CC BY
96
44 КИПИА 17 (37) август 2007 г. ЭКСПОЗИЦИЯ
Турбинные преобразователи расходов (в дальнейшем ТПР) - одна из разновидностей тахометрических первичных преобразователей расхода в составе объемных расходомеров-счетчиков жидкостей. В ином конструктивном исполнении ТПР применяются и для измерения объемов и расходов газов.
ХАРАКТЕРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
ОБЪЕМНЫХ РАСХОДОМЕРОВ-СЧЕТЧИКОВ ЖИДКОСТИ С ТУРБИННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ РАСХОДОВ
Многолопастные ТПР с короткой осевой длиной лопастей (лопаток) и отношением диаметра ступицы ротора к диаметру ротора около 0,5, к которым относятся ТПР PTF и PNF производства ООО «ЕНХА», имеют от 4 до 8 лопастей. У этих ТПР конструкция такова, что обеспечивает динамическое уравновешивание ротора в осевом направлении за счет большего давления за ротором, чем перед ротором. Пояснение этого эффекта на рисунке 1:
фициент преобразования ТПР
Вязкость измеряемой жидкости может значительно меняться как от рабочей температуры, так и от изменения ее состава. При возрастании вязкости изменяется режим течения жидкости: он переходит от турбулентного к переходному, и далее - к ламинарному режиму течения. Для определения режима течения используется гидромеханический критерий подобия - число Рейнольдса:
Яе = — , (1) V
где ш - средняя скорость движения жидкости через проходное сечение канала (трубы), м/с;
Ь - внутренний диаметр трубы, м;
и - кинематическая вязкость измеряемой жидкости, м2/с.
Число Re - безразмерная величина
„ м/с-м сшпКе =
м /с
■ чисто ламинарным режим те-
Рисунок1
ТПР PTF и PNF обладают высокими метрологическими характеристиками для маловязких жидкостей.
Линейность градуировочной характеристики в диапазоне расходов от 0,Ютах до Qmax составляет ±0,25% для PTF Ьу=40мм, 50мм, 80мм и всех типоразмеров PNR Для PTF Ьу=20мм и 25мм - линейность составляет ±0,5%, для PTF Ьу=15мм - ± 1,0%.
Рисунок 2
Воспроизводимость (повторяемость) измерений в одной точке расхода ±0,05% для PNF и ±0,1% для PTF.
Недостатком многолопастных ТПР является их чувствительность к изменениям вязкости измеряемой среды. При повышении вязкости изменяется (увеличивается) коэф-
при:
Re<2300 чения;
Re>10000 - чисто турбулентный режим течения;
2300^е<10000 - переходный режим течения.
Эпюры скоростей при разных режимах течения сильно отличаются друг от друга.
Так при турбулентном режиме течения в круглой трубе шср=0,85штах.
У—7
Эпюра скоростей при ламинарном режиме течения Рисунок 3
расходе Q; м3/с, шср возрастает, т. к.
= 2)
Если канал течения жидкости не круглая труба, то в формулу (1) необходимо вместо Ь подставить:
<1жв = —; (3) П
где S - площадь проходного сечения канала течения жидкости, м2;
П - смоченный периметр проходного канала течения жидкости, м.
Размерность Ьэкв та же, что и d.
.. , dimS М2
dim аэкв =-=-= М; (4)
dim П М к '
В этом случае
(оср ■ <1экв (оср ■ 45
Для проходного сечения ТПР:
S = ^(p2K-d2CT)-zh 2
Dji dст
;(б)
Эпюра скоростей при турбулентном режиме течения
При ламинарном режиме течения шср~0,5штах (рисунок 3)
При всех режимах течения есть пристенный слой жидкости, режим течения которого ламинарный, а скорость его чем ближе к стенке, тем ближе к нулю. Чем меньше число Re, тем толщина этого пристенного слоя больше, что в конечном счете создает эффект сужения проходного сечения, по которому течет жидкость, т. е. при одном и том же
П = пфк +с1ст)+2фл -¿ст); (7)
где Dк - диаметр проходного сечения корпуса ТПР в месте расположения ротора;
Ьст - диаметр ступицы ротора, м;
Dл - диаметр ротора по вершинам лопаток, м;
z - число лопаток;
hт - торцевая толщина лопаток ротора ТПР, м.
Для роторов ТПР PNF, например, ;(8)
вша
где hл - толщина лопатки ротора ТПР, м;
а = угол наклона лопаток ротора ТПР по отношению к оси ротора. Поскольку у ТПР ►
ЭКСПОЗИЦИЯ 17 (37) август 2007 г.
КИПИА 45
PNF а =300, тогда
Анализ выражений (6) и (7) показывает, что с ростом числа лопаток в уменьшается, а П увеличивается, что ведет к уменьшению Re, см. формулу (5).
Если же выразить Re через расход, м3/с, то получим:
и в конечном счете:
Re:
QS
S-П у 77-v
(П)
Из (7) и (11) вытекает, что с ростом z растет П и уменьшается Re, т. е. для многолопастных ТПР чем больше лопаток, тем быстрее уменьшается Re и тем толще становится пристенный слой жидкости, и большее сужение проходного сечения для измеряемой жидкости, и тем большее возрастание шср. А это приводит к возрастанию скорости вращения ротора, т. е. к возрастанию коэффициента преобразования ТПР при расходах (0,2-0,3) Qmax (для жидкостей с небольшими вязко-стями). Этот эффект тем выше, чем ближе режим течения к ламинарному, и особенно высок при ламинарном течении, что и отражается на градуировочной характеристике ТПР Этим обоснован подъем характеристики ТПР даже на воде вблизи Qmin. Дальнейший спад характеристики при еще меньших расходах обуславливается все большим влиянием тормозящих моментов (в подшипниках, от индукционного преобразователя, вязкостного трения жидкости) по отношению к уменьшающемуся крутящему моменту из-за уменьшения кинематической энергии потока измеряемой жидкости при малых расходах.
Для уменьшения влияния вязкости измеряемого потока на градуировочную характеристику ТПР производителями турбинных преобразователей расхода были разработаны ТПР с геликоидальными роторами с достаточно большой осевой длиной лопаток ротора, большой разностью между диаметрами Dл и Ьст, с числом лопаток равным 2 и винтовой нарезкой лопаток.
Для таких ТПР соотношение между в и П
(см. формулу (5) увеличивается, что в меньшей степени влияет на уменьшение Re при увеличении вязкости, уменьшении проходного сечения и увеличении шср и, в конечном счете, меньше изменяется Кср.
Развитая площадь лопаток ротора обеспечивает достаточный крутящий момент ротора при малых расходах, что снижает влияние возрастания вязкости на спад характеристики при малых расходах.
Оптимально подобранные конструктивные характеристики ротора, а именно:
- шаг нарезки лопаток, Н;
- осевая длина лопаток, 1л;
- оптимальное соотношение, Dл/dст;
- оптимальное соотношение, Dк/Dл;
- угол наклона лопаток к плоскости перпендикулярной оси ротора рл на среднеквадратичном диаметре ротора
Д2 = (12)
позволили значительно снизить влияние вязкости на градуировочную характеристику геликоидальных ТПР, которые еще называют мультивязкостными.
Это позволило расширить область применения геликоидальных ТПР для жидкостей с вязкостью до 200 мм2/с (сСт).
Для уменьшения погрешности измерения объемов с помощью ТПР используются микропроцессорные вторичные приборы (вычислительно-измерительные контроллеры) в программное обеспечение которых вводится индивидуальная градуировочная характеристика. Таким образом обеспечивается погрешность измерения объема измерительным комплектом с многолопастными ТПР ±0,15% в диапазоне расходов 1:10 для жидкостей с вязкостью, близкой к вязкости воды. В суженном диапазоне расходов, что требуется в большинстве случаев, такой погрешности удается достичь и для жидкостей с вязкостью до 40-50мм2/с (для ТПР dу=50 мм и выше).
При использовании в качестве первичных преобразователей расхода геликоидных (мультивязкостных) ТПР с измерительно-вычислительным контроллером можно получить основную относительную погрешность измерения объемов более вязких жидкостей (до 200мм2/с) в суженном диапазоне измерений ±0,15%, если отградуировать геликоидальный
ТПР не менее чем на трех жидкостях с разной вязкостью и рассчитать универсальную гра-дуировочную характеристику вида:
К--
/18-I V;
Введя данную функцию в память измерительно-вычислительного контроллера, получим измерительный комплекс с коррекцией по вязкости измеряемой жидкости.
Если в качестве измерительно-вычислительного контроллера использовать систему измерения массы и объема нефтепродуктов «СИМОН-1», в состав которого входят:
- компьютер (ПЭВМ);
- программно-технический комплекс (ПТК) на базе модулей семейства АДАМ 4000 или 1-7000 или NL;
- блок питания (БП);
- датчик объемного расхода (ДОР) - муль-тивязкостный ТПР;
- плотномер типа ПЛОТ-3М;
- датчик температуры;
- барьеры искрозащиты;
- устройство отображения информации Т0ПАЗ-106 (при необходимости),
то обеспечивается измерение не только объема, но и массы нефтепродукта с относительной (основной) погрешностью измерения ±0,25%.
Практические результаты 15-летней эксплуатации турбинных расходомеров с многолопастными ТПР в нефтяной, нефтехимической и химической промышленности на жидкостях с вязкостью до 50сСт и с гели-коидными ТПР на жидкостях с вязкостью до 200сСт по отзывам потребителей полностью подтвердили высокую точность измерений и стабильность метрологических характеристик выпускаемых ООО «ЕНХА» турбинных расходомеров-счетчиков, а также их высокую надежность и долговечность. ■
КАЛУГИН А. П. гл. специалист ООО «ЕНХА»
EHXR
308023, г. Белгород, ул. Студенческая, 16 т. (4722) 264492, 264246
268440 enha@belnet.ru www.enha.ru
ЕНХА ООО
EHXR
ЗОЕ023, г. Белгород, ул, Студенческая, 16 Т. (4722) £64492, 264246, 268440 anha@belnet.ru www.enha.ru
ООО 'ЕНХА. г. Белгород совместно с фирмой ЭнергоинвесТ' г. Сараево с 1Э89 года произведет для неф' тяной, химической, нефтехимической, газовой и других отраслей промышленности:
- турбинные расходомера жидкости типа РТР и Р^, а также мультиеяэяоетные расходомеры типа РТР-Н для измерения объемного расхода и объема различных жидкостей I нефть, нефтепродукты и коррозионные жк(дкости) с кинема-тичеекйй вчзкостъго до 200 сСт (200x1 Об л! се«) на расходы, в зависимости от типоразмера от 0,5 мЗ Час до 12ЮОм час, на давление до 20,0 МПа с предела ми допускаемой основной погрешности ±0,15%, е любой строительный размер;
- системы налива и дозирования на базе вышеуказанных расходомеров с погрешностью измерения по объему +.0,1по массе ±0.2Ъ%\
- турбинные расходомеры-счетчики гага
типа ТРСГ-14РГА для измерения с приведением к стандартным условиям объемного расхода и объема одно-и многокомпонентных газов (природный газ, воздух, азот, инертные газы}, кроме кислорода на расходы в рабочих условиях, в зависимости от типоразмера, от Юм' час до 1600 м час, с погрешностью l^i.в диапазоне объемных расходов от 5% О. ДО 100% О на давление до 1,6 МПа;
- универсальные ремкомплекты для турбинных преобразователей расхода других производителей.
По требованию заказчика приборы комплекту югея струе-вырs м и т е л я ми, ответными фл.^ниами шпилъкэм*. гайками и прокладками пленяется гибкая система скадо*.
