ДВУНАПРАВЛЕННАЯ ТРУБОПОРШНЕВАЯ ПОВЕРОЧНАЯ УСТАНОВКА

Полезная модель относится к измерительному оборудованию, а именно - к трубопоршневым поверочным установкам, и может быть использована в нефтегазовой отрасли промышленности.
Основными средствами, используемыми для поверки турбинных и других преобразователей расхода (ТПР) на узлах учета нефти (УУН), являются трубопоршневые поверочные установки (ТПУ).
По сравнению с другими средствами поверки ТПУ имеют большие преимущества:
- возможность поверки преобразователей на месте эксплуатации в процессе измерения в рабочих условиях;
- полная герметизация процесса поверки;
3
- возможность поверки ТПР на больших расходах - до 10.000 м/ч;
- независимость метрологических характеристик ТПУ от рода, вязкости жидкости и условий эксплуатации;
- возможность полной автоматизации процесса поверки.
3
Только благодаря применению ТПУ стало возможным проведение поверки турбинных счетчиков для коммерческого учета нефти и нефтепродуктов на месте эксплуатации. В настоящее время на предприятиях нефтяной промышленности для поверки счетчиков различного назначения применяются ТПУ пропускной способностью от 100 до 4000 м/ч, как отечественных, так и импортных производителей.
ТПУ представляет собой участок трубопровода, собранный из труб и отводов, в котором увлекаемый напором жидкости (нефти) движется шаровой поршень, прохождение которого фиксируется датчиками-детекторами. Участок, ограниченный детекторами и называемый калиброванным участком, выполняется из труб и отводов, калиброванных по внутреннему диаметру. В большинстве случаев внутренняя поверхность калиброванного участка тщательно очищается и на нее наносится покрытие на основе синтетических смол для защиты от коррозии и уменьшения трения при движении поршня. При прохождении поршня через первый детектор по его сигналу начинается отсчет импульсов от проверяемого ТПР. Когда поршень достигает второго детектора, по его сигналу отсчет импульсов прекращается. После прохождения калиброванного участка поршень необходимо вернуть обратно. По показанию счетчика и объему калиброванного участка ТПУ определяется коэффициент преобразования и другие метрологические характеристики ТПР.
По способу возврата поршня ТПУ разделяются на два типа: однонаправленные и двунаправленные. В однонаправленных ТПУ поршень всегда движется в одном направлении - от начала к концу калиброванного участка. Для этого между началом и концом калиброванного участка имеется устройство для пуска и приема поршня. С помощью этого устройства поршень запускается в калиброванный участок, а, после прохождения последнего, снова попадает в это устройство. В двунаправленных ТПУ поршень движется по калиброванному участку в обоих направлениях (совершает движение попеременно: то в одном, то в другом направлении). После каждого прохождения поршнем калиброванного участка изменяется направление движения жидкости с помощью устройства для изменения направления движения жидкости (переключателя потока).
В качестве наиболее близкого аналога (прототип) по совокупности существенных признаков для заявляемой полезной модели принята известная (фиг.2, стр.4 «Manual of Petroleum Measurement Standards Chapter 4-Proving Systems. Section 2-Conventional pipe Provers. First EDITION, OCTOBER 1998. American petroleum Institute 1220 L Street, Northwest, Washington, D.C. 20005) конструкция двунаправленной ТПУ, которая представляет собой участок трубопровода с ограниченным детекторами калиброванным участком, внутри которого движется шаровой поршень, соединенными шлюзом пусковой и приемной камерами и расположенным между камерами устройством для изменения направления движения жидкости. К причинам, препятствующим получению нижеуказанного технического результата, при использовании известной конструкции ТПУ относится то, что с целью уменьшения габаритов установки калиброванный участок ТПУ выполнен в виде петли, состоящей из труб и отводов.
Задача, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, заключается в модернизации испытательного оборудования нефтегазовой отрасли промышленности.
Основной технический результат, который можно получить при использовании данной полезной модели, состоит в повышении точности и достоверности проводимых измерений.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в известной двунаправленной трубопоршневой поверочной установке, представляющей собой участок трубопровода с ограниченным детекторами калиброванным участком, внутри которого движется шаровой поршень, соединенными шлюзом пусковой и приемной камерами и расположенным между камерами устройством для изменения направления движения жидкости, калиборованный участок выполнен прямолинейным.
Коэффициент преобразования и другие метрологические характеристики ТПР определяются по показанию счетчика и объему калиброванного участка ТПУ. Точность измерений возрастает за счет сохранения стабильности движения жидкости по прямому участку калиброванной трубы и сохранении стабильности гидравлического сопротивления в калиброванном участке ТПУ.
Объем прошедшей нефти в заявляемой полезной модели будет считаться по прохождению шарового поршня по прямой, в отличие от существующих конструкций, когда шаровой поршень идет «кругами». Наблюдения показали, что по прямолинейному участку трубы шаровой поршень движется плавно и без посторонних шумов, в то время, как при прохождении изгибов в отводах криволинейного калиброванного участка, отчетливо прослушивается его неравномерное движение и посторонние шумы (скрип), а по расходомеру наблюдается изменение расхода. То есть, в случае, когда калиброванный участок выполнен прямолинейным, гидравлическое сопротивление более стабильно.
Трубопоршневая установка является эталонным средством измерения, поэтому очень важным параметром является повторяемость измерений. Несмотря на то, что требуемая повторяемость +/- 0.02% обеспечивается и другими конфигурациями ТПУ, конфигурация ТПУ с прямым калиброванным участком обеспечивает более высокие характеристики по повторяемости и в целом по точности измерений, особенно при проведении поверки «безинерционных» расходомеров (ультразвуковых), а также при определении объема калиброванного участка ТПУ по воде на малых расходах. Кроме того, стабильность потока увеличивает срок службы эпоксидного покрытия трубы.
К дополнительному техническому результату можно отнести уменьшение сложности конструкции ТПУ: при конструировании калиброванного участка полезной модели необходим подбор только прямолинейной трубы, в отличие прототипа, когда требуется специальный подбор нескольких позиций калиброванных труб и отводов. При осуществлении полезной модели снижается трудоемкость технологического процесса изготовления ТПУ из-за отсутствия необходимости обеспечения точной соосности внутренних диаметров фланцев трубы и отводов калиброванного участка в прототипе.
Для повышения надежности измерений в начале и конце калиброванного участка могут быть установлены по два детектора, из которых наибольшее распространение получили простые, надежные и точные детекторы электромеханического типа.
Кроме детекторов, ТПУ может иметь датчики, сигнализирующие о положении поршня и о стадиях работы ТПУ (пуск поршня, проход через детекторы, приход в камеру и т.д.). Наличие таких датчиков облегчает управление ТПУ. Все ТПУ имеют приборы (датчики) для измерения температуры стенок, жидкости и давления на входе и выходе из установки. Для обеспечения полной автоматизации процесса поверки ТПУ снабжаются датчиками температуры и давления жидкости.
В частных случаях исполнения ТПУ приемная и пусковая камеры могут располагаться вертикально или наклонной, а также в одной плоскости с калиброванным участком.
Существует множество конструкций устройств для изменения направления движения жидкости (переключатель потока), среди которых можно выделить четырехходовый кран пробковой или Z-образной конструкции.
ТПУ может быть выполнена стационарной или передвижной (на автомобиле или прицепе).
Фиг.1, 2 - виды в изометрии стационарной ТПУ двунаправленного действия с четырехходовым краном;
Фиг.3 - устройство для изменения направления движения жидкости 2-х видов с поперечным разрезом:
а) четырехходовый кран Z-образной конструкции;
б) четырехходовый кран пробковый;
Фиг.4 - узел взаимодействия детектора ТПУ с шаровым поршнем в разрезе;
Фиг.5 - кинематическая схема передачи движения от детектора на контакты микропереключателя;
Фиг.6 - узел взаимодействия детектора ТПУ с шаровым поршнем в разрезе для определения основных параметров ТПУ.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления полезной модели с получением вышеуказанного технического результата, приводятся на примере устройства конкретной двунаправленной ТПУ.
Установка содержит (фиг.1, 2) калиброванный участок 1 с детекторами 2, внутри которого движется шаровой поршень 3, пусковую и приемную камеры 4 и установленное между ними устройство для изменения направления движения жидкости в виде четырехходового крана 5. Расположенные на концах калиброванного участка соединенные шлюзом приемная и пусковые камеры выполнены наклонными, имеют одинаковую конструкцию и представляют собой отрезок трубы, имеющий диаметр больше, чем диаметр калиброванного участка. На время поверки счетчиков ТПУ соединяют с УУН шарнирными (гибкими) трубопроводами.
Установка работает следующим образом.
Для поверки счетчика (преобразователь расхода) в трубопровод перед калиброванным участком вводится поршень, который полностью перекрывает сечение и движется вместе с жидкостью с одинаковой скоростью. При прохождении поршня через первый детектор по его сигналу начинается отсчет импульсов от поверяемого ТПР. Когда поршень достигает второго детектора, по его сигналу отсчет импульсов прекращается. По показанию счетчика и объему калиброванного участка ТПУ определяется коэффициент преобразования и другие метрологические характеристики ТПУ. После выхода из калиброванного участка шаровой поршень попадает в одну из камер и находится в ней в восходящем потоке до тех пор, пока направление движения не изменится на обратное и поршень опять не будет вовлечен в калиброванный участок.
Для изменения направления движения жидкости применяется четырехходовый кран Z-образной конструкции (фиг.3а), в цилиндрическом корпусе 6 которого находится Z-образный переключатель 7, способный поворачиваться вокруг вертикальной оси и уплотненный по периферии манжетой 8. Поворот крана осуществляется с помощью гидроцилиндра. Схема переключения потока ясна из рисунка. Для уменьшения сил трения и предотвращения разрушения манжеты при повороте крана манжета выполнена в виде трубки из полиуретана, внутренняя полость которой заполнена маслом. После поворота крана внутрь манжеты подается давление, трубка расширяется и осуществляется герметизация крана. Перед очередным поворотом давление внутри манжеты снижается, уменьшается ее сечение и исключается трение при повороте крана.
В описываемой ТПУ применяется поршень, выполненный в виде полого шара из полиуретана. Внутренняя полость шара заполняется жидкостью, для чего он снабжается клапаном, заделанным в стенку.
Материал и конструкция поршня соответствует следующим требованиям:
- стойкость к измеряемой среде;
- высокая механическая прочность и прочность на истирание;
- высокая эластичность;
- стойкость к воздействию температуры от минус 5 до +50°С;
- низкий коэффициент трения;
- конструкция поршня должна позволять изменять его диаметр путем закачивания жидкости под избыточным давлением.
Указанным требованиям удовлетворяют эластомеры типа полиуретанов. Толщина стенок поршня зависит от внутреннего диаметра калиброванного участка и составляет 25-50 мм и более в зависимости от внутреннего диаметра калиброванного участка ТПУ. При работе ТПУ диаметр поршня должен быть больше внутреннего диаметра труб калиброванного участка (так называемый "натяг"), чтобы исключить протечки жидкости между поршнем и стенками труб и отставание поршня от жидкости.
Для получения сигнала при прохождении поршня используются различные виды датчиков. Наибольшее распространение получили простые, надежные и точные детекторы электромеханического типа (фиг.4). Принцип работы такого детектора заключается в том, что шаровой поршень 3 воздействует на закругленный конец штока 9, нижний конец которого входит внутрь трубы на 5-10 мм, а последний воздействует через систему рычагов на контакты микропереключателя 10 (фиг.5). Контакты коммутируют цепь, по которой подается необходимый сигнал для начала или окончания отсчета импульсов сигнала ТПР. Основным требованием к детекторам является их высокая точность, т.е. способность фиксировать прохождение поршня в одной и той же точке с небольшим расхождением. Величиной этого расхождения и может быть выражена погрешность детекторов. От погрешности детекторов зависит длина калиброванного участка, его габариты и металлоемкость. Чем меньше погрешность детекторов, тем меньше может быть длина калиброванного участка.
Вторичный прибор (контроллер) ТПУ в общем случае обеспечивает:
- управление исполнительными органами ТПУ с контролем, индикацией операций и блокировкой аварийных ситуаций;
- автоматическое измерение параметров (количества импульсов выходного сигнала ТПР, температуры, давления);
- индикацию расхода жидкости;
- автоматическую обработку и регистрацию результатов поверки ТПР или счетчиков;
- ручной ввод постоянных параметров.
Фактическая погрешность ТПУ неодинакова и колеблется от 0,05 до 0,1% в зависимости от качества труб (постоянства диаметра, разностенности, овальности), покрытия, поршня и метода поверки.
Определение основных параметров ТПУ производится по следующей методике (фиг.5):
1) Определяется внутренний диаметр калиброванного участка, исходя из максимального расхода Qmax и скорости движения поршня 3. Скорость движения поршня может быть принята 3 м/с для всех типов ТПУ.
Тогда
3
где Qmax - в м/с.
2) Определяется минимальная длина калиброванного участка
Lmin=ΔL·10000,
где ΔL - погрешность срабатывания детектора, приведенная к ходу поршня
D - диаметр калиброванного участка;
d - диаметр головки штока детектора;
1
l - расстояние, на которое выступает шток 9 детектора в выходном положении.
ΔL определяется в процессе разработки ТПУ экспериментально или определяется расчетным путем через погрешность детектора по ходу его штока Δl. Экспериментальное определение Δl значительно проще, чем определение ΔL.
где Д - диаметр калиброванного участка;
d - диаметр головки штока детектора;
1
2
1
l - расстояние, на которое выступает шток детектора в выходном положении;; l=l-Δl
3. Определяется объем калиброванного участка
2
Vk=0,785ДL,
4. Проверяется погрешность отсчета количества импульсов от ТПР
где ΔN - абсолютная погрешность вторичного прибора ТПУ, в долях импульса;
Nmin - минимальное количество импульсов от поверяемого ТПР, соответствующее объему калиброванного участка ТПУ, импульсы.
где К - коэффициент преобразования ТПР, которые будут поверяться на данной ТПУ (берется минимальное значение).
Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при осуществлении заявленной полезной модели следующих условий:
- средство, воплощающее устройство при его осуществлении, предназначено для использования в нефтегазовой отрасли промышленности;
- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке и известных до даты приоритета заявки средств и методов;
- средство, воплощающее заявленную полезную модель при его осуществлении, способно обеспечить достижение вышеуказанного заявителем технического результата.