Матричная информационно-измерительная система определения объема чистой нефти, транспортируемой по магистральным трубопроводам

Паутова А.С.

Самарский государственный технический университет, Самара

В настоящее время для определения общего объема транспортируемой нефти широкое распространение получили ультразвуковые методы, основанные на эффекте Доплера, обладающие простотой и надежностью [1]. Определение объема чистой нефти осуществляется лабораторным способом при помощи проб. Оперативно в процессе измерения, данные ИИС этого определять не могут.

Известные информационно-измерительные системы (ИИС) с одной парой преобразователей, не позволяют получить высокую точность, т.к. мгновенное значение скорости определяется в одной точке, а не по всей эпюре распределения скоростей от края до центра нефтепровода.

Эти недостатки устранены в ИИС с несколькими парами преобразователей, которые определяют мгновенное значение скорости в разных точках эпюры распределения скоростей за счет механического перемещения преобразователей по поверхности трубопровода с одновременным поворотом [2]. Однако такие системы не могут определять объем чистой нефти, которая зависит от наличия частиц, находящихся в ее составе.

В настоящей статье описывается матричная ИИС, которая, используя пару преобразователей, определяет объем чистой нефти, так и объем частиц, присутствующих в данный момент в составе нефти.

Структурная схема ИИС представлена на рис 1.

ИИС состоит из генератора электрических импульсов Г, ключей К1, К2, блока управления БУ, электроакустических преобразователей ЭП1 и ЭП2 на матричной основе из 24 пьезоэлементов, таймеров Т1, Т2, Т3, измерительных устройств ИУ1 и ИУ2, блоков обработки информации БОИ1, БОИ2, контролера К, средства отображение информации СОИ.

Преобразователи располагаются на трубопроводе противоположно друг другу и смещены по оси на расстоянии L не более 2-х диаметров, при этом соответствующие номера элементов матрицы направлены друг к другу.

Р и с. 1 Схема преобразования со сканированием сечения трубопровода

Пьезоэлектрические преобразователи ЭП1 и ЭП2 представляет собой матрицы пьезоэлементов, которые выполняют функции излучателя и приемника, что позволяет обеспечить сканирование всей площади сечения трубопровода за счет переключения отдельных элементов матрицы.

Процесс электронного сканирования осуществляется ультразвуковым лучом, посылаемым матричным излучателем ЭП1 в поток нефти по линии ''А'', ''В'', огибая площадь измеряемого сечения трубопровода по виртуальной поверхности от точки f до точки g.

Диаграмма направленности излучения одного пьезоэлемента матрицы имеет ширину, которая охватывает 1/24 части площади сечения трубопровода между преобразователями ЭП1 и ЭП2, представлена на рис 2.

Вектор скорости V_i потока нефти направлен под углом к направлению передачи зондирующего сигнала (ЗС). n – пьезоэлементы матрицы от 1 до 24 сканируют площади сечения от , ,…до .

Рис. 2 Схема направленности излучения

Принцип действия ИИС заключается в следующем.

На первом этапе ключ К1 замыкается и сигнал с генератора Г поступает на блок управления БУ, выходы которого подключены к ЭП1 с 24-мя электроакустическими элементами.

Блок управления БУ включает ЭП1 в режим передачи, а ЭП2 в режим приема на время, равное периоду следования импульсов t_по. На время t_пр ЭП1 в режим приема, а ЭП2 в режим передачи.

Матричный излучатель ЭП1 отправляет с 1, 3 элемента матрицы зондирующие сигналы по потоку нефти, пройдя сечение трубопровода они попадают на 1, 3 элементы матрицы ЭП2. Таймер Т1 определяет время прохождения этих импульсов по потоку нефти.

Потом матричный излучатель ЭП2 отправляет с 2, 4 элемента матрицы зондирующие сигналы против потока нефти, время следования которых определяется с помощью таймера Т2, данные сигналы принимаются соотетсвующими элементами матрицы ЭП1. Далее сигналы поступают в БОИ1, затем на ИУ1, где по разности скоростей по и против потока, определяется средняя скорость нефти.

Р и с.3 Временная диаграмма времени прохождения импульсов

Диаграмма, изображенная на рис.3, показывает разность времени прохождения импульсов по потоку и против потока нефти.

Общий объемный расход нефти определяется:

, (1)

где - объем нефти, - время прохождения импульсов.

Данная матричная ИИС определяет объем примесей, находящихся в составе нефти. Для этого посылаются импульсы с 5-го по 24 элемент матрицы ЭП1 на соответсвующие элементы ЭП2. Сигналы, которые встретили на своем пути примеси дойдут с меньшей амплитудой до элементов матрицы и будут учтенны в блоке обработки информации БОИ2, а среднее значение данных сигналов будет определяться в измерительном устройстве ИУ2. Среднее значение принятых сигналов за цикл измерения будут характеризовать объем, встреченных частиц на пути зондирующих сигналов.

После определения общего объема нефти, объема примесей и частиц, цикл измерения повторяется через заданный интервал времени, который устанавливается таймером Т3.

Объем чистой нефти определяется в контролере К, как разность между общим объемом и объемом примесей и частиц. С контролера К полученное значение чистого объема нефти выводится на средства отображения информации СОИ.

Предлагаемая матричная ИИС отличается от существующих, тем, что в ней используются неподвижные преобразователи с матрицей пьезоэлементов с помощью которых обеспечивается электронное сканирование всей площади сечения трубопровода за счет выбора угла наклона матрицы.

Таким образом, данная ИИС является многофункциональной и экономически эффективной, тем что она позволяет с помощью полного сканирования сечения трубопровода определить общий объем нефти, объем примесей и частиц, а так же объем чистой нефти.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества : Справочник №2 - 5- е изд.перераб. и доп. – Спб.: Политехника. 2004 – 412 с.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества вещества: Справочник №1 - 4е изд. – изд.перераб. и доп. – Спб.: Политехника 2002 - 416 с.