RU2825982C1

RU2825982C1 - Multiphase flow meter

Info

Publication number: RU2825982C1
Application number: RU2024113189A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Валерьевич Артамонов; Сергей Леонидович Баранов; Олег Викторович Коляда; Александр Фёдорович Павлов; Алексей Викторович Чуклеев
Original assignee: Акционерное общество "Инженерно-производственная фирма "Сибнефтеавтоматика"
Filing date: 2024-05-16
Publication date: 2024-09-02

Abstract

FIELD: measuring.

SUBSTANCE: invention relates to measurement equipment, in particular to flow meters of multiphase flows without preliminary separation. Flow meter of multiphase flows includes restricting device 1, which includes inlet confuser 2, neck 3 in the form of a flow slot with a cross-section in the form of an ellipse, as well as outlet diffuser 4. In neck 3 along the narrow radius of the ellipse opposite each other there are optically transparent windows 5, opposite to which NIR radiation source 6 and NIR radiation receiver 7 connected to signal converter 8 are arranged, wherein NIR radiation source 6 is an array of infrared light-emitting diodes for different wavelengths λ in the range from the wavelength of maximum oil absorption to the wavelength of maximum water absorption, and NIR radiation receiver 7 is made in the form of a wideband dual photodiode, wherein the LEDs in the matrix of the NIR radiation source and the broadband dual photodiode in the NIR radiation receiver are mounted on Peltier modules placed on heat-removing element 10. Pressure take-off at the inlet of the restricting device is located before inlet confuser 2 by means of pressure take-off chamber 11, the outlet pressure take-off inside neck 3 is located directly behind optical windows 5 in the direction of the multiphase flow.

EFFECT: increased accuracy of measurement of amount of gas, liquid hydrocarbons (oil, oil products, gas condensate, natural gas liquids) and water contained in oil products mutually immiscible with water, gas condensate and free oil or natural gases of well products.

4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к расходомерам многофазных потоков без предварительной сепарации, и может быть использовано в информационно-измерительных системах нефтедобывающей, нефтеперерабатывающей промышленности, для определения количества газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды, содержащихся во взаимно несмешивающихся с водой нефтепродуктах, газовом конденсате и свободном нефтяном или природном газах.The invention relates to the field of measurement technology, in particular to flow meters for multiphase flows without preliminary separation, and can be used in information and measurement systems in the oil producing and oil refining industries to determine the amount of gas, liquid hydrocarbons (oil, petroleum products, gas condensate, NGL) and water contained in mutually immiscible petroleum products, gas condensate and free petroleum or natural gases.

Для определения компонентного состава смеси чаще всего используется метод рентгеновской или гамма-денситометрии. Принцип работы таких устройств основывается на разнице коэффициентов поглощения фотонов рентгеновского спектра излучения различной энергии веществами, входящими в состав исследуемой смеси.To determine the component composition of a mixture, the X-ray or gamma-densitometry method is most often used. The operating principle of such devices is based on the difference in the absorption coefficients of X-ray photons of different energies by substances included in the mixture being studied.

Известен многофазный рентгеновский расходомер (МФР), содержащий источник излучения, детектор остаточного излучения, сконфигурированное для приема фотонов от многофазного потока с учетом текущего времени измерения, чтобы формировать изображение потока в проточной части расходомера для его последующей интерпретации с вычислением количественного содержания компонент многофазного потока в указанный момент времени (патент RU № 2533758, кл. G01F 1/704, опубл. 20.11.2014).A multiphase X-ray flowmeter (MPXF) is known, comprising a radiation source, a residual radiation detector, configured to receive photons from a multiphase flow taking into account the current measurement time, in order to form an image of the flow in the flow part of the flowmeter for its subsequent interpretation with the calculation of the quantitative content of the components of the multiphase flow at a specified point in time (patent RU No. 2533758, class G01F 1/704, published 20.11.2014).

Известен многофазный рентгеновский расходомер (патент RU № 2565346, кл. G01F 1/708, опубл. 20.10.2015) с аналогичным принципом измерения и многие другие. При этом принцип измерения, детектирования отдельных компонент многофазного потока производится на корреляционных зависимостях уровней поглощения отдельных компонент многофазного потока в зависимости от уровня излучения источника.A multiphase X-ray flowmeter is known (patent RU No. 2565346, class G01F 1/708, published 20.10.2015) with a similar measurement principle and many others. In this case, the principle of measurement, detection of individual components of a multiphase flow is carried out on the correlation dependencies of the absorption levels of individual components of a multiphase flow depending on the radiation level of the source.

В последнее время наблюдается тенденция на совершенствование системы детектирования рентгеновского излучения путем применения специальных фильтров, отдельных матричных систем детектирования и других нововведений.Recently, there has been a trend towards improving the X-ray detection system by using special filters, separate matrix detection systems and other innovations.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является многофазный расходомер, представляющий собой трубку Вентури с конфузором, горловиной и диффузором, содержащий датчики температуры и датчики давления, источник излучения и детектор излучения, установленные напротив двух друг друга в двух рентгенопрозрачных окнах, выполненных в стенке горловины трубки Вентури. В стенке горловины в этой же плоскости сечения выполнено дополнительное рентгенопрозрачное окно, расположенное под углом 90° к оси между источником излучения и детектором излучения, в котором установлен дополнительный детектор излучения, а на входе конфузора последовательно установлены блоки измерения доли воды и доли метанола, включающие СВЧ-излучатель и детектор СВЧ-излучения. Датчики давления установлены на входе в конфузор и горловине, а датчики температуры установлены на входе в конфузор и выходе из диффузора. (Патент 2789623, опубл. 06.02.2023 г.).The closest to the proposed technical solution is a multiphase flow meter, which is a Venturi tube with a confuser, a neck and a diffuser, containing temperature sensors and pressure sensors, a radiation source and a radiation detector, installed opposite each other in two X-ray transparent windows made in the wall of the Venturi tube neck. In the wall of the neck in the same cross-sectional plane, an additional X-ray transparent window is made, located at an angle of 90° to the axis between the radiation source and the radiation detector, in which an additional radiation detector is installed, and at the inlet of the confuser, units for measuring the proportion of water and the proportion of methanol are sequentially installed, including a microwave emitter and a microwave radiation detector. Pressure sensors are installed at the inlet to the confuser and the neck, and temperature sensors are installed at the inlet to the confuser and the outlet from the diffuser. (Patent 2789623, published 06.02.2023).

В известном расходомере для определения фазового состава смеси используется метод рентгеновской денситометрии. Принцип работы основывается на разнице в коэффициентах поглощения фотонов рентгеновского спектра излучения различной энергии веществами, входящими в состав исследуемой смеси. Известное устройство позволяет повысить точность определения параметров многофазного потока флюида в различных трубопроводных системах. Вместе с тем, данное устройство имеет следующие недостатки.The known flow meter uses the X-ray densitometry method to determine the phase composition of the mixture. The operating principle is based on the difference in the absorption coefficients of X-ray photons of different energies by substances included in the mixture under study. The known device allows for increasing the accuracy of determining the parameters of a multiphase fluid flow in various pipeline systems. However, this device has the following disadvantages.

Так, в известном устройстве используется труба Вентури, горловина которой имеет круглое сечение. Для однофазных стационарных потоков данное техническое устройство обеспечивает высокую точность измерений при высоких числах Рейнольдса Re>5⋅10⁵. Известно, что в данном диапазоне чисел Рейнольдса коэффициент истечения остается практически неизменным и равен С≈1±1%. Ситуация значительно изменяется в случае измерения данным устройством многофазного потока. За счет применения специальных устройств подготовки потока, такие потоки могут иметь только квазигомогенное течение, как наиболее близкое к стационарному течению. При прохождении сужения трубы Вентури, возникают процессы, приводящие к изменению типа течения потока, вплоть до снарядного типа течения. Соответственно числа Рейнольдса на этом участке трубы Вентури принимают более широкий диапазон при низких скоростях потока 1⋅10⁴<Re<5⋅10⁵. Таким образом в процессе измерений происходит постоянное изменение коэффициента истечения. Причем диапазон изменения коэффициента истечения уже может достигать значений δ_c±25%. В связи с этим обстоятельством каждый из таких приборов проходит отдельные экспериментальные процедуры настройки для разных расходов, составов смесей, скоростей на проливном стенде. Следует отметить, что и такие процедуры настройки не обеспечивают достаточной точности измерений на реальных многофазных потоках, при постоянно изменяющихся значениях вязкости и скорости нефтегазоводяного потока.Thus, the known device uses a Venturi tube, the neck of which has a circular cross-section. For single-phase stationary flows, this technical device ensures high measurement accuracy at high Reynolds numbers Re>5⋅10 ⁵ . It is known that in this range of Reynolds numbers, the outflow coefficient remains virtually unchanged and is equal to C≈1±1%. The situation changes significantly in the case of measuring a multiphase flow with this device. Due to the use of special flow preparation devices, such flows can have only a quasi-homogeneous flow, as the closest to a stationary flow. When passing a narrowing of the Venturi tube, processes occur that lead to a change in the flow type, up to a slug flow type. Accordingly, the Reynolds numbers in this section of the Venturi tube take a wider range at low flow rates 1⋅10 ⁴ <Re<5⋅10 ⁵ . Thus, during the measurement process, a constant change in the outflow coefficient occurs. Moreover, the range of variation of the flow coefficient can already reach values of δ _c ±25%. In connection with this circumstance, each of such devices undergoes separate experimental adjustment procedures for different flow rates, mixture compositions, and velocities on the flow stand. It should be noted that such adjustment procedures do not provide sufficient measurement accuracy on real multiphase flows, with constantly changing values of viscosity and velocity of the oil-gas-water flow.

Также в известном устройстве используется метод рентгеновской денситометрии, который несмотря на проведенные усовершенствования за счет применения дополнительных измерений, при которых выполняется детектирование уровня рассеяния отраженных под углом 90° гамма-квантов, имеет существенные недостатки, такие как:The known device also uses the X-ray densitometry method, which, despite the improvements made through the use of additional measurements, which detect the level of scattering of gamma quanta reflected at an angle of 90°, has significant disadvantages, such as:

- низкая точность определения жидкой фракции при больших значениях газовой фракции (GVF);- low accuracy of liquid fraction determination at high values of gas fraction (GVF);

- высокая чувствительность к изменениям состава флюида, требующим остановки процесса измерений и перенастройки МФР;- high sensitivity to changes in fluid composition, requiring stopping the measurement process and reconfiguring the MFR;

- высокая стоимость обеспечения радиационной безопасности, транспортировки и эксплуатации источника гамма-излучения.- high cost of ensuring radiation safety, transportation and operation of the gamma radiation source.

Задачей заявленного технического решения является повышение точности измерения количества отдельных фаз многофазного газожидкостного потока за счет обеспечения постоянства коэффициента истечения измеряемого потока в широком диапазоне чисел Рейнольдса 2⋅10³<Re<1⋅10⁷ и проведения измерений посредством спектрального анализа измеряемого потока, основанного на принципе абсорбционной спектроскопии в ближней части инфракрасного диапазона.The objective of the claimed technical solution is to increase the accuracy of measuring the number of individual phases of a multiphase gas-liquid flow by ensuring the constancy of the flow coefficient of the measured flow in a wide range of Reynolds numbers 2⋅10 ³ <Re<1⋅10 ⁷ and carrying out measurements by means of spectral analysis of the measured flow based on the principle of absorption spectroscopy in the near infrared range.

Технический результат достигается тем, что в расходомере многофазных потоков, представляющим собой трубу с сужающим устройством, включающим входной конфузор, горловину и выходной диффузор, и содержащем источник излучения и приемник излучения, установленные напротив друг друга в выполненных в стенке горловины окнах, а также датчик температуры, датчики перепада давления и датчик выходного давления, горловина сужающего устройства выполнена с сечением в виде эллипса с расположением его меньшего диаметра перпендикулярно продольной оси трубы, а окна выполнены в виде оптически прозрачных окон, расположенных по меньшему радиусу эллипса горловины, при этом источник излучения представляет собой источник ближнего инфракрасного (далее - БИК) излучения, а приемник излучения представляет собой приемник БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала и выполненный в виде матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, представляющие собой четыре последовательно соединенных светодиода, а каждому промежуточному значению длины волны соответствует один светодиод, при этом приемник БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода, а светодиоды в матрице источника БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике БИК излучения установлены на модули Пельтье, размещенные на теплоотводящем элементе, при этом датчик перепада давления соединен с камерой отбора входного давления, расположенной перед конфузором, и камерой отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами по ходу движения многофазного потока.The technical result is achieved in that in a multiphase flow meter, which is a pipe with a narrowing device including an input confuser, a neck and an output diffuser, and containing a radiation source and a radiation receiver installed opposite each other in windows made in the wall of the neck, as well as a temperature sensor, differential pressure sensors and an output pressure sensor, the neck of the narrowing device is made with a cross-section in the form of an ellipse with the location of its smaller diameter perpendicular to the longitudinal axis of the pipe, and the windows are made in the form of optically transparent windows located along the smaller radius of the neck ellipse, wherein the radiation source is a source of near infrared (hereinafter referred to as NIR) radiation, and the radiation receiver is a NIR radiation receiver connected to a signal converter and made in the form of a matrix of infrared light-emitting diodes for different values of wavelength λ in the range from the wavelength of maximum oil absorption to the wavelength of maximum water absorption, wherein the wavelength of maximum oil absorption and the wavelength of maximum absorption of water in the matrix corresponds to assemblies of light-emitting diodes, which are four series-connected light-emitting diodes, and each intermediate value of the wavelength corresponds to one light-emitting diode, while the NIR radiation receiver is made in the form of a broadband dual photodiode, and the light-emitting diodes in the matrix of the NIR radiation source and the broadband dual photodiode in the NIR radiation receiver are installed on Peltier modules placed on the heat-removing element, while the differential pressure sensor is connected to the input pressure sampling chamber located in front of the confuser, and the output pressure sampling chamber located directly behind the optically transparent windows along the direction of movement of the multiphase flow.

Кроме того, матрица инфракрасных светодиодов включает в себя 12 светодиодов, соответствующих следующим длинам волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм, при этом на элементах Пельтье установлены термисторы, горловина выполнена с длиной меньшего диаметра эллипса, не превышающей 0,5 длины его большего диаметра, а первичный преобразователь выполнен с возможностью измерений с частотой не менее 100 полных циклов измерений в секунду и вычислением конечных величин количественных и качественных показателей газожидкостного многофазного потока.In addition, the matrix of infrared LEDs includes 12 LEDs corresponding to the following wavelengths λ _1-4 = 1.07 μm; λ ₅ = 1.34 μm; λ ₆ = 1.46 μm; λ ₇ = 1.63 μm; λ ₈ = 1.75 μm; λ _9-12 = 1.94 μm, while thermistors are installed on the Peltier elements, the neck is made with a length of a smaller diameter of the ellipse, not exceeding 0.5 of the length of its larger diameter, and the primary converter is designed with the possibility of measurements with a frequency of at least 100 complete measurement cycles per second and calculation of the final values of quantitative and qualitative indicators of the gas-liquid multiphase flow.

Выполнение горловины сужающего устройства с сечением в виде эллипса обеспечивает постоянство коэффициента истечения измеряемого потока в широком диапазоне чисел Рейнольдса 2⋅10³<Re<1⋅10⁷ (стабильность физического процесса протекания многофазной среды), что повышает точность измерений вне зависимости от режима течения газожидкостного многофазного потока и от количества газа в потоке GVF (отношение объемного расхода газа к объемному расходу суммарного потока газа и жидкости).The implementation of the throat of the narrowing device with a cross-section in the form of an ellipse ensures the constancy of the flow coefficient of the measured flow in a wide range of Reynolds numbers 2⋅10 ³ <Re<1⋅10 ⁷ (stability of the physical process of the flow of a multiphase medium), which increases the accuracy of measurements regardless of the flow mode of the gas-liquid multiphase flow and the amount of gas in the GVF flow (the ratio of the volumetric flow rate of gas to the volumetric flow rate of the total flow of gas and liquid).

Расположение оптически прозрачных окон в проточной щели по меньшему диаметру эллиптического сечения горловины, обеспечивает точное измерение объемного содержания отдельных компонент многофазного потока, поскольку на данном участке возникает полная квазигомогенная концентрация всех составляющих потока в текущий момент времени.The arrangement of optically transparent windows in the flow slit along the smaller diameter of the elliptical cross-section of the neck ensures accurate measurement of the volumetric content of individual components of the multiphase flow, since a complete quasi-homogeneous concentration of all components of the flow occurs in this section at the current moment in time.

Использование в качестве устройства, измеряющего состав протекающей среды, ИК-спектрометра повышает точность измерения плотности и вязкости протекающей среды, необходимых для вычисления расхода измеряемой среды.The use of an IR spectrometer as a device for measuring the composition of a flowing medium increases the accuracy of measuring the density and viscosity of the flowing medium, which are necessary for calculating the flow rate of the measured medium.

Использование в качестве источника БИК излучения объединенных в матрицу инфракрасных светодиодов позволяет обеспечить последовательное кратковременное включение этих светодиодов в работу, что повышает точность измерений и увеличивает ресурс работы источника излучения.The use of infrared LEDs combined into a matrix as a source of NIR radiation allows for the sequential short-term switching of these LEDs into operation, which increases the accuracy of measurements and increases the service life of the radiation source.

Выполнение в матрице для длины волны максимального поглощения нефти и длины волны максимального поглощения воды связок светодиодов, состоящих из четырех последовательно соединенных светодиодов, позволяет увеличить мощность источников БИК излучения для данных длин волн, что обеспечивает выполнение измерений вне зависимости от влияния оптической плотности смеси и позволяет производить высокоточные измерения во всем диапазоне влагосодержания газожидкостной смеси 0-100%.The implementation in the matrix for the wavelength of maximum oil absorption and the wavelength of maximum water absorption of LED bundles consisting of four LEDs connected in series makes it possible to increase the power of NIR radiation sources for these wavelengths, which ensures that measurements are performed regardless of the influence of the optical density of the mixture and makes it possible to perform highly accurate measurements in the entire range of moisture content of the gas-liquid mixture 0-100%.

Размещение светодиодов матрицы и сдвоенного фотодиода на элементах Пельтье обеспечивает стабилизацию температуры на поверхности светодиодов.The placement of matrix LEDs and a dual photodiode on Peltier elements ensures temperature stabilization on the surface of the LEDs.

Выполнение матрицы инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды в ближней инфракрасной области позволяет обеспечить измерения в максимально возможном диапазоне длин волн.The implementation of an infrared LED matrix for different wavelength values λ in the range from the wavelength of maximum oil absorption to the wavelength of maximum water absorption in the near infrared region allows for measurements in the widest possible range of wavelengths.

Размещение на элементах Пельтье термисторов позволяет контролировать и регулировать температуру поверхности источника и приемника БИК излучения. Поддержание температуры на одном уровне (от 20 до 30°С) обеспечивает стабильность измерений вне зависимости от температуры измеряемой среды в диапазоне температур от минус -40 до плюс +95°С и увеличивает срок службы многофазного расходомера.The placement of thermistors on the Peltier elements allows monitoring and adjusting the surface temperature of the NIR radiation source and receiver. Maintaining the temperature at one level (from 20 to 30°C) ensures measurement stability regardless of the temperature of the measured medium in the temperature range from minus -40 to plus +95°C and increases the service life of the multiphase flow meter.

Включение в матрицу инфракрасных светодиодов с различными длинами волн λ_1-4=1,07 мкм; λ₅=1,34 мкм; λ₆=1,46 мкм; λ₇=1,63 мкм; λ₈=1,75 мкм; λ_9-12=1,94 мкм позволяет проводить измерения в широком диапазоне длин волн. Измерение спектра поглощения на длинах волн λ=1,07 мкм; λ=1,34 мкм обеспечивает точное вычисление количества нефтяной фракции вне зависимости от типа нефтепродукта по признаку темные-светлые нефтепродукты. Измерение спектра поглощения на длине волны λ=1,94 мкм обеспечивает точное вычисление количества воды. Промежуточные измерения спектра поглощения на длинах волн λ=1,46 мкм; λ=1,63 мкм; λ=1,75 мкм обеспечивают выполнение корректировки измеренных параметров в зависимости от уровня преломления и отражения первичных сигналов БИК излучения, а также вычисление количества газа.The inclusion of infrared LEDs with different wavelengths λ _1-4 = 1.07 μm; λ ₅ = 1.34 μm; λ ₆ = 1.46 μm; λ ₇ = 1.63 μm; λ ₈ = 1.75 μm; λ _9-12 = 1.94 μm into the matrix allows for measurements in a wide range of wavelengths. Measuring the absorption spectrum at wavelengths λ = 1.07 μm; λ = 1.34 μm provides accurate calculation of the amount of oil fraction regardless of the type of oil product according to the dark-light oil product criterion. Measuring the absorption spectrum at wavelength λ = 1.94 μm provides accurate calculation of the amount of water. Intermediate measurements of the absorption spectrum at wavelengths λ = 1.46 μm; λ = 1.63 μm; λ=1.75 µm ensures the correction of measured parameters depending on the level of refraction and reflection of primary NIR radiation signals, as well as the calculation of the amount of gas.

Соединение датчика перепада давления с камерой отбора входного давления, расположенной перед конфузором, и камерой отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами по ходу движения многофазного потока, обеспечивает измерение перепада давления потока измеряемой среды между входным конфузором и горловиной сужающего устройства, что вместе с измерением выходного давления и температуры измеряемой среды является необходимой мерой определения количественного содержания фаз газожидкостного многофазного потока и их расхода в текущий момент времени, которые сопоставляются с измеренными параметрами оптического поглощения БИК излучения первичным преобразователем сигналов. При этом первичный преобразователь обеспечивает измерения с частотой не менее 100 полных циклов измерений в секунду, с вычислением конечных величин количественных и качественных показателей газожидкостного многофазного потока, что повышает точность измерений.The connection of the differential pressure sensor with the input pressure sampling chamber located before the confuser and the output pressure sampling chamber located directly behind the optically transparent windows along the multiphase flow ensures the measurement of the differential pressure of the measured medium flow between the input confuser and the throat of the narrowing device, which together with the measurement of the output pressure and temperature of the measured medium is a necessary measure for determining the quantitative content of the phases of the gas-liquid multiphase flow and their flow rate at the current moment in time, which are compared with the measured parameters of the optical absorption of NIR radiation by the primary signal converter. In this case, the primary converter ensures measurements with a frequency of at least 100 complete measurement cycles per second, with the calculation of the final values of the quantitative and qualitative indicators of the gas-liquid multiphase flow, which increases the accuracy of the measurements.

Изобретение поясняется графически, гдеThe invention is explained graphically, where

- на фиг. 1 представлен предлагаемый расходомер многофазных потоков,- Fig. 1 shows the proposed multiphase flow meter,

- на фиг. 2 представлен поперечный разрез расходомера,- Fig. 2 shows a cross-section of the flow meter,

- на фиг. 3 - место «А» фиг. 2,- in Fig. 3 - place "A" of Fig. 2,

- на фиг. 4 представлен общий вид расходомера в проекции ³/₄,- Fig. 4 shows a general view of the flow meter in ^3/4 _projection ,

- на фиг. 5 представлен общий вид многофазного расходомера, установленного на трубопровод.- Fig. 5 shows a general view of a multiphase flow meter installed on a pipeline.

Расходомер многофазных потоков содержит сужающее устройство 1, включающее в себя входной конфузор 2, горловину 3, выполненную в виде проточной щели с сечением в виде эллипса, и выходной диффузор 4. Меньший диаметр эллипса проточной щели преимущественно не превышает 0,5 длины его большего диаметра. В горловине 3 по узкому радиусу эллипса напротив друг друга выполнены оптически прозрачные окна 5. С противоположных сторон горловины 3 напротив оптически прозрачных окон 5 размещены источник 6 ближнего инфракрасного (далее - БИК) излучения и приемник 7 БИК излучения, соединенный с преобразователем сигнала 8. Источник 6 БИК излучения представляет собой матрицу инфракрасных светодиодов для различных значений длины волны λ в диапазоне от длины волны максимального поглощения нефти до длины волны максимального поглощения воды, причем длине волны максимального поглощения нефти и длине волны максимального поглощения воды в матрице соответствуют сборки светодиодов, представляющие собой четыре последовательно соединенных светодиода, а каждому промежуточному значению длины волны соответствует один светодиод. Приемник 7 БИК излучения выполнен в виде широкополосного сдвоенного фотодиода. Светодиоды в матрице источника 6 БИК излучения и широкополосный сдвоенный фотодиод в приемнике 7 БИК излучения установлены на модули Пельтье 9, размещенные на теплоотводящем элементе 10. Отбор давления на входе сужающего устройства 1 расположен перед входным конфузором 2 посредством камеры 11 отбора входного давления, отбор выходного давления выполняется посредством камеры 12 отбора выходного давления, расположенной непосредственно за оптически прозрачными окнами 5 по ходу движения многофазного потока. Первичный преобразователь 8 электрически связан со вторичным преобразователем 13 и блоком 14 подключения датчика 16 температуры, датчика 17 выходного давления и датчика 18 перепада давления. Датчик 17 выходного давления размещен после выходного диффузора 4 либо непосредственно в камере 12 отбора выходного давления, датчик 16 температуры размещен также за выходным диффузором 4.The multiphase flow meter contains a narrowing device 1, which includes an input confuser 2, a neck 3, made in the form of a flow gap with a cross-section in the form of an ellipse, and an output diffuser 4. The smaller diameter of the ellipse of the flow gap preferably does not exceed 0.5 of the length of its larger diameter. In the neck 3, along the narrow radius of the ellipse, optically transparent windows 5 are made opposite each other. On opposite sides of the neck 3, opposite the optically transparent windows 5, a source 6 of near infrared (hereinafter referred to as NIR) radiation and a receiver 7 of NIR radiation connected to the signal converter 8 are placed. The source 6 of NIR radiation is a matrix of infrared light-emitting diodes for different values of wavelength λ in the range from the wavelength of maximum oil absorption to the wavelength of maximum water absorption, wherein the wavelength of maximum oil absorption and the wavelength of maximum water absorption in the matrix correspond to assemblies of light-emitting diodes, which are four series-connected light-emitting diodes, and each intermediate value of wavelength corresponds to one light-emitting diode. The receiver 7 of NIR radiation is made in the form of a broadband dual photodiode. The light-emitting diodes in the matrix of the NIR radiation source 6 and the broadband dual photodiode in the NIR radiation receiver 7 are mounted on the Peltier modules 9, placed on the heat-removing element 10. The pressure sampling at the input of the narrowing device 1 is located in front of the input confuser 2 by means of the input pressure sampling chamber 11, the output pressure sampling is performed by means of the output pressure sampling chamber 12, located directly behind the optically transparent windows 5 in the direction of movement of the multiphase flow. The primary converter 8 is electrically connected to the secondary converter 13 and the unit 14 for connecting the temperature sensor 16, the output pressure sensor 17 and the differential pressure sensor 18. The output pressure sensor 17 is located after the output diffuser 4 or directly in the output pressure sampling chamber 12, the temperature sensor 16 is also located behind the output diffuser 4.

Расходомер многофазных потоков работает следующим образом.The multiphase flow meter operates as follows.

Поток измеряемой среды проходит через сужающее устройство 1. Первичный преобразователь сигнала 8 производит импульсную подачу стабилизованного токового сигнала на светодиоды источника 6 БИК излучения. Длительность каждого импульса, в течение которого светодиоды источника 6 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) или сборки светодиодов (L1-L4, L9-L12) поочередно излучают, не более 300 мкс. Температура светодиодов источника 6, измеряемая при помощи термисторов 15, принудительно поддерживается от элементов Пельтье 9 на уровне от 20 до 30°С, тепловая энергия от которых отводится через теплоотводящий элемент 10 на радиатор 19.The flow of the measured medium passes through the narrowing device 1. The primary signal converter 8 produces a pulsed supply of a stabilized current signal to the LEDs of the NIR radiation source 6. The duration of each pulse, during which the LEDs of the source 6 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) or the LED assembly (L1-L4, L9-L12) alternately emit, is no more than 300 μs. The temperature of the LEDs of the source 6, measured using thermistors 15, is forcibly maintained from the Peltier elements 9 at a level of 20 to 30°C, the thermal energy from which is removed through the heat-removing element 10 to the radiator 19.

Стабилизация температуры на светодиодах матрицы источника 6 БИК излучения и приемника 7 БИК излучения позволяет избежать искажений проводимых измерений из-за повышенной или пониженной температуры и измерять поглощение измеряемой средой БИК излучения на точно выбранных узких полосах инфракрасного сигнала, а также увеличивает эксплуатационный ресурс расходомера.Stabilization of the temperature on the LEDs of the matrix of the NIR radiation source 6 and the NIR radiation receiver 7 allows avoiding distortions of the measurements performed due to increased or decreased temperature and measuring the absorption of NIR radiation by the measured medium on precisely selected narrow bands of the infrared signal, and also increases the service life of the flow meter.

Во время излучения на приемной стороне, посредством усиления сигнала сдвоенного фотодиода приемника 7 БИК излучения, первичным преобразователем 8 выполняется измерение величины проходящего радиочастотного излучения. Каждый цикл измерений состоит из последовательного измерения величины пропускания сигнала БИК излучения на каждой из длин волн, путем подключения соответствующего светодиода 7 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) или сборки светодиодов 7: (L1-L4, L9-L12). На каждом цикле измерений первичным преобразователем 8 выполняется измерение сигналов поглощения БИК излучения измеряемой средой, а также текущие значения токовых сигналов первичных преобразователей температуры, давления и перепада давления измеряемой среды.During the radiation on the receiving side, by amplifying the signal of the dual photodiode of the NIR radiation receiver 7, the primary converter 8 measures the magnitude of the transmitted radio frequency radiation. Each measurement cycle consists of a sequential measurement of the magnitude of the transmission of the NIR radiation signal at each of the wavelengths, by connecting the corresponding LED 7 (L4, L5, L6, L7, L8, L10) or the assembly of LEDs 7: (L1-L4, L9-L12). At each measurement cycle, the primary converter 8 measures the absorption signals of the NIR radiation by the measured medium, as well as the current values of the current signals of the primary converters of temperature, pressure and pressure drop of the measured medium.

После выполнения 100 последовательных циклов измерений первичный преобразователь 8 при помощи цифрового сигнала передает через последовательный порт во вторичный преобразователь 13 измеренную информацию.After completing 100 consecutive measurement cycles, the primary converter 8, using a digital signal, transmits the measured information through the serial port to the secondary converter 13.

Вторичный преобразователь 13 путем сравнения с записанными в память эталонными спектрами вычисляет объемное содержание газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды. Вторичный преобразователь 13 путем приведения через измеренные параметры температуры и давления по известным методам вычисляет текущие параметры плотности, вязкости отдельных компонент многофазного потока и по вычисленным параметрам объемного содержания отдельных компонент многофазного потока производит вычисление средней плотности и вязкости многофазного газожидкостного потока. Поскольку в записанной информации всегда есть прослеживаемость к первичным измеренным в каждый момент времени значениям перепада давления на сужающем устройстве, вычислительное устройство производит вычисление мгновенных значений расхода измеряемой среды, а также расхода отдельных компонент многофазной среды: воды, нефти (включая нефтепродукты, ШФЛУ, газовый конденсат и т.д.) и газа. Затем путем интегрирования вычисленных параметров выполняется накопление информации о количестве прошедших через расходомер за отчетный период отдельных компонент многофазного потока.The secondary converter 13 calculates the volumetric content of gas, liquid hydrocarbons (oil, petroleum products, gas condensate, WFLH) and water by comparing them with the reference spectra recorded in the memory. The secondary converter 13 calculates the current parameters of density, viscosity of individual components of the multiphase flow by means of the measured parameters of temperature and pressure using known methods and calculates the average density and viscosity of the multiphase gas-liquid flow based on the calculated parameters of the volumetric content of individual components of the multiphase flow. Since the recorded information always has traceability to the primary values of the pressure drop on the narrowing device measured at each moment in time, the computing device calculates the instantaneous values of the flow rate of the measured medium, as well as the flow rate of individual components of the multiphase medium: water, oil (including petroleum products, WFLH, gas condensate, etc.) and gas. Then, by integrating the calculated parameters, information is accumulated on the number of individual components of the multiphase flow that have passed through the flow meter during the reporting period.

Далее вторичный преобразователь 13 преобразует полученные значения количества каждого из компонентов измеряемой среды в выходные сигналы посредством цифровой обработки в стандартный токовый сигнал 4-20 мА, частотный сигнал 0-1000 Гц, а также цифровые сигналы посредством протоколов ModBus и HART, с учетом настроек пользователя.Then, the secondary converter 13 converts the obtained values of the quantity of each of the components of the measured medium into output signals by means of digital processing into a standard current signal of 4-20 mA, a frequency signal of 0-1000 Hz, as well as digital signals via the ModBus and HART protocols, taking into account the user's settings.

Применение предложенного изобретения позволит значительно повысить точность измерения количества газа, жидких углеводородов (нефти, нефтепродуктов, газового конденсата, ШФЛУ) и воды, содержащихся во взаимно несмешивающихся с водой нефтепродуктах, газовом конденсате и свободном нефтяном или природном газах продукции скважин и может найти применение в измерительных установках, установках для исследования скважин, нефтеперерабатывающем оборудовании и нефтепроводах, а также в процессе подготовки сырья в системах контроля качества нефтяной продукции.The use of the proposed invention will significantly increase the accuracy of measuring the amount of gas, liquid hydrocarbons (oil, petroleum products, gas condensate, NGL) and water contained in mutually immiscible with water petroleum products, gas condensate and free petroleum or natural gases of well products and can find application in measuring installations, installations for well testing, oil refining equipment and oil pipelines, as well as in the process of preparing raw materials in quality control systems for petroleum products.

Claims

1. A multiphase flow meter comprising a narrowing device including an input confuser, a neck in the form of a flow slit and an output diffuser, a radiation source and a radiation receiver mounted opposite each other in windows made in the wall of the neck, as well as a temperature sensor, a differential pressure sensor and an output pressure sensor, characterized in that the neck of the narrowing device is made with a cross-section in the form of an ellipse with the location of its smaller diameter perpendicular to the longitudinal axis of the pipe, and the windows are made in the form of optically transparent windows located along the smaller radius of the neck ellipse, wherein the radiation source is a source of near infrared (NIR) radiation, and the radiation receiver is a NIR radiation receiver connected to a signal converter and made in the form of a matrix of infrared light-emitting diodes for different values of wavelength λ in the range from the wavelength of maximum oil absorption to the wavelength of maximum water absorption, wherein the wavelength of maximum oil absorption and the wavelength of maximum water absorption in the matrix there correspond assemblies of light-emitting diodes, which are four series-connected light-emitting diodes, and each intermediate value of the wavelength corresponds to one light-emitting diode, wherein the NIR radiation receiver is made in the form of a broadband dual photodiode, and the light-emitting diodes in the matrix of the NIR radiation source and the broadband dual photodiode in the NIR radiation receiver are installed on Peltier modules placed on the heat-removing element, wherein the differential pressure sensor is connected to the input pressure sampling chamber located in front of the input confuser, and the output pressure sampling chamber located directly behind the optically transparent windows along the direction of movement of the multiphase flow.

2. The flow meter according to item 1, characterized in that the matrix of infrared LEDs includes 12 LEDs corresponding to the following wavelengths: λ _1-4 = 1.07 μm; λ ₅ = 1.34 μm; λ ₆ = 1.46 μm; λ ₇ = 1.63 μm; λ ₈ = 1.75 μm; λ _9-12 = 1.94 μm, while thermistors are installed on the Peltier elements.

3. A flow meter according to item 1, characterized in that the neck is made with a length of the smaller diameter of the ellipse that does not exceed 0.5 of the length of its larger diameter.

4. A flow meter according to item 1, characterized in that the primary converter is designed with the ability to provide measurements with a frequency of at least 100 complete measurement cycles per second, with the calculation of the final values of the quantitative and qualitative indicators of the gas-liquid multiphase flow.