УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА РЕВЕРСИРУЕМОГО МНОГОФАЗНОГО ПОТОКА
DEVICE TO MEASURE FLOW RATE OF REVERSED MULTIPHASE FLOW

Предлагаемое устройство измерения расхода реверсируемого многофазного потока может быть использовано для измерения расхода сырья, полуфабрикатов, продуктов и отходов в виде суспензий, эмульсий и их смесей в различных отраслях промышленности, например: нефтедобывающей (эмульсии и суспензии при добыче высоковязких и истощенных пластов с накачкой паровоздушной смесью), горнодобывающей (пульпы минералов), металлургической (рудные пульпы и шламы), строительных материалов (пульпы и шламы от нефтепереработки и металлургии), химической (эмульсии, пульпы и шламы в обогащении сырья, извлечении и производстве продукта, например катализаторов, сорбентов и т.д.), пищевой (эмульсии и суспензии в производстве полупродуктов и сухих концентратов), сельскохозяйственной (эмульсии и суспензии в производстве комбикормов, органических удобрений, макрокапсулированных семян и т.д.), деревоперерабатывающей (эмульсии и суспензии в производстве древопластов), машиностроении (композиционные материалы) и других отраслях.
Известны устройства измерения расхода потоков, в том числе многофазных с использованием измерения динамических характеристик потока, характеризуемые уменьшением энергии потока на долю энергии, затраченной чувствительным элементом для генерирования первичного сигнала о величине расхода, и доля эта зависит от типа расходомера (см. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, 1982. С. 101).
Недостатками известных устройств измерения расхода является или их полная непригодность для измерения расхода многофазного потока, или значительное увеличение погрешности измерения. Неоднородность состава и физико-механических свойств многофазного потока приводит к нерегулярным скачкообразным изменениям в реакции чувствительных элементов расходомеров, несопоставимыми с действительными показателями расхода.
Известны устройства измерения расхода потоков, в том числе многофазных, основанные на различных физических явлениях: тепловых (см., например, патент РФ RU 2186343 от 27.07.2002 / Позднышев Г.Н., Манырин В.Н., Калугин И.В., Сивакова Т.Г.) электромагнитных (см., например, патент РФ RU 2381457 от 10.02.2010 / Вельт И.Д., Михайлова Ю.В., Терехина Н.В.) оптических, ядерно-магнитных, ионизационных и других (см. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, 1982), зависящих от расхода и возникающих в результате непрерывного или периодического ввода различного вида энергии в транспортируемый многофазный поток.
Недостатками известных устройств являются значительное увеличение погрешности измерения в области малых и больших расходов, скачкообразное и существенное искажение тепловых, электрических, магнитных и других полей в зоне измерения расхода из-за контакта с твердыми и газовыми включениями многофазного потока.
Известны одновинтовые машины, винт которых может быть аналогом чувствительного элемента предлагаемого устройства измерения расхода многофазного потока, например, одновинтовые конвейеры, питатели и дозаторы (авт. св. СССР: SU 128775, SU 195238, SU 222781, SU 555289, SU 964458; Маликов С.П. и др. Весы и дозаторы весовые. М.: Машиностроение, 1981, с.94), патенты РФ: RU 2012527, RU 2046296, RU 2047103, RU 2312807, RU 2340532, RU 2406978.
Недостатком перечисленных устройств является непригодность их для измерения расхода многофазного потока.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству измерения расхода многофазного потока является устройство, выбранное в качестве прототипа RU 2517764 (опубл. 27.05.2014, кл. G01F 1/58, приоритет 17.10.2012), которое включает одновинтовую машину, содержащую корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками и расположенный в корпусе вал с винтом, соединенный с приводом. Винт является движителем для равномерного подвода дозированного количества механической энергии в многофазный поток и одновременно служит чувствительным элементом устройства измерения. Режим измерения поддерживается двухконтурной системой автоматического управления, внутренний (исполнительный) контур которой в составе электродвигателя, тахометра и частотного преобразователя изменяет скорость вращения винта для синхронизации с объемным расходом многофазного потока. Внешний (задающий) контур в составе датчика дифференциального давления, датчиков температуры, контроллера и блока математического моделирования формирует задание по скорости вращения винта, синхронизированной с объемным расходом многофазного потока. Регистратор используют для хранения и выдачи по запросу измеренных параметров и рассчитанных в блоке математического моделирования значений объемного и массового расхода многофазного потока и его плотности.
Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое устройство, является возможность измерения расхода реверсируемого многофазного потока, расширение интервала применения способа измерения по составу и свойствам многофазного потока, увеличение чувствительности, надежности и достоверности результатов измерения, расширение метрологически обоснованного интервала измерения и уменьшение погрешности измерения в этом интервале, без существенного увеличения погрешности на границах этого интервала.
Для достижения указанного технического результата предлагаемое устройство измерения расхода реверсируемого многофазного потока позволяет изменять направление вращения винта в зависимости от направления потока. Кроме того, для повышения чувствительности, надежности и достоверности измерения, а также определения направления потока внешний задающий контур управления дополняют любым датчиком осевых усилий винта на опорные подшипники, например, на основе тензометрических датчиков.
Отличие предлагаемого устройства измерения расхода от известных аналогов заключается в том, что винтом в поток вводится от независимого источника дозированное количество механической энергии, а первичным сигналом являются направление и скорость вращения винта, как чувствительного элемента, синхронизированная с объемным расходом реверсируемого многофазного потока. При этом однородность механической энергии потока и механической энергии, равномерно подводимой всем фазам потока (газовой, жидкой и твердой) от независимого источника (одновинтовой машины), уменьшает влияние состава, в том числе фракционного и физико-механических свойств многофазного потока на погрешность измерения расхода, как интегральной суммы линейных скоростей отдельных частиц потока. Таким образом, предлагаемое устройство измерения расхода реверсируемого многофазного потока включает одновинтовую машину, винт которой является реверсируемым движителем и одновременно чувствительным элементом устройства измерения, оснащенного двухконтурной системой автоматического управления скоростью вращения винта, которая в совокупности с регистратором образуют автоматическую систему измерения, вычисления и регистрации объемного и массового расхода многофазного потока, его плотности и направления движения.
Одновинтовая машина в качестве движителя и одновременно чувствительного элемента измерительного устройства через силовой привод от независимого источника вносит в поток винтом такое дозированное количество механической энергии, при котором направление и скорость вращения винта синхронизируются с направлением и объемным расходом многофазного потока. Эта синхронная скорость вращения винта является первичным сигналом устройства измерения для вычисления и регистрации объемного и массового расхода транспортируемой среды, ее плотности и направления движения. Определяющим условием дозирования энергии является компенсация потери энергии потока на измерительном участке трубопровода по месту установки одновинтовой машины, поэтому в режиме измерения значение перепада давления на входе и выходе участка измерения пренебрежимо мало в соответствии с калибровочной характеристикой расходомера.
Для повышения чувствительности, надежности и достоверности измерения, а также определения направления потока внешний задающий контур управления дополняют любым датчиком осевых усилий винта на опорные подшипники, например, на основе тензометрических датчиков. В этом случае определяющим условием режима измерения может быть близость к нулю осевых усилий винта на опорные подшипники. Возможна также комбинация обоих условий выхода на режим измерений.
Конструкция предлагаемого устройства измерения расхода многофазного потока и принцип его работы поясняются фиг.1. Устройство измерения расхода реверсируемого многофазного потока включает встроенную в трубопровод с транспортируемой средой одновинтовую машину, состоящую из корпуса 1 загрузочного и разгрузочного патрубков реверсируемых 2, 3, однозаходного винта 4, вращаемого электродвигателем 5 через редуктор 6 с опорой на подшипниковый узел 7.
Число заходов винта, его длина и другие конструктивные, технические и технологические параметры предлагаемого устройства измерения многофазного потока зависят от состава, в том числе фракционного, физико-механических свойств и расхода многофазного потока и выбираются индивидуально.
Измерение расхода реверсируемого многофазного потока обеспечивают следующие элементы двухуровневой системы автоматического управления в составе предлагаемого устройства измерения расхода многофазного потока (фиг. 1): электродвигатель 5, тахометр 8, частотный преобразователь 9, составляющие внутренний контур регулирования скорости вращения винта, задаваемой внешним (задающим) контуром управления направлением и скоростью вращения винта в составе: датчик дифференциального давления 12, датчик осевых усилий винта на опорные подшипники 15, датчики температуры 13, контроллер 10, блок математического моделирования 14. Внутренний контур управления направлением и скоростью вращения винта и внешний (задающий) контур в совокупности с регистратором 11 образуют автоматическую систему измерения, вычисления и регистрации всех измеренных параметров, а также рассчитанных значений расхода и плотности реверсируемого многофазного потока.
Предлагаемое устройство работает следующим образом: при выключенном электродвигателе 5 транспортируемая среда свободно течет по каналам неподвижного винта 4 за счет внешнего источника транспортирования при соответствующем максимальном гидравлическом сопротивлении и соответствующем перепаде давления на винте и, следовательно, с максимальной потерей энергии многофазного потока на участке измерения. При запуске электродвигателя по мере увеличения скорости вращения винта уменьшаются гидравлическое сопротивление, перепад давления и потери энергии многофазного потока на участке измерения. В определенный момент времени при разгоне винта достигается режим измерения, при котором перепад давления на винте и/или осевые усилия винта на опорные подшипники не превышают заданной погрешности с учетом калибровочной характеристики устройства измерения. При этом направление и скорость вращения винта, синхронизированная с направлением и объемным расходом многофазного потока, транспортируемого внешним источником, используется в блоке математического моделирования 14 (фиг. 1) для расчета объемного и массового расхода транспортируемой среды, ее плотности и направления движения. С периодичностью, задаваемой блоком математического моделирования 14, в зависимости от динамических характеристик реверсируемого многофазного потока, измеренные параметры и рассчитанные значения объемного и массового расхода многофазного потока, его плотности и направления движения передаются в регистратор 11 (фиг.1 ) для хранения и выдачи по запросу.
Режим измерения расхода многофазного потока постоянно поддерживается двухконтурной системой автоматического управления с целью непрерывного измерения разности давлений и температур на участке измерения, осевых усилий винта на опорные подшипники, направления и скорости вращения винта, а также вычисления и регистрации объемного и массового расходов многофазного потока его плотности и направления движения.
Расчет искомых параметров многофазного потока выполняется в блоке математического моделирования (14) с использованием выбранной математической модели:
где ρ - средняя плотность многофазного потока, Q - объемный расход многофазного потока, М - массовый расход многофазного потока, Np - скорость вращения винта в режиме измерения, P - вектор параметров многофазного потока, определяющий его физико-механические свойства: компрессионные, реологические, когезионные и адгезионные.
Для расчета может быть использована простейшая линеаризованная форма моделей (1):
где k(Р) - расходный коэффициент, определяющий зависимость объемного расхода от вектора параметров многофазного потока (Р).
Массовый расход и плотность многофазного потока рассчитываются аналогично (1). Выбор математической модели (1) или (2) зависит от состава, в том числе фракционного и физико-механических свойств многофазного потока, требуемой погрешности измерения расхода и технических возможностей блока математического моделирования при реализации модели и других элементов устройства.
Определяющим условием режима измерения является близость к нулю значения перепада давления на входе и выходе участка измерения и/или осевых усилий винта на опорные подшипники с учетом калибровочной характеристики расходомера.
Предлагаемое изобретение предоставляет возможность измерения расхода реверсируемого многофазного потока, уменьшает погрешность измерения, увеличивает метрологически обоснованный интервал измерения расхода транспортируемой среды без существенного увеличения погрешности на границах этого интервала, расширяет интервал применения устройства измерения по составу и физико-механическим свойствам многофазного потока, увеличивает чувствительность надежность и достоверность результатов измерения.
Предлагаемое устройство измерения расхода реверсируемого многофазного потока может быть использовано в различных отраслях промышленности, например: нефте- и горнодобывающей, металлургической, строительных материалов, химической, пищевой, сельскохозяйственной и других.