Способ измерения углеводородных газов при сбросе через запорно-регулирующую арматуру на установках нефтегазоперерабатывающих предприятий
METHOD FOR MEASURING HYDROCARBON GASES WHEN THEY ARE DISCHARGED THROUGH SHUT-OFF AND CONTROL VALVES AT INSTALLATIONS OF OIL AND GAS PROCESSING ENTERPRISES

Заявляемое изобретение относится к способам измерения массы газа и распространяется на запорно-регулирующую арматуру (дроссели, краны, клапаны, задвижки, шиберы и др.) технологических установок нефтегазоперерабатывающих предприятий при измерении, прошедшей через неё, массы углеводородных газов, при контролируемом сбросе газов в факельный коллектор.
Одной из наиболее актуальных задач, решаемых на предприятиях нефтепереработки, является управление потерями на всех этапах движения сырья и продукции. Управление потерями невозможно без идентификации и измерения технологических потерь, возникающих в процессе нефтепереработки. В настоящее время на нефтеперерабатывающих предприятиях не все материальные потоки углеводородных газов оснащены средствами измерения и узлами учета, в связи с этим возникла необходимость создания способа измерения массы углеводородных газов, сбрасываемых через запорно-регулирующую арматуру, обладающего простотой и достаточной точностью измерения.
За прототип принят способ измерения массы газа, сбрасываемого через запорно-регулирующую арматуру – вентиль, заключающийся в определении диаметра проходного сечения вентиля, измерении избыточного давления и плотности газа в емкости, определении площади проходного сечения вентиля, массового расхода и массы сброшенного газа по формулам (1-3):
(1)
кв
2
где F – площадь проходного сечения вентиля, м;
π – безразмерный коэффициент, равен 3,14;
кв
d – диаметр проходного сечения вентиля, м.
(2)
кв
где G – массовый расход газа, истекающего через вентиль, кг/с;
кв
ζ – коэффициент местного сопротивления вентиля, равен 13,6;
M
P – избыточное давление газа в резервуаре, Па;
3
ρ – плотность газа, истекающего через вентиль, кг/м.
кг (3)
где  – время открытия вентиля с выпуском паровой фазы газа, с;
кв
M – масса потерь паровой фазы газа, кг.
[Гордеева Р.П., Крылов Е.В., Лисицына О.Н. «Методика определения технологических потерь сжиженных углеводородных газов на газонаполнительных станциях, газонаполнительных пунктах и автогазозаправочных станциях» утверждена приказом Министерства энергетики Российской Федерации от 24 декабря 2003 г. N 504. – С.: Три А, 2004, с 9 - 13].
Решаемой технической проблемой является необходимость расчета массы углеводородного газа, сбрасываемого через вентиль и запорно- регулирующей арматуру других типов (дроссели, краны, клапаны, задвижки, шиберы) при их неполном открытии, а также при сбросе в факельную линию при наличии избыточного давления в нем.
Указанный в прототипе способ подходит для определения массы углеводородных газов при их сбросе в атмосферу через полностью открытый вентиль контроля уровня железнодорожной цистерны для перевозки сжиженных углеводородных газов, но не решает указанную выше техническую проблему.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения массы углеводородных газов при сбросе в факельный коллектор.
Другим техническим результатом является расширение практической применимости способа для технологических установок нефтегазоперерабатывающих предприятий в случаях использования других типов запорно-регулирующей арматуры (дроссель, кран, шибер, задвижка, клапан) при сбросах углеводородных газов в факельный коллектор с полным или частичным открытием запорного элемента арматуры.
уг
Технический результат достигается тем, что определяют диаметр проходного сечения вентиля, фиксируют отрезок времени от начала до конца сброса газа, измеряют избыточное давление и плотность газа в емкости и затем рассчитывают площадь проходного сечения вентиля, массовый расход и массу сброшенного газа. Отличается тем, что дополнительно измеряют степень открытия запорного элемента арматуры по высоте поднятия штока или углу поворота рукоятки управления, измеряют давление в факельном коллекторе, определяют по математическим зависимостям площадь проходного сечения арматуры, определяют по графическим зависимостям коэффициент местного сопротивления по типу запорно- регулирующей арматуры и соответствующей степени открытия запорного элемента, вычисляют массу углеводородного газа M при сбросе через запорно-регулирующую арматуру по формуле:
где ζ – коэффициент местного сопротивления запорно-регулирующей арматуры;
пс
2
F – площадь проходного сечения запорно-регулирующей арматуры, м;
– время от начала до конца сброса углеводородных газов, ч;
уг
2
P – давление углеводородного газа в трубопроводе перед арматурой при сбросе, кгс/см;
ф
2
P – давление газа в факельном коллекторе, кгс/см;
3
ρ – плотность сбрасываемого углеводородного газа, кг/м.
Вышеуказанная совокупность существенных признаков заявленного технического решения, обеспечивает достижение всех заявленных технических результатов, так как при расчете массы углеводородного газа, прошедшего через арматуру, используются характеристики, зависящие от типа арматуры и степени открытия запорного элемента, а также учитывается влияние давления газа после арматуры.
Автором заявленного технического решения изготовлен опытный образец этого решения, испытания которого подтвердили достижение технического результата.
На фиг. 1 показана графическая зависимость коэффициента местного сопротивления в диапазоне от 0 до 500 от степени открытия запорного элемента для клиновой задвижки;
на фиг. 2 – графическая зависимость коэффициента местного сопротивления в диапазоне от 0 до 25 от степени открытия запорного элемента для клиновой задвижки;
на фиг. 3 – графическая зависимость коэффициента местного сопротивления в диапазоне от 0 до 250 от степени открытия запорного элемента для клапана;
на фиг. 4 – графическая зависимость коэффициента местного сопротивления в диапазоне от 0 до 25 от степени открытия запорного элемента для клапана;
на фиг. 5 – графическая зависимость коэффициента местного сопротивления в диапазоне от 0 до 1000 от угла открытия запорного элемента для шаровых кранов и дросселей;
на фиг. 6 – графическая зависимость коэффициента местного сопротивления в диапазоне от 0 до 25 от угла открытия запорного элемента для шаровых кранов и дросселей;
на фиг. 7 – таблица с результатами эксперимента по оценке точности способа измерения массы газа сбрасываемого через арматуру.
Способ реализуется следующим образом:
1. При выполнении сброса углеводородного газа производят следующие действия:
- определяют минимальный внутренний диаметр проходного сечения запорно-регулирующей арматуры D;
- измеряют высоту подъема h или угол открытия запорного механизма запорно-регулирующей арматуры α;
ф
- измеряют давление газа в факельном коллекторе P;
уг
- измеряют давление углеводородного газа в трубопроводе перед арматурой при сбросе P;
- отбирают объединённую пробу сбрасываемого газа;
- измеряют отрезок времени от начала до конца сброса углеводородных газов .
2. В лабораторных условиях определяют плотность газа хроматографическим методом ρ;
3. При обработке результатов измерения проводят следующие расчеты:
пс
- определяют площадь проходного сечения запорно-регулирующей арматуры F, которая соответствует высоте подъема h или углу открытия запорного механизма α по формулам (4-6):
а) для задвижек клиновых и шиберов:
2
, м (4)
где, D – минимальный внутренний диаметр проходного сечения запорно-регулирующей арматуры, м;
h – высота поднятия штока, м.
б) для клапанов и вентилей:
пс
2
2
F = 1,11(2hD − h), м (5)
в) для шаровых кранов и дросселей:
2
, м(6)
где α – угол открытия запорного механизма запорно-регулирующей арматуры, градус.
Угол поворота запорного элемента шарового крана (рукоятки управления) α, отсчитывается от начального положения запорного элемента, когда арматура полностью перекрыта (0°), конечным положением запорного элемента будет полное открытие проходного сечения (90°). В расчет принимаются значения углов поворота больше 15°, так как при меньших углах поворота ручки шаровой кран (дроссель) остается закрытым.
Определяют коэффициент местного сопротивления запорно-регулирующей арматуры ζ, который соответствует высоте подъема или углу открытия запорного механизма, по графическим зависимостям на фиг. 1 – 6:
а) для задвижек клиновых и шиберов коэффициент местного сопротивления запорно-регулирующей арматуры ζ определяют по графическим зависимостям на фиг. 1 и фиг. 2;
б) для клапана коэффициент местного сопротивления запорно-регулирующей арматуры ζ определяют по графическим зависимостям на фиг. 3 и фиг. 4;
в) для шаровых кранов и дросселей коэффициент местного сопротивления запорно-регулирующей арматуры ζ определяют по графическим зависимостям на фиг. 5 и фиг. 6.
уг
- вычисляют массу углеводородных газов M при сбросе через запорно-регулирующую арматуру по формуле 7.
(7)
где, ζ – коэффициент местного сопротивления запорно-регулирующей арматуры;
пс
2
F – площадь проходного сечения запорно-регулирующей арматуры, м;
– время от начала до конца сброса углеводородных газов, ч;
уг
2
Р– давление углеводородного газа в трубопроводе перед арматурой при сбросе, кгс/см;
ф
2
Р – давление газа в факельном коллекторе, кгс/см;
3
ρ – плотность сбрасываемого углеводородного газа, кг/м.
Для установления метрологических характеристик заявляемого способа произведена оценка показателей точности на стенде состоящего из баллона, с углеводородным газом, подключенного через редуктор к технологической линии, к которой в свою очередь подключены манометр давления, испытуемая арматура и латексный шар. Результаты эксперимента приведены в таблице на фиг. 7.
Анализ результатов эксперимента по оценке точности показал, что расчетный метод, заложенный в основу способа, позволяет определять массу сброшенных углеводородных газов через запорно-регулирующую арматуру со средней относительной погрешностью 3,39 %. Максимальное отклонение относительной погрешности не превышает 6%.
Предлагаемое техническое решение является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен способ, при котором измеряют высоту подъёма (угол поворота) запорного элемента, а также давление газовой среды за запорным элементом и определяют фактическую площадь проходного сечения и коэффициент местного сопротивления арматуры.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, так как для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование, широко распространенное в области измерительной техники.