RU2659763C1 - Многофазный рентгеновский расходомер - Google Patents

Многофазный рентгеновский расходомер Download PDF

Info

Publication number
RU2659763C1
RU2659763C1 RU2017135750A RU2017135750A RU2659763C1 RU 2659763 C1 RU2659763 C1 RU 2659763C1 RU 2017135750 A RU2017135750 A RU 2017135750A RU 2017135750 A RU2017135750 A RU 2017135750A RU 2659763 C1 RU2659763 C1 RU 2659763C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
ray
multiphase
detector
radiation
filter
Prior art date
Application number
RU2017135750A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2818189C1 (ru
Inventor
Олег Николаевич Аминов
Степан Александрович Полихов
Юрий Анатольевич Зубков
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Уралтехнострой"
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 Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Уралтехнострой" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Уралтехнострой"
Priority to RU2017135750A priority Critical patent/RU2818189C1/ru
Priority claimed from RU2017135750A external-priority patent/RU2818189C1/ru
Publication of RU2659763C1 publication Critical patent/RU2659763C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2818189C1 publication Critical patent/RU2818189C1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/74Devices for measuring flow of a fluid or flow of a fluent solid material in suspension in another fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01FMEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/704Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow using marked regions or existing inhomogeneities within the fluid stream, e.g. statistically occurring variations in a fluid parameter
    • G01F1/708Measuring the time taken to traverse a fixed distance
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/02Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material
    • G01N23/06Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and measuring the absorption
    • G01N23/12Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and measuring the absorption the material being a flowing fluid or a flowing granular solid

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области измерения параметров многофазового потока, а именно к устройству для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси без предварительной сепарации многофазного потока, и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности. Расходомер включает в себя рентгеновскую трубку, рентгенопрозрачный участок трубопровода для исследования многофазной жидкости, матричный рентгеновский детектор, средство анализа для обработки данных, поступающих с детектора, противорассеивающую рентгеновскую маску для снижения влияния рассеянного излучения на изображение. Перед детектором установлен рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения излучения и расположенных в шахматном порядке. Технический результат – обеспечение простоты конструкции, надежности при эксплуатации. 4 ил.

Description

Изобретение относится к области измерения параметров многофазового потока, а именно к устройству для измерения расхода и/или состава многофазной флюидной смеси без предварительной сепарации многофазного потока, и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности.
Для определения фазового состава смеси чаще всего используется метод рентгеновской или гамма-денситометрии. Принцип работы основывается на разнице в коэффициентах поглощения фотонов рентгеновского спектра излучения различной энергии веществами, входящими в состав исследуемой смеси. Этот эффект описывается законом Бугера-Ламберта-Бера. Для нефтегазовой промышленности наибольший интерес представляет определение состава флюида, состоящего из воды, нефти (жидких углеводородов) и природного газа под давлением. В этом случае удобно использовать для денситометрии излучение с двумя диапазонами энергий: низкоэнергетичное излучение (20-40 кэВ) и высокоэнергетичное (50-80 кэВ). На низких энергиях разница в коэффициентах поглощения излучения между водой и жидкими углеводородами максимальна, что позволяет различить эти две фракции. На высоких энергиях разница между коэффициентами поглощения излучения воды и жидких углеводородов становится несущественной, а между жидкими компонентами и природным газом наоборот возрастает. Стоит отметить, что рассматривается диапазон энергий выше 20 кэВ, потому как ниже этой энергии все излучение сильно поглощается в окружающем воздухе и не несет в себе полезной информации.
Известен многофазный рентгеновский расходомер для измерения расхода и состава многофазной жидкости, содержащий средство излучения, адаптированное для генерации луча фотонов, чтобы облучать многофазную жидкость пространственно вдоль участка потока многофазной жидкости, средство детектирования, пространственно сконфигурированное для приема фотонов, исходящих от упомянутого участка потока многофазной жидкости, в различных интервалах времени, чтобы формировать изображение пространственного распределения принятых фотонов для каждого упомянутого интервала времени, и средство анализа, адаптированное для определения скорости потока одной или более фаз многофазной жидкости на основе временной последовательности изображений пространственных распределений принятых фотонов, при этом упомянутое средство детектирования включает в себя двумерную матрицу детекторных элементов и упомянутое средство излучения, адаптированное, чтобы генерировать фотоны на первом энергетическом уровне и втором энергетическом уровне, причем для первого энергетического уровня коэффициенты поглощения фотонов для двух различных фаз, содержащихся в многофазной жидкости, по существу равны, для второго энергетического уровня коэффициенты поглощения фотонов для упомянутых двух фаз многофазной жидкости отличаются [патент RU №2533758, кл. G01F 1/704, опубл. 20.11.2014].
Особенностью данного устройства является возможность фильтрации потока фотонов от рентгеновских источников. Предполагается либо наличие двух импульсных рентгеновских источников с разными потенциалами на рентгеновских трубках, работающих попеременно, либо одной рентгеновской трубки, работающей в импульсном режиме и обеспечивающей вариацию потенциала рентгеновской трубки от импульса к импульсу. Частота следования импульсов находится в непосредственной прямо пропорциональной зависимости от скорости течения исследуемого многофазного потока. При скоростях потока многофазной жидкости от 1 до 10 м/с, типичных для предполагаемых применений данного многофазного расходомера, и размерах единичного элемента матричного детектора порядка 1 мм скорость следования рентгеновских импульсов должна быть порядка 100 Гц и выше. Импульсный рентгеновский источник, обеспечивающий частоту следования импульсов 100 Гц и выше, является технически сложным и, следовательно, дорогим устройством, и, как правило, ресурс эксплуатации таких устройств достаточно мал.
Наиболее близким к заявляемому объекту является устройство для измерения расхода и/или состава многофазной жидкости, содержащее средство излучения, выполненное с возможностью генерации импульсного пучка фотонов для облучения многофазной жидкости пространственно вдоль участка потока многофазной жидкости, выполненное с возможностью приложения напряжения к средству излучения, средство обнаружения, пространственно сконфигурированное для приема фотонов, исходящих от участка потока многофазной жидкости, чтобы сформировать изображения пространственного распределения принятых фотонов для каждой из точек во времени и средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз многофазной жидкости и/или ее состава на основе временной последовательности изображений пространственного распределения принятых фотонов. Напряжение, прикладываемое к средству излучения, является предопределенным, зависимым от времени напряжением, имеющим любой ход изменения между начальным напряжением и конечным напряжением в течение одного импульса фотонов, и фотоны, исходящие от участка потока многофазной жидкости, принимаются в различные моменты времени в течение одного импульса фотонов. Для снижения влияния рассеянного излучения на изображение в таких расходомерах, как правило, после участка потока многофазной жидкости устанавливают противорассеивающую рентгеновскую маску [патент RU №2565346, кл. G01F 1/708, опубл. 20.10.2015].
Особенностью данного устройства является применение импульсного источника рентгеновского излучения, позволяющего варьировать потенциал, подаваемый на рентгеновскую трубку в течение импульса, и тем самым обеспечивать необходимый спектральный состав фотонов, попадающих на матричный рентгеновский детектор. Как и в решении по вышеуказанному патенту RU №2533758, данная конструкция многофазного рентгеновского расходомера подразумевает использование импульсного рентгеновского источника, обеспечивающего частоту следования импульсов 100 Гц и выше, со всеми техническими недостатками, указанными выше: технически сложная и дорогостоящая конструкция, низкий ресурс эксплуатации такого расходомера, снижающий его надежность.
Изобретение направлено на упрощение конструкции многофазного рентгеновского расходомера с одновременным его удешевлением и повышением надежности при эксплуатации.
Это достигается тем, что в многофазном рентгеновском расходомере для измерения расхода и/или состава многофазной жидкости, содержащем средство излучения, рентгенопрозрачный участок трубопровода для исследования многофазной жидкости, после которого расположена противорассеивающая рентгеновская маска для снижения влияния излучения на изображение, матричный рентгеновский детектор в качестве средства обнаружения, средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава, согласно изобретению перед матричным рентгеновским детектором установлен рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтра находилась над собственным пикселем матричного детектора.
Преимуществом предлагаемой конструкции является организация фильтрации рентгеновского излучения при помощи фильтра с двумя различными типами фильтрующих элементов, расположенных в шахматном порядке, помещаемого перед матричным рентгеновским детектором. При этом обеспечивается одновременное получение пространственного распределения фотонов «высокой» и «низкой» энергий в каждом кадре, регистрируемом матричным детектором. Таким образом, предлагаемая конструкция позволит отказаться от применения импульсных рентгеновских источников с частотой следования импульсов 100 Гц и выше и даст возможность использовать рентгеновские источники «непрерывного» режима работы (длительность импульсов 0,1 с и длиннее), что значительно упростит и удешевит многофазный расходомер, а также повысит его надежность в эксплуатации.
На фиг. 1 схематично изображен заявляемый многофазный рентгеновский расходомер; на фиг. 2 - рентгеновский фильтр; на фиг. 3 показана зависимость коэффициентов поглощения меди в качестве материала с низким атомным номером и олова - с высоким атомным номером от энергии излучения; на фиг. 4 приведен типичный спектр рентгеновского излучения от рентгеновской трубки с напряжением 80 кВ после прохождения рентгеновского фильтра, выполненного из расположенных в шахматном порядке двух видов фильтрующих материалов: меди и олова.
Многофазный рентгеновский расходомер включает в себя источник рентгеновского излучения - рентгеновскую трубку 1, тестовую секцию - рентгенопрозрачный участок 2 трубопровода для исследования многофазной жидкости, средство обнаружения - матричный рентгеновский детектор 3 и средство анализа (не показано) для обработки данных, поступающих с детектора 3, и определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава. После рентгенопрозрачного участка 2 трубопровода расположена противорассеивающая рентгеновская маска 4 для снижения влияния рассеянного излучения на изображение, при этом перед детектором 3 установлен рентгеновский фильтр 5, который служит для селективного пропускания рентгеновского излучения и выполнен из двух видов фильтрующих материалов 6 и 7, имеющих различный коэффициент поглощения излучения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтрующих материалов рентгеновского фильтра 5 находилась над собственным пикселем 8 матричного детектора.
Наглядно рентгеновский фильтр показан на фиг. 2. Фильтр выполнен из расположенных в шахматном порядке двух видов фильтрующих материалов 6 и 7, имеющих различный коэффициент поглощения: с высоким и низким атомным номером, и установлен перед матричным рентгеновским детектором, где 8 - пиксели детектора. В частности, фильтр может быть выполнен из меди в качестве материала с низким атомным номером и олова в качестве материала с высоким атомным номером. Фильтр может быть выполнен из других пар фильтрующих материалов 6 и 7, имеющих различающиеся коэффициенты поглощения излучения. Эмпирически выявлено, что при использовании такого рентгеновского фильтра коэффициент поглощения материала с высоким атомным номером имеет «провал» в области низких энергий, чего не наблюдается для легких материалов. В частности, для олова этот «провал» располагается в области 10-30 кэВ (фиг. 3), что позволяет получать выделяющийся пик по интенсивности рентгеновского излучения в этом диапазоне энергий после прохождения излучением олова. В частности, на фиг. 4 представлен типичный спектр рентгеновского излучения от рентгеновской трубки с напряжением 80 кВ после прохождения рентгеновского фильтра из меди толщиной 150 мкм и олова толщиной 350 мкм. Толщины материалов выбираются таким образом, чтобы максимизировать точность определения фазового состава смеси через решение системы уравнений Бугера-Ламберта-Бера (1):
Figure 00000001
где I1 - интегрированный сигнал от низкоэнергетичного рентгена;
I2 - интегрированный сигнал от высокоэнергетичного рентгена;
Figure 00000002
,
Figure 00000003
- интегрированный референсный сигнал с установленным соответствующим фильтрующим материалом и пустой тестовой секцией;
σw, σg, σo - коэффициенты поглощения рентгеновского излучения для воды, газа и нефти соответственно;
xw, xg, xo - эффективная толщина воды, газа и нефти в смеси, на пути прохождения излучения;
d - внутренний размер трубопровода на пути прохождения излучения.
Предлагаемый многофазный рентгеновский расходомер работает следующим образом.
Рентгеновская трубка 1 с напряжением 80-100 кВ генерирует поток фотонов 9, который пропускают через рентгенопрозрачный участок 2 трубопровода, в котором течет исследуемая многофазная жидкость 10, после чего излучение проходит через противорассеивающую рентгеновскую маску 4, которая снижает влияние излучения, рассеянного на флюиде (многофазной жидкости) и участке трубопровода, на изображение. После прохождения излучения через один из двух фильтрующих материалов 6 или 7 рентгеновского фильтра 5 на матричном рентгеновском детекторе 3 формируются два изображения. Изображения снимаются с матричного рентгеновского детектора с частотой до десятка кГц. Затем изображения обрабатываются средством анализа, и далее с применением математических алгоритмов определяют фазовый состав и скорость движения потока жидкости (и, соответственно, расход потока) каждой фазы многофазной жидкости, используя вышеприведенную систему уравнений (1).
При пуске в эксплуатацию, изменении условий работы расходомера, например при изменении состава многофазной жидкости, скорости потока жидкости и/или других ее параметров, необходимо его калибровать.
Калибровочную процедуру осуществляют путем пропускания потока фотонов через:
- пустую трубу (фон);
- заполненную нефтью трубу при рабочих условиях (температура, давление и т.д.);
- заполненную природным газом трубу при рабочих условиях;
- заполненную водой трубу при рабочих условиях.
1. Фон. Делается снимок пустой тестовой секции. Получаем два значения интенсивности
Figure 00000002
и
Figure 00000003
.
2. Нефть. Делается снимок тестовой секции, заполненной нефтью. Получаем два значения интенсивности
Figure 00000004
и
Figure 00000005
соответственно.
3. Газ. Делается снимок тестовой секции, заполненной газом. Получаем два значения интенсивности и
Figure 00000006
и
Figure 00000007
соответственно.
4. Вода. Делается снимок тестовой секции, заполненной водой. Получаем два значения интенсивности
Figure 00000008
и
Figure 00000009
соответственно.
Принимая в расчет формулу (1),
для нефти:
Figure 00000010
для воды:
Figure 00000011
для газа:
Figure 00000012
Из этих формул получают эффективные значения коэффициентов поглощения излучения для нефти, газа и воды.
Далее, в процессе работы многофазного рентгеновского расходомера состав смеси определяется по формуле (1).
Как видно, заявленная конструкция многофазного рентгеновского расходомера исключает необходимость использования дорогого матричного детектора со спектральным разрешением по энергиям регистрируемых фотонов или дополнительных рентгеновских источников и детекторов на разную энергию рентгеновского излучения с частотой следования импульсов 100 Гц и выше и дает возможность использовать рентгеновский источник с широкополосным спектром излучения (с длительностью импульсов 0,1 с и длиннее) для «непрерывного» режима работы и одновременного получения двух независимых изображений исследуемой многофазной жидкости с разной энергией излучения.
Это позволит по сравнению с наиболее близким аналогом по патенту RU №2565346 значительно упростить и удешевить конструкцию расходомера, а также повысить его надежность в эксплуатации.

Claims (1)

  1. Многофазный рентгеновский расходомер для измерения расхода и/или состава многофазной жидкости, содержащий средство излучения, рентгенопрозрачный участок трубопровода для исследования многофазной жидкости, после которого расположена противорассеивающая рентгеновская маска для снижения влияния излучения на изображение, матричный рентгеновский детектор в качестве средства обнаружения, средство анализа, выполненное с возможностью определения расхода одной или более фаз жидкости и/или ее состава, отличающийся тем, что перед матричным рентгеновским детектором установлен рентгеновский фильтр, который выполнен из двух видов фильтрующих материалов, имеющих различный коэффициент поглощения и расположенных в шахматном порядке так, чтобы каждая клетка фильтра находилась над собственным пикселем матричного детектора.
RU2017135750A 2017-10-05 Многофазный рентгеновский расходомер RU2818189C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017135750A RU2818189C1 (ru) 2017-10-05 Многофазный рентгеновский расходомер

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017135750A RU2818189C1 (ru) 2017-10-05 Многофазный рентгеновский расходомер

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2659763C1 true RU2659763C1 (ru) 2018-07-03
RU2818189C1 RU2818189C1 (ru) 2024-04-25

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2790574C1 (ru) * 2022-03-21 2023-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Уралтехнострой" Рентгеновский фильтр

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103076057A (zh) * 2013-01-05 2013-05-01 北京乾达源科技有限公司 一种多相流流量计
WO2014035275A1 (en) * 2012-08-27 2014-03-06 Siemens Aktiengesellschaft X-ray based multiphase flow meter with energy resolving matrix detector
WO2014074005A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining the flow rate of the constituents of a multi-phase mixture
RU2565346C2 (ru) * 2011-06-08 2015-10-20 Сименс Акциенгезелльшафт Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2565346C2 (ru) * 2011-06-08 2015-10-20 Сименс Акциенгезелльшафт Устройство и способ для измерения расхода и состава многофазной флюидной смеси
WO2014035275A1 (en) * 2012-08-27 2014-03-06 Siemens Aktiengesellschaft X-ray based multiphase flow meter with energy resolving matrix detector
WO2014074005A1 (en) * 2012-11-09 2014-05-15 Siemens Aktiengesellschaft Method for determining the flow rate of the constituents of a multi-phase mixture
CN103076057A (zh) * 2013-01-05 2013-05-01 北京乾达源科技有限公司 一种多相流流量计

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2790574C1 (ru) * 2022-03-21 2023-02-27 Общество с ограниченной ответственностью "Корпорация Уралтехнострой" Рентгеновский фильтр
RU220701U1 (ru) * 2023-06-28 2023-09-28 Акционерное общество "РусВэллГруп" Многофазный расходомер с источником быстрых нейтронов

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9086306B2 (en) Apparatus and method for measuring multi-phase fluid flow
Uttley et al. X-ray reverberation around accreting black holes
JP2011145162A (ja) 流体中微粒子のx線検出法
Sharma et al. Incoherent scattering of gamma photons for non-destructive tomographic inspection of pipeline
US20150226589A1 (en) X-Ray Based Multiphase Flow Meter with Energy Resolving Matrix Detector
CN105247338B (zh) 非均质样品处理设备及其x射线分析器应用
Kendoush et al. Void fraction measurement by X-ray absorption
Sinars et al. Temporal parameters of the X-pinch x-ray source
WO2011119045A1 (en) A method of conducting x-ray tomography measurements of petroleum- containing multiphase flows through a pipe
RU2659763C1 (ru) Многофазный рентгеновский расходомер
US20150160055A1 (en) Apparatus for Measurement of a Multi-Phase Fluid Mixture
US20140093037A1 (en) Measuring a Flow-Rate and Composition of a Multi-Phase Fluid Mixture
RU2818189C1 (ru) Многофазный рентгеновский расходомер
RU2663418C1 (ru) Многофазный расходомер
RU2818330C1 (ru) Многофазный расходомер
Halls et al. Quantitative imaging of single-shot liquid distributions in sprays using broadband flash X-ray radiography
Halls et al. Quantitative 10–50 kHz X-ray radiography of liquid spray distributions using a rotating-anode tube source
RU2559119C1 (ru) Устройство для определения компонентного состава потока многофазной жидкости
RU2790574C1 (ru) Рентгеновский фильтр
RU2811673C1 (ru) Многофазный расходомер с непрерывным источником рентгеновского излучения
Zych et al. Application of gamma densitometry and statistical signal analysis to gas phase velocity measurements in pipeline hydrotransport
WO2014035275A1 (en) X-ray based multiphase flow meter with energy resolving matrix detector
US20140307846A1 (en) Method of Estimating Chordal Holdup Values of Gas, Oil and Water for Tomographic Imaging of a Three-Phase Flow Through a Volume
RU221258U1 (ru) Детекторный модуль
Gogolev et al. WD-XRA technique in multiphase flow measuring