NO316477B1 - Anordning og fremgangsmåte ved volumströmmåleventil - Google Patents

Description

ANORDNING OG FREMGANGSMÅTE VED VOLUMSTRØMMALEVENTIL

Denne oppfinnelse vedrører en ventil for måling av en fluid-volumstrøm, nærmere bestemt dreier det seg om en volumstrøm-måleventil for bestemmelse av et fluids viskositet og strøm-nings rate når fluidet strømmer gjennom denne, omfattende en første strupning og en i serie med den første strupning koplet andre strupning , idet nevnte strupningers gjennom-strømningsrater har ulik avhengighet av fluidets viskositet, og hvor første strupnings og andre strupnings oppstrømssider og nedstrømssider er kommuniserbart forbundet til respektive trykkfølere. Oppfinnelsen omfatter også en fremgangsmåte for anvendelse av ventilen.

Under utøvelse av petroleumsleting og utvinning av petro-leumsforekomster er det under gitte forhold nødvendig å inji-sere kjemikalier i brønnstrømmen fra reservoaret. Hensikten kan være å hindre korrosjon, hydratdannelse eller avleiring-er.

De kjemikaliene det her er tale om er kostbare, og det er også av miljømessige årsaker ønskelig at kjemikaliene doseres

inn i brønnstrømmen med så nøyaktig mengde som mulig.

Ifølge kjent teknikk ved installasjoner til havs, pumpes kjemikaliene fra en flytende eller fast offshore installasjon ned til havbunnen gjennom en navlestreng (umbilical) hvor kjemikaliene fordeles ut til de enkelte brønner. For å oppnå den ønskede dosenngsnøyaktighet, anvendes justerbare doseringsventiler som er tilpasset de kjemikalier det her er tale om.

Doseringsventiler ifølge kjent teknikk er forsynt med en nøy-aktig justerbar doseringsanordnmg og oftest også med en volumstrømmåler som muliggjør en overvåkning av doserings-mengden.

De kjemikalier som anvendes er en blanding av fluider hvor hovedvekten er lagt på at blandingen skal ha en ønsket kjemisk sammensetning. Fysiske egenskaper så som densitet og viskositet kan variere mellom blandinger med samme kjemisk sammensetning.

Det er således vanlig at fluidets viskositet ikke er kjent for injeksjonsstedets rådende trykk og temperaturforhold, og det er heller ikke en enkel oppgave på forhånd å bestemme viskositeten ved mjeksjonsstedet.

Det har vist seg at en viskositetsendring i fluidet som inji-seres medfører en forandring i injeksjonsstrømmen selv ved anvendelse av avanserte doseringsventiler ifølge kjent teknikk.

Om det anvendes strupninger hvor strømningen er turbulent og derved mindre følsom for variasjon i viskositeten, er det et problem at strupningen tetter seg til idet strupeåpningen må være relativt liten ved de strømningsmengder det her er tale om.

US patent 5161406 omhandler en fremgangsmåte og anordning for identifikasjon av en gasstrøm og forstyrrelser i denne hvor gasstrømmen ledes gjennom minst to seriekoplede dyser og hvor trykkfallet måles over hver av dysene.

US patent 4905503 beskriver en anordning som er innrettet til å kunne anvendes for å bestemme et fluids viskositet. Trykket mellom to innsnevringer som reagerer forskjellig på forandring i fluidets viskositet, måles og sammenlignes med det to-tale trykkfall over anordningen.

US patent 5533549 viser en strupeventil for WS-anlegg hvor en kulekikkran er seriekoplet med en venturi.

Det overordnede mål med oppfinnelsen er å sikre en nøyaktig styrt strømningsrate gjennom volumstrømmåleventilen og derved avhjelpe eller redusere minst én av ulempene ved kjent teknikk.

Formålet oppnås i henhold til oppfinnelsen ved de trekk som er angitt i nedenstående beskrivelse og i de etterfølgende patentkrav.

For å oppnå dette formål er det nødvendig å kunne bestemme fluidets viskositet under de fysiske forhold som foreligger ved målestedet. Når fluidets viskositet er kjent, kan strøm-ningsraten gjennom ventilen beregnes, hvoretter ventilens gjennomstrømningsmotstand kan justeres for å rette opp et eventuelt avvik i strømningsmengde.

I ventilen ifølge oppfinnelsen som er anbrakt ved mjeksjonsstedet som kan være på havbunnen, ledes en fluidstrøm i serie gjennom to strupninger hvor trykkfallet over strupningene har ulik avhengighet av fluidets viskositet. Samtidig måles trykkfallet over hver av de to strupningene. Ved å sammen-ligne trykkfallet over de to strupninger med kjente kalibreringsdata for de to strupningene, kan det, idet strømnings-mengde og i hovedsak også viskositet er identisk gjennom begge strupningene, bestemmes hvilken viskositet fluidet har under de rådende trykk og temperaturforhold.

Ved å justere en seriekoplet innstillbar strupning, kan volumstrømmen gjennom strupningene korrigeres til det oppnås en ønsket volumstrøm gjennom strupningene.

Om et fluid strømmer gjennom en innsnevring gjelder følgende sammenheng (I formler som gjelder én strupning er et senket tall tilføyd det generelle verdisymbol. For eksempel betegner Ri konstanten R for den første strupning, mens R2 betegner konstanten R for den andre strupning):

Hvor Q er volumstrøm, R er en konstant, AP er trykkfall, f(v) er en funksjon av den kinematiske viskositeten v, og k er en konstant eksponent.

Ved å velge to strupninger med forskjellige viskositetsfunk-sjon, for eksempel en strupning hvor det under de rådende forhold er en laminær strømningsform, og en annen hvor det er en turbulent strømningsform, kan det ved å løse kontinuitets-ligningen (strømningsmengden er den samme for begge strupninger) :

beregnes en verdi for viskositeten. Alternativt kan det ved hjelp av iterering beregnes en strømningsmengde som er lik for begge strupninger, hvorved den rådende viskositet fremkommer .

Ved en gitt viskositet og trykkfall er strømningsmengden gjennom strupningene kjent, og en justerbar strømningsmot-stand kan reguleres til ønsket strømningsmengde oppnås.

I det etterfølgende beskrives et ikke-begrensende eksempel på en foretrukket utførelsesform som er anskueliggjort på med-følgende tegninger, hvor: Fig. 1 viser en prinsippskisse for ventilen hvor ventilens fluidgjennomløp er forsynt med en justerbar strupeventil og to strupninger, idet det er anordnet trykkmålere som er forbundet til gjennomløpet ved strupningene;

Fig. 2 viser et snitt gjennom ventilen:

Fig. 3 viser ventilen i fig. 2 i større målestokk; og

Fig. 4 viser det samme som i fig. 3, men hvor den regulerbare strupeventil er åpnet for å strupe mindre og derved tillate større fluidgjennomstrømningsmengde.

På tegningene betegner henvisningstallet 1 en volumstrømmåle-ventil, nedenfor benevnt ventil, omfattende et flenshus 2, et målehus 4, en mellomplate 6, en motorkappe 8 og en mstru-mentkappe 10.

Flenshuset 2 er forsynt med en mnløpskopling 12 og en ut-løpskopling 14 for fluid, og er ved sitt første endeparti 16 tettende forbundet ved hjelp av en pakning 18 til instrument-kappen 10. Ved sitt andre motstående endeparti 20 er flenshuset 2 ved hjelp av pakninger 22 tettende forbundet til målehusets 4 første endeparti 24.

Målehusets 4 andre endeparti 26 er forbundet tettende ved hjelp av pakningene 28 og 30 til motorkappen 8 via mellom-platen 6.

En ikke vist forskruning er innrettet til å holde delene 2, 4, 6, 8 og 10 sammenbundet.

Målehuset 4 er forsynt med en sylindrisk sentrert gjennomgående boring 32 og en sylindrisk boring 34 med større dia-meter enn boringen 32, hvor boringen 34 forløper fra målehusets 4 første endeparti 24 til en skulderflate 36. I boringen 32 er det anbrakt en med et utvendig spiralformet spor 38 forsynt strupehylse 40. Strupehylsen 40 har en aksial sentrert gjennomgående gjengeboring 42. En pakning 44 er anbrakt omkransende strupehylsens 40 utvendige periferi ved målehusets 4 første endeparti 24, og er innrettet til å for-hindre fluidlekkasje fra sporet 38 til målehusets 4 første endeparti 24. En pakning 46 er tettende anbrakt mellom strupehylsen 40 og flenshusets 2 andre endeparti 20.

Strupehylsens 40 spor 38 utgjør, når strupehylsen 40 er an-

brakt i boringen 34, ventilens første strupning 48.

En gjengehylse 50 forløper forskyvbart og utvendig tettende ved hjelp av en pakning 52 i målehusets 4 boring 32, og passer komplementært i strupehylsens 40 gjengeboring 42, hvor gjengehylsens 50 gjenger sammen med gjengeboringen 42, idet det i den nevnte gjengeforbindelse er relativt stor klaring, utgjør en regulerbar strupning 54. Den regulerbare strupning 54 justeres ved å skrue gjengehylsen 50 inn/ut av gjengebo-nngen 42.

Gjengehylsen 50 er forsynt med en innvendig spline 56 som komplementært passer til en splineakslmgs 58 utvendige spline. Splineakslingen 58 er ved sitt ene endeparti roter-bart opplagret i en lagring 60 i flenshusets 2 andre endeparti 20, og i sitt motstående endeparti tettende ved hjelp av en pakning 62 opplagret i en gjennomgående boring 63 i mel-lomplaten 6.

Splineakslingen 58 er forbundet til en steppmotor 64 som er tilkoplet ventilens 1 ikke viste kontroll- og styreenhet.

En innløpskanal 66 forbinder innløpskoplingen 12 til et nngrom 68 som avgrenses av gjengeboringen 42, splineakslingen 58, flenshusets 2 endeparti 20 og gjengehylsen 50.

En forbindelseskanal 70 forløper gjennom strupehylsen 40 nær skulderflaten 36 fra gjengeboringen 42 til strupehylsens 40 utvendige periferi. En første målekanal 72 forbinder boringen 34 ved skulderflaten 36 med en første trykksensor 74.

En andre strupning 76 er anbrakt i en utløpskanal 78 som forbinder boringen 34 i området av den mot skulderflaten 36 ven-dende side av pakningen 44 til utløpskoplingen 14. En andre

målekanal 80 er forbundet til utløpskanalen 78 mellom boringen 34 og den andre strupning 76, og kommuniserer med en andre trykkføler 82. En tredje målekanal 84 forbinder utløpskanalen 78 i området mellom den andre strupning 76 og utløpskoplingen 14 med en tredje trykkføler 86. Trykkfølerne 74, 82 og 86 er via kabler 88 forbundet til ventilens 1 ikke viste kontroll-og styreenhet.

Begge strupningene 48 og 76 kalibreres før anvendelse for å bestemme hver av strupningenes 48, 76 konstantverdi R, ekspo-nentkonstant k for trykkfall og funksjon f(v) for viskositet.

Under drift strømmer fluid fra innløpskoplmgen 12 via mn-løpskanalen 66 til ringrommet 68. Fra ringrommet 68 strømmer fluidet mellom strupehylsens 40 gjengeboring 42 og gjengehylsens 50 gjenger, som sammen utgjør den regulerbare strupningen 54, videre gjennom forbindelseskanalen 70 og deretter gjennom sporet 38 hvor sporet 38 sammen med boringen 34 ut-gjør den første strupning 48. Fluidtrykket i forbindelseskanalen 70 forplantes til den første trykkmåler 74 via den første målekanal 72.

Fra den første strupning 48 strømmer fluidet via utløpskana-len 78 gjennom den andre strupning 76 til utløpskoplingen 14. Trykket i utløpskanalen 78 mellom den første strupning 48 og den andre strupning 76 forplantes til den andre trykkføler 82 via den andre målekanal 80, mens trykket ved utløpskoplingen 14 forplantes til den tredje trykkføler 86 via den tredje målekanal 84.

Den strømmende fluidmengde reguleres i den regulerbare strupningen 54 ved at gjengehylsen 50 skrus inn/ut av gjengeboringen 42 til ensket trykkfall oppstår over den første strupning 48. Inn-/utskrunmgen av gjengehylsen 50 foretas ved at steppmotoren 64 dreier splinakslingen 58 og derved gjengehylsen 50 i ønsket retning. Fluidvolumstrømmen gjennom ventilen 1 er en kjent funksjon av differansen mellom fluidtrykkene som måles i den første trykkføler 74 og den andre trykkføler 82, basert på kalibreringsdata for den første strupning 48 og den beste kjente viskositetsverdi. Under dosering av de strømningsvolum det her er tale om, influeres fluidstrømmen bare i ubetydelig grad av den andre strupning 76 idet den andre strupnings 76 gjennomstrømningsareal er relativt stort for å unngå tilstopping for eksempel av urenheter i fluidet. I fig. 3 befinner gjengehylsen 50 seg i en posisjon hvor det er relativt stort trykkfall over den regulerbare strupning 54.

I den hensikt å bestemme fluidets virkelige viskositet i ventilen 1, reduseres trykkfallet i den regulerbare strupning 54 ved at gjengehylsen 50 skrus i retning ut av gjengeboringen 42, se fig. 4. Strømningen i den andre strupning 76 blir ved en slik relativt stor strømningsmengde målbar.

På grunnlag av trykkdifferanser over den første strupning 48 og over den andre strupning 76 som fremkommer av trykkverdie-ne fra trykkfølerne 74, 82 og 86, kan fluidets viskositet bestemmes slik det er forklart i beskrivelsens generelle del.

Ventilen 1 reguleres deretter til det oppnås ønsket strøm-ningsmengde som nå beregnes med grunnlag i den aktuelle målte fluidviskositet.

Ventilen kan om ønskelig forsynes med andre målefølere, for eksempel en temperaturmåler.

Claims (8)

1. Anordning ved en volumstrømmåleventil (1) for bestemmelse av et fluids viskositet og strømningsrate når fluidet strømmer gjennom denne, omfattende en første strupning (48) og en i serie med den første strupning (48) koplet andre strupning (76), idet nevnte strupningers (48, 76) gjennomstrømnmgsrater har ulik avhengighet av fluidets viskositet, og hvor første strupnings (48) og andre strupnings (76) oppstrømssider og nedstrømssider er kommuniserbart forbundet til respektive trykkfølere (74, 82, 86), karakterisert ved at nevnte strupninger (48, 76) er seriekoplet med en regulerbar strupning (54).

2. Anordning i henhold tilkrav 1, karakterisert ved at volumstrømmåleventilen (1) er anbrakt på havbunnen og kommuniserbart forbundet til overflaten.

3. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at volumstrømmåleventilens (1) første strupning (48) utgjøres av et spiralformet lukket spor (38).

4. Anordning i henhold til krav 1, karakterisert ved at den regulerbare strupning (54) ut-gjøres av en gjengelignende anordning (42, 50).

5. Anordning i henhold til krav 4, karakterisert ved at den gjengelignende anordning (42, 50) er innrettet til å kunne forstilles ved hjelp av en steppmotor (64) via en splineaksling (58).

6. Anordning i henhold til krav 1/karakterisert ved at volumstrømmåleventilen (1) utgjøres av en fjernutskiftbar enhet.

7. Fremgangsmåte for å bestemme et fluids viskositet ved å la fluidet strømme gjennom en første strupning (48) og en med denne seriekoplet andre strupning (76), hvor nevnte strupningers (48, 76) gjennomstrømnmgsrater har ulik avhengighet av fluidets viskositet, og hvor strupningenes (48, 76) konstanter er kjent, idet trykkfallet over hver av strupningene (48, 76) måles, karakterisert ved at en viskositet som gir lik strømningsmengde gjennom begge strupninger (48, 76), ut-ledes ved hjelp av iterasjon med hensyn til fluidets viskositet.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at fluidets kontinuitetsligning for strømning i serie gjennom den første strupning (48) og den seriekoplede andre strupning (76) løses.