Способ определения истинного объёмного газосодержания
METHOD FOR DETERMINING TRUE VOLUME GAS CONTENT

Изобретение относится к способам определения физических свойств двухфазных потоков, а именно, к способам определения истинного объемного газосодержания потока масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в частности в системах смазки газотурбинных двигателей. Изобретение может быть использовано для определения содержания газа в других двухфазных газовых эмульсиях для управления различными технологическими процессами.
Величина объемного содержания газа в масловоздушной эмульсии необходима для расчета ее плотности, используемой при решении задач, касающихся определения параметров газожидкостных сред. Как правило, требуется долговременное непрерывное измерение в реальном времени значения истинного объемного газосодержания двухфазного потока на различных режимах работы оборудования.
Способы определения содержания газа в потоке газовой эмульсии основаны на различных физических принципах и направлены на измерение истинного газосодержания в сечении трубопровода, в локальной пробе или в объеме участка трубопровода.
Известны способы определения содержания газа в потоке газовой эмульсии, связанные с отбором проб газовой эмульсии и их анализом (газохроматографический, десорбционно-термокондуктометрический, манометрический и др.), однако эти способы требуют специального оборудования, времени для анализа, то есть не обеспечивают получение оперативной информации, и часто имеют низкую точность измерений.
Известен способ определения истинного объемного газосодержания потока газовой эмульсии, в котором возбуждают акустические колебания в газожидкостной среде (RU 2115116, 1998). Недостатком данного способа является изменение гидродинамического режима потока и сложность его реализации в трубопроводах маленького диаметра, например, в топливной или масляной системе двигателей.
Известен способ измерения истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода по ослаблению ионизирующего излучения (SU 1022002, 1983). Использование указанного способа ограничено требованиями техники безопасности и его применение возможно только в отношении газовых эмульсий, не содержащих нечувствительные к инфракрасному излучению азот, кислород, гелий, аргон, криптон, ксенон.
Известен способ определения объемного газосодержания в газожидкостной среде в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, измеряют температуру, давление и скорость потока между двумя сечениями участка и рассчитывают объемное газосодержание по уравнению состояния идеального газа, принимая двухфазную газожидкостную систему как смесь идеального сжимаемого газа и несжимаемой жидкости (US 6847898, 2005). Недостатком известного технического решения является низкая точность определения термодинамических характеристик эмульсии, таких как скорость звука, показатель адиабаты и др. В частности, расчет скорости звука в водовоздушной эмульсии без учета сжимаемости жидкой фазы составляет 330 м/с, а с учетом сжимаемости - 25 м/с, что подтверждается ее экспериментальным измерением.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является техническое решение (RU 152854, 2015), направленное на определение истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе, в котором выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, измеряют температуру и давление масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок и определяют истинное объемное газосодержание в сечении на входе в измерительный участок.
Недостатком известного технического решения является необходимость использования метода последовательных приближений при решении двух нелинейных уравнений с двумя неизвестными для расчета объемного газосодержания. Указанный метод требует существенных затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания и может не обеспечить получения достоверного результата.
Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, заключается в сокращении затрат времени на определение истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии.
Технический результат, достигаемый при реализации настоящего изобретения, заключается в определении величины истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени.
тр
тр
тр
м
изм
эм
эм
изм
эм
Технический результат достигается за счет того, что в способе определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d, длиной l, коэффициентом λ потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ местных потерь давления, измеряют объемный расход Q, температуру Т и давление Р масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔР давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание α в сечении на входе в измерительный участок по следующему соотношению:
где:
ж
эм
эм
ρ - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р;
т.тр
4
К - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м;
г
эм
эм
ρ - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р, причем:
тp
F - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.
Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной технической проблемы с достижением заявленного технического результата, так как только совокупность признаков, характеризующая изобретение, позволяет определять величину истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии посредством прямого вычисления в реальном времени на основе измерения гидродинамических характеристик потока - давления, перепада давления, температуры и объемного расхода газовой эмульсии и применения соотношения учитывающего геометрические характеристики трубопровода и характеристики потока газовой эмульсии.
Настоящее изобретение поясняется следующим подробным описанием способа определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе.
Способ измерения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии основан на законе сохранения массы, согласно которому при течении газовой эмульсии в трубопроводе массовый расход и массовое газосодержание не изменяются по его длине.
тp
тр
тр
м
изм
эм
эм
изм
эм
В способе определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии в трубопроводе выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d, длиной l, коэффициентом λ потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ местных потерь давления, измеряют объемный расход Q, температуру Т и давление Р масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, перепад ΔР давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка и определяют истинное объемное газосодержание α в сечении на входе в измерительный участок по соотношению:
где:
ж
эм
эм
ρ - плотность масла в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р;
т,тр
4
К - коэффициент, учитывающий потери давления в трубопроводе, м;
г
эм
эм
ρ - плотность воздуха в масловоздушной эмульсии при измеренных Т и Р, причем:
тp
F - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода.
тp
тр
тр
м
На первом этапе заявленного способа выделяют измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, характеризующийся диаметром d, длиной l, коэффициентом λ потерь на трение, суммарным коэффициентом ζ местных потерь давления.
В частности, длина участка может составлять не менее семи размеров его диаметра. Для повышения точности измерения перепада давлений длину участка целесообразно выбирать максимально возможной.
тр
м
тр
Величины коэффициентов λ и ζ могут определяться по известным соотношениям (см., например, И.Е. Идельчик, «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», 3-е издание, Москва, «Машиностроение», 1992, с. 10-11, 29-32). В частности, коэффициент λ может определяться с учетом числа Рейнольдса (Re) как:
тр
λ=64/Re.
Местные потери давления возникают, в частности, из-за сужения потока на входе в трубопровод и расширения на выходе из него, а также поворотов трубопровода.
изм
эм
эм
изм
На втором этапе измеряют объемный расход Q, температуру Т и давление Р масловоздушной эмульсии на входе в измерительный участок, и перепад ΔР давления в потоке масловоздушной эмульсии между входом и выходом измерительного участка.
ж
г
Значения плотности ρ масла и плотности ρ воздуха могут быть определены по одномерным или двумерным табличным данным или известным аналитическим выражениям:
ж
1
эм
эм
ρ=f(Р, Т),
г
2
э
эм
ρ=f (Р, Т),
где:
1
эм
эм
ж
эм
эм
f (Р, Т) - функция, выражающая зависимость ρ от Р и Т;
2
эм
эм
г
эм
эм
f (Р, Т) - функция, выражающая зависимость ρ от Р и Т.
эм
На третьем этапе определяют истинное объемное газосодержание α в сечении на входе в измерительный участок по соотношению (1).
Как известно, характер течения в трубопроводах микропузырьковых газожидкостных сред, к которым относится и двухфазная масловоздушная эмульсия, ничем не отличается от характера течения однофазной жидкости (см., например, статью Б.В. Бошенятова «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6, с. 160). Следовательно, величина массового расхода может быть определена из формулы Дарси - Вейсбаха для расчета потерь давления из-за трения эмульсии о стенки трубопровода, которая после перехода от объемного расхода к массовому и учета потерь давления на местных сопротивлениях в трубопроводе имеет следующий вид:
где:
эм.н
эм.к
Р и Р - величина давления соответственно на входе и выходе измерительного участка;
тp
G - величина массового расхода;
эм
ρ - плотность эмульсии на входе в участок трубопровода;
тp
F - площадь проходного сечения измерительного участка трубопровода, равная:
тp
изм
Соотношение (2) показывает, что величина G может быть рассчитана по измеренной величине перепада ΔР давления в участке трубопровода, равной разности величин давлений на его входе и выходе, и характеристикам измерительного участка (геометрическим данным и коэффициентам потерь).
тp
изм
эм
Величина G может быть также определена по измеренной величине объемного расхода Q и плотности ρ эмульсии по соотношению:
Так как величина массового расхода одинакова для потока эмульсии в трубопроводе, то подставляя соотношение (3) в соотношение (2) получим следующее равенство:
откуда соотношение для расчета плотности эмульсии имеет вид:
причем
изм
изм
В соотношение (4) входят только известные характеристики трубопровода и измеренные значения перепада ΔР давления и объемного расхода Q.
Подставляя в соотношение (4) известное выражение для плотности эмульсии:
эм
эм
ж
эм
г
ρ=(1-α)ρ+αρ,
получим соотношение:
ж
т.тр
изм
изм
эм
ж
г
2
ρ-КΔР/Q=α(ρ-ρ),
из которого получаем выражение для расчета величины объемного газосодержания:
эм
ж
т.тр
изм
изм
ж
г
2
α(ρ-КΔР/Q)/(ρ-ρ).
изм
изм
тр
тр
ж
г
эм
Таким образом, используя измеренные объемный расход Q эмульсии и перепад ΔР давления в участке трубопровода длиной l и диаметром d, а также рассчитанные текущие значения плотности ρ масла и плотности ρ воздуха можно рассчитать величину истинного объемного газосодержания α потока двухфазной масловоздушной эмульсии по соотношению (1).
эм
Соотношение (1) позволяет рассчитать величину истинного объемного газосодержания α прямым вычислением, что подтверждает решение заявленной технической проблемы с достижением технического результата -сокращение затрат времени на определение величины истинного объемного газосодержания в потоке двухфазной масловоздушной эмульсии посредством ее прямого вычисления в реальном времени.
эм
Для расчета потерь давления в трубопроводе справедлив принцип аддитивности и, в частном случае, в соотношение (2) могут быть добавлены величины потерь давления, обусловленные влиянием вязкости эмульсии на ламинарном режиме течения. Величина этих потерь прямо пропорциональна коэффициенту динамической вязкости η эмульсии и массовому расходу. С учетом этого, соотношение (2) принимает следующий вид:
В известной литературе имеются соотношения различного вида для расчета вязкости двухфазных эмульсий в функции объемного газосодержания. На основании обработки экспериментальных данных в указанной выше работе (Б.В. Бошенятов «Гидродинамика микропузырьковых газожидкостных сред», известия ТПУ, 2005, т. 308, №6) на стр. 159 указано соотношение:
эм
1
1
эм
η=η(1+kα),
где:
1
η - коэффициент динамической вязкости жидкой фазы (масла) эмульсии, Па⋅с;
1
k - постоянный коэффициент, равный 1.
эм
С учетом соотношения (4) выражение для расчета α принимает следующий вид:
эм
ж
т.тр
изм
изм
в.тр
изм
ж
г
в.тр
изм
2
α=(ρ-КΔР/Q+К/Q)/(ρ-ρ-К/Q),
в.тр
-1
где К - коэффициент, имеющий размерность кг⋅с, причем
Полученное соотношение показывает, что с увеличением вязкости жидкой фазы объемное газосодержание возрастает.
Заявленный способ может быть осуществлен с помощью измерительной системы для определения истинного объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии. Система включает измерительный горизонтальный цилиндрический участок трубопровода, на входе которого установлено устройство для измерения объемного расхода и датчики давления и температуры масловоздушной эмульсии, датчик перепада давления, измеряющий разность давлений между входом и выходом измерительного участка, и электронный вычислительный блок, подключенный к электрическим выходам устройства для измерения объемного расхода и всех датчиков, и выполненный с возможностью расчета истинного объемного газосодержания двухфазной масловоздушной эмульсии по информации с датчиков и устройства для измерения объемного расхода.
В качестве устройства для измерения объемного расхода может быть использован датчик объемного расхода или электроприводной насос-измеритель, в контроллере которого содержится алгоритм определения объемного расхода по предварительно полученной экспериментальной зависимости объемного расхода через насос от частоты вращения насоса и перепада давления на нем.
Необходимость использования в предлагаемом способе только четырех простых средств измерения (устройство для измерения объемного расхода, датчики давления и температуры масловоздушной эмульсии, датчик перепада давления) повышает возможность практической его реализации в конструкциях измерительных систем.
Решение проблемы определения объемного газосодержания потока двухфазной масловоздушной эмульсии особенно актуально для систем смазки газотурбинных двигателей (ГТД). В опорах ГТД образуется устойчивая масловоздушная эмульсия, которая откачивается насосами в маслобак (Гулиенко А.И. и др. Особенности рабочего процесса в масляной полости опор ротора газотурбинного двигателя // VI Международная НТК «Проблемы химмотологии: от эксперимента к математическим моделям высокого уровня». Сборник избранных докладов. - М.: «Граница», 2016, - с. 38-46.). Информация о содержании воздуха в масловоздушной эмульсии позволяет достоверно рассчитать потери давления в тракте откачки, величину гидравлической мощности откачивающих насосов и другие параметры, на основании которых определяются диаметр трубопроводов, мощность электропривода для вращения насосов и др.
эм
Способ может быть использован для определения величины истинного объемного газосодержания α потока двухфазной масловоздушной эмульсии на установившихся и переходных режимах, например, в тракте откачки масловоздушной эмульсии из опор роторов ГТД.
эм
В качестве дополнительного технического результата при осуществлении заявленного способа также повышается точность и достоверность определения величины истинного объемного газосодержания α, поскольку прямое вычисление с учетом потерь давления на трение в отличие от метода последовательных вычислений гарантирует сходимость процесса расчета, например, при скачках давления в трубопроводе.