Ультразвуковая диагностика восходящих газожидкостных потоков с использованием распределенного электромеханического преобразователя

Актуальность исследования.

Двухфазные потоки в виде смеси жидкости и газа встречаются в разных областях техники: в добыче нефти и газа, в химической и пищевой промышленности, в энергетике, в коммунальном хозяйстве. Для учета добытого углеводородного сырья, управления технологическими установками, контроля стоков, необходимо измерение расхода жидкой и газовой фаз по отдельности. В нефтяной промышленности проблема измерения расходов таких потоков возникла еще в начале 1980;х годов. Необходимо, чтобы приборы, измеряющие расход многофазного потока (расходомеры) удовлетворяли следующим требованиям: обладали приемлемой точностью и надежностью, не создавали возмущений в потоке, не зависели от режима потока и были пригодными для применения во всем возможном диапазоне изменения расходов компонентов потока. Несмотря на большое количество технических решений [1−4,8−10], предложенных в последние годы, ни один из двухфазных расходомеров, появившихся на рынке, всем указанным требованиям все же не отвечает [2]. В настоящее время для определения расходов потока в основном используется предварительная дегазация потока [2,3]. Такие установки дороги и сложны в эксплуатации. Поэтому создание надежных, точных и не слишком дорогих многофункциональных приборов для измерения расхода компонентов потока без их предварительного разделения является актуальной задачей. Отметим, что наиболее перспективными методами диагностики двухфазных потоков, являются активные акустические методы. В представленной работе для изучения и определения параметров двухфазных потоков используется ультразвуковая система, основанная на методе измерения скорости неоднородностей с помощью эффекта Доплера. Принцип работы системы приводиться в [5,6]. В работе [5] описан способ ввода ультразвукового пучка в поток, основанный на использовании эффекта трансформации изгибной волны в стенке трубы (волны Лэмба) в продольную звуковую волну в жидкости. Там же предложено использовать для формирования волны Лэмба накладную фазированную антенную решетку из пьезоэлементов. В патенте [6] описан способ измерения параметров двухфазного потока и система для его реализации, в которой используется описанный выше способ ввода ультразвука в поток и эффект Доплера. Однако в [6] раскрывается только лишь принципиальная возможность определения расходов фаз потока. Поэтому полная реализация возможностей системы, включая достижение в большом диапазоне изменения расходов двухфазного потока достаточной точности измерения [7], требует систематического и углубленного исследования процессов распространения и рассеяния ультразвука в газожидкостных смесях (ГЖС).

Целью работы является детальное изучение закономерностей рассеяния ультразвуковых импульсов в восходящем газожидкостном потоке, в который они вводятся через стенку трубы с помощью накладного пьезоэлектрического преобразователя, выполненного в виде фазированной антенной решетки (ФАР), и изучение возможности использования этих закономерностей для раздельного определения расходов газовой и жидкой фаз.

Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие основные задачи:

1. Создание и испытание лабораторной экспериментальной установки и программного обеспечения для изучения процессов распространения и рассеяния в ГЖС ультразвуковых волн, излучаемых накладными ФАР.

2. Теоретические и экспериментальные исследования процессов распространения и рассеяния в ГЖС ультразвуковых волн, излучаемых накладными ФАР, при различных режимах течения.

3. Разработка на основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, способа определения расхода фаз газожидкостного потока в «пузырьковом» и «снарядном» режимах течения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Использование разработанной модели формирования зависимости энергии рассеянных ультразвуковых сигналов от дальности (профилей), в пузырьковом" режиме газожидкостного потока, позволяет определять газосодержание по форме профиля энергии.

2. В «снарядном» режиме течения, при прохождении мимо датчика жидкой перемычки, рассеяние происходит на содержащихся в ней пузырьках газа, а при прохождении газовой полости — на неоднородностях толщины стекающей пленки. Неоднородности толщины пленки, на которых происходит рассеяние, движутся относительно стенки со скоростью близкой к скорости стекания пленки.

3. Для определения расходов фаз потока, в «пузырьковом» режиме течения, наиболее информативными являются зависимости от дальности энергии и средней частоты рассеянного в потоке сигнала, а в «снарядном» режиме — временные реализации средней частоты сигнала, получаемые с различных удалений от датчика.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Объяснен механизм формирования зависимостей энергии рассеянного сигнала от дальности в «пузырьковом» потоке. На его основе предложен способ измерения газосодержания (при фиксированном составе газовой и жидкой фаз), преимуществом которого является использование одного приемно-излучающего датчика.

2. При «снарядном» режиме течения исследованы механизм рассеяния ультразвуковых волн Лэмба в стенке трубы, по которой стекает пленка жидкости, а также поведение зависимостей различных характеристик рассеянного сигнала от времени (энергии, доплеровского сдвига частоты, ширины спектра).

3. Экспериментально проверена модель расчета интегральных расходных характеристик газожидкостного потока с использованием ультразвуковой системы с накладными ФАР.

Достоверность результатов.

Научные положения и выводы, представленные в диссертационной работе, аргументированы, обоснованы и базируются на фундаментальных теоретических положениях общей акустики и теории распространения и рассеяния волн, а также результатах целенаправленных экспериментальных исследований.

Достоверность полученных в диссертационной работе результатов обосновывается использованием современных средств и методик проведения исследований, повторяемостью результатов многократных экспериментов и согласованностью экспериментальных и теоретических оценок.

Практическое значение.

Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты могут быть положены в основу разрабатываемых ультразвуковых измерителей расходов двухфазных потоков, а созданная и опробованная экспериментальная установка может рассматриваться как прототип ультразвукового расходомера.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на XII Всероссийском семинаре «Волновые явления в неоднородных средах», (Звенигород, МГУ, 2010), XII, XIII и XIV научных конференциях по радиофизике (Нижний Новгород, ННГУ, 2008;2010), XV и XVI Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2009, 2010).

По теме диссертационной работы опубликовано 5 статей в трудах конференций и 3 статьи в журналах из перечня, рекомендованного ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций. Работа выполнена при поддержке проекта ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (контракт № П2134), руководителем которого был автор диссертации, и гранта государственной поддержки ведущих научных школ НШ-3700.2010.2.

Личный вклад автора.

На протяжении всей исследовательской работы диссертант принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментов и расчетов, построении моделей, обсуждении и физической интерпретации результатов исследований. Исключением является раздел 3.1.3, в котором автору принадлежат только проведение экспериментов и обсуждение результатов.

Публикации.

Список публикаций в журналах, рекомендованных ВАК: Муякшин С. И., Владимиров И. А. Ультразвуковая доплеровская система для измерения расхода газожидкостных потоков // «Датчики и системы», 2009, № 8, с. 26−30.

Мансфельд А.Д., Волков Г. П., Санин А. Г., Владимиров И. А. Импульсная ультразвуковая спектроскопия газовых пузырьков // «Акустический Журнал», 2010, том 56, № 3, с. 323−332.

Владимиров И.А., Муякшин С. И. Экспериментальное исследование рассеяния ультразвуковых волн Лэмба в пластине, покрытой стекающей пленкой жидкости переменной толщины // Вестник Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского, 2011, № 5(3), с. 67−74.

Список статей в трудах конференций: Владимиров И. А., Волков Г. П., Мансфельд А. Д. Импульсные ультразвуковые методы обнаружения газовых пузырьков// Труды XII научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2008.

Муякшин С. И., Владимиров И. А. Метод определения расхода фаз газожидкостного потока в вертикальной трубе при «снарядном» режиме течения // Труды XIII научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2009.

Владимиров И.А., Муякшин С. И Ультразвуковая система диагностики газожидкостных потоков в закрытой трубе // Труды XIV научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2010.

Владимиров И.А., Муякшин С. И. Ультразвуковые методы диагностики газожидкостных потоков // Сборник трудов XII Всероссийской школы семинара «Волновые явления в неоднородных средах», 2010 г., Звенигород, В электронном виде на СО — диске.

Владимиров И.А., Муякшин С. И. Об особенностях рассеяния звука на потоке пузырьков в трубе, заполненной жидкостью // XV Нижегородская сессия молодых ученых. Труды молодых ученых по естественнонаучным дисциплинам, Нижний Новгород, 2010 Отчеты о НИР.

Отчет о НИР № 2 201 153 204 от 09.03.2011 «Разработка перспективных ультразвуковых методов определения параметров трехкомпонентных двухфазовых потоков», рук. И. А. Владимиров Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации составляет 112 страниц, включая 79 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 73 наименований.

Основные результаты главы 4.

— В результате проведенных экспериментов на специализированном проливном стенде, с помощью УЗ системы получены зависимости энергии Еп и доплеровского сдвига частоты 7ч/ от номера ЭД и от времени, а так же набор параметров, определенных по этим зависимостям, при различных сочетаниях расходов газа и жидкости.

— На основании модели, связывающей параметры сигналов, рассеянных в газожидкостном потоке, с его интегральными расходными характеристиками получены следующие результаты:

1. Использование способа определения содержания газа в «пузырьковом» потоке, с использованием профилей энергии только рассеянного сигнала, принимаемого одним излучающим датчиком, дает приблизительно такую же погрешность измерения, как и метод определения количества газа по затуханию прошедшего через поток сигнала с использованием двух, противоположно расположенных датчиков.

2. В «пузырьковом» режиме течения, наименьшая погрешность одновременного определения расходов жидкости и газа, с применением одного приемно-излучающего датчика, получается при использовании для их определения среднего доплеровского сдвига частоты (ДСЧ), и координаты «центра масс» профиля энергии рассеянного сигнала.

3. В «снарядном» режиме течения наименьшая погрешность одновременного определения расходов жидкости и газа получается при использовании для их определения скорости потока, измеряемой корреляционным методом, и среднего значения ДСЧ.

4. Для определения расходных параметров потока, в «пузырьковом» режиме течения, наиболее информативными являются зависимости энергии и средней частоты от номера ЭД (профили), а в «снарядном» режиме — временные зависимости энергии и средней частоты из разных элементов дальности, относящихся к разным лучам.

Заключение

.

В заключении отметим следующие основные результаты, полученные в диссертационном исследовании:

— Испытана ультразвуковая система, содержащая: 1) датчик с ФАР- 2) набор модулей в форм-факторе NI SXCI для генерации, усиления мощности ультразвуковых импульсов, их приема и преобразования в НЧ квадратурные компоненты- 3) шасси для их установки- 4) универсальную карту ввода-вывода NI PXI-6251 (USB-6251) — 5) персональный компьютер.

— С использованием среды графического программирования Lab VIEW разработано программное обеспечение для сбора, отображения и записи данных с этой системы в реальном времени. Данные записываются в виде последовательностей моментов скользящего спектра для нескольких задержек и двух лучей.

— Создана модификация лабораторной установки для моделирования пузырькового потока в воде и гидросиле (при неподвижном столбе жидкости). В установке использована прозрачная стеклянная трубка, что обеспечило возможность визуального наблюдения потока. Для этой установки разработан метод определения истинного относительного газосодержания основанный на измерении высоты подъема уровня (для воды) или отслеживания динамики изменения высоты пены (для гидросила).

— Создана модификация лабораторной установки для изучения рассеяния ультразвуковых волн на стекающей пленке жидкости, формируемых датчиком с ФАР. Пленка возникает при всплытии в трубке с неподвижной жидкостью больших воздушных пузырей, перекрывающих все ее сечение. Пузыри генерируются с помощью программно-управляемого клапана.

— Исследование структуры акустического поля, создаваемого накладной ФАР в круглой трубе с однородной жидкостью, показало, что в жидкости формируется ультразвуковой пучок большой протяженности (вдоль трубки), который несколько раз отражается от стенки трубы. Ширина его примерно равна ширине ФАР.

— Разработана модель формирования профилей энергии рассеянных ультразвуковых сигналов в потоке, переносящем дискретные неоднородности. Результаты расчетов по этой модели находятся в согласии с данными опытов.

— При различных величинах газосодержания измерены профили энергии рассеянных сигналов для газожидкостной смеси, представляющей собой всплывающие пузырьки газа в воде и гидросиле.

— Получены экспериментальные зависимости между амплитудами пиков профиля энергии эхосигналов и газосодержанием. Найдено, что для воды и гидросила отношение пиков монотонно растет при увеличении газосодержания (в определенном диапазоне).

— Экспериментально реализован метод определения размеров и количества всплывающих газовых пузырьков в достаточно разреженном потоке на основе фильтрации принимаемого сигнала.

— Получены экспериментальные зависимости средней частоты, энергии и ширины скользящего спектра эхосигнала от времени, при прохождении мимо УЗ датчика всплывающих газовых полостей.

— Для «снарядного» режима течения объяснен процесс рассеяния волн Лэмба. Из объяснений следует, что обратное рассеяние поверхностных волн происходит на деформированной (переменной по толщине) пленке.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что доплеровское смещение частоты сигнала, рассеянного на стекающей пленке, соответствует оценке средней скорости стекания пленки, основанной на гидродинамике всплытия газовой полости в вертикальной тубе. Отсюда следует, что рассеивающие звук неоднородности движутся со средней скоростью стекающей пленки.

— Выявлено, что уровень сигнала, рассеянного пленкой, увеличивается при росте интенсивности гидродинамических возмущений жидкости, в которой происходит всплытие газовой полости (В эксперименте гидродинамические возмущения жидкости возникали вследствие всплытия первого пузыря в невозмущенной жидкости, второй пузырь всплывал уже в жидкости, возмущенной движением первого).

— В результате проведенных экспериментов на специализированном проливном стенде, для «пузырькового» и «снарядного» режимов течения, с помощью УЗ системы получены зависимости энергии Еп и доплеровского сдвига частоты Г (1 от номера ЭД и от времени, а так же набор параметров, определенных по этим зависимостям, при различных сочетаниях расходов газа и жидкости.

— На основании модели, связывающей параметры сигналов, рассеянных в газожидкостном потоке, с его интегральными расходными характеристиками получены следующие результаты:

1. Использование способа определения содержания газа в «пузырьковом» потоке, с использованием профилей энергии только рассеянного сигнала, принимаемого одним излучающим датчиком, дает приблизительно такую же погрешность измерения, как и метод определения количества газа по затуханию прошедшего через поток сигнала с использованием двух, противоположно расположенных датчиков.

2. В «пузырьковом» режиме течения, наименьшая погрешность одновременного определения расходов жидкости и газа, с применением одного приемно-излучающего датчика, получается при использовании для их определения среднего доплеровского сдвига частоты (ДСЧ), и координаты «центра масс» профиля энергии рассеянного сигнала.

3. В «снарядном» режиме течения наименьшая погрешность одновременного определения расходов жидкости и газа получается при использовании для их определения скорости потока, измеряемой корреляционным методом, и среднего значения ДСЧ.

4. Для определения расходных параметров потока, в «пузырьковом» режиме течения, наиболее информативными являются зависимости энергии и средней частоты от номера ЭД (профили), а в «снарядном» режиме — временные зависимости энергии и средней частоты из разных элементов дальности, относящихся к разным лучам.