УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИСТИННОГО ОБЪЕМНОГО ГАЗОСОДЕРЖАНИЯ ГАЗОЖИДКОСТНОЙ СМЕСИ В ТРУБОПРОВОДНОЙ СЕТИ

Устройство относится к системам подачи газожидкостных смесей по трубопроводам, в том числе к системам смазки газотурбинных двигателей.
Знание истинного объемного газосодержания необходимо при решении задач, где требуется знание величины плотности двухфазной смеси. Это расчет величины подачи смеси в трубопроводах, определение мощности насосов, прокачивающих масловоздушную смесь в системах смазки, и т.п.Задача определения мощности особенно актуальна для электроприводных насосов, когда мощность электропривода прямо влияет на его массу. Знание, например газосодержания масловоздушного потока на выходе из каждой опоры роторов ГТД позволяет обоснованно выбирать производительность откачивающих насосов систем смазки, не допуская их переразмеривания, что обеспечивает возможность уменьшения массы и габаритов насосов.
Для измерения объемного газосодержания смесей используют контактные и бесконтактные устройства, работа которых основана на использовании различных физических принципов. Они обычно разделяются на устройства измерения локального среднего истинного объемного газосодержания по сечению трубопровода и измерения среднего газосодержания в объеме участка трубопровода.
Известны устройства измерения среднего в объеме истинного объемного газосодержания, созданные на основе взвешивания смеси (приборы ВИПС-25, ВИПС-100 и др.) и отсечки участка трубопровода (хроматографы Газохром-2000 и др.). В устройстве взвешивания газосодержание определяется по разности масс трубы с водой и со смесью, а в устройстве отсечки исследуемого трубопровода с помощью быстродействующих клапанов двухфазная смесь отводится из трубопровода и измеряется ее фазовый состав. Подобные устройства трудоемки, сложны в использовании, требуют специальной системы отбора проб, что, как очевидно, не позволяет определить объемное газосодержание в режиме проведения экспериментальных исследований (в реальном времени).
Известны устройства измерения среднего истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода на базе электроемкостных датчиков. Работа электроемкостных датчиков основана на использовании различия электрических свойств жидкой и газовой фаз, что приводит к изменению величины тока при прохождении газожидкостной смесью пластин такого датчика (патент РФ №2186377, 2002 г.). В этом устройстве электроемкостной датчик является основой зонда. Однако при его применении требуются большие временные интервалы наблюдения и их осреднения для получения надежных результатов, что исключает получение результата в режиме реального времени. Точность зонда зависит от вида газовых включений и иных факторов, ограничивающих применение таких датчиков, особенно на переходных режимах работы систем. Применение зондов затруднительно в трубопроводах диаметром 10-20 мм, характерных для систем смазки газотурбинных двигателей, из-за загромождения зондами проходного сечения и изменения структуры потока.
Известны акустические методы измерения среднего истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода, основанные на изменении скорости звука или ее затухания в зависимости от газосодержания смеси (например, а.с. СССР 1370544, 1988 г., а.с. СССР 1778674, 1980 г.), а также на измерении собственных механических колебаний в различных вставках (резонаторах) или волноводах (патент РФ 2115116, 1998 г.). Установка резонаторов в трубопроводы не всегда возможна из-за их влияния на структуру течения смеси. Кроме того, в системах смазки газотурбинных двигателей наблюдаются, как правило, полигармонические колебания и возбуждаются автоколебания с переменной частотой, что делает затруднительным использование, как резонаторов, так и методов на основе определения затухания скорости звука.
Известны устройства измерения среднего истинного объемного газосодержания в сечении трубопровода на базе ионизирующих излучений (например, SU 920465, опубл. 1982, патенты RU 2086995. опубл. 1997 г., SU 1022002, опубл. 1983 г.). Эти устройства содержат источник ионизирующего излучения, помещенный в защитно-коллимируюшее устройство, детектор ионизирующего излучения, формирователь импульсов и другие устройства регистрации и обработки. Их использование ограничено требованиями техники безопасности.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является устройство получения информации о мгновенном значении газосодержания в потоке, разработанного на принципе оптического зондирования прозрачного участка трубопровода (Э.Л. Китанин и др. Методика измерения выделения воздуха в потоке авиационного керосина при пониженном давлении в трубопроводе. ИФЖ, Т.86, №5, стр. 1107-1115, 2013). Данное устройство содержит HeNe лазер, микрообъектив, коллимирующий объектив и кварцевое окно перед прозрачным участком и за ним, иммерсионную кювету, дифракционную щель, фотодиод и цифровой самописец (контроллер). Луч лазера после микрообъектива и коллимирующего объектива направляется через кварцевое окно иммерсионной кюветы на прозрачный участок трубопровода, по которому движется двухфазный поток под действием силы тяжести. Далее, после второго окна кюветы и прохождения объектива за прозрачным участком ослабленный потоком луч проходит через дифракционную щель и попадает на фотодиод, ток которого, пропорциональный мощности излучения, регистрируется контроллером. При прохождении пузырей величина тока изменяется. Устройство обеспечивает возможность определения мгновенного значения газосодержания в двухфазном потоке, что очень важно, т.к. течение двухфазных потоков, как правило, носит пульсирующий характер.
Однако результаты калибровки этого оптического устройства с помощью хроматографа при двух давлениях 20 и 40 кПа при температуре 20°C и при нескольких скоростях потока показали, что результаты измерения не могут дать однозначный ответ на вопрос о том, какое массовое газосодержание потока соответствует измеренной степени поглощения энергии двухфазным потоком, так как газосодержание зависит как от давления, так и от скорости потока. Это является недостатком данного устройства. Следует также иметь в виду, что с увеличением давления смеси размер пузырьков уменьшается, и их регистрация оптическими средствами может вызвать дополнительные погрешности.
Трудности прямого измерения истинного объемного газосодержания могут быть преодолены путем решения обратной задачи - экспериментально определяются показатели последействия прохождения газожидкостной смесью участка трубопровода, проявляющиеся в виде величины потерь давления и частот колебания давления, связанных со скоростью звука в смеси. Используя известные аналитические зависимости для этих показателей, определяется объемное газосодержание (косвенное его измерение).
Предлагаемая полезная модель решает задачу измерения истинного объемного газосодержания в газожидкостной смеси в режиме реального времени проведения экспериментальных исследований с наблюдением и регистрацией получаемых результатов. Технический результат заключается в сокращении времени измерения и объема экспериментальных работ, повышения информативности информационно-измерительной системы и возможности влияния на условия работы исследуемой системы исходя из текущих значений величины объемного газосодержания смеси.
Для решения задачи измерения истинного объемного газосодержания газожидкостных смесей в основу предлагаемой полезной модели предложено устройство, которое позволяет:
- сократить время и объем испытаний за счет определения истинного объемного газосодержания в режиме проведения экспериментальных исследований,
- использовать безопасные (с точки зрения радиации) датчики давления и температуры.
Поставленная задача решается тем, что устройство для измерения истинного объемного газосодержания газожидкостной смеси в трубопроводной сети содержит источник давления газожидкостной смеси в начале сети и установленные в сети датчики давления смеси, подключенные к контроллеру.
Новым в полезной модели является то, что устройство дополнительно содержит датчики температуры, подключенные попарно с датчиками давления к контроллеру. Причем датчики давления и температуры установлены в трех точках трубопроводной сети, образующих между собой два последовательно расположенных мерных участка. Контроллер содержит модули компенсации инерционности измерения и осреднения параметров смеси, определения плотности, массового расхода и определения истинного объемного газосодержания смеси на мерных участках и модуль характеристик трубопроводов и двухфазной смеси. При этом входы модуля компенсации инерционности средств измерения параметров смеси и их осреднения связаны с датчиками давления и температуры в трех точках. Выход этого модуля связан с модулем определения плотности смеси. Выход модуля плотности смеси связан с модулем массовых расходов. Выход модуля массовых расходов связан с модулем определения истинного объемного газосодержания смеси.
При использовании заявляемого устройства:
см
- установка датчиков давления и температуры попарно в трех точках трубопроводной сети, образующих между собой два последовательно расположенных мерных участка, и наличие в контроллере совокупности модулей определения плотности смеси, массового расхода и истинного объемного газосодержания смеси на мерных участках позволяет определить истинное объемное газосодержание в газожидкостной смеси (α) с использованием для измерений обычных датчиков давления и температуры, что позволяет сократить объем и стоимость экспериментальных работ;
- наличие модуля компенсации инерционности средств измерения и осреднения параметров позволяет определять текущее значение истинного объемного газосодержания в газожидкостной смеси на установившихся и переходных режимах работы систем в реальном масштабе времени.
Настоящая полезная модель поясняется подробным описанием схемы устройства и его работы со ссылкой на чертеж.
Устройство содержит датчики давления и температуры, установленные попарно в трех точках трубопровода - 1, 2 и 3, которые образуют между собой два последовательно расположенных мерных участка. Течение в трубопроводе обеспечивает источник давления газожидкостной смеси 4. Контроллер 5 включает:
кор
изм
изм
изм
кор
изм
изм
изм
- модуль 6, содержащий алгоритмы компенсации инерционности каналов измерения давления (Р) и температуры (Т), например, в виде известного уравнения Х=ХτdX/dt, где Х, Х - измеренное и скорректированное значение параметра, τ - постоянная времени средства измерения,dХ/dt - величина производной измеряемого параметра, и осреднения параметров на заданном интервале времени, например, методом скользящей средней;
ж
г
см
ж
г
см
ж
см
г
см
- модуль 7 определения парциальных значений плотности жидкой (ρ) и газовой (ρ) фаз и плотности смеси (ρ) на мерных участках по известным уравнениям: ρ=f(Ρ, Τ), ρ=f(Ρ, Τ), ρ=ρ(1-α)+ρ α;
см
см
- модуль 8 определения массовых расходов смеси и формирования поправки на величину α в результате выравнивания с заданной точностью величин массовых расходов на двух мерных участках, при этом для определения массового расхода смеси G может использоваться, например, уравнение из работы Н.Д Захарова «Явная форма зависимости расхода газа и газожидкостной смеси от статических значений определяющих параметров», труды ЦИАМ №716, 1975 г., стр. 138,
2
2
где: p1 - давление на входе в трубопровод, k - показатель адиабаты смеси, π - отношение давления на выходе трубопровода к давлению на его входе, F - площадь сосредоточенного сопротивления участка трубопровода, φ - отношение площади F к площади проходного сечения трубопровода.
- модуль 9 определения истинного объемного газосодержания смеси;
ж
г
см
- модуль 10, в котором для модуля 6 задаются постоянные времени средств измерения параметров и временной интервал их осреднения, для модуля 7 - коэффициенты аналитических выражений для определения парциальных значений плотности жидкой ρ и газовой фаз ρ смеси, для модуля 8 - величины площадей проходных сечений трубопровода, показатель адиабаты смеси, коэффициенты зависимостей определения массового расхода смеси для разных видов течения, а также точность выравнивания величин массовых расходов (ε) на двух мерных участках.
Перечисленные в модуле 10 данные могут задаваться непосредственно в модулях 6, 7 и 8.
см
см
Входы модуля 6 компенсации инерционности средств измерения параметров и осреднения параметров среды связаны с датчиками давления и температуры двухфазной смеси в трех точках 1, 2 и 3 трубопровода. Выход модуля 6 связан с модулем 7 определения плотности смеси. Выход модуля 7 связан с модулем 8 массовых расходов. Выход модуля 8 массовых расходов связан с входом модуля 9, в котором определяется истинное объемное газосодержание α. смеси, например методом итераций. При этом на промежуточной стадии определения α первый выход модуля 9 связан с модулем 7, а второй выход модуля 7 - с системой регистрации и визуализации результатов (на чертеже не показана) после получения окончательного результата. Первый выход модуля 10 связан с модулем 6 для передачи в него постоянных времени средств измерения и временного интервала осреднения значений параметров, второй выход - с модулем 7 для передачи в него коэффициентов аналитических выражений для определения парциальных значений плотности жидкой, газовой фаз и др., а третий выход - с модулем 8 для передачи в него значений коэффициентов определения величин массовых расходов на двух мерных участках, показателя адиабаты и точности выравнивания массовых расходов.
Для повышения точности определения объемного газосодержания вместо датчиков давления в точках измерения 1 и 2 трубопровода возможно использовать датчики перепада давлений между точками «1-2» и «2-3». Так как в расчетных выражениях используются величины давлений, то они определяются путем добавления значения перепада к давлению в точке измерения 3 трубопровода.
Теоретическим основанием для работы заявляемого устройства является закон сохранения массы, согласно которому при течении газожидкостной смеси в трубопроводе величина массового расхода и массового газосодержания смеси не изменяются по длине трубопровода, а из-за потерь давления изменяется величина объемного расхода смеси и истинного объемного газосодержания.
см
см
ж
г
ж
г
см
см
см
В известных выражениях для определения массового расхода газожидкостной смеси G=f(α, ρ, ρ, Ρ, Т, …) есть параметры, которые можно измерить в процессе проведения экспериментальных исследований (температура Т, давление Р) или можно их рассчитать - парциальное значение плотности жидкой ρ=f(Ρ, Τ) и газовой ρ=f(Ρ, Τ) фаз, но имеется не измеряемый параметр - истинное объемное газосодержание α, т.е. для одного участка имеем одно уравнение с двумя неизвестными - G и α. Так как на двух рядом расположенных участках величина массового расхода одинакова, то получим два нелинейных уравнения с двумя неизвестными, из которых можно определить величину истинного объемного газосодержания.
см
i
см1
см
г1
ж1
см1
г1
ж1
см
см2
см
г2
ж2
см1
см2
см1
см2
см1
см2
см1
см2
Работа устройства происходит следующим образом. Течение смеси в трубопроводе обеспечивается источником 4 давления газожидкостной смеси. В j-тый момент времени проведения экспериментальных исследований контроллер 5 считывает в модуль 6 информацию с датчиков давления и температуры в точках измерения: точка 1 - Р1 и Т1, 2 - Р2 и Т2, 3 - Р3 и Т3 и производится ее обработка в части компенсации инерционности средств измерения и осреднения результатов на заданном интервале времени. Скорректированые результаты измерения передаются в модуль 7 для определения плотности жидкой и газовой фаз смеси в точках 1, 2 и 3 трубопровода, а также величины массового газосодержания χ в точке 1 по текущей величине объемного газосодержания α (α) из модуля 9 - χ=ρ/ρ/[(1/α-1)+ρ/ρ]. Так как χ не изменяется по длине трубопровода, то определяются величина объемного газосодержания в точке 2 по соотношению α=1/[1+(1/χ-1)ρ/ρ и плотность смеси в точках 1 и 2 - ρ и ρ. Из модуля 7 в модуль 8 передаются величины α α, ρ, ρ, P1, Р2 1 и Р3, по которым определяется величина массового расхода на участках «1-2» и «2-3» (G, G) по соотношениям из модуля 10.
см
см2
i
см
i
cм.j
После этого в модуле 8 производится сравнение между собой полученных величин массовых расходов на двух участках (G и G) и если они отличаются друг от друга (их разность не равна нулю), то определяется величина поправки Δα на текущее значение объемного газосодержания α. При этом, если величина поправки Δα меньше заданной погрешности ε, то она принимается равной нулю, Величина поправки передается в модуль 9 и, если она не равна нулю, то она суммируется с текущим значением α, и его новое значение поступает в модуль 7. Если величина поправки равна нулю, что свидетельствует о равенстве массовых расходов на двух мерных участках, то в систему регистрации поступает величина истинного объемного газосодержания α.
см
С датчиков считываются новые значения измеряемых параметров и определяется значение α в другой момент времени проведения эксперимента.
В предлагаемом устройстве погрешность определения истинного объемного газосодержания данным устройством обусловлена, в основном, погрешностью выбранных датчиков давления и температуры и погрешностью используемых зависимостей для определения величины массового расхода смеси.
Таким образом, заявленное устройство обеспечивает определение текущего значения истинного объемного газосодержания в сечениях трубопровода в реальном времени при проведении исследований на установившихся и переходных режимах, например, в тракте откачки масловоздушной смеси из опор роторов газотурбинных двигателей.