CC BY
33МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ РАСХОДА ДВИЖУЩИХСЯ ЖИДКОСТЕЙ Нужненко С.А.1, Даниленко Т.Н.2
1
2
1Нужненко Сергей Александрович - студент, кафедра автоматизации технологических процессов и производств нефтегазового комплекса; 2Даниленко Татьяна Николаевна - кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра автоматизации и математического моделирования в нефтегазовом комплексе Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: в статье приведен анализ методов и средств измерений расхода жидких и газообразных сред. В ходе анализа существующих методов и технических средств обоснован выбор наиболее перспективного и точного метода контроля расхода движущихся жидкостей.
Ключевые слова: расход, давление, система, расходомеры, методы анализа, измерения.
Расходомер, как видно из названия — устройство, предназначенное для измерения расхода какого-либо вещества — как правило, жидкости или газа. Если имеется канал диаметром d и по нему со средней скоростью перемещается жидкость или газ, то расходом является величина:
где А= пй2/4 - площадь поперечного сечения канала.
Следует сразу отметить, что вещества, расход которых необходимо измерить, могут быть сжимаемыми (газ) или несжимаемыми (жидкость), и методики измерения расхода в обоих случаях имеют свои особенности.
Независимо от типа используемого устройства определения расхода вещества является довольно сложной комплексной задачей, при решении которой приходится учитывать множество факторов, таких как:
- физические характеристики исследуемой среды.
- физические характеристики окружающей среды.
- форма канала и свойства материала, из которого он изготовлен.
К каждому датчику, как правило, прилагается набор документов, описывающих технические параметры прибора, его ограничения и рекомендации по эксплуатации.
Среди довольно большого разнообразия расходомеров по принципу
действия можно выделить следующие основные группы:
- турбинные и шариковые расходомеры;
- вихревые расходомеры;
- ультразвуковые расходомеры;
- электромагнитные расходомеры;
- микро расходомеры;
- кориолисовые расходомеры;
- расходомеры с мишенями;
- детекторы изменения скорости потока.
Рассмотрим основные виды расходомеров. Одними из первых появились турбинные расходомеры. Преимуществами крыльчатых и турбинных расходомеров являются их сравнительная простота, отсутствие электронных устройств в конструкции расходомеров, менее жесткие требования к наличию прямых участков измерительных трубопроводов. [1] Однако крыльчатым, турбинным и шариковым расходомерам присущи следующие серьезные недостатки:
- вероятность засорения опорных подшипников осей турбин, что требует особой конструкции этих подшипников (невозможно выполнить для всех
- вероятность отложения загрязнений на лопастях турбин (крыльчатках), особенно при работе в загрязненных средах природного газа и в насыщенной известью воде;
- сильная зависимость показаний величины расходов газов от величины избыточного давления в измерительном трубопроводе, что требует установки
перед такими счетчиками систем поддержания постоянного давления;
- необходимость применения электронных вычислителей-корректоров в средах с переменной температурой, плотностью и давлением, что сильно удорожает систему;
- трудность съема показаний с механического счетчика при интеграции приборов в систему АСУ ТП.
Единственной областью применения, где с ними на сегодня еще не могут конкурировать другие расходомеры, является учет холодной и горячей воды в жилищно-бытовом секторе.
Принцип действия расходомеров переменного перепада давления основывается на том, что при протекании потока через сужающее устройство скорость его повышается по сравнению со скоростью до сужения, а статическое давление падает. По измеренным температуре и избыточному давлению определяется плотность среды. Зная диаметр трубопровода, плотность среды и перепад давления, можно определить мгновенную скорость потока, которая через известную площадь поперечного сечения трубопровода пересчитывается в объемный расход. Для реализации этого метода используются стандартные сужающие устройства - диафрагмы, сопла и трубы Вентури. Величина расхода определяется в соответствии с выражением:
где в - коэффициент пропорциональности; D - внутренний диаметр трубопровода;
Р - величина перепада давления. Как и для многих других расходомеров, применение этого метода требует выполнения комплекса определенных условий:
- фазовое состояние потока не должно изменяться при прохождении сужающего устройства (к примеру, пар после прохождении диафрагмы не должен конденсироваться, вода вскипать);
- поток до и после сужения должен быть ламинарным, что требует значительных длин прямых участков до и после сужающих устройств, особенно после местных сопротивлений (насосы, клапаны);
- загрязнение среды не должно превышать предельных значений.
Принцип действия электромагнитных расходомеров базируется на законе электромагнитной индукции Фарадея. В соответствии с ним в электро-проводящей жидкости, пересекающей магнитное поле, индуцируется электродвижущая сила, пропорциональная скорости движения жидкости. Конструктивно электромагнитные расходомеры выпускаются двух типов: для заполненных и частично заполненных трубопроводов. И в том, и в другом случае электропроводящая среда протекает в круглом трубопроводе, в котором создается магнитное поле с силовыми линиями, перпендикулярными направлению потока. В полностью заполненных трубопроводах индуцированное в рабочей среде напряжение снимается одной парой диаметрально установленных электродов. В частично заполненных трубопроводах индуцированное в рабочей среде напряжение снимается несколькими парами электродов, установленных на хордах, поэтому при опускании уровня жидкости всегда оказываются задействованными несколько пар электродов.
сред);
Достоинствами электромагнитных расходомеров являются:
- идентичность показаний величины расхода в полностью заполненных трубопроводах как для турбулентного, так и для ламинарного потоков;
- независимость показаний от вязкости и плотности среды;
- возможность реализации метода для очень больших диаметров трубопроводов и отсутствие при этом дополнительного динамического сопротивления;
- работоспособность при высоких давлениях среды - вплоть до 100 МПа. К недостаткам следует отнести:
- невозможность использования расходомеров для непроводящих жидкостей (углеводороды, аммиак, кислоты и др.);
- наличие дополнительной погрешности от величины электропроводности жидкости, что вообще невозможно учесть в практике измерений, так как электропроводность среды (например, сетевой воды) может изменяться в течение года в десятки раз;
- возможность отложения магнетита на стенках измерительного трубопровода расходомера и значительное увеличение погрешности при наличии окислов железа в воде;
- необходимость разрезки трубопровода, приварки фланцев и установки измерительного трубопровода, что часто невыполнимо.
Одними из наиболее распространенных приборов измерения расхода и количества жидкостей, и газов являются расходомеры и счетчики с ультразвуковыми первичными преобразователями. Ультразвуковые расходомеры (УЗР) имеют ряд важных преимуществ:
- позволяют измерять расход с высокой точностью в широком динамическом диапазоне;
- не создают потери напора за счет отсутствия элементов прибора в измерительном канале;
- не влияют на гидродинамику потока;
- обладают повышенной надежностью за счет отсутствия подвижных элементов;
- обеспечивают возможность измерения расхода нефтепродуктов, агрессивных, неэлектропроводных, непрозрачных и неоднородных жидкостей (суспензий, пульп), в том числе многокомпонентных сред;
- низкое энергопотребление;
- предоставляют возможность имитационной поверки без демонтажа первичного преобразователя;
- предоставляют возможность монтажа без остановки технологического процесса (для накладных приборов);
- сохраняют технико-эксплуатационных характеристики во времени.
Кроме того, УЗР обладают высоким быстродействием и стабильностью метрологических характеристик (за исключением трубопроводов с малыми диаметрами), а линейная зависимость исходного сигнала от расхода и электронный выход определяют удобство применения этих расходомеров в системах автоматического управления и регулирования. [2-4]
Как показывает уже имеющийся опыт, наиболее информативными являются измерение расхода жидких и газообразных сред на основе пьезоэлектрических преобразователей. Метод измерения ультразвуковыми расходомерами основывается на соотношении скоростей распространения акустических колебаний в неподвижной среде и самой среды. Многообразие параметров, которые зависят от скорости измеряемой среды, и предопределило большое количество способов измерения задержки прохождения сигнала от излучателя к приемнику и обратно. С дальнейшим развитием расходомеров данного типа преимущество предоставляется тем приборам,
метрологические характеристики которых не зависят от условий эксплуатации — температуры, давления, концентрации примесей, и т.п.
В настоящее время известны три метода измерения расхода вещества с помощью ультразвука. Метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных за потоком и против него. Ультразвуковые колебания перемещаются подвижной средой. Поверхностью отражения для импульса зондирования является естественная внутренняя поверхность трубопровода или специальный экран непосредственно в измеряемой среде. При этом средняя скорость измеренной среды может определяться на основании эффекта сноса ультразвукового колебания подвижной средой и изменения времени прохождения луча как векторная разность скоростей ультразвуковых колебаний по направлению движения измерительной среды и против нее.
Измерительные схемы основаны на измерении разности времен, сдвига фаз, разности частот прохождения ультразвуковых сигналов, обусловленных скоростью потока:
_ 2М1В Т ~ с2- (бш^Е)2'
где Q - расход; В^е, р, д, ^ Р, е, D) — функция, зависящая от параметров измеряемой среды и параметров трубопровода; L - путь ультразвукового луча; Re -число Рейнольдса измеряемой среды; р - плотность измеряемой среды; д - вязкость измеряемой среды; t - температура измеряемой среды;
Р - давление измеряемой среды; е - шероховатость трубопровода; D - диаметр трубопровода; с - скорость ультразвука в измеряемой среде; в - угол ввода ультразвукового луча относительно вертикали. Второй метод, основанный на геометрическом сносе ультразвуковой волны (с лучом перпендикулярным к потоку), обусловленном движением потока вещества. Ультразвуковые волны излучаются в измеряемую среду по нормали к направлению движения потока. Два приемных пьезоэлемента устанавливаются рядом таким образом, что при недвижном измеряемом потоке интенсивности колебаний, принятых каждым пьезоэлементом, равны.
При движении измеряемого потока ультразвуковые волны распространяются в направлении потока, при этом интенсивность ультразвуковых колебаний на приемных пьезоэлементах разная. Измеренная разность сигналов на приемных пьезоэлементах является мерой расхода потока вещества. Метод применим для измерения в трубопроводах больших диаметров и при больших скоростях потоков. По своей сути данный метод отличается от описанного выше тем, что измеряется не время, а геометрический снос луча.
Третий метод, основанный на доплеровском сдвиге частоты ультразвукового сигнала, отраженного от частиц измеряемого потока. Передающий пьезоэлемент излучает гармонический ультразвуковой сигнал в измеряемую среду. Приемный пьезоэлемент воспринимает отраженный от неоднородностей потока, имеющий доплеровский сдвиг частот, сигнал. Мерой расхода является доплеровская разность частот излучаемого и отраженного сигналов:
— со5а2^Е> Гд = С '
где ^ - исходная частота ультразвуковых колебаний; а! - угол между вектором скорости частицы отражателя и направлением исходного луча; а2 - угол между вектором скорости частицы отражателя и направлением отраженного луча; С -скорость ультразвука.
Для высокоточных измерений расхода целесообразно применять метод, основанный на разности времен распространения ультразвуковых волн, направленных по потоку и против него. Вследствие небольшой чувствительности,
крутизны градуированной характеристики невозможно получить высокую точность измерений методом геометрического сноса ультразвуковой волны. Доплеровский метод наиболее широко применяется для измерения локальных скоростей, а в области измерения расхода имеет ограниченные возможности.
Такое обилие и разнообразие конструкций и схем УЗР вызвано постоянным совершенствованием ультразвукового метода, как наиболее перспективного метода измерения расхода и количества вещества. Те или иные конструкции специально создавались для определенных условий. Так, например, накладные УЗР просто незаменимы в случаях, когда необходимо проводить учет энергоносителя без остановки технологического процесса. А многоканальные УЗР характеризуются высокой точностью измерения, но при этом имеют большую стоимость.
Список литературы
1. Тросников Дмитрий, Жук Владимир. Расходомеры: принципы работы и опыт эксплуатации // Энергетика и Тэк, 2008. № 5(62).
2. Лобачев П.В., Шевелев Ф.А. Измерение расхода жидкостей и газов в системах водоснабжения и канализации. М.: Стройиздат, 1985. 424.
3. Киясбейли А.Ш., Измайлов А.М., Гуревич В.М.Частотно-временные ультразвуковые расходомеры и счетчики. М.: Машиностроение, 1984. 128 с.
4. Коробко И.В., Гришанова И.А., Писарец А.В., Кузьменко П.К. Использование приборов коммерческого учёта на Украине // Энергосбережение (Москва), 2005. №3. С. 36-40.
ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СРЕДЫ В ВАКУУМНОМ
ДЕГАЗАЦИОННОМ ТРУБОПРОВОДЕ 12 Нужненко С.А. , Герасименко Е.Ю.
1Нужненко Сергей Александрович - студент, кафедра автоматизации технологических процессов и производств нефтегазового комплекса;
2Герасименко Евгений Юрьевич - кандидат технических наук, доцент, кафедра автоматизации и математического моделирования в нефтегазовом комплексе, Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону
Аннотация: в статье рассмотрены особенности изменения динамической и кинематической вязкости аэродисперсных систем на участках дегазационного трубопровода в зависимости от массовой концентрации твердой фазы. Ключевые слова: трубопровод, скорость движения, вакуумная дегазация.
При разработке месторождений на больших глубинах в сложных горногеологических условиях актуальным вопросом является совершенствование технологий и технических средств дегазации, а также проведение необходимых дегазационных мероприятий для обеспечения безопасных условий труда.
Эффективность функционирования дегазационной системы зависит от сложности газопроводной сети, мощности вакуум-насосов, числа подсоединенных к трубопроводу дегазационных скважин, величины расхода газа и влаги из дегазационных скважин, а также технического состояния трубопровода. В процессе развития горных работ увеличивается число последовательных соединений участковых трубопроводов и возрастает их суммарное гидравлическое сопротивление. По этой причине прокладывают дополнительные параллельные
