ОБЪЕМНО-МАССОВЫЙ РАСХОДОМЕР СЖИЖЕННЫХ ГАЗОВ

Предполагаемая полезная модель относится к области измерения параметров сжиженного газа непосредственно в потоке и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен плотномер для жидких сред, содержащий петлеобразную трубу, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три преобразователя давления, установленные соответственно на восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвях трубы, два дифференциальных манометра и регистрирующий прибор (Авт. свид. СССР №1325328, опубл. Бюл. №27, 23.07.1987 г.).
Недостатком плотномера является отсутствие автоматической коррекции плотности «эталонной» жидкости по температуре и давлению применительно к рабочим условиям измеряемой среды, что сказывается на точности измерения плотности жидкости.
Известен плотномер жидких или газообразных сред, в основу которого заложен метод сравнения плотности «эталонной» жидкости с плотностью рабочей среды, что на порядок повышает точность измерения (пат. РФ №67263, G01N 9/26, приор. 24.05.2007 г., опубл. 10.10.2007 г.).
Известный плотномер, содержит петлеобразную трубу, 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. Плотномер 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, а плотность жидкости или газообразных сред определяется по прилагаемым формулам.
Кроме того, датчик абсолютного давления, два датчика разности давления, датчики температуры рабочей среды и температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.
Недостаток известного плотномера-расходомера заключается в следующем.
Конструкция устройства содержит два датчика разности давления, на основе показаний которых обеспечивается измерение параметров измеряемой среды. При этом для расчета скорости, массы и вязкости применяются разные формулы в зависимости от характера течения: ламинарного или турбулентного. При турбулентном потоке расход может измеряться только в индикаторном режиме, что сказывается на точности. Ламинарный поток характерен для вязких сред, что ограничивает область применения устройства для измерения параметров сред с другим течением.
Задача заявляемой полезной модели заключается в повышении точности результатов измерения за счет усовершенствования конструкции.
Указанная задача решается тем, что объемно-массовый расходомер сжиженных газов (измеряемая среда), содержащий петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей и нисходящей ветвей, отборники давления, установленные на одном уровне соответственно на восходящей и нисходящей ветвях петлеобразной трубы, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающей давление измеряемой среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, в отличие от известного, снабжен третьим датчиком разности давления, установленным в крышке верха восходящей петли, в которой выполнено отверстие для сообщения измеряемой среды с диафрагмой третьего датчика разности давления, а в верхней части измерительных ветвей установлена емкость с «эталонной» жидкостью, поддерживающая уровень «эталонной» жидкости в импульсных трубках, при этом регистрирующий блок снабжен программой для измерения и расчета плотности, расхода, вязкости и скорости потока сжиженного газа по формулам:
где
с.г.
м
кг
3
ρ - плотность сжиженного газа, / ,
tэm
м
кг
3
ρ - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, / ,
1
ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления, измеряемой среды и потерями давления на восходящей ветви, Па,
2
ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического столба измеряемой среды и потерями давления на нисходящей ветви, Па,
м
2
с
g - ускорение свободного падения, / ,
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,
V - скорость потока сжиженного газа, м/с,
3
ΔР - разность давлений между «минусовой» и «плюсовой» камерами третьего датчика разности давлений, установленного в крышке восходящей ветви 1, Па,
м
d - диаметр мембраны третьего датчика раности давлений, м,
н
d - диаметр восходящей и нисходящей ветвей, м,
3
Q - объемный расход сжиженного газа, м/сут,
М - массовый расход сжиженного газа, т/сут,
υ - вязкость сжиженного газа, сСт,
1
2
L - средняя суммарная длина восходящей и нисходящей петель между точками отбора давления «минусовых» камер датчиков разности давлений ΔP и ΔР, м.
На фигуре изображено заявляемое устройство.
Объемно-массовый расходомер сжиженных газов (измеряемая среда) содержит петлеобразную трубу, состоящую из восходящей 1 и нисходящей 2 ветвей, импульсные трубки 3 и 4, заполненные «эталонной» жидкостью, непосредственно контактирующей с измеряемой средой, но не смешивающейся с ней, например, кремнеорганической, имеющей известные коэффициенты объемного расширения и сжатия, четыре отборника давления, два из которых 5 и 6 находятся на одном уровне, а отборники давления 7 и 8 расположены на расстоянии h от уровня расположения отборников давления 5 и 6. При этом, отборники давления 5 и 7 установлен на восходящей ветви 1, отборник давления 6 и 8 - на нисходящей ветви 2. Два датчика разности давления 9 и 10 связаны с восходящей ветвью 1 и нисходящей ветвью 2 соответственно, а также с импульсными трубками 3 и 4, заполненными «эталонной» жидкостью. При этом отборник давления 5, отбирающий давление из внутренней части восходящей ветви 1 соединен через вентиль 11 с «минусовой» камерой датчика разности давления 9, а отборник давления 7, отбирающий давление из внутренней верхней части восходящей ветви 1, через вентиль 12 и импульсную трубку 3 с вентилем 13 передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давления 9.
Отборник давления 6, отбирающий давление из внутренней части нисходящей ветви 2 соединен через вентиль 14 с «минусовой» камерой датчика разности давления 10, а отборник давления 8, отбирающий давление из внутренней верхней части нисходящей ветви 2, через вентиль 15 и импульсную трубку 4 с вентилем 16 передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давления 10.
В крышке 17 восходящей ветви 1 выполнено отверстие 18 для сообщения измеряемой среды с диафрагмой третьего датчика 19 разности давления, а в верхней части восходящей 1 и нисходящей ветвей 2 установлена емкость 20 с «эталонной» жидкостью, поддерживающая уровень «эталонной» жидкости в импульсных трубках 3 и 4.
Датчик абсолютного давления 21 измеряемой среды «Q» установлен на прямом участке в начале восходящей ветви 1, а датчик температуры измеряемой среды 22 установлен на выходе нисходящей ветви 2.
Датчики разности давления 9, 10 и 19, датчик температуры 22, датчик абсолютного давления 21 связаны с регистрирующим блоком 23 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность, расход, вязкость и скорость потока сжиженного газа и выдает на средство визуализации, например компьютер (на фиг. не показано). Позиции 24, 25, 26, 27 и 28 - рабочие вентили измерительных линий. Поз. Н - обозначает среднюю длину полупетли между точками 5 и 6 отбора давления в «минусовые» камеры датчиков разности давления 9 и 10. Длина петли L = 2Н.
Объемно-массовый расходомер сжиженных газов работает следующим образом.
В рабочем положении вентили: 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 24 открыты, а вентили: 25, 26, 27 и 28 - закрыты.
1
Сжиженный газ (измеряемая среда «Q») поступает на вход восходящей ветви 1, где датчиком 21 абсолютного давления измеряется давление и передается на БОИ 23. Далее измеряемая среда поднимается по восходящей ветви 1, при этом отборник давления 5 передает давление на датчик разности давления 9 в его «минусовую камеру», а отборник давления 7, отбирающий давление из внутренней верхней части восходящей ветви 1, через вентиль 12 и импульсную трубку 3 с вентилем 13 передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давления 9. показания которого ΔР поступают в БОИ 23.
м
3
Далее измеряемая среда поднимается вверх, где поток ударяется в мембрану диаметром d датчика разности давлений 19, который передает показания раности давлений между «минусовой» и «плюсовой» камерами - ΔР в БОИ 23.
2
Далее измеряемая среда опускается по нисходящей ветви 3 и ее давление через отборник давления 6 передается в минусовую камеру датчика разности давления 10, а отборник давления 8, отбирающий давление из внутренней верхней части нисходящей ветви 2, через вентиль 15 и импульсную трубку 4 с вентилем 16 передает давление в «плюсовую» камеру датчика разности давления 10, показания которого ΔР поступают на БОИ 23.
На выходе в нисходящей ветви температура среды измеряется датчиком температуры 22, показания которого поступают на блок 23.
В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды.
Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета параметров сжиженного газа.
1
2
Перепады давлений ΔP и ΔР определяются по следующим формулам:
Сумма перепадов давлений на восходящей и нисходящей ветви будет равна:
mр
при этом потери на трение ΔР компенсируются.
Делим уравнение 8 на 2gh, получаем:
или
или
, делим обе части на ,
, откуда:
где:
с.г.
м
кг
3
ρ - плотность сжиженного газа, / ,
tэm
м
кг
3
ρ - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, / ,
1
ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления, измеряемой среды и потерями давления на восходящей ветви, Па,
2
ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического столба измеряемой среды и потерями давления на нисходящей ветви, Па,
м
2
с
g - ускорение свободного падения, / ,
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м.
3
Перепад давления ΔР - разность давлений между «минусовой» и «плюсовой» камерами третьего датчика разности давлений, установленного в крышке восходящей ветви 1, определяется выражением:
, отсюда находим
где:
V - скорость потока сжиженного газа, м/с,
3
ΔР - разность давлений между «минусовой» и «плюсовой» камерами третьего датчика разности давлений, установленного в крышке восходящей ветви 1, Па,
м
d - диаметр мембраны третьего датчика раности давлений, м,
н
d - диаметр восходящей и нисходящей ветвей, м.
Зная скорость течения измеряемой среды, вычисляем объемный и массовый расход:
где:
3
Q - объемный расход сжиженного газа, м/сут,
М - массовый расход сжиженного газа, т/сут.
Для определения коэффициента гидравлического сопротивления λ по длине петли L определяем потери на трения по длине этой петли:
вычитаем из уравнения 7 уравнение 6, получаем:
, отсюда находим
где:
λ - коэффициент гидравлического сопротивления, безразмерная величина. Известна формула определения коэффициента гидравлического сопротивления λ (А.Д. Альтшуль, Л.С. Животовский, Л.П. Иванов. Гидравлика и аэродинамика. М., Стройиздат, 1985 г.):
В формулу 10 подставляем значение λ из формулы 9 и находим вязкость υ сжиженного газа:
, после преобразования получаем:
где:
υ - вязкость сжиженного газа, сСт.
э
К - коэффициент шероховатости, мм.
Отношением  из-за малой величины пренебрегаем, так как внутреннюю поверхность труб измерительных ветвей выполняют гладкими.
Повышение точности измерений параметров сжиженного газа достигается за счет введения третьего датчика разности давления наверху восходящей ветви, в результате чего исключаются погрешности при смене характера течения измеряемого потока, так как поток непосредственно соприкасается с измерительной мембраной датчика, который измеряет перепад давления, зависящий от скорости и плотности среды и не зависит от характера течения потока: ламинарного или турбулентного.
Кроме того, устройство снабжено емкостью с «эталонной» жидкостью, которая поддержаивает уровень жидкости в импульсных трубках в случае испарения или протечек, что также повышает точность измерения за счет стабильности этого уровня, что также влияет на результаты измерений.