NO317390B1

NO317390B1 - Fremgangsmate og anordning ved stromningsmaling

Info

Publication number: NO317390B1
Application number: NO20024089A
Authority: NO
Inventors: Nils Arne Braaten
Original assignee: Corrocean As
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-10-18
Also published as: CA2511748C; EP1546661A1; US20060123933A1; WO2004020957A1; AU2003251240A1; CA2511748A1; AU2003251240B2; NO20024089D0; BR0313777A

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for måling av hastighet i en enfaset eller flerfaset strømning, og en probe for måling av ulike parametere i strømningen, slik det er angitt i innledningen til patentkrav 1 og 4.

Bakgrunn

Det er kjent en rekke måleanordninger for å måle ulike parametere i prosesser, slik som trykk, temperatur, erosjon, strømningers hastighet og retning, moment etc. Særlig innenfor olje- og gassindustrien er det viktig å overvåke tilstanden til mediet på ulike steder i anlegget; i prosessrør, prosesstanker etc, for på denne måten å kunne gjøre tiltak dersom uforutsette eller uønskete driftstilstander skulle oppstå. En probe settes inn i prosessrøret via en rørnippel, hvoretter den festes til røret ved rørnippelens flens.

En erosjonsmåler er kjent for eksempel fra den norsk patentpublikasjonen 176292, og vil ikke bli nærmere beskrevet her. Likeledes finnes det mange ulike måleanordninger for måling av trykk og temperatur, som er tilgjengelige på markedet.

Videre er ulike momentmålere kjent, for eksempel fra den internasjonale patentsøknaden 95/16186 og patentpublikasjonen US 4,788,869. Disse momentmålerne baserer seg på at når et første langstrakt rør beveger seg i forhold til et andre rør anbrakt inne det første røret på grunn av momentet fra en strømning, så fører dette til en endring av avstanden mellom det første og det andre røret. Denne endringen i avstand måles som endring i kapasitans mellom det første og andre røret, og ut fra kalibreringsdata kan det aktuelle momentet måles.

Videre anvendes i dag måleanordninger for måling av strømningens tetthet basert på ultralyd eller gammastråler. Videre anvendes også måleanordninger for måling av vannfraksjon, hvor andelen væske i strømningen måles. Disse måleanordningene er dyre og komplekse, og trenger stor plass.

Patentpublikasjonen US 4,419,898 viser en fremgangsmåte og et apparat for å bestemme massestrømmen til et fluid basert på måling av trykk, temperatur og tetthet til fluidet.

I et prosessanlegg er det behov for måling av flere av disse parameterne på ulike steder. På denne måten blir det behov for mange ulike prober på ulike steder for å oppnå tilstrekkelig informasjon om tilstanden i anlegget. Både rør med rømipler og de ulike probene er kostbare, og vedlikehold er også arbeidskrevende og kostbart. Samtidig er det også et problem at de ulike målingene ofte skjer på ulike steder i prosessrøret, og det blir da en tidsforsinkelse mellom målingene av for eksempel moment og tetthet, som igjen fører til unøyaktige måleresultater.

Formål

Det er et formål med oppfinnelsen å komme frem til en fremgangsmåte for måling av strømningens hastighet, og for måling av volumfraksjonen av vann, olje og gass, uten å måle tettheten til strømningen først. Det er også et formål med oppfinnelsen å komme frem til en probe som er egnet til å utføre denne fremgangsmåten.

Formålet med oppfinnelsen er å komme frem til én probe som er i stand til å utføre flere målinger på samme sted og til samme tid i prosessrøret.

Det er samtidig et formål at systemet totalt sett blir mindre komplekst, med færre romipler og færre prober. Det er videre et formål at utskiftning av prober og vedlikehold på systemet gjøres enklere og at kostnadene for dette reduseres.

Oppfinnelsen

Oppfinnelsen er angitt i den karakteriserende delen av patentkrav 1 og 4. Ytterligere utførelsesformer fremgår av de uselvstendige patentkravene.

I samsvar med patentkrav 1 oppnås det å måle hastigheten til strømningen ved hjelp av parameterene moment, trykk og temperatur. På denne måten unngås ulempene ved å måle tettheten til strømningen først.

I samsvar med patentkrav 4 oppnås en probe i stand til å utføre fremgangsmåten ovenfor. I samsvar med patentkrav 5 oppnås i tillegg at erosjonen til strømningen måles med samme probe. Dermed kan prosessanlegget omfatte færre prober og færre rørnipler, noe som totalt sett vil være meget kostnadsbesparende. Proben gjør det også mulig å utføre målingene på samme sted og til samme tidspunkt, noe som medfører økt nøyaktighet.

I tillegg kan denne multifunksjonelle proben kombineres med programvarebaserte modeller for løsing av Navier-Stokes strømningslikninger, for derigjennom å kvantifisere volumet av hver fase.

Eksempel

Den foreliggende oppfinnelse vil i det følgende bli beskrevet som utførelsesformer, med henvisning til de vedlagte tegningene, hvor: Fig. 1 viser et gjennomskåret perspektivriss av en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen;

Fig. 2 viser et gjennomskåret perspektivriss av momentrøret i fig. 1; og

Fig. 3 viser et gjennomskåret perspektivriss av sensorrøret i fig. 1.

i

En probe 1 i samsvar med en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er vist i fig. 1. Proben 1 omfatter her et hus 2, et momentrør 3, et sensorrør 4, en erosjonssensor 5 og en trykk- og temperaturenhet 7. Proben er ment stukket inn i et prosessrør, en prosesstank etc via en rørnippel for å måle ulike parametere i mediet i prosessrøret eller prosesstanken.

I Huset 2 har et vesentlig sirkulært tverrsnitt, og omfatter et vesentlig sylindrisk hulrom 20 i hele husets lengderetning. Videre omfatter huset 2 en flens 21 for festing av proben 1 til rørnippelen, et lokk 22 for å beskytte hulrommet 20, og en gjennomføring 24. Huset omfatter også en innvendig kant 25, hvor sensorrøret 4 festes til huset 2.

Lokket 22 er festet til huset 2 ved hjelp av en gjenget forbindelse 26. Gjennomføringen 24 er på liknende måte i stand til å bli festet til lokket 22. Lokket 22 og gjennomføringen

24 danner på denne måten en andre barriere mellom prosessmediet og utsiden.

Elektriske ledere 6 fører fra sensorene i en andre del IB av proben, gjennom momentrøret 3 og sensorrøret 4 til hulrommet 20 i huset 2, hvor de nødvendige elektriske komponentene til proben er anbrakt. Videre fører elektriske ledere fra de elektriske komponentene ut av en første del 1A av proben 1, gjennom gjennomføringen 24 til en sentral overvåkningsenhet eller liknende. De elektriske komponentene i huset 2 vil ikke bli beskrevet i detalj her, da disse kan ha mange ulike utførelsesformer ut fra krav om hvilke parametere som ønskes målt, nøyaktigheten til målingene etc. I denne utførelsesformen omfatter de elektriske komponentene en strømforsyningsenhet, en ATMEL mikroprosessor av typen ATMega 128 med tilhørende programvare, en kapasitanssensor-forsterker (f.eks. QT9701B2 fra Quantum Research Group Ltd.) sammen med andre komponenter.

Momentrøret 3 er vesentlig sylinderformet og har et langsgående sylindrisk hulrom (se fig. 2). Momentrøret 3 er fortrinnsvis laget som én enhet, og omfatter i sin første ende 3A et innvendig gjenget parti 31, innvendige konisk partier 32 og en utvendig krage 33.1 sin andre ende 3B omfatter momentrøret 3 en innvendig, sylindrisk flate 34 og et innvendig gjenget parti 35. Momentrøret 3 er fortrinnsvis laget av et elektrisk ledende og korrosjonsbestandig materiale.

Sensorrøret 4 er også vesentlig sylinderformet, og har et langsgående sylindrisk hulrom 41 for elektriske ledere 6 (se fig. 3). Videre omfatter sensorrøret 4 i sin første ende 4A en flens 42 for festing til den innvendige kanten 25 i huset 2 ved hjelp av justeringsskruer 43, og et utvendig gjenget parti 47.1 en andre ende 4B omfatter sensorrøret 4 et utvendig sylinderformet parti 44 av et elektrisk isolerende materiale, hvor det utenpå det sylindriske partiet 44 er anbrakt fire platekondensatorer CA1, CA2, CA3, CA4, koblet til de elektroniske komponentene i huset 2. På det langstrakte, midtre partiet omfatter sensorrøret en utvendig gummipakning 45, som ved den første enden 4A har sirkulære, utvendig koniske partier 46.

Sammensettingen av huset 2, momentrøret 3 og sensorrøret 4 vil nå bli beskrevet. Først stikkes den første enden 3A av momentrøret 3 inn i hulrommet 20, slik at den utvendige kragen 33 hviler mot et området av flensen 21. Fra den motsatte siden av huset 2 stikkes så den andre enden 4B av sensorrøret 4 ned gjennom hulrommet 20 og gjennom den første enden av momentrøret 3, og det utvendig gjengete partiet 47 på sensorrøret 4 skrus fast til det innvendig gjengete partiet 31 på momentrøret 3.

Videre kan momentrøret 3 omfatte en radielt anbrakt låsepinne, for å låse momentrøret 3 og sensorrøret 4 i forhold til hverandre, for slik å unngå eventuell dreiing av sensorene i den andre enden IB av proben i forhold til ønsket retning.

I denne stillingen ligger sensorrørets utvendige koniske partier 46 mot momentrørets innvendige koniske partier 32, samtidig som sensorrørets sylinderformete parti 44 med platekondensatorene CA1, CA2, CA3, CA4 er anbrakt innenfor, og radialt i en avstand fra, momentrørets innvendige, sylindrisk flate 34.

Den utvendige flensen 42 festes så til den innvendige kanten 25 i huset 2 ved hjelp av justeringsskruene 43. Deretter sveises området mellom den utvendige kragen 33 og flensen 21. Sensorenes kobles også sammen med de elektriske komponentene som anbringes i . hulrommet 20. Lokket settes på, og til slutt sveises området mellom huset 2 og lokket 22 sammen.

Alt etter hvilke parametere som ønskes målt, anbringes andre eventuelle sensorenheter på den andre enden 3B av momentrøret, fortrinnsvis ved at de andre sensorenheten har utvendige gjenger tilpasset til det innvendig gjengete partiet 35. Etter at sensorenhetene er skrudd inn, sveises området mellom momentrøret og sensorenheten. To ulike alternativer vil i det følgende bli beskrevet.

[ den enkleste utførelsesformen kobles en trykk- og temperaturenhet (ikke vist) til momentrøret. Trykkr og temperaturenheten omfatter for eksempel en sirkulær eller skiveformet trykk- og temperatursensor nedfelt i, eller innsveiset i, godset i enheten. Trykk-og temperatursensoren kan for eksempel være en piezo-elektrisk enhet med egen skillemembran for trykkoverføring.

I en foretrukken utførelsesform omfatter proben 1 i tillegg en i og for seg kjent erosjonssensor 5. Erosjonssensoren 5 omfatter et utvendig gjenget parti tilpasset det innvendige gjengete partiet 35, hvor de elektriske lederne 6 fører signaler til de elektriske komponentene. Trykk- og temperaturenheten 7 er her for eksempel integrert som en del av erosjonssensoren 5, som vist i fig. 1.

Momentmålingen vil i det følgende kort beskrives, siden dette i utgangspunktet er kjent fra publikasjonene nevnt i innledningen. Det er altså,momentrøret 3 som er den fleksible delen under momentmålingen. Når strømningen fører til et pådrag på proben, vil den andre delen 3B av momentrøret 3 avbøyes et lite stykke, og kapasitansen mellom kondensatorplatene CA1, CA2, CA3, CA4 på sensorrøret 4 og momentrørets innvendige, sylindrisk flate 34 kan registreres av de elektroniske komponentene i huset 2. Kapasitansen sammenlignes med målinger utført under kalibrering, og momentet beregnes.

Ut fra de følgende formlene kan altså hastigheten til mediet finnes som funksjon av moment, temperatur og trykk, altså uten først å måle tettheten.

Ved hjelp av den ideelle gassloven kan tettheten p uttrykkes som:

Her er R,,^ den universelle gasskonstanten, T er temperatur og p er trykk.

Differensiering av likningen (1) gir:

Her er Ap endring i tetthet, AT er endring i temperatur og Ap er endring i trykk.

Det anvendes nå to tidligere målinger for å utlede endring i hastighet AU fra likning (2).

Ved å anvende kontinuitetsprinsippet kan endring av hastighet AU uttrykkes ved endring iv tetthet Ap, og omvendt: £MP+Ap)(<7+At/ (3>

P

fil slutt anvendes impulslikningen, som gir:

Her er D et uttrykk for momentet som måles, AD er endring i momentet som måles, mens - cD er en momentkoeffisent, avhengig av probens areal, probens form etc.

Ved å erstatte for AU i likning (3), fås:

Vi finner nå altså hastigheten U fra endringen i moment AD, hvor Ap er en funksjon av de målte AT, T, Ap og p i likning (2).

Nøyaktigheten til denne fremgangsmåten er svært avhengig av kvaliteten på målingen av trykk, temperatur og moment. Denne typen analyse vil fremskaffe den nødvendige kvalitet innenfor den ønskete nøyaktigheten.

Videre er det også mulig å koble andre og i og for seg kjente sensorenheter mellom momentrøret 3 og erosjonssensoren 5, eventuelt mellom momentrøret 3 og trykk- og temperaturenheten.

Claims

I. Fremgangsmåte for måling av hastighet i en enfaset eller flerfaset strømning i et prosessrør eller liknende, karakterisert ved å måle to etterfølgende verdier av trykk p, temperatur T og moment D, for deretter å beregne endring i trykk Ap, endring i temperatur AT og endring i moment AD, hvor fremgangsmåten videre omfatter å beregne hastigheten U etter følgende formel:

hvor Ap er gitt av

hvor er den universelle gasskonstanten.
2. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1, karakterisert ved å måle trykket p, temperaturen T og momentet D i umiddelbar nærhet av hverandre i prosessrøret.
3. Fremgangsmåte i samsvar med patentkrav 1 eller 2, karakterisert ved å måle trykket p, temperaturen T og momentet D på samme tidspunkt.
4. Anordning for måling av ulike parametere i en enfaset eller flerfaset strømning i et prosessrør eller i en prosesstank etc, hvor en probe (1) omfatter et hus (2) i en første ende IA, og sensorer i en andre ende 1B, hvor huset (2) omfatter en flens (21) i stand til å bli festet til en rørnippel i prosessrøret eller prosesstanken, og hvor huset (2) fortrinnsvis omfatter elektroniske komponenter koblet til de ulike sensorene i proben (1) for å utføre målingene og deretter å kalibrere og overføre måleresultatene til en sentral overvåkningsenhet, hvor proben (1) videre omfatter et langstrakt, hult momentrør (3), festet ved sin første ende (3A) til huset (2), hvor momentrøret (3) ved sin andre ende (3B) stikker et stykke inn i prosessrøret eller prosesstanken, og hvor proben (1) videre omfatter et hult, sylinderformet sensorrør (4), anbrakt inne i momentrøret (3) og festet ved sin første ende (4A) til den første enden (3A) av dette, hvor sensorrøret (4) omfatter platekondensatorer (CA1, CA2, CA3, CA4) anbrakt utenpå den andre enden (4B), for slik å kunne måle kapasitansen mellom momentrøret (3) og platekondensatorene på sensorrøret (4), karakterisert ved at proben omfatter en trykksensor, en temperatursensor og en momentsensor.
5. Probe i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at trykksensoren og temperatursensoren er innkapslet i, eller nedfelt i, en trykk- og temperaturenhet anbrakt i den andre enden (3B) av momentrøret (3).
6. Probe i samsvar med patentkrav 4, karakterisert ved at proben i sin andre ende videre omfatter en i og for seg kjent erosjonssensor 5.
7. Probe i samsvar med patentkrav 6, karakterisert ved at erosjonssensoren omfatter en trykk- og temperaturenhet (7).