Способ определения объема чистой нефти, транспортируемой по магистральным нефтепроводам с учетом примесей

Паутова А.С.

Самарский государственный технический университет, Самара

В связи с повышением стоимости нефти, важной задачей является возможность оперативного измерения количества примесей, приходящихся на единицу объема транспортируемой по магистральному трубопроводу нефти или нефтепродуктов [1].

В настоящее время для определения общего объема транспортируемой нефти широкое распространение получили ультразвуковые методы, основанные на эффекте Доплера [2]. Измерение производится на основе данных о разности времени прохождения акустических колебаний в направлении потока и против него в измеряемом веществе.

Наличие и объем примесей при этом определяется периодически через значительные промежутки времени лабораторными способами, что затрудняет получение оперативной и достоверной информации.

Предлагается матричная информационно - измерительная система (ИИС), которая в процессе своей работы определяет, как общий расход нефти, так и количества примесей в ее составе и вычисляет объем чистой нефти.

Структурная схема ИИС представлена на рис 1.

ИИС состоит из генератора электрических импульсов Г, ключей К1, К2, счетчика электрических импульсов СИ, электроакустических преобразователей ЭП1 и ЭП2 на матричной основе из 24 пьезоэлементов, коммутатора К, таймеров Т1, Т2, Т3, измерительных устройств ИУ1 и ИУ2, блоков обработки информации БОИ1, БОИ2, дифференциального устройства ДУ.

Преобразователи располагаются на трубопроводе параллельно друг другу на расстоянии L=1..2·D, (где D – диаметр нефтепровода), при этом соответствующие номера элементов матрицы направлены друг к другу.

Пьезоэлектрический преобразователь ЭП1 матрицы - излучателя (МИ) пьезоэлементов обеспечивает сканирование всей площади сечения трубопровода за счет переключения отдельных элементов.

Пьезоэлектрический преобразователь ЭП2 матрицы - приемника (МП) пьезоэлементов принимает акустические сигналы от элементов излучателя МИ.

Рис.1 Схема преобразования со сканированием сечения трубопровода

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 имеет ширину, которая охватывает 1/24 части площади сечения трубопровода от линии О-О^/ между преобразователями ЭП1 и ЭП2, представлена на рис 2.

Диаграмма направленности излучения имеет ширину , а вектор скорости V_i перемещения части потока нефти, направлен под углом к направлению передачи зондирующего сигнала (ЗС). Площади сечения , , , охватываемые n - пьезоэлементом матрицы.

Рис. 2 Схема направленности излучения

Принцип действия устройства заключается в следующем.

Ключ К1 замыкается и сигнал с генератора Г поступает на коммутатор К, выходы которого подключены к МИ ЭП1 с 24 – мя электроакустическими элементами матрицы. Коммутатор К обеспечивает циклическое подключение пьезоэлементов матрицы. Коммутатор К и ключи К1, К2 управляются с помощью счетчика электрических импульсов СИ, который обеспечивает работу по заданной программе.

Матричный излучатель ЭП1 отправляет с n – го элемента матрицы зондирующий сигнал по потоку нефти. Зондирующий сигнал, пройдя сечение трубопровода принимается МП ЭП2, далее сигнал поступает на таймер Т2.

Затем ключ К1 размыкается и одновременно замыкается ключ К2, подключая МП ЭП2 на отправку зондирующего сигнала против потока нефти.

Зондирующий сигнал, пройдя сечение трубопровода поступает на МП ЭП1, затем на таймер Т1. С таймеров Т1, Т2 полученные сигналы поступают на измерительное устройства ИУ1, затем на блок обработки информации БОИ1, где определяется общий объем нефти по разности времени прохождения импульсов по потоку нефти и против.

Общий объем нефти определяется при этом:

(1)

где - общая масса нефти, - разность времени прохождения импульсов.

Одновременно с этим использование матричных преобразователей позволяет определить количества примесей в составе нефти [3].

Предлагается объединить данные способы и использовать устройство, которое позволит определить объем чистой нефти.

Матричная ИИС для определения количества примесей заключается в следующем.

Ключ К1 замыкается и сигнал с генератора Г поступает на коммутатор К выходы которого подключены к ЭП1. Коммутатор К обеспечивает циклическое подключение пьезоэлементов матрицы.

Матричный излучатель ЭП1 начинает генерировать зондирующий сигнал, заданного уровня со скважностью, достаточной для выявления акустического сигнала на приемной стороне.

После отправления ЗС в поток нефти, матричный приемник ЭП2 начинает прием зондирующих сигналов соответствующих пьезоэлементов матрицы, которые будут обратно пропорциональны количеству и размеру частиц, встретившихся на пути излученного сигнала.

При отсутствии примесей, в составе транспортируемой нефти, уровень акустического сигнала, поступающего на ЭП2 остается неизменным для каждого момента подключения акустического сигнала.

При наличии примесей, присутствующих в составе нефти, уровень акустического сигнала, поступающего на ЭП2 при каждом измерении изменяется за счет отражения и поглощения части акустического сигнала. Эти изменения будут характеризовать объем частиц, присущих в данный момент транспортируемой нефти.

Затем цикл измерения повторяется через заданный интервал времени, который устанавливается таймером Т3.

Результаты измерений уровня сигнала поступают на измерительное устройство ИУ2, а потом в блок обработки информации БОИ2, где определяется суммарное значение сигнала. По суммарному значению уровню сигнала определяется площадь частиц, проходящих через сканирующую систему, принимая для всех частиц среднестатистическое значение высоты, определяемым лабораторным способом.

Общий объем частиц, проходящих через заданную площадь за определенный период времени будет равен:

(2)

где - общая амплитуда сигналов, - площадь частиц, - высота частиц.

Далее среднее значение объема нефти и объема частиц, прошедших через заданное сечение в единицу времени поступают на дифференциальное устройство ДУ для вычисления чистого объема нефти, как разность между этими объемами.

Таким образом, предлагаемая ИИС позволяет определить общий расход нефти, количества примесей в ее составе и вычисляет объем чистой нефти.

Отличие указанной ИИС с электронным сканированием от известных заключается в том, что она позволяет определить наличие примесей в составе нефти и отсутствует необходимость механического перемещения преобразователей.

Электронное сканирование путем переключений элементов матрицы преобразователей ЭП1 и ЭП2 упрощает структуру измерительного устройства, обеспечивает сканирование всей площади сечения трубопровода за счет угла наклона элементов матрицы, повышается надежность системы и ее экономическая эффективность за счет снижения затрат на реализацию устройств с электронным переключением элементов матрицы.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Биргер С.И., Бражников Н.И. Ультразвуковые расходомеры.: Изд. «Металлург» М., 1964 - 375 с.

2. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4е изд. - Л.: Машиностроение. 1989 - 701 с.

3. Паутова А.С. Материалы IХ Всероссийской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке». Матричный способ определения количества примесей в нефтепродуктах, транспортируемых по магистральным нефтепроводам. Самара, 2012.