Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации (стр. 6 )

где δ – относительная статистическая ошибка;

– среднее число квантов, зарегистрированных за секунду, которое прямо пропорционально интенсивности;

t – время измерения в секундах.

Кроме того, точность определения компонентного состава потока многофазной жидкости предложенного устройства выше за счет того, что он обеспечивает меньшую относительную долю фонового излучения в спектре. Сравнение относительного распределения интенсивностей излучения в спектре для прототипа и предложенного устройства показывает, что уровень фонового излучения в предложенном устройстве ниже примерно в 10 раз.

На рисунке 16 представлена схема предложенного устройства.

Рисунок 19 – Схема устройства.

Устройство содержит источник рентгеновского излучения 1 и волнодисперсионный спектрометр 2, размещенные в корпусах, которые жестко закреплены по разные стороны трубы 3, по которой протекает поток многофазной жидкости. Труба 3 может быть обычной цилиндрической трубой (отдельная отводная труба) или в виде трубки Вентури. При использовании трубки Вентури источник рентгеновского излучения 1 и волнодисперсионный спектрометр 2 расположены на оси, проходящей через самое узкое место трубы 3. Источник рентгеновского излучения 1 и волнодисперсионный спектрометр 2 закреплены на одной оси, перпендикулярной оси симметрии трубы 3 так, чтобы излучение от источника рентгеновского излучения 1 к волнодисперсионному спектрометру 2 проходило через окна 4 и 5 из материала с низким коэффициентом поглощения излучения, например, из титана, врезанные в трубу 3.

В корпусе волнодисперсионного спектрометра 2 расположены кристаллические монохроматоры-анализаторы 6 и 7, установленные под разными углами к лучу от источника рентгеновского излучения 1 так, чтобы на каждом из них выполнялось условие Брэгга для одной из линий излучения из спектра источника рентгеновского излучения 1. За кристаллическим монохроматором-анализатором 6 по направлению распространения дифрагированного луча от него установлен сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 8, а сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 9 располагается по направлению распространения дифрагированного луча от кристаллического монохроматора-анализатора 7. Датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 установлен за кристаллическими монохроматорами-анализаторами 6 и 7 на одной оси с источником рентгеновского излучения 1.

Датчики измерения давления 11 и температуры 12 многофазной жидкости вмонтированы в трубу 3.

Источник рентгеновского излучения 1, датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10, датчики измерения давления 11 и температуры 12 многофазной жидкости, сцинтилляционные счетчики ионизирующего излучения 8 и 9 соединены через соответствующие драйверы управления с ЭВМ.

В качестве источника рентгеновского излучения 1 может быть выбран рентгеновский аппарат на основе известной рентгеновской трубки, например, БСВ-29 с анодом из серебра, генерирующий полихроматическое тормозное излучение до 60 кэВ и характеристическое рентгеновское излучение серебра с энергиями 22 и 25 кэВ (линии Kα и Kβ, соответственно).

В качестве кристаллических монохроматоров-анализаторов 6 и 7 могут быть использованы кристаллы кремния.

В качестве сцинтилляционных счетчиков ионизирующего излучения 8 и 9 могут быть использованы счетчики на основе органического сцинтиллятора BC-408, производства Saint-Gobain Crystals [11], и кремниевого фотоэлектронного умножителя (не показан), поставляемые компанией SENSL [12], которые позволяют получать сигнал со временем нарастания фронта импульса около 100 пс и временем восстановления менее 1 нс.

В качестве датчика контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 может быть использован стандартный сцинтилляционный блок детектирования рентгеновского излучения, например, производства НПЦ «АСПЕКТ», работающий в токовом режиме.

Источник рентгеновского излучения 1 генерирует рентгеновское излучение со сложным спектральным составом, которое направлено на трубу 3, по которой течет многокомпонентная жидкость. Одна часть рентгеновского излучения проходит через окна 4 и 5 из материала с низким коэффициентом поглощения излучения и поток многофазной жидкости, другая часть - через стенки трубы 3, в которых излучение практически полностью поглощается, тем самым формируется узкий луч излучения. Луч, прошедший через поток многофазной жидкости, становится носителем информации о ее характеристиках, так как в зависимости от состава и параметров многофазной жидкости рентгеновское излучение по-разному поглощается и рассеивается за счет фотоэффекта и комптоновского рассеяния. Прошедшая без взаимодействия с окнами 4 и 5 и потоком многофазной жидкости часть луча рентгеновского излучения, направляется на волнодисперсионный спектрометр 2, где луч попадает на кристаллический монохроматор-анализатор 6. Часть луча рентгеновского излучения, удовлетворяющая условию Брэгга, дифрагирует на кристаллическом монохроматоре-анализаторе 6, а другая часть проходит его без отклонения. После этого, луч попадает на кристаллический монохроматор-анализатор 7, где, аналогично, часть луча, удовлетворяющая условию Брэгга для кристаллического монохроматора-анализатора 7, дифрагирует, а оставшаяся часть проходит его без отклонения.

Дифрагированное на кристаллическом монохроматоре-анализаторе 6 излучение направляется в счетчик ионизирующего излучения 8, а дифрагированное на кристаллическом монохроматоре-анализаторе 7 излучение направляется в счетчик ионизирующего излучения 9. При этом дифрагированное излучение уже является монохроматическим. Сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 8 регистрирует монохроматическое излучение с одной энергией, соответствующей условию Брэгга для кристаллического монохроматора-анализатора 6, и регистрирует скорость счета в одном спектральном диапазоне, а сцинтилляционный счетчик ионизирующего излучения 9 регистрирует монохроматическое излучение с другой энергией, соответствующей условию Брэгга для кристаллического монохроматора-анализатора 7, и регистрирует скорость счета в другом спектральном диапазоне.

Излучение, прошедшее без отклонения, попадает в датчик контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10, который регистрирует общий ток, создаваемый излучением в чувствительном объеме, который несет информацию об интегральной интенсивности излучения в конкретный момент времени, и используется для нормировки.

Одновременно, датчики измерения давления 11 и температуры 12 многофазной жидкости измеряют температуру и давление потока жидкости, используемые для уточнения значений коэффициентов поглощения компонент потока.

Данные от датчиков контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10, измерения давления 11 и температуры 12 многофазной жидкости, от сцинтилляционных счетчиков ионизирующего излучения 8 и 9 поступают на ЭВМ. При этом скорости счета по двум монохроматическим линиям, зарегистрированные счетчиками ионизирующего излучения 8 и 9 и датчиками измерения давления 11 и температуры 12 используются для расчета массовых долей отдельных компонент многофазной жидкости, и с помощью программного обеспечения решается система вида:

I(E1)=I0(E1)exp[-LΣμi(E1,p, T) wiρi(p, T)];

I(E2)=I0(E2)exp[-LΣμi(E2,p, T)wiρi(p, T)];

...

Σwi=1,

где I(E1,2) – интенсивность рентгеновского излучения с энергией E1,2, падающего на поток многофазной жидкости;

I0(E1,2) - интенсивность рентгеновского излучения с энергией E1,2, прошедшего через поток без взаимодействия;

L – расстояние, пройденное излучением через поток многофазной жидкости;

μi(E1,2,p, T) – массовый коэффициент поглощения излучения с энергией E1,2 при температуре Т и давлении p для i-той компоненты;

wi – массовая доля (концентрация) i-той компоненты;

ρi(p, T) – плотность i-той компоненты при температуре Т и давлении p;

Значения I0(E1), I0(E2) и т. д. определяю из измерений в отсутствие потока жидкости в трубе 3 или из предварительного моделирования, а I(E1), I(E2) и т. д. из скоростей счета при измерении на трубе 3 с потоком многофазной жидкости.

Таким образом, с помощью предложенного устройства при регистрации скоростей счета в двух спектральных диапазонах контролируют концентрации трехкомпонентных потоков, например, потока типа нефть-вода-газ, что востребовано в нефтяной промышленности.

Значения I(E1), I0(E1), I(E2), I0(E2) и т. д. нормируют в соответствии со значением тока, зарегистрированным датчиком контроля и стабилизации интенсивности рентгеновского излучения 10 в соответствующий момент времени, что позволяет уменьшить статистический разброс данных обусловленный флуктуациями тока и напряжения источника рентгеновского излучения 1.

Заключение

В ходе выполнения НИР получены следующие научно-технические результаты:

- разработана компьютерная модель с использованием пакета программирования GEANT4 для моделирования процессов взаимодействия электронного пучка и рентгеновского излучения с веществом, позволяющая рассчитывать спектры рентгеновского излучения от рентгеновской трубки

- разработан стенд для проведения экспериментальных исследований акустомонохроматора, настройки и калибровки оборудования

- изготовлен экспериментальный образец акустомонохроматора для эффективного выделения монохроматической линии рентгеновского излучения из низкоэнергетичной части спектра и проведены его испытания;

- разработан и изготовлен блок анализаторов-монохроматоров, состоящий из двух монохроматоров: акустомонохроматор для выделения монохроматической линии из низкоэнергетической части спектра (в районе 22 кэВ) и кристаллический монохроматор на основе кристалла W (110) для выделения линии в высокоэнергетической части (в районе 40 кэВ).

- разработан и изготовлен альтернативный блок монохроматизации на основе составного кристаллического монохроматора, позволяющий выделять две монохроматические линии с энергиями в районе 22 кэВ и 46 кэВ.

- изготовлены эталонные смеси жидкостей с различными концентрациями примесей в воде

- проведены теоретические и экспериментальные исследования показавшие, что чувствительность предложенной технологии анализа составляет не менее 0.1% по массе за время единичного измерения равное 1 секунде

- в качестве источника излучения в предложенном анализаторе рекомендовано использовать рентгеновскую трубку с серебряным анодом, с напряжением на ней равным 60 кВ и током пучка 10 мА

- предложено два варианта реализации прототипа комплекса, отличающиеся схемой монохроматизации и детектирования

Блоки монохроматоров будут использованы в дальнейших экспериментах при исследованиях потенциальных возможностей и пределов обнаружения предложенного способа бесконтактного высокоточного мониторинга потока многокомпонентной жидкости, а так же будут использованы при создании прототипа комплекса для анализа компонентного состава потоков многофазных жидкостей в целом. Разработанная компьютерная модель может быть использована в дальнейшем для предварительных оценок при планировании рентгенографических исследований, например оценки дозовых нагрузок на объект исследования и режимов облучения объекта. Также, модель может быть использована для расчета спектральных характеристик и интенсивностей излучений при проведении ядерно-физических экспериментов, для расчета спектров рентгеновских аппаратов или других источников рентгеновского излучения, что может быть полезно при планировании экспериментов на пучках рентгеновского излучения. Предложенный комплекса для анализа компонентного состава потоков многофазных жидкостей потенциально способен обеспечить определение компонентного состава потока с точностью 1% за время одиночного измерения 1 секунда, что позволяет говорить о реальном «онлайн» контроле.

По результатам работы опубликованы 7 статей в журналах, SCOPUS/WoS, в т. ч. 1 в журнале с ИФ>1, 5 статей в журналах ВАК. Так же за время выполнения были получены 1 патент на изобретение, 2 патента на полезную модель, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Работа поддержана грантами Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (договоры № 000гу2/2015, на 2015-2016 гг. и № 91гу1/2013 на 2013-2014 гг.), грантом компании BP на научные исследования по теме «Технология бессепарационного экспресс определения характеристик потоков многофазной жидкости и устройство для ее реализации» на 2016 гг под руководством автора работы. Также часть представленных результатов получена автором в рамках выполнения работ по темам: ФЦП ГК № 14.515.11.0102 «Разработка аппаратно-программных средств бесконтактного, высокоточного мониторинга компонентного состава потока скважинной жидкости для интеллектуальных систем управления разработки месторождений углеводородов», 2013 г.; ФЦП государственный контракт №  11.519.11.2030 «Разработка адаптивной рентгеновской оптики нового поколения для устройств исследования биологических объектов и быстропротекающих процессов», 2011-2013 гг.; ХД № АУ-141/2013 «Разработка проекта программно-аппаратного комплекса для качественного и количественного анализа вещества биообъектов на базе малогабаритного генератора квазимонохроматического рентгеновского излучения», 2013-2014 гг..

Список использованных источников

1.  G. Falcone, Multiphase Flow Metering, Dev. Petr. Sci. 54 (2009)
191-228.

2.  A. M. Scheers, W. F.J. Slijkerman, Multiphase flow measurement using multiple energy gamma ray absorption (MEGRA) composition measurement, SPE publication (1996) Document ID SPE-36593-MS.

3.  Патент РФ № 000, 10.07.2011.

4.  Gogolev A., Cherepennikov Yu. Device for X-ray spectral absorption analysis with use of acoustic monochromator // Journal of Physics: Conference Series. – 2011. – V. 517. – № 012037. – С. 1–5.

5.  Vx Technology Multiphase flow rate measurements without fluid separation [Электронный ресурс] // URL: http://www.

6.  Заявка на патент РФ № 000, 31.05.2014.

7.  , «Гидродинамические исследования и многофазная расходометрия: новые возможности и принципы работы (на примере технологии Vx)», Техника и технологии, декабрь 2010, C. 30-37.

8.  Патент РФ № 000, 20.06.2012.

9.  Патент US № 000, 12.04.2012.

10.  Грязнов аппаратурных и методических способов повышения аналитических характеристик энергодисперсионного рентгенофлуоресцентного анализатора // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность: 05.27.02 Санкт-Петербург - 2004.

11.  [Электронный ресурс]. URL: http://www. crystals. /Crystals_Products. aspx

12.  [Электронный ресурс]. URL: http://www. / downloads/ds/DS-MicroFM. pdf.