устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу

Формула изобретения

1. Устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, включающее трубку Пито с измерительным узлом, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено термоанемометром с измерительным узлом, устройством определения химического состава газового потока и блоком обработки информации, при этом измерительный узел трубки Пито выполнен в виде калориметрического расходомера, подсоединенного к блоку обработки информации, к которому также подключен измерительный узел термоанемометра, а устройство определения химического состава газового потока состоит из пробоотборника и анализатора химического состава газового потока, подсоединенного к блоку обработки информации.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока, выполнены отверстия для забора газа.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что отверстия для забора газа расположены вдоль образующей боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анализатор химического состава газового потока выполнен в виде квадрупольного масс-спектрометра.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анализатор химического состава газового потока выполнен в виде хроматографа.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анализатор химического состава газового потока выполнен в виде инфракрасного спектрометра.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к расходометрии и может быть использовано для измерения расхода газовых потоков в трубопроводах, содержащих капельную фазу.

Одной из проблем расходометрии при измерении расходов газовых потоков, например, в нефтедобыче и/или нефтепереработке по определению скорости потока с применением термоанемометров или трубок Пито является тот факт, что наличие капельной фазы (жидкой фазы в виде совокупности капель малого размера) искажает результаты измерений. В то же время капельная фаза является компонентом, часто присутствующим в потоке газа на нефтеперерабатывающих предприятиях.

Известно устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, по патенту США № 4545260, МПК 4 G01F 1/46, 1985 г., основанное на использовании трубки Пито и специальных средств, исключающих влияние капельной фазы на процесс измерения расхода потока газа. Недостатком указанного устройства является отсутствие возможности получения качественной и количественной информации о капельной фазе, в частности о ее расходе.

В качестве ближайшего аналога выбрано устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, по патенту США № 4320665, МПК 3 G01F 1/46, 1982 г. Указанное устройство включает трубку Пито, измеряющую дифференциальное давление - разность между динамическим и статическим давлением среды в трубопроводе. Кроме того, каждый канал трубки Пито снабжен ультразвуковым (УЗ) приемопередатчиком для генерации УЗ-волн, распространяющихся в каналах трубки Пито, и для приема отраженных от возмущений среды УЗ-волн. Приемопередатчики УЗ-волн связаны с дифференциальным датчиком давления и измерительным блоком.

Для определения фазового состояния потока и, соответственно, для повышения точности определения его расхода поток газа, содержащий капельную фазу, зондируется УЗ-волнами. При этом используется эффект различного отражения ультразвуковой волны от среды на торцах трубки Пито в зависимости от того, будет ли поток представлять собой однородную газовую среду или будет содержать дополнительную компоненту - капельную фазу. При присутствии в потоке двух различных фаз возникает граница раздела фаз, на которой и происходит отражение УЗ-волн.

Недостатком устройства, выбранного в качестве ближайшего аналога, является невысокая точность определения расхода газового потока и сложность количественного определения капельной фазы.

Указанные недостатки объясняется, в первую очередь, трудностью формирования в металлическом канале трубки Пито (реальный диаметр которой составляет в большинстве случаев 3-5 мм) направленной ультразвуковой волны, достаточной для измерения мощности из-за большого коэффициента поглощения УЗ-волны стенками канала, и практической невозможностью интерпретации выходного сигнала УЗ-преобразователя, позволяющей осуществить количественный анализ капельной компоненты газового потока.

Кроме того, в указанном устройстве высока вероятность блокирования входного отверстия трубки Пито частицами капельной фазы, что приводит, как следствие, к невозможности дальнейшего измерения расхода потока.

Задача, решаемая изобретением, - создание устройства, позволяющего с высокой точностью определять расход газового потока, содержащего капельную фазу, и количественно измерять содержание капельной фазы.

Указанная задача решается тем, что устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, включающее трубку Пито с измерительным узлом, дополнительно снабжено термоанемометром с измерительным узлом, устройством определения химического состава газового потока и блоком обработки информации, при этом измерительный узел трубки Пито выполнен в виде калориметрического расходомера, подсоединенного к блоку обработки информации, к которому также подключен измерительный узел термоанемометра, а устройство определения химического состава газового потока состоит из пробоотборника и анализатора химического состава газового потока, подсоединенного к блоку обработки информации.

В варианте технического решения на боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока, выполнены отверстия для забора газа.

В варианте технического решения отверстия для забора газа расположены вдоль образующей боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока.

В варианте технического решения анализатор химического состава газового потока выполнен в виде квадрупольного масс-спектрометра.

В варианте технического решения анализатор химического состава газового потока выполнен в виде хроматографа.

В варианте технического решения анализатор химического состава газового потока выполнен в виде инфракрасного спектрометра.

Сущность заявляемого технического решения состоит в использовании для измерения расхода газового потока, содержащего капельную фазу, трубки Пито для измерения расхода основной компоненты потока - газа, но без учета потенциального содержания дополнительной компоненты - капельной фазы, термоанемометра для измерения суммарного расхода потока - газа вместе с капельной фазой, при этом выходной сигнал термоанемометра несет качественную информацию о присутствии в потоке капельной фазы, и средств определения химического состава потока. Комбинация этих трех измерительных средств позволяет определить величину расхода, соответствующую присутствию в основном потоке газа дополнительной компоненты - капельной фазы.

Изобретение иллюстрируется чертежом.

На фиг.1 схематически изображено заявляемое устройство.

Устройство для измерения расхода газовых потоков, содержащих капельную фазу, включает трубку Пито 1 с измерительным узлом 2, термоанемометр, состоящий из первичного датчика 3 и измерительного узла 4, устройство определения химического состава газового потока, состоящее из пробоотборника 5 и анализатора химического состава газового потока 6, и блок обработки информации 7. Трубка Пито 1, датчик 3 и пробоотборник 5 размещены в трубопроводе 8, по которому проходит газовый поток. Измерительные узлы 2 и 4 и анализатор 6 связаны с блоком обработки информации 7.

На боковой поверхности рабочей стороны трубки Пито, обращенной против течения потока, вдоль ее образующей, выполнены отверстия 9 для забора газа. Такое конструктивное решение, в противоположность стандартному подходу, когда забор газа из трубопровода производится через торец трубки Пито и не исключена вероятность закупорки торца трубки Пито кластерами капельной фазы, обеспечивает поступление газа к измерительному узлу 2 трубки Пито даже при наличии в газовом потоке достаточно крупных по размеру кластеров капельной фазы.

Измерительный узел 2 трубки Пито выполнен в виде калориметрического расходомера. Расходомер такого типа (см., например, патент США № 3443434, НКИ 73-202, 1969 г.; патент США № 3613448, НКИ 73-205R, 1971 г.) содержит секцию 10, выполненную в виде трубы из электро- и теплопроводящего материала (металла) и соединенную с рабочими сторонами трубки Пито, обращенными против течения потока и по течению потока. На концах секции, с внешней ее стороны расположены по ходу потока проходящего через секцию 10 газа терморезисторы 11 и 12, а в центральной части секции размещен - также с внешней стороны секции 10 - нагреватель 13, при этом нагреватель 13 может быть размещен точно в середине расстояния между терморезисторами 11 и 12 или несколько смещен в сторону терморезистора 11.

Терморезисторы 11 и 12 включены в два плеча мостовой схемы 14 калориметрического расходомера, в другие плечи которой включены образцовые сопротивления. В диагональ мостовой схемы 14 включен токоизмерительный прибор.

Первичный датчик 3 термоанемометра содержит активный элемент (нагреваемый терморезистор) 15 и пассивный элемент (не нагреваемый терморезистор) 16, которые размещены в корпусах и находятся в трубопроводе. Выводы терморезисторов 15 и 16 подключены к измерительному узлу 4, представляющему собой мостовую схему. Терморезисторы 15 и 16 включены в два плеча мостовой схемы, в другие плечи которой включены образцовые сопротивления. В диагональ мостовой схемы включен токоизмерительный прибор.

Пробоотборник, входящий в состав устройства определения химического состава газового потока, размещается в трубопроводе 8.

Анализатор химического состава газового потока 6 может быть выполнен, например, в виде квадрупольного масс-спектрометра, хроматографа или инфракрасного спектрометра.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Проходящий по трубопроводу 8 поток газа через отверстия 9 поступает на рабочую сторону трубки Пито и далее - в секцию 10 калориметрического расходомера. Капли жидкости, находящиеся в потоке газа (капельная фаза), ввиду малых размеров не попадают в каналы трубки Пито.

Терморезистор 11 регистрирует T₁ - температуру потока на входе в секцию 10. Далее проходящий по секции 10 поток нагревается нагревателем 13 и терморезистор 12 фиксирует Т₂ - температуру потока на выходе из секции 10, причем Т₂ > T₁ . Соответственно, токоизмерительный прибор в диагонали мостовой схемы 14 покажет увеличение сигнала на некоторую величину I (либо от нуля до некоторого значения I₁ - при расположении нагревателя 13 точно в центре секции 10 и балансе мостовой схемы, либо от некоторой величины I₂ до I ₃ - при смещении нагревателя 13 в сторону входа секции и, соответственно, разбалансе мостовой схемы 14). Величина I пропорциональная разности температур (Т₂-T ₁), которая является мерой скорости (и соответственно) расхода потока. В блоке обработки информации 7 по поступающим с мостовой схемы 14 данным рассчитывается расход потока газа (без учета капельной фазы), измеряемого калориметрическим расходомером при помощи трубки Пито.

Одновременно пробоотборник 6 отбирает из потока газа пробу и передает ее в анализатор 6, который определяет химический состав потока газа. Из анализатора 6 информация передается в блок 7.

Термоанемометр измеряет суммарный расход потока, проходящего по трубопроводу 8. Принцип определения расхода основан на измерении скорости потока по зависимости между скоростью потока и теплоотдачей нагреваемого электрическим током терморезистора. Сопротивление нагретого терморезистора в процессе теплообмена с набегающим потоком изменяется, сопротивление не нагреваемого терморезистора остается постоянным. Мостовая схема 4 термоанемометра балансируется при скорости потока, равной нулю. Включенный в диагональ мостовой схемы токоизмерительный прибор фиксирует сигнал, являющийся мерой скорости суммарного потока.

Следует отметить, что теплопроводность жидкости (капельной фазы) значительно превышает теплопроводность газа и выходной сигнал термоанемометра вследствие этого не несет непосредственной информации о расходе суммарного потока в трубопроводе (газа и капельной фазы). Поэтому для корректного вычисления расхода суммарного потока и определения содержания в нем капельной фазы необходимо определить химический состав потока. С этой целью в блок обработки информации 7 поступают данные о расходе потока газа (без учета капельной фазы), измеренные с помощью калориметрического расходомера, значение выходного сигнала термоанемометра и данные о химическом составе потока, определенные с помощью анализатора 6.

В блоке 7 из величины выходного сигнала термоанемометра, пропорциональной нескорректированому суммарному расходу потока газа в трубопроводе, вычитается величина выходного сигнала калориметрического расходомера. Наличие разностного сигнала дает качественную информацию, свидетельствуя о присутствии в трубопроводе капельной фазы. Далее блок 7 с учетом информации о химическом составе среды в трубопроводе корректирует разностный сигнал и с высокой степенью точности рассчитывает расход потока газа и количественное содержание в газовом потоке капельной фазы.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет при достаточно простой реализации с высокой степенью точности определить расход газового потока и содержание в нем капельной фазы.