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1. CN102216752 - Fluid analysis system and method for operation of an analysis system

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流体分析系统及用于分析系统的操作的方法


本发明涉及用于分析在管道(pipe)中或在管路(pipeline)中流动的 流体的流体分析系统。其特别适用于为了计数在管道或管路中流动的 流体中的颗粒而布置的流体分析系统。本发明还涉及用于分析在管道 或管路中流动的流体的流体分析系统的操作的方法。本发明也涉及所 述流体分析系统的用途(use)。
所述流体分析系统对于计数在位于难以接近的区域的管道或管 路中流动的流体中的颗粒特别有用,举例来说所述管道或管路诸如是 在海底或海床上。这可与对液压系统中的液压油的控制相结合,例如 与用于生产碳氢化合物的设备相结合,其中该设备可以是海底生产设 备。本发明也特别适用于存在爆炸和/或起火危险的区域。
从美国专利申请US 2004/0197922 A1中已知一种用于检测在管 道系统中流动的给水中的杂质的系统。在说明书中还提到,可在所述 管道系统中设置螺旋桨以对为该系统的操作供应电力的电池充电。
在日本专利JP 2002267510中公开了一种类似的系统,其中由通 过螺旋桨充电的电池提供对于系统的操作所需的电力,其中所述螺旋 桨被安装在管道中并且由管道中的流体流驱动。
申请人自己的专利申请WO 2004/057306公开了由流体分析器就 地对流体进行采样和监视,该流体分析器将能够与本专利申请中的发 明相结合使用。在US 5,572,320中详细描述了用于确定流体中的颗粒 物质的分析设备。
当必须计数流体中所存在的颗粒的数目时,颗粒应该尽可能均匀 地分布在流体中。万一颗粒因为这样或那样的原因具有在流体中凝聚 的倾向,则如果为计数颗粒所取出的流体样本包含颗粒密度远低于或 远高于流体中的实际颗粒密度的流体,就会给出对流体中的颗粒密度 的完全错误的描述。因此,有利的是在取出流体样本用以计数流体中 的颗粒之前混合流体以便获得颗粒在流体中的均匀分布。
由于用于颗粒计数的本系统意图用在难以接近或存在起火和/或 爆炸的危险的环境中,因此还有利的是颗粒计数器完全地或者在最大 可能的程度上在所需能量方面自给自足。这避免了对用于为操作颗粒 计数器而供应电能的缆线的使用。例如,这适用于用于颗粒计数和图 像识别的光源、数据处理、用于传输来自颗粒计数器的数据和/或用于 控制颗粒计数器及系统的其他部件的控制信号的无缆线通信。
此外在其他方面,如果整个系统可以在没有外部干涉的情况下尽 可能地起作用会是有利的。这样的实例为避免使用用于驱动流体样本 通过流体分析系统并且可能地回到从其取出所述流体样本的管道流 (pipe flow)的泵。
因此,本发明的目的在于提供流体分析系统,其试图解决上述问 题并且因此可以在不可接近或难以接近的区域中或在存在起火和/或 爆炸的危险的区域中被采用。
利用在独立权利要求1中所限定的流体分析系统、在独立权利要 求18中所限定的用于流体分析系统的操作的方法并且通过如在权利 要求20和21中所指示的那样使用所述流体分析系统来实现上述目 的。在相关联的从属权利要求2-17中指示了所述流体分析系统的另外 的优选实施例,而在权利要求19中指示了用于流体分析系统的操作 的方法的另外的实施例。
从而提供了一种用于分析在管道或管路中流动的流体的流体分 析系统。所述流体分析系统包括管道部分,当所述流体分析系统投入 使用时,所述管道部分形成流体所流过的管道或管路的一部分。所述 管道部分设置有用于从流过所述管道部分的流体中提取流体样本的 流体样本出口和用于将流体样本送回所述管道部分的流体样本回送 出口,其中所述流体样本回送出口被布置在所述流体样本出口的下 游。所述流体分析系统还包括:流体分析器,其被布置为与所述流体 样本出口和所述流体回送出口流体连通(in fluid communication);以及 螺旋桨单元,其设置有至少一个上游螺旋桨和至少一个下游螺旋桨。 所述螺旋桨单元被安装在所述管道部分中使得所述上游螺旋桨位于 所述流体样本出口的上游,由此使得所述上游螺旋桨能够在流体样本 通过所述流体样本出口被提取之前混合所述管路中的流体;并且使得 所述下游螺旋桨位于所述流体样本出口的下游以及所述流体样本回 送出口的上游,由此使得所述下游螺旋桨能够在所述流体样本出口与 所述流体样本回送出口之间的管道部分中提供压降,所述压降足以驱 动流体样本通过所述流体分析系统。
所述螺旋桨单元还包括螺旋桨壳体,在所述螺旋桨壳体中安装有 至少一个发电机。通常将在所述螺旋桨壳体中安装一个发电机,但例 如当在通常被使用的发电机发生故障或者要求涉及需要停止所述发 电机的维护的情形下要求备用发电机接管电力产生时,可在所述螺旋 桨壳体中设置多于一个的发电机。
所述上游和下游螺旋桨可以是具有轮轴和螺旋桨壳体的传统螺 旋桨设计,其中桨叶附接于所述轮轴,而所述螺旋桨壳体被安装在所 述管道部分中。将所述螺旋桨壳体做得尽可能小并且尽可能做成流线 型,以便最小可能程度地影响通过所述管道部分的管道流。
根据所述上游螺旋桨和所述下游螺旋桨必须执行的功能来选择 所述上游螺旋桨和所述下游螺旋桨的直径。如果所述上游螺旋桨仅被 布置用以混合所述流体样本出口之前的管道流中的流体,则所述上游 螺旋桨的桨叶将能够被设计使得产生混合流体所需的扰动程度。也可 通过调节所述上游螺旋桨的直径来达到所期望的扰动程度并且由此 达到混合所述管道流的程度。所述下游螺旋桨的任务优选地是产生电 能并在所述流体样本出口与所述流体样本回送出口之间的管道部分 中提供压降,而且可以选择最好地满足这两个要求的直径。
作为普通螺旋桨设计的替代方案,所述上游螺旋桨和/或所述下游 螺旋桨可被设计为具有外周环(peripheral ring),所述外周环附接于所 述螺旋桨桨叶沿径向的外部尖端(outer tip),其中所述外周环被可旋转 地安装为所述管道部分的一部分。该旋转的环可以充当发电机中的转 子,而定子在所述管道部分中围绕所述环安装。当然,也有可能将所 述外周环安装在传统的轴承上使得所述螺旋桨仅旋转而不产生电能。 如果所述上游螺旋桨仅必须混合所述管道流中的流体,则这对于所述 上游螺旋桨将是特别相关的。
另一替代方案将是这两种类型的螺旋桨的组合。在这种情况下, 所述下游螺旋桨优选地设置有外周环并且充当发电机中的转子,而上 游涡轮被安装在居中地附接于所述下游螺旋桨并且与所述下游螺旋 桨的旋转轴线大致同轴的轴上。所述轴从所述下游螺旋桨向上游突 出,使得被安装在所述轴上的所述上游螺旋桨位于所述流体样本出口 的上游。为了使得所述上游螺旋桨能够旋转,所述上游螺旋桨被可旋 转地安装在固定于所述下游螺旋桨的轴上,或者所述上游螺旋桨被固 定于所述轴上而同时所述轴被可旋转地安装在处于所述下游螺旋桨 的中心的轮轴上(所述下游螺旋桨的桨叶又附接于该轮轴)。
除了在所述管道部分中提供压降之外,所述下游螺旋桨通常还将 驱动或有助于驱动布置在所述螺旋桨单元中的发电机。类似地,除了 混合所述管路中的流体之外,所述上游螺旋桨还可驱动或有助于驱动 布置在所述螺旋桨单元中的发电机。
所述流体分析系统还包括用于将电能从所述至少一个发电机传 输到所述流体分析器及所述流体分析系统中的其他耗电设备的装置。 这些装置通常将是市场上自由地可得到的普通电缆。
在本发明的实施例中,所述至少一个上游螺旋桨和所述至少一个 下游螺旋桨可被安装在独立的轴上,其中所述轴是同轴的。所述至少 一个上游螺旋桨和所述至少一个下游螺旋桨可以对转(contra-rotating) 方式布置。发电机则可以是对转发电机,结果所述上游螺旋桨和所述 下游螺旋桨两者均参与使所述发电机运转。
另一替代方案是将所述至少一个上游螺旋桨和所述至少一个下 游螺旋桨安装在驱动所述发电机的同一轴上。
代替将所述上游螺旋桨和所述下游螺旋桨两者均安装在螺旋桨 壳体的上游,所述至少一个上游螺旋桨可被安装在所述螺旋桨壳体的 上游,而所述至少一个下游螺旋桨被安装在所述螺旋桨壳体的下游。 有可能将所述上游螺旋桨和所述下游螺旋桨安装在贯通的轴上或者 可将它们安装在独立的轴上,所述独立的轴则可以驱动对转发电机。
在本发明的实施例中,所述螺旋桨单元包括至少两个发电机,其 中所述至少一个上游螺旋桨驱动第一发电机,并且所述至少一个下游 螺旋桨驱动第二发电机。
所述流体分析器优选地包括用于自动计数流体样本中的颗粒的 数目的装置。这些装置例如可包括颗粒计数器,所述颗粒计数器能够 识别流体样本中的颗粒并且将相关数据传输到基站。为了能够存储流 体样本的分析数据,所述流体分析系统优选地包括可存储来自所述流 体分析器的与各个单独的流体样本相关的数据的数据存储单元。
所述流体分析系统还包括用于在所述流体分析系统与和所述流 体分析系统相距一定距离的基站之间传输数据和/或控制信号的装置。 所述用于传输数据和/或控制信号的装置可包括用于数据和/或控制信 号在所述流体分析器与所述基站之间的无线传输的一个或多个装置。 移动网络和蓝牙是可被采用的无线数据传输方法的实例。
所述用于传输数据和/或控制信号的装置也可包括用于在所述流 体分析器与所述基站之间传输数据和/或控制信号的一个或多个缆线, 如果所述流体分析器以使得这样有利的方式被设置。
所述流体分析器优选地还包括一个或多个样本收容器,所述样本 收容器用于收集一个或多个流体样本,由此使得能够在适当的实验室 中计数流体样本中的颗粒的数目。例如,当对流体样本的自动分析提 供与预期值不同并且必须借助于在适当的实验室中进行彻底分析来 核实的结果时,这可能是相关的。所述一个或多个样本收容器优选地 以下述方式被可拆卸地安装在所述流体分析器中:即可以通过ROV、 机械手(robot)或类似设备从所述流体分析器中取出所述样本收容器以 及将所述样本收容器放置在所述流体分析器中。当所述系统在正常操 作期间被用在难以接近的区域中时,这特别重要。
所述流体分析系统优选地还包括用于流体样本中的预定量的流 体的受控提取的装置。这些装置可根据要求由一个或多个阀装置组 成。所述阀装置优选地为自动的并且被有利地设计使得可以从所述基 站对它们进行控制。
类似地,所述流体分析系统优选地还包括控制从流体样本返回所 述管道部分中的管道流的流体流量并且防止流体从所述管道部分沿 所述流体分析器的方向流过所述流体样本回送出口的装置。这些装置 可由一个或多个阀装置组成。所述阀装置优选地为自动的并且有利地 能够从基站进行控制。
可借助于上文所提及的无线系统或缆线来调节和设定当提取流 体样本时应当从任何时候通过所述管道部分的流体流中取出多大的 量。可替代地,这可通过手动设定所述阀装置来调节。
还提供了一种用于分析在管道或管路中流动的流体的流体分析 器的操作的方法,其中在所述管道或管路中设置有流体样本出口。流 体样本通过所述流体样本出口被提取,进而被传递到所述流体分析器 以分析所述流体样本。所述方法包括以下步骤:
·设置螺旋桨单元,所述螺旋桨单元包括至少一个上游螺旋桨和 至少一个下游螺旋桨,其中所述螺旋桨被安装在一个或多个旋转轴上 并且沿所述管路的纵向间隔轴向距离,并且其中所述螺旋桨中的至少 一个被布置为能够驱动安装在所述螺旋桨单元中的发电机。
·以下述方式将所述螺旋桨单元放置在所述管路中:即所述至少 一个上游螺旋桨位于所述管路中的流体样本出口的上游,并且所述至 少一个下游螺旋桨位于所述流体样本出口的下游。
按照这种方式,所述螺旋桨在流体样本通过所述流体样本出口被 提取之前提供流体的混合并且为所述流体分析器及其他需要电流的 设备的操作提供电流产生。
在本发明的实施例中,所述方法还包括以下述方式将所述螺旋桨 单元放置在所述管路中的步骤:即所述下游螺旋桨位于所述管路所设 置有的流体样本回送出口的上游。按照这种方式,可以在所述流体样 本出口与所述流体样本回送出口之间的管路中提供所期望的压降。
还提供了流体分析系统用于分析在管道或管路中流动的流体的 用途,其中管道部分形成所述管道或所述管路的一部分。
还提供了流体分析系统用于分析在管道或管路中流动的流体的 用途,其中所述管道或所述管路位于水下,即优选地位于洋底或海床 上,或处于存在起火和/或爆炸危险的环境中。
下面将参考附图更加详细地描述本发明的一些实施例,其中
图1是本发明的第一实施例的示意图,
图2是本发明的第二实施例的示意图,
图3是本发明的第三实施例的示意图,
图4是本发明的第四实施例的示意图,。
图1-4示意了本发明的不同实施例。然而,这些不同实施例具有 许多共同特征,在更加详细地解释各个单独的实施例之前将进一步解 释这些共同特征。
在图中示意了流体分析系统,其一般由附图标记10指示。该流 体分析系统包括管道部分12,当流体分析系统10被使用时,管道部 分12形成管道或管路的一部分。流体的管道流50流过管道或管路。 在某些情况下,所期望的是对流体流50中的颗粒密度进行定期检查。 这例如对于液压系统可能是相关的,在液压系统中流体流50中的颗 粒的数目和颗粒的尺寸将能够指示液压系统中的部件上的磨损和开 裂的迹象到何种程度,从而可以在早期开始预防性的维护。润滑系统 是将能够采用本发明的另一技术领域,其中润滑液中的颗粒密度将能 够被用于检测各种机器部件上的磨损的早期征兆,从而可以在被加以 润滑液的一个或多个机器中的关键部件发生完全故障之前采取措施。
管道部分12设置有流体样本出口35和流体分析器16。流体分析 器16将优选地自动操作并且包括使得对流体样本的分析能够被实施 所必需的设备。除其他以外,流体分析器16包括颗粒计数器17,在 该颗粒计数器中检查流体样本。如本申请的开篇部分所指示的那样, 在US 5,572,320中描述了这样的设备的实例。
自动分析设备(图中未详细示出)例如可包括使光透过流体样本的 激光器二极管。然后,光在图像被记录在图像传感器芯片上之前从激 光器穿过放大透镜。接着,由识别设备分析被记录在图像传感器芯片 上的图像,该识别设备识别并且计数被显示在图像上的颗粒。在该过 程中,优选地将相关数据存储在数据存储介质18上,并且优选地借 助于通信设备19以无线方式将所述数据传输到基站20,通信设备19 至少包括发射器并且优选地包括接收器。如果通信设备19设置有接 收器,则该通信设备也可被用于流体分析系统10与基站20之间的通 信,基站20通常位于和流体分析系统10相距一定距离处,结果有可 能控制例如可位于海床上的流体分析系统。
流体分析器16优选地借助于流体线(fluid line)38、39和至少一个 阀装置43与管道部分12连接,该阀装置43优选地为自动阀装置, 其控制从管道部分12中的管道流50中提取流体样本以及流体样本通 过流体分析器的流量。
在已穿过流体分析器16之后,流体样本可被倾倒入贮存器(图中 未示出),或者流体分析器16可通过流体线40、41与设置在管道部分 12中的流体样本回送出口36连接,从而使得流体样本能够被送回流 体流50。流体样本回送出口36优选地设置在管道部分12中的流体样 本出口35的下游。还至少设置一个与流体线40、41相结合的阀装置 44,该阀装置44优选地为自动阀装置,由此使得被送回管道部分12 中的管道流50的流体样本的流量能够被调节。借助于至少一个阀装 置44,还有可能防止流体从管道流50流过流体线40、41。
如已经提及的那样,阀装置43、44优选地为自动的,由此允许 从基站20对它们进行控制。
优选地经由无线系统引导流体分析系统10的数据传输和/或控 制,但如果流体分析系统10以使得使用通信缆线有利并且可行的方 式被设置,则也可借助于通信缆线来执行所述数据传输和/或控制。
流体分析器还优选地包括样本收容器(图中未示出),该样本收容 器可以储存从管道部分12中提取的流体样本。这个样本收容器优选 地以这样的方式被可拆卸地安装在流体分析器17中:即通过ROV或 其他机械设备将其取出并且将其传送到实验室用于详细分析。举例来 说,如果从流体分析系统传输的结果提供对流体样本进行更彻底的分 析的根据,则这可能是相关的。当然,流体分析器也可设置有多于一 个的样本收容器。
在管道部分12中安装有螺旋桨单元22。螺旋桨单元22包括上游 螺旋桨29、下游螺旋桨30以及至少一个发电机25、26、27,所述发 电机布置在螺旋桨壳体23中并且由螺旋桨29、30中的一个或两个驱 动。可以借助于举例来说诸如为支柱或板等紧固装置24将螺旋桨单 元固定在适当的位置。将螺旋桨壳体23的尺寸最小化并且将螺旋桨 壳体设计为使得通过螺旋桨壳体的流体的流量最小可能程度地受到 影响。术语上游螺旋桨这里是指螺旋桨被放置在流体样本出口35的 上游的事实,而下游螺旋桨对应地是指螺旋桨被放置在流体样本出口 35的下游的事实。上游螺旋桨29和下游螺旋桨30应当被放置的、流 体样本出口35的上游和下游的精确距离除其他以外将取决于管道和 螺旋桨的尺寸(即直径)以及何种流体在管道部分中流动。本领域技术 人员将能够调节该距离以便达到本发明的目的,可能地如果有必要的 话在进行一定量的测试之后进行调节。
在发电机22与流体分析器16及流体分析系统中的任何其他耗电 设备之间设置有用于传输所产生的电流的装置,优选地为电缆28。螺 旋桨单元22所产生的电流可以被用于对一个或多个电池(图中未示出) 充电,所述一个或多个电池又对流体分析器16及流体分析系统10中 的其他耗电设备供应电流。
在图1-4中示意了关于上游螺旋桨和下游螺旋桨可如何布置的一 些实例。
在图1中示意了其中上游螺旋桨29和下游螺旋桨30被安装在公 共轴33上的本发明的实施例。公共轴33驱动被布置在螺旋桨壳体23 中的发电机25。可以下述方式设计下游螺旋桨30:即是这个下游螺 旋桨实质上有助于驱动发电机25的螺旋桨,而上游螺旋桨29实质上 有助于在流体样本出口35的前沿混合流体流50中的流体。上游螺旋 桨29上的桨叶的设计和设定对流体流50中的流体被混合的程度将是 决定性的。这适用于本发明所有不同的实施例。下游螺旋桨30还将 优选地在流体样本出口35与流体样本回送出口36之间的管道部分12 中提供所需的压降,由此在不需要布置任何类型的泵的情况下使得流 体样本被驱动通过流体分析器并且返回管道流50。
在图2中示意了其中上游螺旋桨29被安装在上游螺旋桨轴31上 而下游螺旋桨30被安装在下游螺旋桨轴32上的本发明的实施例,其 中上游螺旋桨轴31和下游螺旋桨轴32被同轴地安装。对于这个实施 例,对于发电机25的操作而言大致存在两种可能性。下游螺旋桨30 可以驱动发电机25,而上游螺旋桨29以这样的方式被安装:即使得 上游螺旋桨29独立于下游螺旋桨的旋转而旋转并且仅对流体的混合 做贡献,这例如通过将上游螺旋桨轴31可旋转地安装在形状可为圆 筒状的下游螺旋桨轴32的内部来实现。可替代地,可以这样的方式 安装上游螺旋桨29和下游螺旋桨30:即上游螺旋桨29与下游螺旋桨 30对转并且两者均有助于驱动发电机并且由此产生电力。在现有技术 中已知对转发电机,这里将不再进一步描述。下游螺旋桨30还将优 选地在流体样本出口35与流体样本回送出口36之间的管道部分12 中提供所需的压降,由此在不需要布置任何类型的泵的情况下使得流 体样本被驱动通过流体分析器并且返回管道流50。
在图3中示意了其中上游螺旋桨29和下游螺旋桨30被安装在螺 旋桨壳体23的两侧的本发明的实施例。上游螺旋桨29被安装在螺旋 桨壳体23和流体样本出口35的上游,而下游螺旋桨30被安装在流 体样本出口35的下游以及流体样本回送出口36的上游。在图中示意 了其中借助于轴承34安装上游螺旋桨29并且上游螺旋桨29独立于 下游螺旋桨30和发电机25旋转的实施例。因此,发电机仅由下游螺 旋桨30来驱动。当然,替代方案将是把上游螺旋桨29和下游螺旋桨 30安装在贯通的公共轴上,其中螺旋桨29、30两者均有助于驱动发 电机25。下游螺旋桨30还将优选地在流体样本出口35与流体样本回 送出口36之间的管道部分12中提供所需的压降,由此在不需要布置 任何类型的泵的情况下使得流体样本被驱动通过流体分析器并且返 回管道流50。
在图4中示意了其中以与图3所示相似的方式将上游螺旋桨29 和下游螺旋桨30安装在螺旋桨壳体23的两侧的本发明的实施例。上 游螺旋桨29被安装在螺旋桨壳体23和流体样本出口35的上游,而 下游螺旋桨30被安装在流体样本出口35的下游以及流体样本回送出 口36的上游。然而,螺旋桨单元22设置有第一发电机26和第二发 电机27,这两者均设置在螺旋桨壳体23中。上游螺旋桨29经由上游 螺旋桨轴31驱动第一发电机26,而下游螺旋桨30经由下游螺旋桨轴 32驱动第二发电机27。在正常操作期间,两个发电机26、27中的一 个将能够被断开,使得只有一个发电机在操作并且产生电能。由上游 螺旋桨29驱动的第一发电机26将优选地在正常操作期间被切断。然 后,下游螺旋桨30将驱动第二发电机27而同时在流体样本出口35 与流体样本回送出口36之间提供压降,而上游螺旋桨在正常操作期 间仅混合流体流50中的流体。在第二发电机27的必要维护或发生故 障的情况下,第一发电机26将能够被接通,由此允许继续产生电力。
目前已描述了本发明的数个实施例,其在从流体流中取出流体样 本之前混合流体流50中的流体并且其将使得流体分析系统10不依赖 于电力的外部供应以及对用于泵送流体样本通过流体分析系统10并 且返回管道部分12的泵的使用。
当然,以上所描述的系统可被用于任何情况,但其特别适用于在 难以接近的区域中使用,举例来说诸如与用于在海上产生碳氢化合物 的坐底式设施(bottom-based installation)相结合。该系统还很适合于在 存在具有起火和爆炸危险的环境的区域中使用。