RU2386931C2 - Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation - Google Patents

Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation Download PDF

Info

Publication number
RU2386931C2
RU2386931C2 RU2007147505/28A RU2007147505A RU2386931C2 RU 2386931 C2 RU2386931 C2 RU 2386931C2 RU 2007147505/28 A RU2007147505/28 A RU 2007147505/28A RU 2007147505 A RU2007147505 A RU 2007147505A RU 2386931 C2 RU2386931 C2 RU 2386931C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow
converters
pipe
local
gas content
Prior art date
Application number
RU2007147505/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2007147505A (en
Inventor
Владимир Иванович Косарев (RU)
Владимир Иванович Косарев
Георгий Кондральевич Шеметун (RU)
Георгий Кондральевич Шеметун
Александр Николаевич Шигонцев (RU)
Александр Николаевич Шигонцев
Олег Адамович Мазаев (RU)
Олег Адамович Мазаев
Original Assignee
Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод" - ОАО "АПЗ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод" - ОАО "АПЗ" filed Critical Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод" - ОАО "АПЗ"
Priority to RU2007147505/28A priority Critical patent/RU2386931C2/en
Publication of RU2007147505A publication Critical patent/RU2007147505A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2386931C2 publication Critical patent/RU2386931C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: flow metre of multiphase medium flow components comprises two vertically and serially installed sections of pipe 1, 2, cross section areas of which are same, N and M of gas and liquid phases motion speeds conversion into Doppler shift frequency 3 and 5 and n and m converters of gas content 4 and 6, installed in each section of pipe, unit of memory 10, in which calibration values of converters and constants are contained: speed of sound in oil and water and its dependence on temperature, memory unit 12 to store current values of converter signals, control panel 13, memory unit 14 for storage of calculated flow parametres, indicator 15, real time clock 16. Final parametres of multiphase flow are calculated after preliminary detection of integral characteristics of speed and gas content conversion, which are calculated by controller 11 according to given formulas with account of individual weight coefficients of converters, detected experimentally depending on position of converter relative to the centre and along pipe length.
EFFECT: invention increases accuracy of multiphase multicomponent medium composition detection and simplifies processing of signals.
2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтеперерабатывающей, нефтедобывающей, химической и других отраслей промышленности.The invention relates to measuring equipment and can be used in information-measuring systems of oil refining, oil production, chemical and other industries.

Известен способ определения компонентов многофазной среды по патенту RU №2138023, G01F 1/74, G01F 1/708, G01F 1/66, 1999 г. Внутри трубопровода в контролируемом объеме потока устанавливают источник и приемник акустических импульсов. Фиксируют время прохождения импульсов через контролируемый объем. Определяют количество импульсов, не зарегистрированных в течение зафиксированного промежутка времени, и их долю по отношению к общему количеству импульсов. Измеряют скорость движения потока и вычисляют расход компонентов по приводимым формулам. Измерение скорости осуществляют методом корреляции, используя дополнительный контролируемый объем, расположенный со смещением по ходу движения потока, либо доплеровским методом.A known method for determining the components of a multiphase medium according to patent RU No. 2138023, G01F 1/74, G01F 1/708, G01F 1/66, 1999. Inside the pipeline in a controlled flow volume set the source and receiver of acoustic pulses. The time spent by the pulses through the controlled volume is recorded. The number of pulses not recorded during a fixed period of time and their proportion with respect to the total number of pulses are determined. Measure the flow velocity and calculate the flow rate of the components according to the given formulas. Velocity measurement is carried out by the correlation method, using an additional controlled volume located with displacement along the flow direction, or by the Doppler method.

Этот способ для случая многофазных многокомпонентных сред имеет большую погрешность измерения скорости и концентрации потока при определении их реального значения.This method for the case of multiphase multicomponent media has a large error in measuring the velocity and concentration of the stream when determining their real value.

Известен ультразвуковой расходомер в соответствии с патентом РФ 2062995, кл. G01F 1/66, 1996. Он снабжен вертикально установленной измерительной камерой с входным и выходным патрубками, блоком управления и последовательно соединенными блоком измерения плотности и вторым счетно-регистрирующим устройством. При этом пьезоэлектрические преобразователи размещены на верхней и нижней стенках измерительной камеры, входы блока управления подключены соответственно к входам блока измерения расхода и блока измерения плотности, а выход блока управления подключен к входу коммутирующего устройства и первому входу блока измерения плотности, ко второму входу которого подключен пьезопреобразователь, размещенный на нижней стенке измерительной камеры.Known ultrasonic flow meter in accordance with the patent of the Russian Federation 2062995, class. G01F 1/66, 1996. It is equipped with a vertically mounted measuring chamber with inlet and outlet nozzles, a control unit and a density measuring unit and a second counting and recording device connected in series. In this case, the piezoelectric transducers are located on the upper and lower walls of the measuring chamber, the inputs of the control unit are connected respectively to the inputs of the flow measuring unit and the density measuring unit, and the output of the control unit is connected to the input of the switching device and the first input of the density measuring unit, to the second input of which the piezoelectric transducer is connected located on the bottom wall of the measuring chamber.

Технический результат этого решения заключается в том, что на одних и тех же преобразователях используется прямой и обратный пьезоэффект, и измерение расхода и плотности производится в одной зоне. А это позволяет исключить погрешности при калибровке устройства и изменениях, вызываемых колебаниями свойств и параметров контролируемой среды вдоль потока.The technical result of this solution is that the direct and inverse piezoelectric effects are used on the same transducers, and the flow and density are measured in one zone. And this allows us to eliminate errors in the calibration of the device and changes caused by fluctuations in the properties and parameters of the controlled medium along the flow.

Недостатки устройства связаны с тем, что это прибор периодического действия, контролирующий расход многофазной среды вне трубопровода и, соответственно, не учитывающий меняющиеся во времени соотношения компонентов в потоке. Отсюда следует недостоверность получаемой в результате информации о реальных соотношениях фаз, что в некоторых случаях, например, при анализе состояния выработанных нефтяных скважин, может привести к принятию неадекватных ситуации решений.The disadvantages of the device are that it is a batch device that controls the flow of a multiphase medium outside the pipeline and, accordingly, does not take into account the time-varying ratio of components in the flow. This implies the inaccuracy of the resulting information on the real phase relationships, which in some cases, for example, when analyzing the state of produced oil wells, can lead to inadequate decision making.

Наиболее близкими по технической сущности к предлагаемому изобретению являются патент №WO01/067051 А1, G01F 1/74, 1/712, 1/708, 1/66, G01N 29/02, 2000 г. и диссертация Дробкова В.П. «Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. М., подписано в печать 20.04.2007.» (далее по тексту - прототип), в которых оговорены способ и конструкция устройства для определения расходов жидкой фазы Qж, газовой фазы Qг и концентрации W воды в жидкой фазе многофазного потока.The closest in technical essence to the proposed invention are patent No. WO01 / 067051 A1, G01F 1/74, 1/712, 1/708, 1/66, G01N 29/02, 2000 and the dissertation of V. Drobkov “Development and research of ultrasonic methods and an information-measuring system for measuring the flow of oil and gas flow. Abstract of dissertation for the degree of Doctor of Technical Sciences. M., signed on April 20, 2007. ”(hereinafter referred to as the prototype), in which the method and design of the device for determining the flow rate of the liquid phase Q g , gas phase Q g and water concentration W in the liquid phase of the multiphase flow are stipulated.

Гидроканал в прототипе состоит из двух последовательных вертикальных участков трубы, площади поперечного сечения которых отличаются в 2 раза. Определение параметров многофазного потока заключается в следующем:The hydraulic channel in the prototype consists of two consecutive vertical pipe sections, the cross-sectional areas of which differ by 2 times. The definition of multiphase flow parameters is as follows:

- в различных радиальных местоположениях и в каждом поперечном сечении первого и второго участков трубы датчиками скорости потока измеряются локальные доплеровские частоты f, которые далее усредняются для проведения последующих расчетов;- at various radial locations and in each cross section of the first and second pipe sections, local Doppler frequencies f are measured by flow rate sensors, which are then averaged for subsequent calculations;

- в различных радиальных местоположениях и в каждом поперечном сечении первого и второго участков трубы датчиками газосодержания измеряются локальные газосодержания α, равные отношению количества не прошедших зондирующих импульсов к их общему числу, которые далее усредняются для проведения последующих расчетов;- at various radial locations and in each cross section of the first and second pipe sections, gas sensors measure the local gas contents α equal to the ratio of the number of probe pulses that have not passed to their total number, which are then averaged for subsequent calculations;

- в различных радиальных местоположениях датчиками концентрации воды измеряются локальные скорости звука V в среде, которые далее усредняются для проведения последующих расчетов;- at various radial locations, water concentration sensors measure local sound velocities V in the medium, which are then averaged for subsequent calculations;

- в трубе большего диаметра измеряется температура Т и давление Р потока.- in a pipe of larger diameter, the temperature T and the pressure P of the flow are measured.

Для расчета параметров потока Qж, Qг и W предварительно находятся приведенные показания датчиков по формулам:To calculate the flow parameters Q W , Q g and W, the following sensor readings are preliminarily found by the formulas:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где fуц, fyп, fшц, fшп, αуц, αуп, αшц, αшп - локальные доплеровские частоты и локальные газосодержания в узком (у) и широком (ш) сечениях для центрального (ц) и периферийного (п) датчиков.where f yk, f Yn, f ShTs, f lim, α yk, α y, α ShTs, α wp - local Doppler frequency and the local void fraction in the narrow (y) and broad (br) sections for the central (i) and peripheral ( n) sensors.

Из формулы (1) следует, что при расчете приведенной доплеровской частоты учитывается только различие площадей отрезков трубы в 2 раза, что отражается в формуле (1) наличием коэффициента 2 для показаний датчиков скорости потока, установленных в широком сечении, где скорость движения потока в 2 раза меньше. Иными словами подразумевается, что их показания в 2 раза меньше, чем у датчиков, установленных в узком сечении, как теоретически следует из формулы определения доплеровской частоты:From formula (1) it follows that when calculating the reduced Doppler frequency, only the difference in the area of the pipe segments by 2 times is taken into account, which is reflected in formula (1) by the presence of a coefficient 2 for the readings of flow rate sensors installed in a wide section, where the flow rate is 2 times less. In other words, it is understood that their readings are 2 times less than that of sensors installed in a narrow section, as theoretically follows from the formula for determining the Doppler frequency:

Figure 00000003
Figure 00000003

где f0 - частота зондирующего ультразвукового луча;where f 0 is the frequency of the probe ultrasound beam;

υ - скорость движения потока;υ is the flow velocity;

α - угол между осью волновода излучателя (приемника) и направлением среднего вектора движения потока;α is the angle between the axis of the waveguide of the emitter (receiver) and the direction of the average flow vector;

с - скорость звука в среде.C is the speed of sound in the medium.

На практике экспериментально подтверждается, что показания датчиков скорости потока в широком сечении отличаются от показаний датчиков в узком сечении не в 2 раза, а на значение, лежащее в интервале 1,5…2,5. Также отличаются показания датчиков скорости потока в 0,8…1,2 раза, установленных в центре и на периферии трубы. Эти отличия определяются многими факторами, например, положением датчиков относительно оси трубы, относительно конфузора, диаметра сечения и т.д.In practice, it is experimentally confirmed that the readings of flow rate sensors in a wide section differ from the readings of sensors in a narrow section not by 2 times, but by a value lying in the range 1.5 ... 2.5. Also differ are the readings of flow rate sensors 0.8 ... 1.2 times installed in the center and on the periphery of the pipe. These differences are determined by many factors, for example, the position of the sensors relative to the axis of the pipe, relative to the confuser, the diameter of the cross section, etc.

Вследствие наличия разных диаметров трубы давление и скорость течения потока в этих участках отличаются, следовательно, пузырьки газа в разных сечениях гидроканала имеют разный диаметр, изменяются количество и размеры глобул воды и нефти, изменяются структура потока. Наличие конфузора между трубами разного диаметра приводит к появлению радиальной составляющей движения жидкости, что приводит к дополнительным завихрениям в области датчиков узкого сечения, а также к расширению ширины спектра доплеровских частот. В результате этого локальные показания датчиков скорости потока, установленных в трубах разного диаметра, всегда будут различаться между собой не обратно пропорционально отношению площадей сечений труб, что приведет к дополнительной погрешности вычисления расходов жидкости и газа в прототипе, так как на приведенные показания датчиков, вычисляемых по формулам (1) и (2), в большей степени будут влиять датчики с наибольшим отклонением их показаний от среднего значения показаний все датчиков.Due to the presence of different pipe diameters, the pressure and flow rate in these sections are different, therefore, gas bubbles in different sections of the hydrochannel have different diameters, the number and sizes of water and oil globules change, and the flow structure changes. The presence of a confuser between pipes of different diameters leads to the appearance of a radial component of the fluid motion, which leads to additional turbulence in the field of narrow section sensors, as well as to the expansion of the spectrum width of the Doppler frequencies. As a result of this, the local readings of the flow rate sensors installed in pipes of different diameters will always differ from each other not inversely proportional to the ratio of the cross-sectional areas of the pipes, which will lead to an additional error in calculating the flow rates of liquid and gas in the prototype, since the readings from the sensors calculated by formulas (1) and (2) will be influenced to a greater extent by sensors with the greatest deviation of their readings from the average value of the readings of all sensors.

Из-за значительного разброса пьезоэлектрических характеристик пьезоэлементов, используемых для генерации и приема ультразвука, а также технологического разброса геометрических размеров ультразвуковых волноводов-резонаторов, влияющего на их чувствительность, датчики скорости потока и газосодержания невзаимозаменяемы, то есть при замене датчика на другой однотипный датчик его показания могут отличаться на величину, достигающую в некоторых случаях 20%, что подтверждается на практике.Due to the significant dispersion of the piezoelectric characteristics of the piezoelectric elements used to generate and receive ultrasound, as well as the technological dispersion of the geometric dimensions of ultrasonic resonator waveguides, which affect their sensitivity, the flow rate and gas sensors are not interchangeable, that is, when the sensor is replaced with another sensor of the same type, its readings may differ by a value reaching in some cases 20%, which is confirmed in practice.

Учитывая вышеописанные факты, для повышения точности определения параметров многофазной среды возникает необходимость умножения показаний преобразователей параметров потока на динамически изменяемый индивидуальный весовой коэффициент, определяющийся по известным формулам гидродинамики или экспериментально. Также, в дополнение к противопоставленной прототипу формуле обработки сигналов, необходимо делать диаметры труб расходомера одинаковыми, устраняя один из факторов, повышающих погрешность измерения параметров многофазного потока.Given the above facts, in order to increase the accuracy of determining the parameters of a multiphase medium, it becomes necessary to multiply the readings of the transducers of the flow parameters by a dynamically changing individual weight coefficient determined by known hydrodynamic formulas or experimentally. Also, in addition to the signal processing formula, which is opposed to the prototype, it is necessary to make the diameters of the flowmeter pipes the same, eliminating one of the factors that increase the measurement error of multiphase flow parameters.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности определения параметров многофазного потока - состава и расхода многофазной многокомпонентной среды и упрощение конструкции трубопровода.The task of the invention is to increase the accuracy of determining the parameters of a multiphase flow - the composition and flow rate of a multiphase multicomponent medium and simplifying the design of the pipeline.

Это достигается тем, что в способе определения параметров потока многофазной среды с помощью ультразвукового расходомера в трубопровод, содержащий два отрезка трубы, помещают преобразователи скорости движения потока в частоту доплеровского смещения и преобразователи газосодержания и вычисляют параметры потока после предварительного нахождения интегральных характеристик преобразователей параметров потока, вычисляемых по формулам:This is achieved by the fact that in the method for determining the flow parameters of a multiphase medium using an ultrasonic flow meter, a flow velocity transducer is placed in a Doppler displacement frequency and gas content transducers in a pipeline containing two pipe sections and the flow parameters are calculated after preliminary finding the integral characteristics of the flow parameter transducers calculated according to the formulas:

интегральная характеристика преобразователей скорости движения потока, приведенная к первому (а) или ко второму (б) отрезку трубы:integral characteristic of flow velocity converters reduced to the first (a) or second (b) pipe section:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

где F1k, F2l - локальные доплеровские частоты, измеряемые преобразователями скорости движения потока соответственно в первом и во втором отрезках трубы, с учетом индивидуальных весовых коэффициентов, экспериментально определяемых в зависимости от положения преобразователя по отношению к центру и по длине трубы;where F 1k , F 2l are local Doppler frequencies measured by the flow velocity transducers in the first and second pipe segments, respectively, taking into account individual weight coefficients, experimentally determined depending on the position of the transducer with respect to the center and along the length of the pipe;

S1, S2 - площади поперечного сечения первого и второго отрезков трубы;S 1 , S 2 - the cross-sectional area of the first and second pipe sections;

N, M - количество преобразователей скорости движения потока в первом и во втором отрезках трубы;N, M - the number of converters of the flow velocity in the first and second pipe sections;

интегральная характеристика преобразователей газосодержания φинт:integral characteristic of gas content converters φ int :

Figure 00000006
Figure 00000006

где φ1k, φ2l - локальные значения газосодержания, равные отношению числа не прошедших зондирующих импульсов к их общему числу, определяемому преобразователями газосодержания соответственно в первом и во втором отрезках трубы с учетом индивидуальных весовых коэффициентов, экспериментально определяемых в зависимости от положения преобразователя по отношению к центру и по длине трубы;where φ 1k , φ 2l are the local values of the gas content equal to the ratio of the number of not transmitted probe pulses to their total number, determined by the gas content converters in the first and second pipe sections, respectively, taking into account individual weight coefficients experimentally determined depending on the position of the converter with respect to center and length of the pipe;

n и m - количество преобразователей газосодержания, установленных соответственно в первом и во втором отрезках трубы;n and m are the number of gas content converters installed respectively in the first and second pipe sections;

диагностику работоспособности устройства производят по величине отклонения локальных показаний преобразователей от интегрального значения.Diagnostics of the device’s performance is carried out according to the deviation of the local readings of the converters from the integral value.

Ультразвуковой расходомер компонентов потока многофазной среды в трубопроводе, содержащий: два отрезка трубы, установленные вертикально последовательно, N и М локальных преобразователей скорости движения потока в частоту доплеровского смещения и n и m локальных преобразователей газосодержания, установленных в каждом отрезке трубы, контроллер, выполненный с возможностью вычисления значений параметров потока, отличающийся тем, что расходомер содержит дополнительно введенные первый блок памяти, в котором размещены калибровочные значения преобразователей расходомера и дополнительные константы компонентов потока, такие как скорость звука в нефти, в воде и зависимость ее от температуры, второй блок памяти для сохранения текущих сигналов преобразователей, пульт управления, третий блок памяти для хранения рассчитанных параметров потока, индикатор значений запрашиваемой с пульта управления информации, часы реального времени, при этом площади поперечных сечений отрезков трубы равны, а контроллер выполнен с возможностью расчета интегральных характеристик преобразователей с учетом индивидуальных весовых коэффициентов для локальных преобразователей скорости и газосодержания.An ultrasonic flowmeter for components of a multiphase medium flow in a pipeline, comprising: two pipe sections mounted vertically in series, N and M local converters of the flow velocity to the Doppler frequency and n and m local gas converters installed in each pipe section, a controller configured to calculating the values of the flow parameters, characterized in that the flow meter additionally contains the first memory block in which the calibration values are located ia flowmeter transducers and additional constants of the flow components, such as the speed of sound in oil, in water and its dependence on temperature, a second memory block for storing current transducer signals, a control panel, a third memory block for storing the calculated flow parameters, an indicator of the values requested from the console information control, real-time clock, while the cross-sectional areas of the pipe segments are equal, and the controller is configured to calculate the integral characteristics of the converter taking into account individual weight coefficients for local converters of speed and gas content.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 изображена структурная схема ультразвукового расходомера. На фиг.2 показана диаграмма, показывающая эффективность предлагаемого способа определения параметров потока многофазной среды. На фиг.3, 4 приведены диаграммы, соответствующие матрицам данных, снятых при калибровке расходомера на сертифицированной установке. На фиг.5 показано оптимальное расположение мест установки преобразователей параметров потока, учитывающее частичное разделение потока на составляющие его фазы - нефть, вода, газ.The invention is illustrated by drawings. Figure 1 shows a structural diagram of an ultrasonic flow meter. Figure 2 shows a diagram showing the effectiveness of the proposed method for determining the flow parameters of a multiphase medium. Figure 3, 4 shows the diagrams corresponding to the matrices of data taken during calibration of the flowmeter on a certified installation. Figure 5 shows the optimal location of the installation of the transducers of the flow parameters, taking into account the partial separation of the flow into its phases - oil, water, gas.

Схема ультразвукового расходомера в соответствии с заявляемым изобретением представлена на фиг.1. Здесь 1 и 2 - участки трубы, 3 и 5 - преобразователи скорости движения потока, 4 и 6 - преобразователи газосодержания, 7 - преобразователь концентрации воды в жидкой фазе, 8 - линия связи, 9 - электронный блок обработки, хранения, индикации принятых, обработанных и вычисленных сигналов, содержащий: 10 - первый блок памяти, в котором размещены калибровочные значения преобразователей расходомера и дополнительные константы компонентов потока, например, скорость звука в нефти и воде и зависимость ее от температуры, 11 - контроллер, 12 - второй блок памяти для сохранения текущих преобразованных значений параметров потока, 13 - пульт управления, 14 - третий блок памяти для хранения рассчитанных параметров потока, 15 - индикатор значений запрашиваемой с пульта управления информации, 16 - часы реального времени.A diagram of an ultrasonic flow meter in accordance with the claimed invention is presented in figure 1. Here 1 and 2 are pipe sections, 3 and 5 are flow velocity converters, 4 and 6 are gas content converters, 7 is a water concentration converter in the liquid phase, 8 is a communication line, 9 is an electronic processing, storage, indication, received, processed and calculated signals, comprising: 10 - the first memory block, which contains the calibration values of the flowmeter transducers and additional constants of the flow components, for example, the speed of sound in oil and water and its dependence on temperature, 11 - the controller, 12 - the second memory block for storing the current converted values of the flow parameters, 13 — the control panel, 14 — the third memory block for storing the calculated flow parameters, 15 — the indicator of the values of the information requested from the control panel, 16 — the real-time clock.

Способ осуществляют через интегральные (осредненные) первичные параметры преобразователей параметров потока, а именно: интегральное (с учетом индивидуальных весовых коэффициентов) значение смещения доплеровской частоты и интегральное газосодержание, выраженное в отношении количества не прошедших зондирующих импульсов к общему количеству зондирующих импульсов, ушедших в поток по формулам:The method is carried out through the integral (averaged) primary parameters of the flow parameter converters, namely: the integral (taking into account individual weight coefficients) Doppler frequency offset value and integral gas content, expressed in relation to the number of not transmitted probe pulses to the total number of probe pulses that went into the stream by formulas:

интегральная характеристика преобразователей скорости движения потока, приведенная к первому (а) или ко второму (б) отрезку трубы:integral characteristic of flow velocity converters reduced to the first (a) or second (b) pipe section:

Figure 00000007
Figure 00000007

Figure 00000008
Figure 00000008

где F1k, F2l - локальные доплеровские частоты, измеряемые преобразователями скорости движения потока соответственно в первом и во втором отрезках трубы, с учетом индивидуальных весовых коэффициентов, экспериментально определяемых в зависимости от положения преобразователя по отношению к центру и по длине трубы;where F 1k , F 2l are local Doppler frequencies measured by the flow velocity transducers in the first and second pipe segments, respectively, taking into account individual weight coefficients, experimentally determined depending on the position of the transducer with respect to the center and along the length of the pipe;

S1, S2 - площади поперечного сечения первого и второго отрезков трубы;S 1 , S 2 - the cross-sectional area of the first and second pipe sections;

N, М - количество преобразователей скорости движения потока соответственно в первом и во втором отрезках трубы;N, M - the number of converters of the flow velocity, respectively, in the first and second pipe sections;

интегральная характеристика преобразователей газосодержания φинт:integral characteristic of gas converters φ int :

Figure 00000009
Figure 00000009

где φ1k, φ2l - локальные значения газосодержания, равные отношению числа не прошедших зондирующих импульсов к их общему числу, определяемому преобразователями газосодержания соответственно в первом и во втором отрезках трубы с учетом индивидуальных весовых коэффициентов, экспериментально определяемых в зависимости от положения преобразователя по отношению к центру и по длине трубы;where φ 1k , φ 2l are the local values of the gas content equal to the ratio of the number of not transmitted probe pulses to their total number, determined by the gas content converters in the first and second pipe sections, respectively, taking into account individual weight coefficients experimentally determined depending on the position of the converter with respect to center and length of the pipe;

n и m - количество преобразователей газосодержания, установленных соответственно в первом и во втором отрезках трубы.n and m are the number of gas content converters installed respectively in the first and second pipe sections.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом. При протекании многофазного потока, состоящего из нефти, воды и газа, по первому и второму отрезкам труб устройства происходит зондирование потока ультразвуковыми излучателями преобразователей. В преобразователях скорости движения потока 3 и 5 происходит ее преобразование в частоту доплеровского смещения F. В преобразователях газосодержания 4 и 6 происходит вычисление отношения φ количества не прошедших зондирующих импульсов к их общему количеству за период измерения. В преобразователе 7 концентрации воды в жидкой фазе происходит измерение времени распространения ультразвуковых импульсов от излучателя к приемнику через измерительный объем, заполненный жидкой фазой смеси. Каждый преобразователь должен иметь не менее двух пар излучатель-приемник, расположенных по радиусу отрезков труб. Преобразователи должны быть разнесены друг от друга по длине отрезков труб для исключения взаимного влияния.The device (figure 1) works as follows. When a multiphase flow, consisting of oil, water and gas, flows along the first and second pipe sections of the device, the flow is probed by ultrasonic transducers. In the converters of the flow velocity 3 and 5, it is converted to the frequency of the Doppler shift F. In the gas converters 4 and 6, the ratio φ of the number of transmitted probe pulses to their total number during the measurement period is calculated. In the transducer 7 of the concentration of water in the liquid phase, the propagation time of ultrasonic pulses from the emitter to the receiver is measured through a measuring volume filled with the liquid phase of the mixture. Each transducer must have at least two pairs of emitter-receiver located along the radius of the pipe segments. The transducers must be spaced apart from each other along the length of the pipe sections to avoid mutual influence.

Кодированные сигналы с преобразователей в цифровой форме поступают по линии связи 8 в электронный блок 9 хранения, обработки, индикации принятых и обработанных сигналов (фиг.1). Туда же поступают по линии связи 8 сигналы с датчиков давления и температуры, для упрощения не показанных на схеме. Первичные сигналы с преобразователей и датчиков поступают в линию связи 8 по запросу контроллера 11 через равные промежутки времени и запоминаются в блоке памяти 12 для сохранения текущих преобразованных значений параметров потока с привязкой к часам 16 реального времени. Затем контроллер 11 извлекает из блока памяти 12 информацию за последний интервал времени и производит вычисление интегральных характеристик за данный период времени, находит в блоке памяти 10 зависимости Fинт=f(Qж, Qг, t, P), φинт=φ(Qж, Qг, t, P) при известных значениях температуры и давления, решает систему уравнений и находит значения концентрации и расходов жидкости Qж и газа Qг. Далее по показаниям преобразователя 7 концентрации компонентов жидкой фазы (вода с нефтью) по известным зависимостям контроллер 11 определяет расход нефти и найденные значения расходов записывает в третий блок памяти 14 для хранения рассчитанных параметров потока.The encoded signals from the converters in digital form are transmitted via communication line 8 to the electronic unit 9 for storing, processing, indicating received and processed signals (Fig. 1). There, 8 signals from pressure and temperature sensors, for simplicity not shown in the diagram, come through the communication line. The primary signals from the transducers and sensors enter the communication line 8 at the request of the controller 11 at regular intervals and are stored in the memory unit 12 to save the current converted values of the flow parameters with reference to the real-time clock 16. Then, the controller 11 extracts information from the memory block 12 for the last time interval and calculates the integral characteristics for a given period of time, finds the dependences F int = f (Q w , Q g , t, P), φ int = φ ( Q g , Q g , t, P) for known values of temperature and pressure, solves the system of equations and finds the concentration and flow rates of the liquid Q g and gas Q g . Further, according to the testimony of the converter 7, the concentration of the components of the liquid phase (water with oil) according to the known dependencies, the controller 11 determines the oil flow and writes the found flow rates to the third memory unit 14 for storing the calculated flow parameters.

С пульта управления 13 контроллеру задается команда на выполнение тех или иных действий, например расчета компонентов газа, нефти, воды за последние сутки или неделю и т.д. В этом случае контроллер обращается к блоку 14, извлекает из него значения расходов за отдельные промежутки времени в заданном интервале времени, суммирует их и расчетные значения выводит на индикатор, шину обмена или принтер и т.д.From the control panel 13, the controller is given a command to perform certain actions, for example, calculating the components of gas, oil, water for the last day or week, etc. In this case, the controller refers to block 14, extracts from it the values of expenses for individual time intervals in a given time interval, sums them up and displays the calculated values on an indicator, bus or printer, etc.

Как видно из описания работы устройства, для работы расходомера необходимо, чтобы первый блок 10 памяти, в котором размещены калибровочные значения преобразователей расходомера и дополнительные константы компонентов потока, например, скорость звука в нефти и воде и зависимость ее от температуры, должен быть заполнен. Для этого на специальном стенде должна быть произведена калибровка расходомера с заданием через расходомер в калибруемых точках точных расходов, лежащих в диапазоне измерения расходов рабочей смеси, состоящей из разных соотношений объемных расходов компонентов - углеводородной жидкости, воды, газа в диапазоне измеряемых концентраций, в диапазоне измеряемых давлений и температур. По результатам калибровок производят расчет интегральных характеристик по ранее приведенным формулам. Результаты калибровок по промежуточным точкам расхода необходимо аппроксимировать с использованием сплайнов или других видов аппроксимации, исходя из полученной минимальной ошибки аппроксимации между двумя соседними аппроксимируемыми точками, получения касательной к обоим кривым в точке калибровки по всем координатам калибровки температуры, давления и т.д.As can be seen from the description of the operation of the device, for the flowmeter to work, it is necessary that the first memory block 10, which contains the calibration values of the flowmeter transducers and additional constants of the flow components, for example, the speed of sound in oil and water and its dependence on temperature, be filled. To do this, on a special stand, the flowmeter must be calibrated with the exact flow rates set in the calibrated points of the flow rate through the flowmeter, lying in the measuring range of the flow rate of the working mixture, consisting of different ratios of the volumetric flow rates of the components - hydrocarbon liquid, water, gas in the range of measured concentrations, in the range of measured pressure and temperature. According to the calibration results, the integral characteristics are calculated according to the previously given formulas. Calibration results for intermediate flow points must be approximated using splines or other types of approximation, based on the obtained minimum approximation error between two adjacent approximated points, obtaining a tangent to both curves at the calibration point for all coordinates of temperature, pressure, etc.

В преобразователях и электронном блоке применены импортные микросхемы, отличающиеся компактностью, универсальностью и невысокой стоимостью:In the converters and the electronic unit, imported microcircuits are used, characterized by compactness, versatility and low cost:

микроконтроллеры MSP430F149;microcontrollers MSP430F149;

программируемые логические матрицы XCR3128XL-XTQ144;programmable logic matrix XCR3128XL-XTQ144;

операционные усилители с регулируемым коэффициентом усиленияvariable gain operational amplifiers

AD602AR;AD602AR;

логические ключи с низким сопротивлением ADG702BRM;low resistance logic keys ADG702BRM;

быстродействующие компараторы LT1715IMS;high-speed comparators LT1715IMS;

микросхемы интерфейса "RS485" MAX1480BEPI.interface microcircuit "RS485" MAX1480BEPI.

Приводим экспериментальные данные, полученные при калибровке расходомера (фиг.2, 3, 4).We present the experimental data obtained during the calibration of the flow meter (figure 2, 3, 4).

На фиг.2 показаны зависимости от расхода жидкости локальных газосодержаний, приведенного по формуле (2) прототипа газосодержания (пунктирная линия) и интегрального газосодержания (штрихпунктирная линия), рассчитанного по формуле (5) настоящей заявки. Из диаграммы видно, что при повышении расхода жидкости более ~200 м3/сут показания датчиков, установленных в узком сечении гидроканала, начинают, особенно в центре, возрастать, так искажая приведенную характеристику φ_пр, что на ней образуются области неоднозначности, в которых одному значению приведенного газосодержания соответствуют два значения расхода жидкости. Интегрированная же характеристика φ_инт имеет монотонно спадающий вид, не допускающий двойственности при определении расхода жидкости в многофазном потоке.Figure 2 shows the dependence on the liquid flow rate of local gas contents given by formula (2) of the gas content prototype (dashed line) and integral gas content (dash-dot line) calculated according to formula (5) of the present application. It can be seen from the diagram that, with an increase in the liquid flow rate of more than ~ 200 m 3 / day, the readings of the sensors installed in a narrow section of the hydrochannel begin to increase, especially in the center, distorting the given characteristic φ_pr so that ambiguity regions are formed on it, in which one value reduced gas content correspond to two values of fluid flow. The integrated characteristic φ_int has a monotonically decreasing form, which does not allow duality in determining the flow rate of a liquid in a multiphase flow.

Результаты калибровок преобразователей скорости потока и преобразователей газосодержания хранятся в памяти вычислителя-индикатора в виде набора двухмерных матриц, графические интерпретации которых показаны соответственно на фиг.3 и 4.The calibration results of the flow velocity transducers and gas content transducers are stored in the memory of the calculator-indicator in the form of a set of two-dimensional matrices, graphical interpretations of which are shown in FIGS. 3 and 4, respectively.

По результатам испытаний сделаны следующие выводы:Based on the test results, the following conclusions are made:

- выбранные технические решения позволили более достоверно вычислять параметры потока принимаемых сигналов и осуществить их эффективную обработку на всех режимах работы скважин;- the selected technical solutions made it possible to more reliably calculate the flow parameters of the received signals and carry out their effective processing at all well operation modes;

- численные значения параметров потока, полученные при проведении измерений, близки к измерениям с помощью штатных измерительных систем и величинам, полученным при лабораторных испытаниях. Отличие результатов друг от друга при повторных измерениях на отдельных участках не превышают 2,5% по жидкости и 5% по газу.- the numerical values of the flow parameters obtained during the measurements are close to measurements using standard measuring systems and the values obtained in laboratory tests. The difference in results from each other during repeated measurements in individual areas does not exceed 2.5% for liquid and 5% for gas.

Claims (2)

1. Способ определения параметров потока многофазной среды с помощью ультразвукового расходомера компонентов потока, заключающийся в том, что в трубопровод, содержащий первый и второй отрезок трубы, в каждый из отрезков помещают соответственно локальные преобразователи скорости движения потока в частоту доплеровского смещения и преобразователи газосодержания и вычисляют параметры потока, отличающийся тем, что окончательные параметры многофазного потока вычисляют после предварительного нахождения интегральных характеристик преобразователей, вычисляемых по формулам:
интегральная характеристика преобразователей скорости движения потока в частоту доплеровского смещения, приведенная к первому (а) или ко второму (б) отрезкам трубы:
Figure 00000010

Figure 00000011

где F1k, F2l - доплеровские частоты, измеряемые локальными преобразователями скорости движения потока соответственно в первом и во втором отрезках трубы, с учетом индивидуальных весовых коэффициентов, экспериментально определяемых в зависимости от положения преобразователя по отношению к центру и по длине трубы;
S1, S2 - площади поперечного сечения первого и второго отрезков трубы;
N, М - количество преобразователей скорости движения потока в первом и во втором отрезках трубы;
интегральная характеристика преобразователей газосодержания:
Figure 00000012
,
где φ1k, φ2l - значения газосодержания, равные отношению числа непрошедших зондирующих импульсов к их общему числу, определяемому локальными преобразователями газосодержания соответственно в первом и во втором отрезках трубы с учетом индивидуальных весовых коэффициентов, экспериментально определяемых в зависимости от положения преобразователя по отношению к центру и по длине трубы;
n и m - количество преобразователей газосодержания в первом и во втором отрезках трубы;
диагностику работоспособности ультразвукового расходомера производят по величине отклонения показаний локальных преобразователей от интегрального значения.
1. The method of determining the flow parameters of a multiphase medium using an ultrasonic flow meter of flow components, which consists in the fact that in the pipeline containing the first and second pipe section, in each of the sections are placed respectively local speed converters of the flow velocity to the frequency of the Doppler shift and gas content converters and calculate flow parameters, characterized in that the final multiphase flow parameters are calculated after preliminary finding the integral characteristics of the conversion Callers calculated by the formulas:
the integral characteristic of the converters of the flow velocity to the frequency of the Doppler shift, reduced to the first (a) or second (b) pipe sections:
Figure 00000010

Figure 00000011

where F 1k , F 2l are Doppler frequencies measured by local converters of the flow velocity in the first and second pipe sections, respectively, taking into account individual weight coefficients, experimentally determined depending on the position of the converter with respect to the center and along the length of the pipe;
S 1 , S 2 - the cross-sectional area of the first and second pipe sections;
N, M - the number of converters of the flow velocity in the first and second pipe sections;
integral characteristic of gas converters:
Figure 00000012
,
where φ 1k , φ 2l are the values of gas content equal to the ratio of the number of transmitted probe pulses to their total number, determined by local gas content transducers in the first and second pipe sections, respectively, taking into account individual weight coefficients experimentally determined depending on the position of the converter with respect to the center and along the length of the pipe;
n and m are the number of gas content converters in the first and second pipe sections;
the health of an ultrasonic flow meter is diagnosed by the deviation of the readings of the local transducers from the integral value.
2. Ультразвуковой расходомер компонентов потока многофазной среды в трубопроводе, содержащий: два отрезка трубы, установленные вертикально последовательно, N и М локальных преобразователей скорости движения потока в частоту доплеровского смещения и n и m локальных преобразователей газосодержания, установленных в каждом отрезке трубы, контроллер, выполненный с возможностью вычисления значения параметров потока, отличающийся тем, что расходомер содержит дополнительно введенные первый блок памяти, в котором размещены калибровочные значения преобразователей расходомера и дополнительные константы компонентов потока, такие как скорость звука в нефти и воде и зависимость ее от температуры, второй блок памяти для сохранения текущих сигналов преобразователей, пульт управления, третий блок памяти для хранения рассчитанных параметров потока, индикатор значений запрашиваемой с пульта управления информации, часы реального времени, при этом площади поперечных сечений отрезков трубы равны, а контроллер выполнен с возможностью расчета интегральных характеристик преобразователей с учетом индивидуальные весовых коэффициентов локальных преобразователей скорости и газосодержания. 2. An ultrasonic flowmeter of the components of a multiphase medium flow in a pipeline, comprising: two pipe sections installed vertically in series, N and M local converters of the flow velocity to the Doppler frequency and n and m local gas-content converters installed in each pipe segment, a controller made with the possibility of calculating the value of the flow parameters, characterized in that the flow meter additionally contains the first memory block in which calibration values are located the flowmeter transducers and additional constants of the flow components, such as the speed of sound in oil and water and its dependence on temperature, a second memory unit for storing current transducer signals, a control panel, a third memory unit for storing the calculated flow parameters, an indicator of the values requested from the control panel information, real-time clock, while the cross-sectional areas of the pipe segments are equal, and the controller is configured to calculate the integral characteristics of the converter lei taking into account the individual weights of the local converters of speed and gas content.
RU2007147505/28A 2007-12-24 2007-12-24 Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation RU2386931C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007147505/28A RU2386931C2 (en) 2007-12-24 2007-12-24 Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2007147505/28A RU2386931C2 (en) 2007-12-24 2007-12-24 Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2007147505A RU2007147505A (en) 2009-06-27
RU2386931C2 true RU2386931C2 (en) 2010-04-20

Family

ID=41026666

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2007147505/28A RU2386931C2 (en) 2007-12-24 2007-12-24 Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2386931C2 (en)

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ДРОБКОВ В.П. Разработка и исследование ультразвуковых методов и информационно-измерительной системы измерения расхода нефтеводогазового потока. Автореферат диссертации. - М., подписано в печать 20.04.2004, с.22-24, рис.10, с.30-31, рис.22, с.36. *
КРЕМЛЕВСКИЙ П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Изд. 4. - Л.: Машиностроение, 1989, с.644-645. *

Also Published As

Publication number Publication date
RU2007147505A (en) 2009-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1886131B1 (en) Method and ultrasonic meter system for determining pipe roughness
CA2702666C (en) A method and system for detecting deposit buildup within an ultrasonic flow meter
Lynnworth et al. Ultrasonic flowmeters: Half-century progress report, 1955–2005
JP4800543B2 (en) Method and apparatus for simultaneously measuring the flow rate and concentration of a multiphase liquid / gas mixture
RU2473049C2 (en) Method and system (versions) for determining presence of liquid in bottom part of housing of flow metre, machine-readable data medium
CN102288235B (en) Double-track mixed type ultrasonic flowmeter and measuring method
WO1988008516A1 (en) Ultrasonic fluid flowmeter
JP4535065B2 (en) Doppler ultrasonic flow meter
Munasinghe et al. Ultrasonic-based sensor fusion approach to measure flow rate in partially filled pipes
RU2386930C2 (en) Method for detection of flow parametres for multiphase mixture of liquid and gas
RU2386931C2 (en) Method for detection of multiphase medium flow parametres and ultrasonic flow metre for its realisation
KR101059931B1 (en) Flow measurement method
RU2478917C2 (en) Fluid medium flow metre in free-flow pipelines
RU2471153C2 (en) Method and system for measurement of total flow of liquid medium and ultrasonic flow metre
RU66029U1 (en) INTEGRATED DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS
RU2425332C2 (en) Method of simultaneous determination of gas-fluid mix liquid and gas phases (versions)
RU2126143C1 (en) Ultrasonic flowmeter of components of multiphase medium
CN204514400U (en) A kind of compact gas-liquid stratified flow measurement mechanism
RU66030U1 (en) DEVICE FOR MEASURING FLOW, DENSITY AND VISCOSITY OF OIL PRODUCTS
RU2801203C1 (en) Method for acoustic measurement of sound velocity and flow of liquid or gas when ambient temperature changes
RU2707124C1 (en) Method of measuring oil products mass flow in a pipeline
RU67263U1 (en) DENSITY OF LIQUID OR GAS MEDIA
RU2695269C1 (en) Method of measuring mass flow rate of substance and device for its implementation
RU85638U1 (en) ULTRASONIC FLOWMETER OF COMPONENTS OF MULTIPHASE ENVIRONMENT IN A PIPELINE
RU2641505C1 (en) Information and measuring system for measurement of flow and quantity of gas

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner