Mehrphasendurchflussmessung mit Magnetresonanz

Das Echo der Wasserstoffatome

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Die Magnetresonanztechnologie macht sich eine spezielle Eigenschaft von Wasserstoffatomen im Magnetfeld zunutze. Vorteile, die für die Mehrphasendurchflussmessung in der Erdöl- und Gasindustrie genutzt werden können. Das auf der Magnetresonanztechnologie basierende Inline-Mehrphasen-Durchflussmessgerät M-Phase 5000, bestimmt gleichzeitig die Durchflüsse von Öl, Gas und Wasser.

Upstream- und Downstream-Durchflüsse in der Erdöl- und Gasindustrie sowie in der Petrochemie unterscheiden sich sehr stark voneinander. Die Messung von Erdöl direkt am Bohrloch ist eine enorme Herausforderung, da das Rohöl nicht rein aus der Quelle sprudelt. Üblicherweise ist es eine Mischung aus Erdöl, Wasser, Sediment und Gas, wobei nur die Mengen von Erdöl und Gas von Interesse sind. Die hierfür verwendete Durchflussmesstechnik hat sich in den letzten Jahren so weit entwickelt, dass eine akzeptable Messung auch bei wechselnden Durchflussbedingungen erreicht wird. Trotzdem bestehen gewisse Einschränkungen. Und für verschiedene spezielle Anforderungen bieten die heutigen Technologien noch keine wirklich passende Lösung. Darüber hinaus haben einige Technologien für die (Inline-)Mehrphasen-Durchflussmessung Nachteile, beispielsweise die Verwendung von radioaktiven Quellen oder die Notwendigkeit, die Eigenschaften der Fluide unter Leitungsbedingungen im Voraus zu kennen.

Mit dem M-Phase 5000 bietet Krohne ein Mehrphasendurchflussmessgerät basierend auf der Magnetresonanztechnologie, das in Echtzeit arbeitet. Bei Magnetresonanz (MR) handelt es sich um ein physikalisches Prinzip, das aus der medizinischen Bildverarbeitung bekannt ist. Krohne hat diese Technologie gewählt, um über ein einziges Gerät die Durchflüsse von Erdöl, Gas und Wasser gleichzeitig messen zu können. Magnetresonanz macht sich eine spezielle Eigenschaft von Wasserstoffatomen im Magnetfeld zunutze. und ermöglicht es auf diese Weise, die Atome zu zählen. Da Wasserstoff sowohl in Erdöl als auch in Gas und Wasser enthalten ist, ist mit dieser Technik die Mehrphasendurchflussmessung möglich. Die Fluide werden magnetisiert und anschließend über Hochfrequenzimpulse erregt. Die Wasserstoffatome reagieren auf die Impulse und senden Echos zurück, die aufgezeichnet werden. Die Amplitude der Echos und die Geschwindigkeit, mit der sie abfallen, dient zur Berechnung der Durchflüsse von Erdöl, Gas und Wasser.
Kompaktes Gerät
Das M-Phase 5000 ist als Ersatz für herkömmliche Mehrphasendurchflussmessgeräte konzipiert, die sich im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilen lassen: Inline-Durchflussmessgeräte, die verschiedene Messmodalitäten einschließlich radioaktiver Quellen kombinieren, und auf Trennung basierende Durchflussmessgeräte, bei denen die Fluide zum Teil getrennt werden müssen, bevor sie gemessen werden. Da das Magnetresonanzgerät keine radioaktiven Quellen verwendet, fällt auch der damit verbundene komplexe Umgang weg. Im Vergleich zu auf Trennung basierenden Durchflussmessgeräten und Test-Separatoren liegen die Hauptvorteile des neuen Messgerätetyps in der Größe und Zeit: Separatoren bedeuten unhandliche Konfigurationen, die bei Offshore-Anwendungen unerwünscht sind, da der hier verfügbare Platz sehr kostspielig ist. Darüber hinaus benötigen sie beim Wechsel von Ölquellen lange Stabilisierungszeiten, was den Zugriff auf kritische Daten verzögert. Auch die verbesserte Durchflussregelung ist ein wichtiger Aspekt: Um Probleme wie Verstopfungen und Wasserdurchbrüche frühzeitig zu erkennen, ist es von Vorteil, entsprechende Abhilfemaßnahmen sofort einleiten zu können und teure Produktionsstillstände zu vermeiden.
Erhöhte Rentabilität
Bei alternden Erdölfeldern nimmt die Menge Wasser, die gemeinsam mit dem Öl gefördert wird, normalerweise zu. Bei einer hohen Verwässerung sind jedoch die Kosten für die Wasserbehandlung höher als die zusätzliche Ölausbeute aus einer Quelle. Die Ölquelle vorzeitig zu schließen bedeutet, wertvolles Erdöl in der Lagerstätte zu lassen. Wird sie später geschlossen, resultieren hieraus Verluste – Rentabilität wird so zu einer Frage der Zeit. Die Magnetresonanztechnologie des M-Phase 5000 ist in der Lage, in Echtzeit sehr kleine Anteile von Öl in Wasser zu messen, und liefert damit Just-in-time-Daten für die Entscheidung, die betreffende Ölquelle genau in dem Moment zu schließen, in dem sie nicht mehr rentabel ist.
Die Lebensdauer einer Erdölquelle beträgt 10 bis 30 Jahre, und in diesem Zeitraum variiert das Produktionsvolumen stark. Die hohen Durchflüsse zu Beginn nehmen nach ein paar Monaten ab und steigen bei reifen Ölquellen wieder, wenn beispielsweise das Gasliftverfahren zur Anwendung kommt. Folglich mussten Inline-Messgeräte bei sich ändernden Bedingungen üblicherweise mit ausgetauscht werden. Der dynamische Bereich des M-Phase 5000 bedeutet, dass für alle Phasen im Lebenszyklus einer Ölquelle nur ein einziges Messgerät erforderlich ist.
Das M-Phase 5000 zeichnet sich durch eine umfassende Inline-Fluidcharakterisierung aus, die die Probenahme und die damit verbundenen Handhabungsprozesse praktisch überflüssig macht. Das Durchflussmessgerät kompensiert automatisch sich ändernde Bedingungen wie Schwankungen des Salzgehalts im Wasser. Emulsionen können unabhängig von einer kontinuierlichen Ölmischung oder kontinuierlichen Wassermischung gemessen werden. Sand, Kesselstein, Wachs oder Hydrate haben keine Auswirkungen auf den gemessenen Flüssigkeitsdurchfluss und beeinflussen die Gasdurchflüsse nur wenig. Da die Magnetresonanztechnologie auf molekularer Ebene funktioniert, eignet sich das Durchflussmessgerät für ein großes Spektrum an Strömungsregimen.
Im Feld getestet
Um sicherzustellen, dass das M-Phase 5000 selbst unter den rauen Bedingungen der Erdöl- und Gasproduktion funktioniert, wurde es im Feld und im Labor umfassenden Tests unterzogen. Das Gerät ist EMV-zertifiziert und funktioniert zuverlässig im Umgebungstemperaturbereich -40 bis +65 °C. Es hält selbst starken Erschütterungen und Vibrationen bis zu 10 g stand und ist für Anwendungen in explosionsgefährdeten Bereichen (Zone 1) ausgelegt. Die gesamte Elektronik ist in explosionsgeschützten Gehäusen untergebracht, und nur ein Netzkabel (90…260 V(AC), 50/60 Hz, 18…36 V(DC)) und ein Datenkabel (Modbus über RS-485 und Ethernet, andere Schnittstellen auf Anfrage) müssen angeschlossen werden. Um ein Höchstmaß an Schutz zu gewährleisten, werden alle äußeren Kräfte wie die Wärmeausdehnung der externen Rohrleitungen durch das Edelstahlgehäuse des Durchflussmessgeräts geleitet, damit die internen Teile diesen Kräften nicht ausgesetzt werden. Unter Verwendung der Magnetkonfiguration nach dem Halbach-Prinzip wird ein homogenes Magnetfeld im Durchgang beibehalten, während des Magnetfeld außerhalb des Gerätegehäuses aufgehoben wird. Bei mobilen Anwendungen oder um das Durchflussmessgerät vor besonders rauen Bedingungen zu schützen, kann es optional in einem speziellen Rahmen installiert werden.
Das mit zwei Flanschen an der Rohrleitung angebrachte Gerät zeichnet sich durch ein gerades Messrohr ohne jegliche Verjüngung aus, was Einschränkungen des Durchflusses sowie den Verschleiß von internen Teilen sowie Druckverluste verhindert. Das interne Durchflussrohr ist aus korrosionsbeständigem GRE (glasfaserverstärktem Epoxid), das vollständig für die Anwendung in der Erdöl- und Gasindustrie zertifiziert ist. Bei der Magnetresonanztechnologie befinden sich alle Messwertaufnehmer außerhalb des Durchflusses und kommen nicht in Kontakt mit den Fluiden, was Probleme durch Abrasion oder Verschmutzung der Messwertaufnehmer verhindert, die bei herkömmlichen Inline-Durchflussmessgeräten auftreten.

Jörg Holtmann
Public Relations Manager, Krohne

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