МОДУЛЬНЫЙ ВИХРЕВОЙ ДАТЧИК РАСХОДА

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно: к расходомерам газообразных веществ при их транспортировке по трубопроводам, а также может быть использована на автоматизированных групповых замерных установках (АГЗУ) для измерения расхода (количества) попутного нефтяного газа нефтяных скважин.
Общеизвестна конструкция расходомера-счетчика газа вихревого [1], предназначенного для измерения расхода газа и пара в трубопроводах. Работа датчика-расходомера основана на зависимости частоты пульсаций давления, возникающих в потоке за телом обтекания в процессе вихреобразования, от расхода измеряемой среды в трубопроводе.
Известный расходомер газа состоит из проточного корпуса, встраиваемого в трубопровод и датчика расхода, содержащего тело обтекания в виде трапецеидальной призмы, жестко закрепленной концами в канале корпуса перпендикулярно его оси и два пьезочувствительных элемента, которые размещены в корпусе заподлицо с поверхностью канала корпуса за телом обтекания по разные стороны от последнего. Электронный вычислительный блок расположен или непосредственно на корпусе, или вынесен на некоторое расстояние от него и соединен с датчиком расхода посредством полой штанги и кабеля.
Опыт длительной эксплуатации подтвердил высокое качество эксплуатационных характеристик этих расходомеров, в том числе и по надежности и по точности измерения. Тем не менее, не всегда оправданным является их применение в качестве измерителей расхода (количества) попутного нефтяного газа в автоматизированных групповых замерных установках, что существенно сужает область применения расходомеров.
Основной причиной этого является тот факт, что датчики вихревых расходомеров, используемые в замерных установках, эксплуатируются в циклическом режиме, являющимся основным для АГЗУ. При таком режиме (наличие измеряемой среды или ее отсутствие) создается благоприятная ситуация для оседания и последующего наслаивания на внутренней поверхности датчика (цилиндрического корпуса), пьезочувствительных элементах, теле обтекания частиц парафина, различных масел, солей, песка. Все это в конечном счете превращается со временем в единую затвердевшую массу, которая соответственно меняет геометрию проходного сечения датчика, затрудняет условия формирования информационных вихрей, уменьшает чувствительность пьезоэлементов. Конечный результат - повышенная погрешность измерения (в лучшем случае), либо, (в худшем случае), отсутствие выходного сигнала. Альтернативой этому, исключающей подобные ситуации, напрашивается проведение регламентных работ по профилактическому осмотру и соответствующей очистке рабочих поверхностей датчика от посторонних наслоений. Для этих целей необходимо остановить АГЗУ, произвести достаточно технологически сложный и затратный по времени демонтаж датчика, произвести соответствующие работы по очистке датчика (внутренней поверхности цилиндрического корпуса и жестко соединенного с ним тела обтекания), затем поставить его в замерную линию, или, в крайнем случае, установить новый датчик. Естественно, вызывает сомнение использование таких датчиков [1] в составе АГЗУ для целей измерения расхода (количества) попутного нефтяного газа. На практике не исключается и такая ситуация, при которой в измерительную газовую линию (трубопровод) может прорваться вместе с газом нефть. В этом случае выход из строя преобразователя расхода гарантирован, а, следовательно, прекращаются и измерения. Естественно, что после этого производятся приведенные выше затратные операции по демонтажу датчика, его очистке или замене.
Известны также вихревые зондовые расходомеры двух модификаций, включая и исполнение с лубрикаторным устройством [2, 3], предназначенные для измерения объемного расхода рабочей среды (газа, жидкостей) в трубопроводах больших диаметров (от 150 до 1000 мм). Расходомер устанавливают на трубопровод, снабженный врезанным в него патрубком с поворотно-пробковым запорным устройством (краном) на конце. После установки расходомера на трубопровод вращением ходового винта ползун с полой штангой перемещается вниз, и полая штанга выдвигается в измеряемую среду трубопровода, доставляя туда датчик расхода с равнобокой призмой, поперечно потоку, за которой (по ходу потока) размещены обращенные друг к другу ультразвуковой излучатель и ультразвуковой приемник. На верхнем конце полой штанги жестко закреплен электронный блок, соединенный жгутом электропроводов, размещенным в полости штанги, с датчиком. Такая конструкция расходомера обеспечивает профилактику датчика (или его замену) не останавливая подачу измеряемой среды. Вместе с тем, большие габариты расходомера, неудобства, связанные с его монтажом и эксплуатацией, не позволяют его применение в комплекте с АГЗУ.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) к заявляемому является зондовый вихревой датчик расхода [4], предназначенный для учета потребления, например, сжатого воздуха, пара, углеводородных газов т.п.при их транспортировке по трубопроводам. Работа датчика основана на зависимости частоты пульсаций давления, возникающих в потоке за телом обтекания в процессе вихреобразования, от расхода измеряемой среды в трубопроводе.
Известный зондовый вихревой датчик расхода содержит преобразователь расхода и вычислительный блок, размещенные, соответственно, на концах полой штанги, снабженной узлом герметизации ее относительно трубопровода и возвратно-поступательного осевого перемещения преобразователя расхода в перпендикулярном потоку измеряемой среды направлении. Корпус преобразователя расхода выполнен с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом, в котором размещено трапецеидальное тело обтекания, нижний конец которого жестко закреплен в нижней части корпуса преобразователя расхода, два пьезочувствительных элемента, электрически соединенных проводниками с вычислительным блоком. В верхнюю часть корпуса преобразователя расхода встроена цилиндрическая вставка с двумя сквозными отверстиями для размещения в них заподлицо с нижней поверхностью цилиндрической вставки (верхней поверхностью измерительного окна-канала) соответственно двух пьезочувствительных элементов, с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой и расположенных симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока.
Зондовый вихревой датчик расхода максимально защищен от посторонних внешних кратковременных воздействий в виде механических ударов, вибраций трубопроводов и гидравлических пульсаций измеряемой среды, искажающих информационный сигнал, что, в свою очередь, повышает погрешность измерения расхода. Конструкция датчика облегчает технологию проведения профилактических работ по очистке преобразователей расхода, установленных на измерительных трубопроводах.
Тем не менее, и эта конструкция зондового вихревого датчика расхода обладает существенным недостатком, ограничивающим широкое применение его (датчика) в составе АГЗУ. Дело в том, что конструктивные габариты зондовых вихревых расходомеров не позволяют последние устанавливать на применяемых в АГЗУ измерительных трубопроводах с условным диаметром 50…80 мм (естественно, что данный размер определяется дебитом контролируемых скважин). Конструктивные ограничения касаются как размеров преобразователя расхода [4 (смотри фигуру 1)], так и габаритов бобышки (название детали из конструкторской документации на зондовый расходомер), привариваемой к измерительному трубопроводу [4 (на фигуре 1 показана, но не пронумерована)]. Необходимо также отметить и следующий момент. В случае проведения внеплановой метрологической аттестации датчика, например, по причине его замены или ремонта, убедиться в адекватности измерений, то есть, соответствующим реальным расходам измеряемой среды, практически нельзя, поскольку условный диаметр измерительного трубопровода может измениться в процессе его длительной циклической эксплуатации в составе АГЗУ.
Таким образом, цель создания заявляемой конструкции модульного вихревого датчика расхода (иначе - требуемый технический результат) заключается в обеспечении известному техническому решению более высоких потребительских свойств, а именно: в обеспечении упрощения процедуры очистки или замены вихревого датчика расхода в составе АГЗУ для измерительных трубопроводов с условным диаметром 50…80 мм при сохранении его (датчика) метрологических характеристик.
Требуемый технический результат достигается тем, что в заявляемом модульном вихревом датчике расхода, согласно прототипу, содержащем вычислительный блок, размещенный на одном из концов полой штанги, преобразователь расхода, причем в двух сквозных отверстиях верхней части преобразователя расхода, выполненного с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом, с размещенным в нем трапецеидальным телом обтекания, механически жестко зафиксированным с обоих концов в теле корпуса преобразователя расхода, соответственно встроены два пьезочувствительных элемента, электрически соединенные проводниками, проложенными в полой штанге, с вычислительным блоком, расположенные симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока измеряемой среды с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой, сквозной корпус с прямолинейным каналом, узел герметизации относительно сквозного корпуса, а в боковое отверстие сквозного корпуса введен корпус преобразователя расхода, ориентированный площадью измерительного окна-канала перпендикулярно потоку измеряемой среды с помощью центрирующего фланца, конструктивно объединенного с полым цилиндром, жестко соединенным по контуру его нижней части с внешней поверхностью корпуса преобразователя расхода, а в верхнюю часть фланца, конструктивно входящего в узел герметизации относительно сквозного корпуса, с помощью резьбового соединения и контргайки введен второй конец полой штанги.
На чертеже (фиг.1) приведена конструкция модульного вихревого датчика расхода,); на фигуре 2 - сечение А-А по фигуре 1.
Модульный вихревой датчик расхода (смотри фиг.1 и фиг.2) содержит вычислительный блок 1, размещенный на одном из концов полой штанги 2, преобразователь расхода 3, выполненный с прямоугольным (в плане) измерительным окном-каналом 4, в котором размещено трапецеидальное тело обтекания 5, механически жестко зафиксированное с обоих концов в теле корпуса преобразователя расхода.. В сквозные отверстия верхней части корпуса преобразователя расхода встроены два пьезочувствительных элемента 6, электрически соединенные проводниками 7 с вычислительным блоком 1, с возможностью непосредственного контактирования с измеряемой средой и расположенные симметрично относительно продольной осевой линии тела обтекания за верхним его концом по ходу потока. В боковое отверстие сквозного корпуса 8 с прямолинейным каналом и узлом герметизации 9 относительно сквозного корпуса введен корпус преобразователя расхода, ориентированный площадью измерительного окна-канала перпендикулярно потоку измеряемой среды с помощью центрирующего фланца 10, конструктивно объединенного с полым цилиндром 11. Полый цилиндр 11 жестко соединен по контуру 12 его нижней части с внешней поверхностью корпуса преобразователя расхода. В верхнюю часть фланца, конструктивно входящего в узел герметизации относительно сквозного корпуса, с помощью резьбового соединения 13 и контргайки 14 введен второй конец полой штанги.
Работает модульный вихревой датчик расхода следующим образом. При обтекании потоком измеряемой среды с обеих сторон тела обтекания 5 попеременно возникают срывающиеся вихри, представляющиеся собой такназываемую «вихревую дорожку» Кармана. Пульсации давления в «дорожке» Кармана воспринимаются пьезочувствительными элементами 6, преобразуются каждым из них в электрические сигналы, которые далее поступают на обработку и вычисление расхода в вычислительный блок 1, после чего информация представляется пользователю в виде соответствующего показания в стандартных единицах измерения расхода.
Структурно при создании модульного вихревого датчика расхода авторами был применен модульный принцип его реализации, который позволяет минимизировать технологические работы по профилактическому осмотру, очистке от посторонних механических наслоений поверхности преобразователя расхода, внутренней поверхности сквозного корпуса, ремонту вычислительного блока, замене пьезочувствительных элементов и замене датчика в целом. Такой подход к построению измерительной аппаратуры особенно актуален для объектов с ограниченным замкнутым пространствам, в том числе и для АГЗУ.
В первый модуль входят: преобразователь расхода 3, центрирующий фланец 10, объединенный с полым цилиндром 11, вычислительный блок 1 и полая штанга 2 с контргайкой 14. Данный модуль позволяет произвести максимальный объем работ по профилактическому осмотру, очистке (в том числе и внутренней поверхности сквозного корпуса 8), замене и ремонту вихревого датчика.
Во второй модуль входят: вычислительный блок 1 и полая штанга 2 с контргайкой 14. Данный модуль позволяет произвести ремонт или замену вычислительного блока с одновременным доступом к пьезочувствительным элементам 6.
В какой-то мере сквозной корпус 8 также можно считать модулем, который при длительной эксплуатации может быть подвергнут профилактическому осмотру и очистке его внутренней поверхности.
За счет того, что пьезочувствительные элементы 6 по высоте частично входят в зону бокового отверстия сквозного корпуса, представилась возможность применить модульный вихревой расходомер на объектах, в том числе и в АГЗУ, на измерительных трубопроводах с условным диаметром 50…80 мм.
Совокупность существенных признаков (в том числе и отличительных) заявляемого модульного вихревого датчика расхода обеспечивает достижение требуемого технического результата, соответствует критериям «полезной модели» и подлежит защите охранным документом (патентом) РФ в соответствии с просьбой заявителя.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ ПРИ СОСТАВЛЕНИИ ОПИСАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ:
1. ТУ 39-0148346-001-92 «Счетчики газа вихревые СВГ. Технические условия» (Приложение Б) СВГ (№13489-00 в Госреестре средств измерений РФ).
2. Абрамов Г.С., Зимин М.И., Баранов С.Л., Вашурин В.П. Вихревые зондовые расходомеры, опыт разработки и внедрения. // НТЖ. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. - М.: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2006. - №6 (стр.4, 5);
3. RU 38394 U1, 18.02.2004;
4. RU 82843 U1, 18.12.2008, прототип.