СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА И ФОРМИРОВАНИЯ ПРОБЫ ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ
METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING FLOW RATE AND FORMING FLUID MEDIUM SAMPLE

Изобретение относится к области измерения количества и состава газов и жидкостей, транспортируемых по трубопроводам, путем формирования перепада давления при пропускании их через сужающие устройства. Изобретение может использоваться в составе контрольно-измерительной аппаратуры на нефтепроводах и газопроводах, в том числе магистральных.
Известен измеритель расхода газа, включающий последовательно расположенные на одной оси цилиндрическую часть со струевыпрямителем, сопло, цилиндрический патрубок и коническую насадку, а также кольцевые камеры с датчиками для замера высокого и низкого давлений, размещенные коаксиально с охватом цилиндрической части и цилиндрического патрубка и сообщающиеся посредством продольных пазов с их внутренними полостями (WO 98/48246, опубл. 29.10.1998).
Известен также измеритель расхода газа близкой конструкции, в котором измерительный участок низкого давления конически расширяется в сторону входного отверстия конической насадки (патент RU 2186341, опубл. 27.02.2002).
Недостатком обеих конструкций является то, что в них не учтено влияние на точность измерения деформационной компоненты, возникающей из-за разности давлений в цилиндрической части и внутреннего давления в потоке на выходе из сопла и подходе к измерительному участку низкого давления в охватывающей полости цилиндрического патрубка, а также возможность возникновения пристеночного слоя и срыва потока из-за резонансных колебаний этого пристеночного слоя, вызванных турбулентными явлениями в потоке на данном участке. Это снижает точность измерения перепада давления и, соответственно, расхода газа, особенно при средних и больших (магистральных) расходах. За счет упомянутых явлений способ формирования перепада давления, лежащий в основе работы устройства, не позволяет создать однородный по составу и другим параметрам поток газа или жидкости, пригодный для отбора представительной непрерывной пробы. При этом для определения состава текучей среды трубопровод необходимо оснащать дополнительным оборудованием, не связанным с оборудованием для измерения расхода.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является снижение мгновенной погрешности формирования перепада давления, повышение эксплуатационной точности и стабильности измерений, а также возможность формирования однородного по составу участка в потоке газа или жидкости, пригодного для отбора представительной пробы.
Это достигается тем, что предлагаемый способ измерения расхода и формирования пробы текучей среды в трубопроводе включает пропускание потока текучей среды через решетку струевыпрямителя, сопло и диффузор. При этом на участке между струевыпрямителем и соплом часть текучей среды поступает в первую непроточную полость для замера высокого давления, на участке после сопла часть текучей среды поступает во вторую непроточную полость для замера низкого давления, а перед диффузором часть текучей среды поступает в боковую полость для формирования пробы текучей среды для последующего определения ее состава.
Устройство, предлагаемое для реализации такого способа, содержит последовательно расположенные вдоль общей оси струевыпрямитель, цилиндрическую камеру высокого давления, сопло, камеру низкого давления, камеру отбора проб и диффузор, причем камера высокого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой замера высокого давления, камера низкого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой замера низкого давления, а камера отбора проб сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой дополнительного перемешивания проб.
Поперечное сечение струевыпрямителя представляет собой решетку с ячейками правильной формы. Для жидкостей, например для нефти, решетки обычно устанавливают с квадратными ячейками. Для газов чаще используется струевыпрямитель, решетка которого имеет с шестиугольные ячейки. Однако допустимы и решетки с другой формой ячеек. При этом во всех случаях стенки ячеек должны иметь минимальную толщину, чтобы не создавать эффекта затенения сечения, приводящего к потерям скоростного напора и дополнительным погрешностям измерения расхода и формирования пробы.
Камера высокого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой замера высокого давления, а камера низкого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой замера низкого давления с помощью продольных щелевых перфораций, поперечное сечение которых расширяется кнаружи.
В кольцевых камерах устанавливают датчики для замера соответственно высокого и низкого давлений, а также могут быть установлены штуцера для промывки, преимущественно размещенные перпендикулярно общей оси устройства.
Сопло по наружной поверхности может охватывать кольцевая камера, которая сообщается с кольцевой камерой замера низкого давления. Такую конструктивную особенность используют, когда сопло делают тонкостенным и существует опасность его деформации за счет перепада между давлением в трубопроводе и в окружающей его атмосфере.
Камера низкого давления и камера отбора проб предпочтительно имеют коническую форму с тангенсом наклона образующей конуса к его оси, равным 1/50-1/100.
Входной торец струевыпрямителя и выходной торец диффузора соединены с основным трубопроводом и совпадают с ним по диаметру. Конусность диффузора обычно составляет 5-6°, что обеспечивает восстановление давления в измеряющем устройстве без срывов потока.
Конструкция и работа устройства, реализующего предложенный способ, поясняется чертежами, где на Фиг.1 показано в разрезе подсоединяемое к трубопроводу устройство для измерения расхода и формирования пробы текучей среды. На Фиг.2 изображено поперечное сечение струевыпрямителя с ячейками квадратной формы. На Фиг.3 - ячейки струевыпрямителя шестиугольной формы.
Устройство для измерения расхода и формирования пробы текучей среды установлено (например, с помощью фланцевых соединений 1) в магистральном трубопроводе (на чертежах не показан) и содержит последовательно расположенные вдоль общей оси струевыпрямитель 2, цилиндрическую камеру 3 высокого давления, сопло 4, камеру 5 низкого давления, камеру 6 отбора проб и диффузор 7. Камера 3 высокого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой 8 замера высокого давления, камера 5 низкого давления сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой 9 замера низкого давления, а камера 6 отбора проб сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой 10 дополнительного перемешивания проб.
Поперечное сечение струевыпрямителя 2 представляет собой решетку 11 с ячейками квадратной формы (Фиг.2) или шестиугольной формы (Фиг.3).
Камера 3 высокого давления сообщается с охватывающей ее камерой 8 замера высокого давления, а камера 5 низкого давления сообщается с охватывающей ее камерой 9 замера низкого давления с помощью продольных щелевых перфораций, поперечное сечение которых расширяется кнаружи. Перфорации на чертежах обозначены позициями 12 и 13 соответственно.
Сопло 4 охватывает кольцевая камера 14, которая сообщается с камерой 9 замера низкого давления,
Камера 6 отбора проб сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой 10 дополнительного перемешивания проб с помощью щелевых перфораций 15.
Камера 5 низкого давления и камера 6 отбора проб имеют коническую форму с тангенсом наклона образующей конуса к его оси, равным 1/50-1/100. Диффузор 7 имеет конусность 5-6°.
Для промывки каждая из кольцевых камер 8, 9, 10 и 14 снабжена штуцерами 16 промывки, количество которых определяется из условий эксплуатации, вязкости и адгезионных свойств протекающей жидкости.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Исходный турбулентный поток жидкости или газа из трубопровода (общее направление потока показано стрелкой на Фиг.1) разбивается решеткой 11 струевыпрямителя 2 на множество мелких вихревых струй, турбулентность которых уже ослаблена за счет расщепления общего вихря потока, а также в результате трения и массового переноса на границах микроструй, вызывающих потерю энергии турбулентности и взаимопроникновение частиц потоков соседних микроструй. В цилиндрическую камеру 3 высокого давления поступает поток с резко пониженной турбулентностью, и через перфорацию 12, выполненную в виде продольных пазов с расширяющимся поперечным сечением (за счет чего подавляются поперечные пульсации давления в потоке), статическое давление потока передается в коаксиально расположенную кольцевую камеру 8, в которой установлен датчик для замера высокого давления (на чертеже не показан) и где определяется достоверное значение статического давления на входе в устройство. Достоверность обеспечивается количеством, формой поперечного сечения и длиной перфораций 12, а также расстоянием между цилиндрическими стенками камеры 3. Далее поток поступает в сопло 4, где происходит дальнейшее подавление энергии макротурбулентности путем усиления процесса массового переноса между микроструями потока за счет формы сопла, обеспечивающей повышение потерь энергии макротурбулентности сжимающихся микроструй и осреднение состава и других параметров микроструй. Затем поток поступает в камеру 5 низкого давления, откуда статическое давление потока передается в коаксиально расположенную кольцевую камеру 9, в которой установлен датчик для замера низкого давления (на чертеже не показан). Камера 5 низкого давления выполнена в виде прямого кругового усеченного конуса, тангенс угла наклона образующей которого к общей оси составляет 1/50-1/100, при этом меньшее основание конуса является входным сечением камеры 5, а большее основание конуса приходится на сечение стыка между камерой 5 низкого давления и камерой 6 отбора проб.
Такое выполнение внутренней полости камеры 5 низкого давления позволяет в значительных пределах расширять пропускную способность устройства в зависимости от плотности перекачиваемого газа или вязкости жидкости, значительно увеличивая диапазон измерений по величине расхода, уменьшая макротурбулентность и тем самым снижая искажения измеряемого потока на измерительном участке, где через перфорацию 13, выполненную в виде продольных расширяющихся кнаружи пазов, в коаксиально размещенную кольцевую камеру 9 с установленным в ней датчиком для замера низкого давления передается достоверное значение низкого статического давления.
Затем поток поступает в камеру 6 отбора проб, которая сообщается с охватывающей ее кольцевой камерой 10 дополнительного перемешивания проб, через продольные щелевые перфорации 15 которой поток проникает в камеру 10 дополнительного смешения проб, где за счет появления поперечной компоненты скорости движения газа или жидкости на выходе из щелевых перфораций 15 возникает дополнительный эффект перемешивания между струями, вошедшими в камеру 10 из разных щелевых перфораций 15. Щелевые перфорации 15 могут быть расположены относительно продольной оси устройства параллельно или под углом до 8°. Расположение под углом способствует более равномерному перемешиванию текучих средств высокой вязкости. Под влиянием давления в трубопроводе смешанный поток проходит в транспортный трубопровод, доставляющий пробу к устройствам анализа состава текучей среды (на чертежах не показаны).
Отбор проб для последующего анализа именно из камеры 6 повышает достоверность результатов анализа, поскольку в камере 6 компоненты текучей среды наиболее сконцентрированы и наиболее равномерно распределяются по поперечному сечению потока.
Далее основной поток газа или жидкости поступает в диффузор 7, при этом угол наклона образующей конуса камер 5 и 6 подобран так, чтобы при прохождении потока в диффузоре 7 и поступлении его в магистральный трубопровод не возникало срывных турбулентных возмущений, могущих оказать обратное влияние на поток в камерах 5 и 6 за счет прохождения акустических волн возмущения против движущегося потока и тем самым снизить точность измерений. Это также позволяет определить оптимальный угол наклона образующей диффузора 7, а следовательно, и его оптимальный размер, исходя из того, что, вне зависимости от плотности перекачиваемого газа или жидкости, кинетические и динамические параметры потока, поступающего в диффузор, будут постоянны, что достигается подбором конусности камер 5 и 6. Оптимальная конусность диффузора при этом составляет 5-6°. При большем угле возможны завихрения и срывы потока, что скажется отрицательно на точности измерений, а при меньшем - неоправданное увеличение длины диффузора и резкое возрастание гидравлических потерь, что также снижает точность измерений. На всей длине диффузора 7 происходит восстановление исходного давления газа или жидкости, за вычетом гидравлических потерь. Гидравлические потери в устройстве составляют:
2
2
- не более 0,04 кГ/см для природного газа при рабочем давлении 75 кГ/см, и скорости движения газа на входе в устройство 20 м/с;
2
2
3
- не более 0,23 кГ/см для товарной нефти при рабочем давлении 75 кГ/см, плотности 950 кГ/м и скорости движения нефти на входе в устройство 3 м/с.
В тех случаях, когда сопло 4 имеет строго определенную форму и изготавливается относительно тонкостенным, оно в процессе работы может деформироваться из-за большого перепада давлений между давлением внутри трубопровода и атмосферой. Для предотвращения таких деформаций наружную поверхность сопла 4 охватывает кольцевая камера 14, которая сообщается с камерой 9, где ведется замер низкого давления. При этом на наружную и внутреннюю поверхности сопла 4 при любом значении расхода газа будет воздействовать практически одно и тоже давление, и окончательное формирование потока перед поступлением на измерительный участок происходит без влияния деформационной компоненты, возникающей из-за разницы давлений.
Поток текучей среды обычно несет некоторое количество твердых частиц, которые могут налипать на внутренних стенках кольцевых камер и изменять геометрические и реологические параметры течения. При определенном объеме налипания снижается точность измерения, для восстановления которой через штуцеры 16 производится промывка камер от налипших частиц.
Устройство заявленной конструкции позволяет на порядок снизить погрешности измерений, обусловленные неточностью формирования перепада давления, в 5-10 раза расширить диапазон измерений по величине расхода для одного типоразмера и снизить вес конструкции приблизительно на 20% по сравнению с существующими системами пробоотбора и измерения расхода. Наиболее существенным преимуществом является снижение гидравлических потерь рабочего давления для газа в 30-40 раз, для нефти в 10-15 раз. Этот параметр позволяет избежать критических ситуаций на магистральных узлах учета, где бывают ситуации, когда из-за потерь рабочего давления поток не может преодолеть 2 метра превышения высот при подаче нефти в накопитель. Параметр потерь легко считается и переводится в прямые затраты газо- нефтетранспорта при известной цене энергоресурсов.