Регистрация / Вход
Прислать материал

14.578.21.0191

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.578.21.0191
Тематическое направление
Энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет)"
Название доклада
Разработка отечественного массового кориолисового расходомера для нефтегазовой промышленности с функцией измерения расхода многофазных потоков
Докладчик
Тараненко Павел Александрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель исследования.
Подготовка научно-технологического задела для создания и, в перспективе, серийного выпуска первых отечественных массовых кориолисовых расходомеров, позволяющих измерять в соответствии с ГОСТ Р 8.615-2005 объемно-массовые параметры сложных газо-жидкостных смесей в целях снижения требований к качеству предварительной сепарации.

Задачи исследования.
1. Исследование физических механизмов взаимодействия двухфазной смеси жидкость-газ с деформируемыми стенками колеблющегося трубопровода. Оценка роли газовой фазы в этом взаимодействии.
2. Разработка математических моделей процесса измерений, различающихся уровнем использования фундаментальных принципов механики сплошных сред.
3. Численное и аналитическое исследование разработанных моделей. Получение (в зависимости от объемной доли пузырьков газа в жидкости) количественных оценок выходных параметров расходомера (колебаний катушек, массового расхода), проверяемых экспериментальным путем.
4. Разработка многофазного проливочного стенда для экспериментальных исследований влияния изменения контролируемых параметров газожидкостного потока на выходные параметры кориолисового расходомера.
5. Изготовление и стендовые испытания макетов экспериментальных образцов кориолисовых расходомеров.
6. Разработка (на основе результатов расчетов и экспериментов) алгоритмов и программно-аппаратного обеспечения, позволяющего производить измерения массового расхода газожидкостной смеси при регламентированном уровне объемной доли газа в жидкости.
Актуальность и новизна исследования
Кориолисов расходомер является основным прибором, способным измерять расход нефтеводогазовой смеси, непосредственно добываемой из нефтяных скважин. В нефтегазовой промышленности есть согласие по следующим уровням точности для измерения массового расхода многофазных потоков: ±(5-10)% для задач управления месторождением; ±(2-5)% при распределении продукции; ±(0.25-1)% при купле-продаже конечного продукта.
Традиционные методы измерения расхода многофазного потока основаны на глубокой сепарации фаз и раздельном измерении расхода каждой фазы. Однако такие сепараторы громоздки и очень дороги.
По сравнению с однофазными потоками, где удалось добиться высокой надежности и точности измерений, благодаря использованию массовых кориолисовых расходомеров, в многофазных потоках универсального и доступного по цене решения не найдено до сих пор.
Кориолисовы расходомеры обеспечивают точность в доли процента при измерениях расхода однофазных потоков. Можно предположить, что эта их способность сохранится и в присутствии в нефти второй фазы (газа), если ее доля будет невелика.
Поэтому одним из перспективных направлений развития технологии измерения мультифазного и мультикомпонентного потока является отказ от глубокой сепарации в больших емкостях и применение трубных сепараторов, обеспечивающих лишь предварительное разделение газовой и жидкой фаз, и разработка кориолисового расходомера, способного работать с многофазными потоками в широком диапазоне значений объемной доли газа.
Описание исследования

Нефтегазовая отрасль является одним из основных источников пополнения бюджета Российской Федерации, что делает эффективность ее работы принципиально важной для страны. Основными приборами, способными измерять массовый расход нефти и нефтепродуктов, являются кориолисовы расходомеры, обладающие высокой точностью.

                                

За высокую точность однофазных массовых кориолисовых расходомеров приходится платить их уязвимостью по отношению к механическому шуму, изменениям термодинамических параметров потока и окружающей среды, несовершенствам в изготовлении механических, сенсорных и управляющих систем. К настоящему времени найдены пути к устранению этих недостатков на уровне конструкции прибора или их компенсации за счет адекватного учета соответствующих факторов при обработке опытных данных.

Основной целью настоящего исследования является совершенствование конструкции и алгоритмов обработки информации массового кориолисового расходомера с целью повышения устойчивости его показаний к наличию газовой фазы.

Единственной причиной, по которой точный и надежный однофазный массовый кориолисовый расходомер теряет свои качества при измерениях расхода двухфазного потока жидкость-газ, является разница в физико-химических свойствах смеси и любой из составляющих ее фаз. Эта разница проявляется затем и при механическом движении одно- и двухфазных текучих систем. С интересующей нас точки зрения основными особенностями, снижающими точность показаний расходомера, являются следующие:

  1. Двухфазные потоки жидкость-газ, с которыми имеют дело в нефтегазовой промышленности, не обладают устойчивостью ни в термодинамическом ни в механическом отношении.
  2. Существование разных режимов течения, различающихся размерами областей дискретной фазы.
  3. Флуктуации массовой плотности и, следовательно, кориолисовых сил в каждой точке внутри измерительных трубок.

В современных исследованиях, как правило, рассматривают только два предельных случая: модель полностью перемешанного однородного потока; модель целиком раздельного течения. Хотя такие точки зрения в анализе играют важную роль при оценке предельного поведения, они приносят мало пользы для обеспечения достаточной детализации свойств потока при разработке конкретных устройств.

                                            

Поставленные вопросы предполагается решать с использованием комплекса экспериментальных и теоретических методов

  1. Численное решение связанной упругогидродинамической задачи течения многофазного потока по деформируемым трубкам расходомера с целью получения количественных оценок влияния объемной доли газовой фазы на амплитуды колебаний измерительных катушек. Выявление физических эффектов, приводящих к снижению точности измерения расхода при увеличении доли газовой фазы.
  2. Разработка и изготовление экспериментального проливочного многофазного стенда для исследовательских испытаний макетов кориолисовых расходомеров
  3. Проведение натурных испытаний макетов расходомеров на проливочном стенде с целью выявления экспериментальных зависимостей между колебаниями измерительных катушек и параметрами потока (расход, давление, скорость, температура, объемная доля газовой фазы). Построение соответствующих корреляционных зависимостей с целью их использования в электронике расходомера.
  4. Разработка эквивалентных динамических моделей расходомера, основанных на результатах модальных испытаний (экспериментальных частотных передаточных функциях), предназначенных для отработки и совершенствования алгоритмов управления и обработки сигналов с измерительных катушек.
  5. Разработка средств полунатурного моделирования расходомера с целью отработки и настройки в режиме реального времени параметров системы управления колебаниями расходомера.
  6. Разработка современных методов синтеза оптимального управления прибором по опытным данным с использованием нейронных сетей.
  7. Обеспечение надежности управления прибором и контроля его состояния с помощью интеллектуальных систем измерений.
Результаты исследования

В последние два десятка лет одним из основных направлений научно-исследовательской работы в мировой нефтегазовой промышленности является разработка, внедрение и оценка эффективности систем измерения параметров многофазных потоков в трубах – скоростей и долей слагающих поток фаз – многофазных расходомеров. По сравнению с однофазными потоками, где удалось добиться высокой надежности и точности измерений благодаря использованию массовых кориолисовых расходомеров, в многофазных потоках задача усложняется настолько, что универсального решения не найдено до сих пор, во всяком случае, за разумную цену.

Поскольку создать коммерчески привлекательный и универсальный (в отношении числа и природы фаз, а также режимов потока) многофазный расходомер пока не удалось, то в настоящее время этим термином обозначают приборы, обеспечивающие необходимую точность и надежность измерений только в определенном (рабочем) диапазоне физико-химических свойств смеси и механических параметров ее движения. Этот диапазон целиком определяется конкретным приложением для использования прибора.

Анализ имеющихся литературных данных показывает, что интерпретация данных прямых измерений массовых кориолисовых расходомеров – фазовых сдвигов в колебаниях частей измерительной трубы на входе и выходе из нее – корректна до тех пор, пока центр масс смеси в каждом сечении этой трубы остается на оси во все время движения. Это предположение о фиксированном центре масс нарушается, если жидкость становится сжимаемой или в ней происходит расцепление фаз.

Ошибки измерения, обусловленные сжимаемостью, возрастают с уменьшением скорости звука и всегда положительны: результаты измерений расхода жидкости лежат выше истинного значения. Физическая причина движения центра масс в том, что возбуждаются поперечные акустические моды (волны давления). Эффекты сжимаемости оказывают наибольшее влияние, когда частота основной поперечной акустической моды приближается к частоте привода.

Явление разделения фаз возникает вследствие того, что при колебаниях частицы разных фаз движутся с разными ускорениями и, следовательно, испытывают разные перемещения. Эта разница тем больше, чем больше разница в плотностях фаз и наиболее заметна для пары фаз газ-жидкость. Теоретическое рассмотрение ошибок, связанных с расцеплением фаз («пузырьковая теория»), показывает, что в этом случае результаты измерения расхода лежат ниже истинного значения.

Текущие результаты проекта состоят в следующем:

  1. Проведены патентные исследования.
  2. Выполнен аналитический обзор литературы в области исследования гидродинамических моделей многофазных и многокомпонентных сред.
  3. Выполнен аналитический обзор литературы в области исследования возможных конструктивных решений, снижающих влияние параметров возмущающей фазы на показания расходомера
  4. Выполнен аналитический обзор литературы в области исследования алгоритмических методов компенсации влияния возмущающей фазы
  5. Проведен анализ методов контроля метрологического состояния кориолисова расходомера.
  6. Предложены методы экспериментального исследования кориолисовых расходомеров в условиях многофазных сред.
Практическая значимость исследования
Разрабатываемые расходомеры планируется применить в перспективных групповых замерных установках (АГЗУ) сырой нефти ведущих отечественных производителей. Применение разрабатываемых расходомеров в АГЗУ имеет следующие перспективы.
1. Снижение стоимости изготовления АГЗУ за счет снижения требований к сепарации с возможностью перехода к бессепарационным методам при использовании кориолисового расходомера с повышенной устойчивостью к наличию газовых фракций.
2. Повышение эффективности функционирования АГЗУ за счет перехода к бессепарационным методам контроля дебита отдельных нефтедобывающих скважин и куста в целом и увеличения межрегламентного периода.
3. Повышения качества сырья для нефтеперерабатывающей промышленности за счет оперативного управления работой скважин.
4. Уменьшение затрат на обслуживание, повышение автономности (увеличение межрегламентного периода).
5. Замещение импорта изделий приборостроения в нефтедобывающей отрасли, вывод на рынок новой научно-технической продукции и технологий мирового уровня.
6. Массовые кориолисовые расходомеры с функцией измерения многофазных потоков перспективны для учета газового конденсата и сжиженных углеводородных газов.