Информационно-измерительная система объемного расхода нефти,транспортируемой по трубопроводам,

с учетом зависимости ее плотности от температуры

 Паутова А.С., аспирант

 

Самарский государственный технический университет, Самара

 

В настоящее время для определения расхода транспортируемой нефти широкое распространение получили информационно-измерительные системы (ИИС), основанные на эффекте Доплера, обладающие простотой и надежностью [1].

  Эти ИИС с высокой точностью определяют объемного расход нефти по изменению скорости распространения акустического сигнала (АС) по и против потока  жидкости.

  Важным моментом при измерении расхода нефти является нахождение количества твердых частиц, присутствующих в ее составе, так как они определяют количество чистой нефти.

  В состав твердых частиц, присутствующих в составе нефти, могут входить частицы песка, парафина, глины и другие соединения.

  На результат измерения расхода транспортируемой нефти существенное влияние оказывает изменение ее плотности.

   В настоящей статье рассматривается ИИС, основанная на эффекте Доплера, которая позволяет с высокой точностью определять расход нефти, с учетом изменения ее плотности и количество твердых частиц.

  Для уменьшения результирующей погрешности измерения расхода нефти в разработанной системе применяется вспомогательный метод повышения точности измерения. Для этого в составе ИИС используется канал измерения температуры.

На рис. 1 представлена структурная схема ИИС.

 

Р и с. 1. Структурная схема ИИС

 

  ИИС состоит из контроллера КНТ, матричных электроакустических преобразователей ЭП1 и ЭП2, коммутатора К1, блока обработки информации БОИ, таймера Т, генератора импульсов ГИ, порогового элемента.

        Матрицы ультразвуковых преобразователей ЭП1 и ЭП2 выполнены ввиде двух гибких лент, на которых расположены пьезоэлементы.

   Ленты с пьезоэлементами располагаются на противоположных сторонах поверхности нефтепровода и смещены относительно оси друг от друга на L=1..2·D, таким образом, чтобы каждый элемент матрицы ЭП1 взаимодействовал только с одноименным элементом матрицы ЭП2.

Указанная ИИС реализует два основных режима работы.

1) Режим определения расхода нефти по изменению скорости прохождения акустическим сигналом (АС) фиксированного отрезка нефтепровода по и против направления движения нефтяного потока

В этом  режиме используются элементы с 1 по 5 матрицы ЭП1 и ЭП2, расположенные на трубопроводе, таким образом, чтобы ультразвуковые лучи пронизывали условное сечение нефтепровода Sи .  Это позволяет определять значения мгновенных скоростей потока нефти в 5 - ти  точках, от стенки до оси нефтепровода.

2) Режим оперативного определения количества твердых частиц, проходящих через заданное сечение за определенный промежуток времени [3]. Этот режим может выполняться после завершения 1-го режима работы, либо осуществляться одновременно с ним. В указанном режиме используются пары элементов  с 6 по ni  матриц ЭП1 и ЭП2.

Принцип действия ИИС заключается в следующем.

На первом этапе контроллер КНТ по шине управления через коммутатор К1 подключает генератор импульсов ГИ к 1 элементу матрицы ЭП1, переводя 1 элемент в режим передачи АС, по потоку нефти.

Одновременно КНТ подключает измерительный канал, состоящий из таймера Т, порогового элемента ПЭ, блока обработки информации БОИ к 1-му элементу матрицы ЭП2.

Далее КНТ подает команду на включение генератора импульсов ГИ, который запускает 1 – й элемент матрицы ЭП1, далее акустический сигнал с 1-го элемента отправляется по потоку нефти. Одновременно КНТ включает на приемной стороне пороговый элемент ПЭ, который запускает таймер Т.

 В момент прихода акустического сигнала на 1-й элемент матрицы ЭП2 срабатывает пороговый элемент ПЭ, время прохождения акустического сигнала по потоку нефти фиксируется таймером Т и далее отправляется в блок обработки информации БОИ. После этого таймер Т отключается пороговым элементом ПЭ.

Далее контроллер КНТ дает команду переключателю каналов ПК, который отключает коммутатор К1 от 1 – го элемента матрицы ЭП1 и подключает его к 1-му элементу матрицы ЭП2.

Потом КНТ по шине управления через коммутатор К1 подключает генератор импульсов ГИ к 1 элементу матрицы ЭП2, переводя 1 элемент в режим передачи АС против потока нефти.

Одновременно КНТ подключает измерительный канал, состоящий из таймера Т, порогового элемента ПЭ, блока обработки информации БОИ к 1-му элементу матрицы ЭП1.

Далее КНТ подает команду на включения генератора импульсов ГИ, который запускает 1 – й элемент матрицы ЭП2, далее акустический сигнал с 1-го элемента отправляется против потока нефти. Одновременно КНТ включает на приемной стороне пороговый элемент ПЭ, который запускает таймер Т.

 В момент прихода акустического сигнала на 1-й элемент матрицы ЭП1 срабатывает пороговый элемент ПЭ, время прохождения акустического сигнала против потока нефти фиксируется таймером Т и далее отправляется в блок обработки информации БОИ. После этого таймер отключается пороговым элементом ПЭ.

Далее, КНТ переводит следующую пару элементов матриц в режим передачи и приема АС в другой точке эпюры скоростей.  Тем самым, процесс измерения времени прохождения АС по и против потока повторяется, а вычисленные значения скоростей запоминается в БОИ.

На основании полученных значений мгновенных скоростей в БОИ вычисляется среднее значение скорости нефтяного потока. Далее по полученному значению средней скорости нефти определяется ее расход.

 Объемный расход нефти определяется  из выражения:

                                                                                                      (1)                                                

где  - площадь сечения трубопровода, - средняя скорость распространения потока,  - плотность нефти.

  Значение средней скорости нефти определяется в зависимости от ее плотности и сжимаемости:

 

                                                                                                         (2)                          

где  - коэффициент сжимаемость среды, - плотность нефти.

При определении скорости нефти, АС может не дойти до приемника, следовательно, отсутствии АС на приемной стороне будет характеризовать о наличие твердой частицы, попавшей в зону действия АС [3].  Следовательно, время прохождения  АС  от элементов матрицы ЭП1 к элементам матрицы ЭП2 увеличивается, что приведет к завышенному результату при измерении значения плотности нефти.

    Время прохождения ультразвукового сигнала в потоке нефти находится из выражения:

                                                      ,                                                  (3)                                                       

где L – длина прохождения АС от ЭП1 до ЭП2, равная следующему выражению:

                                                                                                               (4)

Подставив выражение (4) в (3) определяется  средняя скорость нефти:

                                                                                                       (5)

   В ИИС с помощью вспомогательного канала температуры КТ определяется значения температуры нефти за определенный промежуток времени, которые запоминаются в БОИ. В БОИ определяется плотность нефти на основании известной линейной зависимости плотности от температуры нефти.

Зависимость плотности  от температуры  находится из выражения:

                                                                                               (6)        

Где  - разность температуры,  - температурный коэффициент плотности

Плотность нефти с учетом изменения времени прохождения АС  находится из выражения:

                                                                                                       (7)

 

     Подставив выражение (8) в (1), массовый расход нефти будет определяется:

                                                                                      (8)

 

Формула объемного расхода нефти с учетом температуры нефти выражается:

                                                                 (9)

Таким образом, описанная ИИС позволяет с требуемой точностью определить расход нефти с учетом зависимости ее плотности от температуры, а так же наличие твердых частиц, протекающих через заданное сечение за фиксированный промежуток времени.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4е изд. - Л.: Машиностроение. 1989 - 701 с.

2. Фатхутдинов А.Ш. и др. Автоматизированный учет нефти и нефтепродуктов при добыче и переработке. – М.: Недра, 2002. – 417 с. 

    3. Паутова А.С. Информационно-измерительная система объемного расхода нефти с учетом содержания твердых примесей // Интернет – журнал «Науковедение». - 2013 №4 (17) – С. 1–5. Режим доступа http://naukovedenie.ru/PDF/52tvn413.pdf.