CN101408279A - 监控流体流动的方法及系统 - Google Patents

Abstract

监控流体流动的方法及系统，该流体流动例如是通过用于输送天然气、原油和其它类似的液体或气体能源商品的管路或类似导管的流体流动，该方法及系统依赖于对流体所产生的声波的测量，从而允许在不直接接近流体的情况下监控流量。此外，该方法及系统允许估计用于能源商品的生产、运输、存储和分配系统的部件或设施的操作动态。

Description

监控流体流动的方法及系统

本申请是申请日为2004年10月19日、申请号为200480031012.5、发明名称为“监控流体流动的方法及系统”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2003年10月20日提交的美国临时申请No.60/512,649的优先权，在这里引入其全部公开内容作为参考。

背景技术

本发明涉及监控流体流动的方法及系统，该流体流动例如是通过用于输送天然气、原油和其它类似的液体或气体能源商品的管路或类似的导管的流体流动。该方法及系统依赖于对流体所产生的声波的测量，从而允许在不直接接近流体的情况下监控流量。

天然气、原油、和其它类似的液体或气体能源商品包括数十亿美元的经济市场。这些商品被许多团体买卖，并且如同任何贸易市场一样，关于贸易商品的信息对市场参与者很有价值。具体地，用于这些商品中每一商品的生产、运输、存储和分配系统的各种部件和设施的操作能够对这些商品的价格和可用性产生重大冲击，从而使关于所述操作的信息很有价值。此外，各部件所有者或操作者一般不公开透露这种信息，因此对所述信息的访问是有限的。

因此希望提供对通过用于输送天然气、原油和其它类似的液体或气体能源商品的管路或类似的导管的流体流动进行监控的方法及系统，使得关于这些商品的信息能够被积累并通信给市场参与者及其它权益方。

发明内容

本发明是监控流体流动的方法及系统，该流体流动例如是通过用于输送天然气、原油和其它类似的液体或气体能源商品的管路或类似导管的流体流动。该方法及系统依赖于从流体流动的导管外部的位置对流体所产生的声波的测量，从而允许在不直接接近流体的情况下监控流量。此外，本发明的方法及系统允许估计用于能源商品的生产、运输、存储和分配系统的部件或设施的操作动态。

流过管或类似的导管的流体(不论是可压缩的还是不可压缩的)的一般属性是它们产生声波，即声音或振动。天然气或其它能源商品的流动所产生的声音能够以它的振幅和频率为特征。在这点上，振幅和频率一般与流体通过导管的速度从而与流体的流量直接相关。因此，能够设置声换能器或类似的传感器以对从特定导管发出的、由经过该导管的流体流动所引起的声波进行探测，并且通过记录和分析这些声波能够估计通过该导管的流量。在这点上，流量一般表示为体积流量，即表征为在预定时间段内通过指定点的流体体积。

与管路接近地设置一个或多个声换能器，以便能够可靠地探测声波。每个声换能器探测由通过该管路的气体流动所产生的声波的振幅和/或频率，并产生代表该测量结果的信号。每个声换能器所产生的信号被传输给地上监控装置，该地上监控装置大体接近这些声换能器和所监控管路。该监控装置容纳对来自这些声换能器的信号进行处理和将收集的数据传输给中央处理设施所必需的各种电子设备。具体地，对监控装置编程使得：监控装置周期性地或连续地从这些声换能器收集数据，将该数据处理成适于传输的形式，并将数据传输给远程中央处理设施。

在该中央处理设施处，由数字计算机程序执行计算分析，以确定通过所监控管路的流体的流量。此外，对于其所有或大多数连接管路被根据本发明监控的生产、运输、存储和/或分配系统的任何特定设施或其它部件而言，通过对每个管路上的体积流量的简单求和，能够确定该设施的输出或产量。然后，就能够将与一个或多个设施或部件的产量或输出有关的信息通信给第三方。该信息不仅可以包括测量流量或输出估计值，而且可以包括历史数据、容量估计值、或类似的数据，这些数据为市场参与者及其它权益方将测量流量或输出估计值置于背景中。可预期且优选通过对访问受控的因特网站点的数据输出进行对第三方的这种通信，终端用户能够通过普通因特网浏览器程序访问该访问受控的因特网站点。

附图说明

图1是天然气系统的略图；

图2是本发明的方法及系统的示例性实施例的略图；

图3是根据本发明制作的示例性监控装置的透视图；

图4是本发明的方法及系统的示例性实施例中的声换能器与监控装置的功能框图；

图5是本发明的方法及系统的示例性实施例中的通信部件与中央处理设施的功能框图；

图6图示根据本发明的方法及系统的对连接有三个管路的存储设施的监控；

图7的图表图示在限定的时间段内从与特定导管邻近设置的声换能器测量出的信号振幅，以便能够为对通过该特定导管的流量的后续测量导出最佳拟合方程；并且

图8的图表图示在限定的时间段内从与另一个特定导管邻近设置的声换能器测量出的信号振幅，以便能够为对通过该特定导管的流量的后续测量导出最佳拟合方程。

具体实施方式

本发明是监控流体流动的方法及系统，该流体流动例如是通过用于输送天然气、原油和其它类似的液体或气体能源商品的管路或类似导管的流体流动。该方法及系统依赖于从流体在其中流动的导管的外部位置对流体所产生声波的测量，从而允许在不直接接近流体的情况下监控流量。此外，本发明的方法及系统允许估计用于能源商品的生产、运输、存储和分配系统的部件或设施的产量或输出。对本应用来说，通过或相对于部件或设施的能源商品流动的产量、输出、和/或其它测量可以被称为该部件或设施的“操作动态”。

为了实现这一点，首要的是认识到液体或气体能源商品的生产、运输、存储和分配最常通过管路网络发生。这些管路连接各种系统部件，例如生产井、各种类型的存储设施、和由愈来愈小的管路组成的分配网络。

例如，就天然气工业而论如图1所示，生产公司从地理上分散的井定位和采集天然气，这些井由图1中的附图标记10A、10B和10C总体表示。从这些井采集的天然气通过管路(或类似的导管)网络12A、12B、12C输送给主干线14。天然气从这样的干线14输送给存储设施16和/或本地的分配公司18，这些存储设施16通常是枯竭的天然气田、盐丘或类似的地下结构，这些本地的分配公司18又将天然气销售和输送给工业的、商业的、和住宅的终端用户用于最终的消费。

在任何情况下，流过管或类似的导管的流体的一般属性是它们产生声波即声音或振动。天然气或其它能源商品的流动所产生的声音能够以它的振幅和频率为特征。在这点上，振幅和频率一般与流速度从而与流体的流量直接相关。此外，对于可压缩流体，振幅和频率也一般与流体的密度从而与流体的体积流量直接相关。因此，可设置声换能器或类似的传感器以对从特定导管发出、由经过该导管的流体流动所引起的声波进行探测。通过记录和分析这些声波，能够估计经过该导管的流量。如上所述，流量一般表示为体积流量，即表征为在预定时间段内通过指定点的流体体积。

图2是本发明的方法及系统的示例性实施例的略图。在该实例中，监控地下管路32。因此，与管路32接近(即与管路32实际接触或足够靠近所述管路32)设置一个或多个声换能器34a、34b...34n(也称为声传感器或气体传感器)，以便能够可靠地探测声波。在这点上，经常优选多路传感器以在沿着管路32的多个位置处提供多个测量结果，然后能够对这些测量结果求平均值以减少误差。可预期各种在市场上可买到的换能器或传感器可用于实现本发明的目标。例如，适于本发明的用途的一种优选的声换能器是由纽约迪普的PCB Piezotronics，Inc.制造和分销的、型号为No.393B12的高灵敏度震动加速度计。

如上所述，声换能器34a、34b...34n与管路32接触或足够靠近所述管路32设置，以便能够可靠地探测声波。例如，许多在市场上可买到的换能器提供安装磁体，用于将换能器直接连接到管路或类似的导管上。或者，当没有提供这样的磁体时，通过使用粘合材料将大致扁平的磁体附着到换能器上，然后使用该磁体将声换能器34a、34b...34n固定到管路32上，可以将每个声换能器34a、34b...34n安装到管路32上。在这点上，每个声换能器34a、34b...34n可以设有弧形磁体，该弧形磁体较好地匹配它所固定到的管路的轮廓。此外，可以使用各种粘合剂来将每个声换能器34a、34b...34n直接固定到管路32上。最后，在实际接近管路32不可行或不切实际的情况下，可以将声换能器34a、34b...34n安装在托架或类似的框架上，该托架或类似的框架维持声换能器34a、34b...34n相对于管路32的位置而不必接触管路32。

在任何情况下，在该实例中，每个声换能器34探测由经过管路32的气体流动所产生的声波的振幅，并产生代表该振幅的信号。每个声换能器34a、34b...34n所产生的信号经由适当的电缆36a、36b...36n传输给地上监控装置30，该地上监控装置30优选是“本地的”，即它位于大体接近声换能器34a、34b...34n和管路32处。如图3所示，示例性监控装置30包括大致防风雨的壳体31，该壳体31固定到柱子上，并容纳对来自声换能器34a、34b...34n的信号进行处理和将收集的数据传输给如下进一步描述的中央处理设施所必需的各种电子设备。

图4是声换能器34a、34b...34n与监控装置30的功能框图。如所示那样，对监控装置30编程使得：监控装置30周期性地或连续地从声换能器34a、34b...34n收集数据，将该数据处理成适于传输的形式，并将数据传输给远程中央处理设施，在该远程中央处理设施处对数据执行各种计算分析，以确定通过所监控管路的天然气或其它能源商品的流量。

具体地，第一声换能器34a的输出电压施加给具有双重功能的放大及过滤电路40a。该放大及过滤电路40a的一个功能是将声换能器34a的相对小的输出电压放大到适合输入到模拟-数字转换器的电平。电路40a的第二功能是用作过滤器，从每个声换能器34a的输出电压中去除外来噪声。类似地，第二声换能器34b的输出电压施加给另一个放大及过滤电路40b，以放大电压和去除外来噪声等。放大及过滤电路40a、40b...40n的具体设计不重要，并且本领域普通技术人员可以设计各种放大及过滤电路来实现放大电压和去除外来噪声的双重目标。

在各个信号放大及过滤之后，这些输出电压就施加给模拟多路转换器(MUX)42的输入。此外，虽然在图4中未示出，可取的是：在将各个放大及过滤电路40a、40b...40n的输出电压施加给MUX 42之前，将这些输出电压施加给各个采样保持放大器的输入，以便避免在后续将这些信号从模拟形式转换到数字形式过程中的时间偏移。采样保持放大器在本领域中是公知的，并且可以如这里预期的那样将用于执行采样保持功能的任何传统装置结合到本发明中。

这些信号单独地从MUX 42经过模拟-数字(A/D)转换器44。由与微处理器50相关联的控制逻辑确定在任何给定时间使多路信号中的哪个信号经过模拟-数字转换器44。代表所测量声波的振幅且现在是数字形式的已转换数据被存储在与微处理器50相关联的存储器中。然后，来自微处理器50的输出信号被传输给带有相关传输天线60(在图3中也示出)的射频(RF)收发器58和用于将信号后续传输给中央处理设施的陆上通讯线网络62中的一个或两者。

最后，监控装置30的各个电子部件优选由电池70供电，该电池70可以由太阳能电池板组72(在图3中也示出)连续地再充电。

图5是本发明的方法及系统的示例性实施例中的通信部件与中央处理设施的功能框图。这些部件不是安装在带有监控装置30的现场中，而是位于某些远程的位置处。具体地，从图3示出的微处理器50输出的数据经由带有相关传输天线60的射频(RF)收发器58和陆上通讯线网络62中的一个或两者传输给中央处理设施。在现场中的一个或多个监控装置30的范围内的接收天线100或类似的通信部件接收代表声学测量结果的该数据。该接收天线100以可操作的方式连接到模拟或数字通信网络102上，该模拟或数字通信网络102将信号传输给中央处理设施110。可以通过例如卫星链路104、微波链路106、和/或光纤链路108执行这样的传输，但是当然可以在不偏离本发明的精神及范围的情况下使用其它数据传输装置。

在中央处理设施110处，由数字计算机程序112执行如下将详细描述的计算分析，以确定通过管路32的气体(或类似的流体)的流量。此外，对于其所有或大多数连接管路被根据本发明监控的生产、运输、存储和/或分配系统的任何特定天然气设施或其它部件而言，通过对每个管路上的流量的简单求和，能够确定该设施的天然气产量。然后，就能够将与一个或多个设施或部件的产量或输出有关的信息通信给第三方。该信息不仅可以包括测量出的流量或输出估计值，而且可以包括历史数据、容量估计、或类似的数据，这些数据为市场参与者及其它权益方将测量出的流量或输出估计值置于背景中。可预期且优选通过对访问受控的因特网站点114输出数据而进行对第三方的这种通信，终端用户能够通过例如Microsoft Internet Explorer

的普通因特网浏览器程序116访问该访问受控的因特网站点114。当然，也可以在不偏离本发明的精神及范围的情况下通过多种其它已知的通信媒介实现对第三方的信息及数据通信。

作为另外的改进，从本地监控装置30的微处理器50到中央处理设施110的通信信道可以是双向的，以便可以按照预定计划的方式发送微处理器50中所保持和存储的信息或者可以轮询所述信息。此外，通过双向通信，微处理器50能够远程重编程序。

至于上述的计算分析，测量出的通过导管的声波与流量的关系在数学上有些复杂，因为声波不仅可能由流体流动引起，而且可能由流体与管路的机械部件的相互作用引起，这些机械部件包括连接到管路上的和/或在管路外部的压缩机、气体流量计、流量及压力调节器、控制阀和/或类似的设备。然而，在这些部件或设备的相互作用与流体本身中变化着的状况无关的情况下，声波的振幅一般随着流量的增加而增加。关于气体管路中的噪声源和产生的噪声级的更多细节和讨论，参考Nelson，D.A.和Cooper，B.A.：Reduced-Noise Gas Flow DesignGuide for NASA Glenn Research Center，Proceedings of InterNoise 99，the International Congress on Noise Control Engineering.Institute ofNoise Control Engineering(华盛顿，1999)，在这里引入该出版物作为参考。

因此，通过选择沿着管路的适当位置即流体与其它部件或设备的相互作用最小的位置，通过将测量出的声波与已知的流量相比较，能够导出适于预测流量的数学关系。

例如，图7的图表图示在大于105小时的时间段内从与特定导管邻近设置的声换能器测量出的信号振幅。在该时间段期间，还监控实际气体流量。对该数据集运用线性回归分析，导出数学关系，具体地：

估计流量(Mcfh)＝[K(信号振幅)+C]*1000        (1)

其中Mcfh指千立方英尺/小时，并且

其中K＝1.6159且C＝0.5158/

当然，该数学关系在某种程度上是只有该特定导管才有的。的确，该导管的尺寸、具体声换能器的特征、和环境条件都可能对测量出的声波与流量之间的关系有影响。

对于另一个实例，图8的图表图示在180小时的时间段内从与另一个导管邻近设置的声换能器测量出的振幅。同样，在该时间段期间，还监控实际气体流量。对该数据集运用线性回归分析，导出数学关系，具体地：

估计流量(mcfh)＝K(信号振幅)^C            (2)

其中K＝2100且C＝0.30

该数学关系也是只有该特定导管和环境条件才有的。尽管如此，如以上实例所证实，通过为各种设置的各种导管导出“最佳拟合”方程，当要监控新的导管时，能够根据该导管的尺寸、环境条件等选择适当的方程。此外，通过数据积累及分析，预期可以推导另外的相互关系，例如常数K及C与如下特征的关系：(1)导管的某些可识别的特征，例如导管的内径和导管的壁厚；(2)流体的特征，例如温度、压力、速度、等；和(3)与附近的机械噪声源的不同类型有关的特征，机械噪声源例如压缩机和控制阀。在这点上，关于对由许多这样的特征引起的噪声的估计，再次参考Nelson，D.A.和Cooper，B.A.：Reduced-NoiseGas Flow Design Guide for NASA Glenn Research Center，Proceedings ofInterNoise 99，the International Congress on Noise Control Engineering.Institute of Noise Control Engineering(华盛顿，DC，1999)，在这里已经引入该出版物作为参考。

在任何情况下，一旦已经导出适当的数学关系，就能够大致实时地监控特定导管。一旦在中央处理设施处接收到与该特定导管的监控有关的数字化数据，优选由数字计算机程序执行必要的计算分析，以确定通过该导管的气体(或类似的流体)的流量。

如上所述，通过这样的计算，本发明的方法及系统允许估计用于能源商品的生产、运输、存储和分配系统的部件或设施的操作动态。例如，在天然气工业中，如以上参考图1大体描述的那样，存储设施在低利用率阶段(即夏季)期间接收并存储由生产公司所采集的气体，然后在高利用率阶段(即冬季)期间将所存储的气体分配给本地的分配公司。当然，气体是通过许多管路运输到这些存储设施中和从这些存储设施中运输出的。通过如上所述对流过每个管路的气体量的估计，结合经过每个管路的流动方向的信息，通过对每个管路上的流量的简单求和，能够确定特定存储设施的气体净注入或净排出量。然后，也如上所述，能够通过访问受控的因特网站点或其它方式将该估计值通信给第三方。

图7图示了对连接有三个管路32、132、232的存储设施16的输出的这种估计。由一个或多个声换能器34、134、234和相关监控装置30、130、230的组件来监控每个这样的管路32、132、232。每个监控装置30、130、230所收集和处理的数据经由卫星链路104传输给中央处理设施110，在中央处理设施110处，通过对每个管路32、132、232上计算出的流量的简单求和，能够确定存储设施16的气体净注入或净排出量。

至于通过与设施相联的每个管路的流动方向，能够使用各种技术来推导流动方向。例如，存储设施处的管路网络包括类似的机械部件和结构，这些部件和结构的功能经常依赖于通过管路的流动方向。因此，对管路网络物理布局的评估可以提供流动方向的一些指示。此外，对测量出的声波的分析可以提供流动方向的指示，因为当气体流动在某个方向上时可能促动某些机械部件(例如用于将气体注入存储设施中的压缩机)。对于另一个实例，如上所述，存储设施的季节性操作的知识可以用于推导流动方向。无论使用何种技术，这样都能够确定特定存储设施的气体净注入或净排出量。

本领域普通技术人员将认识到在不偏离本发明的教导或所附权利要求的范围的情况下另外的实施方案和/或实施例是可能的。给出该详细说明特别是其中公开的示例性实施例的具体细节主要是为了理解清楚，而不是要从中理解不必要的限制，因为本领域技术人员在阅读该公开时将显而易见多种变型，并且这些变型可以在不偏离所要求保护的发明的精神或范围的情况下作出。

Claims (4)

1.一种用于估计设施的操作动态的方法，包括以下步骤：

与该设施的多个所选导管中的每个导管接近且在每个导管之外设置至少一个监控装置，每个这样的监控装置包括至少一个声换能器，所述至少一个声换能器用于产生信号，该信号代表由通过每个所选导管的能源商品的流动所产生的声波；

每个监控装置接收这些信号并将这些信号处理成代表声波的数字化数据；

对这些数字化数据进行处理以确定通过每个所选导管的能源商品的流量；

根据所确定的流量来估计该设施的操作动态；以及

将与设施的操作动态相关的信息通信给第三方。

2.如权利要求1所述的方法，其中每个监控装置将代表声波的数字化数据传输给远程中央处理设施，该远程中央处理设施用于对这些数字化数据进行处理以确定通过每个所选导管的能源商品的流量，并用于根据所确定的流量来估计该设施的操作动态。

3.如权利要求1所述的方法，其中该信号是由通过每个所选导管的能源商品的流动所产生的声波的测量振幅。

4.如权利要求1所述的方法，其中将与设施的操作动态相关的信息通信给第三方的步骤通过访问受控的因特网站点来实现。

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