Desenvolvimento de um medidor de fração de fase e vazão em escoamentos bifásicos baseado em medidas de impedância elétrica e queda de pressão

Multiphase flows are present in several areas of industry, such as in petroleum production in which oil, gas and water flow through pipelines. The knowledge of flow parameters – e.g. phase fractions, phase distribution and flow rate – is essential to monitor and control the processes where multiphase flow occur. Several measuring techniques have been developed and tested over the last years. Most of them cannot be applied universally but only in specific operation conditions requiring repeated calibration or adjustment procedures. Therefore, the development and improvement of measurement techniques applied in different operational conditions are of great importance. In this context, the main objective of this work is the development of an inline gas-liquid flow rate meter, non-radioactive, simple (to develop and install in the test facility) and presenting a high temporal resolution. The estimation of the flow rate of individual phases requires the measurement of volumetric fractions and velocities of the phases in a flow. Thus, different sensors have to be combined in a single device. Initially, we developed and evaluated a twin plane capacitive sensor to measure phase fraction in gas-liquid flows. The sensor is also capable of generating direct images of the flow, i.e., images of phase distribution can be generated without the use of reconstruction algorithms. Additionally, the twin geometry allows the estimation of the transit time of flow structures by cross-correlating signals of the twin sensors. We have evaluated the sensor in static and dynamic conditions by comparing the results with reference measurements and simulated values. A second system was proposed to estimate phase fractions and phase distribution in three-phase gas-liquid-liquid flows composed by a high conductive media (as commonly found in petroleum production with produced water). The system is based on a new topology of the well-established wire-mesh sensor. We performed measurements in static and dynamic conditions of stratified mixtures and of water-in-oil dispersions. Both impedance sensors can perform measurements at high acquisition rates. The twin-plane capacitive sensor has the advantage of being non-intrusive, whereas the novel wire-mesh sensor has a better spatial resolution. The last (and the main objective of this thesis) proposed system is a gas-liquid flow rate meter which combines information of the twin plane capacitive sensor and a Venturi meter. The flow rate of individual phases is calculated using data processing techniques and algebraic approximations. Here it is not required the previous knowledge of gas quality neither obtaining parameters from simulations or an extensive database – as commonly occurs in current commercial or prototype systems. The developed flow meter was tested in a horizontal flow loop for different combinations of gas and liquid flow rates. The main contributions of this work to the field of application is the development and combination of sensors, which allied to data processing techniques allows the estimation of flow parameters. The good results may encourage, in future works, the expansion of the flow rate meter to three-phase mixtures - by the aid of the new wire-mesh topology – and to industrial applications.Conselho Nacional do Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)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