Способ и устройство для определения массового расхода газа
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING THE MASS FLOW RATE OF GAS

m
v
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. 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, 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
2
3
где k и k - 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
4
5
где k, k - коэффициенты пропорциональности.
Данное устройство для упрощения аппаратурной реализации использует линеаризацию функциональных связей, что приводит в общем случае к потере точности измерений.
v
Для повышения точности определения объемного расхода Q 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
mp
где R - 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.
m
Данный способ определения расхода теплоносителя датчиками скорости не позволяет непосредственно определять массовый расход газа Q. 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.
m
v
При возникновении потребности измерять массовый расход Q можно использовать объемный расходомер для определения Q, а массовый расход определять из соотношения
где ρ - текущая плотность газа в рабочих условиях.
н
н
н
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 и давления Р, Р в рабочих и в нормальных и условиях и фактора сжимаемости Z, Z:
где
i
tн
где a - процентное содержание i-й компоненты имеющей плотность ρ 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.
m
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.
v
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 в зависимости от результатов измерения профиля скоростного напора газа.
v
Технический результат достигается тем, что одновременно с измерением объемного расхода газа Q измеряется профиль скоростного напора F, а массовый расход вычисляется по соотношению
v
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 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.
3
5
На фиг. 4 показаны два профиля скорости потока газа - один при ламинарном течении - 16 (число Рейнольдса Re~10) и при турбулентном (Re~10) - 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.
v
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=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.