DE112004000752T5

DE112004000752T5 - Zwei-Phasen-Dampf-Messystem

Info

Publication number: DE112004000752T5
Application number: DE112004000752T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Louisville Dutton; Wade M. Wrentham Mattar
Original assignee: Invensys Systems Inc
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 2003-05-05
Filing date: 2004-05-04
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2024-05-05
Also published as: US20040221660A1; CA2524512A1; MXPA05011499A; WO2004099731A2; US7013740B2; US7231835B2; WO2004099731A3; DE112004000752B4; US20060123923A1; CA2524512C

Abstract

Dampfmeßsystem, umfassend:
ein Coriolis-Flußrohr bzw. -Strömungsrohr, um einen Fluß bzw. Strom von feuchtem bzw. nassem Dampf aufzunehmen, wobei eine Volumsdichte des Flusses basierend auf einer Bewegung des Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist bzw. wird;
einen Sensor, um eine Eigenschaft des Flusses von nassem Dampf zu bestimmen; und
eine Berechnungsvorrichtung, um eine Dampfqualität des Flusses aus der Volumsdichte und der Eigenschaft zu berechnen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Beschreibung bezieht sich auf Zwei-Phasen-Dampfmessungen.
STAND DER TECHNIK
Es gibt Fälle, in welchen es von Vorteil ist, verschiedene Eigenschaften von gesättigtem Dampf zu messen. Ein derartiger Fall ist die Extraktion von Rohöl aus der Erde. Schweres teerartiges Öl liegt in geologischen Formationen unter der Erdoberfläche in großen Mengen. Um diese kommerziell wertvolle Ressource zu extrahieren, kann feuchter bzw. nasser, gesättigter Dampf bei einem Dampfgenerator oder einer anderen Dampf produzierenden Vorrichtung hergestellt werden und durch verschiedene Transportelemente (wie beispielsweise Leitungen, Verteiler, Ventile, Verzweigungen bzw. T-Stücke und Fittings bzw. Paßstücke) zu einer oder mehreren Einspritzvertiefungen an der (den) Stelle(n) des schweren teerartigen Öls transportiert werden. An den Injektionsstellen bzw. -vertiefungen kann der Dampf in die Schwerölformationen injiziert bzw. eingespritzt werden, um das Rohöl zu verdünnen und ein Pumpen desselben zur Oberfläche zu erleichtern.
ZUSAMMENFASSUNG
In einem Aspekt wird ein Dampfmeßsystem zur Verfügung gestellt. Dieses Dampfmeßsystem umfaßt bzw. beinhaltet ein Coriolis-Strömungsrohr bzw. -Flußrohr, um einen Fluß von nassem bzw. feuchtem Dampf zu erhalten. Eine Volumensdichte des Flusses bzw. Stroms wird basierend auf der Bewegung des Coriolis-Flußrohrs bestimmt. Ein Sensor bestimmt eine Eigenschaft des Flusses an nassem Dampf. Eine Berechnungsvorrichtung berechnet eine Dampfqualität des Flusses aus der Volumsdichte und der Eigenschaft.
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen. Beispielsweise kann die Eigenschaft eine Temperatur des Flusses sein, wobei der Sensor ein Temperatursensor ist. Der Temperatursensor kann mit der Außenseite des Flußrohrs verbunden sein oder der Temperatursensor kann in den Strom von nassem Dampf eingesetzt sein. Die Eigenschaft kann ein Druck des Stroms bzw. Flusses sein, wobei der Sensor ein Drucksensor ist.
Um die Dampfqualität zu berechnen, kann die Berechnungsvorrichtung konfiguriert sein, um eine Dichte einer Dampfphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen, und um eine Dichte einer flüssigen bzw. Flüssigphase des Flusses bzw. Stroms aus der Eigenschaft zu berechnen. Die Berechnungsvorrichtung kann einen Speicher beinhalten, der eine Dampftabelle speichert, und konfiguriert sein, um die Dampftabelle zu verwenden, um die Dichte der Dampfphase aus der Eigenschaft und die Dichte der flüssigen bzw. Flüssigphase aus der Eigenschaft zu berechnen. Die Berechnungsvorrichtung kann konfiguriert sein, um die Dampfqualität unter Verwendung der Volumsdichte, der Dichte der Flüssigphase und der Dichte der Gasphase zu berechnen, um die folgende Gleichung für die Dampfqualität x zu lösen:
Die Berechnungsvorrichtung kann auch konfiguriert sein, um eine Volumsmassenstromgeschwindigkeit bzw. -rate des Flusses bzw. Stroms basierend auf einer Bewegung des Coriolis-Flußrohrs bestimmen, und kann konfiguriert sein, um eine Wärmeenergie-Flußrate bzw. -Strömungsgeschwindigkeit des Flusses bzw. Stroms aus der Dampfqualität zu berechnen und der Volums- bzw. Massenstromflußgeschwindigkeit. Um die Wärmeenergie-Stromgeschwindigkeit zu berechnen, kann die Berechnungsvorrichtung konfiguriert sein, um eine Enthalpie der Dampfphase des Stroms aus der Eigenschaft zu berechnen, um eine Enthalpie der Flüssigkeits- bzw. Flüssigphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen. Die Berechnungsvorrichtung kann konfiguriert sein, um die Wärmeenergie-Strömungsrate unter Verwendung der Volumsmassenströmungsrate, der Enthalpie der Flüssigphase h_f, der Enthalpie der Gasphase h_g und der Dampfqualität x durch Lösen der folgenden Gleichung für die Wärmeenergie-Strömungsrate H_total zu lösen: Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x).
Die Berechnungsvorrichtung kann ein Coriolis-Flußmeßgerät-Transmitter oder ein Strömungs- bzw. Flußcomputer sein.
Das Dampfmeßsystem kann auch einen Dampfgenerator, um den Fluß bzw. Strom von nassem Dampf zu generieren bzw. zu erzeugen; ein Transportelement, um den Fluß von nassem Dampf zu dem Coriolis-Flußrohr zu liefern; und ein Einspritzloch beinhalten, das mit dem Coriolis-Flußrohr verbunden ist, um den Fluß an nassem Dampf von dem Coriolis-Flußrohr aufzunehmen bzw. zu empfangen.
In einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, welches ein Durchleiten eines Stroms von nassem Dampf durch ein vibrierendes Strömungs- bzw. Flußrohr, das mit einem Coriolis-Flußmeßgerät assoziiert ist, wobei das Coriolis-Flußmeßgerät die Volumsdichte des Flusses von nassem Dampf bestimmt; ein Erhalten einer Temperatur oder eines Drucks von dem Fluß aus nassem Dampf; und ein Berechnen der Dampfqualität des Flusses aus der Volumsdichte und der Temperatur oder dem Druck beinhaltet.
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Beispielsweise kann ein Berechnen der Dampfqualität ein Berechnen einer Dichte einer Dampfphase oder des Flusses aus der Temperatur oder dem Druck; und ein Berechnen einer Dichte einer Flüssigphase des Flusses von der Temperatur oder dem Druck beinhalten. Die Dampfqualität kann durch Lösen der folgenden Gleichung für die Dampfqualität x berechnet werden:
Die Volumsmassenstromgeschwindigkeit bzw. -flußrate des Flusses kann berechnet werden und eine Wärmeenergie-Strömungsgeschwindigkeit bzw. -Flußrate des Flusses kann ebenfalls aus der Dampfqualität, der Volumsmassenstromgeschwindigkeit und der Temperatur oder dem Druck berechnet werden. Ein Berechnen der Wärmeenergie-Strömungsgeschwindigkeit kann ein Berechnen einer Enthalpie der Dampfphase des Flusses aus der Temperatur oder dem Druck; und ein Berechnen einer Enthalpie der Flüssigphase des Stroms aus der Temperatur oder dem Druck beinhalten. Die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit H_total kann durch Lösen der folgenden Gleichung berechnet werden: Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x). wo m die Volumensmassenstromgeschwindigkeit, h_f die Enthalpie der Flüssigphase, h_g die Enthalpie der Gasphase und x die Dampfqualität ist.
In einem anderen Aspekt wird ein Dampfmeßsystem, beinhaltend einen Separator bzw. eine Trenneinrichtung, zur Verfügung gestellt. Der Separator trennt einen Fluß von nassem Dampf in einen im wesentlichen Gasstrom und einen im wesentlichen Flüssigkeitsstrom auf. Ein erstes Coriolis- Flußrohr erhält den im wesentlichen Gasstrom und eine Volumsdichte des im wesentlichen Gasstroms wird basierend auf einer Bewegung des ersten Coriolis-Flußrohrs berechnet. Ein zweites Coriolis-Flußrohr erhält den im wesentlichen Flüssigkeitsstrom und eine Volumsdichte des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms wird basierend auf einer Bewegung des zweiten Coriolis-Flußrohrs bestimmt. Ein Sensor detektiert eine Temperatur oder einen Druck des im wesentlichen Gasstroms oder des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms. Eine Berechnungsvorrichtung ist konfiguriert, um die gesamte Dampfqualität des Flusses an nassem Dampf aus der Volumsdichte des im wesentlichen Gasflusses bzw. -stroms, der Volumsdichte des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms und der Temperatur oder dem Druck zu berechnen.
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Beispielsweise kann der Sensor ein Temperatursensor sein. Der Temperatursensor kann mit der Außenseite des ersten oder zweiten Coriolis-Flußrohrs verbunden sein oder in den im wesentlichen Gas- oder im wesentlichen Flüssigkeitsstrom eingesetzt sein. Der Sensor kann ein Drucksensor sein.
Um die Dampfqualität zu berechnen, kann die Berechnungsvorrichtung konfiguriert sein, um die Temperatur oder den Druck zum Berechnen einer Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Gasstroms; einer Dichte einer Flüssigphase des im wesentlichen Gasflusses; einer Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms; und einer Dichte einer Flüssigphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu verwenden. Die Berechnungsvorrichtung kann einen Speicher enthalten, der eine Dampftabelle speichert, und konfiguriert sein, um die Dampftabelle zum Berechnen der Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Gasflusses; der Dichte einer Flüssigphase des im wesentlichen Gasflusses; der Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms; und der Dichte einer Flüssigphase des im wesentlichen Flüssigkeitsflusses zu verwenden.
Eine Volumsmassenstromgeschwindigkeit bzw. -flußrate des im wesentlichen Gasstroms kann basierend auf Bewegungsinformation des ersten Coriolis-Flußrohrs bestimmt werden, und eine Volumsmassenstromgeschwindigkeit des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms kann basierend auf Bewegungsinformation des zweiten Coriolis-Flußrohrs bestimmt sein bzw. werden. Die Berechnungsvorrichtung kann konfiguriert sein, um eine Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate des Flusses aus der Dampfqualität, der Volumsmassenströmungsgeschwindigkeit des im wesentlichen Flüssigkeitsflusses bzw. -stroms, der Volumsmassenstromgeschwindigkeit des im wesentlichen Gasstroms und der Temperatur oder dem Druck zu berechnen.
Um die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate zu berechnen, kann die Berechnungsvorrichtung konfiguriert sein, um die Temperatur oder den Druck zu verwenden, um eine Enthalpie der Dampfphase des im wesentlichen Gasstroms zu berechnen; um eine Enthalpie der Flüssigphase des im wesentlichen Gasstroms zu berechnen; um eine Enthalpie der Dampfphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu berechnen; und um eine Enthalpie der Flüssigphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu berechnen. Die Berechnungsvorrichtung kann ein Coriolis-Flußmeßgerät-Transmitter oder ein Flußcomputer sein.
Das Dampfmeßsystem kann auch einen Dampfgenerator, um den Fluß an feuchtem bzw. nassem Dampf zu erzeugen; ein Transportelement, um den Fluß von nassem Dampf zu dem Separator zu liefern; und ein Injektions- bzw. Einspritzloch enthalten, das mit dem ersten und zweiten Coriolis-Flußrohr verbunden ist, um den im wesentlichen Gas- und im wesent lichen Flüssigkeitsstrom von dem ersten und zweiten Coriolis-Flußrohr zu erhalten.
In einem weiteren Aspekt beinhaltet ein Coriolis-Transmitter zur Verwendung mit einem Dampfmeßsystem ein Coriolis-Flußrohr, um einen Fluß bzw. Strom von nassem Dampf zu erhalten; einen ersten Sensor, der mit dem Flußrohr assoziiert bzw. verbunden ist, um Information betreffend eine Bewegung des Flußrohrs mittels eines ersten Sensorsignals auszugeben; und einen zweiten Sensor, um eine Eigenschaft des Stroms zu bestimmen und um die Eigenschaft durch ein zweites Sensorsignal auszugeben. Der Coriolis-Transmitter beinhaltet eine Ver- bzw. Bearbeitungsvorrichtung, um das erste und zweite Sensorsignal zu erhalten. Die Bearbeitungsvorrichtung ist konfiguriert, um eine Dampfqualität aus dem Strom des ersten und zweiten Sensorsignals zu berechnen.
Implementierungen dieses Aspekts können eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten. Beispielsweise kann die Bearbeitungsvorrichtung auch konfiguriert sein, um eine Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit des Flusses aus der Dampfqualität und dem ersten und zweiten Sensorsignal zu berechnen. Um die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate zu berechnen, kann die Bearbeitungsvorrichtung konfiguriert sein, um eine Enthalpie der Dampfphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen, um eine Enthalpie der flüssigen bzw. Flüssigphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen, und um eine Volumsmassenstromgeschwindigkeit des Flusses aus dem ersten Sensorsignal bzw. Signal des ersten Sensors zu berechnen. Die Bearbeitungsvorrichtung kann konfiguriert sein, um die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit unter Verwendung der Volumsmassenstromgeschwindigkeit m, der Enthalpie der Flüssigphase h_f, der Enthalpie der Gasphase h_g und der Dampf qualität x durch Lösen der folgenden Gleichung für die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit H_total zu berechnen: Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x).
Die Details von einer oder mehreren Implementierungen sind in den beiliegenden Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung ausgeführt. Andere Merkmale werden aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen offensichtlich werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist Blockdiagramm eines Zwei-Phasen-Dampfmeßsystems, das an Einspritz-Bohrlöchern verwendet wird.
2 ist ein Diagramm, das eine Temperatur-Druck-Beziehung von Wasser zeigt.
3 ist ein Auszug aus einer Temperaturtabelle von gesättigtem Dampf.
4 ist ein Blockdiagramm eines Coriolis-Meßgeräts, das in einem Dampfmeßsystem verwendet ist bzw. wird.
5 ist ein Blockdiagramm eines Coriolis-Meßgeräts und eines Temperatur-Transmitters, die in einem Dampfmeßsystem verwendet sind bzw. werden.
6 ist ein Blockdiagramm eines Coriolis-Meßgeräts und eines Druck-Transmitters, die in einem Dampfmeßsystem verwendet sind.
7 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen von Dampfqualitätsmessungen beschreibt.
8 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeits-Messungen beschreibt.
9 ist ein Blockdiagramm eines Dampfmeßsystems, das im Zusammenhang mit einem Gas/Flüssig-Separator verwendet ist bzw. wird.
10 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Berücksichtigen von gelösten Feststoffen beschreibt, wenn Dampfqualitätsmessungen bestimmt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 ist ein Blockdiagramm eines Dampferzeugungs- und -injektionssystems 100, welches ein Zwei-Phasen-Dampfmeßsystem beinhaltet. Das System 100 beinhaltet einen Dampfgenerator 120, Transportelemente 130, die den Auslaß bzw. Ausgang des Dampfgenerators 120 mit Injektions- bzw. Einspritzbohrlöchern 160 verbinden, und Meßgeräte 140 gemeinsam mit entsprechenden Transmittern bzw. Sendern 150, die nahe den Einspritzbohrlöchern angeordnet sind. Im allgemeinen wird Zufuhrwasser 110 zu dem Dampfgenerator 120 zugeführt bzw. eingegeben, welcher Zufuhrwasser 110 in Dampf umwandelt. Der Dampf wird zu den Einspritzbohrlöchern 160 durch Transportelemente 130, z.B. Flußleitungen, Verteiler, Ventile und Fittings bzw. Paßstücke transportiert. Das Meßgerät 140 gemeinsam mit den entsprechenden Transmittern 150 werden verwendet, um Eigenschaften des Dampfes nahe den Einspritzbohrlöchern 160 zu messen.
Zufuhrwasser 110 kann destilliert sein bzw. werden, um irgendwelche Feststoffe und andere Verunreinigungen zu entfernen. Jedoch kann eine Verwendung von destilliertem Wasser teuer und unpraktisch sein. Alternativ können Ölfirmen Dampf in Dampfgeneratoren statt anderen Dampf produzierenden Einrichtungen, wie z.B. Boilern erzeugen, so daß beispielsweise genügend Flüssigkeit den Dampfgenerator verläßt, um jegliche gelöste Feststoffe mitzunehmen, welche in dem Zufuhrwasser existieren können, welches durch den Dampfgenerator bzw. die Dampferzeugungseinrichtung beim Erzeugen des Dampfs verwendet wird. Dies eliminiert den teuren Vorschlag, destilliertes Wasser als das Zufuhrwasser zu verwenden. So ist der erzeugte und transportierte Dampf vorzugsweise "feuchter bzw. nasser Dampf", d.h. Wasser mit einer Phasenbeziehung derart, daß Flüssigkeit in irgendeiner Form oder Menge in einem Dampf des Wassers enthalten ist.
2 ist ein Phasendiagramm 200, das die Zwei-Phasen-Natur einer reinen Substanz, in diesem Fall Wasser, illustriert. Wie dies in 2 gezeigt ist, bestimmt eine Temperatur und/oder ein Druck von Wasser Zustandscharakteristika des Wassers. Beispielsweise kann das Wasser in einem komprimierten, flüssigen Zustand 210 vorliegen, wobei jedoch, wenn Wärme hinzugefügt wird, die Temperatur der komprimierten Flüssigkeit ansteigt, bis sie die Sättigungsflüssigkeitslinie 211 erreicht. Wenn dies bei einem atmosphärischen Druck ausgeführt wird, dann ist die Temperatur 212°F. Wenn Wärme kontinuierlich zu dem Wasser bei atmosphärischem Druck zugefügt wird, verwandelt sich ein Teil der Flüssigkeit in Dampf. Wenn genug Wärme zugefügt wird, um beispielsweise die Hälfte in Massenteilen der Flüssigkeit in Dampf umzuwandeln, wird von dem Dampf gesagt, daß er 50 % Qualität besitzt. Wenn fortgeführt wird, Wärme zu dem Dampf zuzufügen, wird sich die gesamte Flüssigkeit an der Sättigungsdampflinie 213 in Dampf umwandeln. An diesem Punkt ist die Temperatur immer noch 212°F und der Druck ist immer noch eine Atmosphäre absolut. Wenn Wärme weiter zu diesem Dampf hinzugefügt wird, werden die Temperatur und der Druck in den super- bzw. überhitzten Dampfzustand 214 angehoben, wo die Temperatur und der Druck unabhängig voneinander sind.
So ist der Ausdruck nasser/gesättigter Dampf ein thermodynamischer Ausdruck, der Wasser bedeutet, welches nicht überhitzt ist noch eine komprimierte Flüssigkeit ist, und sich unter dem kritischen Punkt von 705,5°F und 3208 psia befindet. Gesättigter Dampf kann von 0 % bis 100 % in "Dampfqualität" vorliegen, wie dies unten diskutiert wird, und seine Temperatur und sein Druck sind in dem Zwei-Phasenbereich 212 des Phasendiagramms 200 in Beziehung gestellt. Beispielsweise sind 212°F an einen atmosphärischen Druck von 14,7 psia gebunden, wie 327,8°F an 100 psia gebunden sind. Dampftabellen wurden entwickelt, um die Eigenschaften von gesättigtem Dampf (z.B. Dichte und Wärmeenergie der Phasen) bei einer gegebenen Temperatur und entsprechendem Druck anzugeben.
3 ist ein Auszug aus einer Temperaturtabelle von gesättigtem Dampf. Wie gerade beschrieben, setzt eine derartige Tabelle verschiedene Eigenschaften in Beziehung, die mit Wasser bei verschiedenen Bedingungen assoziiert sind. Spezifisch illustriert die Tabelle von 3 verschiedene Eigenschaften von nassem gesättigtem Dampf bei verschiedenen Temperaturen und Drücken. Die Eigenschaften beinhalten das spezifische Volumen der Komponenten des nassen Dampfes (spezifisches Volumen stellt den Raum dar, der pro Einheitsmasse einer Substanz eingenommen ist und ist das mathematische Inverse bzw. Umgekehrte der Dichte), die Enthalpie der Komponenten des nassen Dampfs (d.h. ein Term, der den Gesamtenergiegehalt des nassen Dampfs darstellt bzw. repräsentiert; er drückt die innere bzw. interne Energie und Strömungs- bzw. Flußarbeit oder die gesamte potentielle Energie und kinetische Energie aus, die in einer Substanz enthalten sind, und kann beispielsweise in Britischen Thermaleinheiten pro Pfund (Masse) oder BTU/lbm ausgedrückt werden), und die Entropie der Komponenten des nassen Dampfs (was in diesem Fall die Energie des nassen Dampfs darstellt, die aufgrund eines Transports des nassen Dampfs verlorengehen kann).
Von Wasserdampf, welcher den Generator 120 verläßt, wird gesagt, daß er eine spezielle "Dampfqualität" besitzt, welche sich auf den Prozentsatz Dampf pro Masse bezieht, welcher sich in der Dampfphase befindet. Beispielsweise von nassem Dampf, der 80 % Dampf ist, kann gesagt werden, daß er eine 80 %-ige Dampfqualität besitzt. Der Rest des gesättigten Dampfs befindet sich in der flüssigen bzw. Flüssigphase und trägt die gelösten Feststoffe weg, so daß beispielsweise die Wärmetauscherohre des Dampfgenerators 120 nicht beschichtet werden und versagen.
Wie zuvor beschrieben, verläßt dieser nasse/gesättigte Dampf den Dampfgenerator 120 und fließt bzw. strömt durch Transportelemente 130 auf seinem Weg zu Einspritzbohrlöchern 160, wie dies in 1 gezeigt ist. Diese Transportelemente 130 können über verschiedenen topographischen Formationen liegen. Beispielsweise können einige Transportelemente 130 Berge bzw. Hügel durchqueren und eine große Höhe besitzen, während andere Transportelemente 130 in Tälern liegen und eine geringe Höhe aufweisen können. Wenn sich der Dampfstrom aufteilt und unterteilt und durch die verschiedenen Transportelemente 130 in ihren verschiedenen Ausführungen bzw. Einstellungen fließt, verbleibt die Flüssigkeit nicht immer mit dem Dampf in demselben Verhältnis, wie er den Generator 120 verlassen hat. Als ein Ergebnis kann die Qualität der Dampfströme, die die Einspritzbohrlöcher 160 erreichen, signifikant unterschiedlich voneinander und von der Qualität des Dampfs sein, wenn der Dampf die Generatoren verläßt, und kann irgendwo zwischen 0 % und 100 % liegen. Kapazitäts-Testköpfe bzw. -Sensoren, Doppellochplatten und Densitometer mit vibrierendem Rohr wurden beispielsweise in der Vergangenheit mit sehr beschränktem Erfolg verwendet, um zu versuchen, diese Dampfqualität zu messen.
Eine Kenntnis der Dampfqualität an den Einspritzbohrlöchern 160 im Vergleich zu jener am Generator 120 kann wichtig für Betreiber von Einspritzbohrlöchern 160 sein. Beispielsweise können Arbeiter bzw. Betreiber wissen wollen, wie die Dampfqualität an Einspritzbohrlöchern 160 ist, da die Dampfqualität häufig mit der Menge an kommerziell verwendbarem Öl in bezug gesetzt ist, welches extrahiert wird. Insbesondere kann, wenn mehr Dampf in dem nassen Dampf enthalten ist (d.h. wenn die Dampfqualität hoch ist) mehr Energie in die Einspritzbohrlöcher 160 transferiert bzw. eingebracht werden. Daher können Betreiber von Einspritzbohrlöchern 160 versuchen, einen Dampffluß in Einspritzbohrlöcher 160 zu optimieren, um eine maximierte Menge an Öl relativ zu einer minimierten Menge an nassem Dampf zu extrahieren, der in Bohrlöcher 160 eingespritzt wird.
Dieses Optimierungsverfahren kann beispielsweise ein Verwenden von Strömungs- bzw. Flußrohren 140 und entsprechenden Transmittern bzw. Sendern 150 umfassen, um eine niedrige Dampfqualität an einem speziellen Einspritzbohrloch zu detektieren und ein Strömungs- bzw. Flußversagen festzulegen, welches mit Transportelementen 130 (und/oder mit dem Dampfgenerator 120) assoziiert ist, welche mit diesem Bohrloch assoziiert sind. Das Optimierungsverfahren kann auch als ein weiteres Beispiel ein Einstellen von verschiedenen Transportelementen 130 beinhalten, um sicherzustellen, daß die verschiedenen Einspritzbohrlöcher 160 nicht signifikant unterschiedliche Dampfqualitäten erhalten.
Flußrohre 140 und entsprechende Transmitter 150 sind entsprechend bzw. jeweils Coriolis-Flußrohre und Coriolis-Transmitter. Ein Coriolis-Flußrohr und ein Coriolis-Transmitter werden insgesamt als ein Coriolis-Durchflußmeßgerät bezeichnet. Ein Coriolis-Durchflußmeßgerät ist eine Art von Durchflußmeßgerät bzw. Flußmeter, wo Durchflußmeßgeräte, allgemein gesprochen, Information betreffend Materialien zur Verfügung stellen, die durch eine Leitung oder ein Flußrohr hindurch transferiert werden. Beispielsweise stellen Dichtemeßgeräte oder Densitometer eine Messung der Dichte von Material zur Verfügung, das durch eine Leitung fließt. Zusätzlich stellen Massenstrom-Meßgeräte eine Messung der Masse an Material, welches durch eine Leitung transferiert wird, beispielsweise durch ein Ableiten der Massenstrommessung von einer früheren Dichtemessung und einer volumetrischen Flußmessung zur Verfügung. Andere Massenflußmeßgeräte können einen Massenstrom bzw. -fluß direkt berechnen.
Coriolis-artige Durchflußmeßgerätsysteme berechnen eine Dichte und einen Massenstrom unter Verwendung des Coriolis-Effekts, in welchem Material, das durch eine rotierende Leitung strömt bzw. fließt, eine sich radial bewegende Masse wird, welche durch eine Coriolis-Kraft beeinflußt ist und damit einer Beschleunigung unterliegt. Zahlreiche Coriolis-Massenflußmeßsysteme induzieren eine Coriolis-Kraft durch ein sinusartiges Oszillieren einer Leitung um eine Schwenkachse orthogonal zur Länge der Leitung. In derartigen Massenstrommeßgeräten wird die Coriolis-Reaktionskraft, die durch die sich bewegende Fluidmasse erfahren wird, auf die Leitung selbst transferiert und wird als eine Ablenkung oder Versetzung der Leitung in der Richtung des Coriolis-Kraft-Vektors in der Ebene einer Rotation manifestiert.
Im allgemeinen bezieht sich der Ausdruck Strömungs- bzw. Flußrohr, wie er hier verwendet wird, auf das Flußrohr und jegliche assoziierten mechanischen Teile, Antriebe und Sensoren, während sich der Ausdruck "Transmitter" auf die Elektronik bezieht, um Antriebssignale zur Verfügung zu stellen, um die Flußrohroszillationen zu steuern bzw. zu regeln, und um die Eigenschaften des Materials, das durch das Flußrohr fließt, basierend auf Signalen zu berechnen, die von den Sensoren erhalten sind. Zusätzlich bezieht sich der Ausdruck Coriolis-Flußmeter bzw. -Durchflußmeßgerät allgemein auf eine Kombination von Flußrohr und Transmitter.
U.S. Patent 6,311,136 und U.S. Patent 6,507,791, welche hiedurch durch Bezugnahme mitumfaßt bzw. aufgenommen sind, offenbaren die Verwendung eines digitalen Durchfluß- bzw. Flußmeßgerätesystems und zugehöriger Technologie. Derartige digitale Flußmeßgerätsysteme sind sehr präzise in ihren Messungen mit sehr kleinem oder vernachlässigbarem Rauschen, und sind fähig, einen weiten Bereich von positiven und negativen Verstärkungen an der Treiber- bzw. Antriebsschaltung für ein Antreiben der Leitung zur Verfügung zu stellen. Derartige digitale Flußmeßgerätsysteme sind somit in einer Vielzahl von Anordnungen vorteilhaft bzw. bevorzugt. Beispielsweise offenbart U.S. Patent 6,505,519 die Verwendung eines weiten Verstärkungsbereichs und/oder die Verwendung einer negativen Verstärkung, um ein Halten bzw. Anhalten zu verhindern und um genauer Steuerung bzw. Regelung des Flußrohrs selbst während schwieriger Bedingungen, wie dem Zwei-Phasen-Strom von nassem/gesättigtem Dampf durchzuführen.
Ein digitaler Transmitter tauscht Sensor- und Antriebssignale mit seiner zugehörigen Leitung oder seinem Flußrohr so aus, um sowohl eine Oszillation des Flußrohrs zu erfassen und die Oszillation bzw. Schwingung des Flußrohrs entsprechend anzutreiben. Durch ein schnelles und genaues Bestimmen der Sensor- und Antriebssignale kann der digitale Transmitter einen schnellen und genauen Betrieb des Flußrohrs beim Bestimmen von Charakteristika des Flusses, beinhaltend eine Massenstromgeschwindigkeit bzw. -rate des Flusses zur Verfügung stellen. Ein digitaler Transmitter kann unter Verwendung von einem oder mehreren von, beispielsweise einem Prozessor, einem feldprogrammierbaren Gate Array, einem ASIC, anderen programmierbaren logischen oder Gate-Feldern oder -Arrays oder programmierbarer Logik mit einem Prozessorkern implementiert werden.
Obwohl digitale Flußmeßgerätsysteme oben diskutiert sind, sollte verstanden werden, daß analoge Coriolis-Durchfluß-Meßgerätesysteme ebenfalls existieren. Obwohl derartige analoge Flußmeßgerätsysteme für typische Nachteile einer analogen Schaltung, z.B. Messungen niedriger Präzision und hohen Rauschens relativ zu digitalen Flußmeßgeräten anfällig sein können, können sie auch mit den verschiedenen Techniken und Implementierungen, die hier diskutiert sind, kompatibel sein. Somit können die Ausdrücke "Flußrohr", "Transmitter" und "Flußmeßgerät" nicht als auf digitale System beschränkt verstanden werden.
4–6 illustrieren verschiedene Konfigurationen, in welchen ein Coriolis-Flußmeßgerät und andere Sensoren verwendet werden können, um eine Dampfqualität und/oder andere Eigenschaften von nassem Dampf, beispielsweise nahe einem Einspritzbohrloch zu messen. Allgemein können durch ein Messen der Massen- bzw. Volumsdichte des nassen Dampfs unter Verwendung des Coriolis-Flußmeßgeräts gemeinsam mit einer Messung der Temperatur des nassen Dampfs oder seines Drucks, die Dampfqualität und andere Eigenschaften des nassen Dampfs bestimmt werden.
4 ist ein Blockdiagramm, das ein Coriolis-Flußmeßgerätsystem illustriert, das in einem Dampfmeßsystem 400 verwendet wird. Das System 400 beinhaltet ein Coriolis-Flußrohr 410, welches nassen Dampf von einem Eingabe transportelement 420 erhält. Nachdem er durch das Strömungs- bzw. Flußrohr 410 fließt, tritt der nasse Dampf durch ein Ausgabetransportelement 430 aus. Da bzw. wenn der nasse Dampf durch das Flußrohr 410 fließt, werden verschiedene Messungen des Flußrohrs 410 genommen, so daß ein Coriolis-Transmitter 440 die Volumsdichte des nassen Dampfes bestimmen kann. Zusätzlich ist ein Temperatursensor mit dem Coriolis-Flußrohr 410 assoziiert bzw. diesem zugeordnet und mit dem Flußrohr 410 gekoppelt, um Flußrohrtemperaturdaten zu erhalten, welche für die Temperatur des nassen Dampfs hinweisend sind. Beispielsweise kann eine Widerstandstemperaturvorrichtung (RTD) mit dem Flußrohr 410 gekoppelt sein und verwendet werden, um Flußrohrtemperaturdaten zu erhalten.
Der Temperatursensor kann einer sein, welcher mit dem Coriolis-Flußrohr 410 zur Verfügung gestellt wird, um Temperaturänderungen des Flußrohrs 410 zu korrigieren. Spezifisch ist in bestimmten Coriolis-Flußmeßgeräten ein Temperatursensor bereits mit dem Coriolis-Flußrohr assoziiert, da eine Temperatur des Flußrohrs und/oder des Materials, das transportiert wird, beispielsweise eine Steifigkeit des Flußrohrs beeinflussen kann (und dadurch eine Resonanzfrequenz der Oszillation des Flußrohrs, welche wiederum eine Dichten- und/oder eine Massenstrommessung beeinflussen kann, die durch das Flußmeßgerät erhalten wird). Alternativ kann der mit dem Flußrohr gekoppelte Temperatursensor lediglich für eine Temperaturmessung verwendet werden, die mit der Messung von Eigenschaften des nassen Dampfs gekoppelt ist bzw. sich darauf bezieht.
Indem die Temperatur des Flußrohrs 410 (und indirekt des nassen Dampfs), die derart erhalten ist bzw. wird, gemeinsam mit der Information, die in der Dampftabelle enthalten ist, wie sie in 3 gezeigt ist, und die Volums dichte des nassen Dampfs verwendet wird, wie sie durch das Coriolis-Flußmeßgerät gemessen ist, können die Dampfqualität und andere Eigenschaften des Stroms bzw. Flusses in der(n) Weise(n) berechnet werden, die unten unter Bezug auf 7 beschrieben sind. Diese Berechnungen können durch den Transmitter 440 ausgeführt werden und/oder können durch einen assoziierten Strömungs- bzw. Flußcomputer 440 ausgeführt werden, wie er zum Messen der Öl- und Ölmischungen, die hergestellt werden, verwendet werden kann. Derartige Flußcomputer können gemeinsam mit zahlreichen Bohrlöchern und/oder mehreren Dampfqualitätsberechnungen bei diesen (oder anderen) Bohrlöchern verwendet werden. Die Berechnungen können auch beispielsweise durch ein programmiertes Steuer- bzw. Regelsystem ausgeführt werden.
5 ist ein Blockdiagramm eines Coriolis-Flußrohrs 510 und eines gesonderten Temperatur-Transmitters 550, der in einem Dampfmeßsystem 500 verwendet wird. Das System 500 ist ähnlich zu System 400 mit der Ausnahme, daß ein gesonderter Temperatur-Transmitter/Sensor 550 zusätzlich verwendet wird, oder als eine Alternative zu einem Temperatursensor, der mit dem Coriolis-Flußrohr 510 assoziiert ist. Der Temperatur-Transmitter 550 kann einen thermischen Bohrloch- oder Temperatur-Testkopf aufweisen, der in das fließende Material (z.B. nasser Dampf) eingesetzt ist. Der Temperatur-Transmitter 550 kann, insbesondere wenn er kalibriert bzw. geeicht wird, bevor er in den Fluß eingebracht wird, eine genauere Messung der Temperatur des nassen Dampfs zur Verfügung stellen (insbesondere da er direkt den nassen Dampf selbst mißt, und nicht indirekt die Temperatur des nassen Dampfs basierend auf einer Temperatur des Flußrohrs bestimmt, die durch einen externen Sensor, wie in 4, erhalten ist).
6 ist ein Blockdiagramm eines Coriolis-Flußrohrs 610 und eines Druck-Transmitters 650, die in einem Dampfmeßsystem 600 verwendet sind. Das System 600 ist ähnlich zu dem System 500 mit der Ausnahme, daß ein Druck-Transmitter/Sensor 650 statt eines Temperatur-Transmitters/Sensors 550 verwendet wird. Wie oben beschrieben, sind Temperatur und Druck für nassen Dampf verbunden bzw. gekoppelt. Somit stellt entweder der Druck oder die Temperatur die Information zur Verfügung, die notwendig ist, um die Dampfqualität oder andere Eigenschaften zu berechnen, wie dies unten beschrieben ist.
7 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren bzw. einen Prozeß zum Bestimmen von Dampfqualitätsmessungen unter Verwendung eines Systems wie eines derartigen illustriert, wie es in 4–6 gezeigt ist. Eine Temperatur- oder Druckablesung des Dampfs wird erhalten (710) von einem Temperatur- oder Drucksensor/Transmitter, wie ein Sensor 550 oder 650. Die Temperatur oder der Druck wird dann verwendet, um die Dichte der flüssigen bzw. Flüssigkeitsphase (720) und die Dichte der Dampfphase (730) zu berechnen.
Die Dichten können durch Speichern einer Dampftabelle, beispielsweise in einem Transmitter und Suchen bzw. Nachschauen der geeigneten Eigenschaft in der Dampftabelle berechnet werden. Beispielsweise wird, indem auf die Dampftabelle von 3 Bezug genommen wird, wenn der Temperatursensor, der mit dem Coriolis-Meßgerät 410 assoziiert ist, oder der Temperatur-Transmitter 550 360°F anzeigt (oder wenn ein Transmitter des absoluten Drucks 650 153 psia anzeigt), die Dichte der flüssigen Phase (als das Inverse des spezifischen Volumens v_f) aus der Dampftabelle von 3 wie folgt berechnet:
und die Dichte der Dampfphase (als das Inverse des spezifischen Volumens v_g) wird aus der Dampftabelle von 3 wie folgt berechnet:
Alternativ kann die Dampftabelleninformation algorithmisch gespeichert werden und der Algorithmus kann zum Erhalten der Dichten verwendet werden.
Die Volumsdichte des nassen Dampfs, der durch das Flußrohr fließt, ist bzw. wird erhalten (740). Die Dichten der Dampf- und der flüssigen Phase gemeinsam mit der Volumsdichte werden dann verwendet, um die Dampfqualität (750) zu berechnen. Die folgende Gleichung drückt die Beziehung zwischen der Volumsdichte, Dampfdichte, Flüssigkeitsdichte und Dampfqualität x aus.
Die Dampfqualität kann somit durch Lösen nach x bestimmt werden, indem die Volumsdichte, Flüssigkeitsdichte und Dampfdichte gegeben sind. Um das Beispiel von oben fortzusetzen, wenn die Volumsdichte beispielsweise 0,5 lb/ft³ ist, dann wird die Dampfqualität berechnet als
x = 0,67 oder 67 % Dampfqualität.
Kurz gesagt, kann ein Coriolis-Flußmeßgerät (und/oder ein Temperatur/Drucksensor) mit einer Tabelle wie jener von 3 verwendet werden, um eine Dichte von jeder der Gas- und Flüssigphasen des nassen Dampfes zu bestimmen. Da das Coriolis-Meßgerät die Volumsdichte messen kann, kann die Dampfqualität in der bereits beschriebenen Weise reduziert werden.
8 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren 800 zum Bestimmen von Wärmeenergie-Strömungsgeschwindigkeitsmessungen unter Verwendung der Dampfqualität und der Massenstromgeschwindigkeit bzw. -flußrate beschreibt. Das Verfahren 800 kann implementiert werden, indem beispielsweise eine der Konfigurationen verwendet wird, die in 4 bis 6 dargestellt bzw. illustriert sind.
Wie oben beschrieben, kann ein Coriolis-Flußmeßgerät verwendet werden, um die Volumsmassenströmungsgeschwindigkeit bzw. -rate des Zwei-Phasen-Dampfs zu messen. Unter Verwendung der Volumensmassenstromgeschwindigkeit, der Dampfqualität und Information betreffend den nassen Dampf, die aus der Dampftabelle erhältlich ist, kann die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate des Dampfs, der in ein Bohrloch 160 fließt, berechnet werden. Eine derartige Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeitsmessung gemeinsam mit der Massenstromgeschwindigkeit kann einen Betreiber der Einspritz- bzw. Injektionsbohrlöcher 160 mit zusätzlicher Information versorgen, die beim Optimieren des Dampfinjektionsverfahrens bzw. des -einspritzprozesses hilfreich ist.
Dementsprechend wird, indem auf 8 Bezug genommen wird, die Massenstromflußgeschwindigkeit bzw. -strömungsrate des Dampfs durch ein Coriolis-Flußmeßgerät (810) erhalten. Die Dampfqualität wird berechnet (820), wie dies oben beschrieben ist, unter Verwendung einer Ablesung von einem Temperatur- oder Druck-Sensor/Transmitter, wie einem Sensor 550 oder 650, und einer Dampftabelle wie jener, die in 3 gezeigt ist. Die Temperatur oder der Druck wird dann verwendet, um die Enthalpie der Flüssigphase (830) und die Enthalpie der Dampfphase (840) zu berechnen. Ähnlich wie die Dichten für die Dampfqualitätsberechnung können die Enthalpien durch ein Speichern einer Dampftabelle beispielsweise in einem Transmitter und Ablesen der geeigneten Eigenschaft in der Dampftabelle berechnet werden. Beispielsweise wird, indem auf die Dampftabelle von 3 Bezug genommen wird, wenn der Temperatursensor, der mit dem Coriolis-Flußrohr 410 assoziiert ist, oder der Temperaturtransmitter 550 360°F anzeigt (oder wenn der Transmitter 650 des absoluten Drucks 153 psia anzeigt), dann die Enthalpie der flüssigen Phase aus der Dampftabelle von 3 als 332,3 BTU/lbm berechnet und die Enthalpie der Dampfphase wird als 1194,4 BTU/lbm berechnet. Alternativ kann die Dampftabelleninformation algorithmisch gespeichert werden und der Algorithmus kann für einen Erhalt der Enthalpie verwendet werden.
Die Enthalpien der Dampf- und Flüssigphase gemeinsam mit der Volumsmassenstromgeschwindigkeit und der Dampfqualität werden dann verwendet, um die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit des Dampfes zu berechnen (850). Die folgende Gleichung drückt die Beziehung zwischen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit H_total, der Volumsmassenstromgeschwindigkeit m, der Dampfenthalpie h_g, der Flüssigkeitsenthalpie h_f und der Dampfqualität x aus. Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x).
Indem beispielsweise das 360°F Beispiel, das oben diskutiert wurde, mit 67 % Qualität verwendet wird, und unter Annahme eines Massenstroms m von 20.000 lb/Tag, ergibt sich: Htotal= 20.000 (1194,4) 0,67 + 20.000 (332,3)(1 – 0,67) Htotal = 18,2 Millionen Btu pro Tag.
9 ist ein Blockdiagramm eines Systems 900, welches ein Dampfmeßsystem inkludiert, das im Zusammenhang mit einem Gas/Flüssigkeitsseparator verwendet wird. In dem System 900 wird der zweiphasige nasse Dampf in einem gewissen Ausmaß durch den Separator 920 abgetrennt. Eine derartige Konfiguration kann unter einigen Umständen wünschenswert sein. Beispielsweise messen einige Coriolis-Flußmeßgeräte nicht genau eine Dichte und einen Massenstrom, wenn die Gasfraktion (GVF oder Gasvolumsfraktion) über einer speziellen Menge, beispielsweise etwa 30 %; oder unter einer bestimmten Menge, beispielsweise etwa 90 liegt. Eine Implementierung, die einen teilweisen oder vollständigen Separator verwendet, kann auch eine Verwendung eines Temperatur/Druck-Transmitters direkt auf einer im wesentlichen reinen Gasphase des Zwei-Phasen-Dampfs erlauben.
Nasser Dampf wird zu einem vollständigen oder teilweisen Separator 920 durch ein Eingabetransportelement 910 eingegeben. Der Separator 920 trennt vollständig oder teilweise den nassen Dampf in einen im wesentlichen Gasstrom und einen im wesentlichen flüssigen bzw. Flüssigkeitsstrom. Der im wesentlichen Gasstrom wird durch ein Gastransportelement 930 ausgegeben, während der im wesentlichen Flüssigkeitsstrom durch ein Flüssigkeitstransportelement 940 ausgegeben wird. Ein Temperatur- oder Druck-Transmitter 990 kann mit dem Gastransportelement 930 verbunden sein, um die Temperatur oder den Druck des im wesentlichen Gasstroms zu messen, welche(r) gleich der Temperatur oder dem Druck des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms sein wird. Ein Coriolis-Flußrohr 950a und ein zugehöriger Transmitter 960a ist bzw. sind auch mit dem Gastransportelement 930 verbunden. In gleicher Weise ist bzw. sind ein Coriolis-Flußrohr 950b und ein zugehöriger Transmitter 960b mit dem Flüssigkeitstransportelement 940 verbunden. Nachdem sie durch die Coriolis-Flußrohre 950a, 950b fließen, kombinieren sich der im wesentlichen Gasstrom und der im wesentlichen Flüssigkeitsstrom und werden durch ein Ausgabetransportelement 980 ausgegeben.
Das Coriolis-Flußrohr 950a und der Transmitter 960a können daher die Volumsdichte des im wesentlichen Gasstroms detektieren, während das Coriolis-Flußrohr 950b und der Transmitter 960b die Volumsdichte des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms detektieren können. Der Coriolis-Transmitter 960a überträgt die Volumsdichte des im wesentlichen Gasstroms zu dem Flußcomputer 970. Der Coriolis-Transmitter 960b überträgt auch die Volumsdichte des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu dem Flußcomputer 970. Die Massenstromgeschwindigkeiten bzw. -raten des im wesentlichen Gas- und Flüssigkeitsstroms können auch durch die entsprechenden Coriolis-Flußrohre 950a oder 950b und Transmitter 960a und 960b gemessen werden. Mit den Dichten des Gas- und Flüssigkeitsstroms und der Temperatur und dem Druck der zwei Ströme kann der Flußcomputer 970 die gesamte Dampfqualität, die gesamte Massenstromgeschwindigkeit und die gesamte Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit des Flusses berechnen, der durch das Ausgabetransportelement 980 austritt. Um die gesamte Massenstromgeschwindigkeit zu berechnen, addiert der Flußcomputer 970 die Massenstromgeschwindigkeiten von jedem Fluß. Um die gesamte Dampfqualität und die gesamte Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit zu berechnen, berechnet der Flußcomputer 970 die Dampfqualität und die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit von jedem Fluß in einer Weise ähnlich zu der oben beschriebenen und summiert die Werte.
10 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren zum Berücksichtigen von gelösten Feststoffen beschreibt, wenn Dampfqualitätsmessungen bestimmen. Dies kann insbesondere verwendbar bzw. nützlich sein, wenn Dampfqualitätsmessungen für Ströme bzw. Flüsse niedriger Dampfqualität berechnet werden, wie z.B. Flüsse, welche 10–20 % Dampfqualität aufweisen. Das Zufuhrwasser, das in dem Dampfgenerator 120 verwendet wird, kann reich bzw. hoch an gelösten Feststoffen (TDS) sein, wie dies beispielsweise in vorbearbeitetem, produziertem Wasser oder Grundwasser der Fall ist. Wenn es durch den Generator 120 durchtritt und das meiste davon zu Dampf umgewandelt wird, wird die verbleibende Flüssigkeit mit TDS konzentriert bzw. angereichert. Beispielsweise wird, wenn das Zufuhrwasser 2000 ppm TDS ist und der Generator Dampf einer Qualität von 80 ausstößt, die Flüssigphase auf 10.000 ppm TDS konzentriert sein. Dies wird darin resultieren, daß die Flüssigphase um 0,62 lb/ft³ dichter ist, als dies die Dampftabelle anzeigt. Die Dampftabelle von 3 basiert auf reinem destilliertem Wasser, jedoch wird ein Coriolis-Flußmeßgerät die Volumsdichte des Dampfs und der Flüssigkeit mit dem TDS messen.
Darüber hinaus wandelt sich, wenn bzw. da der Zwei-Phasen-Dampf Druck beispielsweise durch Reibung in den Flußleitungen und Druckabfällen von Ventilen und Drosseln verliert, mehr der Flüssigkeit in Dampf bzw. geht in Dampf über, wodurch sich das TDS in der flüssigen bzw. Flüssigphase noch weiter konzentriert.
Die Dampfqualität steigt tatsächlich mit einem Druckabfall an, und mit bzw. bei einem Verfahren konstanter Enthalpie kann dieses berechnet werden durch: H1 = H2 (1 – x1)H1f + x1H1g = (1 – x2)H2f + x2H2g
Wo x₁ die Qualität vorher ist, und x₂ die Qualität nachher ist, und die verschiedenen "H"-Terme Enthalpien der Flüssigkeit und des Dampfs (f bzw. g) vorher und nachher sind. Wenn das vorherige Beispiel von Dampf einer Qualität von 80 % bei 440°F (381,5 psia) herangezogen wird, und dies auf 360°F (153 psia) abfällt, dann (1 – 0,8)419 + 0,8(1204.4) = (1 – x2)332,3 + 1194,4x2 x₂ = 0,83 oder 83 % Qualität.
In diesem Fall hatte die flüssige bzw. Flüssigphase das TDS um weitere 3 % konzentriert, so daß das resultierende TDS nun 10.309,3 ppm oder 0,64 lb/ft³ dichter als in den Dampftabellen ist.
In dem Fall von 10 werden dann das TDS des Zufuhrwassers, die Dampfqualität am Generator, die Temperatur (oder der Druck) am Generator, und die Temperatur (oder der Druck) an dem Meßpunkt verwendet, um einen Messungs- (z.B. Dichte-) Unterschied, falls es irgendeinen gibt, aus der Dampftabelle von 3 zu detektieren. Ein derartiger Unterschied kann dann verwendet werden, um genaue Hinweise betreffend die Dampfqualität und/oder die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit des feuchten Dampfs zu erhalten. Die Generatordaten können digital zu allen Meßpunkten kommuniziert werden, wenn bzw. da sich Generator bedingungen verändern, oder können manuell in den Transmitter und/oder Flußcomputer eingegeben werden.
Indem die oben beschriebenen Messungen und Berechnungen ausgeführt werden, kann ein statischer Mixer stromaufwärts von dem(n) Coriolis-Flußmeßgerät(en) angeordnet werden (z.B. in 1). Ein derartiger statischer Mixer kann hilfreich beim Verwenden von Berechnungsgegenständen sein, die sich beispielsweise auf Schlupfgeschwindigkeiten des Dampfs und der Flüssigkeit beziehen (z.B. die Geschwindigkeiten des Dampfs und der Flüssigkeit relativ zueinander innerhalb des Stroms), und/oder auf verschiedene Flußbereiche bzw. -regime des Flusses (z.B. die Art, in welcher der Dampf und die Flüssigkeit enthalten sind und innerhalb des feuchten Dampfes fließen). Beispielsweise in einem Bereich kann die Flüssigkeit um einen Umfang des Transportelements (z.B. Rohrs) fließen, wobei der Dampf in der Mitte ist. In einem anderen Bereich kann der Dampf als Blasen innerhalb der flüssigen Phase des nassen Dampfs dispergiert sein. Alternativ kann der statische Mixer vermieden werden, indem diese und andere Parameter während den Berechnungen in Betracht gezogen werden, indem möglicherweise Beispiele und Techniken verwendet werden, die beispielsweise in der provisorischen U.S. Anmeldung Nr. 60/452,934 mit dem Titel, Mehrphasen-Coriolis-Flußmeßgerät diskutiert sind, und die am 10. März 2003 hinterlegt wurde, und die hierdurch durch Bezugnahme mitumfaßt ist.
Eine Anzahl von Implementierungen wurde beschrieben, Nichtsdestotrotz wird verstanden werden, daß zahlreiche Modifikationen gemacht werden können.
Zusammenfassung
Ein Dampf-Meßsystem beinhaltet ein Coriolis-Flußmeßgerät (440, 540, 640), welches mit einem vibrierbaren Flußrohr (410, 510, 610) assoziiert ist, um einen Strom bzw. Fluß von nassem Dampf zu empfangen. Ein erster Sensor ist mit dem Flußrohr assoziiert, um Informationen über eine Bewegung des Flußrohrs anhand eines ersten Sensorsignals zur Verfügung zu stellen bzw. weiterzuleiten. Ein zweiter Sensor bestimmt eine Eigenschaft des Flusses oder überträgt die Eigenschaft mittels eines zweiten Sensorsignals. Eine Berechnungsvorrichtung (440, 540, 640) empfängt das erste und zweite Sensorsignal und ist konfiguriert, um eine Dampfqualität des Flusses aus dem ersten und zweiten Sensorsignal zu berechnen (700). Die Berechnungsvorrichtung kann auch die gesamte Wärmeenergie-Strömungsrate des Flusses bzw. Stroms berechnen (800). Andere Implementierungen können einen vollständigen oder teilweisen Separator (920) beinhalten, um den Fluß an nassem Dampf in einen im wesentlichen Gasstrom und einen im wesentlichen Flüssigkeitsstrom zu trennen, und ein zweites Coriolis-Meßgerät (960a, 960b).

Claims

Dampfmeßsystem, umfassend: ein Coriolis-Flußrohr bzw. -Strömungsrohr, um einen Fluß bzw. Strom von feuchtem bzw. nassem Dampf aufzunehmen, wobei eine Volumsdichte des Flusses basierend auf einer Bewegung des Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist bzw. wird; einen Sensor, um eine Eigenschaft des Flusses von nassem Dampf zu bestimmen; und eine Berechnungsvorrichtung, um eine Dampfqualität des Flusses aus der Volumsdichte und der Eigenschaft zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, wobei die Eigenschaft eine Temperatur des Flusses ist und der Sensor ein Temperatursensor ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 2, wobei der Temperatursensor mit der Außenseite des Strömungs- bzw. Flußrohrs verbunden ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 2, wobei der Temperatursensor in den Fluß von nassem Dampf eingesetzt ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, wobei die Eigenschaft ein Druck des Flusses ist und der Sensor ein Drucksensor ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, wobei zum Berechnen der Dampfqualität die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Dichte einer Dampfphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen und um eine Dichte einer flüssigen Phase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 6, wobei die Berechnungsvorrichtung einen Speicher beinhaltet, der eine Dampftabelle speichert, wobei die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Dampftabelle zum Berechnen der Dichte der Dampfphase aus der Eigenschaft und die Dichte der flüssigen Phase aus der Eigenschaft zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 6, wobei zum Berechnen der Dampfqualität die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Volumsdichte, die Dichte der flüssigen Phase und die Dichte der Gasphase zu verwenden, um die folgende Gleichung für die Dampfqualität x zu lösen:
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, wobei die Volumsmassenstromgeschwindigkeit bzw. -strömungsrate des Flusses basierend auf einer Bewegung des Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist bzw. wird und die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate des Flusses aus der Dampfqualität und der Volumsmassenstromgeschwindigkeit zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 9, wobei zum Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Enthalpie der Dampfphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen und um eine Enthalpie der flüssigen Phase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 10, wobei zum Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit eine Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Volumsmassenstromgeschwindigkeit m, die Enthalpie der flüssigen Phase h_f, die Enthalpie der Gasphase h_g und die Dampfqualität x zu verwenden, um die folgende Gleichung für die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit H_total zu lösen: Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x).
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, wobei die Berechnungsvorrichtung einen Coriolis-Transmitter umfaßt.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, wobei die Berechnungsvorrichtung einen Strömungs- bzw. Flußcomputer umfaßt.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 1, weiters umfassend: einen Dampfgenerator zum Generieren bzw. Erzeugen des Flusses von nassem Dampf; ein Transportelement, um den Fluß von nassem Dampf zu dem Coriolis-Flußrohr zu liefern; und ein Einspritzloch bzw. -bohrloch, das mit dem Coriolis-Flußrohr verbunden ist, um den Fluß von nassem Dampf von dem Coriolis-Flußrohr zu erhalten.
Verfahren, umfassend: ein Durchleiten eines Flusses bzw. Stroms von nassem Dampf durch ein vibrierendes Strömungs- bzw. Flußrohr, das mit einem Coriolis-Flußmeßgerät assoziiert ist, wobei das Coriolis-Flußmeßgerät die Volumsdichte des Flusses von nassem Dampf bestimmt; ein Erhalten einer Temperatur oder eines Drucks des Flusses von nassem Dampf; und ein Berechnen einer Dampfqualität des Flusses aus der Volumsdichte und der Temperatur oder dem Druck.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Berechnen der Dampfqualität umfaßt: ein Berechnen einer Dichte einer Dampfphase des Flusses aus der Temperatur oder dem Druck; und ein Berechnen einer Dichte einer flüssigen Phase des Flusses aus der Temperatur oder dem Druck.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Berechnen der Dampfqualität ein Lösen der folgenden Gleichung für die Dampfqualität x umfaßt:
Verfahren nach Anspruch 15, weiters umfassend: ein Berechnen der Volumensmassenstromgeschwindigkeit bzw. -strömungsrate des Flusses an nassem Dampf; und ein Berechnen einer Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate des Flusses aus der Dampfqualität, der Volumsmassenstromgeschwindigkeit und der Temperatur oder dem Druck.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei ein Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeitumfaßt: ein Berechnen einer Enthalpie der Dampfphase des Flusses aus der Temperatur oder dem Druck, die bzw. der von dem zweiten Sensor erhalten wird; und ein Berechnen einer Enthalpie der flüssigen Phase des Flusses aus der Temperatur oder dem Druck, die bzw. der von dem zweiten Sensor erhalten wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei ein Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit ein Lösen der folgenden Gleichung für die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit H_total umfaßt: Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x), wobei m die Volumsmassenstromgeschwindigkeit ist, h_f die Enthalpie der flüssigen Phase ist, h_g die Enthalpie der Gasphase ist und x die Dampfqualität ist.
Dampfmeßsystem, umfassend: einen Separator, um einen Fluß bzw. Strom von nassem Dampf in einen im wesentlichen Gasfluß und einen im wesentlichen flüssigen Fluß zu trennen; ein erstes Coriolis-Flußrohr bzw. -Strömungsrohr, um den im wesentlichen Gasstrom bzw. -fluß aufzunehmen, wobei eine Volumsdichte des im wesentlichen Gasflusses basierend auf einer Bewegung des ersten Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist; ein zweites Coriolis-Flußrohr, um den im wesentlichen Flüssigkeitsstrom bzw. -fluß aufzunehmen, wobei eine Volumsdichte des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms basierend auf einer Bewegung des zweiten Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist; einen Sensor, um eine Temperatur oder einen Druck, des im wesentlichen Gasflusses oder des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu bestimmen; und eine Berechnungsvorrichtung, um eine Gesamtdampfqualität des Flusses an nassem Dampf aus der Volumsdichte des im wesentlichen Gasstroms, der Volumsdichte des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms und der Temperatur oder dem Druck zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, wobei der Sensor ein Temperatursensor ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 22, wobei der Temperatursensor mit der Außenseite des ersten oder zweiten Coriolis-Flußrohrs verbunden ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 22, wobei der Temperatursensor in den im wesentlichen Gas- oder im wesentlichen Flüssigkeitsstrom eingesetzt ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, wobei der Sensor ein Drucksensor ist.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, wobei zum Berechnen der Dampfqualität die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Temperatur oder den Druck zu verwenden, um eine Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Gasstroms; eine Dichte einer flüssigen Phase des im wesentlichen Gasstroms; eine Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms; und eine Dichte einer flüssigen Phase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 26, wobei die Berechnungsvorrichtung einen Speicher beinhaltet, der eine Dampftabelle speichert, wobei der Computer konfiguriert ist, um die Dampftabelle zu verwenden, um die Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Gasstroms; die Dichte einer Flüssigkeitsphase des im wesentlichen Gasstroms; die Dichte einer Dampfphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms; und die Dichte einer flüssigen Phase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, wobei eine Volumsmassenflußgeschwindigkeit bzw. -strömungsrate des im wesentlichen Gasstroms basierend auf einer Bewegungsinformation des ersten Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist, eine Volumsmassenstromgeschwindigkeit des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms basierend auf Bewegungsinformation des zweiten Coriolis-Flußrohrs bestimmt ist, und die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate des Flusses aus der Dampfqualität, der Volumsmassenstromgeschwindigkeit des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms, der Volumsmassenstromgeschwindigkeit des im wesentlichen Gasstroms und der Temperatur oder dem Druck zu berechnen.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 28, wobei zum Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit die Berechnungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Temperatur oder den Druck zu verwenden zum Berechnen einer Enthalpie der Dampfphase des im wesentlichen Gasstroms; zum Berechnen einer Enthalpie der flüssigen bzw. Flüssigphase des im wesentlichen Gasstroms; zum Berechnen einer Enthalpie der Dampfphase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms; und zum Berechnen einer Enthalpie der flüssigen Phase des im wesentlichen Flüssigkeitsstroms.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, wobei die Berechnungsvorrichtung einen Coriolis-Flußmeßgerät-Transmitter umfaßt.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, wobei die Berechnungsvorrichtung einen Strömungs- bzw. Flußcomputer umfaßt.
Dampfmeßsystem nach Anspruch 21, weiters umfassend: einen Dampfgenerator, um einen Fluß bzw. Strom von nassem Dampf zu generieren bzw. zu erzeugen; ein Transportelement, um den Fluß von nassem Dampf dem Separator bzw. der Trenneinrichtung zuzuführen; und ein Einspritzloch bzw. -bohrloch, das mit dem ersten und zweiten Coriolis-Flußrohr verbunden ist, um den im wesentlichen Gas- und im wesentlichen Flüssigkeitsstrom von dem ersten und zweiten Coriolis-Flußrohr zu erhalten.
Coriolis-Transmitter zur Verwendung mit einem Dampfmeßsystem, welches ein Coriolis-Flußrohr, um einen Fluß bzw. Strom an nassem Dampf zu erhalten; einen ersten Sensor, der mit dem Flußrohr assoziiert ist, um Information betreffend eine Bewegung des Flußrohrs mittels eines ersten Sensorsignals auszugeben bzw. weiterzuleiten; und einen zweiten Sensor enthält, um eine Eigenschaft des Flusses zu bestimmen und um die Eigenschaft mittels eines zweiten Sensorsignals auszugeben, wobei der Coriolis-Transmitter umfaßt: eine Bearbeitungsvorrichtung, um das erste und zweite Sensorsignal zu empfangen, wobei die Bearbeitungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Dampfqualität des Flusses aus dem ersten und zweiten Sensorsignal zu berechnen.
Transmitter nach Anspruch 33, wobei die Bearbeitungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit bzw. -Strömungsrate des Flusses aus der Dampfqualität und dem ersten und zweiten Sensorsignal zu berechnen.
Transmitter nach Anspruch 34, wobei zum Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit die Bearbeitungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Enthalpie der Dampfphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen und um eine Enthalpie der Flüssigkeitsphase des Flusses aus der Eigenschaft zu berechnen.
Transmitter nach Anspruch 35, wobei zum Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit die Bearbeitungsvorrichtung konfiguriert ist, um eine Volumsmassenstromgeschwindigkeit des Flusses aus dem ersten Sensorsignal zu berechnen.
Transmitter nach Anspruch 36, wobei zum Berechnen der Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit die Bearbeitungsvorrichtung konfiguriert ist, um die Volumsmassenstromgeschwindigkeit m, die Enthalpie der flüssigen Phase h_f, die Enthalpie der Gasphase h_g und die Dampfqualität x zu verwenden, um die folgende Gleichung für die Wärmeenergie-Flußgeschwindigkeit H_total zu berechnen: Htotal = m·hg·x + m·hf·(1 – x).