ПЛОТНОМЕР-РАСХОДОМЕР ЖИДКИХ ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ СРЕД

Предполагаемая полезная модель относится к области измерения параметров жидкости или газа непосредственно в потоке и может найти применение в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.
Известен плотномер для жидких сред, содержащий вертикальную измерительную колонку, выполненную в виде двух параллельных труб одинакового диаметра, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, отборники давления, расположенные на внешних изгибах верхних и нижних участков восходящей и нисходящей ветвях труб на равных уровнях (полезная модель №15787, публ. бюл. №31, 2000 г.)
Недостатком конструкции является расположение импульсных трубок с «эталонной» жидкостью внутри измерительных колонок, поэтому при больших скоростях потока жидкости происходит вихреобразование, что вносит погрешность в величину отбора давления, а, следовательно, и в результаты измерения величин плотности жидкости.
Известен плотномер для жидких сред, содержащий -образную 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 (полезная модель №67263, опубл. 10.10.2007 г., бюл. №28) плотномер жидких или газообразных сред, который лишен указанных
недостатков и содержит: -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. 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, а плотность жидкости или газообразных сред определяется соответственно по формулам
ж
г
где ρ, ρ - плотности соответственно жидкости и газа, ,
- плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, ,
1
Δρ - разность давлений между столбом эталонной жидкости и суммой гидростатического давления, измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на восходящей ветви, Па,
2
Δρ - разность давлений между столбом эталонной жидкости и разностью гидростатического столба измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на нисходящей ветви, Па,
g - ускорение свободного падения, ,
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,
к
h - высота компенсации столба эталонной жидкости, м.
Кроме того, датчик абсолютного давления, два датчика разности давления, датчики температуры рабочей среды и температуры «эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком (Прототип).
2
1
Недостатком конструкции является низкая точность в определении массового расхода, вследствие необходимости ввода поправки на разность показаний (ΔР-ΔP)±ΔР при определении массового расхода, в силу особенности подключения датчиков разности давления.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности измерения параметров жидкости и газа и расширение функциональных возможностей устройства за счет определения состава жидких двухкомпонентных сред, абсолютной влажности газа и измерения массового расхода жидкости или газа с переменной плотностью.
Указанная задача решается за счет того, что в плотномере - расходомере 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, первый и второй датчики разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом, отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей
ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, размещенный на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, расположены на одном уровне в нижней части петли. Устройство снабжено расположенным на одном уровне с упомянутыми отборниками давления дополнительным отборником давления, установленным на нисходящей ветви петлеобразной трубы, второй датчик разности давления подключен импульсными трубками с «эталонной» жидкостью к дополнительному отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления на восходящей ветви, а первый датчик разности давления подключен к отборнику давления на нисходящей ветви и к отборнику давления, размещенному на корпусе термометра, соединенного с верхним отборником давления на горизонтальном участке петли, расположенным симметрично относительно плеч нисходящей и восходящей ветвей петлеобразной трубы, при этом, плотность жидкости или газа определяется соответственно по формулам:
а величины массовых расходов жидкости или газа определяются соответственно по формулам:
а состав жидких двухкомпонентных сред («нефть-вода») и абсолютная влажность газа определяются соответственно по формулам, взятым из источника (6):
,
где  - плотность эталонной жидкости, приведенная к рабочим условиям, ,
1
ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и разностью гидростатического давления, измеряемой жидкости (газа) и потерями давления на нисходящей ветви, Па,
2TР
Δρ - потери давления на трение между точками отбора давления на нисходящей и восходящей ветвях петлеобразной трубы при движении жидкости, Па,
g - ускорение свободного падения, ,
h - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м,
к
h - высота компенсации столба эталонной жидкости, м,
d - диаметр трубопровода, м,
α - поправочный коэффициент, устанавливается по результатам градуировки прибора,
ж
М - массовый расход жидкости, кг/с,
г
M - массовый расход газа, кг/с,
W - процентное содержание воды в нефти, %,
3
А - абсолютная влажность газа, кг/м,
в
3
ρ - плотность пластовой воды, кг/м, определяется по лабораторным данным по каждой скважине,
н
3
ρ - плотность дегазированной нефти, кг/м, определяется по лабораторным данным по каждой скважине,
0
0
ρ - плотность сухого газа при стандартных условиях: Т=293,15 К°,
0
3
Р=0,10325 МПа, кг/м, выбирается по известным таблицам,
0
0
3
Т, P - стандартные условия (293,15 К°; 0,10325 МПа, кг/м),
Р, Т - давление и температура в рабочих условиях, МПа, К°,
Z - коэффициент сжимаемости газа, выбирается по известным таблицам,
г
3
ρ - плотность газа, измеренная в рабочих условиях, кг/м,
ж
3
ρ - плотность жидкости, измеренная в рабочих условиях, кг/м.
В заявляемом плотномере: датчик абсолютного давления, два датчика разности давлений, датчик температуры рабочей среды и датчик температуры» эталонной» жидкости связаны с регистрирующим блоком.
На фигуре изображено заявляемое устройство.
Плотномер - расходомер жидких или газообразных сред содержит -образную трубу, состоящую из восходящей 1, горизонтальной 2 и нисходящей 3 ветвей, импульсные трубки 4, заполненные «эталонной» жидкостью, непосредственно контактирующей с рабочей средой, но не смешивающейся с ней, например, кремнеорганической, имеющей известные коэффициенты объемного расширения и сжатия, четыре отборника давления, расположенные на одном уровне 5, 6, 7 и 8 в нижней части петли, отборник давления 9, расположенный на горизонтальной ветви на расстоянии h от уровня расположения нижних отборников давления. При этом отборник давления 5 установлен на восходящей ветви 1, отборники давления 6 и 8 - на нисходящей ветви 3, а отборник давления 7 установлен на корпусе для термометра 10 с датчиком температуры 11. Два датчика разности давления 12 и 13 связаны с восходящей ветвью 1 и нисходящей ветвью 3 следующим образом: «минусовая» камера датчика разности давления 12 посредством импульсной трубки с «эталонной» жидкостью соединена с отборником давления 5 на восходящей ветви 1, а «плюсовая» камера указанного датчика соединена с дополнительным отборником давления 8 на нисходящей ветви 3, «минусовая» камера датчика разности давления 13 соединена импульсной трубкой с датчиком 6 на нисходящей ветви, а «плюсовая» камера указанного датчика соединена с отборником давления 7 на корпусе для термометра. В месте контакта «эталонной» жидкости и рабочей средой в отборниках давления выполнены «мини» камеры для передачи давления.
Датчик абсолютного давления 14 рабочей среды «Q» установлен на прямом участке в начале восходящей ветви 1, а датчик температуры рабочей
среды 15 установлен на выходе нисходящей ветви 3. Датчики разности давления 12 и 13, термометр 10, датчик абсолютного давления рабочей среды 14 и датчик температуры рабочей среды 15 связаны с регистрирующим блоком 16 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность рабочей среды, ее массу, состав для двухкомпонентных жидких сред или абсолютную влажность газовых сред и выдает на средство визуализации, например компьютер (на фигуре не показано).
Плотномер-расходомер жидких или газообразных сред работает следующим образом.
Рабочая жидкость или газообразная среда (рабочая среда «Q») поступает на вход восходящей ветви 1, где датчиком абсолютного давления 14 измеряется давление рабочей среды и передается на блок 16. Далее рабочая среда поднимается по восходящей ветви 1, при этом отборник давления 5 передает давление на датчик разности давления 12 в его «минусовую» камеру, и поступает на горизонтальную линию 2, где через отборник давления 9 давление передается в «плюсовую» камеру датчика разности давления 13, показание которого поступает в регистрирующий блок 15. Далее рабочая среда опускается по нисходящей ветви 3 и ее давление через отборник давления 6 передается в «минусовую» камеру датчика разности давления 13, показания которого поступают на блок 16, а давление этой же рабочей среды через отборник давления 8 поступает в «плюсовую» камеру датчика разности давления 12. На выходе в нисходящей ветви температура рабочей среды измеряется датчиком температуры 15, показания которого поступают на блок 16.
В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды.
Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета параметров жидкости или газообразных сред.
Изделие работает следующим образом.
1
2ТР
ЭТ
2ТР
1
2ТР
Исследуемый поток Q жидкости или газообразных сред поступает на вход вертикальной ветви и, проходя через горизонтальную ветвь и нисходящую ветвь, поступает на выход. При этом, осуществляется измерение перепадов давления - ΔP на нисходящей ветви и потери давления на трение - ΔР между точками отбора давления на нисходящей и восходящей ветвях трубы при движении жидкости, а также температуры t «эталонной жидкости» в импульсной трубке и рабочей среды в трубопроводе и абсолютного давления Р в трубопроводе. Так как верхний отборник давления 9 расположен симметрично относительно восходящей и нисходящей ветвей, а плотность жидкости (газа) измеряется только на нисходящей ветви, то в формулы введены значения 0,5ΔР, а перепады давлений ΔP и ΔР определяются по следующим формулам:
, при этом
, или
, откуда:
.
Давление, создаваемое «эталонной» жидкостью определяется по формуле
,
3
где  - плотность «эталонной» жидкости, кг/м,
2
g - ускорение свободного падения, м/с,
h - расстояние (при измерении жидких сред) между точками «отбора давления», м,
ж
ΔР - гидростатическое давление столба жидкости, равное расстоянию h, Па, при этом
.
Так как трубопровод одного диаметра (труба из нержавеющей стали повышенной точности), то можно принять, что коэффициент шероховатости на восходящей ветви примерно равен коэффициенту шероховатости в нисходящей ветви (петля выполнена из одного участка трубы),
(согласно источника: П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Справочник. Л. Машиностроение, 1979 г.),
20эт
где: ρ - плотность «эталонной» жидкости при нормальных условиях (t=20°С, Р=0,103 МПа);
t
β - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости при изменении температуры, 1°С;
t - температура «эталонной» жидкости, измеряемая датчиком температуры, °С;
p
k - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/МПа;
Р - абсолютное давление, МПа;
t
p
β и k берутся из государственной системы стандартных данных.
к
Для выбора диапазона измерения плотности газа, необходимо ввести компенсацию столба давления «эталонной» жидкости - h,
тогда:
, делим на , получаем:
,
1
где: ΔP - верхний расчетный перепад давления, зависящий от изменения плотности в рабочих условиях (давления и температуры),
г
ρ - плотность газа в стандартных условиях известна.
, делим на gh, тогда:
, откуда
, или
.
В основу измерения потерь на трение заложено уравнение Бернулли для вязкой жидкости [3], при постоянном сечении трубопровода:
,
1
2
где: h и h высоты (м);
2
g - ускорение свободного падения (м/с);
3
ρ - плотность жидкости или газа, кг/м;
1
2
V и V скорость потока, (м/с);
1
2
α и α коэффициенты Кориолиса;
1
2
P и Р - давление, Па;
тр
Р - потери давления на трение, Па.
1
2
1
2
Для предлагаемого плотномера-расходомера диаметр -образной трубы везде одинаковый (труба из нержавеющей стали повышенной точности), следовательно, площади сечения трубы на всей длине одинаковые и скорости одинаковые, т.е. V=V, расстояния h=h, так как отборники давления находятся на одном уровне.
При равенстве скоростей потока коэффициент Кориолиса α=1,
1
2
α=α.
Тогда уравнение (17) запишется в следующем виде:
или
Из формулы (18) найдем среднюю скорость потока вязкой жидкости м/с:
.
Зная среднюю скорость потока при движении жидкости, диаметр петли трубопровода, плотность жидкости (газа), можно определить массу жидкости или газа по следующей формуле:
,
,
3
где: М=Q·ρ, a Q=0. , в которой Q - расход жидкости или газа, м/с.
Использование предлагаемого изделия позволяет измерять плотность жидких или газообразных сред, определять количество массы жидкости или газа и состава жидких двухкомпонентных сред, абсолютной влажности газа и измерять массовый расход жидкости или газа с переменной плотностью.
По данному изделию разработаны рабочие чертежи, изготовлен экспериментальный образец, проведены лабораторные испытания на воде, получены положительные результаты, подтверждающие правильность расчетов.
Источники информации
7
1. Плотномер для жидких сред. Свидетельство на полезную модель RU №15787, МКИ G01N 9/26, опубл. Бюл. №31, 2000 г.
4
2. Плотномер для жидких сред. Авт. свид. СССР №1325328, МКИG01N 9/26, опубл. Бюл. №27, 1987 г.
3. Альтшуль А.Д., Животовский Л.С., Иванов Л.П. Гидравлика и аэродинамика. - М.: Стройиздат, 1985 г.
4. Плотномер жидких или газообразных сред. Патент на полезную модель RU №67263, МПК G01N 9/26, опубл. 10.10.2007 г., Бюл. №28.
5. П.П.Кремлевский. Расходомеры и счетчики количества. Справочник, Л., «Машиностроение», 1979 г.
6. Плотников В.М., Подрешетников В.А., Радкевич В.В., Тетеревятников Л.Н. Контроль состава и качества природного газа. Л., «Недра», 1983 г.