ПЛОТНОМЕР-РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ ИЛИ ГАЗОВЫХ СРЕД

Предполагаемая полезная модель относится к области измерительной техники, может быть использована для измерения расхода и параметров жидких или газовых сред непосредственно в трубопроводе и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей и других областях промышленности.
Известны способы и средства измерения расхода с помощью сужающих устройств. Они широко используются в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода жидкости, газа и пара. Все они работают на принципе измерения перепада давления. (Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества». - Л.: Машиностроение, 1998 г.)
Известен способ измерения расхода жидкостей, газа и пара по перепаду давления, который предусматривает использование расходомеров с сужающим устройством, установленным в специальной измерительной камере с диаметром, большим диаметра трубопровода. (Пат. RU №2111457 «Способ измерения расхода», приоритет 12.10.1993 г., опубл. 20.05.1998 г.)
При измерении расхода условное проходное отверстие трубопровода не уменьшается, а перепад давления соизмерим с потерей давления в трубопроводе на участке, длина которого равна длине измерительной камеры. Зная давление и параметры среды в основном трубопроводе по стандартным методикам расчета сужающих устройств, определяют, путем решения от обратного, основные геометрические размеры измерительной камеры, а далее выбирают тип и характеристики дифференциального измерителя.
Недостатком устройства по известному способу является то, что в каждом конкретном случае при измерении жидких или газовых сред
происходит подбор измерительной камеры по известным заранее рабочим условиям и свойствам измеряемой среды: плотности, вязкости, температуры, давления. При этом подразумевается, что указанные параметры постоянны. Практически же, в зависимости от температуры окружающей среды и расхода происходит изменение плотности, вязкости, температуры и давления, что увеличивает погрешность при измерении.
Известен плотномер жидких или газообразных сред, содержащий -образную (петлеобразную) трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок. (Патент на полезную модель №67263, опубл. 10.10.2007 г., бюл. №28)
Для повышения точности измерения он снабжен дополнительным датчиком температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки и дополнительным отборником давления, расположенным на корпусе для термометра. В качестве «эталонной» жидкости использована жидкость, контактирующая с рабочей средой, но не смешивающаяся с ней. Кроме того, отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, расположенный на корпусе для термометра, находятся на одном уровне в нижней части петли.
Недостатком известного плотномера, обладающего возможностью измерении рабочих сред, является то, что при малых расходах газа и небольших давлениях в трубопроводе (скоростях потока V<10 м/с и давлении Р<1,0 МПа), он переходит в разряд индикатора наличия потока. Для скважин с малым дебитом газа нужен плотномер-расходомер другого принципа действия, например, с использованием сужающего устройства, повышающим скорость потока порядка до 20÷30 м/с.
Задачей заявляемого устройства является расширение эксплуатационных возможностей, повышение точности измерения параметров жидких или газовых сред в трубопроводе с небольшим расходом.
2
1
Задача решается тем, что в плотномере-расходомере жидких или газовых сред, содержащем измерительную колонку, установленную на трубопроводе, два датчика разности давления, расположенные в нижней части измерительной колонки, датчик температуры рабочей среды, датчик абсолютного давления, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление рабочей среды непосредственно контактным методом, датчик температуры «эталонной» жидкости, залитой в импульсные трубки, расположенные на одном уровне в нижней части измерительной колонки два отборника давления, и отборник давления, установленный на корпусе для термометра, а также регистрирующий блок; измерительная колонка выполнена в виде двух коаксиальных, установленных с кольцевым зазором вертикальных труб - с внешней трубой и внутренней трубой, являющейся отводом колена трубопровода с измеряемой средой, верхняя часть которого снабжена сужающим устройством с насадкой, при этом, площадь сечения внутренней трубы равна площади сечения кольцевого зазора, а длина насадки выбирается из условия: l=(3÷4)d, где: l - длина насадки, мм, а d - диаметр насадки, мм, при этом измерительная колонка снабжена третьим датчиком разности давления в верхней части указанной колонки и датчиком давления, установленном на внешней стенке отвода трубопровода в нижней части указанной колонки, кроме того, два датчика давления установлены под прямым углом на стенке внешней трубы, при этом указанные датчики давления расположены на одном уровне в нижней части вертикальной колонки от уровня, которого на расстоянии Н размещен дополнительный датчик давления, связанный импульсной трубкой с «эталонной» жидкостью с датчиком давления на стенке внешней трубы, а на расстоянии H - другой дополнительный датчик давления, соединенный импульсной трубкой с датчиком давления на корпусе термометра, при этом, два
датчика давления, расположенные под прямым углом на стенке внешней трубы, соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью с одним из указанных датчиков разности давления, а датчик давления, установленный на корпусе термометра, соединен импульсной трубкой с «эталонной» жидкостью с плюсовой камерой другого датчика разности давления, датчик давления, установленный на внешней стенке отвода трубопровода, аналогично связан с минусовой камерой этого же датчика разности давления, кроме того, внешняя труба измерительной колонки снабжена крышкой, в которой выполнено отверстие, для установки третьего датчика разности давления, плюсовая камера которого непосредственно контактирует с рабочей средой, а минусовая камера - соединена с измерительной импульсной трубкой, размещенной в потоке рабочей среды при выходе из насадки сужающего устройства внутренней трубы, а измерение плотности среды осуществляется по формулам:
г.
3
где: ρ - плотность измеряемой газовой среды, кг/м;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
t.эт.
3
ρ - плотность "эталонной" жидкости, при температуре окружающей среды, кг/м;
1
1
ΔP - разность давления между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления рабочей среды и потерями на трение на участке высоты H в трубопроводе на восходящем потоке, Па;
2
2
ΔР - разность давления между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического давления рабочей среды и потерями на трение на участке высоты Н в измерительной колонке в нисходящем потоке, Па;
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
1
H - расстояние между дополнительным датчиком давления и датчиком давления, установленном на стенке внешней трубы, м;
2
Н - расстояние между другим дополнительным датчиком давления и датчиком давления, установленном на стенке трубопровода, м;
1k
2k
H и Н - высота компенсации столба «эталонной» жидкости для выбора диапазона измерения плотности газа, м,
а измерение объемного расхода газа определяется по следующей формуле:
г
3
где: Q - объемный расход газа, м/с;
d - диаметр насадки, м;
м
d - диаметр мембраны третьего датчика разности давления, м;
ΔР - перепад давления, измеряемый третьим датчиком разности давления, Па;
г.
3
ρ - плотность измеряемого газа, кг/м,
а измерение массового расхода потока жидкости определяется по формуле:
ж
где: M - массовый расход жидкости, кг/с;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
d - диаметр насадки, м;
м
d - диаметр мембраны третьего датчика разности давления, м;
ΔР - перепад давления, измеряемый третьим датчиком разности давления, Па.
Кроме того, в плотномере-расходомере датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, и датчики разности давления соединены с регистрирующим блоком.
На фиг.1 изображено заявляемое устройство.
Плотномер-расходомер газовых сред содержит: входной патрубок 1, измерительную колонку, выполненную в виде двух коаксиальных,
установленных с кольцевым зазором вертикальных труб, внешней трубой 2 и с внутренней трубой 3, являющейся отводом колена трубопровода с измеряемой средой с диаметром D, верхняя часть которого снабжена сужающим устройством 4 с насадкой 5, при этом, площадь сечения трубопровода равна площади сечения кольцевого зазора (проходного кольца) между трубами, а длина насадки выбирается из условия:
где: l - длина насадки, мм;
d - диаметр насадки, мм.
м
В крышке 6 измерительной колонки выполнено отверстие 7, для установки датчика разности давления 8, плюсовая камера которого с диаметром d непосредственно контактирует с измеряемой средой, а его минусовая камера связана с измерительной импульсной трубкой 9, установленной в непосредственной близости от выхода потока среды из насадки 5 сужающего устройства.
2
В нижней части измерительная колонка плотномера-расходомера содержит: два датчика разности давления 10 и 11, датчик давления 12, установленный на корпусе термометра 13 с «эталонной» жидкостью, который соединен импульсной трубкой 14 с «эталонной» жидкостью с плюсовой камерой датчика разности давления 11, другой датчик давления 15, установленный на внешней стенке отвода трубопровода 3, соединен импульсной трубкой 16 с «эталонной» жидкостью с минусовой камерой указанного датчика разности давления, два датчика давления 17 и 18, расположенные под прямым углом на стенке внешней трубы измерительной колонки 2, соединены импульсными трубками 19 и 20 с «эталонной» жидкостью с датчиком разности давления 10. Указанные датчики давления расположены на одном уровне в нижней части вертикальной колонки, от уровня которого на расстоянии Н расположен дополнительный датчик давления 21, связанный импульсной трубкой 22 с «эталонной» жидкостью с датчиком давления 18 на внешней стенке измерительной колонки
1
(внешней трубы), а на расстоянии H - другой дополнительный датчик давления 23, соединенный импульсной трубкой 24 с «эталонной» жидкостью с корпусом термометра 13, залитом «эталонной» жидкостью, где установлен датчик температуры 25. В качестве «эталонной» жидкости используется жидкость, непосредственно контактирующая с измеряемой средой, но не смешивающаяся с ней, например, кремнеорганическая, имеющая известные коэффициенты объемного расширения и сжатия. Датчики давления 15, 17, 18, 21 и 23 имеют герметичные вводы внутрь измеряемых объемов. На входном патрубке установлен датчик абсолютного давления 26, а на выходном патрубке размещен датчик температуры рабочей среды 27. Датчик абсолютного давления 26, датчик температуры рабочей среды 27, датчик температуры «эталонной» жидкости 25, датчики разности давления 10, 11 и 8 соединены с регистрирующим блоком 28, который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность рабочей среды и объемный или массовый расход, и выдает на средство визуализации, например, компьютер (на фиг. не показано). После прохождения измерительной колонки среда выходит из патрубка 29.
Плотномер-расходомер газовых или жидких сред работает следующим образом.
k
Измеряемая среда (рабочая среда «Q») поступает на вход патрубка 1, проходит по вертикальной колонке 3 трубопровода с диаметром D, далее среда изливается из сужающего отверстия 5 с диаметром d и попадает в межтрубное пространство измерительной колонки 2 с проходным кольцевым сечением с диаметром D. При этом, отборники давления 17, 18, и 21, имея герметичные вводы внутрь межтрубного пространства, передают давление посредством импульсных трубок 19, 20, 22 в датчик разности давления 10, а отборник давления 15, имея герметичный ввод внутрь трубопровода 3, отбирает давление из трубопровода и посредством импульсной трубки 16 передает его в минусовую камеру датчика разности давления 11, плюсовая камера которого соединена импульсной трубкой 14 с
датчиком давления 12 на корпусе термометра 13, где датчиком температуры 25 измеряется температура окружающей среды. При этом, датчик давления 23, имея герметичный ввод внутрь трубопровода 3, отбирает давление и передает посредством импульсной трубки 24 и 14 в плюсовую камеру датчика разности давления 11. Пройдя по кольцевому пространству, рабочая среда выходит из патрубка 29. Датчик абсолютного давления 26, датчик температуры «эталонной» жидкости 25, датчик температуры рабочей среды 27, датчики разности давления: 10, 11, 8 соединены с регистрирующим блоком 28.
В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды.
Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета параметров газа и жидкости.
1
1
Исследуемый поток рабочей среды Q проходит вертикальный отвод трубопровода 3, где датчиком разности давления 11 измеряется перепад давления ΔP как разность давления между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления среды и потерями на трение на участке высоты H в трубопроводе:
1эт
где: ΔР - давление, создаваемое столбом «эталонной» жидкости;
1г.
1
ΔР - гидростатическое давление столба газа, определяемое расстоянием H;
1TР
ΔP - потери давления на трение между точками отбора давления 15 и 23;
1k
1k
ΔP - компенсационный перепад давления на высоте H.
k
2
После прохождения сужающего отверстия 5 поток газа Q проходит в межтрубном пространстве диаметром D, площадь сечения которого равна площади сечения трубопровода, при этом датчиком разности давления 10 измеряется перепад давления ΔР как разность давления между столбом
2
«эталонной» жидкости и разностью гидростатического давления газа и потерями на трение на участке высоты Н в измерительной колонке 2:
2эт
где: ΔР - давление, создаваемое столбом «эталонной» жидкости;
2г
2
ΔP - гидростатическое давление столба газа, определяемое расстоянием Н;
2тр
ΔР - потери давления на трение между точками отбора давления 18 и 21;
2k
2k
ΔP - компенсационный перепад давления на высоте Н.
1ТР
2тр.
По условию решения задачи: ΔP≈ΔP, так как потоки газа противоположного направления.
После преобразований уравнений 2 и 3 получаем:
t.эт
3
где: ρ - плотность «эталонной» жидкости при рабочей температуре, кг/м;
г
ρ - плотность газа в рабочих условиях (при давлении Р и температуре Т=273+t°C);
2
g - ускорение свободного падения, м/с;
1
2
H и Н - высоты точек отбора давления, м;
1k
2k
H и H высоты компенсации столба «эталонной» жидкости для выбора диапазона измерения плотности газа, м;
1k
2k
Высоты компенсации H и H выбираются из условия:
1k
1эт
1г
2k
2эт
2г
1г
г
1
2г
г
2
где: ΔP=ΔР-ΔP и ΔP=ΔР-ΔР, при этом, ΔP=ρgH, a ΔР=ρgH
После преобразований уравнения 5, получаем:
При выходе из сужающего устройства с насадкой 5 динамическое давление рабочей среды воспринимается мембраной плюсовой камеры датчика разности давления 8, а статическое давление передается через импульсную трубку 9 в его минусовую камеру, при этом сила давления цилиндрической струи, проходящей через насадку, на мембрану равна:
0
0
0
где: ϑ=V·W,
или
0
2
где: W - площадь сечения насадки, м,
0
V - скорость потока в насадке, м/с.
Согласно источника [4]
где: ΔР - перепад давления, измеряемый третьим датчиком разности давления 8, Па;
эф
2
S - эффективная площадь, воспринимающая скоростной поток, м.
Подставляя F из формулы 8, получаем:
или , откуда:
где:
м
d - диаметр мембраны, м;
d - диаметр насадки, м, тогда:
г
3
где: Q - объемный расход газа, м/с;
d - диаметр насадки, м;
м
d - диаметр мембраны третьего датчика разности давления, м;
ΔР - перепад давления, измеряемый третьим датчиком разности давления, Па;
г.
3
ρ - плотность измеряемого газа, кг/м4
а измерение массового расхода потока жидкости определяется по формуле:
ж
где: M - массовый расход жидкости, кг/с;
ж
3
ρ - плотность измеряемой жидкости, кг/м;
d - диаметр насадки, м;
м
d - диаметр мембраны третьего датчика разности давления, м;
ΔР - перепад давления, измеряемый третьим датчиком разности давления, Па.
Плотность и массовый расход жидких потоков определяют по формулам:
при этом:
1эт
где: ΔР - давление, создаваемое столбом «эталонной» жидкости;
1ж.
1
ΔР - гидростатическое давление столба жидкости, определяемое расстоянием H;
1TР
ΔP - потери давления на трение между точками отбора давления 15 и 23.
2эт
где: ΔР - давление, создаваемое столбом «эталонной» жидкости;
2ж
2
ΔP - гидростатическое давление столба жидкости, определяемое расстоянием Н;
2тр
ΔP - потери давления на трение между точками отбора давления 18 и 21.
1ТР
2тр.
По условию решения задачи: ΔP≈ΔР, так как потоки жидкости - противоположного направления.
После преобразований уравнений 11 и 12, получаем:
и полученный аналогично расчету по газу массовый расход жидкости:
Использование предлагаемого изделия позволяет измерять плотность газа или жидкости, определять их количество в трубопроводах с небольшим расходом.
Источники информации:
1. Кремлевский П.П. «Расходомеры и счетчики количества». - Л.: Машиностроение, 1998 г.
2. Патент RU №2111457 «Способ измерения расхода», приоритет 12.10.1993 г., опубл. 20.05.1998 г.
3. Патент на полезную модель №67263, опубл. 10.10.2007 г., бюл. №28.
4. А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский, Л.П.Иванов, Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1985 г.