RU2612033C1

RU2612033C1 - Способ измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке

Info

Publication number: RU2612033C1
Application number: RU2015152819A
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Совлуков
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН
Priority date: 2015-12-09
Filing date: 2015-12-09
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами трехкомпонентного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода). Предлагается способ измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке, при котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами в двух частотных диапазонах и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующих радиоволновых датчиков и измерении одного из информативных параметров каждого из них, причем частоты этих волн соответствуют разным значениям диэлектрической проницаемости воды, и частоту, по меньшей мере, одной из волн выбирают в СВЧ-диапазоне, при этом дополнительно воздействуют на вещество электромагнитными волнами в третьем частотном диапазоне СВЧ-диапазона частот, соответствующем отличному от двух других значений диэлектрической проницаемости воды, при применении соответствующего ему радиоволнового датчика и измерении одного из его информативных параметров, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений информативных параметров датчиков в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав вещества в виде объемного содержания каждой из трех компонент вещества. Повышение скорости получения первичной информации о параметрах потока, перемещаемого по трубопроводу, а также определения покомпонентного состава нефтеводогазовой смеси, является техническим результатом изобретения. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для высокоточного измерения физических свойств веществ, являющихся компонентами трехкомпонентного вещества, неподвижного или транспортируемого по трубопроводу. В частности, данный способ может быть применен для определения состава вещества в потоке добываемой и транспортируемой нефти, являющейся, по существу, трехкомпонентным двухфазным веществом (нефть, газ, вода).

Известны способы измерения состава водосодержащего вещества в потоке, а именно влагосодержания вещества, основанные на измерении его электрофизических параметров, с применением радиоволновых датчиков (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-177). Недостатком этих способов измерения является ограниченная область применения, обусловленная невозможностью определения состава веществ при большем чем две компоненты контролируемого вещества.

Известны способы измерения покомпонентного состава, имеющие большое значение и для определения расхода каждого из компонентов добываемой из скважин нефти. Для этого, в частности, нашли применение турбинные расходомеры, которые предполагают предварительную гомогенизацию нефтегазовых смесей, а также и другие типы расходомеров, например, на трубке Вентури, для использования которых необходимо наличие сепараторов жидкой и газовой фаз вещества (монография: Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение. 1989. 701 с.). Эти способы также имеют ограниченную область применения и сложны в реализации.

Известно техническое решение (SU 1497531, 30.07.1989), которое содержит описание способа измерения, по технической сущности наиболее близкого к предлагаемому способу и принятого в качестве прототипа. Способ-прототип предназначен для измерения влагосодержания диэлектрических веществ, в частности, нефти и нефтепродуктов, независимо от их сортности. Данный способ базируется на использовании частотной дисперсии диэлектрической проницаемости воды. Однако он не позволяет производить измерения состава веществ с числом компонент, большим двух.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение области применения.

Технический результат достигается тем, что в способе измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке, при котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами в двух частотных диапазонах и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующих радиоволновых датчиков и измерении одного из информативных параметров каждого из них, причем частоты этих волн соответствуют разным значениям диэлектрической проницаемости воды, и частоту, по меньшей мере, одной из волн выбирают в СВЧ-диапазоне, дополнительно воздействуют на вещество электромагнитными волнами в третьем частотном диапазоне СВЧ-диапазона частот, соответствующем отличному от двух других значений диэлектрической проницаемости воды, при применении соответствующего ему радиоволнового датчика и измерении одного из его информативных параметров, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений информативных параметров этих датчиков в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав вещества в виде объемного содержания каждой из трех компонент вещества.

Предлагаемый способ поясняется чертежами.

На фиг. 1 изображена частотная зависимость диэлектрической проницаемости

для воды.

На фиг. 2 приведены графики, поясняющие выбор рабочих частот измерительных каналов устройств для определения покомпонентного состава веществ.

На фиг. 3 показана схема с применением волноводных резонаторов в устройствах для определения покомпонентного состава веществ.

На фиг. 4 приведена схема устройства для реализации данного способа измерения.

Здесь показаны трубопровод 1, чувствительные элементы 2, 3 и 4, преобразователи 5, 6 и 7, вычислительный блок 8, индикатор 9.

Сущность способа измерения состоит в следующем.

Для измерения различных неэлектрических величин, когда контролируемые объекты представляют собой или содержат частотно-зависимые элементы (вещества), могут быть применены многоканальные (многочастотные) измерительные устройства.

Пусть x₁, x₂, …, x_k - влияющие на выходную характеристику y=F(x₁, x₂, …, x_k) измерительного канала параметры объекта, один из которых, несколько или все подлежат измерению. Если

есть параметр объекта, зависящий от частоты

воздействующей на объект волны, то, зондируя объект волнами k разных частот, можно составить систему независимых уравнений

Решение данной системы уравнений относительно параметров x₁, x₂, …, x_k позволяет найти их текущие значения. Физическая реализация многоканальных измерительных устройств, которым соответствует связь входных x₁, x₂, …, x_k и выходных y₁, y₂, …, y_k величин измерительных каналов, предполагает наличие чувствительных элементов, каждый из которых описывается одним из уравнений системы (1). Аналогично может быть записана и система уравнений при наличии у объекта более одного частотно-зависимого параметра. При этом возможно существование взаимовлияющих связей таких параметров, что дает дополнительные возможности для решения тех или иных задач.

Применительно к рассматриваемой задаче частотно-зависимым элементом объекта - многокомпонентного, в том числе двух- и трехфазного, водосодержащего вещества является вода. Ее диэлектрическая проницаемость

в СВЧ-диапазоне частот электромагнитных волн обладает выраженными дисперсионными свойствами (фиг. 1). Такими свойствами обладают многие другие полярные жидкости, наличие которых позволяет применять предлагаемый способ измерения. Частотную дисперсию при этом может иметь и (или) тангенс угла диэлектрических потерь вещества.

Наиболее важной на практике задачей является определение состава трехкомпонентного вещества в потоке, а именно, объемного содержания нефти или нефтепродукта, газа и воды в их смеси. На примере такого вещества рассмотрим сущность и пути реализации данного способа измерения.

Если V_н, F_г и V_в - объемное содержание соответственно нефти или нефтепродукта, газа и воды в объеме V_о измерительного участка трубопровода (V_о=V_н+V_г+V_в),

,

и

- диэлектрические проницаемости этих компонентов потока, то систему уравнений (1) для данной задачи можно записать так:

Здесь подлежащие измерениям параметры есть V_н, V_г и V_в, а возмущением, от влияния которого на результаты измерений необходимо достичь независимости, являются переменная величина (сортность)

нефти или нефтепродукта. Параметры

и

считаются фиксированными; в противном случае систему уравнений (2) следует дополнить уравнениями связи, записанными для частот

и

. Если же, наоборот, можно считать параметр

фиксированным, то система уравнений (2) содержит на одно меньшее число уравнений, достаточное для нахождения искомых объемов компонентов вещества. Величина

, как установлено, не обладает частотной дисперсией в ВЧ- и СВЧ-диапазонах частот.

Частоты

,

и

, которым соответствует реализация измерительных каналов, содержащих радиоволновые датчики и описываемых уравнениями системы (2), можно выбрать так: хотя бы две из них (фиг. 2) находятся в области частотной дисперсии

. Например, в качестве рабочих частот могут быть взяты такие:

,

, на которых будем иметь соответственно

,

.

Для решения системы уравнений (2) необходимо записать связь выходной и влияющих (входных) величин для каждого измерительного канала. Сделать это возможно аналитически лишь при ряде допущений. Представляя влажный материал в виде плоскослоистого трехкомпонентного вещества, можно записать соотношения для волнового числа β и коэффициента затухания α:

где

,

- волновые числа для смеси и соответствующих ее компонентов;

- эффективная диэлектрическая проницаемость вещества; c - скорость света;

- частота электромагнитных колебаний; k₁, k₂, k₃ и k - эмпирические константы, учитывающие структуру контролируемого вещества.

В качестве информативных параметров чувствительных элементов могут быть использованы такие параметры, которые соответствуют соотношениям (3) и (4). Так, соотношению (3) соответствует фазовый сдвиг

электромагнитной волны, имеющий место по прошествии ею слоя контролируемого вещества толщиной

:

Записав соотношение (5) для частот

,

и

, лежащих в области наличия у

частотной дисперсии (хотя бы для двух из этих частот), получим следующую систему уравнений:

i=1, 2, 3

Решение данной системы линейных уравнений позволяет найти искомые величины V_н, V_г и V_в независимо от переменной

, а также ее текущее значение.

Соотношение (3) может быть применено и для определения такого информативного параметра, как собственная частота

электромагнитных колебаний волноводного резонатора. При этом возможна организация волноводного резонатора с поперечным зондированием потока вещества в трубопроводе 1. Чувствительные элементы радиоволновых датчиков - в данном случае резонаторы 2, 3 и 4 - образованы совокупностью двух соответствующих (приемной и передающей) антенн, соединенных отрезком волновода (фиг. 3).

Соотношение (4) может служить для расчета выходных характеристик измерительных каналов, в которых информативным параметром служит изменение (уменьшение) мощности электромагнитной волны, прошедшей через слой контролируемого вещества. Возможно также построение измерительных участков с каналами, базирующимися на соотношениях (3) и (4) одновременно.

Обобщенная структурная схема устройства для определения покомпонентного состава трехкомпонентного, в том числе и двухфазного, вещества приведена на фиг. 4. Здесь для получения первичной информации о параметрах потока, перемещаемого по трубопроводу 1, служат размещенные на данном измерительном участке чувствительные элементы 2, 3 и 4 радиоволновых датчиков резонаторного, волноводного или антенного типа. Они функционируют на разных частотах

,

и

в области частотной дисперсии

. Получаемые с помощью преобразователей 5, 6 и 7 информативные сигналы с этих чувствительных элементов поступают на вычислительный блок 8, осуществляющий автоматическое решение системы уравнений типа (2).

На индикатор 9 поступают данные о текущих значениях V_н, V_г и V_в и, если необходимо,

. Каждый чувствительный элемент с соответствующим ему преобразователем может образовывать автогенератор, выходным (информативным) сигналом которого служит его текущая частота.

Задачу определения покомпонентного состава нефтеводогазовой смеси можно трактовать и как задачу измерения сплошности, когда требуется определить количество свободного газа в потоке жидкости. Для нефтеводяной смеси известны различные аналитические и эмпирические соотношения, относящиеся к тем или иным режимам потоков таких смесей. Так, при относительно малом (~5%) содержании воды в потоке нефти или нефтепродуктах справедливо следующее соотношение (монография: Теория и практика экспресс-контроля влажности твердых и жидких материалов/ Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. М.: Энергия. 1980. 240 с. С. 45-66):

где

, W - влагосодержание.

Проводя в таких случаях измерения на разных частотах

,

и

, можно определить V_н, V_г и V_в, а также и

. В качестве информативных параметров могут быть использованы соответствующие частоты объемных резонаторов и резонаторов на основе отрезков неоднородной длинной линии (монография: Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Наука. 1989. 208 с. С. 168-184.). При этом, измеряя резонансные частоты

,

и

электромагнитных колебаний трех резонаторов, зависящие от диэлектрической проницаемости ε(W,ε_н,V_г) заполняющих их веществ, определяют V_н, V_г, V_в и

при решении системы уравнений

, i=1, 2, 3,

где

, i=1, 2, 3,

При этом учитывают, что W=V_в/(V_н+V_в), V₀=V_н+V_в+V_г.

Таким образом, данный способ позволяет определять покомпонентный состав транспортируемого трехкомпонентного водосодержащего вещества без предварительной сепарации компонентов. Он реализуем с применением электромагнитных волн ВЧ- и СВЧ-диапазонов частот и реализацией приборов с использованием соответствующей этим диапазонам элементной базы. Этот способ измерения не требует при его реализации предварительных операций (сепарации, гомогенизации, отбора проб) над потоком транспортируемого вещества.

Claims

Способ измерения состава трехкомпонентного водосодержащего вещества в потоке, при котором воздействуют на вещество электромагнитными волнами в двух частотных диапазонах и определяют по результатам воздействия его диэлектрическую проницаемость при применении соответствующих радиоволновых датчиков и измерении одного из информативных параметров каждого из них, причем частоты этих волн соответствуют разным значениям диэлектрической проницаемости воды, и частоту, по меньшей мере, одной из волн выбирают в СВЧ-диапазоне, отличающийся тем, что дополнительно воздействуют на вещество электромагнитными волнами в третьем частотном диапазоне СВЧ-диапазона частот, соответствующем отличному от двух других значений диэлектрической проницаемости воды, при применении соответствующего ему радиоволнового датчика и измерении одного из его информативных параметров, осуществляют совместное функциональное преобразование измеренных значений информативных параметров датчиков в указанных трех частотных диапазонах, по результатам которого определяют состав вещества в виде объемного содержания каждой из трех компонент вещества.