СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ПУЛЬСИРУЮЩЕГО ПОТОКА ГАЗА НА МАГИСТРАЛЬНОМ ГАЗОПРОВОДЕ Российский патент 2006 года по МПК G01F1/72 G01F1/36 G01F1/50 

Изобретение относится к газодобывающей промышленности и может быть использовано для оперативного измерения расхода газа с учетом пульсаций потока, в частности на газоизмерительных станциях (ГИС).

Известен способ измерения расхода газа, основанный на зависимости между перепадом давления и расходом газа при его протекании через сужающее устройство (диафрагму), заключающийся в измерении перепада давлений на сужающем устройстве, давления и температуры перед сужающим устройством и вычислении расхода газа по зависимости между этими параметрами, которая носит квадратичный характер:

(см. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества. Л.: Машиностроение, 1989, с.49).

Однако данный способ имеет недостаток, заключающийся в том, что расход газа на газоизмерительных станциях определяется по усредненным значениям измеряемых параметров (давление и перепад давления), в результате чего не учитываются пульсации потока газа, что в свою очередь отражается на точности измерения расход газа.

Также известен способ измерения расхода газа методом переменного перепада давлений на сужающем устройстве, включающий измерение давления и температуры перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме и предусматривающий сглаживание пульсаций потока газа путем применения на газоизмерительных пунктах балластных емкостей или гидравлических (акустических) фильтров (см. ГОСТ 8.563.2-97. Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления. Методика выполнения измерений с помощью сужающих устройств. Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации. Минск, с.73-75).

Однако указанный способ лишь частично исключает влияние пульсаций и не обеспечивает высокой точности измерения, а кроме того требует высоких капитальных затрат на изготовление балластных емкостей и их монтажа на газопроводах.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе, обеспечивающего повышение точности измерения расхода за счет исключения погрешности, обусловленной пульсациями параметров газового потока.

Поставленная задача достигается тем, что в способе определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе методом переменного перепада давлений на сужающем устройстве в виде диафрагмы, включающем измерение давления и температуры перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме, с последующим вычислением расхода по измеренным параметрам, согласно изобретению предварительно определяют спектральное распределение пульсаций газового потока на газопроводе и производят измерение давления и температуры перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме с частотой, по крайней мере в два раза большей максимальной частоты спектра пульсаций.

Сущность способа заключается в следующем.

Установлено, что погрешность измерения пульсирующих протоков газа возникает за счет определения расхода газа по усредненным значениям измеряемых параметров. Вычисление подкоренного выражения этих параметров приводит к появлению положительной дополнительной систематической погрешности.

В основу способа положен анализ спектрального распределения пульсаций параметров газового потока и выбор частоты измерения параметров, в зависимости от максимальной частоты спектра пульсаций, что обеспечивает исключение влияние пульсаций потока на измеряемую величину расхода.

Сущность способа поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема измерения расхода газа методом переменного перепада давления;

на фиг.2 представлена структурная блок-схема устройства для измерения расхода пульсирующих потоков газа;

на фиг.3 представлена структурная схема преобразования измерительных сигналов.

Способ осуществляют следующим образом.

1. Оценивают спектральное распределение пульсаций параметров газового потока на данном участке газопровода. Для этого используют либо малоинерционные датчики давления, либо производится анализ причин возникновения пульсаций. В частности: учитывается рабочая частота компрессорных аппаратов, регуляторов давления, выявляются все возможные гидравлические сопротивления потоку газа, замеряются расстояния между ними и оценивается максимально возможная скорость распространения звука в газе. Далее рассчитывается частота волновых колебаний газа между гидравлическими сопротивлениями по формуле

где f - частота колебаний потока газа между гидравлическими сопротивлениями; l - расстояние между гидравлическими сопротивлениями; с - скорость распространения звука в газе.

Из всех рассмотренных выше частот выбирается максимальная.

Например, если источником пульсаций является компрессорная станция с частотой вращения турбины 3000 об/с и нет дополнительных гидравлических сопротивлений, то, очевидно, наивысшая частота пульсаций составит 3000 Гц.

2. Производят измерение давления перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме с частотой, по крайней мере, в два раза большей, чем максимальная частота спектрального распределения пульсаций. Выбор частоты дискретизации параметров потока (Р и ΔР) обоснован теоремой Котельникова, которая гласит, что аналоговый сигнал с ограниченным частотным спектром (в частности, сигналы давления и перепада давлений) могут быть восстановлены по своим дискретным значениям (отсчетам) в том случае, если частота дискретизации аналогового сигнала как минимум в два раза превышает максимальную частоту в спектре пульсаций.

3. Производят усреднение квадратного корня из произведения давления на перепад давлений .

4. Определяют расход газа в соответствии с ГОСТ 8.563.2-97 по усредненному квадратному корню от измеряемых параметров по формуле

В качестве первичных измерительных преобразователей используют датчики давления с частотным выходом, так как они обладают высоким быстродействием и способны отслеживать пульсации газовых потоков, частотный сигнал удобен для дальнейших преобразований.

Пример реализации способа измерения расхода газа методом переменного перепада давления показан на фиг.1.

Способ заключается в измерении температуры с помощью датчика температуры 1 и давления с помощью датчика давления 2 перед сужающим устройством и перепада давлений с помощью датчика перепада давлений 3 на сужающем устройстве. Сигналы от датчиков подаются на вычислитель расхода газа 4. На фиг.2 и фиг.3 вместо датчика перепада давлений 3 используется датчик давления 5, измеряющий давление за диафрагмой, а перепад давления на диафрагме определяется как разность между сигналами от датчиков давления 2 и 5.

Принцип действия устройства, показанного на фиг.2, следующий: с датчиков давления 2 и 5 и датчика температуры 1 измерительные сигналы поступают одновременно на блок вычисления квадратного корня 6 и на блок усреднения измеряемых параметров 7, 8 и 9. Усреднение давления, перепада давлений и температуры необходимо для расчета физических свойств газа (плотности, вязкости, коэффициента сжимаемости, показателя адиабаты), которые используются при вычислении коэффициента расхода c_q.

Усреднение давления, перепада давлений и квадратного корня производится с определенной дискретизацией по времени, которое необходимо блоку вычисления и коррекции 10 для преобразования частотных сигналов с блока усреднения квадратного корня 11 и блоков усреднения измеряемых параметров 7, 8 и 9 в цифровой код. Далее эти цифровые коды используются блоком вычисления и коррекции 10 для определения физических параметров газа, параметров диафрагмы и измерительного трубопровода, которые необходимы для расчета коэффициента расхода и величины расхода газа. Таким образом, за счет вычисления среднего значения квадратного корня от мгновенных значений пульсирующих параметров патока газа в блоке усреднения 11 повышается точность определения расхода газа для пульсирующих потоков.

Блок извлечения квадратного корня 6 выполняется на основе двоичных умножителей, а блок вычисления и коррекции расхода газа 10 - на основе быстродействующего процессора.

Структурная схема преобразования измерительных сигналов показана на фиг.3.

Данная схема осуществляет вычисление выражения

Передаточная функция m-разрядных двоичных умножителей 12 имеет следующий вид:

где f₁ - частота на выходе двоичного умножителя; N - двоичный код, подаваемый на вход двоичного умножителя; f₂ - входная частота; m - разрядность двоичного умножителя.

С учетом этого соотношения

или

Частотный сигнал перепада давления получим на выходе устройства вычитания частот 13, где производится вычитание частот от датчиков давления 3 и 5.

В m-разрядном реверсивном счетчике 14 установится постоянный код N₂ при условии, что f₁=f₂, то есть:

Из этого выражения получим

Подставляя эти выражения в формулу для расчета выходной частоты, получим

С учетом того, что

где f_c - частота, пропорциональная величине коэффициента расхода "с", который определяется по усредненным значениям параметров потока (давлению, перепаду давлений и температуре); f₀ - является опорной рабочей частотой устройства измерения расхода пульсирующих потоков газа; N₃ - числовой код, соответствующий величине коэффициента расхода "с", который определяется по усредненным значениям параметров (давлению, перепаду давлений и температуре).

Окончательно получим на выходе устройства частотный сигнал, пропорциональный величине расхода

Таким образом, схема на фиг.3 позволяет измерять расход газа с учетом пульсаций потока.

Для реализации частот f_p1 и f_p2, пропорциональных соответственно давлению перед диафрагмой и после диафрагмы, могут использоваться, например, датчики модели Вт1202 производства НИИФИ.

Ниже приведен сопоставительный пример вычисления расхода газа по мгновенным и усредненным значениям параметров.

Исходные данные:

Р=12.95+1.295·sin(50·t), (кгс/см²).

ΔP=0.16+0.032·sin(50·t), (кгс/м²).

X_aХ_yρ_c, кг/м³r_n, ммR_ш, ммt_nn, летD₂₀, ммd₂₀, mm0.010.0020.680.050.11150.0084.00

где

Х_a - молярная доля азота в природном газе; Х_y - молярная доля углекислого газа в природном газе; ρ_c - плотность природного газа при стандартных условиях, кг/м³; r_n - начальное значение радиуса закругления входной кромки сужающего устройства, мм; R_ш - эквивалентная шероховатость внутренней поверхности измерительного трубопровода, мм; t_nn - межповерочный интервал диафрагмы, лет; D₂₀ - диаметр цилиндрической части измерительного трубопровода, мм; d₂₀ - диаметр цилиндрической части диафрагмы, мм.

Марка стали трубопровода - 20. Марка стали диафрагмы - 12Х18Н9Т.

В результате вычисления расхода газа по средним параметрам получили следующие значения:

; ; ; .

Для усреднения квадратного корня из параметров потока газа рассмотрим случай, когда частота измерения давления и перепада давлений превышает частоту пульсаций в 10 раз. В результате расчета расхода газа по усредненному квадратному корню в соответствии с ГОСТ 8.563.2-97 получим следующие значения:

Р, кгс/см²ΔР, кгс/м²c_qq_с, м³/ч12,950,160,08524279116131,99899,4213,7110,1788090,09272409116175,910772,314,1820,1904340,09732049116204,711309,114,1820,1904340,09732049116204,711309,113,7110,1788090,09272409116175,910772,312,950,160,08524279116131,99899,4212,1890,1411910,07768745116092,69018,9411,7180,1295660,07296853116070,98469,5211,7180,1295660,07296853116070,98469,5212,1890,1411910,07768745116092,69018,9412,950,160,08524279116131,99899,42

Усредняя табличные величины, получим:

При этом погрешность вычисления по средним значениям составляет

γ_q=0.051%.

В процессе измерения определяют спектральное распределение пульсаций газового потока на газопроводе. Измеряют давление и температуру перед диафрагмой и перепад давления на диафрагме с частотой, по крайней мере в два раза большей максимальной частоты спектра пульсаций. По измеренным параметрам оперативно вычисляют расход. Изобретение позволяет повысить точность измерения расхода газа за счет исключения погрешности, обусловленной пульсациями параметров газового потока. 3 ил.

Способ определения расхода пульсирующего потока газа на магистральном газопроводе методом переменного перепада давлений на сужающем устройстве в виде диафрагмы, включающий измерение давления и температуры перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме, с последующим вычислением расхода по измеренным параметрам, отличающийся тем, что предварительно определяют спектральное распределение пульсаций газового потока на газопроводе и производят измерение давления и температуры перед диафрагмой и перепада давления на диафрагме с частотой, по крайней мере в два раза большей максимальной частоты спектра пульсаций.