способ определения режима течения многофазного потока в трубопроводе

Формула изобретения

Способ определения режима течения многофазного потока в трубопроводе, включающий установку группы преобразователей на внешней поверхности трубопровода для прозвучивания перпендикулярно продольной оси трубопровода многофазного потока ультразвуковыми колебаниями при помощи групп преобразователей, фиксировании амплитуды и времени пробега прошедших и отраженных ультразвуковых сигналов, преобразование их в цифровую форму, сравнение полученных оцифрованных значений с имеющимися (предварительно полученными) эталонными значениями оцифрованных ультразвуковых сигналов, причем данные эталонные значения ультразвуковых сигналов соответствуют различным режимам течения многофазных потоков, определение по результатам сравнения режима течения многофазного потока, отличающийся тем, что перед началом прозвучивания потока производят сбор данных о температуре многофазного потока, давлении в трубопроводе и угле наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности для определения группы эталонных значений, устанавливают дополнительную группу преобразователей, которую располагают вдоль трубопровода снаружи на стенке трубопровода, при этом обе группы преобразователей одновременно принимают и фиксируют амплитуды и времена пробега прошедших и отраженных сигналов, преобразуют их в удобную для обработки цифровую форму и сравнивают с имеющимся набором предварительно полученных эталонных значений, соответствующих различным режимам течения многофазных потоков, и по результатам сравнения определяют режим течения многофазного потока.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения вида многофазного потока в трубопроводе в ходе его эксплуатации.

Известен способ контроля несплошностей жидкости в трубопроводе (А.с. 254865 СССР, МПК G01N 29/00, опубл. 1969. - Способ контроля несплошностей потока жидкости в трубопроводе), заключающийся в прозвучивании жидкости в плоскости, перпендикулярной продольной оси трубопровода, ультразвуковыми колебаниями, измерении амплитуд принятых сигналов, по которым определяют несплошности потока жидкости.

Недостатком способа является его малая информативность, низкая точность, т.к. поток прозвучивается только в одном направлении, не учитываются отраженные импульсы, а также не учитываются характеристики импульсов.

Известен способ контроля несплошностей потока (А.с. 1631401 СССР, МПК 5 G01N 29/00, опубл. 1991. - Способ контроля несплошностей потока жидкости в трубопроводе), заключающийся в том, что трубопровод с контролируемой средой прозвучивается ультразвуковыми импульсами в двух взаимно перпендикулярных направлениях, регистрируют прошедшие через среду импульсы, фиксируют их амплитуды, принимают также импульсы, отраженные от границы раздела фаз, измеряют их амплитуды и время пробега, и по полученным данным судят о концентрации газовой фазы и режиме течения потока.

Недостатком способа является его малая информативность, низкая точность и низкая степень автоматизации.

Известен способ контроля многофазного потока в трубопроводе (Пат. 2198397 7 G01N 29/02, опубл. 10.02.2003. - Способ контроля многофазного потока в трубопроводе), заключающийся в прозвучивании многофазного потока ультразвуковыми колебаниями, регистрируют прошедшие через поток сигналы и эхо-импульсы, отраженные от несплошностей многофазного потока, измеряют их амплитуды и времена прихода, по которым определяют характер многофазного потока. Известными признаками данного способа является то, что группу преобразователей располагают по окружности трубопровода в одной плоскости его сечения, одновременно принимают и фиксируют амплитуды и времена пробега прошедших и отраженных сигналов, преобразуют их в удобную для обработки цифровую форму и сравнивают с имеющимся во флэш-памяти микропроцессорного модуля набором цифровых эталонов, соответствующих различным многофазным потокам, и по результатам сравнения определяют характер многофазного потока.

Недостатком способа является его низкая точность, т.к. не учитываются многие, влияющие на определение режима течения в трубопроводе, параметры.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является повышение точности в определении режима течения жидкости в трубопроводе за счет учета дополнительных параметров, а также повышение информативности.

При осуществлении изобретения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в повышении точности и информативности при определении режима течения в трубопроводе за счет того, что учитываются дополнительные факторы, влияющие на характер многофазного потока (температура потока, давление в трубопроводе, угол наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности). Данные дополнительные факторы существенно влияют на режим течения многофазного потока в трубопроводе. Так, например, температура влияет на вязкость жидкости в трубопроводе, давление в трубопроводе влияет на качественный состав потока, а угол наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности влияет не только на режим течения в трубопроводе, но и на возможность изменения текущего режима течения. Без учета данных параметров, верное определение режима течения многофазного потока в трубопроводе было бы возможно лишь в определенных границах температуры потока, давления в трубопроводе и определенном угле наклона трубопровода. Учитывая данные параметры, помимо повышения точности в определении режима течения потока в трубопроводе, мы существенно расширяем границы применения данного способа контроля многофазного потока в трубопроводе.

Указанный технический результат достигается тем, что способ определения режима течения многофазного потока в трубопроводе включает установку группы преобразователей на внешней поверхности трубопровода для прозвучивания перпендикулярно продольной оси трубопровода многофазного потока ультразвуковыми колебаниями при помощи групп преобразователей, фиксировании амплитуды и времени пробега прошедших и отраженных ультразвуковых сигналов, преобразование их в цифровую форму, сравнение полученных оцифрованных значений с имеющимися (предварительно полученными) эталонными значениями оцифрованных ультразвуковых сигналов, причем данные эталонные значения ультразвуковых сигналов соответствуют различным режимам течения многофазных потоков, определение по результатам сравнения режима течения многофазного потока. Особенностью является то, что перед началом прозвучивания потока производят сбор данных о температуре многофазного потока, давлении в трубопроводе и угле наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности для определения группы эталонных значений, устанавливают дополнительную группу преобразователей, которую располагают вдоль трубопровода снаружи на стенке трубопровода, при этом обе группы преобразователей одновременно принимают и фиксируют амплитуды и времена пробега прошедших и отраженных сигналов, преобразуют их в удобную для обработки цифровую форму и сравнивают с имеющимся набором предварительно полученных эталонных значений, соответствующих различным режимам течения многофазных потоков, и по результатам сравнения определяют режим течения многофазного потока.

Эталонные значения определяются предварительно, причем условия, при которых происходит определение эталонных значений, должны быть максимально приближены к условиям функционирования трубопровода, в отношении которого будет использован данный способ.

Повышение точности также достигается за счет того, что в прозвучивании участвуют две группы преобразователей. Группу преобразователей составляют источник ультразвуковых колебаний, а также несколько приемников данного вида колебаний. Первая группа преобразователей прозвучивает поток перпендикулярно продольной оси трубопровода, а вторая группа преобразователей прозвучивает поток вдоль продольной оси трубопровода. Причем при продольном прозвучивании путь, пройденный ультразвуковой волной от излучателя до каждого приемника, всегда различен. Проходя более длинный путь, ультразвуковая волна затрачивает большее время, т.е. время влияния многофазного потока на ультразвуковую волну с увеличением пути увеличивается, таким образом приемник получит звуковую волну максимально измененную многофазным потоком, причем изменения ультразвуковой волны напрямую зависят от состава и режима течения многофазного потока. Исходя из этого, мы будем иметь более точную картину режима течения многофазного потока в трубопроводе.

На фиг.1 схематично представлена система для осуществления способа контроля многофазного потока в трубопроводе, которая содержит устройство для измерения температуры 1 потока, устройство для определения давления 2 внутри трубопровода и устройство для определения угла наклона 3 трубопровода относительно горизонтальной поверхности, вторая группа преобразователей 4 (прозвучивает многофазный поток вдоль продольной оси трубопровода), первая группа преобразователей 5 (прозвучивает поток перпендикулярно продольной оси трубопровода), направление прозвучивания 6 многофазного потока второй группой преобразователей, направление прозвучивания 7 многофазного потока первой группой преобразователей, направление движения 8 многофазного потока, центральная ось 9 трубопровода, трубопровод 10.

На фиг.2 представлена схема для осуществления способа контроля многофазного потока в трубопроводе, в состав которой входят два излучателя 11, 12 и два ряда приемников 13, 14. Излучатель 11 и ряд приемников 13 образуют первую группу преобразователей, которая прозвучивает многофазный поток перпендикулярно продольной оси трубопровода. Излучатель 12 и ряд приемников 14 образуют вторую группу преобразователей, которая прозвучивает поток вдоль продольной оси трубопровода. Излучатели 11, 12 и приемники 13, 14 расположены снаружи на стенках трубопровода 10. Выходы приемников 13 подключены к входам блока аналоговой памяти и таймеров 15, а выходы приемников 14 к входам блока аналоговой памяти и таймеров 16. Выходы блоков 15 и 16 соединены с входами коммутаторов 17 и 18 соответственно. Один из выходов коммутаторов 17 и 18 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 19, а другой к входу оперативной памяти (ОЗУ) 20. В составе системы имеется микропроцессорный модуль (ММ) 21, выходы которого соединены с входами блоков аналоговой памяти и таймеров 15 и 16, коммутаторов 17 и 18, аналого-цифрового преобразователя 19, оперативной памяти 20 и генератора ультразвукового сигнала (ГУС) 22.

Микропроцессорный модуль 21 управляет работой перечисленных элементов схемы фиг.2 и осуществляет обработку данных.

Способ контроля многофазного потока в трубопроводе 10 осуществляется следующим образом. Информация о температуре 1 потока, давления 2 внутри трубопровода 10 и определения угла наклона 3 трубопровода 10 относительно горизонтальной поверхности поступает на входы аналоговой памяти 16, где под управлением микропроцессорного модуля 21 происходит фиксация значений данных параметров для текущего цикла опроса приемников 13, 14. Причем при следующем цикле опроса приемников 13, 14, также первоначально происходит съем информации с устройств для измерения температуры 1 потока, давления 2 внутри трубопровода 10 и определения угла наклона 3 трубопровода 10 относительно горизонтальной поверхности. Далее при помощи коммутатора 18 происходит передача полученных аналоговых сигналов значений температуры потока, давления внутри трубопровода 10 и угла наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности на аналого-цифровой преобразователь 19 с целью преобразования их в пропорциональный цифровой код. После этого полученные цифровые коды поступают в оперативную память (ОЗУ) 20, где под управлением микропроцессорного модуля 21 происходит определение группы эталонных значений различных режимов многофазного потока для данной температуры потока, давления внутри трубопровода 10 и угла наклона трубопровода 10 относительно горизонтальной поверхности.

Затем генератор ультразвуковых сигналов 22 под управлением микропроцессорного модуля 21 генерирует электрические импульсы с частотой (1-2,5) МГц. Эти импульсы поступают на излучатели 11 и 12, которые формируют ультразвуковые колебания, распространяющиеся через стенки трубопровода 10 и контролируемую среду - многофазный поток. С помощью приемников 13 и 14 осуществляется прием ультразвуковых колебаний, прошедших через многофазный поток, которые подаются на входы аналоговой памяти 15 и 16 соответственно, где происходит фиксация максимальных амплитуд и времени приема сигналов по управляющим сигналам синхронизации с микропроцессорного модуля 21. Коммутаторы 17 и 18 позволяют последовательно опросить блоки аналоговой памяти - таймеров 15 и 16 с целью преобразования с помощью аналого-цифрового преобразователя 19 аналоговых сигналов в пропорциональный цифровой код, а также последовательно передать цифровые коды таймеров, пропорциональные временным задержкам принятых сигналов, в оперативную память (ОЗУ) 20.

Идентификация режима течения и его особенностей осуществляется микропроцессорным модулем 21 по программе, хранимой во флэш-памяти модуля. Исходя из того, что при сравнении одинаковых значений каких-либо величин они относятся как 1:1, определение режима течения предлагается при помощи следующей формулы:

N=( + )/2 ,

где N - коэффициент сходимости, - эталонное значение, - измеренное значение.

Причем, чем ближе коэффициент сходимости N к единице, тем режим течения исследуемого многофазного потока более близок к режиму течения потока, при котором был получен данный эталонный результат .

Эталонные значения для сравнения с измеренными берутся из определенной группы эталонных значений. Выбор группы эталонных значений осуществляется при помощи следующих параметров:

- температура потока;

- давление внутри трубопровода;

- угол наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности.

Измеренные значения определяются в процессе использования данного способа.

При идентификации руководствуются значениями амплитуд принятых звуковых импульсов как прошедших через контролируемую среду, так и отраженных от границы (границ) раздела фаз, а также значениями измеренных времен пробега этих сигналов.

Определение режима течения многофазного потока предлагается осуществлять по принципу «голосования». «Голосом» называется определение текущего режима течения многофазного потока в трубопроводе на основе данных, полученных от одного приемника, причем коэффициент сходимости N должен быть наиболее близок к единице. По данным от каждого из приемников 13 и 14 вышеописанным способом при помощи формулы каждый приемник «голосует» за тот или иной режим течения многофазного потока в трубопроводе 10. Далее определяют наиболее близкий режим течения многофазного потока, тот режим, который набрал большее число «голосов» принимается за текущий режим течения многофазного потока в трубопроводе (все «голоса» равнозначны и имеют одинаковый вес).

Эталонные значения параметров, установленные исследователями ранее эмпирически, отмечены в зависимости от режима многофазного потока (пузырькового, расслоенного, кольцевого, обращенно-кольцевого, снарядного), а также от исходных данных (температуры потока, давления в трубопроводе и угле наклона трубопровода относительно горизонтальной поверхности) и хранятся во флеш-памяти микропроцессорного модуля 21.

Способ может быть положен в основу долговременного мониторинга трубопровода. При помощи данного способа контроля многофазного потока в трубопроводе возможно построение системы, осуществляющей расчет прогнозируемой скорости внутренней коррозии трубопровода. На основе данного способа возможно проведение комплексной диагностики уже функционирующих трубопроводов, а также проведения работ по оптимизации функционирования трубопроводов. Способ может быть использован на этапах проектирования трубопроводов в качестве одного из критериев выбора наиболее эффективного режима работы трубопровода, а также при выборе трассы трубопровода на местности. Данный способ может быть использован в составе параметрического способа определения утечек трубопровода.