УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ И РАСХОДА ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
DEVICE AND METHOD FOR MEASUREMENT OF SPEED AND FLUID FLOW RATE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области измерения параметров потока текучей среды, протекающей по трубопроводу. В частности, изобретение может использоваться для измерения скорости потока и расхода текучих сред, таких как нефть, газ, вода или их комбинации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Из уровня техники известны устройства для измерения скорости текучих сред.
Известным из уровня техники решениям присущи недостатки, вызванные наличием турбулентного потока, имеющего крупные вихревые потоки в зоне измерения, а также влияние на результаты измерений поворотов трубопровода до расходомера, неоднородность подводов, наличие выступающих частей, таких как прокладки, фланцы и переходы, несоосность трубопроводов.
Для уменьшения влияния турбулентности потока в зоне измерения рекомендуется монтировать расходомер на прямолинейных участках без изменения сечения на протяжении 10-50 диаметров трубы до и после расходомера. Однако наличие таких больших прямолинейных участков требует значительных материальных затрат и отведения дополнительного пространства для обустройства таких прямолинейных участков. Более того, точность поддержания прямолинейности на всем этом участке также должна быть соблюдена. На трубопроводах малых диаметров прямолинейность в большинстве случаев обеспечивается автоматически. Но с увеличением диаметра трубопровода соблюсти и проконтролировать необходимую прямолинейность становиться все труднее. Также на точность измерений расходомера влияют низкочастотные периодические колебания, связанные с колебаниями гидростатического напора, например, колебания, обусловленные наличием вихревых движений потока при прохождении криволинейных участков.
Наиболее близким аналогом заявленной изобретения является техническое решение согласно RU 2019139464B котором предложено измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в трубопроводе в основном направлении потока, содержащее: отклоняющий узел, соединенный с трубопроводом и представляющий собой герметичный резервуар, разделенный на входную камеру и выходную камеру; при этом камеры соединены по меньшей мере одним или двумя каналами для прохода текучей среды между камерами; причем отклоняющий узел содержит средство для измерения скорости потока текучей среды, проходящей через по меньшей мере один или два канала.
В решении RU 2019139464 для исключения влияния турбулентности на определение параметров потока в качестве средства для устранения турбулентности предложена конструкция расходомера с отклоняющим узлом в виде герметичного резервуара, имеющего перегородку, установленную под углом к направлению основного потока.
Однако это решение имеет ряд недостатков, среди которых: образование крупных вихревых потоков в измерительном канале; наличие застойных зон во входной камере;
поток текучей среды, направляемый к измерительному средству содержит турбулентные завихрения, вызванные поворотами трубопровода до расходомера, неоднородностью подводов, наличием выступающих частей, таких как прокладки, фланцы и переходы, несоосностью трубопроводов.
С целью преодоления вышеуказанных недостатков предложено устройство для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в основном направлении потока, содержащее: отклоняющий узел, соединенный с трубопроводом и представляющий собой герметичный резервуар, разделенный на входную камеру и выходную камеру, стенкой, установленной по существу под углом к основному направлению потока, при этом камеры соединены каналом для прохода текучей среды между камерами; при этом во входной камере и/или выходной камере предусмотрено закручивающее средство, предназначенное для направления потока текучей среды вокруг оси канала между каналом и внутренней стенкой герметичного резервуара; при этом во входной камере и/или выходной камере предусмотрено направляющее средство, предназначенное для направления потока текучей среды вдоль оси и внутрь канала; причем отклоняющий узел содержит средство для измерения скорости потока текучей среды, проходящей через по меньшей мере один канал.
Заявленное решение позволяет исключить образование крупных вихревых потоков в измерительном канале, снизит появление застойных зон во входной камере, и позволит устранить турбулентные завихрения, вызванные поворотами трубопровода до расходомера, неоднородностю подводов, наличием выступающих частей, таких как прокладки, фланцы и переходы, несоосностью трубопроводов.
Более того, предложенное решение позволит отказаться от использования длинных прямолинейных участков, и, соответственно, снизит материальные затраты и уменьшит необходимое пространство для обустройства прямолинейных участков.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В соответствии с описанием предложено устройство для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в основном направлении потока, содержащее: отклоняющий узел, соединенный с трубопроводом и представляющий собой герметичный резервуар, разделенный на входную камеру и выходную камеру, стенкой, установленной по существу под углом к основному направлению потока, при этом камеры соединены каналом для прохода текучей среды между камерами; при этом во входной камере и/или выходной камере предусмотрено закручивающее средство, предназначенное для направления потока текучей среды вокруг оси канала между каналом и внутренней стенкой герметичного резервуара; при этом во входной камере и/или выходной камере предусмотрено направляющее средство, предназначенное для направления потока текучей среды вдоль оси и внутрь канала; причем отклоняющий узел содержит средство для измерения скорости потока текучей среды, проходящей через по меньшей мере один канал.
Также предложен способ, в котором используется вышеуказанное устройство для измерения скорости потока текучей среды.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
Фиг. 1 - схематически представлено измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды в разрезе.
Фиг. 2 - представлена схематическая конструкция закручивающего средства
Фиг. 3 - представлена схематическая конструкция направляющего средства.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 схематически представлено измерительное устройство (100) для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в трубопроводе (103) в основном направлении (101) потока, показанном стрелкой. Измерительное устройство содержит соединенный с трубопроводом отклоняющий узел (102), выполненный с возможностью отклонения текучей среды от оси основного направления потока трубопровода и направления потока по меньшей мере в канал (106). Предпочтительно отклоняющий узел установлен в плоскости по существу перпендикулярной оси основного направления потока, и представляет собой герметичный резервуар, установленный по потоку текучей среды. Герметичный резервуар может быть выполнен в виде многогранника или в виде любого тела вращения, предпочтительно, герметичный резервуар может представлять собой удлиненный цилиндр. Герметичный резервуар может состоять из нескольких частей, например, представлять собой комбинацию многогранника и тела вращения, соединенных между собой резьбой или болтовым соединением.
Герметичный резервуар можно получить любым известным из уровня техники способом, например, сваркой, ковкой или штамповкой из стального листа. Более того, герметичный резервуар может быть также выполнен из любого подходящего материала, выдерживающего давление текучей среды и имеющего достаточную коррозионную стойкость, например, он может быть выполнен из полимерного или композитного материала.
Герметичный резервуар разделен на входную камеру(104) и выходную камеру (105), стенкой (111) установленной по существу под углом к основному направлению потока,
При этом камеры (104, 105) соединены между собой каналом (106), имеющим открытые концы (108, 108') как во входной камере, так и в выходной камере для прохода текучей среды между камерами (104, 105).
С целью измерения скорости потока текучей среды отклоняющий узел содержит средство (107) для измерения скорости потока текучей среды, проходящей через канал. При прохождении текучей среды через канал (106) средство (107) измерения скорости текучей среды обеспечивает возможность измерения скорости потока на участке между открытыми концами (108, 108'), расположенном по существу в плоскости перпендикулярной основному направлению потока (101). Средство (107) для измерения скорости потока текучей среды представляет собой ультразвуковое средство измерения, либо вихревое средство измерения.
В варианте осуществления, схематически представленном на фиг. 1 текучая среда поступает в направлении (101) основного потока по трубопроводу (103) в отклоняющий узел (102) и попадает во входную камеру (104). Так как входная камера (104) разделена от выходной камеры (105) стенкой (111), проход текучей среды между камерами может осуществляется только через канал (106). После входа текучей среды во входную камеру поток текучей среды сначала отклоняется от основного направления потока стенкой (111)- поток (109), а затем направляется с помощью закручивающего средства (112), вокруг оси канала (106) между каналом и внутренней стенкой герметичного резервуара (102) закрученный поток (110).
В качестве закручивающего средства может выступать спиральная лента, имеющая внутреннюю продольную кромку(112') и внешнюю продольную кромку (112''),указанные схематически на фиг. 2, причем внутренняя продольная кромка (112') прикреплена к внешней стенке канала (106), а внешняя продольная кромка (112'') прикреплена к внутренней стенке герметичного резервуара (102).
При этом угол наклона спиральной ленты по существу равен углу наклона стенки (111), установленной под углом к основному направлению потока.
В качестве вариантов осуществления закручивающего средства может использоваться тангенциальный завихритель потока или по меньшей мере один трубопровод, установленный по спирали вокруг канала.
Наличие закручивающего средства позволяет разделить крупные вихревые потоки на множество мелких, в результате чего, сглаживаются турбулентные завихрения, и снижается среднеквадратичное отклонение и повышается точность измерений, а также увеличивается расстояние, проходимое потоком текучей среды перед измерительным каналом, что позволит исключить влияние изменений потока, вызванных поворотами трубопровода до расходомера, неоднородностью подводов, наличием выступающих частей, таких как прокладки, фланцы и переходы, а также несоосностью трубопроводов. Такое расстояние определяется следующей формулой:
S=п*D*N, где
D - диаметр резервуара;
N - количество витков ленты.
До входа в открытый конец (108) канала (106) закрученный поток (110) попадает в направляющее средство, представляющее собой множество неподвижных лопаток (113), проходящих в радиальном направлении от оси канала (106) к внутренней стенке герметичного резервуара (102) и закрепленных по окружности, ограниченной внутренней стенкой герметичного резервуара, и представленных на фиг. 3.
При этом лопатки (113) представляют собой лопатки, загнутые в направлении противоположном (навстречу) движению закрученного потока (110) текучей среды вокруг оси канала (106) между каналом и внутренней стенкой герметичного резервуара (102).
o
В одном из вариантов осуществления лопатка представляет собой сегмент (115) полого цилиндра (116), полученный разрезом плоскостью А-А полого цилиндра по оси, причем больший радиус r полого цилиндра равен половине внутреннего радиуса R герметичного резервуара (102).
Лопатки могут быть получены любым другим известным из уровня техники способом, например, штамповкой, литьем, порошковой металлургией.
Попадая на лопатки закрученный поток (110) направляется в открытый конец (108) канала (106) с минимальными потерями скорости потока. При этом исключается образование застойных зон во входящей камере.
Возможен вариант, в котором и закручивающее средство, и направляющее средство установлены как во входной камере (104) так и выходной камере (105), такой вариант может использоваться в случае реверсного движения текучей среды.
С целью дополнительного сглаживания пульсаций скорости потока текучей среды, вызванных периодическими вихрями, срывающимися с различных плохо обтекаемых элементов резервуара(например, вход трубопровода в резервуар, переход из входной камеры в канал для прохода текучей среды между камерами), а также вызванные неплавностями общего аэродинамического контура резервуара в канале (106) предусмотрено наличие средства (113), выравнивающие входной поток, установленного перед измерительным средством, такие как хонейкомб или детурбулизирующая сетка. Эти средства позволят улучшить поле скоростей и уменьшить скосы и степени турбулентности потока. Возможен вариант, в котором любое из закручивающего средства, направляющего средства и выравнивающего средства или их комбинации, могут быть установлены как во входной камере (104), так и выходной камере (105), такой вариант может использоваться в случае реверсного движения текучей среды.
Также предложен способ измерения скорости потока текучей среды, протекающей в основном направлении потока, в котором пропускают текучую среду через устройство для измерения скорости и расхода потока текучей среды и выдают показание измерения скорости потока текучей среды.