Análise de técnicas de medição para determinação de vazão mássica em escoamentos multifásicos

Abstract

Sistemas de medição multifásica são cada vez mais importantes para a indústria de óleo e gás, uma vez que essas tecnologias proporcionam uma maior eficiência para quantificar a produção quando comparadas a técnicas convencionais. Com base em um levantamento de diversas técnicas de medição de escoamentos multifásicos, este trabalho propõe a análise e o desenvolvimento de sistemas de medição de massa especifica através de correlações analíticas e empíricas, velocidade de escoamento através de tomada de pressão diferencial em tubo de Venturi e fração de fase através de uma técnica de absorção óptica em infravermelho. Juntos esses sistemas podem ser utilizados para aferição de vazões mássicas em escoamentos multifásicos de água, óleo e ar. O desenvolvimento desses sistemas englobam o projeto e construção de circuitos eletrônicos de hardware para aquisição, conversão e processamento dos sinais medidos, assim como toda a estrutura de software para controle, automatização e gerenciamento dos testes experimentais. Ao longo do trabalho são descritos os principais aspectos de desenvolvimento e metodologia utilizados para construção de cada sistema de medição, assim como os resultados dos testes realizados para validação de cada sistema. As estimativas de massa específica e tomada de pressão diferencial em um tubo de Venturi foram realizadas utilizando uma bancada experimental multifásica com escoamento de água e ar, enquanto a determinação do perfil de variação da absorbância da luz em comprimentos de onda de 1490 nm e 850 nm foi feito para água, óleo e ar utilizando uma estrutura de alinhamento do conjunto emissor-receptor luminoso construída em laboratório. As estimativas de massa específica utilizando o sistema proposto foram validadas experimentalmente a partir da análise dos erros associados às medições. Os perfis de variação de pressão ao longo do tubo de Venturi foram determinados em bancada, porém, para que o algoritmo de cálculo das velocidades possa ser utilizado ainda é necessário que a modelagem física de um dos termos do sistema de equações seja realizada. Os testes com o sistema óptico permitiu caracterizar a variação da absorbância de cada líquido em relação a variação de altura de líquido. Para que as frações de fase possam ser determinadas a partir do sistema linear baseado na lei de BeerLambert, a estrutura de testes precisa de algumas modificações. Além dos testes realizados, alguns aperfeiçoamentos são necessários para que em trabalhos futuros seja possível utilizar os sistemas propostos em conjunto para aferição das vazões mássicas de água, óleo e ar em testes multifásicos de forma dinâmica.<br>

Multiphase measurement systems are important to the oil & gas industry, since this kind of technology provides greater efficiency for quantifying production when compared to conventional techniques. Based on a survey of several multiphase flow measurement techniques, this work proposes the development of density measurement systems through analytical and empirical correlations, flow velocity through differential pressure in a Venturi and phase fraction through an infrared optical absorption technique. All those systems together can be used for estimating mass flow in multiphase water, oil and air flows. The development of these systems includes the design and construction of hardware electronic circuits for acquisition, conversion and processing of measured signals, as well as the entire software structure for control, automation and management of experimental tests. Throughout the work the key aspects of development and methodology used for the construction of each measurement system, as well as the results of the tests performed to validate each system are described. Estimation of specific mass and differential pressure in a Venturi tube were performed by using a multiphase experimental bench with water and air flow. In the other hand, the light absorbance variation profiles at 1490 nm and 850 nm wavelengths for water, oil and air were determined by using a laboratory built light emitter-receiver alignment structure. The density estimates using the proposed system were experimentally validated by measurement error analysis. The pressure variation profiles through Venturi were determined during tests, however, in order to use the algorithm that calculates flow velocities, one of the terms from the equation system still needs to be physically modelled. The optical system tests allowed each liquid absorbance to be characterized according to liquid height. To determine phase fractions based on the linear system built with Beer-Lambert law principles, the test structure needs some modifications. Despite the tests performed, some improvements are needed in future work so that it will be possible to use the jointly proposed systems to measure the mass flow rates of water, oil and air in multiphase tests dynamically.