Введение к работе
Актуальность темы. Повышение требований к качеству регулирования процессов подготовки сырой нефти и, вместе с тем, усложнение условий и способов ее добычи, сопровождающееся сильным разбросом параметров состава выкачиваемой из скважин водогазонефтяной смеси (ВГНС),приводят к необходимости улучшения качественных показателей соответствующих датчиков.
Особенно необходима точная информация о параметрах ВГНС на входе технолопіческих установок промысловой подготовки нефти, на которых выполняется ее сепарация (дегазация), обезвоживание и обессоливание. Обязательному измерению при этом подлежат такие параметры состава ВГНС, как влажность (объемное содержание воды W), солесодержание (или солесодержание водной фазы S), содержание свободного газа G и другие. Указанные параметры важны прежде всего потому, что они определяют настройку технологического оборудования на тот или иней цикл обработки сырой нефти. Эти циклы могут отличаться временем обработки, энергозатратами, количеством проходов сырья через определенные стадии обработки, количеством применяемых реактивов и т.д. Таким образом, эффективность работы автоматизированных установок промысловой подготовки нефти существенным образом зависит от точности и оперативности измерения параметров W,3,G.
Средства измерения состава ВГНС, применяемые в настоящее время в системах управления процессами промысловой подготовки нефти, включают в себя различные датчики W,S,G, каждый из которых разработчики, как правило, стремятся сделать максимально чувствительным к одному определенном)' параметру состава и инвариантным к другим параметрам, которые рассматриваются как помехи. Однако полной инвариантности к параметрам-помехам достичь практически невозможно Поэтому, с учетом дополнительных погрешностей от изменения этих параметров, точностные характеристики каждого такого отдельно взятого псевдоинвариантного датчика далеко не всегда удовлетворяют предъявляемым требованиям. А так как для однопараметрическігх датчиков любого из параметров W,S,G в большинстве случаев требуется коррекция результатов каждого по показаниям двух других, то целесообразно объединение (совмещение) их в едином средстве измерения.
Измерения W,S,G, выполняемые отдельными измерительными устройствами, датчики которых разнесены друг от друга, не всегда корректны, так как, с учетом динамики потока, результаты измерений могут отражать разные состояния ВГНС на данный момент времени. Применение отдельных датчиков нерационально и с точки зрения эксплуатационных затрат (большое количество мест установки п линий связи, повышенное энергопотребление,
повышенные трудозатраты на ремонт и обслуживание). В алгоритмах работы многих измерительных устройств для измерения W,S,G присутствует обязательная стадия пробоотбора и пробоподготовки. Наличие этих операций сильно усложняет аппаратуру и замедляет процесс измерения, а представительность пробы обычно не соответствует потоку ВГНС.
Перспективным подходом к решению перечисленных проблем является создание поточных многофункциональных датчиков состава (МФДС) ВГНС, позволяющих в одном сечении потока без пробоотбора производить с требуемой точностью измерения W,S,G при любых их возможных изменениях. Известны предложения по созданию таких датчиков на основе совмещения в единой конструкции нескольких чувствительных элементов (ЧЭ), осуществляющих прямые измерения некоторых физических величин (например, электрической емкости, электропроводности, оптической плотности и т.д.). Искомые параметры состава определяют путем подстановки измеренных значений в эмпирические формулы, связывающие измеренные величины с параметрами состава. Однако кроме отдельных идей и эскизных проектов в этой области не наблюдается заметного прогресса. В известных предложениях по созданию МФДС ВГНС нет четкого обоснования выбора измеряемых параметров. Не разработаны математические модели совмещенных датчиков и не изучены их характеристики. Отсутствуют обоснования и методики выбора их геометрических размеров и режимов работы. Не оценены погрешности определения W,S,G с помощью таких датчиков.
В связи с тем, что отнеты на эти вопросы открывают возможность создания поточного многофункционального датчика состава ВГНС, отвечающего современным требованиям, тема исследования актуальна.
Актуальность работы подтверждается, в частности, присуждением гранта ГК РФ по высшему образованию 1995 г. для исследований в области автоматики и телемеханики, вычислительной техники, информатики, кибернетики, метрологии, связи. Работа выполнялась в течение двух лет в соответствии с договором АП-ИТ-Об-96/97-ГУ на кафедре информационно-измерительной техники Уфимского государственного авиационного технического университета.
Целью данной работы является создание поточных многофункциональных датчиков состава водогазонефтяной смеси, имеющих повышенную точность, при работе которых не требуется пробоотбора
Для достижения указанной цели решены следующие основные задачи:
1) проанализированы известные методы получения измерительной
информации о параметрах W,S,G сырой нефти; выявлены наиболее
перспективные из них для построения МФДС ВГНС;
2) сформулированы основные принципы построения МФДС ВГНС;
-
обоснована целесообразность построения МФДС ВГНС на основе комбинированного акустоэлекгрического датчика (КАЭД), совмещающего функции измерения комплексной электрической проводимости и скорости звука;
-
предложены различные варианты реализаций КАЭД; разработана классификация предложенных и известных технических решений;
-
разработана математическая модель для КАЭД, основой конструкции которого является пара плоских противолежащих пьезоэлементов (ППЭ); .
б) проведен анализ зависимостей выходных параметров КАЭД от частот тестовых сигналов, по результатам которого выбраны рабочие частоты электрического и акустического каналов КАЭД;
7) исследованы основные характеристики КАЭД ППЭ и оценены его
8) разработаны, изготовлены и исследованы экспериментальные
образцы КАЭД
Методы исследования. В работе использовались отдельные положения классической теории электрических цепей и теории погрешностей, а также элементы матричной алгебры, дифференциального и интегрального исчисления, математической статистики и регрессионного анализа. Экспериментальные исследования проводились на специальном стенде, имитирующем возможные состояния потока ВГНС. На всех этапах работы использовалась ЭВМ. Расчеты выполнялись с помощью пакета прикладных математических программ MAPLE V (г. 4).
Научная новизна результатов работы заключается в следующем.
-
Предложены комбинированные акустоэлектрические датчики (КАЭД) - новый класс МФДС многофазных газожидкостных смесей (ВГНС в частности), основанных на совмещении в единой конструкции ЧЭ, предназначенных для измерения составляющих комплексной электрической проводимости, и ЧЭ для измерения скорости звука.
-
Разработаны оригинальные конструкции КАЭД и способы обработки их сигналов, защищенные охранными документами ( Патент РФ на изобретение № 2085934, Свидетельства на полезные модели №№ 2443, 4168, положительные решения Роспатента о выдаче патентов на изобретения по заявкам№№ 95121293, 96105041).
3) Разработана математическая модель КАЭД ППЭ, являющаяся
основным расчетно-аналитическим инструментом для исследований датчиков
данного типа и представляющая собой две системы нелинейных уравнений
(для эмульсий типов «вода в нефти» и «нефть в воде»), выражающих
измеряемые электрические и акустические параметры ВГНС через искомые
параметры W,S,G. Получены решения этих систем в виде формул, вошедших в
программное обеспечение микроконтроллера МФДС, осуществляющего расчет параметров состава в режиме реального времени.
4) Предложены и обоснованы оригинальные методики выбора рабочих
частот электрического и акустического каналов КАЭД ППЭ, а также
предложена методика определения его геометрических параметров,
оптимальных с точки зрения обеспечения максимальной точности вычисления
W,S,G.
5) Рассчитаны значения составляющих погрешностей определения
параметров состава ВГНС с помощью КАЭД ППЭ для различных областей
факторного пространства (W,S,G).
6) Проведены экспериментальные исследования КАЭД ППЭ, результаты
которых подтвердили преимущества разработанного многофункционального
датчика по сравнению с известными аналогами, предназначенными для
измерения отдельных параметров состава ВГНС.
Практическую ценность имеют:
1) разработанные конструкции КАЭД, алгоритм его работы и
соответствующее программное обеспечите; рекомендации по
проектированию, изготовлению, выбору режимов работы и отладке;
-
методика оптимизации размеров элементов КАЭД ППЭ;
-
методики расчета погрешностей определения параметров W,S,G;
-
методика градуировки разработанного датчика
Использование результатов работы. Материалы и результаты диссертационной работы используются научно-производственной фирмой «ИКА»(г.Уфа) в разработке блока качества для автоматизированных узлов учета нефти на промыслах.
На защиту выносятся:
-
Принципы построения МФДС ВГНС.
-
Оригинальные конструкции КАЭД
-
Математическая модель КАЭД ППЭ.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований КАЭД ППЭ.
Апробация работы. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались и обсуждались на VB Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Датчик-95» (Гурзуф, 1995 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Новые методы, технические средства и технологии получения измерительной информации» (Уфа, УГАТУ, 1997 г.), а также на Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Информационные и кибернетические системы и их элементы» (Уфа, УГАТУ, 1995 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 работа, из них 1 статья в центральной печати, 6 статей в межвузовских сборшпсах научных
трудов, 1 патент РФ на изобретение, 2 свидетельства на полезные модели, 11 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников из 131 наименования и 5 приложений. Основная часть диссертации содержит 212 страниц машинописного текста и включает в себя 74 рисунка и 8 таблиц.
