Ростов-на-Дону

Ваш город
Ростов-на-Дону?

Ультразвуковые методы измерения параметров многофазных нефтегазовых потоков

УДК 681.121.89.082.4:681.5.08

Р. И. СОЛОМИЧЕВ – к.т.н., ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_solomichev@turbo-don.ru
А. Н. СЛОНЬКО – ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_std2@turbo-don.ru

В статье рассмотрены и описаны существующие ультразвуковые методы измерения расхода и свойств потока, применительно к многофазным потокам (время-разностный, кросс-корреляционный, эхо-импульсный) и методы, основанные на эффекте Доплера. Описаны и классифицированы наиболее распространенные методы обработки измеренной информации в многофазных расходомерах: методы спектрального анализа сигналов (с использованием преобразований Фурье и вейвлет преобразований); методы оценки во временной области (корреляционные вычисления); методы на основе нейронных сетей; смешанные методы, применяемые в гибридных расходомерах. Предложена и обоснована идея комбинации ультразвуковых методов измерения многофазных потоков с последующей обработкой полученных данных в одном расходомере, имеющая ряд преимуществ: возможность определения скорости потока, концентрацию компонентов многофазной среды, скорость звука в каждой из двух фаз, и, следовательно, оценить плотность веществ. Применение на практике описанных в работе методов обработки измеренной информации в многофазных расходомерах дает возможность распознавать и контролировать режимы истечения многофазной среды в трубопроводе.

Ключевые слова: ультразвуковой расходомер, многофазный поток, нефтепродукты, природный газ, концентрация компонентов, цифровая фильтрация.

Постановка проблемы

В последние годы наблюдается все большее распространение ультразвуковых измерителей потока в нефтяной и газовой промышленности, что было продемонстрировано на недавней международной конференции FLOMEKO-2019 (семинар по измерению расхода энергоресурсов в Северном море). На данной конференции практически половина докладов была связана с применением ультразвуковой технологии измерения скорости потока и ее метрологическим обеспечением.

Ультразвуковые (УЗ) методы имеют значительные преимущества по сравнению с механическими методами измерения расхода: более высокую надежность, большой динамический диапазон, меньшие затраты на техническое обслуживание, требования и возможность оперативного обслуживания, – это достигается за счет того, что сам принцип предполагает отсутствие механических движущихся частей в составе расходомера. Данные преимущества ультразвуковой технологии побудили многих исследователей и разработчиков проводить дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования для реализации методик измерения многофазных нефтегазовых потоков.

Все чаще на конференциях подобного рода затрагивается тема измерения многофазных потоков в контексте применения ультразвуковых расходомеров и это не случайно. Традиционно для измерения каждой составляющей многофазной смеси прибегают к ее сепарированию, далее измеряют отдельные компоненты привычными расходомерами для воды, нефти и газа. Способ разделения многофазной смеси может занимать не малое количество времени, быть дорогостоящим и требует большого пространства для размещения громоздкого оборудования.

Способ сепарирования в некоторых случаях делает экономически нецелесообразным разведку глубоководных запасов нефти при значительном удалении от суши, особенно когда две различные добычные компании используют общий трубопровод и до смешивания им требуется знать расход и состав нефтепродуктов.

Таким образом, возникает потребность в многофазном расходомере, предназначенном для динамического измерения расхода многофазного потока и его отдельных компонентов без предварительной сепарации. Проблематика измерения многофазного потока, поступающего из скважины, связана с тем, что он может иметь любую структуру, изменяющуюся случайным образом, но при этом необходимо своевременно определить расходы каждого из компонентов: нефти, воды и газа, что оказывает определяющее влияние на их метрологические характеристики [1].

Цель и задачи исследования

Цель данного исследования – рассмотреть и проанализировать существующие ультразвуковые методы измерения расхода компонентов многофазных потоков в нефтегазовой промышленности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • рассмотреть существующие ультразвуковые методы измерения;
  • провести анализ, выбор и обоснование методов цифровой обработки измеренных сигналов, что позволит интерпретировать полученный массив данных в функциональную зависимость расходов компонентов многофазной смеси.

Решение задач и результаты исследования

Существующие на сегодняшний момент ультразвуковые расходомеры газа или жидкости производятся для широкого ряда диаметров трубопроводов, имеют различные исполнения (накладные и врезные датчики) и методы измерения акустических эффектов, возникающих при движении вещества, расход которого необходимо измерить. Среди наиболее распространенных можно выделить методы, основанные на перемещении акустических колебаний движущейся средой (время-разностный, кросс-корреляционный, эхо-импульсный) и методы, основанные на эффекте Доплера. Рассмотрим перечисленные методы более детально, применительно к измерению компонентов многофазных потоков.

Ультразвуковой метод времени прохождения движущейся среды основан на определении времен прохождения ультразвуковой волны между двумя датчиками (расположенными под углом к трубопроводу, рис. 1) попутно (tAB) и встречно (tBA) потоку. Зная величины времен задержек распространения звуковой волны tAB и tBA, среднюю скорость потока VП можно определить по формуле:

Вверх