4.3 Устройство расходомеров нефти

Турбинные расходомеры ТОР-1, устанавливаемые на «Спутниках», предназначаются для измерения жидкости вязкостью не более 8·10^-6 м²/с. Расходомеры ТОР-1 обеспечивают как местный от­счет показаний, так и передачу показаний при помощи электро­магнитного датчика на БМА.

Рисунок 12 – Общий вид расходомеров нефти:

а – объемного TOP-1:

1 – выходной патрубок корпуса; 2 – обтекатель; 3 – магнитоиндукционный датчик; 4 – отражатель;

5 – понижающий редуктор; 6 – станина; 7 – муфта съема показаний; 8 – механический счетчик; 9 – диск;

10 – магнитная муфта; 11 – лопатка крыльчатки; 12 – крышка; 13 – регистратор;

б – массового вибрационно-частотного:

1 – корпус; 2 – фланец; 3 – ребро жесткости; 4 – мембрана; 5 – чувствительный элемент; 6, 7 – корпуса

электромагнитных систем; 8 – сердечник; 9 – катушка; 10 – система возбуждения; 11 – система съема колебаний

Расходомеры ТОР-1 (рисунок 12, а) состоят из двух основных час­тей: турбинного счетчика жидкости и блока питания.

Турбинный расходомер ТОР-1 работает следующим образом. Жидкость, проходя через входной патрубок 1 корпуса и обтека­тель 2, попадает на лопатки крыльчатки 11 и приводит ее во вращение. После крыльчатки направление движения жидкости экраном изменяется на 180°, и она через окна обтекателя поступает в выходной патрубок. Число оборотов крыльчатки прямо пропор­ционально количеству прошедшей жидкости. Вращательное дви­жение крыльчатки передается через понижающий редуктор 5 и магнитную муфту 10 на механический счетчик 8 со стрелочной: шкалой (цена деления 0,005 м³). Одновременно со стрелкой ме­ханического счетчика вращается находящийся с ней на одной оси диск 9 с двумя постоянными магнитами, которые, проходя мимо» электромагнитного датчика, замыкают расположенный в нем магнитоуправляемый контакт. Получаемые при этом электрические сигналы регистрируются на блоке управления, счетчиком, т. е. дублируют показания местного механического счетчика 8. В то же время каждая лопатка, проходя мимо магнитоиндукционного датчика 3, выдает электрический сигнал, который регистрируется в блоке регистрации.

Диапазон измерения колеблется от 3 до 30 м³/ч. Паспортная погрешность измерения при расходе от 3 до 5 м³/ч – ±5%, oт 5 до 30 м³/ч – ±2,5 %. В реальных условиях из-за плохой сепара­ции и высокой вязкости нефти эта погрешность может достигать значительных величин (до 25 %).

Расход чистой нефти, прошедшей через ТОР-1, определяется автоматически как разность между показаниями ТОР-1 и датчи­ка влагомера.

Принцип действия датчика вибрационно-частотного преобразо­вателя (ВЧП) (рисунок 12, б) по измерению массового расхода (де­бита) скважин основан на преобразовании массового расхода ве­щества (нефти, газа, воды и механических примесей), и показа­ния его практически не зависят от физико-химических свойств по­следних.

Датчик состоит из корпуса 1, фланцев 2, чувствительного эле­мента 5, упругого крепления в виде плоской мембраны 4, электро­магнитных систем съема 11 и возбуждения 10 колебаний чувстви­тельного элемента 5. На упругой плоской мембране 4 имеется реб­ро жесткости 3 для поляризации поперечных колебаний чувстви­тельного элемента 5. Электромагнитные системы 11 и 10 пред­ставляют собой катушки 9 с обмотками и сердечником 8.

Принцип действия датчика следующий. В систему возбужде­ния 10 подается напряжение, в результате чего создается магнит­ное поле, возбуждающее поперечные колебания чувствительного элемента 5. Протекающая через внутреннюю полость чувствитель­ного элемента контролируемая среда вызывает изменение собст­венной частоты ω_с и коэффициента затухания β его колебаний. Коэффициент затухания β линейно зависит от массового расхода G_М

β = β₀ + k_GМ·G_М,

а собственная частота ω_с зависит от плотности протекающей сре­ды ρ

ω _с = ω₀·√1/(1+k_ρ·ρ),

где β₀, k_GМ, ω₀ и k_ρ – коэффициенты, получаемые в результате градуировки датчика в лабораторных условиях.

Вторичное электронное устройство управления возбуждением колебаний чувствительного элемента датчика обеспечивает требуемый закон колебаний.

Выходной сигнал U_c(t) системы съема 11 несет информацию о частоте и амплитуде колебаний чувствительного элемента, измеряя которые определяют массовый расход G_M и плотность ρ контролируемого потока.

Метрологический анализ вибрационно-частотных преобразователей показал, что приведенная погрешность измерений массового расхода не превышает ±4 % в широком диапазоне изменения параметров контролируемой среды: температуры до 100 °С, давления до 4 МПа, плотности

от 12 до 1200 кг/м³, кинематической вязкости до 8·10^-5 м²/с, массового расхода от 0,05 до 6,5 кг/с, объемного расходного газосодержания до 0,997. Частота и амплитуда пульсаций газожидкостного потока в процессе испытаний не имитировались.

В настоящее время ведется освоение производства групповых замерных установок с вибрационно-массовым расходомером газожидкостной продукции без предварительной сепарации. Данные установки приблизительно в два раза будут дешевле, чем аналогичные замерные установки типа «Спутник-А», поскольку в них отсутствуют два дорогостоящих узла: многоходовой переключатель скважин (ПСМ) 3 и гидроциклонный сепаратор 13 (см. рисунок 10). Кроме того, новые групповые установки обеспечивают большую точность измерения и просты в эксплуатации.