som strømmer inn i anordningen slik at ved utløpet av dette hus opptrer det som en indre rørformet strømning av gass 15 og en ytre rørformet strømning av væske 16. Gasstrømningen har en aksial hastighet V"G og væskestrømmen har en aksial hastighet V"L.

Hastigheten VjT -f bestemmes direkte ved Doppler-systemet 10, 11, mens tykkelsen e av væskesjiktet bestemmes av behandlingsenheten 14 ut fra signaler tilført fra detektorene 13. Jf-strå-lingen absorberes hovedsakelig av væskefasen, slik at disse signaler er representative for tykkelsen e.

Det er kjent at for en gitt geometri av anordningen, for en" gitt rotasjonshastighet av huset 2, og for en bestemt tofase-strømningsmengde og et bestemt volumetrisk forhold, er tykkelsen e for væskesjiktet og også hastighetene VG og VL for hver av fasene definert.

Ved sammenligning med tidligere etablerte modeller kan således kunnskap om tykkelsen av sjiktene og deres hastighet benyttes til å bestemme verdiene av strømningsmengde for volum og masse såvel som virkelige volumetriske forhold, slipp-hastigheten mellom fasene tatt i betraktning.

Fig. 4 til 7 representerer eksempler på slike forhold mellom tykkelsen e og hastigheten VL på den ene side, og det volumetriske forhold (GOR) på den annen side.

I disse diagrammer er tykkelsen av væskesjiktet redusert til

en dimensjonsløs størrelse

hvor R er den indre e

radius av huset 1 og Ri er den ytre radius av akselen 4.

Disse kurver viser at dersom man har gitt tykkelsen e av væskesjiktet og dets aksiale hastighet VL, såvel som rotasjonshastigheten <o av motoren 3, kan man både bestemme det volumetriske forhold GOR og væskestrømningsmengden Q^, fra hvilke gasstrømningsmengden kan beregnes.

Dersom det volumetriske forhold er for høyt, dvs. at tykkelsen e er for liten til at målingen som utføres ved hjelp av X-detektorerve 13 er signifikant, kan behandlingsenheten 14 styre operasjonen av pumpen 6, dvs. øke strømningsmengden QL, som virker til å øke tykkelsen e og således resultatet på fig. 5. Enheten 14 kan også styre en reduksjon av rotasjonshastigheten, som har samme effekt på tykkelsen e, og således innvirker på fig. 4. Fra de nye verdier for e og V"L oppnådd på denne måte, kan man beregne det volumetriske forhold og den modifiserte væskestrømningsmengde, og dersom man har gitt forskjellen i rotasjonshastighet eller forskjellen i væske-strømningsmengde etter og før modifikasjonen, kan man komme tilbake til tykkelsen e og hastigheten V. før modifikasjonen.

I praksis utføres målingene med en bestemt frekvens, og et-hvert betydelig avvik i de pågående målinger i forhold til tidligere midlere målinger bevirker oppstarting av pumpen 6 for å øke væskestrømningen eller en modifikasjon av rotasjonshastigheten av motoren 3 slik at en nøyaktig måling kan foretas.

Oppfinnelsen er naturligvis ikke begrenset til det ovenfor beskrevne utførelseseksempel, men kan varieres og modifiser-es på forskjellige måter uten å avvike fra oppfinnelsens idé.

Claims

1. Fremgangsmåte for måling av strømningsmengden av væskefase og gassfase i et strømmende tofasefluid, karakterisert ved at tofasefluidet roteres om en langsgående akse for å danne en koaksial strømning som har et rør-formet sjikt (15) utformet av gassfasen, omgitt av et rør-formet sjikt (16) utformet av væskefasen, at nedstrøms for sonen hvor tofasefluidet er blitt rotert måles tykkelsen (e) av de rørformede sjikt av væskefasen og gassfasen på den ene side, og strømningshastigheten (VL) av i det minste væskefasen på den annen side, og at ut fra de målte tykkelses- og hastighetsverdier ved sammenligning med matematiske og/eller eksperimentelle modeller, bestemmes strømningshastigheter ved-rørende volum og masse for hver fase såvel som det volumetriske forhold mellom gassfasen og væskefasen ved de termodynamiske betingelser for tofasefluidet.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at tykkelsen av de respektive sjikt måles ved å måle absorpsjonsdifferensialet for tf-stråling i de to faser.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at strømningshastighetene måles ved hjelp av Doppler-effekt.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at målingene utføres etter at det til strømningen av tofasefluid tilføres en forutbestemr strømning av ytterligere væske, spesielt vann, og/eller ved modifisering av rotasjonshastigheten av tofasefluidet.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at tykkelses- og hastighets-målingene utføres ved forutbestemte intervaller, og at til-førselen av ytterligere væske og/eller modifikasjonen av rotasjonshastigheten av fluidet bevirkes når de aktuelle verdier av tykkelsen av sjiktene og/eller strømningshastighetene avviker fra tilsvarende middelverdier målt tidligere.

6. Anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at den omfatter et ytre, fast, rørformet hus (1), en langsgående aksel (4) anordnet i huset og festet til midler (3) som muliggjør dens rotasjon med bestemte variable hastigheter, et rørformet hus (2) som er montert koaksialt inne i det ytre hus og som kan roteres sammen med nevnte aksel, idet det indre hus strekker seg kun i én del av lengden av det ytre hus, midler for innføring av tofasefluid i det ytre hus og midler (9) for å fjerne tofasefluid fra det ytre hus nedstrøms for det indre hus, idet det ytre hus i en sone (7) beliggende mellom den nedstrøms ende av det indre hus og nevnte fjernemidler, har midler (12, 13) for måling av tykkelsen av de rørformede sjikt av gassfasen og væskefasen som dannes i det indre hus og midler (10, 11) for måling av strømningshastig-heten av i det minste væskefasen.

7. Anordning ifølge krav 6, karakterisert ved at nevnte midler for måling av tykkelsen omfatter en ^ -strålingskilde (12) og en flerhet motsatt anordnede strålingsdetektorer (13).

8. Anordning ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at midlene (10, 11) for måling av strømnings-hastighet er av Doppler-effekttypen.

9. Anordning ifølge et av kravene 6 til 8, karakterisert ved at den omfatter midler (5, 6) for innføring av en strømning av væske, spesielt vann, som styres oppstrøms for det indre hus (2).

10. Anordning ifølge et av kravene 6 til 9, karakterisert ved at den omfatter en elektromotor (3) med variabel hastighet for å bevirke rotasjon av akselen (4) og det indre hus (2).