СОДЕРЖАНИЕ
Введение................................................................4
ГЛАВА 1 Двухфазные потоки в технике: обзор гидродинамики и методов измерения .............................................................10
1.1 Классификация......................................................10
1.2 Количественное описание............................................11
1.3 Режимы течения.....................................................13
1.4 Методы измерения расходных характеристик ..........................16
Основные результаты главы 1............................................25
ГЛАВА 2 Описание измерительной системы, экспериментальных установок и методов измерения......................................................26
2.1 Принцип работы датчика с фазированной антенной решеткой............28
2.2 Блок-схема измерительной системы...................................30
2.3 Экспериментальная установка для изучения «пузырькового» потока 3 1
2.4 Экспериментальная установка для изучения рассеяния волн Лэмба в пластине, покрытой стекающей пленкой жидкости..........................35
2.5 Проливной стенд ООО «АЗМИП»........................................37
2.6 Когерентно-импульсный метод измерения скорости потока..............38
2.7 Исследование акустического поля, создаваемого накладной ФАР в круглой
трубе с однородной жидкостью...........................................43
Основные результаты главы 2............................................47
ГЛАВА 3 Теоретическое и экспериментальное исследование процессов рассеяния ультразвука в «пузырьковом» потоке и стекающей пленке
жидкости...............................................................49
3.1 Исследование процессов рассеяния ультразвуковых импульсов в потоке пузырьков..............................................................49
3.1.1 Задача определения интенсивности рассеянного сигнала, принимаемого ФАР...............................................................49
3.1.2 Экспериментальные исследования процессов рассеяния ультразвуковых импульсов в потоке пузырьков, сравнение эксперимента с теорией....58
2
3.1.3 Определение размеров мелких газовых пузырьков в разреженном
потоке с помощью частотной полосовой фильтрации.......................66
3.2 Исследование процессов рассеяния ультразвуковых волн Лэмба в пластине, покрытой стекающей пленкой жидкости.....................................69
3.2.1 Объяснение механизма рассеяния ультразвуковых волн Лэмба, распространяющихся в пластине, покрытой деформированной пленкой жидкости............................................................69
3.2.2 Экспериментальные исследования рассеяния ультразвуковых волн Лэмба в пластинке, покрытой стекающей пленкой жидкости. Сравнение эксперимента с теорией................................................71
Основные результаты главы 3.............................................77
ГЛАВА 4 Определение расходов газа и жидкости в двухфазном потоке 79
4.1 Общий подход к определению расходов фаз потока......................79
4.2 Определение расходов при «пузырьковом» режиме течения...............80
4.2.1 Анализ информативных характеристик рассеянных и прошедших сигналов для «пузырькового» потока..................................82
4.2.2 Решение обратной задачи - определение расходов фаз потока по характеристикам сигналов............................................85
4.3 Определение расходов при «снарядном» режиме течения.................87
4.3.1 Особенности гидродинамики «снарядного» режима течения и временная изменчивость рассеянных сигналов..........................88
4.3.2 Анализ информативных характеристик рассеянных сигналов для «снарядного» потока.................................................91
4.3.3 Решение обратной задачи - определение расходов фаз потока по характеристикам сигналов............................................97
Основные результаты главы 4............................................100
Заключение.............................................................102
Список использованной литературы.......................................106
3
Введение
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
4
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
5
«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 волы 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
6
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 фанта 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
7
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
8
Владимиров И.А., Муякшин С.И. Ультразвуковые методы диагностики газожидкостных потоков // Сборник трудов XII Всероссийской школы семинара «Волновые явления в неоднородных средах», 2010г., Звенигород, В электронном виде на СО - диске
Владимиров И.Л., Муякшин С.И. Об особенностях рассеяния звука на потоке пузырьков в трубе, заполненной жидкостью // XV Нижегородская сессия молодых ученых. Груды молодых ученых по естественнонаучным дисциплинам, Нижний Новгород, 2010 Отчеты о НИР
Отчет о НИР № 02201153204 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.
9
- Київ+380960830922