Development of phase fraction and flow rate meter in two-phase flows based on electrical impedance and pressure drop measurements

• Autor(a) principal: Wrasse, Aluísio do Nascimento
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))
• Texto Completo: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/4635
• topic: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA ELETRICA::MEDIDAS ELETRICAS, MAGNETICAS E ELETRONICAS INSTRUMENTACAO::INSTRUMENTACAO ELETRONICA; Escoamento bifásico; Escoamento multifásico; Medidores de fluxo; Impedância (Eletricidade) - Medição; Detectores - Desenvolvimento; Métodos de simulação; Engenharia elétrica; Two-phase flow; Multiphase flow; Flow meters; Impedance (Electricity) - Measurement; Detectors - Development; Simulation methods; Electric engineering; Engenharia Elétrica

Escoamentos multifásicos são encontrados em diversos processos industriais, como nos processos de produção de petróleo nos quais óleo, água e gás escoam em tubulações. O conhecimento de parâmetros do escoamento, como fração de fases, distribuição de fases e vazão multifásica, é importante para o monitoramento e controle dos processos onde os escoamentos ocorrem. Nesse sentido, diferentes técnicas foram desenvolvidas e testadas no passado. A maioria delas não é aplicada universalmente, mas sim em condições específicas de operação em que são necessários inúmeros procedimentos de calibração ou ajuste. Portanto, o desenvolvimento ou aprimoramento de técnicas de medida para atender diferentes condições de operação é de fundamental importância. Assim, o objetivo principal deste trabalho é o desenvolvimento de um medidor de vazão multifásico em linha, não radioativo, simples e com alta resolução temporal. Para a obtenção da vazão individual de fases é necessário estimar a fração volumétrica e a velocidade individual das fases em um escoamento. Para isso diferentes técnicas de medidas precisam ser combinadas em um medidor. Inicialmente foi desenvolvido e validado um sensor capacitivo twin-plane para medir fração de fase em escoamentos gás-líquido. O sensor também é capaz de gerar imagens diretas do escoamento, isto é, imagens da distribuição das fases podem ser geradas sem o uso de algoritmos de reconstrução. Além disso, a geometria gêmea (twin-plane) permite estimar o tempo de trânsito de estruturas de fluxo por meio de sinais de correlação cruzada dos sensores gêmeos. O sensor foi avaliado, em condições estáticas e dinâmicas, comparando seus resultados com medidas de referência e valores simulados. Um segundo sistema foi proposto para estimar as frações de fases e a distribuição de fases em fluxos trifásicos gás-líquido-líquido compostos por um meio altamente condutor de corrente elétrica (como ocorre na produção de petróleo com água de produção). O sistema é baseado em uma nova topologia do difundido sensor wire-mesh. Medições foram realizadas em condições estáticas e dinâmicas de misturas estratificadas e de dispersões água-em-óleo. Ambos os sensores de impedância mencionados acima são capazes de realizar medições com altas taxas de aquisição, sendo que o primeiro tem a vantagem de ser não intrusivo e o último de ter uma melhor resolução espacial. O último sistema proposto (objetivo principal do trabalho) é um medidor de vazão para escoamentos gás-líquido que combina informações do sensor capacitivo e de um tubo de Venturi. A vazão individual das fases é calculada por meio de técnicas de processamento de dados e aproximações algébricas. O medidor proposto não necessita do conhecimento prévio do título do escoamento, nem da obtenção de parâmetros a partir de simulações ou a partir de um banco de dados extenso - como comumente ocorre em diferentes protótipos e sistemas comerciais. O sistema desenvolvido foi validado em uma bancada horizontal para diferentes combinações de vazões de gás e líquido. As principais contribuições deste trabalho para o campo de aplicação é o desenvolvimento e combinação de sensores, que aliados às técnicas de processamento de dados, permitem estimar parâmetros do escoamento. Os resultados bastante promissores podem encorajar, em trabalhos futuros, a expansão do medidor de vazão para escoamentos trifásicos - com a ajuda da nova topologia wire-mesh - e para aplicações industriais.