RU2752412C1 - Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow - Google Patents

Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow Download PDF

Info

Publication number
RU2752412C1
RU2752412C1 RU2020127853A RU2020127853A RU2752412C1 RU 2752412 C1 RU2752412 C1 RU 2752412C1 RU 2020127853 A RU2020127853 A RU 2020127853A RU 2020127853 A RU2020127853 A RU 2020127853A RU 2752412 C1 RU2752412 C1 RU 2752412C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
flow
gas
flow rate
thermal
measuring
Prior art date
Application number
RU2020127853A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Михайлович Беляев
Александр Иванович Попов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
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 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук
Priority to RU2020127853A priority Critical patent/RU2752412C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2752412C1 publication Critical patent/RU2752412C1/en

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • E21B—EARTH DRILLING, e.g. DEEP DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
    • E21B47/00—Survey of boreholes or wells
    • E21B47/10—Locating fluid leaks, intrusions or movements

Abstract

FIELD: oil industry.
SUBSTANCE: method for measuring the flow rate of a gas-liquid flow relates to the field of measuring the flow rate of multicomponent gas-liquid flows and can be used in the oil industry. The technical result is achieved in that, according to the method, a flow is passed through a flowing longitudinal slit-shaped body with an inlet, a thermal charge pulse is supplied at the input, measured components charged at the same time to different temperatures are advanced with a flow through the body, the flow rate is measured by the time of passage through the body of a thermal charge, using a thermal imager, a thermogram of a heat mark moving with the flow, the mass fractions of the components and the total consumption are calculated.
EFFECT: invention provides a simplified measurement of the flow rate of a multicomponent gas-liquid flow using a single simple thermal parameter for identifying the measured component of a gas-liquid flow.
1 cl, 2 dwg

Description

Предложенный способ измерения расхода газожидкостного потока относится к области изменения расхода многокомпонентных газожидкостных потоков и может быть использован в нефтяной промышленности.The proposed method for measuring the flow rate of a gas-liquid flow relates to the area of changing the flow rate of multi-component gas-liquid flows and can be used in the oil industry.

Известны способы измерения расхода газожидкостного потока, в которых используются различные методы покомпонентного измерения газожидкостной среды (ГЖС). В известных решениях определение и измерение расходов компонентов смеси основываются на идентификации компонентов путем использования различных их физических свойств. Например, таких физических свойств как различный отклик на пропускаемую через измеряемый поток электромагнитную энергию СВЧ-диапазона (RU 2269765 С, 10.02.2004); или различный отклик компонентов на пропускаемые вдоль потока ультразвуковые акустические волны с использованием эффекта (Кокуев А.Г., Сорин А.В. Устройство для измерения расхода многофазного потока, Вестник Астраханского государственного технологического университета, сер. Управление, вычисл. техн. информ. 2015, №1, стр. 7-14); или неодинаковый отклик на проходящий поперек потока лазерный луч на основе оптико-акустического эффекта (Васильев Т.Р., Конкуев А.Г. Прибор для измерения расхода многофазного потока на основе опто-акустического эффекта, Вестник Дагестанского технического университета 2016, том 43, выпуск 4, стр. 34-41).Known methods for measuring the flow rate of a gas-liquid flow, which use various methods of component-wise measurement of a gas-liquid medium (GLC). In the known solutions, the determination and measurement of the flow rates of the components of the mixture are based on the identification of the components by using their various physical properties. For example, such physical properties as a different response to the electromagnetic energy of the microwave range transmitted through the measured flow (RU 2269765 C, 10.02.2004); or a different response of the components to ultrasonic acoustic waves transmitted along the flow using the effect (Kokuev A.G., Sorin A.V. A device for measuring the flow rate of a multiphase flow, Bulletin of the Astrakhan State Technological University, series Management, computational technical inform. 2015 , No. 1, pp. 7-14); or unequal response to a laser beam passing across the flow based on the optical-acoustic effect (Vasiliev T.R., Konkuev A.G. A device for measuring the flow rate of a multiphase flow based on the opto-acoustic effect, Bulletin of the Dagestan Technical University 2016, volume 43, issue 4, pp. 34-41).

Примененные в них идентифицирующие параметры оптический, акустическая плотность, длинные волны, испускаемые из разных источников, отклик на ядерно-магнитный резонанс требуют сложную аппаратурную оснастку и тонкую избирательность. Это усложняет систему измерения.The identifying parameters, optical, acoustic density, long waves emitted from different sources, and the response to nuclear magnetic resonance, used in them, require complex instrumentation and fine selectivity. This complicates the measurement system.

Известны тепловые методы, к достоинствам которых, наряду с другими достоинствами, можно отнести высокую чувствительность в области низких расходов (возможность измерения расходов в трубах малого диаметра). В этих расходомерах используются такие тепловые методы измерения, как метод теплового пограничного слоя, термоанемометрический метод, калометрический и меточный тепловой метод (динамический).Thermal methods are known, the advantages of which, along with other advantages, include high sensitivity in the region of low flow rates (the ability to measure flow rates in small-diameter pipes). These meters use thermal measurement methods such as the thermal boundary layer method, hot-wire anemometric method, calorimetric and thermal mark method (dynamic).

Известный бесконтактный тепловой меточный способ измерения расхода газожидкостных потоков, реализованный в расходомере и принятый нами за прототип, состоит в последовательном измерении теплового пограничного слоя и измерении меточным методом скорости потока. Измеряется две величины: ΔT - разность температур стенок патрубка до и после нагревателя в точках установки термопреобразователей и τ - время прихода тепловой метки к термопреобразователю за теплонагревателем. При измерении ΔТ в поток нагревателем постоянно вводится тепло. При измерении скорости движения метки в поток вводится кратковременный тепловой импульс. По совокупности этих измерений исчисляются величины газа и жидкости. (Д.Д. Булкин, Г.А. Соколов. Бесконтактный тепловой расходомер для измерения газожидкостных потоков/ж. Датчики и системы. Sensors & Systems • №12. 2008).The known non-contact thermal marking method for measuring the flow rate of gas-liquid flows, implemented in the flow meter and adopted by us as a prototype, consists in sequential measurement of the thermal boundary layer and measuring the flow rate by the marking method. Two quantities are measured: ΔT is the temperature difference between the walls of the nozzle before and after the heater at the points of installation of the thermal converters and τ is the time of arrival of the thermal mark to the thermal converter behind the heater. When measuring ΔТ, heat is constantly introduced into the flow by the heater. When measuring the speed of the mark, a short-term heat pulse is introduced into the flow. On the basis of these measurements, the quantities of gas and liquid are calculated. (DD Bulkin, GA Sokolov. Non-contact thermal flowmeter for measuring gas-liquid flows / well. Sensors and systems. Sensors & Systems • No. 12. 2008).

Недостатком известного способа является сложный последовательный двухступенчатый процесс нагревания контролируемого газожидкостного потока с завышенной затратой энергии на непрерывное нагревание при измерении разности температур ΔT.The disadvantage of this method is a complex sequential two-stage process of heating a controlled gas-liquid flow with an overestimated energy consumption for continuous heating when measuring the temperature difference ΔT.

Техническим результатом является обеспечение упрощенного измерения расхода многокомпонентного газожидкостного потока при использовании единого простого теплового параметра идентификации компонента.The technical result is to provide a simplified measurement of the flow rate of a multicomponent gas-liquid flow using a single simple thermal parameter of the component identification.

Технический результат достигается тем, что способ измерения расхода газожидкостного потока заключается в том, что пропускают поток через проточный продольный щелеобразный корпус с входом, подают на входе импульс теплового заряда, продвигают с потоком через корпус нагретые одновременно до разных температур компоненты, измеряют скорость потока по времени прохождения через корпус теплового заряда, снимают тепловизором термограмму тепловой метки, перемещающейся с потоком, вычисляют доли масс компонентов и общий расход.The technical result is achieved by the fact that the method for measuring the flow rate of a gas-liquid flow consists in the fact that the flow is passed through a flowing longitudinal slit-shaped body with an inlet, a thermal charge pulse is supplied at the inlet, the components heated simultaneously to different temperatures are moved with the flow through the body, the flow rate is measured in time passing through the body of a thermal charge, a thermogram of a thermal mark moving with the flow is taken with a thermal imager, the mass fractions of the components and the total consumption are calculated.

На фиг. 1 представлена схема измерения.FIG. 1 shows the measurement scheme.

На фиг. 2 показаны уровни Т1, Т2, Т3 приобретаемых компонентами температур.FIG. 2 shows the T 1 , T 2 , T 3 levels of temperatures acquired by the components.

На схеме измерения (фиг. 1) показаны: корпус 1 с входным парубком 2, выходным патрубком 3 и прямоугольным щелеобразным измерительным участком 4, инфракрасный импульсный нагреватель 5, прямоугольный конус 6 и тепловизор с вычислительным комплексом обработки информации 7 по матрице 8, тепловая метка длиной L, 10 - единичный объем W=b*b*h, h - ширина измерительного участка длиной Lуч и высотой Н.The measurement diagram (Fig. 1) shows: housing 1 with an inlet pipe 2, an outlet pipe 3 and a rectangular slit-shaped measuring section 4, an infrared pulse heater 5, a rectangular cone 6 and a thermal imager with a computing complex for information processing 7 on a matrix 8, a thermal mark with a length L, 10 - unit volume W = b * b * h, h - width of the measuring section with length L uch and height N.

Массовый расход компонентов в смеси определяется следующим образом.The mass flow rate of the components in the mixture is determined as follows.

Поток проходит через входной патрубок 2 (фиг. 1), по корпусу 1, содержащему измерительный участок 4, к выходному патрубку 3. Во входном патрубке 2 поток равномерно по всему сечению нагревается в течение времени Δt инфракрасным импульсным нагревателем 5, охватывающим входной патрубок. Поскольку скорости зарядов компонентов различны из-за различных величин их общих теплоемкостей С, то за заданное время Δt заряда каждый компонент нагревается до различной температуры Тк (фиг. 2) в зависимости от их удельных теплоемкостей «с», масс «m» и заданного времени их нагрева Δt, т.е.The flow passes through the inlet nozzle 2 (Fig. 1), along the housing 1 containing the measuring section 4, to the outlet nozzle 3. In the inlet nozzle 2, the flow is uniformly heated over the entire section during the time Δt by an infrared pulse heater 5 covering the inlet nozzle. Since the charge velocities of the components are different due to different values of their total heat capacities C, then for a given time Δt of the charge, each component is heated to a different temperature Tk (Fig. 2), depending on their specific heat capacities "c", masses "m" and a given time their heating Δt, i.e.

Figure 00000001
Figure 00000001

Поступившие в измерительный участок 4 компоненты, например: вода, нефть и газ, нагретые до своих разных температур Тв, Тн и Тг, распределяются по продольной плоскости измерительного участка, контактируют с его стенкой и создают в ней местные области нагретые до этих разных температур, термограмма которых показана на фиг. 1 с клеткой, соответствующей матрице тепловизора. Детектор тепловизора получает инфракрасное излучение и преобразовывает его в электрический сигнал. Тепловизор с вычислительным комплексом 7 по ячейкам активизированной части матрицы (клеткам) 8 (фиг. 1) измеряет температуры в единичных объемах W.The components that entered the measuring section 4, for example: water, oil and gas heated to their different temperatures Tv, Tn and Tg, are distributed along the longitudinal plane of the measuring site, contact its wall and create local areas in it heated to these different temperatures, thermogram which is shown in FIG. 1 with a cell corresponding to the thermal imager matrix. The detector of the thermal imager receives infrared radiation and converts it into an electrical signal. A thermal imager with a computing complex 7 in the cells of the activated part of the matrix (cells) 8 (Fig. 1) measures temperatures in unit volumes W.

Образуются области с разными температурами. По количеству клеток с равными температурами вычисляются размеры областей (площадей) термограммы каждого компонента. По соотношениям этих равнотемпературных площадей определяются доли α масс Мк компонентов в общей массе М потока (αк=Мк/М). Например, суммарные площади с температурой Воды определяют долю воды αв в общей площади тепловой метки L*H при сохранении закона постоянной массы по сечению измерительного участка или тепловой метки в виде формулы 1=αв+αн+αг и тогда αв=Мв/М. Аналогично определяется коэффициент αк других компонентов.Areas with different temperatures are formed. By the number of cells with equal temperatures, the sizes of regions (areas) of the thermogram of each component are calculated. According to the ratios of these equal-temperature areas, the proportions of α masses of Mk components in the total mass M of the flow (α k = Mk / M) are determined. For example, the total areas with the Water temperature determine the proportion of water α in the total area of the heat mark L * H while maintaining the law of constant mass over the section of the measuring section or the heat mark in the form of the formula 1 = α in + α n + α g and then α in = MV / M. The coefficient α to other components is determined in a similar way.

При изменении скорости V газожидкостного потока изменяется при неизменном времени нагрева Δt длина L нагретой зоны потока = длина тепловой метки (фиг. 1). Скоростью V, измеренной временем τ пробега тепловой меткой продольной длины Ly=V/τ измерительного участка 4, корректируют измеренную тепловизором температуру массы в единичном объеме W. Вычислительный комплекс тепловизора 7 определяет общую массу М всех компонентов и отдельно массы Мк компонентов по долям α в соответствии с размерами их площадей на теплограмме измерительного участка 4.When the velocity V of the gas-liquid flow changes, with a constant heating time Δt, the length L of the heated flow zone = the length of the heat mark (Fig. 1). The speed V, measured by the travel time τ of the thermal mark of the longitudinal length L y = V / τ of the measuring section 4, corrects the temperature of the mass in a unit volume W measured by the thermal imager. The computing complex of the thermal imager 7 determines the total mass M of all components and separately the mass M to the components by fractions α in accordance with the size of their areas on the thermogram of the measuring section 4.

Идентификация компонента по величине присущей ему температуры выполняется вычислителем путем сравнения измеренных температур с уставками, полученными при пусковой настройке измерения смеси конкретных компонентов в соответствии с плотностью ρ и удельной теплоемкостью сThe identification of a component by the value of its inherent temperature is performed by the calculator by comparing the measured temperatures with the setpoints obtained at the start-up setting of the measurement of a mixture of specific components in accordance with the density ρ and specific heat with

компонентов: (ρс=4,2*1009)вода; (ρс=2,1*900)нефть; (ρсp=1,4*1,29)газ.components: (ρс = 4.2 * 1009) water ; (ρс = 2.1 * 900) oil ; (ρс p = 1.4 * 1.29) gas .

Измененная длина L тепловой метки 9, заполненной ячейками матрицы вычислительного комплекса 7 тепловизора, соизмеряется со скорректированной по скорости V потока площадью L3*h с температурой компонента, приобретенной им при его нагреве одним импульсом теплового заряда. В соответствии с уравнением (1) масса mк в единичном объеме W=h*b*b (фиг. 1) каждого компонента с учетом скорректированной температуры равна mк=ρкW=TкV/К1⋅cк⋅Δt. Размеры b*b определяются ячейкой матрицы 10 в тепловизоре.The changed length L of the heat mark 9, filled with the cells of the matrix of the computing complex 7 of the thermal imager, is commensurate with the area L3 * h corrected by the flow velocity V with the temperature of the component acquired by it when it is heated by one pulse of thermal charge. In accordance with equation (1), the mass m k in a unit volume W = h * b * b (Fig. 1) of each component, taking into account the corrected temperature, is equal to m k = ρ k W = T k V / K1⋅c k ⋅Δt. The dimensions b * b are determined by the matrix cell 10 in the thermal imager.

Скорректированная по скорости V температура каждого компонента Tк=К1ρкWcкΔt/V на измерительном участке 4 преобразуется в тепловизоре 7 в каждой ячейке матрицы в электрический сигнал Еяк:The velocity-corrected V temperature of each component T to = K 1 ρ to Wc to Δt / V in the measuring section 4 is converted in the thermal imager 7 in each matrix cell into an electrical signal E yk :

Еяк=К2Тк=К2К1ρкWcкΔt/V. где К1 и К2 - коэффициенты пропорциональности.E yak = K 2 T k = K 2 K 1 ρ to Wc to Δt / V. where K1 and K2 are proportionality coefficients.

И общая масса М всех компонентов вычислительным в тепловизоре комплексом 7 определяется как сумма Еяк электрических сигналов всех ячеек активированной части матрицыAnd the total mass M of all components by the computational complex 7 in the thermal imager is determined as the sum of E yk electrical signals of all cells of the activated part of the matrix

Figure 00000002
Figure 00000002

Раздельно массы компонентов подсчитываются как Мк=αкМ. Например для газожидкостного потока воды, нефти и газа: Мв=αвМ, Мн=αнМ, Мг=αгМ.Separately, the masses of the components are calculated as Mk = α to M. For example, for a gas-liquid flow of water, oil and gas: Mw = α in M, Mn = α n M, Mg = α g M.

Предложенный способ обеспечивает бесконтактное измерение расхода многокомпонентной газожидкостной среды, за счет использования единого простого температурного параметра идентификации компонента, позволяющего упростить процедуру измерения.The proposed method provides non-contact measurement of the flow rate of a multicomponent gas-liquid medium, due to the use of a single simple temperature parameter of the component identification, which makes it possible to simplify the measurement procedure.

Claims (1)

Способ измерения расхода газожидкостного потока, характеризующийся тем, что пропускают поток через проточный продольный щелеобразный корпус с входом, подают на входе импульс теплового заряда, продвигают с потоком через корпус нагретые одновременно до разных температур измеряемые компоненты, измеряют скорость потока по времени прохождения через корпус теплового заряда, снимают тепловизором термограмму тепловой метки, перемещающейся с потоком, вычисляют доли масс компонентов и общий расход.A method for measuring the flow rate of a gas-liquid flow, characterized in that a flow is passed through a longitudinal slit-shaped body with an inlet, a thermal charge pulse is supplied at the inlet, measured components heated at the same time to different temperatures are promoted with a flow through the body, the flow rate is measured by the time the heat charge passes through the body , the thermogram of the heat mark moving with the flow is taken with a thermal imager, the mass fractions of the components and the total consumption are calculated.
RU2020127853A 2020-08-20 2020-08-20 Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow RU2752412C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127853A RU2752412C1 (en) 2020-08-20 2020-08-20 Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020127853A RU2752412C1 (en) 2020-08-20 2020-08-20 Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2752412C1 true RU2752412C1 (en) 2021-07-27

Family

ID=76989590

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020127853A RU2752412C1 (en) 2020-08-20 2020-08-20 Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2752412C1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2014568C1 (en) * 1991-12-25 1994-06-15 Научно-исследовательский институт "Нефтеотдача" Method of determining the phase rate of the multiphase liquid flow and device for its realization
RU2060467C1 (en) * 1992-08-31 1996-05-20 Виктор Васильевич Хохлов Thermal flowmeter
UA23910U (en) * 2007-02-05 2007-06-11 Univ Vinnytsia Nat Tech Appliance for measurement of rate and direction of gas flow
RU2386930C2 (en) * 2007-12-24 2010-04-20 Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод" - ОАО "АПЗ" Method for detection of flow parametres for multiphase mixture of liquid and gas
WO2016209893A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 Baker Hughes Incorporated Multiphase thermal flowmeter for stratified flow
US10508943B2 (en) * 2014-03-31 2019-12-17 Hitachi Metals, Ltd. Thermal mass flow rate measurement method, thermal mass flow meter using said method, and thermal mass flow controller using said thermal mass flow meter
RU2726304C1 (en) * 2019-11-01 2020-07-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method for determining component flow rate of gas-fluid medium

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2014568C1 (en) * 1991-12-25 1994-06-15 Научно-исследовательский институт "Нефтеотдача" Method of determining the phase rate of the multiphase liquid flow and device for its realization
RU2060467C1 (en) * 1992-08-31 1996-05-20 Виктор Васильевич Хохлов Thermal flowmeter
UA23910U (en) * 2007-02-05 2007-06-11 Univ Vinnytsia Nat Tech Appliance for measurement of rate and direction of gas flow
RU2386930C2 (en) * 2007-12-24 2010-04-20 Открытое акционерное общество "Арзамасский приборостроительный завод" - ОАО "АПЗ" Method for detection of flow parametres for multiphase mixture of liquid and gas
US10508943B2 (en) * 2014-03-31 2019-12-17 Hitachi Metals, Ltd. Thermal mass flow rate measurement method, thermal mass flow meter using said method, and thermal mass flow controller using said thermal mass flow meter
WO2016209893A1 (en) * 2015-06-26 2016-12-29 Baker Hughes Incorporated Multiphase thermal flowmeter for stratified flow
RU2726304C1 (en) * 2019-11-01 2020-07-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Method for determining component flow rate of gas-fluid medium

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zanoun et al. Evaluating the law of the wall in two-dimensional fully developed turbulent channel flows
EP1261846B1 (en) Simultaneous determination of multiphase flowrates and concentrations
US4080837A (en) Sonic measurement of flow rate and water content of oil-water streams
EP2641071B1 (en) Determining the heat flow emanating from a heat transporting fluid
US10788346B2 (en) Thermal type flowmeter using quadratic function of logarithm of flow rate
WO2007052253A2 (en) Apparatus and method for measuring a fluid flow-rate within a capillary
Zanoun et al. Wall skin friction and mean velocity profiles of fully developed turbulent pipe flows
Arnberg et al. Discharge coefficient correlations for circular-arc venturi flowmeters at critical (sonic) flow
RU2752412C1 (en) Method for measuring the flow rate of gas-liquid flow
Semenov et al. Liquid and gas optical flowmeter model development
US3543578A (en) Flow metering system
RU201523U1 (en) Gas-liquid flowmeter
Schmirler et al. Double probe recovery temperature Anemometry
Engelien et al. Calibration-free volume flow measurement principle based on thermal time-of-flight (TToF)
McELIGOT et al. Laterally converging duct flows. Part 3. Mean turbulence structure in the viscous layer
Wehbi et al. Heat transfer based flowmeter for high temperature flow rate measurements: Design, implementation and testing
US6230570B1 (en) Turbulent spot flowmeter
Vorobyev et al. Downward bubbly flow in a pipe at subcritical Reynolds numbers
RU204591U1 (en) DEVICE FOR MEASURING THE FRACTIONS OF COMPONENTS IN A TWO-PHASE MEDIUM FLOW
Dinardo et al. How to directly measure the mean flow velocity in square cross-section pipes
RU2758778C2 (en) Apparatus for measuring the mass flow rate of gaseous media
Abeysekera et al. Cross-correlation techniques applied to pulsating flow measurement
US3498126A (en) Apparatus for measuring the enthalpy of high temperature gases
RU2695269C1 (en) Method of measuring mass flow rate of substance and device for its implementation
RU2718140C1 (en) Method for measuring mass of one of components of a two-component substance with temperature correction and device for its implementation