СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ГАЗА Российский патент 2004 года по МПК G01F1/36 B65B31/00 

Изобретение относится к технике измерения расхода газовой среды, в частности природного газа.

Известны достаточно точные способы измерения расхода природного газа, основанные на приведении во вращательное движение турбины измерительного прибора, установленного в разрыве транспортирующего газопровода, и соответствующем преобразовании совершенного числа оборотов турбины в расход (см. , например, "J.B.Rombach Gas Measurment and Control. Handbuch", Schlumberger Industries, Karlsruhe, May, 1994, стр. 140-147). Точность измерения расхода природного газа составляет по данным указанного справочника 2% в области, где расход не превышает 20% от номинальной для данного типа турбинного измерителя величины, и 1% в остальной области (до 100% нагрузки). Недостатки данного способа измерения расхода газа состоят в ограничении по абсолютному давлению (при использовании способа для измерения расхода природного газа - не более 100 бар), сложности реализующего способ измерительного прибора и его высокой стоимости.

Известен способ измерения расхода и количества жидкостей и газов расходомерами переменного перепада давления с применением сужающих устройств, носящий название метода переменного перепада давления (см., например, ГОСТ 8.563.1-97 "Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия.". Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, Минск, 1998 г.).

Принцип метода состоит в том, что измерительный трубопровод, по которому протекает среда, снабжают сужающим устройством. Из-за повышения скорости среды в суженном сечении статическое давление в нем становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений тем больше, чем больше расход протекающей среды и, следовательно, она может служить мерой расхода.

Разность давлений может быть непосредственно измерена дифференциальными манометрами или вычислена из непосредственных замеров давления до сужающего устройства и в его узкой части (см., например, SU 1317402 А1, 15.06.87, Бюл. 22). Преобразование разности давлений в расход осуществляют путем расчета с использованием известных соотношений термодинамики и гидродинамики. При этом неизбежно предположение о протекающем в сужающем устройстве процессе изменения состояния газа с соответствующими этому процессу закономерностями (при использовании метода переменного перепада давления для несжимаемой среды - жидкости расчет в значительной мере упрощается). Сужающее устройство, создающее перепад давления, может иметь различное конструктивное исполнение, в частности, может быть выполнено в виде расходомерной трубы, имеющей конфигурацию трубы Вентури (см., например, П.П. Кремлевский "Расходомеры и счетчики количества". Справочник. Издание 4-е, Л., изд. "Машиностроение", Л.О., 1989 г., стр. 10-13, 68-73).

Недостатки данного способа измерения расхода газа при одновременной простоте конструкции измерителя состоят в недостаточной точности и существенных ограничениях области использования. Согласно имеющимся данным, предельная приведенная погрешность способа с использованием расходомеров с сужающими устройствами редко бывает меньше 2% (см. , например, П. П.Кремлевский "Расходомеры и счетчики количества". Справочник. Издание 4-е, Л., Изд. "Машиностроение", Л. О., 1989 г., стр. 16). Минимальный диаметр транспортирующего трубопровода при использовании метода переменного перепада давления с применением классической трубы Вентури с обработанной входной конической частью (вариант, определяющий наименьший размер измерительного трубопровода) составляет не менее 50 мм при соответствующей минимальной величине диаметра наиболее узкой части (горловины) - 20 мм (см. ГОСТ 8.563.1-97 "Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия.". Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, Минск, 1998 г., пункты 10.1.1.1-10.1.1.3). Указанные выше недостатки являются непосредственным следствием основного недостатка, присущего методу переменного перепада давления и состоящего в том, что на сегодня расчет проводят, полагая процесс изменения состояния газа в сужающем устройстве адиабатическим и обратимым, т.е. изоэнтропийным (см. ГОСТ 8.563.1-97 "Диафрагмы, сопла ИСА 1932 и трубы Вентури, установленные в заполненных трубопроводах круглого сечения. Технические условия. ", Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации, Минск, 1998 г., пункт 3.3).

Наиболее близким к настоящему изобретению является способ измерения расхода и количества жидкостей и газов с применением преобразователя в виде сужающегося сопла (см., например, М.П. Вукалович и И.И. Новиков "Техническая термодинамика", М. , Изд. "Энергия", 1968 г., стр. 276-278). К преобразователям этого типа относятся расходомерные трубы. В данном способе проводят измерение температуры и давления газа перед сужающим устройством и температуры или давления в наиболее узком его сечении. Учитывая, что реальный процесс носит адиабатический и необратимый характер, расчет расхода проводят на основании закономерностей процесса необратимого адиабатического течения газа с использованием системы уравнений, включающей уравнение сохранения энергии, неразрывности потока, состояния газа и термодинамическое тождество.

Основной недостаток данного способа состоит в том, что в расчете для определения скорости в наиболее узком сечении также принимают процесс изменения состояния реального газа адиабатическим и изоэнтропийным. Для учета необратимости процесса используют эмпирически устанавливаемый коэффициент скорости, являющийся отношением скорости в действительном адиабатическом процессе к скорости в идеальном (т.е. протекающем без трения, а следовательно, изоэнтропическом) процессе. Следствием этого является снижение точности определения расхода.

Технический результат настоящего изобретения состоит в расширении области использования способа определения расхода газа с применением сужающих устройств и повышении точности измерения расхода газа.

Указанный технический результат достигают за счет того, что в способе определения расхода газа с использованием преобразователя в виде расходомерной трубы, включающем измерение давления и температуры до преобразователя, давления или температуры в наиболее узком его сечении и вычисление расхода на основании закономерностей процесса необратимого адиабатического течения газа с использованием системы уравнений, включающей уравнения сохранения энергии, неразрывности потока, состояния газа и термодинамическое тождество, для проведения итерационного процесса вычисления задают величину расхода, в ходе вычислений осуществляют пошаговое интегрирование для определения расчетной величины давления или температуры в наиболее узком сечении преобразователя, при этом на каждом шаге интегрирования процесс течения газа, проходящий между двумя сечениями по длине преобразователя от входного до наиболее узкого сечения, разбивают на изоэнтропийный и изоэнтальпийный процессы, изменение энтропии в ходе изоэнтальпийного процесса определяют с использованием величины коэффициента трения и, изменяя в итерационном процессе вычислений первоначально заданный расход, устанавливают его реальную величину по совпадению величины измеренного давления или температуры в наиболее узком сечении преобразователя с расчетной величиной.

Сущность настоящего изобретения состоит в следующем.

В настоящее время способ измерения расхода с использованием расходомеров переменного перепада давления распространен очень широко. Особую роль при этом играют сужающие устройства, выполненные в виде расходомерной трубы Вентури, позволяющие минимизировать гидравлическое сопротивление собственно сужающего устройства (преобразователя). При использовании существующего способа определения расхода проводят по сути две основные операции: измерение соответствующих параметров и расчет по закономерностям принятого процесса изменения состояния газа в сужающем устройстве. Обязательными для измерения являются температура и давление перед сужающим устройством, по которым далее расчетом определяют параметры текущего газа, основным из которых является его плотность, и перепад давления между сечением перед сужающим устройством и наиболее узким его сечением. Таковым в случае использования расходомерных труб, к которым относят трубы и сопла Вентури, трубы Далла и т.д. является горловина последних. На сегодня измеренный перепад давления является основным параметром для последующего определения опять-таки расчетным путем собственно величины расхода. Собственно расчетные операции проводят по закономерностям принятого процесса изменения состояния газа в сужающем устройстве с использованием уравнений состояния реального газа. В существующем способе, как было указано выше, используют закономерности обратимого адиабатического (изоэнтропийного) течения газа, а учет действительного характера процесса (адиабатический, необратимый) проводят с использованием устанавливаемых эмпирически поправочных коэффициентов, определяемых путем расчета или по таблицам (на основании многочисленных обработок экспериментальных данных). Следует отметить, что условие протекания процесса расширения газа в сужающем устройстве по адиабате не вызывает возражений из-за малой поверхности теплообмена с окружающей средой собственно сужающего устройства.

Экономические условия газовой отрасли требуют как расширения области применения простых по конструкции измерительных устройств, так и увеличения точности измерения, ибо ошибочное определение расхода природного газа не может устроить ни продавца, ни покупателя. Особые условия возникают на приобретающих все большее распространение автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях, связанных с переводом транспорта на использование природного газа в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. В данном случае особо необходим быстрый и точный замер расхода газа при переменных условиях, связанных в основном с различным остаточным давлением газа в баллонах при различной степени их исходного (при прибытии на станцию) и конечного заполнения.

В настоящее время вообще отсутствует возможность замера расхода газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях. Это связано с тем, что:
1) достаточно точные приборы, основанные на вращении турбины, применимы только до давления 100 бар (≈10 МПа) при давлении газа, заполняющего баллоны на уровне 17-20 МПа;
2) малая величина расхода для заправки автомобиля при использовании сужающих устройств типа трубы Вентури требует малой величины диаметра горловины трубы, исчисляемой несколькими миллиметрами, что не предусматривается в принципе действующими стандартами из-за значительных погрешностей, возникающих при существующем способе определения расхода;
3) достаточно точный весовой способ не применим из-за недостатков, возникающих в ходе эксплуатации, и, прежде всего, из-за длительного времени заправки (баллон должен быть снят с автомобиля, взвешен до и после заправки и вновь установлен на место).

Современные средства "малой" электроники позволяют отказаться от использования не соответствующих реальности закономерностей изоэнтропийного течения газа в сужающем устройстве и использовать отвечающие действительным условиям протекающих процессов закономерности адиабатического необратимого процесса расширения газа в сужающем устройстве. При применении данных закономерностей для проведения расчета необходимо знать один из достаточно легко измеряемых параметров состояния газа в наиболее узком сечении, а именно его абсолютное давление или температуру, при известном давлении и известной температуре (как и в существующем способе) на входе газа в сужающее устройство.

Современная техническая термодинамика определяет полную разрешимость задачи стационарного турбулентного течения газа по трубе. При этом используют уравнение сохранения энергии, уравнение неразрывности, уравнение состояния газа и термодинамическое тождество. Соответствующая совокупность уравнений приведена ниже в примере реализации предлагаемого способа. В примере полностью изложен реальный путь применения предложенного способа и порядок проведения расчетов.

При учете сказанного выше и правильно подобранном уравнении состояния реального газа составляется общеизвестными путями программа расчета, основываемая обычно на итерационном принципе с применением известных приемов интегрирования математических функций.

Еще раз следует подчеркнуть, что в этом случае исключены условности известного способа замера расхода и необходимость введения поправочных коэффициентов, таких как коэффициент истечения, поскольку решается система уравнений, соответствующая течению реального газа в условиях, учитывающих трение газа и т.д.

Целесообразно рассмотреть реализующее предлагаемый способ устройство, которое представлено на фиг.1.

Реальное устройство содержит расходомерную трубу Вентури 1 с диаметром входа в конфузор 12 мм. Горловина 2 трубы Вентури 1 имеет диаметр 1,5 мм. Расходомерная труба 1 установлена в корпусе 3, снабженном штуцером 4 с размещенным в нем термометром сопротивления 5. Корпус 3 имеет также резьбовые отверстия 6 и 7, в которых размещены соответственно измерители 8 и 9 давления на входе газа и в горловине 2 расходомерной трубы 1. Термометр 5 и измерители давления 8 и 9 снабжены преобразователями температуры и давления. Преобразователь температуры ТСМУ имеет пределы измерения (-50)-(+150)^oС и основную погрешность 0,5%. Преобразователи давления КРТ имеют пределы измерения 0-25 МПа и основную погрешность 0,5%. Двоичный сигнал с преобразователей поступает на блок ЭВМ 10 при проведении опроса датчиков по очереди. ЭВМ снабжена соответствующей программой для расчета расхода и количества природного газа, составленной на основании закономерностей необратимого адиабатического течения газа (программа не приводится из-за значительного объема и с учетом того, что по изложенному принципу при использовании известных уравнений состояния природного газа могут быть составлены различные программы на различных известных языках программирования). Следует еще раз подчеркнуть, что не существует принципиальной разницы в том, измерять ли в наиболее узком сечении величину абсолютного давления или температуру. Однако следует признать большую легкость и точность в замере величины абсолютного давления. Именно поэтому и в описанном устройстве и в нижерасположенном примере используется замер давления в наиболее узком сечении преобразователя.

Пример
На описанном выше устройстве проведены измерения расхода газа в ходе заправки автомобильных баллонов. Давление исходного газа составляло в среднем от 5 до 20 МПа (специально сформированное условие). Температура исходного газа в ходе замеров изменялась от -10^oС до +25^oС. Программа проведения расчета основана на закономерностях необратимого адиабатического течения газа с учетом потерь от трения. Принципы составления программы расчета основаны на следующих соображениях.

Изменения состояния газа при его стационарном (т.е. установившемся) и турбулентном движении по трубе при любом возможном (реальном или идеализированном) процессе изменения состояния газа в полной мере описывается следующей системой уравнений, использующей уравнение сохранения энергии, уравнение неразрывности, уравнение состояния газа и термодинамическое тождество:
i₁+(w₁)²/2+g•h₁=i+(w)²/2+g•h+q-1_тех;
(w₁•f₁)/v₁=(w•f)/v;
T•ds/dz=di/dz-v•dp/dz;
p=p(v,T),
где i₁ и i - энтальпии газа в двух произвольных сечениях сужающего устройства;
w₁ и w - скорости газового потока в соответствующих сечениях;
v₁ и v - удельные объемы газа в соответствующих сечениях;
f₁ и f - площади соответствующих сечений;
s - энтропия газового потока;
р - давление;
Т - абсолютная температура;
z - протяженность потока;
q - количество тепла, полученного от внутренних и внешних источников тепла на пути между соответствующими сечениями (теплота трения q_тр, выделяющаяся в газе вследствие действия сил трения, в величину q не входит);
l_тех - техническая работа, которую произвел газ на том же пути;
h₁ и h - геометрическая высота центров тяжести сечений трубы
(см. , например, М.П.Вукалович и И.И. Новиков "Техническая термодинамика", М., Изд. "Энергия", 1968 г., стр. 265- 267).

При отсутствии внутренних и внешних источников тепла (q=0) и технической работы (1_тех= 0), а также при расположении центров тяжести сечений на одной горизонтали (h=h₁) вышеприведенная система уравнений приобретает вид:
(1) i₁+(w₁)²/2=i+(w)²/2;
(2) (w₁•f₁)/v₁=(w•f)/v;
(3) T•ds/dz=di/dz-v•dp/dz;
(4) p=p(v, T).

Рассмотрим процесс адиабатического течения газа с трением на диаграмме "T-s" на шаге интегрирования между сечениями 1 и 2 сужающего устройства, удаленными друг от друга на малое, но конечное расстояние (рассмотрение аналогично приведенному М.П.Вукаловичем на стр. 278, рис. 7-9). Процесс на шаге интегрирования и схематично по всей длине преобразователя представлен соответственно на фиг.2 и фиг.3. Предварительно необходимо сделать замечание, касающееся того, что согласно термодинамике газовых процессов известность в данном сечении трубопровода, по которому протекает газ, любых двух термодинамических параметров газа означает известность всех остальных при известном уравнении состояния (см., например, Р. Рид и др. "Свойства газов и жидкостей". Л., Изд. "Химия", 1982 г., стр. 90 - 144).

Согласно фиг.2 проходящий на шаге интегрирования процесс разбит на два, один из которых является изоэнтропийным (1-3), а другой - изоэнтальпийным (3-2).

Рассмотрим уравнение:
(3) T•ds/dz=di/dz-v•dp/dz.

Преобразуем его следующим образом:
(5) ds/dz=1/Т•(di/dz-v•dp/dz).

Изменение энтропии ds вызвано подводом к газу тепла, связанного с трением dq_тр. Представим изменение давления в действительном процессе 1-2, как сумму изменения давления в изоэнтропийном процессе 1-3 и потери давления за счет трения:
(6) dp=dp_s+dp_тр.

При этом запишем уравнение (5) в другом виде:
(7) ds/dz=1/Т•(di/dz-v•dp_s/dz)-(v/T)•(dp_тр/dz).

В силу изоэнтропийности процесса 1-3 равен 0 и первый член уравнения (7). Уравнение (7) соответственно принимает вид:
(8) ds/dz=-(v/T)•(dp_тр/dz).

В соответствии с известным уравнением Дарси-Вейсбаха:
(9) dp_тр=-λ•(dz/D)•w²/(2•v),
где D - диаметр трубопровода,
λ - коэффициент трения (см., например, Я.Циборовский "Процессы химической технологии", Госхимиздат, 1958 г., стр. 33).

Подставив выражение (9) в (8), получаем в окончательном виде:
(10) ds/dz=-λ/(T•D)•(w²/2).

Уравнение (2) целесообразно представить в следующем виде:
(2а) dM/dτ - (w₁•f₁)/v₁=(w•f)/v,
где dM/dτ - массовый расход (τ - время).

При этом имеем следующее видоизмененное уравнение (1):
(1a) i=i₁+(w₁)²/2-1/2•(dM/dτ•v/f)².

На каждом шаге интегрирования все параметры состояния газа во входном сечении 1 известны. В выходном сечении 2 известной является лишь величина площади сечения (при принятом для шага расстоянии между сечениями "Δz"). Задаем некое значение удельного объема "v", соответствующего завершению изменения состояния газа по линии 1-3, т.е. после завершения адиабатического изоэнтропийного процесса. По уравнению (2а) при этом определяем скорость "w" после завершения процесса (1-3). Далее по уравнению (1а) определяем величину "i". По двум параметрам "v" и "i" и известности уравнения состояния (4) могут быть определены все остальные параметры газа после завершения процесса по линии 1-3, в том числе и энтропия "s" (для природного газа в определенных пределах целесообразно использовать уравнения состояния по ГОСТ 30319.2 - 96 "Газ природный. Методы расчета физических свойств").

Поскольку процесс 1-3 изоэнтропийный, определенная выше величина энтропии "s" должна совпадать с величиной энтропии "s₁". Если этого не произошло при произвольно выбранной величине "v", последняя должна претерпевать изменения до совпадения значений определяемой и известной в сечении 1 энтропии. При достижении равенства определена соответственно величина "i₂", поскольку процесс 3-2 является изоэнтальпийным (в реальной программе расчета решается относительно "v" нелинейное уравнение "s₁-s=0"). Поскольку скорость "w" после завершения процесса 1-3 отличается на бесконечно малую величину второго порядка малости от скорости "w₂", по уравнению (10) определяем приращение энтропии в ходе процесса 3-2, а следовательно, и величину "s₂". Величину "λ" определяют из известных зависимостей (см., например, Я.Циборовский "Процессы химической технологии", Госхимиздат, 1958 г., стр. 39-46). Теперь в сечении 2 сужающего устройства известны два параметра "i₂" и "s₂", а следовательно, могут быть определены все остальные параметры, включая "р₂". Подобное итерационное решение предпринимается от входного сечения преобразователя до его наиболее узкого сечения, в котором реально измерена абсолютная величина давления.

Начало общего процесса итерации предусматривает задание некой величины массового расхода. После пошагового интегрирования с достижением наиболее узкого сечения преобразователя определена расчетная величина давления "p_{уз.расчетное}". Если величина "p_{уз.расчетное}" не совпадает с величиной "р_{уз.заме ренное}", изменяют величину массового расхода, и расчет повторяют таким образом до практического совпадения этих величин:
Р_{уз.расчетное}=Р_{уз.заме ренное}±ε.

Данные замеров приведены в прилагаемой таблице. В таблице не приведены значения давления на входе в сужающее устройство и в наиболее узком его сечении, поскольку данные величины претерпевали значительные изменения в ходе заправки. Масса заправленного газа вычислена как сумма по времени заправки и сопоставлена с массой, определенной в каждом опыте непосредственно на электронных весах (измеряемый вес до 60 кг по паспортным данным весов имеет абсолютную ошибку ±0,02 кг). Согласно полученным данным максимальная ошибка измерения не превышает 0,5%.

Таким образом, при использовании предлагаемого технического решения создан способ измерения расхода, в частности, расхода природного газа для автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (в настоящее время приборная база для измерения расхода на АГНКС отсутствует вообще) с точностью измерения, превышающей точность имеющихся отечественных и зарубежных устройств, которые, что следует повторить еще раз, непригодны для измерения малых расходов.

Очевидно, что предложенное техническое решение может быть использовано в других отраслях для измерения расхода различных газовых систем.

Изобретение может быть использовано для измерения расхода природного газа на автомобильных газонаполнительных компрессорных станинах. Заявленный способ включает измерение давления и температуры до преобразователя в виде трубы Вентури и давления или температуры в наиболее узком сечении преобразователя. Расход вычисляют путем проведения расчета с использованием закономерностей необратимого адиабатического процесса изменения состояния газа в преобразователе. В итерационном процессе вычислений варьируют первоначально заданный расход и устанавливают его реальную величину по совпадению величины измеренных давлений или температуры в наиболее узком сечении преобразователя с их расчетной величиной, полученной пошаговым интегрированием. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения малых расходов газа с применением сужающих устройств. 3 ил., 1 табл.

Способ определения расхода газа с использованием преобразователя в виде расходомерной трубы, включающий измерение давления и температуры до преобразователя, давления или температуры в наиболее узком его сечении и вычисление расхода на основании закономерностей процесса необратимого адиабатического течения газа с использованием системы уравнений, включающей уравнения сохранения энергии, неразрывности потока, состояния газа и термодинамическое тождество, отличающийся тем, что для проведения итерационного процесса вычисления задают величину расхода, в ходе вычислений осуществляют пошаговое интегрирование для определения расчетной величины давления или температуры в наиболее узком сечении преобразователя, при этом на каждом шаге интегрирования процесс течения газа, проходящий между двумя сечениями по длине преобразователя от входного до наиболее узкого сечения, разбивают на изоэнтропийный и изоэнтальпийный процессы, изменение энтропии в ходе изоэнтальпийного процесса определяют с использованием величины коэффициента трения и, изменяя в итерационном процессе вычислений первоначально заданный расход, устанавливают его реальную величину по совпадению величины измеренного давления или температуры в наиболее узком сечении преобразователя с расчетной величиной.