NO20120421A1

NO20120421A1 - Apparatus and method for measuring the flow rate of a multiphase fluid flow

Info

Publication number: NO20120421A1
Application number: NO20120421A
Authority: NO
Inventors: Paolo Andreussi; Stefano Boschi
Original assignee: Tea Sistemi Spa
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2012-04-11
Publication date: 2012-04-30

Abstract

Apparat for å måle en flerfase fluidstrømning som strømmer i et rør (2), omfattende: en måleenhet (11), koaksiell med røret, bestående av en isokinetisk prøvetakingsanordning (1) passende innrettet for å muliggjøre uniform fordeling av strømningen ved innløpet over n kanaler (6) med areal A, av hvilke m er prøvetakingskanaler, og en strømningsbegrensning (13), begge utstyrt med en differensialtrykkmåleinnretning (12, 14), en faseseparator (15), koblet til prøvetakingsanordningen, målere og en reguleringsanordning nedstrøms nevnte separator. En fremgangsmåte i tilknytning til nevnte apparat omfatter: isokinetisk prøvetaking av en andel q av flerfasestrømningen Q ved innløpet, måling av strømningsratene av væsken qL og gassen qG av den prøvede andelen og beregning av væske- og gasstrømningsratene (QL og QG) fra prøvetakingsdelene i henhold til likningene QG = n/m qG og QL = n/m qL. Fremgangsmåten muliggjør isokinetisk prøvetaking for uttatte andeler av strømningen i området fra 5 % til 20 %.Apparatus for measuring a multiphase fluid flow flowing in a tube (2), comprising: a measurement unit (11) coaxial with the tube, comprising an isokinetic sampling device (1) suitably arranged to allow uniform distribution of the flow at the inlet over n channels (6) having area A, of which m is sampling channels, and a flow constraint (13), both equipped with a differential pressure measuring device (12, 14), a phase separator (15), coupled to the sampling device, meters and a downstream control device. A method associated with said apparatus comprises: isokinetic sampling of a proportion q of the multiphase flow Q at the inlet, measuring the flow rates of the liquid qL and the gas qG of the proportion tested, and calculating the liquid and gas flow rates (QL and QG) of the sampling portions according to to the equations QG = n / m qG and QL = n / m qL. The process allows isokinetic sampling for sampled portions of the flow in the range of 5% to 20%.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et apparat og en fremgangsmåte for måling av strømningsraten for en flerfasestrømning, ved isokinetisk prøvetaking av en betydelig andel (5-20%) av den totale strømningsraten. Foreliggende oppfinnelse er spesielt, men ikke utelukkende, egnet til å måle flerfasestrømning innenfor oljeindustrien. The present invention relates to an apparatus and a method for measuring the flow rate of a multiphase flow, by isokinetic sampling of a significant proportion (5-20%) of the total flow rate. The present invention is particularly, but not exclusively, suitable for measuring multiphase flow within the oil industry.

Under produksjon av olje og gass blir det gjort målinger i et rør som transporterer hydrokarboner for å bestemme strømningen for flerfasestrømningen og enkeltfaser, der flerfasestrømningen består av en tofaset eller trefaset kombinasjon av olje, vann og gass. Strømningsmålingene av de forskjellige fasene i et rør som transporterer olje/hydrokarboner er ofte nyttige for å styre og regulere hydrokarbonproduksjonen og for å anslå innholdet av vann og gass i flerfasestrømningen. During the production of oil and gas, measurements are made in a pipe that transports hydrocarbons to determine the flow for the multiphase flow and single phases, where the multiphase flow consists of a two-phase or three-phase combination of oil, water and gas. The flow measurements of the different phases in a pipe that transports oil/hydrocarbons are often useful for managing and regulating hydrocarbon production and for estimating the content of water and gas in the multiphase flow.

For å måle strømningen av de forskjellige fasene i flerfasestrømningen av olje, vann og gass på en nøyaktig måte er det er nødvendig å ha flerfasemålere (MPFM - Multi Phase Measurers) som er funksjonelle i de forskjellige strømningsregimene. In order to measure the flow of the different phases in the multiphase flow of oil, water and gas in an accurate way, it is necessary to have multiphase meters (MPFM - Multi Phase Measurers) which are functional in the different flow regimes.

Et antall forskjellige flerfasestrømningsmålere har blitt utviklet hovedsakelig for bruk i oljeindustrien, noen basert på bruk av ioniserende stråling og andre basert på bruk av mikrobølger. Disse instrumentene kjennetegnes ved store måleusikkerheter. Feilen blir betydelig når disse måleinstrumentene blir anvendt for strømningsratemåling på flerfasestrømning kjennetegnet ved en høy gassfraksjon (GVF > 98%). A number of different multiphase flowmeters have been developed mainly for use in the oil industry, some based on the use of ionizing radiation and others based on the use of microwaves. These instruments are characterized by large measurement uncertainties. The error becomes significant when these measuring instruments are used for flow rate measurement on multiphase flow characterized by a high gas fraction (GVF > 98%).

Måleanordninger som anvender en gammastrålekilde for å bestemme tettheten til blandingen, så som de angitt i patentene US 4,289,02, US 5,101,163, US 5,259,239 og WO 2007/034132, i tillegg til dårlig nøyaktighet, har den begrensning at de medfører store kostnader, er vanskelige å installere i produksjonsanlegg og kan være farlige for helse, sikkerhet og miljø. Dersom dampfasen er sterkt dominerende, er dessuten målingen av tettheten til blandingen ved hjelp av et gammastråledensitometer forholdsvis unøyaktig. Measuring devices that use a gamma ray source to determine the density of the mixture, such as those disclosed in patents US 4,289,02, US 5,101,163, US 5,259,239 and WO 2007/034132, in addition to poor accuracy, have the limitation of incurring high costs, are difficult to install in production facilities and can be dangerous for health, safety and the environment. If the vapor phase is strongly dominant, the measurement of the density of the mixture using a gamma ray densitometer is also relatively inaccurate.

Problemene som møtes ved bruk av flerfasestrømningsmålere i tilfeller med høy GVF har ført til utvikling av en flerfasemåler basert på det isokinetiske prøvetakingsprinsippet, beskrevet i den internasjonale patentsøknaden WO 2000/49370. Denne måleren er i stand til å ta ut fraksjoner som er representative for flerfasestrømningen (5% - 20% av den totale kapasiteten) gjennom passende justering av strømningsratene som tas ut og nøyaktig måle gass- og væskestrømningsratene i flerfasestrømningen ved innløpet. Måleanordningen er imidlertid beheftet med mulig ineffektivitet knyttet til selvkalibreringsmetoden som anvendes. The problems encountered when using multiphase flow meters in cases of high GVF have led to the development of a multiphase meter based on the isokinetic sampling principle, described in the international patent application WO 2000/49370. This meter is capable of withdrawing fractions representative of the multiphase flow (5% - 20% of the total capacity) through appropriate adjustment of the flow rates withdrawn and accurately measuring the gas and liquid flow rates of the multiphase flow at the inlet. However, the measuring device is subject to possible inefficiency linked to the self-calibration method used.

Andre anordninger, så som de vist i de internasjonale patentsøknadene WO 2005/031311 og WO 2007/060386, anvender isokinetisk prøvetaking koblet med en innretning som måler den totale strømningsraten for flerfasestrømningen uavhengig av den isokinetiske prøvetakingen, noe som gjør det mulig å karakterisere væske- og gasstrømningsratene for flerfaseblandingen. Other devices, such as those shown in the international patent applications WO 2005/031311 and WO 2007/060386, use isokinetic sampling coupled with a device that measures the total flow rate of the multiphase flow independent of the isokinetic sampling, which makes it possible to characterize the fluid- and the gas flow rates of the multiphase mixture.

Alle anordningene omtalt over, basert på isokinetisk uttak og prøvetaking, har begrensninger knyttet til prøvetakingssonden. Både prøvetakingssonder med én port og prøvetakingssonder med flere porter fungerer korrekt i tilstedeværelse av en kontinuerlig gassfase som inneholder dispergerte dråper, men er mindre effektive ved høye væskefraksjoner. All the devices discussed above, based on isokinetic extraction and sampling, have limitations related to the sampling probe. Both single-port sampling probes and multi-port sampling probes function correctly in the presence of a continuous gas phase containing dispersed droplets, but are less efficient at high liquid fractions.

Målet med foreliggende oppfinnelse, som er nærmere beskrevet i de vedføyde kravene, er å tilveiebringe et apparat og en enkel fremgangsmåte for måling av en flerfasestrømning som kan bli anvendt med høye volumetriske væskefraksjoner (LVF) >10% uansett strømningsregime (for eksempel laminært, bobler, plugg). The aim of the present invention, which is described in more detail in the appended claims, is to provide an apparatus and a simple method for measuring a multiphase flow which can be used with high volumetric liquid fractions (LVF) >10% regardless of the flow regime (for example laminar, bubbles , plug).

Måleapparatet ifølge foreliggende oppfinnelse har en prøvetakingsdel med en geometri som er slik at den sikrer en jevn fordeling av den totale gass- og væskestrømningsraten inne i et bestemt antall kanaler, n, av hvilke m er prøvetakingskanaler og de gjenværende er ikke-prøvetakingskanaler. The measuring device according to the present invention has a sampling part with a geometry which is such that it ensures an even distribution of the total gas and liquid flow rate inside a certain number of channels, n, of which m are sampling channels and the remaining are non-sampling channels.

Ifølge et viktig aspekt ved foreliggende oppfinnelse omfatter prøvetakingsdelen en isokinetisk prøvetakingsanordning for prøvetaking av en andel av flerfasestrømningen, som er egnet til å dele inn flerfasestrømningen i en prøvet fraksjon og en ikke-prøvet fraksjon, bestående av et rørformig legeme og et fordelingsorgan anordnet inne i det rørformede legemet og egnet til å generere en uniform radiell fordeling av flerfasestrømningen som kommer inn i n kanaler, av hvilke m er prøvetakingskanaler, annulært anordnet på fordelingsorganet som sikrer, for den prøvede strømningen, volumfraksjoner av fasene til stede og rater som er nesten identiske med de for den ikke-prøvede strømningen. According to an important aspect of the present invention, the sampling part comprises an isokinetic sampling device for sampling a portion of the multiphase flow, which is suitable for dividing the multiphase flow into a sampled fraction and a non-sampled fraction, consisting of a tubular body and a distribution member arranged inside the tubular body and suitable to generate a uniform radial distribution of the multiphase flow entering n channels, of which m are sampling channels, annularly arranged on the distribution member ensuring, for the sampled flow, volume fractions of the phases present and rates almost identical to those for the unsampled flow.

Ifølge et annet viktig aspekt ved oppfinnelsen er det rørformede legemet sammensatt av to avkortede kjeglepartier, ett divergerende og ett konvergerende, aksialt koblet sammen av et sylindrisk parti, og fordelingsorganet omfatter en ringformet støtte, fastgjort inne i det sylindriske partiet av det rørformede legemet, og et rotasjonslegeme anordnet koaksialt inne i den ringformede støtten og omfattende to hovedsakelig koniske spissbuer som strekker seg aksialt og symmetrisk over og under den ringformede støtten, henholdsvis inne i øvre halvdel av det sylindriske partiet og det divergerende partiet og inne i nedre halvdel av det sylindriske partiet og det konvergerende partiet av det rørformede legemet. Rotasjonslegemet er hovedsakelig oppnådd ved rotasjon av en semi-ellipse om snittlinjen. According to another important aspect of the invention, the tubular body is composed of two truncated cone parts, one diverging and one converging, axially connected by a cylindrical part, and the distribution means comprises an annular support, fixed inside the cylindrical part of the tubular body, and a body of rotation arranged coaxially within the annular support and comprising two substantially conical pointed arcs extending axially and symmetrically above and below the annular support, respectively within the upper half of the cylindrical portion and the diverging portion and within the lower half of the cylindrical portion and the converging portion of the tubular body. The body of rotation is mainly obtained by rotation of a semi-ellipse about the section line.

Ifølge et ytterligere aspekt ved oppfinnelsen har kanalene anordnet langs den ringformede støtten lik innbyrdes avstand i ringretningen og er jevnt fordelt og har likt tverrsnitt. Videre omfatter hver kanal et første parti parallelt med aksen til det ringformede legemet, som sammenfaller med strømningsretningen, og et andre parti som for ikke-prøvetakingskanalene er skråstilt mot innsiden av det rørformede legemet for å frakte den ikke-prøvede andelen av flerfasestrømningen inn i samme, mens det for prøvetakingskanalene er skråstilt mot utsiden for å frakte den prøvede andelen mot en separasjonsenhet for å skille gass og væske. According to a further aspect of the invention, the channels are arranged along the ring-shaped support equally spaced in the ring direction and are evenly distributed and have the same cross-section. Furthermore, each channel comprises a first portion parallel to the axis of the annular body, coinciding with the direction of flow, and a second portion which, for the non-sampling channels, is inclined towards the inside of the tubular body to carry the non-sampled portion of the multiphase flow into the same , while for the sampling channels it is inclined towards the outside to carry the sampled portion towards a separation unit to separate gas and liquid.

Under disse forholdene, dersom A-i representerer arealet til strømningstverrsnittet for den totale strømningen og A2representerer det totale arealet til strømningstverrsnittet for den prøvede strømningen, kan prøvetakingen defineres som isokinetisk dersom forholdet mellom den totale strømningsraten q prøvet i tverrsnittet A2og den totale strømningsraten Q som strømmer mot tverrsnittet Ai er lik forholdet A2/A1. Det skal bemerkes at i den forslåtte prøvetakingsdelen, ved at strømningen ved innløpet tvinges til å fordele seg jevnt over et antall kanaler n som hver har areal A, av hvilke m er prøvetakingskanaler, gir dette: Under these conditions, if A-i represents the area of the flow cross section for the total flow and A2 represents the total area of the flow cross section for the sampled flow, the sampling can be defined as isokinetic if the ratio of the total flow rate q sampled in the cross section A2 and the total flow rate Q flowing towards the cross section Ai equals the ratio A2/A1. It should be noted that in the broken sampling section, by forcing the flow at the inlet to distribute itself evenly over a number of channels n each of area A, of which m are sampling channels, this gives:

Ved å dividere (2) med (1), ledd for ledd, oppnås følgende: By dividing (2) by (1), term by term, the following is obtained:

Følgelig, ved isokinetisk prøvetaking med bruk av apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse, dersom qL og qGhenholdsvis er strømningsratene av væske og gass målt i den prøvede andelen og Ql og Qg henholdsvis er total strømningsrate av væske og gass som strømmer i røret, gjelder følgende relasjoner: Consequently, in isokinetic sampling using the apparatus according to the present invention, if qL and qG are respectively the flow rates of liquid and gas measured in the sampled portion and Ql and Qg respectively are the total flow rate of liquid and gas flowing in the pipe, the following relations apply:

Ql og Qg kan bestemmes direkte fra qL og qGmålt etter prøvetaking og separasjon basert på relasjonene (4) og (5). De prøvede strømningsratene av væske og gass, qL og qG, blir målt ved hjelp av en kjent type énfasestrømningsmålere. Strømningsraten for flerfasestrømningen ved innløpet er lik summen av de beregnede væske- og gasstrømningsratene Ql og Qg- Ql and Qg can be determined directly from qL and qG measured after sampling and separation based on relations (4) and (5). The sampled liquid and gas flow rates, qL and qG, are measured using a known type of single-phase flowmeter. The flow rate of the multiphase flow at the inlet is equal to the sum of the calculated liquid and gas flow rates Ql and Qg-

Ifølge et annet aspekt ved foreliggende oppfinnelse tilveiebringes en fremgangsmåte for å måle væske- og gasstrømningsratene i en flerfasestrømning, der, for prøvetaking av en andel av flerfasestrømningen, sistnevnte blir delt inn, i henhold til en uniform radiell fordeling av strømningen, i n strømmer, av hvilke m er prøvetakingsstrømmer med rater og volumfraksjoner av fasene til stede som er nesten identiske med de for de ikke-prøvede strømmene, i det nevnte fordeling av strømningen blir bevirket i n annulært anordnede kanaler, der de m prøvetakingskanalene har et totalt kanaltverrsnitt lik A2. Et differensialtrykksignal blir derfor oppnådd nedstrøms prøvetakingen mellom den prøvede fraksjonen og den ikke-prøvede fraksjonen, og strømningsraten for den prøvede andelen av totalstrømningen blir variert slik at differensialtrykksignalet er lik null. Under de isokinetiske betingelsene oppnådd på denne måten blir den totale strømningsraten for flerfasestrømningen beregnet som summen av strømningsratene for gassfraksjonen QGog væskefraksjonen QL når strømningsratene for gassfasen qGog væskefasen qL i den prøvede andelen av totalstrømningen er målt, basert på relasjonene According to another aspect of the present invention, a method is provided for measuring the liquid and gas flow rates in a multiphase flow, where, for sampling a portion of the multiphase flow, the latter is divided, according to a uniform radial distribution of the flow, into n streams, of which m are sampling streams with rates and volume fractions of the phases present which are almost identical to those of the non-sampled streams, in which the aforementioned distribution of the flow is effected in n annularly arranged channels, where the m sampling channels have a total channel cross-section equal to A2. A differential pressure signal is therefore obtained downstream of the sampling between the sampled fraction and the non-sampled fraction, and the flow rate of the sampled portion of the total flow is varied so that the differential pressure signal is equal to zero. Under the isokinetic conditions thus obtained, the total flow rate of the multiphase flow is calculated as the sum of the flow rates of the gas fraction QG and the liquid fraction QL when the flow rates of the gas phase qG and the liquid phase qL in the sampled portion of the total flow are measured, based on the relations

Ytterligere trekk og fordeler med apparatet og fremgangsmåten for måling av strømningsraten for en flerfasestrømning ifølge foreliggende oppfinnelse vil fremgå klarere fra den følgende beskrivelsen av én av dens utførelsesformer, gitt for illustrasjonsformål og ikke for å begrense, med støtte i de vedlagte figurene, der: - Figur 1 viser et funksjonelt diagram av et apparat for å måle strømningsraten for en flerfasestrømning, ifølge foreliggende oppfinnelse, - Figur 2 representerer en perspektivbetraktning, delvis i tverrsnitt, av den isokinetiske prøvetakingsdelen av måleapparatet i figur 1, - Figur 3 er et lengdesnitt av prøvetakingsanordningen i apparatet i figur 1 vist i et plan som inneholder aksen X-X i figur 2, - Figur 4 viser et tverrsnitt av prøvetakingsanordningen i samsvar med pilene A-A i figur 2. Further features and advantages of the apparatus and method for measuring the flow rate of a multiphase flow according to the present invention will be more apparent from the following description of one of its embodiments, given for purposes of illustration and not limitation, with the support of the accompanying figures, in which:- Figure 1 shows a functional diagram of an apparatus for measuring the flow rate of a multiphase flow, according to the present invention, - Figure 2 represents a perspective view, partly in cross-section, of the isokinetic sampling part of the measuring apparatus in Figure 1, - Figure 3 is a longitudinal section of the sampling device in the apparatus in Figure 1 shown in a plane containing the axis X-X in Figure 2, - Figure 4 shows a cross-section of the sampling device in accordance with arrows A-A in Figure 2.

Som vist i figur 1 omfatter apparatet ifølge foreliggende oppfinnelse for måling av strømningsraten for en flerfasestrømning 8 som strømmer inne i et rør 2 en måleenhet 11 anordnet mellom to vertikale andeler 2a, 2c av røret 2, der strømningen strømmer nedover, og innlemmet mellom to flenspartier 2d og 2e av røret 2. As shown in Figure 1, the apparatus according to the present invention for measuring the flow rate of a multiphase flow 8 flowing inside a pipe 2 comprises a measuring unit 11 arranged between two vertical parts 2a, 2c of the pipe 2, where the flow flows downwards, and incorporated between two flange parts 2d and 2e of tube 2.

Måleenheten 11 omfatter en isokinetisk prøvetakingsanordning 1, beskrevet nærmere nedenfor med støtte i figur 2, hvis funksjon er å ta ut en strømningsrate q fra flerfasestrømningen ved å omlede en del 10 av den totale strømningsraten Q til flerfasestrømningen 8 ved innløpet til røret 2 inn i en gass/væske-separator 15, av en kjent type. En differensialtrykkmåleanordning 12, av en kjent type, er anordnet i kommunikasjon med den isokinetiske prøvetakingsanordningen 1 for å måle trykkforskjellen etter prøvetakingen mellom det uttrukne fluidet og det ikke uttrukne fluidet, for at prøvetakingen skal være isokinetisk må trykkforskjellen være lik null. The measuring unit 11 comprises an isokinetic sampling device 1, described in more detail below with support in Figure 2, whose function is to extract a flow rate q from the multiphase flow by diverting a part 10 of the total flow rate Q to the multiphase flow 8 at the inlet of the pipe 2 into a gas/liquid separator 15, of a known type. A differential pressure measuring device 12, of a known type, is arranged in communication with the isokinetic sampling device 1 to measure the pressure difference after the sampling between the extracted fluid and the not extracted fluid, for the sampling to be isokinetic the pressure difference must be equal to zero.

Måleenheten 11 inneholder også, nedstrøms den isokinetiske prøvetakingsanordningen 1, innsatt ved det vertikale rørpartiet 2b, en strømningsbegrensning 13, som er slik at den skaper trykkfallet nødvendig for å bevirke prøvetakingen i anordningen 1 anordnet oppstrøms. En differensialtrykkmåleanordning 14, av en kjent type, kan være anordnet i kommunikasjon med strømningsbegrensningen 13, for å måle trykkfallet som følge av at strømningen passerer gjennom strømningsbegrensningen 13. The measuring unit 11 also contains, downstream of the isokinetic sampling device 1, inserted at the vertical pipe part 2b, a flow restriction 13, which is such that it creates the pressure drop necessary to effect the sampling in the device 1 arranged upstream. A differential pressure measuring device 14, of a known type, can be arranged in communication with the flow restriction 13, to measure the pressure drop as a result of the flow passing through the flow restriction 13.

Den isokinetiske prøvetakingsanordningen 1 står i kommunikasjon med gass/væske-separatoren 15, til hvilken den prøvede flerfasestrømningsandelen 10 blir matet via et horisontalt parti av røret 16, for separasjon til sine væske- og gassformige bestanddeler. Væskefasen strømmer ut i bunnen av separatoren 15 gjennom et rør 17, mens gassfasen strømmer ut den øvre enden av separatoren 15 gjennom et rør 18. The isokinetic sampling device 1 is in communication with the gas/liquid separator 15, to which the sampled multiphase flow portion 10 is fed via a horizontal portion of the pipe 16, for separation into its liquid and gaseous constituents. The liquid phase flows out at the bottom of the separator 15 through a pipe 17, while the gas phase flows out the upper end of the separator 15 through a pipe 18.

Røret 17, som er innrettet for å mate væskeandelen inn i røret for gassfasen 18, før den går inn i rørpartiet 2c nedstrøms enheten 11, avskjæres av en anordning for å måle væskestrømningsrate 19, av en kjent type, og nedstrøms av en ventil 20, som kan bli lukket for å utføre usammenhengende målinger, som vil bli beskrevet nærmere nedenfor. En nivåindikator 21 er tilknyttet separatoren 15, utstyrt med en differensiell nivåindikator. The pipe 17, which is arranged to feed the liquid part into the pipe for the gas phase 18, before it enters the pipe section 2c downstream of the unit 11, is cut off by a device for measuring the liquid flow rate 19, of a known type, and downstream of a valve 20, which can be closed to perform disjoint measurements, which will be described in more detail below. A level indicator 21 is associated with the separator 15, equipped with a differential level indicator.

Røret 18 avskjæres, oppstrøms inngangen av røret 17, av en anordning for å måle gasstrømningsraten 22, av en kjent type, og nedstrøms av en reguleringsventil 23 for strømningsraten av prøvet fluid 10. The pipe 18 is cut off, upstream of the entrance of the pipe 17, by a device for measuring the gas flow rate 22, of a known type, and downstream by a control valve 23 for the flow rate of the sampled fluid 10.

Oppstrøms måleenheten 11 er en absoluttrykk-indikator 24 og en temperaturindikator 25 tilknyttet røret 2, for å overvåke henholdsvis trykket P og temperaturen T i flerfasefluidet som strømmer inne i røret 2. Upstream of the measuring unit 11 is an absolute pressure indicator 24 and a temperature indicator 25 associated with the pipe 2, to monitor respectively the pressure P and the temperature T in the multiphase fluid flowing inside the pipe 2.

De stiplede linjene 30 representerer de elektriske forbindelsene fra ventilene og måleanordningene til et databehandlingssystem 31. Spesielt, under driftsbetingelsene, er systemet innrettet for å motta og behandle signalet sendt av instrumentene og sende operative signaler til ventilene i henhold til det som er angitt i beskrivelsen av fremgangsmåten i tilknytning til måleapparatet. The dashed lines 30 represent the electrical connections from the valves and measuring devices to a data processing system 31. In particular, under the operating conditions, the system is arranged to receive and process the signal sent by the instruments and send operational signals to the valves according to what is indicated in the description of the procedure in connection with the measuring device.

Som kan sees i figur 2 omfatter den isokinetiske prøvetakingsanordningen 1 et rørformet legeme 3, bestående av et divergerende parti 3a, et sylindrisk parti 3b og et konvergerende parti 3c, koaksialt koblet med hverandre i serie. As can be seen in figure 2, the isokinetic sampling device 1 comprises a tubular body 3, consisting of a diverging part 3a, a cylindrical part 3b and a converging part 3c, coaxially connected with each other in series.

Spesielt strekker det divergerende partiet 3a av det rørformede legemet 3 seg mellom det øvre rørpartiet 2a og det sylindriske partiet 3b, og har en avkortet kjegleform med en mindre diameter lik diameteren til det øvre rørpartiet 2a og en større diameter lik diameteren til rørpartiet 3b. Det konvergerende partiet 3c av det rørformede legemet 3 strekker seg mellom det sylindriske partiet 3b og det nedre rørpartiet 2b, og har en avkortet kjegleform med en større diameter lik diameteren til det rørformede partiet 3b og en mindre diameter lik diameteren til det nedre rørpartiet 2b. In particular, the divergent part 3a of the tubular body 3 extends between the upper pipe part 2a and the cylindrical part 3b, and has a truncated cone shape with a smaller diameter equal to the diameter of the upper pipe part 2a and a larger diameter equal to the diameter of the pipe part 3b. The converging portion 3c of the tubular body 3 extends between the cylindrical portion 3b and the lower tubular portion 2b, and has a truncated cone shape with a larger diameter equal to the diameter of the tubular portion 3b and a smaller diameter equal to the diameter of the lower tubular portion 2b.

Inne i det rørformede legemet 3, i kommunikasjon med nedre halvdel av det sylindriske partiet 3b, er en ringformet støtte 4 aksialt fastgjort for et rotasjonslegeme angitt i sin helhet med 5 og omfattende to hovedsakelig koniske spissbuer 5a og 5b som strekker seg aksialt over og under den ringformede støtten 4 henholdsvis inne i øvre halvdel av det sylindriske partiet 3b og det divergerende partiet 3a og inne i nedre halvdel av det sylindriske partiet 3b og det konvergerende partiet 3c av det rørformede legemet 3. Inside the tubular body 3, in communication with the lower half of the cylindrical portion 3b, an annular support 4 is axially fixed for a body of rotation indicated in its entirety by 5 and comprising two substantially conical pointed arcs 5a and 5b extending axially above and below the annular support 4 respectively inside the upper half of the cylindrical part 3b and the diverging part 3a and inside the lower half of the cylindrical part 3b and the converging part 3c of the tubular body 3.

Den første spissbuen 5a er posisjonert med tuppen vendt oppover og den sirkulære bunnen liggende på den ringformede støtten 4, mens den andre spissbuen 5c er posisjonert med tuppen vendt nedover og den sirkulære bunnen liggende på den ringformede støtten 4. The first pointed arc 5a is positioned with the tip facing upwards and the circular base lying on the annular support 4, while the second pointed arc 5c is positioned with the tip facing downwards and the circular base lying on the annular support 4.

n kanaler 6a, b strekker seg gjennom den ringformede støtten 4, hver med et tverrsnitt A, med lik innbyrdes avstand i ringretningen, av hvilke n-m er ikke-prøvetakingskanaler 6a og m er prøvetakingskanaler 6b. n channels 6a, b extend through the ring-shaped support 4, each with a cross-section A, equally spaced in the ring direction, of which n-m are non-sampling channels 6a and m are sampling channels 6b.

Prøvetakingskanalene 6b er gjennomgående for den ringformede støtten 4, over et første parti 6b1 parallelt med aksen til det rørformede legemet 3 og over et andre parti 6b2 skråstilt mot utsiden for å muliggjøre transport av de prøvede fluidene mot separatoren 15. Ikke-prøvetakingskanalene 6a er gjennomgående for den ringformede støtten 4, over et første parti 6a1 parallelt med aksen og over et andre parti 6a2 skråstilt mot innsiden med en vinkel lik den til prøvetakingskanalene for å frakte fluidene som ikke blir prøvet inn mot innsiden av det konvergerende partiet 3c. The sampling channels 6b are continuous for the annular support 4, over a first part 6b1 parallel to the axis of the tubular body 3 and over a second part 6b2 inclined towards the outside to enable transport of the sampled fluids towards the separator 15. The non-sampling channels 6a are continuous for the annular support 4, over a first part 6a1 parallel to the axis and over a second part 6a2 inclined towards the inside with an angle equal to that of the sampling channels to carry the fluids not being sampled towards the inside of the converging part 3c.

Som kan sees i figur 3, i det D er diameteren til n kanaler over hvilke flerfasefluidet er fordelt, er hver kanal kjennetegnet ved en lengde I for det vertikale partiet før krumningen som er lik 8 til 10 ganger diameteren D og en inklinasjonsvinkel a i området fra 10 til 30°. I en avstand d på noen få mm og 2D fra den øvre basen til den ringformede støtten 4 på det sylindriske partiet 3b, er det et trykkmålingspunkt 7a, b som stiller hver kanal 6a, b i kommunikasjon med utsiden. Spesielt er trykkmålingspunktene 7b i prøvetakingskanalene 6b koblet til hverandre på tradisjonell måte, i likhet med trykkmålingspunktene 7a i ikke-prøvetakingskanalene 6a. Differensialtrykkmåleanordningen 12 er innsatt mellom trykkmålingspunktene 7b i prøvetakingskanalene 6b og trykkmålingspunktene 7a i ikke-prøvetakingskanalene 6a. As can be seen in Figure 3, where D is the diameter of n channels over which the multiphase fluid is distributed, each channel is characterized by a length I of the vertical portion before the curvature equal to 8 to 10 times the diameter D and an inclination angle a in the range from 10 to 30°. At a distance d of a few mm and 2D from the upper base of the annular support 4 on the cylindrical portion 3b, there is a pressure measurement point 7a,b which sets each channel 6a,b in communication with the outside. In particular, the pressure measurement points 7b in the sampling channels 6b are connected to each other in a traditional manner, as are the pressure measurement points 7a in the non-sampling channels 6a. The differential pressure measuring device 12 is inserted between the pressure measurement points 7b in the sampling channels 6b and the pressure measurement points 7a in the non-sampling channels 6a.

I hver kanal, enten prøvetakingskanal 6b eller ikke-prøvetakingskanal In each channel, either sampling channel 6b or non-sampling channel

6a, nedstrøms trykkmålingspunktene 7a, og 7b, i en høyde h fra den øvre basen av den ringformede støtten 4 lik fire til fem ganger diameteren D, er det en strømningsbegrensning 26 som reduserer strømningstverrsnittet A med 20-30%. Den viktigste effekten av denne avsmalningen inne i kanalene er å utjevne fordreiningseffekten fra fluidtrådene (fluid threads) i kommunikasjon med trykkmålingspunktene, som følge av den ulike vinklingen av det siste partiet. 6a, downstream of the pressure measurement points 7a, and 7b, at a height h from the upper base of the annular support 4 equal to four to five times the diameter D, there is a flow restriction 26 which reduces the flow cross-section A by 20-30%. The most important effect of this narrowing inside the channels is to equalize the distortion effect from the fluid threads (fluid threads) in communication with the pressure measurement points, as a result of the different angulation of the last part.

Figur 4 viser tverrsnittet A-A vinkelrett på vertikalaksen i figur 2, for en bestemt utførelse av apparatet, målet for foreliggende oppfinnelse, kjennetegnet ved en fordeling av totalt n = 20 kanaler av hvilke n-m = 16 er ikke-prøvetakingskanaler 6a og m = 4 er prøvetakingskanaler 6b, der sistnevnte er uniformt fordelt i ringretningen med hensyn til totalen på tverrsnittet til den ringformede støtten 4. Spesielt viser figur 4 de to partiene 6b1 og 6b2 av n = 4 prøvetakingskanaler 6b. Figure 4 shows the cross-section A-A perpendicular to the vertical axis in Figure 2, for a particular embodiment of the apparatus, the object of the present invention, characterized by a distribution of a total of n = 20 channels of which n-m = 16 are non-sampling channels 6a and m = 4 are sampling channels 6b, where the latter is uniformly distributed in the ring direction with respect to the total of the cross-section of the ring-shaped support 4. In particular, figure 4 shows the two parts 6b1 and 6b2 of n = 4 sampling channels 6b.

Driftsprosessen for å bevirke kontinuerlig måling av flerfasestrømningen, vedrørende måleapparatet, målet for foreliggende oppfinnelse, er illustrert nedenfor. The operating process for effecting continuous measurement of the multiphase flow, regarding the measuring apparatus, the object of the present invention, is illustrated below.

Under driftsbetingelsene, med henvisning til figur 2 og figur 3, vil flerfasestrømningen 8, som strømmer inne i røret 2, strømme fra det øvre rørpartiet 2a inn i måleanordningen 1, der den, i kommunikasjon med det divergerende partiet 3a, langs det divergerende profilet i strømningsretningen i den øvre spissbuen 5a, blir avbøyet radielt. Den spesifikke geometrien til systemet er slik at fluidtrådene, som beveger seg mot den ringformede støtten 4, fordeles jevnt mellom alle ikke-prøvetakingskanalene 6a og prøvetakingskanalene 6b inne i de vertikale partiene 6a1 og 6b1. Andelen av fluidtrådene 9 som strømmer i ikke- prøvetakingskanalene 6a rettes ut i det første partiet 6a1 som følge av strømningsbegrensningen 26 og, i forbindelse med det andre partiet av ikke-prøvetakingskanalen 6a2, blir rettet i en konvergerende radiell retning som ledsager den i dens strømning inne i det konvergerende partiet 3c. Etter det konvergerende profilet i strømningsretningen i den nedre spissbuen 5b blir andelen av fluidtrådene 9 ført til det nedre rørpartiet 2b. Andelen av fluidtrådene 10 som strømmer inne i prøvetakingskanalene 6b rettes ut i det første partiet 6b1 som følge av strømningsbegrensningen 26 og, i forbindelse med det andre partiet av ikke-prøvetakingskanalen 6b2, blir rettet i en divergerende radiell retning som ledsager den i dens strømning mot den ytre periferien til prøvetakingsanordningen 1 inne i røret 16. Under the operating conditions, with reference to Figure 2 and Figure 3, the multiphase flow 8, which flows inside the pipe 2, will flow from the upper pipe part 2a into the measuring device 1, where it, in communication with the divergent part 3a, along the divergent profile in the direction of flow in the upper pointed arc 5a is deflected radially. The specific geometry of the system is such that the fluid threads, moving towards the annular support 4, are evenly distributed between all the non-sampling channels 6a and the sampling channels 6b inside the vertical portions 6a1 and 6b1. The portion of the fluid threads 9 flowing in the non-sampling channels 6a is straightened in the first portion 6a1 as a result of the flow restriction 26 and, in conjunction with the second portion of the non-sampling channel 6a2, is directed in a converging radial direction accompanying it in its flow inside the converging part 3c. After the converging profile in the direction of flow in the lower pointed arc 5b, the portion of the fluid threads 9 is led to the lower pipe section 2b. The portion of the fluid threads 10 flowing within the sampling channels 6b is straightened in the first portion 6b1 as a result of the flow restriction 26 and, in connection with the second portion of the non-sampling channel 6b2, is directed in a divergent radial direction accompanying it in its flow towards the outer periphery of the sampling device 1 inside the tube 16.

Med henvisning til figur 1 er en prøvetaking isokinetisk når den kjennetegnes ved null trykkforskjell mellom fluidet som tas ut og fluidet som ikke tas ut, nedstrøms prøvetakingen, som for systemet som vises her verifiseres når trykkforkjellen AP registrert av differensialtrykkmåleren 12 er null. Dersom databehandlingssystemet 31 mottar en differensialtrykkverdi fra differensialtrykkmåleanordningen 12 som ikke er lik null, sender det et operativt signal som tjener til å regulere ventilen 23 og forårsake en variasjon i strømningsraten av prøvefluid 10 som er slik at den oppveier differensialtrykket ved måleanordningen 12. Alternativt kan denne reguleringen bli utført manuelt. With reference to figure 1, a sampling is isokinetic when it is characterized by zero pressure difference between the fluid that is withdrawn and the fluid that is not withdrawn, downstream of the sampling, which for the system shown here is verified when the pressure difference AP registered by the differential pressure gauge 12 is zero. If the data processing system 31 receives a differential pressure value from the differential pressure measuring device 12 which is not equal to zero, it sends an operative signal which serves to regulate the valve 23 and cause a variation in the flow rate of sample fluid 10 which is such that it offsets the differential pressure at the measuring device 12. Alternatively, this the regulation is carried out manually.

Videre, dersom strømningsraten av væske separert fra fluidblandingen ikke kan bestemmes av måleanordningen 19, gjør databehandlingssystemet 31 det mulig å utføre strømningsratemåling diskontinuerlig, ved å lukke ventilen 20. Diskontinuerlig måling av væskestrømningsraten gjøres ved å bestemme tiden nødvendig for å fylle et kjent volum inneholdt mellom to forbestemte høyder ved hjelp av nivåindikatoren 21 anordnet på separatoren 15. Furthermore, if the flow rate of liquid separated from the fluid mixture cannot be determined by the measuring device 19, the data processing system 31 makes it possible to carry out flow rate measurement discontinuously, by closing the valve 20. Discontinuous measurement of the liquid flow rate is done by determining the time required to fill a known volume contained between two predetermined heights by means of the level indicator 21 arranged on the separator 15.

Systemet for måling av flerfasestrømning ifølge foreliggende oppfinnelse, som utelukkende anvender kjente typer målere og en kompakt isokinetisk prøvetakingsdel, har en enkel oppbygning og et volum med færre hindringer. I tillegg krever det ikke noen som helst form for selvkalibrering. The system for measuring multiphase flow according to the present invention, which exclusively uses known types of meters and a compact isokinetic sampling part, has a simple structure and a volume with fewer obstacles. In addition, it does not require any form of self-calibration.

Det skal bemerkes at prosentandelen prøvet fluid kan varieres ved å variere forholdet mellom det totale antallet kanaler n og antallet prøvetakingskanaler m. Variasjonsområdet for fluidfraksjonen som tas ut, og derfor forholdet m/n, faller innenfor et område fra 5 til 20% av den totale strømningen. It should be noted that the percentage of fluid sampled can be varied by varying the ratio between the total number of channels n and the number of sampling channels m. The range of variation for the fraction of fluid sampled, and therefore the ratio m/n, falls within a range from 5 to 20% of the total the flow.

Det skal videre bemerkes at betegnelsene "øvre" og "nedre", "høy" og "lav", anvendt i beskrivelsen og kravene her, henviser til den vertikale orienteringen til aksen til rørdelen 2 der det rørformede legemet 3 er koaksialt innsatt, og er ekvivalent med betegnelsene "oppstrøms" og "nedstrøms" for en generell orientering av nevnte akse. It should further be noted that the terms "upper" and "lower", "high" and "low", used in the description and claims herein, refer to the vertical orientation of the axis of the pipe part 2 in which the tubular body 3 is coaxially inserted, and is equivalent to the terms "upstream" and "downstream" for a general orientation of said axis.

Claims

1. Apparatus for measuring the liquid and gas flow rates, Ql and Qg, in a multiphase flow flowing in a pipe (2), comprising: - a measuring unit (11) which coaxially cuts off two portions (2a) and (2c) of the pipe ( 2) and which includes: a) an isokinetic sampling device (1) for sampling a portion of said multiphase flow, suitable for dividing said multiphase flow into a sampled fraction and a non-sampled fraction, where the device comprises a tubular body (3) coaxially with the portions (2a, c) of the pipe (2) and a distribution means (4, 5) arranged inside the tubular body suitable to generate a uniform radial distribution of the multiphase flow entering n channels, of which m are sampling channels (6a , 6b) annularly arranged on the distribution means (4, 5) which ensures that the sampled fraction will have properties, in particular volume fractions of the phases present and rates, which are almost identical to those of the non-sampled fraction, b) a device (12 ) to measure differentially jerk between the sampled fraction and the non-sampled fraction arranged downstream of the sampling, c) a flow restriction (13), which has a reduced flow cross-section in relation to the cross-section of the pipe (2), arranged downstream of the isokinetic sampling device (1) equipped with a differential pressure measuring device (14) associated with the flow limitation (13), - a separator device (15) for separating the liquid and gas phase of said sampled fraction in said isokinetic sampling device (1), - a measuring device (19, 22) at the outlet from the separator device (15) for to generate measurement signals for the liquid and gas flow rate of the sampled fraction, - a control device (23), installed after re-mixing the liquid and gas fraction leaving the separator (15) to control the sampled flow rate by means of the isokinetic sampling device (1), - a data processing device (31) suitable for receiving and processing the signals coming from the pressure indicators and the flow rate meters and send operational signals to the control device (23) to vary the flow rate of the sampled fraction in the sampling device.

2. Measuring device according to claim 1, where said tubular body (3) of said isokinetic sampling device (1) comprises a converging part (3a), a cylindrical part (3j) and a diverging part (3c), coaxially and serially connected one after the other, where the diverging part (3a) extends between the upper pipe part (2a) and the cylindrical part (3j) and the converging part (3c) extends between the cylindrical part (3b) and the lower pipe part (2b).

3. Measuring device according to claim 2, where the diverging part (3a) has a truncated cone shape with a smaller diameter equal to the diameter of the upper tubular part (2a) and a larger diameter equal to the diameter of the tubular part (3b), and the converging part ( 3c) has a truncated cone shape with a larger diameter equal to the diameter of the tubular portion (3b) and a smaller diameter equal to the diameter of the lower tubular portion (2b).

4. Measuring device according to any one of the preceding claims, wherein the distribution means comprises an annular support (4) axially fixed inside the cylindrical part (3b) of the tubular body (3) and a rotating body (5) positioned coaxially inside the annular support ( 4) and comprising two mainly conical pointed arcs (5a, 5b) extending axially above and below the annular support (4) respectively inside the upper half of the cylindrical part (3b) and the divergent part (3a) and inside the lower half of the cylindrical part (3b) and the converging part (3c) of the tubular body (3).

5. Measuring device according to claim 4, where the two pointed arcs (5a, 5b) have their respective tips facing respectively the upper part (2a) and the lower part (2c) of the tube (2).

6. Measuring device according to any of the preceding claims, where the n channels, of which m are sampling channels, (6a, 6b), are arranged along the ring-shaped support (4) with the same distance from each other in the ring direction and evenly distributed and with the same cross-section.

7. Measuring device according to claim 6, wherein the non-sampling channels (6a) and the sampling channels (6b) comprise a first channel section (6a1, 6b1) parallel to the axis of the tubular body (3) and a second channel section (6a2, 6b2) which is inclined towards the inside of the tubular body (3) in the non-sampling channels (6a) and towards the outside in the sampling channels (6b).

8. Measuring device according to claim 7, where the inclined parts (6a2) of the non-sampling channels (6a) have the same angle of inclination as the inclined parts (6b2) of said sampling channels (6b) and the opposite direction.

9. Measuring device according to claim 8, where the inclination angle is in the range from 10 to 30°.

10. Measuring apparatus according to any one of the preceding claims, wherein the differential pressure measuring device (12) has pressure measurement points (7a, 7b) in communication with the first portions (6a1, 6b1) of the non-sampling channels (6a, 6b).

11. Measuring device according to claim 10, where the pressure measurement points are located at a distance from the inlet that is not greater than twice the diameter of the channels (6a, 6b).

12. Measuring device according to any one of the preceding claims, wherein the length of the first parts (6a1, 6b1) of the channels (6a, 6b) is equal to 8-10 times the diameter of the channels.

13. Measuring device according to any one of the preceding claims, wherein the ratio between the area of the flow cross-section in the sampled fraction, A2, and the area of the flow cross-section of the total multiphase mixture, A-i, is equal to the ratio between the number of sampling channels (6b), m, and the total number canals (6), n.

14. Measuring device according to claim 1, where the flow limitation (13) is arranged at a distance from the inlet to said first parts (6a1, 6b1) of the channels (6a, 6b) equal to 4-5 times their diameter and is such that they reduce the flow cross-section in the channel by 20-30%.

15. Measuring device according to any one of the preceding claims, where the ratio of the area Aji to A2 can be varied within a range from 5 to 20% by varying the ratio between the total number of channels, n, and the number of sampling channels, m.

16. Measuring device according to any one of the preceding claims, wherein an opening/closing device (20) is provided on the liquid fraction leaving the separator device (15) to effect discontinuous measurement of the liquid flow rate by means of a level meter (21) associated with the separator device (15).

17. Method for measuring the liquid flow rate QL and the gas flow rate QGi of a multiphase flow with flow rate Q flowing inside a pipe (2), comprising: - collecting a flow rate fraction q of the multiphase flow from a cross-section of area A-i, where essentially isokinetic conditions are verified , using an isokinetic sampling device (1) which defines a sampling section A2, where A2 is a fraction of A-i, - separate the fraction of sampled flow into individual liquid and gas phase components, - measure the flow rate of the liquid phase component qL and the gas phase component qGi of the sampled flow fraction, said method characterized in that for sampling the portion of the multiphase flow, the latter is distributed, according to a uniform radial flow distribution, into n flows, of which m are sampling flows having a rate and volume fraction of the phases present that are almost identical to those in the non-sampled the flows, where said flow distribution is carried out over n channels arranged annularly, where the m sampling channels have a total flow cross-section equal to A2, and in that it also includes the steps to: - generate a differential pressure signal downstream of the sampling between the sampled fraction and the non-sampled fraction, - vary the flow rate of the sampled part of the total flow so that said differential pressure signal is equal to zero, - calculate, under isokinetic conditions, the total flow rate of the multiphase flow as the sum of the flow rates of the gas fraction QAnd the liquid fraction QL when the flow rate of the gas phase qG and the liquid phase qL in said pr the actual share of the total flow is measured, based on the relationships

18. Method according to claim 17, where the uniform radial distribution of the flow is achieved by radially bending the multiphase flow along a divergent surface of rotation around the flow axis, where the n channels are arranged annularly, with equal mutual distance around the end of the divergent surface with the largest diameter, and the n channels have a proportion parallel to the flow axis and a proportion inclined to the axis in n-m non-sampling channels and tilted in the opposite direction in m sampling channels.

19. A method according to claim 17 or 18, wherein the unsampled portion of the multiphase flow leaving the n-m non-sampling channels is deflected radially along a converging surface of rotation about the flow axis before being reintroduced into the pipe.