Измерительная система для определения истинного объёмного газосодержания
MEASURING SYSTEM TO DETERMINE THE TRUE VOLUME GAS CONTENT

Изобретение относится к измерительным системам для определения физических свойств двухфазных потоков, а именно, к измерительным системам для определения истинного объемного газосодержания потока масловоз душной эмульсии в трубопроводе. Изобретение может быть использовано в системах смазки авиационного газотурбинного двигателя, а также в стационарных газотурбинных установках и других энергетических объектах. Также измерительная система может быть использована для определения содержания газа в других двухфазных газовых эмульсиях для управления различными технологическими процессами.
Величина объемного содержания газа в масловоздушной эмульсии необходима для расчета ее плотности, используемой при решении задач, касающихся определения параметров газожидкостных сред. Как правило, требуется долговременное непрерывное измерение в реальном времени значения истинного объемного газосодержания двухфазного потока на различных режимах работы оборудования.
Работа измерительных систем для определения содержания газа в потоке газовой эмульсии основана на различных физических принципах. Измерительные системы позволяют определить истинное газосодержание в сечении трубопровода, в локальной пробе или в объеме участка трубопровода.
Известна измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока газовой эмульсии, включающая генератор, возбуждающий акустические колебания в газожидкостной среде (RU 2115116, 1998). Недостатком данной измерительной системы является изменение гидродинамического режима потока и сложность ее реализации в трубопроводах маленького диаметра, например, в топливной или масляной системе двигателей.
Известна система для измерения истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода, содержащая источник и детектор ионизирующего излучения (SU 1022002, 1983), однако ее использование ограничено требованиями техники безопасности. Данная система может применяться только в отношении газовых эмульсий, не содержащих не чувствительные к инфракрасному излучению азот, кислород, гелий, аргон, криптон, ксенон.
Известна измерительная система для определения объемного газосодержания в газожидкостной среде в трубопроводе, включающая измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, датчики температуры, давления и скорости потока между двумя сечениями участка и электронный вычислительный блок, выполненный с возможностью расчета объемного газосодержания по уравнению состояния идеального газа, принимая двухфазную газожидкостную систему как смесь идеального сжимаемого газа и несжимаемой жидкости (US 6847898, 2005). Недостатком известного технического решения является низкая точность определения термодинамических характеристик эмульсии, таких как скорость звука, показатель адиабаты и др. В частности, расчет скорости звука в водовоздушной эмульсии без учета сжимаемости жидкой фазы составляет 330 м/с, а с учетом сжимаемости - 25 м/с, что подтверждается экспериментальным ее измерением.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе (RU 152854, 2015), включающая измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено средство измерения давления и температуры масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок, электрически подключенный к средству измерения давления и температуры.
Недостатком известного технического решения является необходимость использования метода последовательных приближений при решении двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными для расчета объемного газосодержания. Указанный метод требует существенных затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания и может не обеспечить получения достоверного результата.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в сокращении затрат времени на определение истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в определении величины истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.
эм
эм
эм
эм
Технический результат достигается за счет того, что измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено средство измерения давления Р и температуры Т масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок, электрически подключенный к средству измерения давления Р и температуры Т, причем измерительная система дополнительно включает устройство для измерения объемного расхода, установленное на входе измерительного участка, и датчик перепада давления, установленный между входом и выходом измерительного участка, при этом электрические выходы устройства для измерения объемного расхода и датчика перепада давления подключены к электронному вычислительному блоку, а электронный вычислительный блок выполнен с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по следующему соотношению:
эм
ж
т.тр
изм
изм
ж
г
2
α=(ρ-КΔР/Q)/(ρ-ρ),
где:
эм
α - истинное объемное газосодержание;
ж
эм
эм
ρ - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р;
т.тр
4
К - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м;
изм
ΔР - измеренный перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка;
изм
Q - измеренный объемный расход масловоздушной эмульсии;
г
эм
эм
ρ - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р,
причем:
где:
тp
F - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода;
тp
λ - коэффициент потерь на трение измерительного участка трубопровода;
тp
l - длина измерительного участка трубопровода;
тp
d - диаметр измерительного участка трубопровода;
м
ζ - суммарный коэффициент местных потерь давления на измерительном участке трубопровода.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как дополнение измерительной системы устройством для измерения объемного расхода, установленным на входе измерительного участка, подключенным электрическим выходом к электронному вычислительному блоку, и датчиком перепада давления, установленным между входом и выходом измерительного участка, также подключенным электрическим выходом к электронному вычислительному блоку, и выполнение электронного вычислительного блока с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по определенному соотношению позволяет определять величину истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием измерительной системы для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе со ссылкой на фигуру, где показана схема измерительной системы.
эм
эм
эм
эм
Измерительная система для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок 1 трубопровода, на входе 2 которого установлено средство 3 измерения давления Р и температуры Т масловоздушной эмульсии, и электронный вычислительный блок 4 для расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии, а также плотности масла и воздуха, электрически подключенный к средству 3 измерения давления Р и температуры Т. Измерительная система дополнительно включает устройство 5 для измерения объемного расхода, установленное на входе 2 измерительного участка 1, и датчик 6 перепада давления, установленный между входом 2 и выходом 7 измерительного участка 1. Электрические выходы устройства 5 для измерения объемного расхода и датчика 6 перепада давления подключены к электронному вычислительному блоку 4, а электронный вычислительный блок 4 выполнен с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по следующему соотношению:
где:
эм
α - истинное объемное газосодержание;
ж
эм
эм
ρ - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р;
т.тр
4
К - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м;
изм
ΔР - измеренный перепад давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка;
изм
Q - измеренный объемный расход масловоздушной эмульсии;
г
эм
эм
ρ - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р,
причем:
где:
тp
F - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода;
тp
λ - коэффициент потерь на трение измерительного участка трубопровода;
тp
l - длина измерительного участка трубопровода;
тp
d - диаметр измерительного участка трубопровода;
м
ζ - суммарный коэффициент местных потерь давления на измерительном участке трубопровода.
эм
эм
Средство 3 измерения давления Р и температуры Т масловоздушной эмульсии может быть выполнено в виде отдельных датчиков давления и температуры или в виде комбинированного датчика давления и температуры.
Устройство 5 для измерения объемного расхода установлено на входе 2 измерительного участка 1. Датчик 6 перепада давления входами подключен к входу 2 и выходу 7 измерительного участка 1. Средство 3 измерения давления и температуры установлено на входе 2 измерительного участка 1, в сечении, в котором определяют истинное объемное газосодержание потока двухфазной масловоздушной эмульсии. Течение масловоздушной эмульсии в трубопроводе обеспечивает источник 8 давления, который не является элементом измерительной системы.
эм
эм
Средство 3 измерения давления Р и температуры Т, устройство 5 для измерения объемного расхода и датчик 6 перепада давления могут быть смонтированы с помощью штуцеров на внутренней поверхности измерительного участка 1 трубопровода с целью минимизации влияния их положения на течение потока в трубопроводе.
В качестве устройства 5 для измерения объемного расхода может быть использован известный из уровня техники датчик объемного расхода или электроприводной насос-измеритель объемного расхода (RU 2540204, 2015), в контроллере которого содержится алгоритм определения объемного расхода по предварительно полученной экспериментальной зависимости объемного расхода через насос от частоты вращения насоса и перепада давления на нем.
В частности, длина измерительного участка 1 может составлять не менее семи размеров его диаметра. Для повышения точности измерения перепада давлений длину участка 1 целесообразно выбирать максимально возможной.
Устройство 5 для измерения объемного расхода и датчики 3, 6 выполнены с возможностью формирования электрических измерительных сигналов, соответствующих параметрам потока двухфазной масловоздушной эмульсии, а электронный вычислительный блок 4 может включать алгоритмы обработки результатов измерений, например, алгоритмы осреднения значения параметра на заданном интервале и компенсации инерционности каналов измерения в виде известного уравнения:
кор
изм
изм
изм
Х=Х+τdХ/dt,
где:
кор
Х - скорректированное значение параметра;
изм
Х - измеренное значение параметра;
изм
-
τ постоянная времени средства измерения;
изм
dХ/dt - величина производной измеряемого параметра.
тp
тp
тp
м
ж
г
эм
эм
В память вычислительного блока 4 вводятся характеристики измерительного участка 1 трубопровода: длина l, диаметр d, коэффициент λ потерь на трение, суммарный коэффициент ζ местных потерь давления, а также коэффициенты аналитических выражений или двумерные таблицы зависимостей плотности ρ масла и плотности ρ воздуха от давления Р и температуры Т в масловоздушной эмульсии для получения вычисленных текущих значений этих величин:
ж
1
эм
эм
ρ=f(Р,Т);
г
2
эм
эм
ρ=f(Р,Т),
где:
1
эм
эм
ж
эм
эм
f(Р,Т) - функция, выражающая зависимость ρ от Р и Т;
2
эм
эм
г
эм
эм
f(Р,Т) - функция, выражающая зависимость ρ от Р и Т.
тp
м
тp
Величины коэффициентов λ и ζ могут определяться по известным соотношениям (см., например, И.Е. Идельчик, «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», 3-е издание, Москва, «Машиностроение», 1992, с. 10-11, 29-32). В частности, коэффициент λ может определяться с учетом числа Рейнольдса (Re) как:
тp
λ=64/Re.
Измерительная система для определения истинного объемного газосодержания работает следующим образом.
эм
Вычислительный блок 4 считывает информацию с устройства 5 для измерения объемного расхода, средства 3 измерения давления и температуры, и датчика 6 перепада давления. Производится обработка полученной информации, например, в части компенсации инерционности средств измерения и осреднения результатов на заданном интервале времени, рассчитываются величины плотности масла и воздуха по заложенным в память электронного вычислительного блока 4 данным, и определяется значение истинного объемного газосодержания α по соотношению (1).
эм
Далее с устройства 5 для измерения объемного расхода, средства 3 измерения давления и температуры, и датчика 6 перепада давления считываются новые значения параметров, и определяется новое значение α.
Как известно, характер течения в трубопроводах микропузырьковых газожидкостных сред, к которым относится и двухфазная масловоздушная эмульсия, ничем не отличается от характера течения однофазной жидкости (см., например, статью Б.В. Бошенятова «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6, с. 160). Следовательно, величина массового расхода может быть определена из формулы Дарси-Вейсбаха для расчета потерь давления из-за трения эмульсии о стенки трубопровода, которая после перехода от объемного расхода к массовому и учета потерь давления на местных сопротивлениях в трубопроводе имеет следующий вид:
где:
эм.н
эм.к
Р и Р - величина давления соответственно на входе 2 и выходе 7 измерительного участка 1;
тp
G - величина массового расхода;
эм
ρ - плотность эмульсии на входе в участок 1 трубопровода;
тp
F - площадь проходного сечения измерительного участка 1 трубопровода, равная:
тр
тp
2
F=πd/4.
тp
изм
Соотношение (2) показывает, что величина G может быть рассчитана по измеренной величине перепада ΔР давления в участке 1 трубопровода, равной разности величин давлений на его входе 2 и выходе 7, и характеристикам измерительного участка 1 (геометрическим данным и коэффициентам потерь).
тp
изм
эм
Величина G может быть также определена по измеренной величине объемного расхода Q и плотности ρ эмульсии по соотношению:
Так как величина массового расхода одинакова для потока эмульсии в трубопроводе, то подставляя соотношение (3) в соотношение (2) получим следующее равенство:
откуда соотношение для расчета плотности эмульсии имеет вид:
причем
изм
изм
В соотношение (4) входят только известные характеристики трубопровода и измеренные значения перепада ΔР давления и объемного расхода Q.
Подставляя в соотношение (4) известное выражение для плотности эмульсии:
эм
эм
ж
эм
г
ρ=(1-α)ρ+αρ,
получим соотношение:
ж
т.тр
изм
изм
эм
ж
г
ρ-КΔР/Q=α(ρ-ρ),
из которого получаем выражение для расчета величины объемного газосодержания:
эм
ж
т.тр
изм
изм
ж
г
2
α=(ρ- КΔР/Q)/(ρ-ρ).
изм
изм
тр
тр
ж
г
эм
Таким образом, используя измеренные объемный расход Q эмульсии и перепад ΔР давления в участке 1 трубопровода длиной l и диаметром d, а также рассчитанные текущие значения плотности ρ масла и плотности ρ воздуха можно рассчитать величину истинного объемного газосодержания α потока двухфазной масловоздушной эмульсии по соотношению (1).
эм
Соотношение (1) позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания α прямым вычислением, что подтверждает решение заявленной технической проблемы с достижением технического результата - сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.
Решение проблемы определения объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии особенно актуально для систем смазки газотурбинных двигателей (ГТД). В опорах ГТД образуется устойчивая масловоздушная эмульсия, которая откачивается насосами в маслобак (Гулиенко А.И. и др. Особенности рабочего процесса в масляной полости опор ротора газотурбинного двигателя // VI Международная НТК «Проблемы химмотологии: от эксперимента к математическим моделям высокого уровня». Сборник избранных докладов. - М.: «Граница», 2016, - с. 38-46). Информация о содержании воздуха в масловоздушной эмульсии позволяет достоверно рассчитать потери давления в тракте откачки, величину гидравлической мощности откачивающих насосов и другие параметры, на основании которых определяются диаметр трубопроводов, мощность электропривода для вращения насосов и др.
Предложенная измерительная система позволяет определять текущее мгновенное значение истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе на установившихся и переходных режимах, например, в тракте откачки масловоздушной эмульсии из опор роторов ГТД.
эм
В качестве дополнительного технического результата при осуществлении заявленной измерительной системы также повышается точность и достоверность определения величины истинного объемного газосодержания α, поскольку прямое вычисление с учетом потерь давления на трение в отличие от метода последовательных вычислений гарантирует сходимость процесса расчета, например, при скачках давления в трубопроводе.