CC BY
39
УДК 681.121.04
С.М. РУДАК
Науково-дослщний i проектний шститут ПАТ «Укрнафта», м. 1вано-Франювськ
С.1. МЕЛЬНИЧУК
Iвано-Франкiвський нацiональний технiчний ушверситет нафти i газу
ОСОБЛИВОСТ1 ЗАСТОСУВАННЯ ПЕРВИННИХ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В У 1НФОРМАЦ1ЙНО-ВИМ1РЮВАЛЬНИХ СИСТЕМАХ ВИТРАТИ ГАЗУ
У poôomi проведено nopieHMMbHuû анал1з експлуатацшних та метрологiчних характеристик перетворювачiв, що знайшли найбшьше розповсюдження на об'ектах нафтово'1' та газово! npoMu^oeocmi, як iнформcцiйних джерел витрати вимiрювcльного середовища, визначено ïxhî переваги та недолiки. Крм того, обтрунтовано необхiднiсть подальшого вдосконалення наявних i розробки нових перетворювcчiв з використанням сучасних iнформацiйних технологш опрацювання вимiрювальних сигналiв.
Ключовi слова: iнформацiйно-вимiрювальна система, витрата, перетворювач, характеристики, середовище, сигнал.
S.M. RUDAK
Scientific Research and Design Institute Pjsc «Ukrnafta», Ivano-Frankivsk
S.I. MELNYCHUK
Ivano-Frankivsk National Technical University of Oil And Gas
OF FEATURE OF APPLICATION OF PRIMARY TRANSFORMERS IN INFORMATIVELY INSTRUMENTATION SYSTEMS OF GAS EXPENSE
Abstract
The comparative operating and metrology descriptions analysis of transformers which found most distribution on the objects of oil and gas industry is conducted in this work, as informative sources of measuring environment expense, certainly their advantages and failings. In addition, subsequent perfection grounded necessity of present and development of new transformers with the modern information technologies use of measuring signals working.
Keywords: informatively instrumentation system, expense, transformer, descriptions, environment,
signal.
Постановка проблеми
Одним з важливих фактор1в, який визначае експлуатацшш та метролопчш характеристики шформацшно-вим1рювальних систем витрати газу, е шформатившсть перетворювача витрати вим1рювального середовища, що у свою чергу визначаеться вибором шформацшно1 складово1 вим1рювального сигналу та методом його опрацювання. Найчаспше сучасш компоненти шформацшно-вим1рювальних систем використовують так складов! сигналу як амплпуду, частоту та фазу, а також ïx комбшацц, що обумовлюеться ввдносною простотою i, як наслвдок, низькою вартютю при реал1заци апаратного та програмного забезпечення згаданих компоненпв системи.
Традицшно, перетворювач1 витрати чи об'ему вим1рювального середовища реал1зують трансформацш змши ф1зичних величин у вщповщну зм1ну амплиуди електричного сигналу з подальшим опрацюванням в обчислювачах, коректорах тощо [1]. Зокрема, робота переважноï бшьшосп комерцшних вузл1в обл1ку газу, яш експлуатуються на об'ектах ПАТ «Укрнафта», грунтуеться на реалiзацiï методу змшного перепаду тиску з використанням стандартних звужувальних пристро1в -д1афрагм та подальшим опрацюванням вим1рювальних сигнал1в в обчислювач1 типу Ушверсал-01. Проте такий тдхвд до вим1рювання пор1вняно часто призводить до суттевих ускладнень, що викликаш неоднорвдшстю вим1рювального середовища (наявшстю рщких фаз у газовому фактор^, вмютом мехашчних домшок i, ввдповщно, налипанш ïx на звужувальних пристроях та на стшках шльцевих камер.
Аналiз останшх досл1джень i публшацш
Сучасна промисловють ставить нов1 вимоги щодо якосп, надшносп та точносп засоб1в обл1ку енергоносiïв. Це зумовлюе необхщшсть проведення штенсивних дослщжень в обласл реал1зац11 сенсорних компоненпв первинних перетворювач1в з покращеними метролопчними та експлуатацшними характеристиками, як1 грунтуються на використанш сучасних методолопчних та техшчних ршень при перетворенш та опрацюванш вим1рювально1' шформацп. Кр1м того, останшм часом грунтовно проводяться дослщження по вдосконаленню наявних метод1в вим1рювання i опрацювання даних з метою мш1м1заци експлуатацiйниx затрат та покращення метрологiчниx характеристик перетворювачiв витрати [1, 2].
Формулювання мети дослщження
Основною метою статп е проведения порiвняльного аналiзу експлуатацiйних та метролопчних характеристик методiв та перетворювачiв, реалiзованих на !х основi, як шформацшних джерел витрати вимiрювального середовища в iнформацiйно-вимiрювальниx системах з метою подальшого вдосконаленння наявних та розробки нових методiв та вiдповiдно засобiв, зокрема перспективи застосування перетворювачiв за ентропшними характеристиками шумiв завихреного потоку газу.
Виклад основного матер1алу дослвдження
Однi з найпоширенiшиx перетворювачiв швидкосп потоку газових середовищ, що встановлюються на об'ектах нафтогазово! промисловостi, - це засоби, у яких джерелом шформаци про вимiрювальний параметр е перепад тиску [1], що створюеться стандартним звужуючим пристроем (дiафрагмою, соплом тощо). 1дея методу полягае в тому, що при проходженш потоку через звужуючий пристрiй (рис. 1) ввдбуваеться змiна його потенщально! енергп, частина яко! внаслвдок мiсцевого стиснення потоку i вiдповiдного збiльшення швидкосп перетворюеться в к1нетичну [1, 2]. Змша потенщально! енергп' призводить до появи рiзницi статичних тисков (перепаду тиску), яка перетворюеться дифманометром у ввдповщш змiни амплiтуди електричного сигналу. Широке використання згаданого методу пов'язане з рядом властивих йому переваг: простоти i надiйностi, вiдсутностi конструктивних частин, що рухаються, легкостi сершного виготовлення засобiв вимiрювання для широкого дiапазону тисков i температур вимiрювального середовища, низько! вартостi та можливосп застосування без iндивiдуального градуювання. До недолЫв можна вiднести обмежений дiапазон теxнiчниx засобiв, який не перевищуе 15:1. Крiм того, наявнiсть мехашчних домiшок у вимiрювальному середовищi, !х налипання на звужуючому пристро!, часто призводять до спотворення його геометричних розмiрiв, що у свою чергу погiршуе адекватнiсть i точнiсть перетворення вимiрювально! шформаци [2].
Як приклад промислово! реалiзацi! перетворювача такого типу можна розглянути Rosemount 3051 SFC (виробник - фiрма Fisher Rosemount, США) [3] (рис. 1), що складаеться з компактно! стабшзуючо! дiафрагми Rosemount 405 С з чотирма отворами, розмiщеними симетрично вщносно осi трубопроводу та перетворювача перепаду тиску Rosemount 3051 S.
Р1зниця ТИСЮВ ^
Рис. 1. Перетворювач ф1зичноТ величини (перепаду тиску) в електричний сигнал: а) схема; б) загальний вигляд перетворювача Rosemount 3051 SFC
Вимiрювальне середовище, проходячи через отвори, перемiшуeться, що забезпечуе усереднення швидкостi потоку i, як наслщок, досягаеться зменшення флуктуацш тисшв (до та пiсля тiла обтжання), рiзниця яких трансформуеться у вщповщш значения амплiтуди вимiрювального сигналу, що дозволяе покращити точнiсть вимiрюваиия [1, 3].
1ншими пристроями, що порiвняно часто використовуються у промисловостi, е перетворювач^ у яких джерело шформаци про вимiрювальний параметр - частота утворення вихрiв за тiлом обтжання, яка перетворюеться у вiдповiднi коливання амплiтуди електричного сигналу [4].
Принцип ди таких засобiв грунтуеться на тому, що тiло, яке знаходиться на шляху руху потоку (рис. 2), змiнюе його напрям i збiльшуе швидк1сть потоку за рахунок зменшення тиску. За мвделевим перерiзом тiла обтiкання вiдбуваеться зворотнiй процес: зменшення швидкостi i збiльшення тиску [4-6, 9]. Одночасно з цим, перед тшом створюеться тдвищений, а позаду понижений тиск середовища. Потж, що обтiкае тiло, проходить мщелевий перерiз i пiд впливом пониженого тиску за тшом, змшюючи напрям потоку, утворюе вихр^ Це вшбуваеться у верхнiй i у нижнш частинах тiла обтiкання, у результата чого створюеться вихрова дор1жка Кармана, частота утворення вихрiв у якш пропорцiйна до швидкостi потоку ^ вiдповiдно, витратi [4].
Перевагами перетворювачiв такого типу е вiдсутнiсть рухомих частин, надшшсть та простота виконання, незалежиiсть показiв вiд тиску та температури [4]. До недолЫв слiд вiднести наявнiсть втрат тиску, що сягають 30-50 кПа, обмеження умовних дiаметрiв трубопроводу вщ 25 мм до 150-300 мм. Крiм того, згадаш пристро! не придатш для вимiрювання при малих швидкостях середовища, коли Яе < 103 ^ 104. Як i для перетворювачiв змiиного перепаду тиску, вихороутворюючий елемент забруднюеться, зазнае корозп та ерози, проте такий вплив не призводить до суттево! змiни !х
експлуатацшних та метролопчних характеристик [4]. Крiм того, у вихрових витратомiрах застосовуються формувачi вимiрювального сигналу призматично!, прямокутно!, трикутно! та трапецевидно! форми, що створюють сильш перiодичнi пульсацп тиску, хоч i призводять до значних його втрат [5].
Частота утворення вихр1в
Рис. 2. Перетворювач фiзичноT величини (перюдичних пульсацiй тиску)
в електричний сигнал: а) схема; б) загальний вигляд вихрового витратомiра OPTIWIRL 4070
Прикладом реалiзацi! згаданих пристро!в може бути OPTIWIRL 4070 (виробник - фiрма КROHNE, Нiмеччина) [6] (рис. 2). Перюдичш пульсацп тиску потоку в такому перетворювачi трансформуються у коливання напруги електричного сигналу з подальшим опрацюванням змiни частоти коливань, за якою розраховуеться швидкiсть перемiщення вимiрювального середовища. Крiм того, у пристро! реалiзований компенсатор по тиску та температурь
1ншим варiантом перетворювачiв, чутливi елементи яких контактують iз середовищем, але не мають рухомих мехашчних частин, е акустичнi ультразвуковi перетворювач^ Згаданi пристро! грунтуються на визначенш швидкостi ультразвукових коливань, яка змiнюеться при перемiщеннi вимiрювального середовища. Використовуються рiзнi способи формування ультразвукових вимiрювальних сигналiв, зокрема за потоком, проти потоку та поперечне поширення контрольованого впливу замiрною дiлянкою [1, 7]. Найб№ше розповсюдження отримали засоби, що грунтуються на визначенш рiзницi часу проходження ультразвукових коливань за потоком та проти нього. При цьому, встановлення формувачiв ультразвукових коливань один навпроти одного можливе i паралельно, i шд кутом не рiвним 1800 (рис. 3), що найбшьш притаманно для промислових реалiзацiй.
Рiзниця частот повторения електричних iмпульсiв
а)
Рис. 3. Перетворювач фiзичноl величини ^знищ частот iмпульсiв) в електричний сигнал: а) схема; а) загальний вигляд ультразвукового витратомiра FLOWSIK
До переваг ультразвукових перетворювачiв можна вщнести: збереження техшко-експлуатацiйних характеристик у чай, високу точшсть вимiрювания у широкому динамiчному дiапазонi, вiдсутнiсть рухливих i виступаючих у потiк конструктивних елементiв, вiдсутнiсть втрат тиску, незалежшсть показiв ввд змiни електропровiдностi середовища, можливють просто! iмiтацiйно!' перевiрки без демонтажу перетворювача iз трубопроводу [8].
Основними труднощами практично! реалiзацi!' 1ВС на основi ультразвукових перетворювачiв е втрата вимiрювального сигналу за наявносп несиметричних профiлiв змiни швидкостi при малих числах Re, необхiднiсть постшного контролю фiзико-хiмiчних властивостей вимiрювального середовища тощо.
Одним iз прикладiв реалiзацi! таких перетворювачiв може бути FLOWSIC 600 (виробник - фiрма SICK/MAIHAK, Нiмеччина), що працюе при великих атмосферних тисках. Завдяки застосуванню спещальних матерiалiв, перетворювач використовуеться для контролю потоков з високою динамiкою змши швидкостi, а також забезпечуе адекватне перетворення у широкому температурному дiапазонi [4].
Для бiльш адекватного порiвняння iнформацiйних перетворювачiв доцiльно розглянути пристро!, яш широко використовуються на сучасному виробництвi та при формуваинi еталонно! бази,
принцип до яких грунтуетъся на пропусканш фiксованого об'ему вимiрювального середовища за цикл ходу мiрного елементу [4].
Одним iз рiзновидiв перетворювачiв такого типу е камернi, як1 умовно роздшяють на три групи: без рухомих роздiлювальних елементiв, з еластичними стшками камер та з рухомими роздiлювальними елементами.
Найширше використання у промисловосп притаманне засобам з рухомими роздiлювальними елементами, зокрема роторних, якi в^^зняються один вiд одного формою та числом роторiв [9, 10]. До основних переваг згаданих засобiв слщ вiднести: широкий дiапазон вимiрювання, вщносну простоту виконання, а також практичну вiдсутнiстъ впливу характеристик вимiрювалъного середовища на точнють вимiрювання. Недолiки - створення додаткового опору на шляху протжання газового середовища, висока складшсть виготовлення рухомих чутливих елементiв (роторiв), необхiднiстъ встановлення фiлътрiв, а також 1х механiчне зношення.
Рис. 4. Перетворювач фiзичноT величини (циклiв ходу ротора) в електричний сигнал: а) схема; б) загальний вигляд роторного перетворювача ТЕМП G250
Як приклад промислового iнформацiйного перетворювача такого типу можна розглянути роторний лiчилъник газу ТЕМП G250 (виробник НВФ "Темпо", 1вано-Франк1всък, Украша) (рис. 4) [10]. Вш реалiзуе перетворення обертальних рух1в мiрного елементу у дискретнi iмпульси напруги низько! частоти (типу "контакт з нульовим потенцiалом"), к1лък1стъ яких прямо пропорцшна вимiрювалъному об'ему енергонос1я, що пройшов через лiчилъник.
1нша реалiзацiя згаданого подходу - тахометричш пристро!, турбiннi перетворювачi, у яких частина енерги потоку трансформуеться в обертальний момент осьового мiрного елементу, частота обертання якого пропорцiйна до величини витрати. Прикладом промислового перетворювача такого типу може бути ЛГ-К G400 (виробник ВАТ "Промприлад", 1вано-Франшвськ, Украша) (рис. 5).
Однiею з останшх розробок е iнформацiйнi перетворювач^ що грунтуються на струменево-акустичому принципi, основним джерелом вимiрювалъного сигналу в яких е бютабшьний струменевий елемент, охоплений колами зворотного зв'язку - струменевий автогенератор. Принцип до такого перетворювача грунтуеться на виникненнi перiодичних коливань струменя потоку, зумовлених протжанням частини вимiрювалъного середовища через струменевий автогенератор (рис. 6). Частота коливань (високочастотних пульсацш тиску) середовища перетворюеться п'езосенсором у вщповвдт коливання напруги i е пропорцiйною до об'емно! витрати.
Як приклад реалiзацil перетворювача такого типу можна розглянути перетворювач СГ-1 (виробник АТ „Релеро-Трейд", Омськ, Рос1я), [11], конструкцiя якого включае так1 вузли: протiчну частину перетворювача, що мiститъ звужуючий пристрш та струменевий автогенератор; п'езосенсори, що перетворюють пульсацш тиску в каналах зворотного зв'язку струменевого автогенератора в електричний сигнал; цифровий блок опрацювання сигналiв.
б)
Рис. 5. Перетворювач фiзичноT величини (частоти обертання турбши) в електричний сигнал: а) схема; б) загальний вигляд ЛГ-К G
В^д
-л------т----ц -
! потоку
' а)
I Частота коливання струменя
б)
Рис. 6. Перетворювач фiзичноl величини (частоти коливання потоку) в електричний сигнал а) схема; б) загальний вигляд струменевого акустичного перетворювача СГ-1
Основними перевагами таких перетворювачiв е простота монтажу, компактшсть, невелика вага, висока швидкодш, вiдсутнiсть деталей, що рухаються, гумових мембран i швидко зношуваних матерiалiв тощо. До недолiкiв слщ вiднести: значний, порiвияно з роторними перетворювачами, отр протiканню контрольованого середовища, а також дiапазон вимiрюваних витрат, що не вiдповiдае чинним в Укра!ш нормативним документам на так засоби вимiрювання.
До перспективних, з погляду простоти апаратно! реалiзацi! та невизначеносп вимiрюваиия, можна вiднести новий метод вимiрювання витрати, що грунтуеться на використаинi ентропiйних оцiнок шумiв завихреного потоку [13]. На його основi розроблено перетворювач витрати (рис. 7), принцип роботи якого полягае в тому, що неперервш акустичш коливання, яш утворюються потоком вимiрювального середовища на замiрнiй дiльницi тсля обтiкання формувача широкосмугових сигналiв, за допомогою перетворювача акустичних коливань, (монтованого безпосередньо у формувачi широкосмугових сигналiв), перетворюються в аналоговий амплiтудний електричний сигнал, роздГляеться на послiдовнi фрагменти фжсованого розмiру, за якими розраховуються оцшки ентропп, що використано як опосередкований параметр величини поточно! витрати.
Рис. 7. Перетворювач фiзичноl величини (амплггуди шумових сигналiв) в електричний сигнал: а) схема; б) загальний вигляд перетворювача витрати за ентропшними характеристиками
шумiв завихреного потоку
Цифровий перетворювач, що реалiзовано на основi запропонованого в [12, 13] методу, включае в себе шдсилювач, АЦП, цифровий фГльтр та обчислювач. Пiсля тдсилення амплiтудного акустичного сигналу, в АЦП формуються послiдовнi цифровi iнформацiйнi пакети на основi одиничних перетворень амплггуди сигналу. Далi iнформацiйнi пакети опрацьовуються у цифровому обчислювальному пристро! (ЦОП), в якому реалiзовано алгоритм смугового фiльтра - обчислення зважено! суми послщовних значень сигналу. Шсля чого здшснюеться розрахунок оцшок ентропп послщовних фрагментiв iнформацiйних сигналiв, значення яких пропорцшш до поточно! витрати контрольованого середовища. Доцшьно зазначити, що у вимiрювальному каналi сигнал е неперервним, але перетворюеться Г опрацьовуеться у цифровому представленш [13, 14].
До основних переваг перетворювача можна ваднести: низьку вартють, простоту монтажу, а також можливють використання серГйних мГкроконтролерГв для реалГзацП алгоритму опрац^вання вимГрювального сигналу. КрГм того, пристрГй допускае перемикання м1ж дГапазонами вимГрювання витрати, що грунтуеться на використанш змшно! чутливостГ сенсорного елементу. Також внесення формувача широкосмугових вимГрювальних сигналГв у потж дозволило усунути перех1дну дГлянку -ламГнарний-турбулентний режим, яка притаманна попереднГй реалГзацй' [12] системи вимГрювання.
УзагальненГ характеристики первинних перетворювачГв витрати газового середовища, що використовуються як основш при прийнятп рГшення щодо використання в експлуатацГйних умовах подано у табл. 1. Як можна побачити, для перетворювача витрати за ентропшними характеристиками шумГв завихреного потоку основш техшчш характеристики (вГдносна стандартна невизначешсть та дГапазон вимГрювання) е найменшими.
Також доцГльно зазначити, що у порГвнянш з перетворювачем витрати на основГ статистичних оцГнок шумГв, для якого було проведено ряд експериментальних дослгджень, встановлено, що мшГмальна
АмплГтуда шумових
складае 25 D за рахунок внесения у середовище формувача широкосмугових сигналiв, як основного джерела даних про витрату.
Таблиця 1
Назва засобу вимiрювання витрати Довжина прямо! дiлянки l, D Максимальна вщносна похибка ( вдаосна стандартна невизначешстъ *) вимiрювання S , % ^апазон вимiрювання
Витра'лмр змшного перепаду тиску Rosemount 3051SFC 36 0,75 1:8
Вихровий витратомiр OPTIWIRL 4070 20 2,00 1:80
Ультразвуковий витратомiр FLOWSIK 600 10 2,00 1:90
Шчильник газу роторний ТЕМП G250 3 2,00 1:160
Шчильник газу турбiнний ЛГ-К G400 5 2,00 1:32
Струменевий акустичний лiчильник СГ-1 6 2,00 1:40
Перетворювач витрати за ентропшними характеристиками шумш завихреного потоку 25 0,50 1:20, переключення мiж дiапазонами
Висновки
Отже, на основi аналiзу експлуатацiйних та метрологiчних характеристик перетворювачiв витрати, доцiльно зазначити перспектившсть подальшого вдосконалення наявних i розробки нових перетворювачiв з використанням сучасних шформацшних технологiй опралювання вимiрювальних сигналiв. Так, використання нових джерел даних про контрольований сигнал, зокрема ентрошю амплiтуд вимiрювального сигналу, дозволяе реалiзувати новий пiдхiд i, як наслвдок, покращити метрологiчнi характеристик первинних перетворювачiв, задiяти методи цифрового опрадювання ймовiрнiсноl складово! випадкових широкосмугових вимiрювальних сигналiв.
Список використаноТ лiтератури
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: справочник в 2 кн. / П.П. Кремлевский. Кн. 1 - 5-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Политехника, 2002. - 409 с.
2. Шстун £.П. Нормування витратомiрiв змшного перепаду тиску / £.П. Шстун, Л.В. Лесовой. -Львiв: ЗАТ "1нститут енергоаудиту та облшу енергоноспв", 2006. - 576 с.
3. Метран. Расходомеры Счетчики [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.metran.ru/ catalog/rs/vh.
4. Облш природного газу: довщник / М.П. Андрпшин, О.М. Карпаш, O.G. Середюк [та 1н.]; за ред. С.А. Чеховського. - 1вано-Франк1вськ: ПП "Омик", 2008. - 180 с.
5. Шорников Е.А. Расходомеры и счетчики газа, узлы учета / Е.А. Шорников. - СПб.: Политехника, 2003. - 127 с.
6. Интертех. Приборы измерения расхода и уровня. OPTISWIRL 4070. Вихревой расходомер. Руководство по монтажу и эксплуатации [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.inter-teh.com/optiswirl 4070.com.
7. Elster. Ultrasonic Flow Metering. [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://www.elster-instromet.com/en/ultrasonic flow.html.
8. Метролопя та вимiрювальна техшка: тдручник / G.C Полiщук, М.М. Дорожовець, В.О. Яцук, Т.Г. Бойко; за ред. G.C Полщука. - Львiв: Бескид Бiт, 2003. - 544 с.
9. Лiчильники газу роторш GMS [Електронний ресурс] / Режим доступу: http:// sagotrade.com.ua/ua produktion.php?action=energycount/indexgct-it-rtgms ua&show=true.
10. Лiчильники газу роторнi "ТЕМП". Керiвництво з експлуатацп. 1нструкщя з експлуатацй' ГИДЖ.441413.005 РЭ - 1вано-Франшвськ: НВФ "Темпо". - 19 с.
11. Счетчик газа бытовой [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.vgservis. ru/index.php?productID =667&PHPSESSID=a34063b68f6d72b9f486eac94c3ecce2.
12. Пашкевич О.П. Динамiчне оцiнювания статистичних характеристик шумiв газового потоку для вимiрювания витрати: дис. ... канд. техн. наук: 17.11.06 / Пашкевич Олег Петрович. - Львiв, 2006. - 167 с.
13. Пат. 95677 Украша, МПК G01F 25/00. Споаб вимiрюваиня витрати газових середовищ / Мельничук С.1., Рудак С.М.; заявники та патентовласники Мельничук С.1., Рудак С.М; заявл. 02.11.2009, опубл. 25.08.2011, Бюл. № 16.
14. Рудак С.М. Iнформацiйно-вимiрювальна система витрати газу за оцшками ентропп шумiв завихреного потоку: дис. ... канд. техн. наук: 31.01.13 / Рудак Степан Миколайович. - Тернопшь, 2013. - 195 с.
