RU2397479C1

RU2397479C1 - Device for measuring volume ratio of liquid phase in stream of liquid-natural gas mixture

Info

Publication number: RU2397479C1
Application number: RU2009131992/28A
Authority: RU
Inventors: Игорь Николаевич Москалев (RU); Игорь Николаевич Москалев; Иван Григорьевич Вышиваный (RU); Иван Григорьевич Вышиваный; Валентин Ефимович Костюков (RU); Валентин Ефимович Костюков; Петр Алексеевич Почтин (RU); Петр Алексеевич Почтин; Вадим Борисович Беляев (RU); Вадим Борисович Беляев; Александр Борисович Тихонов (RU); Александр Борисович Тихонов; Вячеслав Алексеевич Морев (RU); Вячеслав Алексеевич Морев
Priority date: 2009-08-24
Filing date: 2009-08-24
Publication date: 2010-08-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: device has a frequency control unit, a microwave generator, a power divider, a measurement microwave resonator, a reference microwave resonator, an amplitude detector for the measurement resonator, an amplitude detector for the reference resonator, a frequency measurement and processing unit, a pressure sensor and a temperature sensor. The measurement and reference microwave resonators have identical electrical characteristics and are made in form of open cylindrical resonators. The cylindrical cavity of the measurement microwave resonator used is the volume of the neck of the tapering device of the measurement section.

EFFECT: possibility of measuring volume ratio of the liquid phase in a stream of a liquid-gas mixture (LGM) without disturbing the stream and reduced instability of the output signal of the amplitude detector, which reduces errors of the measured quantities and shortens the measurement time.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано на скважинах, кустах скважин или участках первичной переработки газоконденсатных промыслов для определения объемной доли жидкости в потоке газожидкостной смеси (ГЖС) в рабочих условиях.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in wells, well clusters or in areas of primary processing of gas condensate fields to determine the volume fraction of liquid in a gas-liquid mixture stream (GHS) under operating conditions.

Известно устройство определения относительных пропорций нефти, газа и воды в потоке сырой нефти в трубопроводе по патенту США [1]. Посредством помещения соосно на трубу из диэлектрического материала множества LC резонаторов, основным элементом которых является небольшие катушки индуктивности, измеряют изменение их резонансных частот при наличии потока и по этим данным вычисляют пропорции нефти, воды и газа, протекающих через трубу.A device for determining the relative proportions of oil, gas and water in the flow of crude oil in the pipeline according to US patent [1]. By placing a plurality of LC resonators coaxially on a pipe of dielectric material, the main element of which is small inductors, the change in their resonant frequencies in the presence of flow is measured and the proportions of oil, water and gas flowing through the pipe are calculated from these data.

Основным недостатком данного устройства является его низкая чувствительность при большой объемной доле газа в потоке ГЖС (более 95%), что делает его непригодным к расходометрии потоков ГЖС в трубопроводах.The main disadvantage of this device is its low sensitivity with a large volume fraction of gas in the GHS flow (more than 95%), which makes it unsuitable for flow metering of GHS flows in pipelines.

Известно также устройство для определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке ГЖС природного газа по патенту РФ [2]. Оно состоит из измерительного закрытого резонатора, работающего в дециметровом диапазоне длин волн, устанавливаемого в зауженном сечении сужающего устройства в виде сопла и измерении электрических характеристик этого резонатора в отсутствии потока и при наличии его. Недостатком этого устройства является низкая чувствительность к потокам ГЖС с малым содержанием конденсатогазового и водогазового факторов (КГФ, ВГФ) и непригодность его использования на северных месторождениях страны (это устройство было разработано для сильно обводненных скважин Астраханского месторождения).A device is also known for determining the volume fractions of liquid hydrocarbon condensate and water in a GHS stream of natural gas according to the patent of the Russian Federation [2]. It consists of a measuring closed resonator operating in the decimeter wavelength range, installed in a narrowed section of the narrowing device in the form of a nozzle and measuring the electrical characteristics of this resonator in the absence of flow and in the presence of it. The disadvantage of this device is its low sensitivity to GHS flows with a low content of condensate-gas and water-gas factors (KGF, VGF) and the unsuitability of its use in the country's northern fields (this device was developed for heavily flooded wells of the Astrakhan field).

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является измеритель сечений жидкой фазы в устройстве определения покомпонентного расхода потока ГЖС продуктов газонефтедобычи в трубопроводе [3], выбранный за прототип. Сечение жидкой фазы S_ж и объемная доля жидкой фазы V_ж связаны между собой соотношением

, где V и S - объем и поперечное сечение потока, причем V=V_r+V_ж, S=Sг+S_ж, где V_r и S_r - объем и сечение газовой фазы потока. Измеритель сечений жидкой фазы содержит встроенную в трубопровод измерительную секцию с переходами от стандартного сечения к зауженному сечению (соплу), выполненными в виде конусообразного сужения с рифленой боковой поверхностью и кольцевым выступом с острой кромкой в конце одного из переходов, измерительный микроволновый открытый резонатор, содержащий два вогнутых зеркала, расположенных друг напротив друга на боковых стенках сопла; на двух других стенках сопла в зоне зеркал расположены продольные ребра треугольного профиля. Кроме того, измерительный резонатор содержит две плоскопараллельные диэлектрические пластины, расположенные напротив друг друга вплотную к зеркалам резонатора и закрывающие их полностью по всей площади.Closest to the proposed invention is a meter of cross sections of the liquid phase in the device for determining the component flow rate of the GHS flow of gas and oil products in the pipeline [3], selected for the prototype. The cross section of the liquid phase S _W and the volume fraction of the liquid phase V _W are interconnected by the ratio

where V and S are the volume and cross section of the flow, with V = V _r + V _w , S = Sg + S _w , where V _r and S _r are the volume and cross section of the gas phase of the flow. The liquid phase cross section meter contains a measuring section integrated in the pipeline with transitions from a standard section to a narrowed section (nozzle) made in the form of a cone-shaped narrowing with a corrugated side surface and an annular protrusion with a sharp edge at the end of one of the transitions, a measuring microwave open resonator containing two concave mirrors located opposite each other on the side walls of the nozzle; on the other two walls of the nozzle in the area of the mirrors there are longitudinal ribs of a triangular profile. In addition, the measuring resonator contains two plane-parallel dielectric plates located opposite each other close to the resonator mirrors and covering them completely over the entire area.

Недостатком измерителя являются сложность выполнения сопла и измерительного резонатора. Сопло имеет переходные конические участки с рифленой поверхностью и кольцевым выступом в конце одного из них; внутри сопла размещены зеркала резонатора. Далее, в зоне размещения зеркал резонатора выполнены продольные ребра треугольного профиля; на зеркалах требуется закрепление плоскопараллельных диэлектрических пластин. Все эти факторы вносят сильное возмущение в поток ГЖС, имеющий в узкой части скорости от 10 до 40 м/сек, и являются причиной нестабильного поведения потока в суженной части измерительной секции, что в свою очередь приводит к значительной флюктуации сигнала, снимаемого с выхода амплитудного детектора, и необходимости использования статистических методов накопления и обработки этого сигнала. В конечном счете это приводит к увеличению времени измерений, понижению точности и снижению надежности измерений.The disadvantage of the meter is the complexity of the nozzle and the measuring resonator. The nozzle has transitional conical sections with a corrugated surface and an annular protrusion at the end of one of them; resonator mirrors are located inside the nozzle. Further, in the zone of placement of the resonator mirrors, longitudinal ribs of a triangular profile are made; on mirrors, fixing plane-parallel dielectric plates is required. All these factors introduce a strong perturbation into the GHS flow, which in a narrow part of the velocity is from 10 to 40 m / s, and are the cause of the unstable behavior of the flow in the narrowed part of the measuring section, which in turn leads to significant fluctuation of the signal taken from the output of the amplitude detector , and the need to use statistical methods for accumulating and processing this signal. Ultimately, this leads to an increase in measurement time, a decrease in accuracy and a decrease in the reliability of measurements.

Техническим результатом предложенного изобретения является возможность измерения объемной доли жидкой фазы в потоке ГЖС, без возмущения потока ГЖС и уменьшение нестабильности выходного сигнала амплитудного детектора, что понижает погрешность измеряемых величин и сокращает время измерения.The technical result of the proposed invention is the ability to measure the volume fraction of the liquid phase in the GHS stream, without disturbing the GHS flow and reducing the instability of the output signal of the amplitude detector, which reduces the error of the measured values and reduces the measurement time.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения объемной доли жидкой фазы в потоке газожидкостной смеси природного газа, состоящем из встроенной в трубопровод измерительной секции с сужающим устройством, содержащей измерительный микроволновый резонатор, блока управления частотой, соединенного с микроволновым генератором качающейся частоты, выход которого соединен с входом делителя мощности, причем первый выход делителя мощности связан с блоком измерения и обработки частоты, второй - с входом измерительного микроволнового резонатора, заполняемого потоком ГЖС и выход которого соединен с амплитудным детектором измерительного резонатора, связанным с блоком измерения и обработки частоты, а третий выход делителя мощности связан с входом опорного микроволнового резонатора, размещенного в силовом корпусе и заполняемого газом, очищенного от жидкой фазы потока ГЖС, выход которого соединен с амплитудным детектором опорного резонатора, также связанного с блоком измерения и обработки частоты, к которому дополнительно подключены выходы датчиков давления и температуры, измерительный и опорный микроволновые резонаторы идентичны по электрическим характеристикам и выполнены в виде открытых цилиндрических резонаторов (ОЦР), причем в качестве цилиндрической полости измерительного микроволнового резонатора используется собственный объем горловины сужающего устройства измерительной секции.The technical result is achieved by the fact that in the device for measuring the volume fraction of the liquid phase in the flow of a gas-liquid mixture of natural gas, consisting of a built-in measuring section in the pipeline with a constricting device containing a measuring microwave resonator, a frequency control unit connected to a microwave oscillating frequency generator, the output of which connected to the input of the power divider, and the first output of the power divider is connected to the unit for measuring and processing the frequency, the second to the input of the measuring mic a wavelength resonator filled with a GHS flow and the output of which is connected to an amplitude detector of a measuring resonator associated with a frequency measuring and processing unit, and the third output of the power divider is connected to the input of the reference microwave resonator located in the power casing and filled with gas, purified from the liquid phase of the GHS flow the output of which is connected to an amplitude detector of the reference resonator, also connected to the frequency measuring and processing unit, to which the sensor outputs are additionally connected In terms of temperature and temperature, the measuring and reference microwave resonators are identical in electrical characteristics and are made in the form of open cylindrical resonators (OCR), and the intrinsic volume of the neck of the narrowing device of the measuring section is used as the cylindrical cavity of the measuring microwave resonator.

В торцах цилиндрической части сужающего устройства размещены кольцевые вставки из твердого диэлектрика с малыми потерями на рабочей частоте, плавно сопрягающие цилиндрическую и конические части сужающего устройства.At the ends of the cylindrical part of the constricting device placed ring inserts of solid dielectric with low losses at the operating frequency, smoothly matching the cylindrical and conical parts of the constricting device.

Устройство для измерения объемной доли жидкой фазы в потоке газожидкостной смеси природного газа поясняется следующими фигурами:A device for measuring the volume fraction of the liquid phase in the flow of a gas-liquid mixture of natural gas is illustrated by the following figures:

Фиг.1. Сужающее устройство для измерения объемной доли жидкой фазы.Figure 1. Narrowing device for measuring the volume fraction of the liquid phase.

Фиг.2. Часть устройства, предназначенного для отделения жидкой фазы от газа.Figure 2. Part of a device designed to separate the liquid phase from gas.

Фиг.3. Электрическая схема устройства.Figure 3. The electrical circuit of the device.

Фиг.4. Эпюры основных сигналов, характеризующих работу устройства.Figure 4. Plots of the main signals characterizing the operation of the device.

На фиг.1 изображено сужающее устройство (СУ) для измерения объемной доли жидкой фазы. На нем показаны: 1 - корпус СУ; 2 - передняя конусная часть СУ; 3 - задняя конусная часть СУ; 4 - центральная, цилиндрическая часть СУ («горловина»); 5 - присоединительные фланцы; 6, 7 - вставки из твердого диэлектрического материала с малыми потерями на рабочей частоте; 8 - волновод, связывающий цилиндрическую часть СУ с микроволновым генератором; 9 - волновод, связывающий цилиндрическую часть СУ с амплитудным детектором; 10 - волноводные фланцы; 11 - радиопрозрачные окна.Figure 1 shows a narrowing device (CS) for measuring the volume fraction of the liquid phase. It shows: 1 - the body of the SU; 2 - front conical part of the SU; 3 - the rear cone of the SU; 4 - the central, cylindrical part of the SU ("neck"); 5 - connecting flanges; 6, 7 - inserts of solid dielectric material with low losses at the operating frequency; 8 - waveguide connecting the cylindrical part of the control system with a microwave generator; 9 - a waveguide connecting the cylindrical part of the control system with an amplitude detector; 10 - waveguide flanges; 11 - radiotransparent windows.

Диаметр цилиндрической части СУ выбирается в 1,4-2,5 раза меньшим основного диаметра трубы. Все переходы в сужающем устройстве выполнены плавно, чтобы не возмущать газожидкостный поток, имеющий в зауженном сечении скорость ≈10÷40 м/с, никаких специальных мер для срыва пленки не принимается, т.к. при таких скоростях и типичных объемных содержаниях жидкой фазы от 1% до 3% толщина пленки крайне мала, и ее влиянием на результат измерений можно не считаться. Цилиндрическая часть сужающего устройства (горловина) выполнена из металла с хорошей проводимостью (или покрыто таким металлом). Его продольный размер I составляет один-два диаметра сопла. В таких полостях могут существовать стоячие электромагнитные волны высших порядков на частотах f=с\λ, λ<<l [4], где с - скорость света, λ - длина волны в свободном пространстве; т.е. на этих частотах такие полости являются открытыми цилиндрическими резонаторами (ОЦР).The diameter of the cylindrical part of the SU is selected 1.4-2.5 times smaller than the main diameter of the pipe. All transitions in the narrowing device are made smoothly so as not to disturb the gas-liquid flow, having a speed of ≈10 ÷ 40 m / s in the narrowed section, no special measures are taken to disrupt the film, because at such speeds and typical volumetric contents of the liquid phase from 1% to 3%, the film thickness is extremely small, and its influence on the measurement result can not be considered. The cylindrical part of the constricting device (neck) is made of metal with good conductivity (or coated with such metal). Its longitudinal size I is one to two nozzle diameters. In such cavities, there may be standing electromagnetic waves of higher orders at frequencies f = c \ λ, λ << l [4], where c is the speed of light, λ is the wavelength in free space; those. at these frequencies, such cavities are open cylindrical resonators (OCR).

Цилиндрическая часть СУ, отделенная диэлектрическими вставками 6 и 7, используется далее как измерительный микроволновый ОЦР. С помощью волновода 8 он возбуждается в области миллиметровых длин волн и эти колебания имеют достаточно высокую добротность Q - порядка 10³ [5].The cylindrical part of the SU, separated by dielectric inserts 6 and 7, is further used as a measuring microwave OCR. Using waveguide 8, it is excited in the region of millimeter wavelengths, and these oscillations have a fairly high Q factor - of the order of 10 ³ [5].

С целью повышения добротности ОЦР приняты меры для увеличения коэффициента отражения волноводных волн от торца резонатора. Для этого участки СУ в местах перехода конических частей СУ в цилиндрическую (поз.6 и 7) делаются из твердого диэлектрика с малыми потерями на рабочей частоте (например, плавленого кварца). Коэффициент отражения волны, распространяющейся по цилиндрическому волноводу, который образует цилиндрическая часть СУ 4, при этом резко возрастает из-за скачка волнового сопротивления. Эта мера обеспечивает высокую добротность измерительного резонатора (Q≥10³).In order to increase the quality factor of the OCR, measures were taken to increase the reflection coefficient of waveguide waves from the end of the cavity. For this, sections of the SU at the points of transition of the conical parts of the SU to the cylindrical (pos. 6 and 7) are made of a solid dielectric with low losses at the operating frequency (for example, fused silica). The reflection coefficient of the wave propagating along the cylindrical waveguide, which forms the cylindrical part of the SU 4, while increasing sharply due to a jump in wave resistance. This measure provides high quality factor of the measuring resonator (Q≥10 ³ ).

Поскольку ОЦР при диаметрах D>>λ имеют плотный спектр собственных частот, то система возбуждения такого резонатора и приема колебаний выполняется распределенной [6]. На фиг.1 она показана упрощенно как сосредоточенная.Since OCRs with diameters D >> λ have a dense spectrum of natural frequencies, the excitation system of such a resonator and the reception of oscillations is distributed [6]. In Fig.1 it is shown simplified as concentrated.

На фиг.2 показана часть устройства, предназначенного для разделения жидкой фазы от газа, который затем поступает в опорный микроволновый резонатор. На ней обозначено: 12 - трубка, по которой ГЖС поступает в канал приготовления «безжидкостного» газа, который по химическим и физическим свойствам идентичен газу в потоке ГЖС; 13 - датчик давления; 14 - датчик температуры; 15 - фильтр, отсекающий капельно-жидкую составляющую потока ГЖС; 16 - силовой корпус, содержащий опорный микроволновый резонатор; 17 - вентиль; 18 - трубка, подающая сухой газ на ротаметр, 19 - ротаметр, 20 - выкидная трубка.Figure 2 shows a part of a device designed to separate the liquid phase from gas, which then enters the reference microwave resonator. It is indicated on it: 12 - a tube through which the GHS enters the channel for the preparation of “non-liquid” gas, which is identical in chemical and physical properties to the gas in the GHS flow; 13 - pressure sensor; 14 - temperature sensor; 15 is a filter that cuts off the drip-liquid component of the GHS flow; 16 - power housing containing a reference microwave resonator; 17 - valve; 18 is a tube supplying dry gas to a rotameter, 19 is a rotameter, 20 is a flow tube.

Газ постоянно протекает сквозь опорный микроволновый резонатор 16. Его проток организуется вентилем 17, далее он по трубке 18 поступает на контрольный ротаметр 19, после чего сбрасывается в атмосферу через выкидную трубку 20. Перед тем как газ попадает в опорный микроволновый резонатор 16, он проходит через фильтр 15. Фильтр 15, предназначенный для отделения жидкой фазы от газообразной, может быть различной конструкции: керамический, с наполнением тканью Петрянова, электроосадительный и пр. Жидкая фаза скапливается во время работы в какой-либо емкости и периодически удаляется. Элементы, ответственные за сбор и удаление жидкости на фиг.2, не показаны.Gas constantly flows through the reference microwave resonator 16. Its flow is organized by a valve 17, then it passes through the pipe 18 to the control flowmeter 19, and then is discharged into the atmosphere through the flow tube 20. Before the gas enters the reference microwave resonator 16, it passes through filter 15. Filter 15, designed to separate the liquid phase from the gaseous, can be of various designs: ceramic, filled with Petryanov’s fabric, electro-deposition, etc. The liquid phase accumulates during operation in any container awns and is removed periodically. The elements responsible for collecting and removing liquid are not shown in FIG. 2.

На фиг.3 показана электрическая схема устройства. Она содержит: 21 - блок управления частотой; 22 - микроволновый генератор с качающейся (модулируемой по линейному закону) частотой; 23 - делитель мощности; 24 - измерительный микроволновый резонатор; 25 - опорный микроволновый резонатор; 26 - амплитудный детектор измерительного резонатора, 27 - амплитудный детектор опорного резонатора; 28 - блок измерения и обработки частоты. Опорный микроволновый резонатор 25 выполнен идентичным по электрическим характеристикам (собственной частоте и добротности) измерительному микроволновому резонатору 24 и помещен в силовой корпус, выдерживающий рабочее давление; 13 - датчик давления; 14 - датчик температуры.Figure 3 shows the electrical circuit of the device. It contains: 21 - frequency control unit; 22 - microwave oscillator with oscillating (modulated according to linear law) frequency; 23 - power divider; 24 - measuring microwave resonator; 25 - reference microwave resonator; 26 - amplitude detector of the measuring resonator, 27 - amplitude detector of the reference resonator; 28 - unit for measuring and processing frequency. The reference microwave resonator 25 is made identical in electrical characteristics (natural frequency and quality factor) to the measuring microwave resonator 24 and is placed in a power housing that can withstand operating pressure; 13 - pressure sensor; 14 - temperature sensor.

На фиг.4 приводятся эпюры основных сигналов, характеризующих работу устройств на фиг.3. На фиг.4а показан закон изменения частоты микроволнового генератора 22; на фиг.4б приводятся сигналы с амплитудного детектора измерительного резонатора 26

; 30 - сигнал с амплитудного детектора измерительного резонатора 26 в отсутствие давления в трубопроводе (при P=0); 31 - то же самое - при наличии газожидкостного потока (при рабочих условиях P=P_p, T=T_p). На фиг.4в приводятся сигналы с амплитудного детектора опорного резонатора

; 32 - в отсутствие давления в трубопроводе (P=0); 33 - при наличии газожидкостного потока (при рабочих условиях: P=P_p, T=T_p).Figure 4 shows the plot of the main signals characterizing the operation of the devices in figure 3. On figa shows the law of frequency variation of the microwave generator 22; Fig.4b shows the signals from the amplitude detector of the measuring resonator 26

; 30 - signal from the amplitude detector of the measuring resonator 26 in the absence of pressure in the pipeline (at P = 0); 31 - the same - in the presence of a gas-liquid flow (under operating conditions P = P _p , T = T _p ). Figure 4c shows the signals from the amplitude detector of the reference resonator

; 32 - in the absence of pressure in the pipeline (P = 0); 33 - in the presence of a gas-liquid flow (under operating conditions: P = P _p , T = T _p ).

Измеритель сечений жидкой фазы работает следующим образом.The liquid cross section meter works as follows.

Основная идея измерения сечения жидкой фазы основана на сравнении влияния на открытый цилиндрический микроволновый резонатор потока ГЖС, содержащего жидкую фазу, и влияния потока, в котором жидкость отсутствует. В отсутствие потока при перестройке частоты микроволнового генератора 22 по пилообразному закону 29 (фиг.4а) сигнал с амплитудного детектора измерительного резонатора 26 имеет вид острой резонансной кривой 30 (фиг.4б) с частотой f₀ и полушириной ΔF₀. Ввиду идентичности микроволновых резонаторов 24 и 25 сигнал 32 (фиг.4в) с амплитудного детектора опорного резонатора 27 будет идентичен сигналу 30 (фиг.4б) с амплитудного детектора измерительного резонатора 26: f₀₁=f₀₂. Рабочая мода колебания - TM_on1 (n~10 - радиальный индекс).The main idea of measuring the cross section of the liquid phase is based on a comparison of the effect on the open cylindrical microwave resonator of the GHS flow containing the liquid phase and the effect of the flow in which there is no liquid. In the absence of flow during frequency tuning of the microwave generator 22 according to the sawtooth law 29 (Fig. 4a), the signal from the amplitude detector of the measuring resonator 26 has the form of a sharp resonance curve 30 (Fig. 4b) with a frequency f ₀ and a half-width ΔF ₀ . In view of the identity of the microwave resonators 24 and 25, the signal 32 (Fig. 4c) from the amplitude detector of the reference resonator 27 will be identical to the signal 30 (Fig. 4b) from the amplitude detector of the measuring resonator 26: f ₀₁ = f ₀₂ . The oscillation working mode is TM _on1 (n ~ 10 is the radial index).

При появлении потока ГЖС сигнал в измерительном микроволновом резонаторе изменится: он сместится в сторону низших частот (фиг.4б) f₀→f₂, уменьшится по амплитуде и расплывется по оси частот за счет поглощения СВЧ энергии в потоке аэрозолем воды, как показано на фиг.4б, позиция 31.When a GHS stream appears, the signal in the measuring microwave cavity will change: it will shift to the lower frequencies (Fig. 4b) f ₀ → f ₂ , decrease in amplitude and spread out along the frequency axis due to the absorption of microwave energy in the stream by water aerosol, as shown in FIG. .4b, position 31.

Сигнал же в опорном микроволновом резонаторе также сместится по частоте f₀→f₁ (позиция 33), но на меньшую величину. Кроме того, его полуширина остается прежней: ΔF₀₁=ΔF₀₂. Это происходит по той причине, что в измерительный микроволновый резонатор 24 возмущение вносят газ и поток жидкого аэрозоля (в общем случае смесь водяного и углеводородного туманов), а в случае опорного микроволнового резонатора 25 возмущение вносит только газ (аэрозоль задерживается фильтром 15); газ практически радиопрозрачен, поэтому полуширина ΔF₀ сохраняется.The signal in the reference microwave resonator will also shift in frequency f ₀ → f ₁ (position 33), but by a smaller value. In addition, its half-width remains the same: ΔF ₀₁ = ΔF ₀₂ . This is due to the fact that gas and liquid aerosol flow (generally a mixture of water and hydrocarbon mists) add disturbance to the measuring microwave resonator 24, and in the case of the reference microwave resonator 25, only gas introduces the disturbance (aerosol is delayed by filter 15); gas is practically radiolucent; therefore, the half-width ΔF _{0 is} retained.

Сдвиг частоты f₂-f₀ пропорционален диэлектрической восприимчивости газожидкостного потока χ_г,ж, а сдвиг частоты f₁-f₀ - диэлектрической восприимчивости только газового (без жидкой фазы) потока χ_г, а разность f₂-f₁ - пропорциональна диэлектрической восприимчивости жидкой фазы χ. Поскольку диэлектрическая восприимчивость (связана с диэлектрической проницаемостью соотношением χ=ε-1 и пропорциональна поляризуемости вещества α и числу молекул в единице объема N (соотношение Клаузиуса-Мосотти [7]), то измеряя сдвиги частот f₂-f₁ и f₀-f₂ и зная диэлектрические свойства газа и конденсата (т.е. поляризуемости их молекул - они известны), можно найти плотность потока с жидкой фазой, чисто газового потока и плотность жидкой фазы.The frequency shift f ₂ -f _{0 is} proportional to the dielectric susceptibility of the gas-liquid flow χ _{g, w} , and the frequency shift f ₁ -f ₀ is proportional to the dielectric susceptibility of the gas (without the liquid phase) χ _g , and the difference f ₂ -f ₁ is proportional to the dielectric susceptibility liquid phase χ. Since the dielectric susceptibility (associated with the permittivity by the ratio χ = ε-1 and is proportional to the polarizability of the substance α and the number of molecules per unit volume N (Clausius-Mosotti relation [7]), then measuring the frequency shifts f ₂ -f ₁ and f ₀ -f ₂ and knowing the dielectric properties of gas and condensate (i.e., the polarizability of their molecules — they are known), we can find the flux density with the liquid phase, the pure gas flow, and the density of the liquid phase.

Полученные данные об изменении полуширины сигнала с измерительного микроволнового резонатора и о смещении его частоты за счет появления в нем газожидкого потока, а также данные о давлении и температуре газа в измерительном устройстве, даваемые датчиками 13, 14, обрабатываются по алгоритму, описанному в [3], после чего находится доля сечения, занятая жидкой фазы, по которой позже вычисляется объемная доля жидкости в газожидкостном потоке. Обработку данных можно также проводить по алгоритму, описанному в [8].The data obtained on the change in the half-width of the signal from the measuring microwave cavity and on the displacement of its frequency due to the appearance of a gas-liquid flow in it, as well as data on the pressure and temperature of the gas in the measuring device provided by the sensors 13, 14, are processed according to the algorithm described in [3] after which the fraction of the cross section occupied by the liquid phase is found, from which the volume fraction of the liquid in the gas-liquid flow is later calculated. Data processing can also be carried out according to the algorithm described in [8].

Макет устройства был проверен в лабораторных условиях на воздушных ГЖС при атмосферном давлении. В качестве источника ГЖС использовалось устройство для распыления краски при нанесении лакокрасочных покрытий - электрораспылитель Elmos PG-31, дающее поток воздуха с известным содержанием жидкости, распыляемой в дисперсной фазе. Распыляемой жидкостью был керосин.The prototype of the device was tested in laboratory conditions on air GHS at atmospheric pressure. As a source of GHS, we used a device for spraying paint when applying paint and varnish coatings - an Elmos PG-31 electrospray, giving an air stream with a known content of liquid sprayed in the dispersed phase. The sprayed liquid was kerosene.

В качестве прибора, измеряющего частоту и добротность микроволнового резонатора, использовался панорамный амплитудно-частотный измеритель ослабления типа Р2-104. Измерительный и опорный микроволновые резонаторы имели размеры: внутренний диаметр 2а=50 мм, высоту h=140 мм. Система распределенной связи была выполнена по рекомендациям, даваемым в [6].As a device measuring the frequency and quality factor of a microwave resonator, a panoramic amplitude-frequency attenuation meter of the type P2-104 was used. The measuring and reference microwave resonators had dimensions: inner diameter 2a = 50 mm, height h = 140 mm. The distributed communication system was implemented according to the recommendations given in [6].

Для работы были выбраны два типа колебания TM₀₆₁ (частота f₀=34,449 ГГц, λ=8,70 мм, добротность Q≅1,4·10³) и TM₀₇₁ (частота f₀=40,483 ГГц, λ=7,40 мм, добротность Q≅2,1·10³).Two types of oscillation TM ₀₆₁ (frequency f ₀ = 34.449 GHz, λ = 8.70 mm, Q factor Q≅1.4 · 10 ³ ) and TM ₀₇₁ (frequency f ₀ = 40.483 GHz, λ = 7.40 mm, Q factor Q≅2,1 · 10 ³ ).

Проделанные эксперименты подтвердили возможность использования цилиндрического участка сужающего устройства в качестве открытого цилиндрического резонатора, что позволяет применять данное изобретение для измерения процентного содержания жидкой фазы в газоконденсатных трубопроводах диаметром D~80÷120 мм, т.е. в шлейфовых трубопроводах, используемых на северных ГКМ.The experiments performed have confirmed the possibility of using the cylindrical portion of the constriction device as an open cylindrical resonator, which allows the use of this invention to measure the percentage of the liquid phase in gas condensate pipelines with a diameter of D ~ 80 ÷ 120 mm, i.e. in plume pipelines used on the northern gas condensate fields.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫBIBLIOGRAPHY

1. Патент США G01N 022/04 US 5389883 от 14.02.1995 г. Mesurement of gas and water content in oil. Автор: Harper, R.1. US patent G01N 022/04 US 5389883 from 02/14/1995, Mesurement of gas and water content in oil. Posted by: Harper, R.

2. Патент РФ № 2289808 от 28.02.2005. Способ и устройство определения объемных долей жидкого углеводородного конденсата и воды в потоке газожидкостной смеси природного газа. Авторы: Вышиваный И.Г., Костюков В.Е., Москалев И.Н., Орехов Ю.И., Тихонов А.Б., Беляев В.Б.2. RF patent No. 2289808 of 02.28.2005. Method and device for determining volume fractions of liquid hydrocarbon condensate and water in a stream of a gas-liquid mixture of natural gas. Authors: Vyshivanyi I.G., Kostyukov V.E., Moskalev I.N., Orekhov Yu.I., Tikhonov A.B., Belyaev V.B.

3. Патент РФ № 2164340 от 30.12.1997. Способ определения покомпонентного расхода потока газожидкостной смеси продуктов газонефтедобычи в трубопроводе и устройство для его реализации. Авторы: Орехов Ю.И., Москалев И.Н., Костюков В.Е., Хохрин Л.П., Ремизов В.В., Битюков B.C., Филоненко А.С., Рылов Е.Н., Вышиваный И.Г., Филиппов А.Г.3. RF patent No. 2164340 dated 12/30/1997. A method for determining the component flow rate of a gas-liquid mixture of gas and oil products in a pipeline and a device for its implementation. Authors: Orekhov Yu.I., Moskalev I.N., Kostyukov V.E., Khokhrin L.P., Remizov V.V., Bityukov BC, Filonenko A.S., Rylov E.N., Embroidered I. G., Filippov A.G.

4. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М.: Сов. радио, 1966, 475 с.4. Weinstein L.A. Open resonators and open waveguides. M .: Sov. radio, 1966, 475 p.

5. Голант В.Е. СВЧ методы использования плазмы. М.: Наука, 1968, 326 с.5. Golant V.E. Microwave methods of using plasma. M .: Nauka, 1968, 326 p.

6. Москалев И.Н., Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых цилиндрических резонаторов. М.: Энергоатомиздат, 1985, 145 с.6. Moskalev I.N., Stefanovsky A.M. Plasma diagnostics using open cylindrical resonators. M .: Energoatomizdat, 1985, 145 p.

7. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоатомиздат, 1985, 320 с.7. Tareev B.M. Physics of dielectric materials. M .: Energoatomizdat, 1985, 320 p.

8. Москалев И.Н., Костюков В.Е., Вышиваный И.Г., Орехов Ю.И. измерительная секция расходомера для определения ВГФ и КГФ в газоконденсатных потоках. Газовая промышленность, № 2, 2005, с.59-62.8. Moskalev I.N., Kostyukov V.E., Embroidered I.G., Orekhov Yu.I. measuring section of the flowmeter for determining the VGF and KGF in gas condensate streams. Gas industry, No. 2, 2005, pp. 59-62.

Claims

1. Устройство для измерения объемной доли жидкой фазы в потоке газожидкостной смеси природного газа, состоящее из встроенной в трубопровод измерительной секции с сужающим устройством, содержащей измерительный микроволновый резонатор, блока управления частотой, соединенного с микроволновым генератором качающейся частоты, выход которого соединен с входом делителя мощности, причем первый выход делителя мощности связан с блоком измерения и обработки частоты, второй - с входом измерительного микроволнового резонатора, заполняемого потоком ГЖС, и выход которого соединен с амплитудным детектором измерительного резонатора, связанным с блоком измерения и обработки частоты, а третий выход делителя мощности связан с входом опорного микроволнового резонатора, размещенного в силовом корпусе и заполняемого газом, очищенного от жидкой фазы потока ГЖС, выход которого соединен с амплитудным детектором опорного резонатора, также связанного с блоком измерения и обработки частоты, к которому дополнительно подключены выходы датчиков давления и температуры, отличающееся тем, что измерительный и опорный микроволновые резонаторы идентичны по электрическим характеристикам и выполнены в виде открытых цилиндрических резонаторов (ОЦР), причем в качестве цилиндрической полости измерительного микроволнового резонатора используется собственный объем горловины сужающегося устройства измерительной секции.1. A device for measuring the volume fraction of the liquid phase in the flow of a gas-liquid mixture of natural gas, consisting of a built-in measuring section in the pipeline with a constricting device containing a measuring microwave resonator, a frequency control unit connected to a microwave oscillating frequency generator, the output of which is connected to the input of the power divider moreover, the first output of the power divider is connected to the frequency measuring and processing unit, the second to the input of the measuring microwave resonator, the flow being filled m GHS, and the output of which is connected to an amplitude detector of the measuring resonator connected to the frequency measuring and processing unit, and the third output of the power divider is connected to the input of the reference microwave resonator located in the power housing and filled with gas, purified from the liquid phase of the GHS flow, the output of which connected to an amplitude detector of the reference resonator, also connected to the frequency measurement and processing unit, to which the outputs of the pressure and temperature sensors are additionally connected, characterized in that ritelny and the reference microwave resonators of identical electrical characteristics, and are formed as open cylindrical resonators (ORC), and as the cylindrical cavity resonator of the microwave measuring uses its own volume measuring device of the tapered neck section.

2. Устройство для измерения объемной доли жидкой фазы в потоке газожидкостной смеси природного газа по п.1, отличающееся тем, что в торцах цилиндрической части сужающего устройства размещены кольцевые вставки из твердого диэлектрика с малыми потерями на рабочей частоте, плавно сопрягающие цилиндрическую и конические части сужающего устройства. 2. A device for measuring the volume fraction of the liquid phase in the flow of a gas-liquid mixture of natural gas according to claim 1, characterized in that at the ends of the cylindrical part of the constricting device are placed ring inserts of solid dielectric with low losses at the operating frequency, smoothly matching the cylindrical and conical parts of the constricting devices.