Способ и устройство для определения массового расхода газа Российский патент 2022 года по МПК G01F1/34 

Изобретение относится к области измерения расходов газов и может быть использовано в нефтяной и газовой отрасли промышленности, а также в областях науки и техники, имеющих дело с газами, например, в авиации, криогенной технике, где в настоящее время используют массовые расходомеры для определения массового расхода газа Q_m. Существует множество конструкций этих расходомеров, различающихся принципом действия, областью применения, относительной погрешностью и др. Сюда относятся кориолисовы расходомеры (Патент RU 2366901 C1. Опубликовано 10.09.2009. Бюл. № 25. Патент RU 2263284 С2. Опубликовано: 27.10.2005. Бюл. № 30), расходомеры с колеблющимся коленом (а.с. 243860. Опубликовано 14. V. 1969. Бюл. № 17), турборасходомеры и др. Как правило, они по конструкции более сложны, чем приборы для определения объемного расхода Q_v, более дороги, и, отсюда, они гораздо реже встречаются в практике газовых предприятий, чем расходомеры объема.

Известен вихревой расходомер (Патент RU 2515129 С1. Опубликовано 10.05.2014. Бюл. № 13), содержащий расположенное поперек потока тело обтекания, два пьезоэлемента, генератор сигнала ультразвуковой частоты, фазовый детектор, блок преобразования сдвига фаз в выходной сигнал, генератор прямоугольных импульсов, фазовращатель, два ключа и полосно-пропускающий фильтр. Расходомер определяет объемный расход и не позволяет определять массовый расход газа.

Известен счетчик-расходомер (Патент RU 2396517 С1. Опубликовано 10.08.2010. Бюл. № 22), содержащий сужающее устройство потока в трубе, датчик перепада давления на сужающем устройстве - дифференциальный манометр, струйный генератор и вычислительное устройство, вычисляющий частоту f устойчивых колебаний струи по формуле

где k₂ и k₃ - коэффициенты пропорциональности, Q - объемный расход, ΔР - перепад давления дифференциального манометра, ρ - плотность измеряемой среды.

Далее, используя эти параметры, вычислителем определяются плотность ρ и массовый расход М измеряемой среды по формулам

где k₄, k₅ - коэффициенты пропорциональности.

Данное устройство для упрощения аппаратурной реализации использует линеаризацию функциональных связей, что приводит в общем случае к потере точности измерений.

Для повышения точности определения объемного расхода Q_v на основе датчика скорости предварительно на основе теоретических представлений и натурного моделирования разрабатывают модель общего вида профиля скорости. (Патент 2597673. Опубликовано: 20.09.2016. Бюл. №26). Одним или более дополнительным измерением корректируют модель общего вида к текущему моменту и получают частный вид профиля скорости W(r, ϕ). Вычисляют объемный расход газа (теплоносителя) по формуле

где R_mp - радиус трубопровода, W(r, ϕ) - частный вид профиля скорости, а частный вид профиля скорости определяют на основе дополнительных измерений значений скоростей и общего вида профиля скорости.

Данный способ определения расхода теплоносителя датчиками скорости не позволяет непосредственно определять массовый расход газа Q_m. Точность измерения ограничена точностью соответствия реальности частного вида профиля скорости W(r, ϕ), который определяется эпизодически по ограниченному набору реальных данных, в изменяющихся условиях измерений.

При возникновении потребности измерять массовый расход Q_m можно использовать объемный расходомер для определения Q_v, а массовый расход определять из соотношения

где ρ - текущая плотность газа в рабочих условиях.

Однако при этом необходимо знать величину ρ. Ее в свою очередь приходится или измерять, или вычислять, исходя из состава газа, полученного на хроматографе, а также знания температуры газа Т, Т_н и давления Р, Р_н в рабочих и в нормальных и условиях и фактора сжимаемости Z, Z_н:

где

где a_i - процентное содержание i-й компоненты имеющей плотность ρ_tн в нормальных условиях.

Подобная методика, которую можно рассматривать как прототип, описана в статье: В.В. Рындин «О некоторых особенностях вывода уравнений неразрывности для многокомпонентных смесей с источниками массы и диффузией», опубликованной в журнале «Наука и техника Казахстана», № 4, 2010, С. 63-72.

Процедура определения плотности ρ по соотношению (2) достаточно громоздка и неоперативна. Она не может обеспечивать измерение величины ρ в реальном масштабе времени. Это в свою очередь приводит к неопределенности в погрешности измерения как величины ρ, так и расхода Q_m.

Техническим результатом является уменьшение погрешности измерения массового расхода в реальном масштабе времени в широком диапазоне изменения плотности газа и параметров движения газа за счет экспериментально измеренного профиля скоростного напора газа и корректировки значения Q_v в зависимости от результатов измерения профиля скоростного напора газа.

Технический результат достигается тем, что одновременно с измерением объемного расхода газа Q_v измеряется профиль скоростного напора F, а массовый расход вычисляется по соотношению

где F - среднее значение скоростного напора газа, S - проходное сечение расходомера в том месте трубопровода, где измеряется профиль скоростного напора, С - аэродинамический коэффициент датчиков скоростного напора, K - коэффициент корректировки измерений объемного расхода газа Q_v по результатам измерения текущего профиля скоростного напора газа.

На фиг. 1-6 приводятся пояснения способа определения массового расхода и устройства для его осуществления.

На фиг. 1 показан состав устройства, реализующего предлагаемый способ. На нем показано: 1 - часть трубный секции, где установлены датчики скоростного напора 2 и датчик расходомера объемного расхода 3; 4 - вычислительный блок, где происходит обработка информации, поступающей от датчиков 2 и 3 и определение объемного и массового расходов; 5 - блок отображения результатов измерения и передачи информации на верхний уровень.

На фиг. 2 показано положение держателя 6 датчиков скоростного напора в трубопроводе 7 перед входом потока в расходомер.

На фиг. 3 показано положение датчиков скоростного напора 8-15 на держателе 6.

На фиг. 4 показаны два профиля скорости потока газа - один при ламинарном течении - 16 (число Рейнольдса Re~10³) и при турбулентном (Re~10⁵) - 17.

На фиг. 5 показано положение тела обтекания 18, создающего вихри в вихревом расходомере: 20 - корпус расходомера, 21 - линии тока, 22 - вихри, 23, 24 - датчики, регистрирующие проходящие вихри.

На фиг. 6 показано положение датчиков скоростного напора 8-15 в случае их размещения на теле обтекания 18 в вихревом расходомере.

Поясним, как способ реализуется на практике и что представляет собой устройство, которое его реализует. Пусть на трубопроводе 1 установлен датчик измерения объемного расхода 3. Измеряемый расход может быть записан как Q_v=Sv, где v - средняя по сечению трубы скорость потока газа. Последовательно с датчиком расхода установим тело обтекания 6, снабженное датчиками скоростного напора F (фиг. 2 и 3). В качестве этих датчиков могут выступать пьезодатчики, тензодатчики или любые другие небольшого размера датчики, измеряющие профиль скоростного напора.

Если разбить проходное сечение расходомера S на центральный круг и примыкающие друг к другу концентрические кольца равной площади, внешний радиус которых выражается через радиусы вложенных колец (индексация от центра):

то, расположив датчики соответствующим образом на различном расстоянии от оси трубопровода, можно формализовать вывод выражения для объемного расхода газа через показания N датчиков скорости

Равновеликие площади колец выносятся за знак суммы. Средняя величина скоростного напора F газа связана со скоростью потока газа v и плотностью газа в рабочих условиях ρ соотношением:

где С - аэродинамический коэффициент, определяемый только формой датчика; величина С может быть определена заранее экспериментально; в отдельных случаях при простой форме датчика таких как плоскость или сфера она может быть рассчитана и аналитически.

В качестве держателя датчиков используется обтекаемая пластина небольшой ширины, определяемой размером датчика (фиг. 3). Датчики выбираются миниатюрными и заделываются в держатель 6 заподлицо. Выходы датчиков выводятся через верхний или нижний торцы держателя 6 (на фиг. 3 не показаны). Данные датчиков поступают в вычислительный блок 4. Туда же поступают данные от датчика объемного расхода.

Выражение для определения массового расхода газа формируется из соотношения (1). Величина ρ выражается из соотношения (5) с подстановкой

откуда

На фиг. 4 показано распределение относительной скорости потока по его радиусу Здесь - скорость потока на оси трубопровода. При малых числах Re (малых скоростях), это распределение - параболическое, при больших Re - трапецидальное. При этом в первом случае средняя скорость равна а во втором - приближается к Отсюда при колебаниях объемного расхода - допустим его возрастании, средняя скорость, а следовательно и скоростной напор, также меняются, что приводит к дополнительной погрешности измерений расхода Qv.

С введением нескольких датчиков скоростного напора открывается возможность экспериментально измерять профиль скоростного напора в реальном масштабе времени и тем самым оперативно корректировать результаты измерения объемного расхода Qv за счет введения набора значений корректирующего коэффициента К.

Вычислительный блок 4 по результатам измерений профиля скоростного напора газа формирует корректировочный коэффициент К, учитывающий изменение режима течения потока (распределения относительной скорости потока газа, а следовательно, числа Рейнольдса).

При использовании для измерения расхода Qv вихревого расходомера открывается возможность упростить устройство для измерения массового потока. Для этого в качестве тела обтекания 6 (фиг. 3), на котором размещаются датчики скоростного напора, можно использовать стержень 18, являющийся генератором вихрей (фиг. 5). При этом датчики скоростного напора 8…15 следует разместить на самом стержне 18, упрятав их заподлицо с передней гранью стержня, так чтобы не вносить других возмущений в измеряемый поток.

Изобретение относится к измерительной технике, прежде всего к газовой и нефтяной промышленности. Способ измерения массового расхода газа Q_m заключается в том, что одновременно измеряют объемный расход Q_v и профиль скоростного напора, а массовый расход Q_m вычисляется по соотношению , где F – среднее значение скоростного напора газа, S – проходное сечение расходомера в том месте трубопровода, где измеряется профиль скоростного напора, С – аэродинамический коэффициент датчиков скоростного напора, K – коэффициент корректировки измерений объемного расхода газа Q_v по результатам измерения текущего профиля скоростного напора газа. Особенностью устройства для измерения массового расхода, реализующего способ, является то, что в качестве измерителя объемного расхода используется вихревой расходомер, а датчики скоростного напора устанавливаются непосредственно на теле обтекания, создающем вихревую дорожку. Технический результат – уменьшение погрешности измерения массового расхода в реальном масштабе времени в широком диапазоне изменения плотности газа и параметров движения газа за счет экспериментально измеренного профиля скоростного напора газа и корректировки значения Q_v в зависимости от результатов измерения профиля скоростного напора газа. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ измерения массового расхода газа Q_m, отличающийся тем, что одновременно измеряют объемный расход Q_v и профиль скоростного напора, а массовый расход Q_m вычисляется по соотношению:

,

где F – среднее значение скоростного напора газа, S – проходное сечение расходомера в том месте трубопровода, где измеряется профиль скоростного напора, С – аэродинамический коэффициент датчиков скоростного напора, K – коэффициент корректировки измерений объемного расхода газа Q_v по результатам измерения текущего профиля скоростного напора газа.

2. Устройство для измерения массового расхода газа по п. 1, отличающееся тем, что в качестве измерителя объемного расхода используется вихревой расходомер, а датчики скоростного напора устанавливаются непосредственно на теле обтекания, создающем вихревую дорожку.