Помощь студентам в учебе
Разработка и реализация алгоритмов обработки первичных сигналов и расчета расхода в кориолисовом расходомере при двухфазном потоке
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И ОЦЕНКИ РАСХОДА В
КОРИОЛИСОВЫХ РАСХОДОМЕРАХ ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 12
1.1 Постановка задачи 12
1.2 Конструкция и принцип действия кориолисового расходомера 12
1.3 Измерение расхода кориолисовым расходомером при двухфазном потоке 21
1.4 Методы обработки первичных сигналов и оценки расхода 25
1.4.1 Расчет параметров первичных измерительных сигналов 25
1.4.2 Расчет массового расхода и плотности 28
1.5 Исходные данные для исследования алгоритмов 32
1.5.1 Описание эксперимента по проливке кориолисового расходомера 35
1.5.2 Модель измерительных сигналов кориолисового расходомера 36
1.6 Выводы 43
2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ
КОРИОЛИСОВОГО РАСХОДОМЕРА ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 46
2.1 Постановка задачи 46
2.2 Разработка модификации метода переходов через ноль 47
2.3 Сравнение модифицированного и классического метода переходов через
ноль на модельном сигнале 64
2.4 Выводы 67
3 РАЗРАБОТКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ КОРИОЛИСОВОГО
РАСХОДОМЕРА ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 70
3.1 Постановка задачи 70
3.2 Разработка цифрового предварительного фильтра 72
3.2.1 Общие сведения о цифровых фильтрах 72
3.2.2 Формирование требований к фильтру 74
3.2.3 Классические фильтры 79
3.2.4 Сглаживающие фильтры 94
3.3 Тестирование алгоритма оценки параметров с различными
предварительными фильтрами на модельных сигналах 100
3.4 Выводы 111
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ РАСХОДА ДЛЯ КОРИОЛИСОВОГО РАСХОДОМЕРА ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 113
4.1 Постановка задачи 113
4.2 Разработка параметрической модели для расчета расхода в условиях
двухфазного потока 115
4.3 Проверка модели для расчета расхода на реальном сигнале 121
4.3.1 Сравнение эффективности модификаций ГХ на средних значениях
122
4.3.2 Сравнение эффективности модификаций ГХ на мгновенных
значениях 130
4.4 Выводы 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 140
ВВЕДЕНИЕ 8
1 АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И ОЦЕНКИ РАСХОДА В
КОРИОЛИСОВЫХ РАСХОДОМЕРАХ ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 12
1.1 Постановка задачи 12
1.2 Конструкция и принцип действия кориолисового расходомера 12
1.3 Измерение расхода кориолисовым расходомером при двухфазном потоке 21
1.4 Методы обработки первичных сигналов и оценки расхода 25
1.4.1 Расчет параметров первичных измерительных сигналов 25
1.4.2 Расчет массового расхода и плотности 28
1.5 Исходные данные для исследования алгоритмов 32
1.5.1 Описание эксперимента по проливке кориолисового расходомера 35
1.5.2 Модель измерительных сигналов кориолисового расходомера 36
1.6 Выводы 43
2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ДЛЯ
КОРИОЛИСОВОГО РАСХОДОМЕРА ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 46
2.1 Постановка задачи 46
2.2 Разработка модификации метода переходов через ноль 47
2.3 Сравнение модифицированного и классического метода переходов через
ноль на модельном сигнале 64
2.4 Выводы 67
3 РАЗРАБОТКА ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ФИЛЬТРА ДЛЯ КОРИОЛИСОВОГО
РАСХОДОМЕРА ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 70
3.1 Постановка задачи 70
3.2 Разработка цифрового предварительного фильтра 72
3.2.1 Общие сведения о цифровых фильтрах 72
3.2.2 Формирование требований к фильтру 74
3.2.3 Классические фильтры 79
3.2.4 Сглаживающие фильтры 94
3.3 Тестирование алгоритма оценки параметров с различными
предварительными фильтрами на модельных сигналах 100
3.4 Выводы 111
4 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ОЦЕНКИ РАСХОДА ДЛЯ КОРИОЛИСОВОГО РАСХОДОМЕРА ПРИ ДВУХФАЗНОМ ПОТОКЕ 113
4.1 Постановка задачи 113
4.2 Разработка параметрической модели для расчета расхода в условиях
двухфазного потока 115
4.3 Проверка модели для расчета расхода на реальном сигнале 121
4.3.1 Сравнение эффективности модификаций ГХ на средних значениях
122
4.3.2 Сравнение эффективности модификаций ГХ на мгновенных
значениях 130
4.4 Выводы 135
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 137
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 140
Высокоэффективное и корректное измерение количества добываемой нефти и попутных продуктов (воды и газа) из нефтяных скважин представляет сложную задачу, возникающую при разработке нефтяных месторождений [1].
В настоящее время эту задачу решают использованием автоматизированных групповых замерных установок, которые основаны на сепарационном методе измерения нефтегазового потока. При таком методе измерения нефтепродукты нескольких скважин поступают в резервуар-сепаратор, на выходе которого измеряют расход суммарного потока. Главный недостаток сепарационного метода - зависимость метрологических характеристики установки от качества сепарации. С учетом того, что полное отделение газовой составляющий затруднительно, необходимо измерение расхода газо-жидкостного потока. Более того, в соответствии с требованиями правил недропользования и ГОСТ Р 8.615-2005 [2] возникает необходимость в применении измерительных устройств для оценки расхода сырой нефти и нефтяного газа по отдельным скважинам и лицензионным участкам.
Автоматизированные групповые замерные установки основаны на разнообразных технических решениях, которые включают ультразвуковые, вихревые и кориолисовые расходомеры. Кориолисовый расходомер - один из наиболее востребованных типов расходомеров в задаче коммерческого учета потребления жидких и газообразных материалов. Главное преимущество кориолисового расходомера - измерение массового расхода и плотности однофазной среды с высокой точностью [3]. При этом появление в измеряемом потоке второй компоненты (двухфазный газо-жидкостный поток) приводит к резкому росту погрешности измерения расхода [4].
В настоящее время производство отечественных кориолисовых расходомеров развито слабо, при этом отечественные кориолисовые расходомеры с функцией измерения расхода при двухфазном потоке на рынке не представлены [5]. В импортных кориолисовых расходомерах таких производителей, как Emerson, Endress+Hauser, Yokagawa заявлена функция измерения расхода при двухфазном потоке, однако, технология в основе заявленной функции не комментируется. Более того, испытания расходомеров Endress+Hauser и Yokagawa [4,6] показали сравнительно высокую погрешность измерения расхода данными расходомерами в условиях двухфазного потока.
Таким образом, кориолисовый расходомер - высокоточное и востребованное устройство измерения расхода. Однако для работы кориолисового расходомера в условиях двухфазного потока необходимо дальнейшее исследование и разработка как методов обработки сигналов в расходомере, так и методов расчета расхода.
Актуальность задачи исследования подтверждена как потребностью промышленности, особенно, с учетом ГОСТ Р 8.615-2005 [2], так и требованиями повышения эффективности добычи углеводородного сырья и развития передовых производственных технологий, которые сформулированы в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации [7].
Цель работы - повышение качества работы кориолисового расходомера при двухфазном потоке путем разработки алгоритмов обработки первичных сигналов расходомера и расчета расхода.
Задачи работы:
1) анализ принципа действия кориолисовых расходомеров, изучение используемых в расходомерах алгоритмов обработки сигналов, формирование предпосылок и исходных данных исследования;
2) разработка алгоритма оценки параметров первичных измерительных сигналов для получения стабильных оценок в условиях двухфазного потока;
3) разработка цифрового предварительного фильтра для повышения точности оценок параметров измерительных сигналов в условиях двухфазного потока;
4) разработка метода расчета расхода, позволяющего скомпенсировать дополнительную погрешность измерения расхода в условиях двухфазного потока.
В настоящее время эту задачу решают использованием автоматизированных групповых замерных установок, которые основаны на сепарационном методе измерения нефтегазового потока. При таком методе измерения нефтепродукты нескольких скважин поступают в резервуар-сепаратор, на выходе которого измеряют расход суммарного потока. Главный недостаток сепарационного метода - зависимость метрологических характеристики установки от качества сепарации. С учетом того, что полное отделение газовой составляющий затруднительно, необходимо измерение расхода газо-жидкостного потока. Более того, в соответствии с требованиями правил недропользования и ГОСТ Р 8.615-2005 [2] возникает необходимость в применении измерительных устройств для оценки расхода сырой нефти и нефтяного газа по отдельным скважинам и лицензионным участкам.
Автоматизированные групповые замерные установки основаны на разнообразных технических решениях, которые включают ультразвуковые, вихревые и кориолисовые расходомеры. Кориолисовый расходомер - один из наиболее востребованных типов расходомеров в задаче коммерческого учета потребления жидких и газообразных материалов. Главное преимущество кориолисового расходомера - измерение массового расхода и плотности однофазной среды с высокой точностью [3]. При этом появление в измеряемом потоке второй компоненты (двухфазный газо-жидкостный поток) приводит к резкому росту погрешности измерения расхода [4].
В настоящее время производство отечественных кориолисовых расходомеров развито слабо, при этом отечественные кориолисовые расходомеры с функцией измерения расхода при двухфазном потоке на рынке не представлены [5]. В импортных кориолисовых расходомерах таких производителей, как Emerson, Endress+Hauser, Yokagawa заявлена функция измерения расхода при двухфазном потоке, однако, технология в основе заявленной функции не комментируется. Более того, испытания расходомеров Endress+Hauser и Yokagawa [4,6] показали сравнительно высокую погрешность измерения расхода данными расходомерами в условиях двухфазного потока.
Таким образом, кориолисовый расходомер - высокоточное и востребованное устройство измерения расхода. Однако для работы кориолисового расходомера в условиях двухфазного потока необходимо дальнейшее исследование и разработка как методов обработки сигналов в расходомере, так и методов расчета расхода.
Актуальность задачи исследования подтверждена как потребностью промышленности, особенно, с учетом ГОСТ Р 8.615-2005 [2], так и требованиями повышения эффективности добычи углеводородного сырья и развития передовых производственных технологий, которые сформулированы в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации [7].
Цель работы - повышение качества работы кориолисового расходомера при двухфазном потоке путем разработки алгоритмов обработки первичных сигналов расходомера и расчета расхода.
Задачи работы:
1) анализ принципа действия кориолисовых расходомеров, изучение используемых в расходомерах алгоритмов обработки сигналов, формирование предпосылок и исходных данных исследования;
2) разработка алгоритма оценки параметров первичных измерительных сигналов для получения стабильных оценок в условиях двухфазного потока;
3) разработка цифрового предварительного фильтра для повышения точности оценок параметров измерительных сигналов в условиях двухфазного потока;
4) разработка метода расчета расхода, позволяющего скомпенсировать дополнительную погрешность измерения расхода в условиях двухфазного потока.
По результатам работы были решены следующие задачи.
1. Изучена конструкция и принцип действия кориолисового расходомера, показано существенное влияние двухфазного потока на стабильность работы расходомера и дополнительную погрешность измерения расхода, выделены два последовательных шага при работе расходомера: оценка параметров первичных измерительных сигналов с сенсоров (измерительных катушек) расходомера и оценка расхода. Проведен анализ существующих решений на каждом шаге, показано, что задача выбора алгоритмов оценки параметров сигналов и оценки расхода для кориолисового расходомера в условиях двухфазного потока полностью не решена.
2. Сформулированы исходные данные для исследования: описание
технических характеристик исследуемого расходомера, описание
экспериментальной установки и эксперимента по испытанию расходомера в условиях двухфазного потока, описание используемых математических моделей измерительных сигналов расходомера, имитирующих поведение двухфазного потока.
3. Разработана модификация классического алгоритма переходов через ноль для определения параметров (частота, разность фаз, амплитуда) первичных измерительных сигналов кориолисового расходомера. Модификация основана на совместной обработке двух измерительных сигналов с обработкой «ложных» переходов, что позволяет обеспечить стабильность оценки параметров сигналов при соотношении сигнал/шум до 40 дБ по сравнению с классическим алгоритмом, а также позволяет оценивать амплитуду сигналов непосредственно с использованием переходов через ноль, результаты подтверждены при тестировании на математической модели сигналов.
4. Разработан цифровой предварительный фильтр для повышения соотношения сигнал шум в первичных измерительных сигналах кориолисового расходомера при двухфазном потоке. При разработке были сформированы требования к фильтру, проанализированы классические КИХ-фильтры и БИХ- фильтры, а также фильтр Савицкого-Голея, изучены методы их расчета, рассчитаны несколько фильтров каждого вида и выбраны наиболее соответствующие требованиям. Кроме того, на основе математических моделей сигналов было выполнено сравнение качества оценки параметров сигналов с использованием модифицированного алгоритма переходов через ноль и предварительных фильтров каждого вида. По результатам сравнения в качестве предварительного фильтра был выбран БИХ-фильтр, который обеспечивает наилучшее подавление шума в сигналах и обладает минимальной фазовой задержкой сигнала.
5. Разработана модификация функции измерений (градуировочной характеристики) расходомера, которая позволяет сократить дополнительную погрешность оценки расхода, возникающую при двухфазном потоке. При разработке было проанализировано искажение стандартной градуировочной характеристики, которая связывает основной параметр (разность фаз) с массовым расходом, и были выявлены дополнительные служебные параметры, связанные с содержанием воздуха в потоке. С использованием основного и служебных параметров было построено несколько модификаций градуировочных характеристик, коэффициенты которых рассчитаны на основе экспериментальных данных и проверены на адекватность с помощью соответствующих критериев. В результате, при сравнении модификаций градуировочных характеристик на экспериментальных данных для нелинейной и кусочно-линейной модификаций во всем исследуемом диапазоне содержания воздуха максимальная относительная погрешность оценки расхода составила 3,8%, при этом при отсутствии воздуха погрешность составила 0,3% и 0,5% соответственно.
Таким образом, итогом работы является разработка алгоритмов оценки параметров первичных сигналов и оценки расхода в кориолисовом расходомере при двухфазном потоке. Разработанный алгоритм оценки параметров сигналов по результатам тестирования на модельных сигналах показал устойчивость к шумам различной природы (случайным, гармоническим), а также продемонстрировал высокую точность отслеживания параметров. Разработанный алгоритм оценки расхода позволил существенно сократить дополнительную погрешность измерения расхода при двухфазном потоке. В результате, разработанные алгоритмы способны обеспечить стабильную работу кориолисового расходомера при двухфазном потоке с расходом от 0,3 до 0,8 к г/ с и объемным содержанием воздуха в потоке от 0 до 2 5 % , при этом максимальная относительная погрешность оценки расхода не превышает 4 %.
Однако стоит отметить несколько задач, которые остались за рамками данного исследования. Данные задачи связаны с большим объемом экспериментов, а их решение может лежать в основе дальнейших работ по повышению точности измерения двухфазного потока с помощью кориолисовых расходомеров.
1. Проведение эксперимента по испытанию кориолисового расходомера в условиях двухфазного потока с устройством обработки сигналов (электронным блоком), в который включены разработанные алгоритмы для экспериментального подтверждения их работоспособности.
2. Проведение эксперимента по испытанию кориолисового расходомера в более широких диапазонах массового расхода и содержания воздуха, при этом с более малым шагом задания каждого параметра для уточнения разработанных модификаций градуировочных характеристик.
3. Проведение эксперимента по испытанию кориолисового расходомера с возможностью контроля мгновенного расхода двухфазного потока для оценки погрешности оценки мгновенного расхода с помощью разработанных алгоритмов.
1. Изучена конструкция и принцип действия кориолисового расходомера, показано существенное влияние двухфазного потока на стабильность работы расходомера и дополнительную погрешность измерения расхода, выделены два последовательных шага при работе расходомера: оценка параметров первичных измерительных сигналов с сенсоров (измерительных катушек) расходомера и оценка расхода. Проведен анализ существующих решений на каждом шаге, показано, что задача выбора алгоритмов оценки параметров сигналов и оценки расхода для кориолисового расходомера в условиях двухфазного потока полностью не решена.
2. Сформулированы исходные данные для исследования: описание
технических характеристик исследуемого расходомера, описание
экспериментальной установки и эксперимента по испытанию расходомера в условиях двухфазного потока, описание используемых математических моделей измерительных сигналов расходомера, имитирующих поведение двухфазного потока.
3. Разработана модификация классического алгоритма переходов через ноль для определения параметров (частота, разность фаз, амплитуда) первичных измерительных сигналов кориолисового расходомера. Модификация основана на совместной обработке двух измерительных сигналов с обработкой «ложных» переходов, что позволяет обеспечить стабильность оценки параметров сигналов при соотношении сигнал/шум до 40 дБ по сравнению с классическим алгоритмом, а также позволяет оценивать амплитуду сигналов непосредственно с использованием переходов через ноль, результаты подтверждены при тестировании на математической модели сигналов.
4. Разработан цифровой предварительный фильтр для повышения соотношения сигнал шум в первичных измерительных сигналах кориолисового расходомера при двухфазном потоке. При разработке были сформированы требования к фильтру, проанализированы классические КИХ-фильтры и БИХ- фильтры, а также фильтр Савицкого-Голея, изучены методы их расчета, рассчитаны несколько фильтров каждого вида и выбраны наиболее соответствующие требованиям. Кроме того, на основе математических моделей сигналов было выполнено сравнение качества оценки параметров сигналов с использованием модифицированного алгоритма переходов через ноль и предварительных фильтров каждого вида. По результатам сравнения в качестве предварительного фильтра был выбран БИХ-фильтр, который обеспечивает наилучшее подавление шума в сигналах и обладает минимальной фазовой задержкой сигнала.
5. Разработана модификация функции измерений (градуировочной характеристики) расходомера, которая позволяет сократить дополнительную погрешность оценки расхода, возникающую при двухфазном потоке. При разработке было проанализировано искажение стандартной градуировочной характеристики, которая связывает основной параметр (разность фаз) с массовым расходом, и были выявлены дополнительные служебные параметры, связанные с содержанием воздуха в потоке. С использованием основного и служебных параметров было построено несколько модификаций градуировочных характеристик, коэффициенты которых рассчитаны на основе экспериментальных данных и проверены на адекватность с помощью соответствующих критериев. В результате, при сравнении модификаций градуировочных характеристик на экспериментальных данных для нелинейной и кусочно-линейной модификаций во всем исследуемом диапазоне содержания воздуха максимальная относительная погрешность оценки расхода составила 3,8%, при этом при отсутствии воздуха погрешность составила 0,3% и 0,5% соответственно.
Таким образом, итогом работы является разработка алгоритмов оценки параметров первичных сигналов и оценки расхода в кориолисовом расходомере при двухфазном потоке. Разработанный алгоритм оценки параметров сигналов по результатам тестирования на модельных сигналах показал устойчивость к шумам различной природы (случайным, гармоническим), а также продемонстрировал высокую точность отслеживания параметров. Разработанный алгоритм оценки расхода позволил существенно сократить дополнительную погрешность измерения расхода при двухфазном потоке. В результате, разработанные алгоритмы способны обеспечить стабильную работу кориолисового расходомера при двухфазном потоке с расходом от 0,3 до 0,8 к г/ с и объемным содержанием воздуха в потоке от 0 до 2 5 % , при этом максимальная относительная погрешность оценки расхода не превышает 4 %.
Однако стоит отметить несколько задач, которые остались за рамками данного исследования. Данные задачи связаны с большим объемом экспериментов, а их решение может лежать в основе дальнейших работ по повышению точности измерения двухфазного потока с помощью кориолисовых расходомеров.
1. Проведение эксперимента по испытанию кориолисового расходомера в условиях двухфазного потока с устройством обработки сигналов (электронным блоком), в который включены разработанные алгоритмы для экспериментального подтверждения их работоспособности.
2. Проведение эксперимента по испытанию кориолисового расходомера в более широких диапазонах массового расхода и содержания воздуха, при этом с более малым шагом задания каждого параметра для уточнения разработанных модификаций градуировочных характеристик.
3. Проведение эксперимента по испытанию кориолисового расходомера с возможностью контроля мгновенного расхода двухфазного потока для оценки погрешности оценки мгновенного расхода с помощью разработанных алгоритмов.
