УДК 681.5

НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА НЕФТЯНЫХ ПОТОКОВ

Коптева Александра Владимировна
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
кандидат технических наук, ассистент кафедры электротехники, электроэнергетики, электромеханики

Аннотация
В данной статье описываются современные методы учета нефтяных потоков и их недостатки, а также обосновывается бесконтактный радиоизотопный метод контроля качества транспортируемых нефтяных потоков. Приведены основные расчетные формулы.

Ключевые слова: гамма-квант, комптоновское рассеяние, радиоизотопное излучение, радионуклид, турбинный преобразователь, фотон, фотоэлектрическое поглощение


NON-DESTRUCTIVE QUALITY CONTROL OF OIL FLOWS

Kopteva Alexandra Vladimirovna
National University of mineral resources "Mountain"
Ph.D., assistant professor of electrical engineering, power engineering, еlectromechanics

Abstract
This article describes modern methods of accounting of oil flows and their shortcomings. Contactless radioisotope method of quality control of transported oil flows and basic formulas are described.

Keywords: compton scattering, gamma quantum, photoelectric absorption, photon, radioisotope radiation, radionuclide, turbine converter


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Коптева А.В. Неразрушающий контроль качества нефтяных потоков // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 5. Ч. 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/05/34895 (дата обращения: 29.09.2017).

Высокие технологии по добыче и контролю получаемого сырья являются одним из главных критериев поддержания высоких темпов прироста нефтедобычи. В настоящее время на российских предприятиях применяется система измерения количества и показателей качества нефти (СИКН) и резервная система измерений количества и показателей качества нефти (РСИКН), реализующая косвенный метод статистических измерений с помощью стальных цилиндрических вертикальных резервуаров [1, с. 17]. На рисунке 1 представлена действующая схема контроля нефти СИКН.

 

Рисунок 1 – схема контроля качества нефтепродуктов

В данной системе основными отделами, реализующими контроль качества и количества продукта является блок измерительных линий (БИЛ), и блок измерения качества (БИК). БИЛ предназначен для измерений количества нефти в единицах объема. Основным средством измерений БИЛ является мультивязкостный турбинный преобразователь расхода, предназначенный для контроля количества нефти, и представляющий собой турбинное колесо, которое расположено аксиально к направлению движения нефтяного потока, и совершающее вращательное движение за счет прохождения через него контролируемого вещества. Расход прямо пропорционален скорости вращению турбинки, однако большое влияние на точность измерений оказывают флуктуации потока, поэтому с турбинным счетчиком всегда устанавливается струевыпрямитель.

В БИК автоматически измеряется плотность нефти с помощью поточных преобразователей плотности, преобразователей давления и температуры. Объем нефти измеряется с помощью турбинного преобразователя расхода (ТПР). Температура и давление, при измерении объема автоматически контролируются соответствующими датчиками. Измерение массы брутто нефти проводят косвенным методом динамических измерений. Массу брутто определяют как произведение объема и плотности, приведенных к стандартным условиям.  Массу нетто нефти определяют как  разность массы брутто нефти и массы балласта, используя результаты определенной массовой доли включений в потоке.

Также, трубопоршневая поверочная установка ТПУ предназначена для проведения поверки и контроля метрологических характеристик ТПР.

В настоящее время основными приборами, осуществляющими контроль при коммерческом учете нефтепродуктов являются: турбинный преобразователь расхода (в основном компаний Smith meter и МИГ), ультразвуковые расходомеры, поточные преобразователи плотности. Все эти методы зарекомендовали себя как высокопроизводительные и точные. Однако, главный их недостаток в том, что приборы не предназначены для определения газовой составляющей нефтяных потоков и детектируют измеряемое вещество как гомогенный поток. Это обеспечивает большие погрешности и приводит к необходимости разработки автоматического метода определения фазового состава в процессе транспортирования нефтепродуктов.

Наличие в углеводородных потоках газовой составляющей нефтепроизводителями был признан и на сегодняшний день в лабораторных условиях производится контроль по МИ 2575 [2] данного фактора раз в месяц с нахождением коэффициента относительного газосодержания. После чего объемный расход умножается на этот коэффициент и получают действительное значение объемного расхода углеводородов данной скважины. Недостаток данной методики состоит в том, что имеет место человеческий фактор, который вносит свою составляющую в погрешность измерений. А низкая частота экспериментов (раз в месяц) еще раз доказывает актуальность изобретения поточного измерителя плотности нефти.

Существующий и активно применяемый ультразвуковой метод в области дефектоскопии и контроле целостности трубопроводов также не может быть применен для контроля потоков углеводородов вследствие возможности возникновения изгибных волн и существенного увеличения погрешности измерений при переходе от жидкой к газообразной фазе.

Таким образом, главным критерием, предъявляемым к измерительной аппаратуре, является возможность точного измерения газовой составляющей в многофазном многокомпонентном потоке, поэтому главная задача на сегодняшний день – разработка принципа и структуры бесконтактного автоматического контроля нефтяных потоков, основанного на радиоизотопном излучении.

Разрабатываемая аппаратура может применяться в научных исследованиях, проводимых в интересах нефтяной, газовой и угольной промышленностей, геологии, ядерной энергетики, химической и горной отраслей промышленности. Такая широкая область применения еще раз доказывает ценность предлагаемого нами метода.

Радиоизотопный метод, основанный на комптоновском рассеянии и фотоэлектрическом поглощении гамма-квантов, состоит из двух составляющих: первичный преобразователь, взаимодействующий с окружающей средой, который выдает информативный параметр и вторичный прибор, в котором происходит переработка, градуировка полученного значения. При движении потока, например нефти по трубе, отдельные компоненты регистрируются первичным преобразователем, предварительно отградуированном на газосодержание, за счет «просвечивания» потока жестким электромагнитным излучением (в данном случае это гамма-излучение изотопа химического элемента Cs137). Схематическое изображение установки приведено на рисунке 1, где 1 – нефтяной поток, движущийся со скоростью V; 2 – блок источника излучения; 3 – радионуклид Cs137; 4 – блок детектирования излучения, состоящий из сцинтилляционного счетчика и фотоэлектронного умножителя; 5 -  блок обработки (ЭВМ); 6 – парафиновые отложения;7 – свободный газ; 8 – стенка трубопровода.

 

Рисунок 1 – Схема радиоизотопной измерительной системы

Изменение интенсивности прошедшего излучения через слой вещества плотностью ρ, толщиной d в общем случае описываются законом Гуго-Ламберта-Бера [3, с.41]:

                                                Nh = Nh0·exp(-μh0·d) = Nh0·exp(-μh·ρ·d),                                  (1)

где Nh0, Nh – интенсивности излучения начального и прошедшего через контролируемое вещество; µh0, µh – линейный и массовый коэффициенты ослабления излучения средой.

Главным параметром, характеризующим изменение интенсивности, является коэффициент ослабления излучения для различных сред. Процесс измерения многофазных многокомпонентных потоков жестким радиоизотопным излучением основывается на двух физических законах: фотоэлектронное поглощение и комптоновское рассеяние. Фотоядерный эффект и тормозное излучение нами не учитываются ввиду небольшого, а иногда и совсем незначительного влияния на процесс. На рисунке 2 приведены экспериментальные зависимости изменения линейного коэффициента ослабления для различных жидкостей в зависимости от изменения энергии фотонов и указана вероятность возникновения μσ – комптоновского рассеяния и μτ  – фотоэлектрического поглощения.

Рисунок 2 – Линейный коэффициент ослабления гамма-излучения при облучении нефти, воды и соляного рассола в зависимости от энергии

Пронизывая поток (рисунок 1), фотоны (γ-кванты) регистрируются блоком 6 как прямое, пронизывающее поток (регистрируется блоком БДИП как число импульсов  N1, преобразуемое в напряжение постоянного тока U1) и рассеянное N2 (регистрируется блоками БДИρ1  и БДИρ2, преобразуется в напряжение постоянного тока U1 и U2 соответственно). Соотношение N1 и N2 дает информацию о плотности транспортируемого потока, и значение этой плотности может быть определено из предварительно отградуированной системы. Обычно снимаются показания N1 и N2 для нескольких сотен измерений, где плотность, соответствующая {N1, N2} определяется аналитическим (лабораторным путем); результаты измерений с помощью компьютера записываются в виде полинома nой степени и заносятся в однокристальную ЭВМ вторичного прибора как базовая градуировочная характеристика.

Разработка новых систем измерения с использованием радиоизотопного излучения при контроле нефтяных потоков позволяет увеличить достоверность получаемых результатов и, как следствие, повысить уровень производства на нефтяных предприятиях РФ; обеспечить надежность, долговечность, отсутствие контакта с измеряемым потоком и дешевизну по сравнению с существующей методикой и инструментальными средствами измерений, применяемых на территории Российской Федерации. С помощью измерительной системы, основанной на радиоизотопном излучении, можно измерять количество свободного газа в нефти с величиной относительной погрешности не более 0,2%, что является достаточным условием для обеспечения надежной работы трубопроводной системы.


Библиографический список
  1. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса №5, оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. М, 2007.
  2. МИ 2575-2000. ГСИ. Остаточное газосодержание. Методика выполнения измерений.
  3. Гарт Г. Радиоизотопное измерение плотности жидкости и бинарных систем: пер. с нем.  М., 1975.


Все статьи автора «Коптева Александра Владимировна»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: