СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ГАЗА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ, ОТПУСКАЕМОГО В ПРИЁМНИК ПОТРЕБИТЕЛЯ
METHOD OF DETERMINING THE AMOUNT OF HIGH-PRESSURE GAS RELEASED TO RECEIVER USER

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам измерения расхода и (или) количества газа, в частности, для учета количества компримированного природного газа, заправляемого в баллоны транспортных средств и других потребителей, например тепловозов, котельных и т.п.
Процесс заправки транспортных средств компримированным природным газом на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях до давления 19,6 МПа осуществляется путем соединения источника газа - ресивера (блока аккумуляторов газа) с приемником - сосудами высокого давления (баллонами транспортных средств) через топливораздаточную колонку.
При достижении давления газа в приемнике заданной величины или заказанного потребителем количества компримированного природного газа процесс заправки прекращается, емкости источника газа и приемника разъединяются.
Таким образом, процесс заправки транспортных средств на автомобильных газонаполнительных компрессорных станциях от типового технологического процесса в газохимической промышленности отличается следующим:
- дискретным характером процесса, т.е. подачей однократной дозы газа;
3
- широким динамическим диапазоном расхода (скоростью подачи) газа от 0 до 3 н м/с;
- высоким давлением (19,6 МПа);
3
3
- конечными величинами заправляемых объемов газа в процессе одной заправки (типовой объем заправки для легкового автомобиля составляет (10-50) н м, для грузовика и автобуса (50-200) н м).
Проблема создания эффективного средства коммерческого учета, отпускаемого потребителю компримированного природного газа, является актуальной для развития рынка газомоторного топлива РФ.
Известны способы измерения расхода газа, широко применяющиеся в промышленности (Государственная система обеспечения единства измерений. Выбор методов и средств измерений расхода и количества потребляемого природного газа в зависимости от условий эксплуатации на узлах учета. Рекомендации по выбору рабочих эталонов для их поверки МИ 3082 - 2007. Казань 2007. Зарегистрирована ФГУП «ВНИИМС» 7 декабря 2007 г.):
- метод переменного перепада давления;
- измерения объемного расхода (объема) газа с помощью средства измерения объемного расхода при рабочих условиях с последующим его пересчетом к стандартным условиям;
- измерения массового расхода (массы) газа с помощью средства измерения массового расхода с последующим его (ее) пересчетом к объемному расходу (объему) при стандартных условиях.
Подробное описание методов и средств измерения расхода газа приведено в журнальной статье Даева Ж.А. «Сравнительный анализ методов и средств измерения расхода газа», «Нефтегазовое дело», 2009 г.
Рекомендуемые МИ 3082 - 2007 первичные преобразователи расхода приведены ниже.
1. Метод переменного перепада давления с сужающим устройством.
2. Метод переменного перепада давления с осредняющей напорной трубкой.
3. Турбинный.
4. Ультразвуковой.
5. Ротационный.
6. Вихревой.
7. Диафрагменный (мембранный).
8. Кориолисовый.
К недостаткам первичных преобразователей по пп. 1 и 2 можно отнести существенную погрешность измерения расхода при его значительном изменении по величине (малый динамический диапазон) в процессе заправки. К недостаткам первичных преобразователей по пп. 4 и 8 можно отнести высокую стоимость первичного преобразователя. К недостаткам первичных преобразователей по пп. 3, 5, 6 и 7 можно отнести невозможность осуществления заправки при высоких (более 10 МПа) давлениях.
Известен способ измерения массы, расхода и объема газа при выдаче его из источника (замкнутой емкости), патент RU 2156960, МПК: G01F 1/86, дата публ. 27.09.2000.
Сущность изобретения: измеряют температуру и давление газа непосредственно в замкнутой емкости и определяют расход газа из нее с использованием уравнения состояния газа, а также с учетом коэффициента сжимаемости реального газа, рассматриваемого как функцию двух переменных - давления и температуры. Способ осуществляется с помощью устройства, содержащего датчики давления и температуры, установленные в замкнутой емкости, и электронного устройства для обработки информации с этих датчиков.
К недостаткам известного способа можно отнести:
- использование в качестве источника газа только замкнутых емкостей, что существенно ограничивает области применения способа;
- значительные погрешности при определении коэффициента сжимаемости реального природного газа высокого давления в условиях его переменного состава, что приводит к повышенным погрешностям измерения массы газа в сосуде потребителя.
Наиболее близким к заявляемому способу является способ определения количества газа высокого давления, отпускаемого в приемник потребителя, согласно АС №1688018 Α1, МПК: F17С 5/06; G05D 27/00, дата публ. 10.10.91. Для определения массы газа, находящегося в приемнике - баке транспортного средства, перед заправкой, на первом этапе соединяют приемник с промежуточной емкостью. После уравнивания давлений производят взвешивание промежуточной емкости. Количество газа, находящегося в приемнике, вычисляют из пропорций величин объемов промежуточной емкости и приемника. Затем производят одновременное наполнение газом от источника как приемника, так и промежуточной емкости. С целью выравнивания скоростей поступления газа в промежуточную емкость и приемник и поддержания в них равных значений термодинамических параметров используют регулируемый дроссель, проходное сечение которого настраивают исходя из пропорций объемов промежуточной емкости и приемника. Наполнение промежуточной емкости и приемника осуществляют до заданной дозы путем непрерывного измерения массы промежуточной емкости в процессе заправки. Массу газа, поступившего в приемник, определяют исходя из пропорций объемов промежуточной емкости и приемника.
К недостаткам способа можно отнести:
- невозможность измерения массы газа, подаваемого в приемник, в случае когда объем приемника неизвестен, что существенно сужает область применения способа;
- невозможность точного поддержания равенства термодинамических параметров газа, одновременно поступающего в промежуточную емкость и приемник за счет регулировок дросселем проходного сечения в промежуточной емкости, что приводит к высокой методической погрешности реализации способа;
- высокая погрешность вычисления массы газа, поступившего в приемник, в связи с большим количеством промежуточных вычислений;
- сложность алгоритма вычисления массы газа, поступившего в приемник, что приводит к усложнению программно-аппаратного комплекса и, как следствие, к удорожанию системы.
Задачей настоящего изобретения является определение количества газа высокого давления, отпускаемого в приемник потребителя, при одновременном снижении погрешности определения массы газа, поступившего в приемник.
Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, заключается в следующем:
- точность измерения массы газа, поступающего в приемник, не более 0,5% масс. от измеряемой величины;
- возможность отпуска газа в приемник потребителя заранее неизвестного объема;
- снижение стоимости системы;
- упрощение способа определения количества газа, отпускаемого в приемник потребителя.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата заявляется способ определения количества газа высокого давления, отпускаемого в приемник потребителя, включающий подачу газа из источника газа в промежуточную емкость, взвешивание промежуточной емкости, определение массы газа, поступившего в приемник, в котором согласно изобретению перед взвешиванием отключают промежуточную емкость от источника газа, осуществляют заполнение приемника газом из промежуточной емкости, отключают промежуточную емкость при достижении заданного параметра газа в приемнике, производят повторное взвешивание промежуточной емкости и по разнице взвешиваний определяют массу газа, поступившего в приемник.
Допускается:
- цикл отпуска газа в приемник потребителя повторять, при этом массы газа, поступившие в приемник, последовательно суммируются;
- использовать двухтактную схему отпуска газа в приемник потребителя, при этом реализуют одновременный процесс заполнения промежуточной емкости первого такта и опорожнение промежуточной емкости второго такта схемы, и наоборот.
Подача газа от источника газа в промежуточную емкость обеспечивает возможность накопления определенной массы газа в промежуточной емкости.
Отключение промежуточной емкости от источника газа перед взвешиванием обеспечивает возможность фиксации заранее неизвестного количества газа, содержащегося в промежуточной емкости.
Взвешивание промежуточной емкости обеспечивает определение суммарной массы промежуточной емкости и газа, находящегося в ней.
Заполнение приемника газом из промежуточной емкости обеспечивает возможность накопления определенной массы газа в нем.
Отключение промежуточной емкости от приемника при достижении заданного параметра газа в нем и повторное взвешивание промежуточной емкости обеспечивает такой сверхсуммарный технический эффект, как определение массы газа, поступившего в приемник, по разнице результатов взвешивания промежуточной емкости, что и обеспечивает достижение таких технических результатов, как:
- определение количества газа при заполнении приемника заранее неизвестного объема с точностью не более 0,5% масс. от измеряемой величины;
- снижение стоимости системы;
- упрощение способа определения количества газа, отпускаемого в приемник потребителя.
Повтор цикла отпуска газа в приемник потребителя обеспечивает последовательное накопление в нем, в конечном итоге, требуемой потребителем массы газа с точностью ее дозировки, не превышающей 0,5% масс. от конечной контролируемой величины (определяется подбором соответствующего промышленного средства измерения массы).
Использование двухтактной схемы отпуска газа в приемник потребителя при одновременной реализации процесса заполнения промежуточной емкости первого такта и опорожнения промежуточной емкости второго такта схемы, и наоборот - обеспечивает непрерывность в последовательности циклов заполнения приемника.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведены примеры функциональных схем устройств заполнения приемника газом высокого давления, реализующие заявляемый способ.
Устройство, представленное на фиг. 1 и фиг. 2, содержит топливораздаточную колонку 1, источник газа высокого давления 2, приемник газа 3, клапаны для перепуска газа 4 и 5. Промежуточная емкость 6 соединена с источником газа высокого давления 2 через клапан 4, а с приемником газа 3 - через клапан 5. Давление в промежуточной емкости 6 определяется датчиком давления 7. Вычислитель 8 предназначен для определения массы газа, поступившего в приемник 3. Взвешивание промежуточной емкости 6 осуществляется измерителем массы 9. Давление в источнике газа 2 обеспечивается ресивером 10 и поддерживается с помощью компрессора 11.
На фиг. 2 показана двухтактная схема устройства подачи газа высокого давления в приемник 3, где клапаны 4' и 5', промежуточная емкость 6' и измеритель массы 9' - элементы, идентичные клапанам 4 и 5, промежуточной емкости 6 и измерителю массы 9.
Способ осуществляется следующим образом. В исходном положении топливораздаточная колонка 1 отсоединена от источника газа высокого давления 2 и приемника газа 3 (клапаны 4 и 5 закрыты). На первом этапе отпуска газа открывается клапан 4, переток газа из источника газа 2 в промежуточную емкость 6 приводит к выравниванию давления, которое определяется датчиком давления 7 или по времени, задаваемом вычислителем 8. На втором этапе закрывается входной клапан 4 и производится взвешивание промежуточной емкости 6 измерителем массы 9. Масса промежуточной емкости 6 становится равной сумме ее собственной массы и массы находящегося в ней газа. На третьем этапе открывается выпускной клапан 5 и переток газа из промежуточной емкости 6 в приемник 3 приводит к выравниванию давления, которое определяется датчиком давления 7. На четвертом этапе закрывается выпускной клапан 5 и производится повторное взвешивание промежуточной емкости 6 измерителем массы 9. Масса промежуточной емкости 6 становится равной сумме ее собственной массы и массы оставшегося в ней газа. Разница масс промежуточной емкости 6 между измеренной измерителем массы 9 на этапе 2 и на этапе 4 становится равной приращению массы газа в приемнике 3. Циклическое повторение процесса отпуска газа в приемник 3 потребителя и суммирование масс газа в нем осуществляется вычислителем 8 до достижения требуемых параметров газа в приемнике 3.
Для ускорения процесса отпуска газа высокого давления в приемник 3 потребителя можно применить двухтактную схему, приведенную на фиг. 2.
Топливораздаточная колонка двухтактной схемы 1 в этом случае функционирует следующим образом. Вычислитель 8 циклически повторяет набор команд, в результате которых в противофазе одновременно с перетоком газа из источника 2 через клапан 4 в промежуточную емкость 6 (при этом измеритель массы 9 по команде вычислителя 8 взвешивает промежуточную емкость 6), одновременно осуществляется переток газа из промежуточной емкости 6' через клапан 5' в приемник 3 (при этом измеритель массы 9' по команде вычислителя 8 взвешивает промежуточную емкость 6') и, наоборот, при перетоке газа из промежуточной емкости 6 через клапан 5 в приемник 3 (при этом измеритель массы 9 по команде вычислителя 8 взвешивает промежуточную емкость 6), осуществляется переток газа из источника 2 через клапан 4' в промежуточную емкость 6' (при этом измеритель массы 9' по команде вычислителя 8 взвешивает промежуточную емкость 6').
Оценим погрешность измерения массы газа, поступившего в приемник. Рост давления в приемнике газа определяется по формуле, приведенной ниже.
где:
n - число циклов отпуска газа в приемник;
Рn - давление в приемнике газа на цикле n;
Ро - давление в источнике газа;
Vo - объем промежуточной емкости;
Va - объем приемника газа.
Давление в источнике газа высокого давления 2, равное, например, 25 МПа, обеспечивается ресивером 10 и поддерживается с помощью компрессора 11. Максимальное давление в приемнике 3 (баллон(ы) высокого давления) примем 20 МПа. Примем объем приемника 3, например, 100 литров. Примем объем промежуточной емкости 6, например, 10 литров. Тогда количество циклов до достижения давления газа 20 МПа в приемнике 3, подсчитанное по формуле, приведенной выше, составит n=17, а масса отпущенного потребителю газа - 13,2 кг. Масса каждой порции газа в промежуточной емкости 6 составляет 1,6 кг. Массу промежуточной емкости 6 без газа примем, например, 13 кг. Погрешность измерения общей массы промежуточной емкости 6 с газом 14,6 кг стандартным измерителем массы среднего класса по ГОСТ 24104 с наибольшим пределом измерения 15 кг составляет 5 г (0,03% масс). За 17 циклов реализуется 34 взвешивания и суммарная погрешность измерения массы газа составит 170 г. Таким образом, погрешность измерения массы газа 13,2 кг составит 1,3% масс. Во многих случаях практического применения это допустимая погрешность. Однако для увеличения точности измерения массы газа можно прибегнуть к применению взвешивающих устройств высокого или специального класса точности. Так, технические весы серии ВСЛ 20к/0,1 (занесены в Госреестр под №25390-03) с наибольшим пределом измерения 20 кг имеют погрешность 0,1 г, что дает общую погрешность 3,4 г (0,03% масс). Для дальнейшего повышения точности можно применить схему компенсации массы промежуточной емкости 6 за счет перекалибровки тензодатчика или за счет применения механической или гидростатической компенсации массы промежуточной емкости 6. Тогда измеритель массы 7 будет взвешивать только массу газа 1,6 кг, что потребует взвешивающего устройства с наибольшим пределом измерения 2 кг. Абсолютная погрешность весов среднего класса точности с наибольшим пределом измерения 2 кг составляет не более 0,5 г, что дает точность измерения 17 г или 0,12% масс.
Даже с учетом дополнительных погрешностей, вызванных воздействием окружающей среды, точность способа является очень высокой и превосходит любой из применяющихся в промышленности в настоящее время.
Данный способ можно распространить и на измерение масс других газов, в том числе конденсирующихся в условиях практической эксплуатации.