Исследование динамических характеристик систем измерения расхода природного газа на базе стандартной диафрагмы в условиях эксплуатации

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ

УДК 681.121.842

Э. Р. Валиев, Н. А. Николаев ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИСТЕМ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПРИРОДНОГО ГАЗА НА БАЗЕ СТАНДАРТНОЙ ДИАФРАГМЫ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Ключевые слова: стандартная диафрагма, динамические характеристики.

В работе разработана и построена малоинерционная исследовательская система измерения расхода, которая позволяет определить режимы течения газа по трубопроводу и оценить дополнительную систематическую погрешность измерения расхода, обусловленную пульсацией потока.

Keywords: standard orifice plate, dynamic characteristics.

The article describes fast-response research system offlow measurement, constructed for exploring the flow structure, and additional uncertainty of measurement, caused by the pulsation offlow.

Введение

В настоящее время в большинстве систем измерения расхода и количества энергоносителя применяется метод переменного перепада давления на базе стандартных диафрагм [1]. Обусловлено это простотой конструкции, изготовления и монтажа, возможностью эксплуатации практически при любых давления и температурах. Исследованию различных факторов, влияющих на точность измерения расхода сужающими устройствами, посвящены работы многих ученых [2, 3]. В то же время, исследование режимов течения и их влияния на точность действующих систем измерений расхода газа (СИРГ) в условиях эксплуатации является актуальной научно-практической задачей.

Настоящая работа посвящена построению малоинерционной системы измерений перепада давления и решению вышеуказанной задачи.

Теоретический материал

Вследствие инерционности применяемых систем измерений расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления происходит осреднение значений измеряемых параметров, например, перепада давления на СУ Др и давление перед СУ р . Однако квадратный корень

из средних значений Др и р всегда больше среднего квадратного корня из мгновенных значений Др и р, т.е. возникает положительная дополнительная систематическая погрешность [4, 5].

В соответствии с ГОСТ 8.586.5-2005 [6], неопределенность измерения количества среды, обусловленная нестационарностью потока среды, рассчитывают по формуле:

и Д = 12,5 хДр|,

где Др8 - относительная среднеквадратическая амплитуда спектра пульсаций перепада давления.

Относительная среднеквадратическая амплитуда спектра пульсаций перепада давления

Др8 определяется по формуле:

~ Др5

Дрз =—, Др

где Др3 - среднеквадратическая

амплитуда спектра пульсаций перепада давления.

Среднее значение перепада давления Др

определяют более чем за 10 периодов основной частоты его изменения при опросе более 100 мгновенных значений за период по формуле: _ 1 N

Др ^хУ Ар, ,

N

i=1

где Др, - измеренное мгновенное неискаженное значение перепада давления; N - общее количество измерений.

Среднеквадратическая (средневзвешенная) амплитуда спектра пульсаций перепада давления Др3 определяется по формуле:

Aps =

Е Ы -^pf

i=1

N

В зависимости от диапазона изменения масштабных и временных параметров нестационарного потока по ГОСТ 8.586.5 классифицируют следующие режимы течения среды:

- стационарный;

- пульсирующий;

- переменный;

- нестационарный.

Целью проводимого исследования является определение режима течения потока газа, оценка дополнительной систематической погрешности измерения расхода и количества газа на действующем узле учета газа. Для достижения поставленной цели необходимо: разработать малоинерционную систему измерения перепада давления, определить ее передаточную функцию, постоянную времени и определить функцию амплитудно-частотной характеристи-

ки (АЧХ); провести экспериментальные исследования на действующей СИРГ.

Экспериментальная часть

Изначально была разработана исследовательская измерительная система измерения перепада давления на сужающем устройстве. В основу системы были взяты следующие компоненты:

- измерительный преобразователь дифференциального давления «Сапфир-22ДД-Вн»;

- измерительный преобразователь напряжения Е-14-140 фирмы L-Card;

- калибратор давления APC;

- портативный персональный компьютер Asus K42J.

Инерционные свойства средства измерения (СИ) перепада давления определялись при экспериментальном исследовании ее реакции на скачкообразное (мгновенное) изменение перепада давления. Результат данного ступенчатого воздействия регистрировался на персональном компьютере. По этим данным была получена переходная характеристика СИ перепада давления. Возникший переходный процесс описывается дифференциальным уравнением первой степени и имеет вид: T • х ' + х = f (х ),

где х - величина сигнала на входе СИ; T - постоянная времени СИ. Анализ переходной характеристики при скачкообразном (мгновенном) изменении перепада давления показал, что датчик имеет постоянную времени, равную Т =0,011 сек.

По виду передаточной функции исследовательская система соответствует инерционному звену первого порядка, для которого мы можем аналитически определить функцию АЧХ. С другой стороны, АЧХ для исследовательской системы определяется отношением амплитуды выходного сигнала к амплитуде входного сигнала. Таким образом, для определения режима течения потока газа, оценки дополнительной систематической погрешности измерения расхода газа, достаточно измерить с высокой частотой опроса значения перепада давления на СУ с помощью разработанной исследовательской системы.

С целью повышения точности исследовательской измерительной системы перед началом измерений проводится ее индивидуальная калибровка на верхний предел измерений рабочего СИ перепада давления. Относительная погрешность измерения перепада давления исследовательской системой после калибровки составила не более 0,1 %.

Общая схема измерений при проведении испытания по определению режима течения (ИОР) представлена на рисунке 1:

Определение относительной среднеквадра-тической амплитуды спектра пульсаций перепада

давления Aps производилось при двух значениях

рабочего диапазона расхода, являющихся наиболее вероятными на исследуемом объекте. Измерения мгновенных значений перепада давления на сужающем устройстве проводились в несколько серий измерений с частотой опроса СИ перепада давления 500 Гц, 1 кГц и 10 кГц в течение одного часа.

Рис. 1 - Схема измерений при проведении ИОР: КД1, КД2 - камеры отбора давления; Кр1, Кр2 -разделительные краны; Кр3 - уравнительный кран; БШ - бронированные шланги; СИ - средство измерения; ВП - вторичный преобразователь)

По результатам измерений перепада давления на сужающем устройстве, исследовательской системой при помощи прямого дискретного преобразования Фурье были определены спектры частот пульсаций перепада давления. По известной постоянной времени и функции АЧХ исследовательской системы построен неискаженный ее инерционными свойствами амплитудно-частотный спектр пульсаций перепада давления на СУ, представленный на рис.2.

. .  1 1

0 50 100 150 200 250 ООО 350 400 450 500

частота, Гц

Рис. 2 - Амплитудно-частотный спектр пульсаций перепада давления

В амплитудно-частотном спектре пульсаций перепада давления преобладают преимущественно высокочастотные пульсации. Наиболее ярко выражены пульсации с частотой 66, 193 Гц. Согласно классификации режима течения среды по ГОСТ 8.586.5 данный режим соответствует пульсирующему режиму течения. При помощи обратного дискретного преобразования Фурье определены действительные значения перепада давления на сужающем устройстве (рис.3).

По вышеприведенным формулам была оценена дополнительная неопределенность измерения расхода и объема газа, обусловленная нестационарностью потока среды, и составила 0,8%.

Рис. 3 - График зависимости перепада давления на сужающем устройстве от времени

Согласно ГОСТ 8.586.5 измеренный объем умножается на поправочный коэффициент Кд , определяемый по формуле:

1

К Д =-

1 + 0,01  и Д

В действующей исследуемой СИРГ, данный коэффициент составил 0,992. В виду значительности полученной дополнительной неопределенности расхода среды, обусловленной пульсацией потока, её необходимо учитывать при расчете количества газа.

Выводы

В результате работы построена малоинерционная исследовательская система, которая прошла экспериментальную апробацию на действующей СИРГ.

Исследовательская система позволяет определить режимы течения газа по трубопроводу СИРГ

и поправочный коэффициент к результатам измерений расхода и объема газа.

Результаты работы позволяют повысить точность измерений и устранить разногласия при сведении баланса в системе магистрального газопровода.

Литература

1. ГОСТ 8.586.1-2005 (ИСО 5167-1:2003). Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 1. Принцип метода измерений и общие требования. - Введ. 200701-01. - М.: Стандартинформ, 2007 - 42 с.

2. Фафурин, А.В. Точность измерения расхода сужающими устройствами / А.В. Фафурин, М.Л. Шустрова // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011.- №22. - С.145-148

3. Фафурин, В.А. Анализ параметров численных методов при расчете метрологических характеристик расходомеров на базе стандартной диафрагмы /В.А. Фафурин, В.В. Фефелов , И.А. Яценко // Вестник Казан. технол. ун-та - 2011. - №23. - С.136-141

4. Кремлевский, П.П. Расходомеры / П.П. Кремлевский. -2-е изд., переработ. и доп. - Л.: Машгиз, 1963. - 656 с.

5. Кремлевский, П.П. Расходомеры и счетчики количества: справочник / П.П. Кремлевский. - Л.: Машиностроение, 1989. - 701 с.

6. ГОСТ 8.586.5-2005. Государственная система обеспечения единства измерений. Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 5. Методика выполнения измерений. - Введ. 2007-01-01. - М.: Стандартинформ, 2007. - 88 с.

© Э. Р. Валиев - магистрант КНИТУ, edshiftik@gmail.com; Н. А. Николаев - ст. препод. САУТП КНИТУ, na.nikolayev@bk.ru.