УСТАНОВКА ДЛЯ КАЛИБРОВКИ СЧЕТЧИКОВ ГАЗА В ЗАМКНУТОМ КОНТУРЕ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
APPARATUS FOR CALIBRATING GAS COUNTERS IN A CLOSED CIRCUIT AT HIGH PRESSURE

Изобретение относится к области установок для калибровки счетчиков-расходомеров газа в замкнутом контуре при высоком давлении и к способу эксплуатации установки.
Производителям газовых расходомеров часто требуется тестирование новых конструкций газовых расходомеров для проверки или подтверждения точности, качества и т.д. В основном производители в состоянии осуществлять у себя тестирование расходомеров с использованием жидкостей. Испытательные объекты для жидкостей могут быть созданы без чрезмерных расходов или времени. Создать у себя тестовые установки на газ не так просто. Таким образом, производителям расходомеров газа, как правило, нужно обращаться к тестовым установкам и нести значительные затраты, чтобы использовать тест-центр. Этот процесс отнимает много времени и является трудоемким. Сейчас производителям приходится ждать несколько недель или месяцев, прежде чем они могут тестировать новые проекты и получить результаты испытаний для новых конструкций.
Существует три основных типа испытательных установок для газа.
Первый тип установок, описанный в WO2005/005938 A1 – установки с системой продувки. В системе продувки компрессор осуществляет забор воздуха из атмосферы и сжимает его в резервуаре. Когда давление в резервуаре достигает давления, требуемого для испытаний, воздух выпускается из резервуара и проходит через эталонный счетчик и проверяемый прибор. Затем воздух вентилируется обратно в атмосферу. Эталонный и проверяемый счетчик измеряют расход газа, когда он проходит через резервуар обратно в атмосферу. Показания измерений эталонного счетчика используются для калибровки проверяемого счетчика. Известная система продувки имеет короткий период работы, является дорогостоящей, неэффективной и чрезвычайно шумной.
В WO 2005/005938 A1 описан другой тип установок. Он представляет собой рециркуляционный газовый контур. В этой испытательной установке используется рециркуляционный газовый контур. Данная исследовательская  установка  включает в  себя  газовый  контур,   компрессор,  охладитель,  звуковые  сопла   и участки для проверяемых приборов. Компрессор циркулирует газ по газовому контуру на желаемой скорости потока. Компрессор добавляет тепло к газу в газовом контуре во время его циркуляции. Охладитель охлаждает газ в газовом контуре до желаемой температуры. Проверяемый счетчик вместе с одним или более звуковыми соплами измеряют расход газа. Звуковые сопла являются эталонными счетчиками для проверяемых счетчиков. Измерения, проведенные проверяемым счетчиком, сравниваются с измерениями, проведенными с помощью звуковых сопел, для проверки точности поверяемого счетчика или калибровки проверяемого прибора. Эта исследовательская установка очень большого размера является крайне дорогостоящей и энергозатратной в работе. Существующие исследовательские установки не могут быть успешно установлены и введены в эксплуатацию во многих компаниях в связи с их размером, стоимостью и энергопотреблением.
Третий тип согласно категории патента раскрыт в следующих аналогах: WO 2005/005938 A1, US 4590790 A, US 20050160784 A1, GB 402954 A и WO 2000058696 A1. Этот тип объединяет испытательные установки, состоящие из замкнутого контура потока, системы нагнетания, системы регулирования температуры, системы эталонных счетчиков, системы испытания счетчика. Система эталонных счетчиков измеряет свойства газа, циркулирующего через замкнутый контур потока. Система испытания счетчика также измеряет свойства газа, циркулирующего через контур потока. Показания системы эталонных счетчиков сравниваются с показаниями измерений системы испытания прибора для дальнейшей калибровки испытуемого прибора. Этот третий тип обладает несколькими преимуществами по сравнению с типами 1 и 2. Испытательная установка в случае необходимости может работать в течение нескольких часов, в то время как системы продувки имеют ограничения во времени работы. Система нагнетания в испытательной установке также может иметь меньшие габариты, чем компрессор в системе продувки, потому что для системы нагнетания не требуется создания большого давления. Испытательная установка не нуждается в больших резервуарах для хранения газа под давлением и в отведении газа в атмосферу. Следовательно, это помогает избежать проблем, связанных с шумом, который возникает в системах продувки. Испытательная установка имеет меньшие размеры, чем научно-исследовательская установка согласно типу 2. Испытательная установка может быть размещена в здании, или даже в углу здания, в то время как научно-исследовательская установка по типу 2 имеет значительные размеры. Испытательная установка является преимущественно недорогой и эффективной в работе, а также может быть размещена внутри здания. Разработчики могут затем получать данные о модификациях и таким образом проводить испытания расходомеров на месте. Это позволяет сэкономить время и средства при разработке новых продуктов.
Однако серьезным недостатком такого типа установок является расположение двигателя турбины системы нагнетания внутри замкнутого контура, что приводит к существенному нагреванию рабочей среды (газа) и необходимости применения сложных, высокопроизводительных и энергоемких решений по обеспечению температурной стабильности (охлаждению) и, как следствие, взрывозащищенности этого двигателя в случае применения горючих газов в качестве рабочей среды. Другим недостатком таких установок является сложность или отсутствие возможности смены типа газа (рабочей среды) в замкнутом контуре, что вызывает проблемы в случае необходимости испытаний счетчиков (газовых расходомеров) на определенном типе газа.
Поэтому задача изобретения заключается в том, чтобы разработать такую типовую испытательную установку, в который были бы устранены указанные недостатки.
Эта задача решается с помощью признаков, описанных в пунктах 1 и 9 формулы изобретения.
Отсюда видно, что изобретение осуществляется в том случае, когда испытательная установка для калибровки счетчиков газа работает в замкнутом цикле при высоком давлении и содержит следующие функционально связанные между собой компоненты:
- замкнутый контур потока высокого давления,
- генератор потока рабочей среды, например, турбинный блок или систему воздуходувки, выполненный на гидроприводе, с возможностью генерировать высокую скорость потока различных газов под высоким давлением внутри замкнутого контура испытательной установки,
- систему регулирования температуры, например, термостабилизирующую камеру, охладитель, соединенную в процессе эксплуатации с контуром,
- блок регулирования подачи рабочей среды при малых объемных расходах,
- систему эталонных счетчиков с возможностью соединения в процессе эксплуатации с указанным замкнутым контуром,
- систему поверяемых счетчиков с возможностью соединения в процессе эксплуатации с контуром,
- систему нагнетания рабочей среды, создающей избыточное давление в трубопроводной системе,
- систему баллонов высокого давления с различными газами с возможностью соединения в процессе эксплуатации с контуром испытательной установки и
- фильтр, очищающий среду, циркулирующую через контур.
Система нагнетания рабочей среды в замкнутый контур установки подает требуемую рабочую среду до достижения необходимого давления. Таким образом, система работает по замкнутому циклу. При включении турбины генератора потока рабочей среды в трубопроводном тракте замкнутого контура установки создается поток рабочей среды. Термостабилизирующая камера принимает поток рабочей среды и контролирует ее температуру. Системы эталонных и поверяемых счетчиков измеряют расход рабочей среды, циркулирующей через трубопроводный тракт установки. Погрешность вычисляется путем сличения объемов рабочей среды в стандартных условиях, измеренных поверяемым и эталонным счетчиками.
Установка замкнутого цикла для калибровки счетчиков газа на давлении может быть компактной и эффективной. Установка позволяет производителям расходомеров получить оперативную обратную связь о необходимых в некоторых случаях изменениях конструкции газовых расходомеров. Это может сэкономить время и средства в разработке новых продуктов. Установка также использует намного меньше электроэнергии, чем системы c рециркуляционным газовым контуром, что делает ее более рентабельной.
Другие целесообразные и предпочтительные варианты исполнения изобретения раскрываются в зависимых пунктах формулы.
Целесообразный вариант исполнения изобретения предусматривает, что система поверяемых счетчиков размещена после системы эталонных счетчиков по направлению движения потока; при этом трубопровод контура высокого давления снабжен устройством аварийного удаления газа из контура с индикатором газа. Между участками трубопровода контура высокого давления установлены демпфирующие антивибрационные вставки. Далее предусмотрены вакуумный компрессор, обеспечивающий удаление остатков газов из замкнутого контура высокого давления, а также блок инертного газа, подключенный к трубопроводу контура высокого давления.
Еще один предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает:
-  электродвигатель, находящийся вне замкнутого контура потока и приводящий с помощью гидронасоса в движение гидромотор, который находится внутри замкнутого контура среды;
- турбину, расположенную внутри замкнутого контура, приводимую в движение гидромотором и предназначенную для создания и управления скоростью потока газа в замкнутой трубопроводной системе установки;
- дополнительный замкнутый контур гидропривода генератора потока рабочей среды, снабженный электродвигателем, гидронасосом, охладителем и гидромотором, вращающим турбину,
Несколько примеров выполнения изобретения схематически показаны на чертеже и ниже поясняются более подробно. На чертежах показаны:
Фиг. 1  Блок-схема установки замкнутого цикла для калибровки счетчиков газа на давлении
Фиг. 2  Функциональная схема установки замкнутого цикла для калибровки счетчиков газа на давлении.
На фиг. 1 - 2 и в следующем описании даны конкретные примеры изобретения для обучения специалистов в данной области по выполнению и наилучшему использованию данного изобретения. С целью пояснения основных принципов настоящего изобретения некоторые общепринятые аспекты изобретения были упрощены или опущены. Специалистам в данной области техники будут понятны вариации, изложенные в примерах, подпадающих под данное изобретение. Специалистам в данной области техники будут понятны особенности, изложенные ниже, которые возможно комбинировать различными способами, для образования множества вариаций данного изобретения. Как результат, изобретение ограничивается не определенными примерами, изложенными ниже, а только притязаниями формул изобретения и их эквивалентами.
Фиг. 1 иллюстрирует установку 400 замкнутого цикла для калибровки счетчиков газа на давлении как пример изобретения.
Фиг. 2 иллюстрирует испытательную установку 500 в примере осуществления изобретения.
Предлагаемая согласно изобретению установка 400, 500 включает в себя:
-  замкнутый контур потока высокого давления 401, 501 с возможностью содержать газ под давлением,
-  генератор потока рабочей среды (турбинный блок, систему воздуходувки) 402, 502, выполненный на гидроприводе с возможностью генерировать высокую скорость потока различных газов под высоким давлением внутри замкнутого контура установки,
-  систему регулирования температуры (термостабилизирующую камеру, охладитель) 403, 503, соединенную с указанным замкнутым контуром, и выполненную с возможностью управления температурой упомянутого сжатого газа,
-  блок регулирования подачи рабочей среды при малых объемных расходах 404, 504,
-  систему эталонных счетчиков (эталонную линию) 405, 505, соединенную с указанным замкнутым контуром и выполненную с возможностью измерения расхода указанного сжатого газа,
-  систему поверяемых счетчиков (рабочую линию) 406, 506, соединенную с указанным замкнутым контуром и выполненную с возможностью подключения испытываемого счетчика для измерения расхода указанного сжатого газа,
-  систему нагнетания рабочей среды 407, 507, предназначенную для создания избыточного давления в трубопроводной системе (замкнутом контуре) установки, с возможностью нагнетания в систему установки различных газов до достижения необходимого давления,
-  систему баллонов высокого давления 408, 508 с различными газами, позволяющую подавать различные газы под высоким давлением в замкнутый контур испытательной установки,
-  вакуумный компрессор 413, 513, сконфигурированный для удаления остатков воздуха, различных газов и влаги из замкнутого контура испытательной установки, и
-  фильтр 411, 511, сконфигурированный для удаления загрязнений из потока. циркулирующего в замкнутом контуре испытательной установки и предотвращающий загрязнение эталонных счетчиков.
Следующие определения могут помочь понять изобретение.
Контур потока 401, 501 включает в себя любой трубопровод или закрытую структуру, содержащую газ.
Генератор потока рабочей среды (турбинный блок, система воздуходувки) 402, 502 предназначен генерировать высокую скорость потока указанного газа под высоким давлением внутри замкнутого контура 401, 501 установки 400, 500. При этом генератор потока рабочей среды характеризуется следующими признаками:
- наличием электродвигателя 516, находящегося вне замкнутого контура потока 401, 501 и приводящего с помощью гидронасоса 517 в движение гидромотор 519, который находится внутри замкнутого контура среды 401, 501,
-  наличием дополнительного замкнутого контура 525 с гидравлической рабочей жидкостью, с помощью которой осуществляется передача вращательного момента (движения) от электродвигателя, находящегося вне контура потока высокого давления 401, 501, к турбине, находящейся внутри контура потока высокого давления 401, 501,
- наличием турбины 520, находящейся внутри замкнутого контура потока высокого давления 401, 501 и приводимой в движение гидромотором 519; турбина (520) предназначена для управления потоком газа в замкнутой трубопроводной системе установки; при включении турбины 520 в трубопроводном тракте установки создается поток рабочей среды.
Основными преимуществами данного генератора потока рабочей среды 402, 502 являются:
-  размещение электродвигателя 516 вне рабочей (взрывоопасной) среды, что, в отличие от известных решений, полностью снимает проблему обеспечения взрывозащищенности и взрывобезопасности оборудования;
-  отсутствие нагрева рабочей среды от электродвигателя 516,
-  значительное сокращение электроэнергии, расходуемой на охлаждение рабочей среды,
-  наличие охладителя 518 гидравлической жидкости, обеспечивающее еще более высокий уровень термостабилизации внутри замкнутого контура.
Система регулирования температуры (термостабилизирующая камера, охладитель) 403, 503 предназначена для охлаждения рабочей среды (газа под давлением) и поддержания температуры газа на постоянном уровне. Термостабилизирующая камера 403, 503 принимает поток рабочей среды и контролирует (регулирует) ее температуру.
Блок регулирования подачи рабочей среды при малых объемных расходах 404, 504 характеризуется наличием установленных параллельно линий звуковых сопел. Звуковые сопла обеспечивают высокую стабильность движения потока рабочей среды при ее малых расходах.
Блок регулирования подачи рабочей среды отличается также наличием системы запорной арматуры, с помощью которой осуществляются переключения и регулирование диапазона расхода потока.
Система эталонных счетчиков (эталонная линия) 405, 505 состоит из эталонных счетчиков, датчиков абсолютного давления и датчиков температуры, данные с которых передаются на систему управления 414, 514. Для пересчета показаний счетчика с рабочих условий в стандартные условия используются показания датчика абсолютного давления и датчика температуры.
Система поверяемых счетчиков (рабочая линия) 406, 506 состоит из телескопического компенсатора 415, 515, поверяемого счетчика, датчика абсолютного давления и датчика температуры, данные с которых предаются на систему управления 414, 514. Телескопический компенсатор 415, 515, позволяет герметично зафиксировать поверяемый счетчик на рабочей линии. Для пересчета показаний счетчика с рабочих условий в стандартные условия используются показания датчика абсолютного давления и датчика температуры.
Система поверяемых счетчиков (рабочая линия) 406, 506 необходима для испытания (калибровки, поверки) счетчика. Она состоит из испытуемого прибора, настроенного для испытания с указанным газом, и устройства сопряжения для соединения испытуемого счетчика по оси измерительной линии с контуром потока 401, 501. Система поверяемых счетчиков (рабочая линия) 406, 506 соединена с указанным замкнутым контуром 401, 501 и выполнена с возможностью подключения испытываемого счетчика для измерения расхода указанного сжатого газа. Система 406, 506 характеризуется наличием ряда рабочих секций, соединенных параллельно, в каждую из которых можно поставить испытуемый (калибруемый, поверяемый) счетчик (газовый расходомер). Каждая из указанных рабочих секций предназначена для конкретного диапазона расхода.
Установка 400, 500 отличается тем, что система поверяемых счетчиков 406, 506 установлена по направлению движения потока после системы эталонных счетчиков 405,505, что исключает возможность попадания загрязнений из поверяемых счетчиков в эталонные.
Проверяемый прибор и один или несколько эталонных счетчиков измеряют скорость потока газа, циркулирующего в трубопроводном тракте установки. Система управления 414, 514 сравнивает показания измерений, полученных от эталонных счетчиков, с показаниями измерений, полученных от проверяемых приборов, для проверки точности проверяемого прибора или калибровки проверяемого прибора.
Измерительный участок для монтажа поверяемого (калибруемого) счетчика формируют из набора стандартных элементов – конусных переходов и фланцованных участков трубопровода (прямых участков). Центрирование элементов измерительного участка в целях обеспечения их соосности  обеспечивается технологическими подставками, которые имеют возможность перемещаться вдоль каркаса по горизонтальным направляющим. Для управления телескопическим компенсатором и задвижками используется компрессор. Для надежной опоры элементов измерительного участка вдоль всего участка установлена жесткая несущая конструкция (металлический каркас). Соединительные трубопроводы выполнены из нержавеющей стали и предназначены для соединения между собой всех узлов установки.
Система управления 414, 514 осуществляет автоматизированное управление испытательной установкой, анализ показаний датчиков давления и температуры, а также эталонных и поверяемых счетчиков. Указанная система управления 414, 514 нацелена на сравнения показаний измерений, полученных от эталонных секций и испытуемых счетчиков в указанной системе поверяемых счетчиков 406, и дальнейшей калибровки указанного испытуемого прибора.
Система нагнетания 407, 507 рабочей среды необходима для первоначальной подачи газа в контур 401, 501. Двухуровневая система баллонов 408, 508 системы нагнетания рабочей среды 407, 507 предназначена для создания необходимого давления в трубопроводной системе (замкнутом контуре) 401, 501 установки 400, 500 с возможностью нагнетания в систему установки различных газов до достижения необходимого давления. Двухуровневая система баллонов высокого давления с различными газами 408, 508 состоит из подсистемы баллонов с давлением 200 – 300 бар и подсистемы баллонов с давлением 30 – 50 бар, предпочтительно с отдельным подогревом. Газ, необходимый для испытаний (калибровки, поверки) счетчиков (газовых расходомеров), подается из баллонов с давлением 200 – 300 бар в баллоны с давлением 30 – 50 бар, далее газ из баллонов давлением 30 – 50 бар закачивается в замкнутый контур высокого давления.
Компрессор высокого давления 409, 509 сконфигурирован для:
-  обеспечения возврата рабочей среды из замкнутого контура 401, 501 в газовые баллоны,
-  обеспечения повышения давления в контуре 401, 501 и баллонах, равного потере давления на испытательной установке 400 и в системе баллонов 408, 508.
Демпфирующий бак 410, 510 способствует плавному снижению давления от контура 401 к компрессору 409, 509 и обеспечивает защиту компрессора от повреждения при наличии большого давления в контуре 401, 501.
Фильтр 411, 511 устанавливается в трубопровод контура высокого давления 401, 501. Он сконфигурирован для удаления загрязнений из потока, циркулирующего в замкнутом контуре 401, 501 испытательной установки 400, 500, и предотвращения загрязнения эталонных счетчиков.
Блок инертного газа 412, 512, подключенный к трубопроводу контура высокого давления 401, 501, подает инертный газ в замкнутый контур высокого давления 401, 501.
Вакуумный компрессор 413, 513 предусмотрен для удаления остатков газов из замкнутого контура 401, 501.
Трубопровод контура высокого давления 401, 501 снабжен устройством аварийного удаления газа из контура 421, 521 с индикатором газа.
Принцип работы испытательной установки 400, 500 заключается в следующем:
-  в замкнутый контур 401, 501 испытательной установки 400, 500 из системы баллонов 408, 508 системы нагнетания 407, 507 подается определенный газ, необходимый для испытания счетчика (расходомера). Система нагнетания 407, 507 создает плавное повышение давления этого газа в контуре 401, 501 до достижения необходимого уровня давления
-  после достижения необходимого давления рабочей среды (газа) в контуре 401, 501 генератор потока рабочей среды 402, 502 создает в контуре 401, 501 движение потока с заданной скоростью;
-  указанный поток проходит через систему эталонных счетчиков 405, 505 и систему поверяемых счетчиков 406, 506;
-  система управления 414, 514 сравнивает расход указанного газа, измеренный системой эталонных счетчиков 405, 505 с расходом указанного газа, измеренным системой поверяемых счетчиков 406, 506 (испытуемым прибором) и, с учетом результатов сравнения, осуществляет последующую калибровку испытуемого прибора.
Между термостабилизирующей камерой 403, 503 и эталонной линией 405, 505 установлены антивибрационные вставки, которые не позволяют передавать механические высокочастотные колебания от турбины с гидромотором 519 к эталонной линии 405, 505 и от эталонной линии 405, 505 к рабочей линии 406, 506.
Для предотвращения попадания акустических пульсаций с эталонной линии в рабочую линию используется блок подготовки потока.
3
При включении вентилятора в трубопроводном тракте установки создается поток газа. Расход газа можно регулировать путем изменения частоты вращения вентилятора. Величина расхода, м/ч, контролируется одним из эталонных счетчиков. В течение заданного интервала времени аппаратура установки подсчитывает количество импульсов, сформированных поверяемым и эталонным счетчиками. Путем умножения на цену импульса, индивидуальную для поверяемого и эталонного счетчика, вычисляются объемы газа в рабочих условиях. Далее выполняется пересчет объемов газа к стандартным условиям. Погрешность вычисляется путем сличения объемов газа в стандартных условиях, измеренные поверяемым и эталонным счетчиками.
Предусмотрено несколько вариантов ограничения цикла измерения: по заданному числу импульсов ведущего счетчика, по заданному объему газа, по заданному времени испытания. Либо цикл измерения может быть ограничен и вручную.
Установка замкнутого цикла для калибровки счетчиков газа на давлении 400, 500 обеспечивает множество преимуществ по сравнению с известными изобретениями. Установка 400, 500 может работать в течение нескольких часов. Рабочую среду не нужно выбрасывать в атмосферу, следовательно, можно избежать проблемы шума, связанной с продувкой систем. По габаритным размерам установка 400, 500 меньше, чем известные ранее. Установка 400, 500 может быть достаточно мала, чтобы быть размещенной в здании. Установка 400, 500 дешевле, чем установки известных изобретений, использует менее дорогостоящие компоненты, делая ее доступной для многих компаний.
Как отмечалось ранее, установка в «Саусвест Рисерч Инститьют» 200 использует очень большой компрессор, который добавляет много тепла к газу. Таким образом, установка в «Саусвест Рисерч Инститьют» 200 нуждается в очень большой системе охлаждения. Большой компрессор и большая система охлаждения для работы нуждаются в больших затратах электроэнергии.
Генератор потока рабочей среды 402, 502 предлагаемой установки 400, 500 имеет электродвигатель 516, который находится за пределами замкнутого контура 401, 501. Энергия, выделяемая электродвигателем 516, в процессе работы, рассеивается в атмосфере и за счет отсутствия контакта не передается рабочей среде внутри замкнутого контура 401, 501. Турбина 520 с гидромотором 519 в установке 400, 500 является относительно небольшой и за счет использования гидромотора 519 практически мало нагревает рабочую среду. Наличие дополнительного контура 525 с гидрожидкостью, протекающей через охладитель 518, практически полностью исключает попадание энергии, выделяемой генератором потока 502 в рабочую среду замкнутого контура 401, 501. Таким образом, установке 400, 500 необходима только небольшая теромостабилизирующая камера 403, 503, чтобы убрать из рабочей среды тепло, возникающее от ее движения и от вращения гидромотора. Тем самым, для термостабилизации рабочей среды ей требуется гораздо меньше электроэнергии, чем установкам известных изобретений.
Применение двухуровневой системы баллонов 508 обеспечивает возможность быстрой смены рабочей среды в замкнутом контуре и, следовательно, калибровку счетчика именно на той среде, на которой он будет эксплуатироваться. Подогрев 524 баллонов газа второго уровня 523 обеспечивает дополнительную стабилизацию температуры рабочей среды в замкнутом контуре.
Использование гидропривода турбины 520 в генераторе потока рабочей среды 502 устраняет необходимость применения сложных технических решений взрывозащищенности генератора потока и всей установки в целом.