CC BY
53Моделирование воздействия вредных факторов на работу датчиков расхода воды
Датчики расхода жидкостей и газовых сред при их эксплуатации подвержены воздействию множества вредных факторов, отрицательно влияющих на точность производимых измерений. Представлены результаты исследования совокупного влияния факторов на работу датчика переменного перепада давления
А.О. Харитонов1
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, д-р техн. наук, профессор, [email protected]
О.А. Никитина2
Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, канд. техн. наук, доцент, [email protected]
О.Д. Зидан3
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, [email protected]
атчики расхода жидкостей и газовых сред при их эксплуатации подвержены воздействию множества вредных факторов, отрицательно влияющих на точность производимых измерений. В соответствии с требованиями к монтажу диафрагм и габаритам измерительных трубопроводов, представленными в ГОСТ 8.586.2-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью сужающих устройств. Часть 2. Диафрагмы. Технические требования» [1], была принята схема фланцевого отбора давле-
Рис. 1. Схема фланцевого отбора давления [Flange pressure selection scheme]
ния воды (рис. 1) для трубопровода диаметром условного прохода Бу, равным 200 мм и длиной трубопровода L, равной 920 мм. Конструкция диафрагмы ДКС 10-200 соответствовала требованиям ГОСТ 26969-86 «Диафрагмы стандартные для расходомеров. Технические условия» [2] с диаметром отверстия d, равным 120 мм, толщиной Е, равной 6 мм, и длиной цилиндрической части отверстия I, равной 3 мм.
Использование диафрагмовых датчиков переменного перепада давления предполагает, что течение жидкости на участке измерительного трубопровода является ламинарным. Это предопределило начальные условия задачи для ее численного решения средствами приложения FLOTRAN CFD программного комплекса ANSYS, реализующего метод конечных элементов. Для постановки численного эксперимента были заимствованы данные, приведенные в работе [3]. Давление воды на входе принимали равным 2 МПа, плотность р и коэффициент вязкости ц воды при температуре t = 75 °С — равными 975 кг/м3 МПа и 0,3799х10-3 Па-с соответственно. С учетом температур-
1 профессор, Москва, Россия
2 доцент, г. Магнитогорск, Россия
3 студентка, Москва, Россия
Для цитирования: Харитонов АО., Никитина О.А., Зидан О.Д. Моделирование воздействия вредных факторов на работу датчиков расхода воды // Компетентность / Competency (Russia). — 2020. — № 6. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10602
ключевые слова
датчики, диафрагма, отложения, гидродинамические условия
Рис. 2. Конечно-элементная расчетная сетка [Finite element expense grid]
Рис. 3. Схема размещения однородных отложений [Layout of homogeneous deposits]
ной деформации расчетное значение диаметра условного прохода стального трубопровода принимали равным 200,12х10-3 м и диаметра отверстия диафрагмы — 120,11 х10-3 м. Действительный массовый расход qi принимали равным 73,43 кг/с. Область решения разбивали на элементы FLUID 141 из библиотеки программы ANSYS (рис. 2). Граничные условия формировали как ограничения по скорости на внутренних поверхностях, обтекаемых потоком воды, и заданием величины скорости воды на входе v = 2,4 м/с, соответствующей указанному расходу.
Цель численного эксперимента заключалась в исследовании влияния на характер течения притупления кромки отверстия диафрагмы и однородных отложений со стороны ее входного торца. Принималось допущение о том, что притупление кромки происходит по радиусу R, а величину отложения характеризовали высотой h (рис. 3), по аналогии с авторами работы [4].
Численный эксперимент включал девять опытов для различных сочетаний величин радиуса R{ и высоты hi. По изолиниям поля распределения давления (рис. 4) определяли перепад давления Др { на диафрагме.
Изменение гидродинамических условий течения оценивали по величине коэффициента истечения С, который рассчитывали по формуле [4]:
qm (1 -в4)0,5
ю 1 1 CD 196.784 2 □ 197.0S2 3 1—1 198.8S7
3 er, 2 4 1—1 199.134 5 1—1 200.804
5 /i 4 6Ü 1 6 M 210.606
Рис. 4. Изолинии распределения давления для R = 0 и h = 0, 104 Па [Pressure distribution isolines]
где в = 0,3 — отношение, равное d/Оу
р = 975 кг/м3 — плотность воды при температуре t = 20 °C.
Относительную величину этих изменений рассчитывали как отношение разности ДС/С0
ДС{= С - Се, (2)
где С0 — коэффициент истечения для опыта с условиями: R = 0 и h = 0.
Результаты расчетов представлены в таблице.
Анализ полученных результатов выполнили средствами программы Statistica 10 Enterprise. При этом численный эксперимент рассматривали как многофакторный, для которого варьируемыми параметрами являлись притупление кромки R и высота одно-
Таблица
Результаты численного эксперимента [Numerical experiment results]
С; =
(V 4)d 2(2pAft )0-5'
(1)
№ опыта [Test number] Притупление кромки [Blunt edge], R,, 10-3 м Высота однородных отложений [Homogeneous deposits height], h,, 10-3 м Перепад давления на диафрагме [Diaphragm pressure drop], Др, 103 Па Величина коэффициента истечения [Expiration rate], C AC/C0, %
1 0 0 40,2 0,61 0
2 0 10 85,2 0,47 -32,7
3 0 20 21,4 0,45 -26,2
4 1 0 62,7 0,55 -9,8
5 1 10 59,3 0,56 -8,1
6 0,5 10 59,3 0,56 -8,1
7 0,5 20 59,3 0,56 -8,1
8 0,5 0 86,5 0,46 -24,5
9 1 20 65,1 0,53 -21,5
АС/С, %
10
0
-10 2
-20
-30 3
h, ММ 20
2
<-161 I 3
Рис. 5. Поверхность функции отклика [Response function surface]
16
12
3 ' I ' I' J / / /
/// // / / / 2
// у Л /А
\\ А
0,2 0,4
0,6 0,8 R, мм
1,0
1,2
Рис. 6. Проекция поверхности отклика на горизонтальную плоскость [Projection of the response surface on the horizontal plane]
Статья поступила в редакцию 3.05.2020
родных отложений hi, а целевой функцией отклика служило отношение АС/ О,. При 5 % уровне значимости коэффициентов уравнение регрессии функции отклика имеет вид:
ДС/С0 = -11,99 + 10,52^ - 0,98^ -- 11,27*2 + 0,73*^ + 0,0^2. (3)
Разные знаки при квадратичных членах уравнения (3) свидетельствуют о том, что поверхностью отклика является параболический гиперболоид (рис. 5).
Координаты седловой точки этой поверхности соответствуют наибольшим допустимым значениям притупления кромки * и высоте однородных отложений h, при которых их влияние на величину коэффициента истечения будет минимальным. Для условий данного эксперимента таковыми значениями следует считать * = 0,9 10-3 м и h = 1210-3 м (рис. 6).
Выводы
Результаты опытов, выполненных в ходе численного эксперимента, позволили сделать следующие выводы:
► разработана методика количественной оценки влияния притупления кромки и высоты однородных отложений в трубопроводе на изменение коэффициента истечения при совместном их проявлении;
► определены наибольшие допустимые значения притупления кромки и высоты однородных отложений, при которых их влияние на величину коэффициента истечения будет минимальным;
► притупление кромки отверстия диафрагмы оказывает более существенное влияние на изменение коэффициента истечения, о чем свидетельствуют коэффициенты уравнения регрессии (3) при линейных и квадратичных его членах. ■
Список литературы
1. ГОСТ 8.586.2-2005. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью сужающих устройств. Часть 2. Диафрагмы. Технические требования. — М.: Стандартинформ, 2007.
2. ГОСТ 26969-86. Диафрагмы стандартные для расходомеров. Технические условия. — М.: Издательство стандартов, 1995.
3. Определение расхода сплошных сред методом переменного перепада давления: учебное пособие / В.Г. Зезин, В.А. Лазуков. — Челябинск: ЮУрГУ, 2007.
4. Р Газпром 5.7-2009. Методический материал по практическому применению ГОСТ 8.586.1-2005 — ГОСТ 8.586.5-2005. — М.: Газпром, 2010.
Kompetentnost / Competency (Russia) 6/2020 A A
ISSN 1993-8780. DOI: 10.2441 1/1993-8780-2020-10602 ПСОСпПиП I I
Modeling the Effects of Harmful Factors on the Operation of Water Flow Sensors
A.O. Kharitonov1, D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology, Prof. Dr., [email protected] O.A. Nikitina2, G.I. Nosov Magnitogorsk State Technical University, Dr. Assoc. Prof., [email protected] O.D. Zidan3, D.I. Mendeleev Russian University of Chemical Technology, [email protected]
1 Professor, Moscow, Russia
2 Associate Professor, Magnitogorsk, Russia
3 Student, Moscow, Russia
Citation: Kharitonov A.O., Nikitina O.A., Zidan O.D. Modeling the Effects of Harmful Factors on the Operation of Water Flow Sensors, Kompetentnost'/ Competency (Russia), 2020, no. 6, pp. 8-11. DOI: 10.24411/1993-8780-2020-10602
key words
sensors, diaphragm, sediments, hydrodynamic conditions
References
The flow sensors of liquids and gaseous media during their operation are subject to the influence of many harmful factors. They adversely affect the accuracy of measurements. For diaphragm flow sensors, variable differential pressures include blunting the edges of the diaphragm and uniform deposits that accumulate in front of the diaphragm in its lower part. In the given article, we have presented the results of a study of the cumulative effect on the operation of the water flow sensor of these factors. The studies included numerical simulation of the diaphragm sensor operation using the ANSYS software package. Statistical processing and analysis of the results obtained by means of the Statistica 10 Enterprise programm. A quantitative assessment of the influence of each of these factors on the value of the expiration coefficient is given.
1. GOST 8.586.2-2005 Measurement of the flow rate and amount of liquids and gases using narrowing devices. Part 2. Diaphragm. Technical requirements, Moscow, Standartinform, 2007, 44 P.
2. GOST 26969-86 Standard diaphragms for flow meters. Technical specifications, Moscow, Izdatel'stvo standartov, 1995, 22 P.
3. Zezin V.G., Lazukov V.A. Opredelenie raskhoda sploshnykh sred metodom peremennogo perepada davleniya [Determination of the flow rate of continuous media by the method of variable differential pressure], Chelyabinsk, YuUrGU, 2007, 102 P.
4. R Gazprom 5.7-2009 Methodical material on the practical application of GOST 8.586.1-2005 — GOST 8.586.5-2005, Moscow, Gazprom, 2010, 135 P.
СОБЫТИЕ
Новые стандартные образцы газопроницаемости горных пород
Специалисты Уральского НИИ метрологии - филиала ВНИИМ им Д.И. Менделеева разработали два набора новых стандартных образцов, которые улучшат метрологическое обеспечение работы предприятий нефтегазовой и горнодобывающей отраслей
Наборы имитаторов были созданы в лаборатории метрологического обеспечения наноиндустрии, спектральных методов анализа и стандартных образцов. В первом наборе — шесть типов стандартных образцов (ГСО 11496-2020/11501-2020) с различными значениями удельного электрического сопротивления. Это одна из основных характеристик для количественного изучения свойств пластов-коллекторов нефти и газа. Измеряемая величина зависит от целого ряда факторов: минерального состава породы, пористости, температуры, давления, минерализации пластовых вод, извилистости поровых каналов, соотношения воды и углеводородов в поровом пространстве. Определив удельное электрическое сопротивление, можно установить литологию пород, их структуру, а также содержание в разрезах полезных ископаемых, в том числе различных руд и углей. Во второй набор имитаторов вошли пять типов
стандартных образцов (ГСО 11546-2020/11550-2020) с различными значениями газопроницаемости. Это еще одна важнейшая характеристика в оценке горных пород предприятиями нефтегазовой отрасли. Параметр позволяет определить извлекаемые запасы углеводородного сырья, дебиты и продуктивность скважин, выбрать технологии добычи нефти и газа. Аттестованные характеристики стандартных образцов были установлены при помощи Государственного первичного эталона единиц удельной адсорбции газов, удельной поверхности, удельного объема пор, размера пор, открытой пористости и коэффициента газопроницаемости твердых веществ и материалов ГЭТ 210-2019. Эталон, утвержденный Росстандартом в 2019 году, хранится и используется в УНИИМ. Разработанные стандартные образцы предназначены для контроля точности измерений, аттестации новых методик и измерительных приборов, их калибровки и поверки, а также для других видов метрологического контроля, имеющих важность при добыче полезных ископаемых.
Пo материалам www.gost.ru
