DE69822849T2

DE69822849T2 - Durchflusssteuersystem

Info

Publication number: DE69822849T2
Application number: DE1998622849
Authority: DE
Inventors: Arthur Graham DAVIES; Tomasz Dyakowski; Jerzy Arthur JAWORSKI
Original assignee: University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST); University of Manchester
Current assignee: Manchester Manchester Gb, University of
Priority date: 1997-08-02
Filing date: 1998-07-29
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2018-07-30
Also published as: DK1012678T3; EP1012678A1; ATE263388T1; NO20001701D0; AU8550598A; EP1012678B1; ES2218842T3; DE69822849D1; NO20001701L; WO1999006891A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Flusssteuersystem und insbesondere ein System zum Steuern des Flusses eines Mischphasen-Fluids durch ein Behältnis. Der Ausdruck „Mischphasenfluid" wird verwendet, um Fluids abzudecken, die zum Beispiel aus Suspension-Teilchen, Flüssigkeit, Emulsionen und Gas gebildet sind, die aus verschiedenen Bestandteilen abgeleitet werden, zum Beispiel Öl und Wasser, oder Flüssigkeit und Gas, die von dem gleichen Bestandteil abgeleitet sind.
Ölfeld-Produktionssysteme umfassen allgemein eine Separatoranlage, bei der ein Rohfluid, welches von einer öltragenden Formation gepumpt wird, in dessen Bestandteile getrennt wird, nämlich in flüchtige Gase, flüssige Petroleumprodukte, Wasser und Teilchen. Die Art des eingegebenen Fluids an die Separatoranlage kann sich über relativ kurze Zeitperioden stark verändern. Zum Beispiel kann ein großer Anteil des Flusses aus Wasser über eine erste Zeitperiode hinweg und aus Öl und Gas über eine zweite Zeitperiode hinweg gebildet sein. Mit einem Separator einer festen Konfiguration ist es schwierig, unterschiedliche Flüsse zufriedenstellend zu verarbeiten, wenn sich Flussbedingungen in einer nicht vorhersagbaren Weise ändern.
In einem herkömmlichen Separator wird ein Einlassfluss im Allgemeinen durch einen Stapel von geneigten Platten innerhalb eines relativ großen Behältnisses geführt, wobei die geneigte Platte die Trennung des Wassers, Öls und Gases in getrennte überlagerte Schichten fördert. Von einem oberen Abschnitt des Separatorbehältnisses kann dann Gas extrahiert werden und das Wasser und Öl kann dann durch eine einfache Wehr-Separatorplatte separiert werden, deren Höhe angeordnet ist, um über dem Übergang zwischen den Wasser- und Ölschichten zu sein. Wenn der eingegebene Fluss derart ist, dass die Separatorplatten zum größten Teil mit einem Schaum oder einer Emulsion aus beispielsweise Öl und Wasser gefüllt werden, wird das Separationsverhalten stark getrennt. Wenn in ähnlicher Weise ein großes Volumen von Wasser an den Separator in einer relativ kurzen Zeitperiode geliefert wird, kann es schwierig sein, den Wasser/Öl-Übergang unter dem Pegel des Wehr-Separators zu halten.
Angesichts derartiger Probleme ist der normale Ansatz für eine Separatorkonstruktion gewesen einen Separator mit einer relativ großen Kapazität bereitzustellen, der in der Lage ist mit einem breiten Bereich von Bedingungen fertig zu werden, und zwar im Endeffekt dadurch, dass breite Fluktuationen in dem Separatorplatten-Wirkungsgrad und dem Wasser/Öl-Übergangsniveaus akzeptiert werden. Als Folge dieser Konstruktionsphilosophie kann eine Separatoranlage einen wesentlichen Anteil der Größe und des Gewichts eines Ölfelds-Geräts ausmachen. Dies ist ein besonderes Problem für den Fall von Offshore-Ölfeldern, bei denen die Größe und das Gewicht der Offshore-Geräte den wirtschaftlichen Nutzen von einigen öltragenden Formationen bestimmt.
Es sind Versuche durchgeführt worden, um ein Separatorverhalten in bestimmten Umständen zu überwachen, um so in der Lage zu sein eine Separatorkonstruktion an erwartete Separatorbetriebsbedingungen anzupassen. Das verwendete Gerät hat im Allgemeinen die Anbringung von schweren Gammastrahl-Sensoren auf dem Separatorgerät erfordert. Die Verwendung eines derartigen Geräts zum Überwachen von routinemäßigen Betriebsbedingungen ist nicht geeignet.
Extensive Arbeiten sind durchgeführt worden, um zu ermöglichen, das Flussbedingungen innerhalb zum Beispiel Rohren mit kreisförmigem Querschnitt überwacht werden. Zum Beispiel beschreibt das US Patent mit der Nummer 5130661 ein Kapazitätssensorsystem, bei dem ein Array von Kondensatorplatten um den äußeren Umfang eines Rohrs herum angeordnet ist, durch dass ein Gemisch aus Öl, Wasser und Gas geführt wird. Durch eine geeignete Manipulation von Ausgangssignalen, die von den Sensoren abgeleitet werden, kann ein Abbild des Flussquerschnitts aufgebaut werden. Derartige Erfassungssysteme sind zum Beispiel verwendet worden, um Massenflussraten von unterschiedlichen Phasen abzuschätzen. Das Dokument DE 22 11 997 zeigt, dass der Ausgang eines kapazitiven Phasenmesssensors für gemischte Fluids verwendet wird, um eine Echtzeit-Prozesssteuerung zu erzielen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die voranstehend angegebenen Probleme zu vermeiden oder zu verbessern.
In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorarray (Sensorfeld) zum Erfassen der Verteilung von Fluids, die unterschiedliche elektrische Charakteristiken aufweisen, vorgesehen, umfassend einen Mehrschicht-Aufbau mit einer ersten Schicht, die ein Feld von voneinander beabstandeten Sensorelektroden definiert, einer zweiten Schicht, die von der ersten Schicht durch ein dielektrisches Material getrennt ist und einen leitenden Schirm definiert, und einer dritten Schicht, die von der zweiten Schicht durch ein dielektrisches Material getrennt ist und eine Reihe von voneinander beabstandeten länglichen Verbindungen definiert, wobei jeder Sensor mit einer jeweiligen Verbindung durch einen jeweiligen leitenden Pfad, der sich durch eine Öffnung in dem durch die zweite Schicht definierten leitenden Schirm erstreckt, verbunden ist.
Das Sensorfeld (Sensorarray) kann eine vierte Schicht umfassen, die von der dritten Schicht durch ein dielektrisches Material getrennt ist. Die vierte Schicht kann einen leitenden Schirm definieren, sodass die dritte Schicht zwischen den leitenden Schirmen, die durch die zweite und vierte Schicht definiert werden, eingebettet ist.
Das Sensorfeld kann eine fünfte Schicht, die von der dritten Schicht durch ein dielektrisches Material getrennt und einen leitenden Schirm definiert, und eine sechste Schicht, die von der vierten und fünften Schicht durch ein dielektrisches Material getrennt ist und eine weitere Reihe von voneinander beabstandeten länglichen Verbindungen definiert, umfassen. Gewählte Sensoren können mit jeweiligen weiteren Verbindungen durch jeweilige leitende Pfade verbunden werden, die sich durch Öffnungen in den leitenden Schirmen erstrecken, die durch die zweite und fünfte Schicht definiert werden.
Die Schichten können auf dielektrischen Boards (Platten) gestützt bzw. gehaltert werden, die das dielektrische Material definieren, welches benachbarte Schichten trennt. Die oder jede Schicht, die längliche Verbindungen definieren, können einen leitenden Schirm beinhalten, der sich zwischen jedem benachbarten Paar von länglichen Verbindungen erstreckt.
Die erste Schicht kann einen leitenden Schirm beinhalten, der von den Sensorelektroden beabstandet ist und eine Reihe von Öffnungen definiert. Jede Sensorelektrode kann innerhalb von einer jeweiligen Öffnung angeordnet sein. Die leitenden Pfade können durch Durchloch-Plattierungsstrukturen definiert werden, die durch Öffnungen in dem dielektrischen Material gebildet sind. Die erste Schicht, die das Feld von Sensorelektroden definiert, kann durch ein dielektrisches Material abgedeckt sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Sensorfelds, welches die Trennung bzw. Separation eines Öl-Wasser-Gemischs überwachen kann;
2 eine schematische Darstellung eines vertikalen Felds von Kapazitäts- und Drucksensoren, die verwendet werden können, um die Position eines Übergangs bzw. einer Schnittfläche zwischen Komponenten eines Öl-Wasser-Gemischs zu überwachen;
3 eine schematische Darstellung eines Separatorbehältnisses, welches Separatoren mit geneigten Platten und Wehr-Platten beinhaltet;
4, 5 und 6 jeweils vertikale axiale Querschnitte und vertikale transversale Querschnitte durch drei alternative Flusserfassungs-Aufbauten;
7 schematisch die Verteilung von Kapazitätssensor-Komponenten in zwei benachbarten Platten eines Separators mit geneigten Platten, wie derjenige, der in dem Aufbau eingebaut ist, der in 3 gezeigt ist:
8 mit weiteren Einzelheiten die Anordnung der in 7 gezeigten Sensoranordnung;
9 den Aufbau der 8 mit näheren Einzelheiten;
10 die Anordnung von zwei vertikalen Feldern von Sensoren in dem Wehr-Platten-Separator der 3;
11 eine sich vertikal erstreckende Struktur eines Typs, der in die Anordnung der 3 eingebaut ist; und
12 eine Steueranordnung einer T-Übergangs-Separatorstufe, die stromaufwärts von dem Separatoraufbau der 3 eingebaut werden kann;
13 eine spezifische Konfiguration eines vertikalen Felds von Sensoren des Typs, der schematisch in 2 gezeigt ist;
14 eine alternative Konfiguration eines vertikalen Felds von Sensoren des Typs, der schematisch in 2 gezeigt ist;
15 eine Querschnittsansicht einer alternativen Konfiguration eines vertikalen Felds von Sensoren des Typs, der schematisch in 2 gezeigt ist;
16 eine Reihe von Schichten, die zusammen ein vertikales Feld von Sensoren des Typs umfassen, der schematisch in 2 gezeigt ist;
17 schematisch einen Querschnitt einer Reihe von Schichten, die zusammen ein vertikales Feld von Sensoren des Typs umfassen, der schematisch in 2 gezeigt ist;
17a schematisch einen ausführlicheren Querschnitt der Schichten, die in 17 gezeigt sind;
18 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch eine Quelle und einen Detektor, die in einem halbkugelförmigen Gehäuse untergebracht sind;
19 eine Darstellung einer Quelle und eines Detektors, wobei das vorhandene elektrische Feld gezeigt wird, wenn eine Spannung an die Quelle angelegt wird;
20 eine schematische Ansicht eines Querschnitts durch das Separatorbehältnis der 3, wobei ein Feld von Kapazitätssensoren und Öl und Wasser, die in dem Behältnis in getrennten Schichten gehalten werden, gezeigt sind;
21 einen Abschnitt des Felds von Kapazitätssensoren, die in 20 gezeigt sind;
22 einen Graph, der eine Anzahl von Kapazitätsprofilen darstellt, die unter Verwendung eines Arrays (Felds) erhalten werden, welches eine Reihe von Elektroden umfasst, während ein Übergang zwischen zwei Medien durch das Separatorbehältnis der 20 durchquert wurde;
23 einen Graph, der Daten von 21 darstellt, wobei diese Daten mathematisch transformiert worden sind; und
24 einen Graph, der eine Computersimulation darstellt, die den in 23 gezeigten Daten entspricht.
Bezugnehmend auf 1 umfasst das dargestellte System ein Rohr 1 mit rechteckförmigem Querschnitt, wobei innerhalb eines oberen Abschnitts davon eine Quellenelektrode 2 eingebettet ist. Vier Erfassungselektroden 3 sind an axial beabstandeten unteren Abschnitten des Rohrs 1 eingebettet. Signale, die an den Elektroden 3 erfasst werden, werden an ein Kapazitätsmessgerät 4 geliefert, dessen Ausgang an ein Datensammelsystem 5 angelegt wird. Der Ausgang des Datensammelsystems 5 wird an einen Computer 6 angelegt, der eine Abschätzung der Position eines Übergangs 7 zwischen Öl- und Wasser-Komponenten des Flusses (dargestellt mit dem Pfeil 8) innerhalb des Rohrs 1 erzeugt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Position der Schnittstellen bzw. Übergänge 7 innerhalb des Rohrs sich über der Zeit verändern werden und dass sich die ergebenden Änderungen in dem dielektrischen Koeffizienten des Bereichs zwischen jeder Elektrode 3 und der Quellenelektrode 2 verändern werden. Derartige Veränderungen ermöglichen, dass eine Abschätzung der relativen Volumen der unterschiedlichen Phasen, die durch das Rohr 1 treten, gemacht werden.
2 ist eine schematische Darstellung eines Sensorfelds, welches verwendet werden kann, um den Ort eines Übergangs zwischen unterschiedlichen Phasen in einem relativ großen Behältnis, über das sich das dargestellte Feld erstreckt, verwendet werden kann. Die dargestellte Anordnung umfasst eine Halterung 9, auf der Thermoelemente 10 positioniert sind, um zu ermöglichen, dass eine Temperaturkompensation von Sensorausgängen erreicht wird. Auf der Halterung 9 ist ein Unteraufbau 11 angebracht, der ein vertikal beabstandetes Feld von piezoelektrischen Druckwandlern 12 und ein vertikal beabstandetes Feld von eingebetteten Kapazitätssensoren 13 haltert. Wenn das Feld in ein Gefäß eingetaucht wird, welches zwei vertikal getrennte Schichten enthält, zum Beispiel Öl und Wasser, ermöglichen Ausgänge von den Sensoren, dass eine Abschätzung der vertikalen Position des Übergangs zwischen den verschiedenen Schichten gebildet wird.
Bezugnehmend nun auf 3 zeigt diese schematisch einen Separator zur Verwendung bei der Trennung von Wasser, Öl und Gas-Komponenten aus einem Ölloch-Produktionsfluss. Der Sensor umfasst ein Einschlussbehältnis 14 mit einem Einlass 15, einem Gasauslass 16, einem Auslass 17 für das produzierte Wasser, und einem Ölauslass 18. Rohrsensoren, zum Beispiel des in 1 dargestellten Typs, werden als Komponente 19 auf dem Einlass 15 und Komponenten 20, 21 und 22 auf den Auslässen 16, 17 und 18 dargestellt. Ein weiterer Auslass 23 ist für die Abgabe von gesammelten Festkörpern vorgesehen, und Einlässe 24 sind vorgesehen, um zu ermöglichen, dass die abgelagerten Festkörper in eine Bewegung versetzt werden. Festkörper werden im Allgemeinen periodisch abgegeben und deshalb wird die dynamische Steuerung des Ausgangs 23 und des Eingangs 24 nicht benötigt. Dieses Merkmal des Betriebs des Separators wird deshalb hier nicht weiter beschrieben.
Das Separatorbehältnis 14 nimmt einen Separator 25 mit schrägen Platten, einen sich vertikal erstreckenden Wehr-Platten-Separator 26, einen Öl/Gas-Separator 27 und drei Sensorfelder 28, 29 und 30 auf. Mit der Ausnahme der Anordnungen, die auf den Einheiten gehaltert sind, sind die Separatoren 25, 26 und 27 herkömmlich. Die Sensorfelder 28, 29 und 30 sind von dem allgemeinen Typ, der unter Bezugnahme auf 2 beschrieben wird. Die Separatorplatten 25 stützen drei vertikale Felder 31 von Kapazitätssensoren. Der Wehr-Platten-Separator 26 stützt zwei vertikale Felder von Kapazitätssensoren 32 und angewinkelte Platten in dem Separator 27 halten jeweils einen Kapazitätssensor. Die verschiedenen Erfassungs-Aufbauten sind über Signalverarbeitungseinheiten 33, 34, 35 und 36 mit einem Controller 38 verbunden, der wiederum angeordnet ist, um Ventile 39, 40, 41 und 42 zu steuern, die jeweils auf dem Einlass und auf dem Gas-, Öl- und Wasser-Auslässen vorgesehen sind. Das Ventil 42 kann auch direkt durch die Signalverarbeitungseinheit 35 gesteuert werden, so dass dann, wenn der Öl/Wasser-Übergang auf der stromaufwärtsliegenden Seite der Wehr-Platte 26 über ein vorgegebenes Niveau ansteigt, das Ventil 42 zum Abgeben von Wasser offen ist. In ähnlicher Weise kann das Ventil 41 direkt durch ein Pegel-Messgerät 43 gesteuert werden, welches Öl durch das Ventil 41 automatisch abgibt, wenn der Öl/Gas-Übergang einen oberen Erfassungspegel 44 übersteigt, und das das Ventil 41 automatisch schließt, wenn der Öl/Gas-Übergang unter einen Erfassungspegel 45 fällt.
Die Sensorfelder 31 innerhalb des Platten-Seperators 25 ermöglichen, dass der Übergang zwischen irgendeinem Fluss einer Emulsion, die Wasser und Öl trennt, genau lokalisiert wird. Die Sensorfelder 28, 29, 30 und 32 ermöglichen die Überwachung der Effizienz des Trennungsprozesses in der Richtung des Flusses durch den Separator. Diese Information wird an den Controller 38 geliefert, der dann die geeignete Steuerung der Einlass- und Auslassventile sicherstellt, um geeignete Fluss- und Druckbedingungen aufrecht zu erhalten, um zu verhindern, dass sich unerwünschte Umstände entwickeln, zum Beispiel ein Umstand derart, dass signifikante Volumen einer Emulsion in dem Separator stromabwärts von dem Separator 25 mit geneigten Platten vorhanden sind.
4 zeigt den ausführlichen Aufbau von einem möglichen Rohrsensor, der sich geringfügig von demjenigen der 1 unterscheidet. In der Anordnung der 4 sind fünf Ringe mit jeweils acht Platten 46 um die Achse eines kurzen mit einem Flansch versehenen Rohreinsatzes herum angeordnet. Geeignete Signale können an die Platten 46 so angelegt werden, dass die notwendigen Kapazitätsmessungen abgeleitet werden. In der Anordnung der 5, die ähnlich zu der in 1 gezeigten ist, ist eine einzelne untere Platte 47 gegenüberliegend zu fünf oberen Platten 48 angeordnet. In der Ausführungsform der 6 ist ein Kanal mit rechteckförmigem Querschnitt definiert, mit einzelnen Platten 49 in oberen und unteren Wänden.
7 zeigt den Sensoraufbau in zwei benachbarten Platten 50 des Separators 25 mit geneigten Platten der 3. Eine Platte trägt einen Leiter 51 mit einer kontinuierlichen Anregungsquelle, der auf ein Feld von Sensorelektroden 52 hin gerichtet ist. 8 ist eine Vorderansicht der Platte 50, die die Elektroden 52 trägt. Die Elektroden 52 werden von einer Schutzelektrode umgeben, um ein gleichförmiges elektrisches Feld vor den Erfassungselektroden 52, zwischen der Quelle (in 8 nicht gezeigt) und Erfassungselektroden 52, zu erhalten. Unter der Annahme eines Flusses von Öl, einer Öl-Wasser-Emulsion und Wasser in der Richtung des Pfeils 53 kann der Übergang zwischen der Emulsion und dem Öl angeordnet sein, wie mit der gestrichelten Linie 54 angedeutet, und der Übergang zwischen der Emulsion und Wasser kann angeordnet sein, wie mit der gestrichelten Linie 55 angezeigt. Es sei darauf hingewiesen, dass sich Signale, die von Sensoren abgeleitet werden, die benachbart zu dem Körper der Emulsion angeordnet sind, wesentlich von Signalen unterscheiden werden, die von Elektroden abgeleitet werden, die benachbart entweder zu den Öl- oder Wasserphasen angeordnet sind.
Der Controller 38 der 3 ist aufgebaut, um Änderungen in dem Ort der Übergänge 54 und 55 zu überwachen, wie in 8 gezeigt, um so zu verhindern, dass ein wesentlicher Abschnitt des Raums zwischen den geneigten Separatorplatten mit der Emulsion gefüllt wird.
9 zeigt einen strukturellen Aufbau, der verwendet werden kann, um Erfassungselektrodenfelder des Typs zu erhalten, die unter Bezugnahme auf 7 und 8 beschrieben werden. Jede der Platten umfasst eine elektromagnetische Abschirmung 56 und jeder der beabstandeten Erfassungselektroden 52 wird durch eine Schutzelektrode 57 umgeben. Die Elektroden können in der Form von leitenden Gebieten, die durch eine gedruckte Schaltungsplatine gehaltert werden und innerhalb eines Epoxidharzeinsatzes aufgenommen sind, der an den Platten 50 mit Schrauben 58 befestigt ist, sein. Die Platten könnten aus GRP gebildet werden.
10 zeigt zwei vertikale Felder von Erfassungselektroden 32, die in der Wehr-Platte 26 der 3 vorgesehen sind. Jedes Array bzw. Feld kann unabhängig überwacht werden, um so Vergleichsausgänge zwischen jedem vertikal ausgerichteten Paar und jedem vertikal benachbarten Paar bereitzustellen, wodurch die Erfassung von irgendeinem Betriebsfehler ermöglicht wird, der das Ansprechverhalten des Systems auf den Öl/Wasser-Übergang, der sich entweder dem oberen Teil des Wehrs oder dem Auslass 17 nähert, beeinträchtigen könnte.
11 zeigt mit näheren Einzelheiten den Aufbau eines Sensorfelds des Typs, der allgemein in 2 dargestellt ist und verwendet wird, um die Sensorfelder 28, 29 und 30 in 3 zu definieren. Der dargestellte Aufbau umfasst eine längliche Halterung 59, die ein vertikales Feld von Drucköffnungen 60 beinhaltet, die jeweils mit einem piezoelektrischen Drucksensor (nicht gezeigt) gekoppelt sind. Die Halterung 59 stützt bzw. haltert auch ein Feld von Erfassungselektroden 61, die durch die Schutzelektrode 62 umgeben sind. Eine Quellenelektrode 63 ist ebenfalls auf der Halterung 59 angebracht, und zwar beabstandet von den Erfassungselektroden 61 derart, dass der Raum zwischen den Elektroden mit dem Fluid innerhalb des Separators gefüllt ist. Eine mögliche Stelle für einen Öl-Emulsions-Übergang wird mit der Ebene 64 angedeutet, und ein möglicher Ort für einen Emulsions-Wasser-Übergang wird mit der Ebene 65 angedeutet. Es sei darauf hingewiesen, dass eine Überwachung der Ausgänge der Druck- und Kapazitätserfassungs-Wandlern ermöglichen wird, dass der Ort der Übergänge 64 und 65 genau bestimmt wird und dadurch ermöglicht wird, dass die genaue Steuerung des gesamten Prozesses sicherstellt, dass die Übergänge 64 und 65 innerhalb akzeptabler Grenzen beibehalten werden.
Bezugnehmend nun auf 12 zeigt diese einen anfänglichen Separator mit T-Übergang, der mit dem in 3 dargestellten Separator stromaufwärts von dem Einlass 15 verbunden sein kann. Ein Einlass 66 ist über ein Ventil 67 mit einem T-Übergang 68 gekoppelt, der über ein Ventil 69 mit einem Auslass 70 gekoppelt ist und direkt mit einem Auslass 71 gekoppelt ist. Flusssensoren 72, 73 und 74, zum Beispiel von dem Typ, der unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wird, sind auf dem Einlass zu dem und den Auslässen von dem T-Übergang 68 angeordnet. Ausgänge von diesen Sensoren werden in einer Signalverarbeitungseinheit 75 verarbeitet, die die Ventile 67 und 69 steuert.
Es ist bekannt, dass eine Zuführung eines Öl/Wasser-Gemischs an einen T-Übergang, wie beschrieben, bei dem die zwei Auslässe in vertikal entgegengesetzten Richtungen gerichtet sind, zu einer gewissen Trennung der zwei Komponenten führt, wobei Wasser dazu neigt vertikal herauszufließen und Öl dazu neigt vertikal nach oben zu fließen. Die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass dieser bekannte Effekt optimiert wird, und zwar durch Steuern des Flusses an den T-Übergang 68 und eines Rückdrucks innerhalb des T-Übergangs 68 durch eine geeignete Modulation der Steuerung, die an das Ventil 67 und 69 angelegt wird, gesteuert wird.
Dieses Dokument enthält keine ausführliche Formel, die Eingänge zu den Signalverarbeitungseinheiten und demzufolge Ventilsteuerausgängen verbindet. Ein ausführlicher Steueralgorithmus wird benötigt werden, der sich zwischen unterschiedlichen Anwendungen unterscheiden wird. Um die zugrunde liegende Konstruktionsphilosophie jedoch weiter zu erläutern werden relevante Bedingungen, die für einen Dreiphasen-Separator gelten, wie derjenige, der in 3 dargestellt ist, nachstehend diskutiert.
Der Einlassflusssensor 19 stellt Information über die relativen Größen der verschieden Phasen, die zu irgendeiner Zeit in den Separator hineinfließen, bereit. Steueraktionen könnten anwendbar sein, wenn zum Beispiel große Mengen von Wasser in das Behältnis eintreten.
Die sich vertikal erstreckenden Sensorfelder 28, 29 und 30 werden entlang der Richtung des Flusses durch den Separator verteilt, wobei eines (28) zwischen dem Einlass und dem Platten-Separator ist und ermöglicht, dass die Effizienz des Flussverteilungssystems überwacht wird. Wenn das Flussverteilungssystem teilweise durch Festkörper versperrt wird, dann würde sich der Massenfluss über das Separator-Behältnis ändern und dies würde den Trennungsprozess in dem Rest der Einheit ungünstig beeinflussen. Es würde möglich sein die Entwicklung von derartigen Bedingungen von dem stromaufwärts liegenden Feld 28 zu erfassen, Die zwei stromabwärts liegenden Felder 29 und 30 ermöglichen die Überwachung der Position und Tiefe von irgendwelchen heterogenen Schichten, wie Emulsionen zwischen Öl und Wasser, und Schaum zwischen Gas- und Öl-Phasen. Diese heterogenen Schichten sind manchmal in Bewegung und bauen sich lokal in dem Behältnis auf, insbesondere in Richtung auf die Wehr-Platte 26 hin. Wenn ein Feld von Sensoren in der Wehr-Platte selbst eingebettet ist, wie mit den Elektroden 32 in 3 gezeigt, gibt dies zusätzliche Information über die Position von verschiedenen Phasengrenzen an dem stromabwärts liegenden Ende des Trennungssystems. Die Ausgänge der zwei vertikalen Felder 29 und 30 und der Wehr-Platte 26 ermöglichen eine optimierte Steuerung des Wasserauslassventils 42. Signale von den Wehr-Platten-Sensorelektroden 32 würden besonders nützlich sein, um Alarmsignale zu erzeugen, wenn die heterogene Flüssigkeits-Flüssigkeits- oder in der Tat die erzeugte Wasser-Schicht selbst ansteigen, um in der Nähe des oberen Teils der Wehr-Platte zu sein. Wenn sich diese Bedingung entwickelt hat, dann würde die Mitnahme von Wasser in dem getrennten Öl schnell ansteigen. Die Instrumente stromabwärts von dem Platten-Separator 25 würden ermöglichen, dass derartige Bedingungen vermieden werden.
Innerhalb des Separator-Plattenaufbaus 25 ermöglichen die drei ausgerichteten Felder von Elektroden 31, dass eine Anzeige der Massenflussverteilung erhalten wird, die in das Plattensystem eintritt. Es würde auch anzeigen, wenn Festkörper beginnen, sich in dem Behältnis stromaufwärts von dem Plattenaufbau und innerhalb des Plattenaufbaus selbst aufbauen. Es sei darauf hingewiesen, dass dann, wenn Festkörper beginnen sich zwischen den Separatorplatten aufzubauen, die Trennungseffizienz schnell verschlechtert werden wird. Die vorliegende Erfindung stellt Echtzeit-Messungen bereit, die eine Ansammlung von Festkörpern in dem System anzeigen.
Innerhalb des Separators mit schrägen Platten ermöglicht die axiale Trennung der drei Felder von Sensorelektroden 31 die Überwachung des Trennungsprozesses in der axialen Richtung. Zwei Bedingungen, die sich entwickeln würden und die einen Verlust der Trennungseffizienz hervorrufen würden, sind eine Versperrung, das heißt ein lokaler Aufbau von einer der Phasen, und eine Instabilität, das heißt eine Instabilität des Übergangs zwischen Wasser und Öl in den individuellen Kanälen, die zwischen benachbarten Platten definiert sind. Beide Bedingungen rufen eine schnelle Mitnahme der diskontinuierlichen Phase und einen Abfall in dem gesamten Trennungsverhalten hervor. Diese Bedingungen können mit den Sensorelektroden-Feldern, wie gezeigt, überwacht werden. Durch Analysieren des Ausgangs von allen verschiedenen Sensorfeldern, kann eine Steuerstrategie entwickelt werden, um einen Betrieb innerhalb einer vordefinierten gewünschten Einhüllenden aufrecht zu erhalten.
Der Einbau von Sensoren in dem ansonsten herkömmlichen Separator 27, der auf dem Gasauslass zum Beseitigen von Nebel vorgesehen ist, ermöglicht, dass irgendein Aufbau in Flüssigkeit innerhalb des Separators erfasst wird. Wenn sich eine Flüssigkeit aufbaut, dann steigt die Wahrscheinlichkeit einer Nebel-Mitnahme in dem Gasauslass an. Eine Mitnahme von Flüssigkeit in dem Gas, welches das Behältnis verlässt, kann schwierige Verarbeitungs- und Sicherheitsbedingungen in stromabwärts liegenden Prozessen erzeugen.
Obwohl der Controller 38, wie unter Bezugnahme auf 3 beschrieben, nur verwendet wird, um Einlass- und Auslass-Ventile zu steuern, sei darauf hingewiesen, dass der Controller auch verwendet werden kann, um die Einspritzung von chemischen Stoffen- zu steuern, um eine Phasentrennung zu verbessern, zum Beispiel durch Unterbinden der Bildung von Emulsionen und Schaum.
Die in 2 gezeigte Sensoranordnung und wie 28, 29 und 30 in 3 kann durch eine alternative Anordnung, die in 13 gezeigt ist, ersetzt werden. Eine Reihe von Sensoren in diesem Fall sind Elektroden 76 zum Messen der Kapazität. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Anordnung von Quellen, die von parallelen Detektoren beabstandet angeordnet sind, die erlauben, dass Fluid zwischen ihnen fließt, sind die Elektroden 76 auf einer einzelnen Oberfläche 77 angeordnet. Dies vermeidet die Möglichkeit, dass feste Materie zwischen den Elektroden 76 eingefangen wird. Jede Elektrode 76 kann als entweder eine Quelle (eines elektrischen Felds) oder ein Detektor (des elektrischen Felds) durch eine geeignete Schalt-Schaltungsanordnung verwendet werden und die Kapazität wird zwischen Paaren von Elektroden (wahrscheinlich benachbarten Elektroden, aber nicht notwendigerweise) gemessen.
Eine alternative Konfiguration des Sensorfelds ist in 14 gezeigt. Die Elektroden dieses Felds umfassen eine Reihe von Ringen 78, die in regelmäßigen Intervallen entlang eines Stabs 79 angeordnet sind. Ein möglicher Betriebsmodus des Felds ist schematisch angedeutet, wobei jeder der Ringe 78, die mit 's' bezeichnet sind, als eine Quelle wirken, und der Ring 78, der mit 'det' bezeichnet ist, als ein Detektor wirkt.
15 zeigt eine weitere alternative Konfiguration des Sensorfelds. Eine 'V' Form wird in einem Stab 80 hineingeschnitten, und eine Quelle 81 wird in einer Stirnfläche positioniert und eine Reihe von Detektoren 82 wird entlang der anderen Stirnfläche des 'V' beabstandet angeordnet. Dieses Sensorfeld ist dahergehend herkömmlich, dass es eine einzelne Quelle 81, die nicht als ein Detektor arbeiten kann, und eine Reihe von Detektoren 82, die von der Quelle 81 weg beabstandet sind, umfasst, wobei diese Detektoren nicht als eine Quelle arbeiten können. Diese Feldkonfiguration (Array-Configuration) ist gegenüber herkömmlichen Konfigurationen dahingehend vorteilhaft, dass es unwahrscheinlich ist, dass festes Material zwischen den Stirnflächen 'V' eingefangen wird. Ein typischer Winkel, der durch die Stirnflächen des 'V' aufgespannt wird, beträgt 120 Grad. Schirme 83 sind hinter den Quellen 81 und den Detektoren 82 angeordnet.
Ein Feld von Elektroden, die einen minimalen unerwünschten „Nebensprech-"Effekt zwischen Elektroden und Verbindungen zu Elektroden aufweist, ist in 16 dargestellt. Das Feld umfasst sechs Schichten einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB) 84–89, die aufeinander gebunden sind, wie in 17 gezeigt. Die dunklen (ausgezogenen) Bereiche in 16 entsprechen einem leitenden Material.
Eine erste der Schichten 84 des Felds umfasst eine Reihe von Elektroden 90, die von einer Schutzelektrode 91 umgeben sind. Eine zweite Schicht 85 umfasst einen Abschirmungsleiter 92, wobei elektrische Verbindungen 93 zu signalführenden Verbindungen in weiteren Schichten des Felds führen.
Eine dritte Schicht 86 enthält signalführende Verbindungen 94 und einen Abschirmungsleiter (94b), der zwischen den Verbindungen 94 in der dritten Schicht 86 ein „Nebensprechen" verhindert. In dem vorliegenden Beispiel ermöglicht die Schicht 86 Verbindungen von 10 Elektroden 90 der Schicht 84, über elektrische Verbindungen 93 in der zweiten Schicht 85 an „Lötpunkte" 95 an einem oberen Ende der dritten Schicht 86.
Eine vierte Schicht 87 ist im Wesentlichen die gleiche wie die Schicht 85. Sie schirmt die dritte Schicht 86 von einer fünften Schicht 88 ab, stellt aber elektrische Verbindungen zwischen Elektroden 90 und signalführenden Verbindungen 94 in der fünften Schicht 88 bereit.
Die fünfte Schicht 88 ist vom Konzept her ähnlich zu der dritten Schicht 86 und stellt Verbindungen von acht verbleibenden Elektroden 90 zu den „Lötpunkten" 95 an einem oberen Ende der Schicht 88 bereit. Die signalführenden Verbindungen 94 werden voneinander durch den Leiter 94b abgeschirmt. Die sechste Schicht 89 dient als eine Abschirmung zwischen der Schicht 88 und einer externen Umgebung.
Für Kapazitätsmesselektroden wird im Allgemeinen dann, wenn die Oberfläche einer Verbindung zu einer gegebenen Elektrode vergleichbar mit der Oberfläche von dieser Elektrode wird, die gemessene Kapazität durch die Verbindung beeinflusst werden. Wenn eine herkömmliche 'dipstick' ('Messstab') Anordnung von Elektroden in ein Medium mit einer gegebenen Permittivität eingetaucht wird, dann sollte jede Elektrode die gleiche Kapazität messen. Jedoch ist der Effekt der Oberflächen der Elektrodenverbindungen derart, dass diejenigen Elektroden, die nahe zu einem unteren Ende des Messstabs sind, eine größere Kapazität messen werden, als diejenigen, die nahe zu einem oberen Ende des Messstabs sind. Das Feld von Elektroden, welches in den 16 und 17 dargestellt ist, vermeidet dieses Problem durch Abschirmen der Elektroden 90 von den signalführenden Verbindungen 94 und der signalführenden Verbindungen 94 voneinander. Eine effiziente Abschirmung wird durch die leitenden Platten 92 der zweiten 85 und vierten 87 Schicht des Felds bereitgestellt, das ein Nebensprechen zwischen den Schichten 84, 86 und 88 verhindert.
Um ein gewünschtes Betriebsverhalten der Sensoren zu erhalten ist es erforderlich die folgenden Komponenten „hart zu verdrahten":
(i) Schutzelektrode 91, (ii) Abschirmungsleiter 92 in der zweiten Schicht 85, (iii) Abschirmungsleiter 94b in der dritten Schicht 86, (iv) Abschirmungsleiter 92 in der vierten Schicht 87, (v) Abschirmungsleiter 94b in der fünften Schicht 88, (vi) Abschirmungsleiter, umfassend die sechste Schicht 89, an so vielen Stellen wie möglich. In dem diskutierten Beispiel ist dies durch den Prozess einer „Durchloch-Plattierung" erreicht worden, während die Sensoren unter Verwendung einer Technologie für gedruckte Schaltungsplatinen (PCB) hergestellt wurden. Die Verbindungen sind in 16 weggelassen.
Verbindungen zwischen den Elektroden 90, den Verbindungen 93 in den Schichten 85 und 87, und signalführenden Verbindungen 94 in den Schichten 86 und 88 wurden in ähnlicher Weise unter Verwendung einer „Durchloch-Plattierungs-"Technik gebildet.
Die Technik einer Abschirmung zwischen einzelnen Schichten in der „Sandwich" Anordnung, die unter Bezugnahme auf 16 beschrieben wurde, sowie zwischen einzelnen signalführenden Verbindungen in den Schichten 86 und 88 der 16 ist vorteilhaft, weil sie beides erlaubt:

– Eine Vermeidung eines Nebensprechens zwischen Signalen von einzelnen Elektroden; sowie
– die Verwendung von jeder Elektrode als eine Quelle oder ein Detektor, wie unter Bezugnahme auf 13 beschrieben. Wenn die Verbindungen zu den Elektroden nicht abgeschirmt wären, dann würde ein „Nebensprechen" zwischen den Quellen und den Detektoren auf das gemessene Signal auferlegt werden, was die Genauigkeit einer Messung signifikant verringert.

Das Feld der 16 ist lediglich ein Beispiel von zahlreichen möglichen Vorgehensweisen zum Abschirmen der signalführenden Verbinder. Ein Querschnitt durch ein verallgemeinertes Feld von Elektroden ist in 17 gezeigt. Eine oberste Oberfläche und eine unterste Oberfläche des Felds sind von einem Laminat 97 gebildet. Eine Reihe von Elektroden 98 sind über eine Reihe von Abschirmungen 99 mit einer Reihe von Verbindern 100 verbunden. Die Anzahl von Elektroden, Abschirmungen und Verbindern kann auf irgendeinen erforderlichen Zweck zugeschnitten werden.
Ein verallgemeinertes Feld des in 17 gezeigten Typs ist mit näheren Einzelheiten in 17a gezeigt. Der Querschnitt der 17a ist über einer Breite eines Felds. Ein Laminat 97 bildet wiederum die oberen und unteren Oberflächen des Felds. Eine Erfassungselektrode 98 ist mit einer Schutzelektrode 98a auf jeder Seite versehen. Eine Reihe von Abschirmungsschichten 99 trennen die Erfassungselektrode von einer Reihe von signalführenden Verbindungen 100. Jede signalführende Verbindung 100 ist von ihren Nachbarn durch Trennungsleiter 100a isoliert.
18 zeigt eine Quelle 101 und einen Detektor 102, die auf parallelen Stirnflächen von zwei Teilen 103 eines kreisförmigen Stabs (wobei ein mittlerer Abschnitt entfernt ist) angeordnet sind. Eine Abschirmung 104 befindet sich hinter sowohl der Quelle 101 als auch dem Detektor 102. Die Anordnung des Detektors/der Abschirmung in der Bodenhälfte der 18 wird wahrscheinlich das verallgemeinerte Feld von 16 und 17 sein. Die Halterungen 103, die dargestellt sind, sind Gehäuse, die aus Metall oder aus einem dielektrischen Material konstruiert sein können. Wenn ein dielektrisches Material verwendet wird ist ein elektrisches Feld, welches von der Quelle 101 erhalten wird, näher ein gleichförmiges Feld zu sein, als dasjenige, welches erhalten wird, wenn eine Metallhalterung 103 verwendet wird.
Die 19a und 19b zeigen eine Quelle und einen Detektor, der in 18 dargestellten Form, die in einem Metallgehäuse gehalten sind. Wenn die Quelle und der Detektor in Luft angeordnet werden (19a), ist das erhaltene elektrische Feld nahezu parallel, aber wenn sie in Wasser eingetaucht werden (19b), verschlechtert sich das Feld signifikant. Wenn die Permittivität der Medien, die den Detektor und die Quelle umgeben, erhöht wird, wird somit die Qualität des erhaltenen elektrischen Felds verschlechtert. Im Gegensatz dazu, wenn die Quelle und der Detektor in einem dielektrischen Gehäuse gehalten werden (19c und 19d) dann ist das erhaltene elektrische Feld nahezu parallel sowohl in Luft (19c) als auch im Wasser (19d). Somit ist das dielektrische Gehäuse vorteilhaft, weil es ein elektrisches Feld bereitstellt, welches nahezu parallel ist, wenn der Detektor und die Quelle in Medien eines Bereichs von Permittivitäten angeordnet sind.
20 zeigt einen Querschnitt des Separatorbehältnisses der 3, das Wasser, Öl und Luft in drei Schichten enthält. Ein Separator 105 mit geneigten Platten ist mit einem Feld 106 von Kapazitätssensoren versehen. Ein Abschnitt des Felds 105 ist mit näheren Einzelheiten in 21 dargestellt. Eine obere Elektrode des Felds ist eine Quelle 107 und die unteren Elektroden sind eine Reihe von vier Detektoren 108.
Das Feld kann kalibriert werden, um eine Erfassung der Position des Öl/Wasser-Übergangs auf eine Genauigkeit besser als die Höhe von einer Elektrode 108 zu ermöglichen. Die Kalibrierungsprozedur umfasst:

– Versetzung des Übergangs in einer vertikalen Richtung in kleinen Schritten (wenigstens einige wenige Schritte pro Elektrodenhöhe) entlang der gesamten Länge des Felds 105;
– Speichern der Differenzen der Messwerte von sämtlichen benachbarten Paaren von Elektroden (Z. B.: ... C_k–2-Ck_k–1, Ck_k–1-C_k, C_k-C_k+1, C_k+1-C_k+2, ...).

Die obigen Differenzen sind null (unter der Annahme, dass die Elektroden identisch und weit von „Rand" Effekten, die nahe zu Enden des Felds auftreten, sind), wenn die Paare von benachbarten Elektroden 108 in das gleiche Medium (Öl oder Wasser) eingetaucht werden. Wenn jedoch die zwei benachbarten Elektroden 108 in unterschiedlichen Medien sind, erreicht die Differenz zwischen ihren Messwerten ein Maximum. Sämtliche „dazwischenliegenden" Übergangs-Positionen erzeugen „dazwischenliegende" Werte C_k-C_k+1, und diese werden verwendet, um die Position des Übergangs mit einer hohen Auflösung zu identifizieren.
22 zeigt eine Anzahl von Kapazitätsprofilen, die für ein Feld erhalten werden, welches eine Reihe von 18 Elektroden umfasst, während ein Schnittstellen-Niveau durch das Behältnis durchquert wurde.
23 zeigt Daten von der 22, die von zwei Elektroden des Felds gelesen werden. Die Daten sind in Koordinaten (C₁₀-C₉) über der Ölschicht-Dicke (oder einer beliebigen Position des Übergangs) „transformiert" worden. Diese „spitzen-artige" Funktion ist einzigartig für eine gegebene Medium-Permittivität. Durch Betrachtung von Unterschieden zwischen benachbarten Elektroden kann die Position des Übergangs mit einer größeren Genauigkeit als die Höhe einer Elektrode festgestellt werden.
24 zeigt eine Computersimulation, bei der eine Permittivität von destilliertem Wasser (ε_τ = 80) durch unterschiedliche Werte (50, 20 und 5,6) ersetzt wurde. Die Art der Kalibrierungskurve bleibt unverändert, aber das Maximum verändert sich. Dies bedeutet die Notwendigkeit für getrennte Kalibrierungen für sämtliche Kombinationen von Medien, für die das Sensorfeld verwendet werden soll.

Claims

Sensorfeld zum Erfassen der Verteilung von Fluids, die unterschiedliche elektrische Charakteristiken aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass es umfasst einen Mehrschicht-Aufbau mit einer ersten Schicht (84), die ein Feld von voneinander beabstandeten Sensorelektroden (90) definiert, einer zweiten Schicht (85), die von der ersten Schicht durch ein dielektrisches Material getrennt ist und einen leitenden Schirm (92) definiert, und einer dritten Schicht (86), die von der zweiten Schicht (85) durch ein dielektrisches Material getrennt ist und eine Reihe von voneinander beabstandeten länglichen Verbindungen (94) definiert, wobei jeder Sensor (90) mit einer jeweiligen Verbindung (94) über einen jeweiligen leitenden Pfad, der sich durch eine Öffnung (93) in dem durch die zweite Schicht (85) definierten leitenden Schirm erstreckt, verbunden ist.
Sensorfeld nach Anspruch 1, umfassend eine vierte Schicht (87), die von der dritten Schicht (86) durch ein dielektrisches Material getrennt ist und einen leitenden Schirm definiert, derart, dass die dritte Schicht (86) zwischen den leitenden Schirmen, die von den zweiten und vierten Schichten (85, 87) definiert werden, eingebettet ist.
Sensorfeld nach Anspruch 2, umfassend eine fünfte Schicht (89), die von der dritten Schicht (86) durch ein dielektrisches Material getrennt ist und einen leitenden Schirm definiert, und eine sechste Schicht (88), die von der vierten und fünften Schicht (87, 89) durch ein dielektrisches Material getrennt ist und eine weitere Reihe von voneinander beabstandeten länglichen Verbindungen (94) definiert, wobei gewählte Sensoren (90) mit jeweiligen weiteren Verbindungen (94) über jeweiligen leitende Pfade (96), die sich durch Öffnungen in den von der zweiten und fünften Schicht (85, 89) definierten leitenden Schirmen erstrecken, verbunden sind.
Sensorfeld nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die Schichten (84, 85, 86, 87, 88, 89) auf dielektrischen Boards gestützt werden, die das dielektrische Material definieren, welches benachbarte Schichten trennt.
Sensorfeld nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die oder jede Schicht (86, 88), die längliche Verbindungen definiert/definieren, einen leitenden Schirm (94b) beinhaltet, der sich zwischen jedes angrenzende Paar von länglichen Verbindungen (94) erstreckt.
Sensorfeld nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die erste Schicht (84) einen leitenden Schirm, der von den Sensorelektroden (90) beabstandet ist und eine Reihe von Öffnungen definiert, beinhaltet, wobei jede Sensorelektrode innerhalb einer jeweiligen Öffnung angeordnet ist.
Sensorfeld nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die leitenden Pfade durch Durchloch-Plattierungsaufbauten definiert werden, die durch Öffnungen (93) in dem dielektrischen Material gebildet sind.
Sensorfeld nach irgendeinem vorangehenden Anspruch, wobei die erste Schicht (84), die das Feld von Sensorelektroden definiert, mit einem dielektrischen Material abgedeckt ist.