Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса 14
1.1 Системы измерения количества и показателей качества жидких углеводородов, транспортируемых по магистральным трубопроводам 14
1.2 Принципы обеспечения единства измерений. Поверочные схемы. Рабочие эталоны расхода 25
1.3 Течение жидкости в трубах. Влияние структуры и параметров потока на результаты измерений расхода 27
1.4 Трубопоршневые поверочные установки 45
1.5 Турбинные расходомеры 50
1.6 Объемные расходомеры 53
1.7 Кориолисовы расходомеры 55
1.8 Ультразвуковые многолучевые расходомеры .62
1.9 Результаты исследований многолучевых ультразвуковых расходомеров в составе трубопроводных систем 68
1.10 Выводы и постановка задачи на исследования 80
2 Исследование возможности применения ультразвуковых расходомеров для измерения расхода и количества нефтегазовой смеси 83
2.1 Исследование метрологических характеристик расходомеров на нефтепродуктах в лаборатории в лаборатории «Trapil» 85
2.2 Испытания расходомеров «Altosonic-V» на нефтегазовой смеси в составе измерительной линии завода 97
3 Система измерения расхода и показателей качества жидких углеводородов 112
3.1 Технические характеристики системы 112
3.2 Состав системы и выполняемые функции 114
3.3 Блок измерительных линий 114
3.4 Блок измерения показателей качества 121
3.5 Блок обработки информации 124
3.6 Трубопоршневая поверочная установка 128
3.7 Ультразвуковые расходомеры жидкости «Altosonic-V» 130
4 Экспериментальные исследования ультразвуковых расходомеров в составе автоматизированной системы измерений количества и показателей качества газового конденсата 136
4.1 Калибровка трубопоршневой поверочной установки 137
4.2 Калибровка ультразвуковых расходомеров 138
4.3 Экспериментальные исследования и результаты 143
Заключение 159
Список использованных источников 162
Приложение А 177
Приложение Б 179
Приложение В 187
Приложение Г 190
Приложение Д 193
Приложение Ж 198
Приложение 3 203
Приложение И 204
- Течение жидкости в трубах. Влияние структуры и параметров потока на результаты измерений расхода
- Исследование метрологических характеристик расходомеров на нефтепродуктах в лаборатории в лаборатории «Trapil»
- Ультразвуковые расходомеры жидкости «Altosonic-V»
- Калибровка ультразвуковых расходомеров
Введение к работе
Актуальность работы. С экономической точки зрения трубопроводный транспорт является наиболее экономичным по сравнению с другими видами транспорта энергоносителей - нефти, нефтепродуктов, природного газа, поэтому он получил широкое развитие и продолжает развиваться. Одним из важнейших элементов трубопроводной системы является измерительная система, назначение которой в измерении количества и показателей качества транспортируемых энергоносителей. От ее метрологических и эксплуатационных качеств зависит правильность и точность измерений, достоверность проводимых учетных операций, что прямо влияет на экономические показатели. Особенностью этих измерений является то, что они производятся в динамическом режиме, без остановки процесса перекачки продукта по трубопроводу.
Данная работа посвящена разработке и созданию автоматизированной системы для измерения количества и показателей качества жидких углеводородов, транспортируемых по магистральным трубопроводам. Система создана на базе современных средств измерения, автоматизации, вычислительной техники, программных продуктов. Применение потоковых жидкостных хроматографов для определения состава измеряемой среды, алгоритмов и программ расчета плотности нестабильного газового конденсата, разработка специального унифицированного аналитического контроллера для обработки, расчета и передачи данных о физико-химических параметрах жидких и газообразных углеводородов осуществлено впервые и является инновационным.
В работе так же решается задача - исследование характеристик многолучевых ультразвуковых расходомеров, их способность выполнять функции эталона расхода: хранить, воспроизводить и передавать величину единицы расхода. Важность решения этой задачи состоит в том, что опыт применения многолучевых ультразвуковых расходомеров весьма ограничен, данные по их характеристикам в условиях реальных трубопроводных систем практически отсутствуют, хотя в ряде нормативных документов, например, ГОСТ 8.510-2002 они отнесены к рабочим эталонам расхода. Это может приводить к ошибочным результатам измерений, недостоверности учета энергоносителей и, как следствие, к значительным финансовым и материальным потерям. Поэтому задачи, решаемые в данной работе, являются своевременными, актуальными и важными.
Решаемые в работе задачи входят в число приоритетных направлений развития науки, технологий и техники в Российской Федерациии перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденных Указом Президента РФ №899 от 7 июля 2011г.
Цель работы.
Разработка и создание автоматизированной системы для измерения количества и показателей качества жидких углеводородов, транспортируемых по трубопроводам, на основе современных средств измерения расхода, автоматизации и вычислительной техники, программного обеспечения, с целью
повышения точности измерений и достоверности учета.
Исследование метрологических характеристик многолучевых ультразвуковых расходомеров в условиях реальной измерительной системы магистрального трубопровода.
Исследование способности хранения, воспроизведения и передачи размера единицы расхода многолучевыми ультразвуковыми расходомерами, возможности их применения в качестве эталонов расхода
Задачи исследования:
Выполнить анализ средств измерений расхода, применяемых в измерительных системах магистральных трубопроводов и факторов, влияющих на их характеристики, выбрать средства измерений и рабочие эталоны для создаваемой измерительной системы.
Разработать, создать, запустить в эксплуатацию современную автоматизированную измерительную систему для измерения расхода и количества энергоносителей на базе многолучевых ультразвуковых расходомеров, потоковых жидкостных хроматографов, современных средств автоматизации и вычислительной техники, программного обеспечения.
3. Разработать методику выполнения измерений и выполнить
исследования метрологических характеристик многолучевых ультразвуковых
расходомеров, в том числе, в реальных условиях их эксплуатации в составе
измерительной системы. Исследовать их способность хранения,
воспроизводства и передачи единицы расхода.
4. Разработать рекомендации по измерению расхода и количества жидких
углеводородов измерительными системами с использованием многолучевых
ультразвуковых расходомеров.
Научная новизна
1. В работе выполнен анализ средств измерений расхода применяемых в
измерительных системах магистральных трубопроводов и факторов, влияющих
на их характеристики. На его основе выбраны средства измерений и рабочие
эталоны для создаваемой измерительной системы.
2. Впервые разработана, создана и успешно функционирует
автоматизированная система для измерения расхода, количества и показателей
качества жидких углеводородов, в том числе, нестабильного газового
конденсата, на основе многолучевых ультразвуковых расходомеров и
потоковых жидкостных хроматографов
Впервые получены характеристики многолучевых ультразвуковых расходомеров жидких углеводородов в составе реальной измерительной системы трубопровода.
Полученные результаты свидетельствуют, что метрологические характеристики многолучевых ультразвуковых расходомеров значительно зависят от структуры набегающего потока, поэтому они не способны хранить,
воспроизводить и передавать величину единицы расхода, т.е. не могут служить рабочими эталонами расхода, что требует внесения уточнений в ряд действующих нормативных документов, относящих их к рабочим эталонам расхода.
Практическая ценность
1. Создана и успешно функционирует измерительная система,
обеспечивающая выполнение всех требований действующих нормативных
документов по точности измерения количества и показателей качества
транспортируемых углеводородов, их достоверный учет.
Опыт ее эксплуатации подтвердил правильность принятых решений при ее создании, что позволяет в дальнейшем, при создании подобных систем, существенно сокращать сроки разработки и внедрения, обеспечивает их надежность.
Результаты работы позволили вскрыть и исключить в дальнейшем существенные ошибки в учете количества энергоносителей (более 2%), возникавшие при измерениях количества углеводородов с использованием ультразвуковых расходомеров, что было обусловлено применением действующих нормативных документов и метрологических характеристик, полученных на оборудовании изготовителей.
Разработаны практические рекомендации по измерению расхода и количества жидких углеводородов измерительными системами с использование многолучевых ультразвуковых расходомеров.
Полученные результаты свидетельствуют о необходимости внесения уточнений, в действующие нормативные документы, регламентирующие условия применения многолучевых ультразвуковых расходомеров, как в качестве рабочих средств измерения, так и рабочих эталонов.
Результаты работы могут служить основанием для внесения корректив в нормативные документы по применению ультразвуковых расходомеров таких как: ГОСТ 8.510-2002 «Государственная поверочная схема для измерения объема и массы жидкостей, транспортируемых по трубопроводам»; СТО Газпром 5.3-2006. Расход и количество жидких углеводородных сред. Технические требования к узлам учета. Стандарт организации; СТО Газпром 5.14-2008. Поверочная схема для измерения объема и массы жидкости. Стандарт организации и др.
Реализация результатов исследований
Разработанная и созданная в данной работе автоматизированная измерительная система принята в эксплуатацию и успешно функционирует, обеспечивает выполнение всех требований действующих нормативных документов для таких систем, что подтверждено актом (ЗПГКТ) ООО «Газпром переработка» ОАО «Газпром».
Опыт, полученный в процессе ее создания, испытаний и доводки используется при разработке и создании последующих измерительных систем, что подтверждается актом научно-исследовательского и проектного института
ОАО «ВНИПИгаздобыча» ОАО «Газпром».
3. Результаты реализованы в нормативном документе «Инструкция. ГСИ. Счетчики ультразвуковые «ALTOSONICVM», «ALTOSONICVR» в составе СИКГК на входе ЗПКТ ООО «Газпром переработка». Методика поверки. ФГУП Всероссийский НИИРасходометрии (ВНИИР), Казань, 2008г.
Автор защищает:
1. Результаты анализа и выбор средств измерений и рабочих эталонов для
создания измерительной системы.
2. Разработку и создание автоматизированной системы измерения
расхода, количества и показателей качества жидких углеводородов на основе
многолучевых ультразвуковых расходомеров.
3. Результаты исследования характеристик многолучевых ультразвуковых
расходомеров жидких углеводородов в составе реальной измерительной
системы трубопровода.
Личный вклад.
Личный вклад автора заключается в постановке задачи и принятии основных технических решений, организации, руководстве и личном участие в проектных, сборочно - монтажных и пуско-наладочных работах. Организации и личном участии в калибровке рабочих эталонов на заводах изготовителях, в испытаниях системы, сдаче ее в эксплуатацию. В разработке программы исследовательских работ; согласовании программы работ и получении разрешений от служб, ответственных за безопасность на трубопроводе, диспетчерской службы на проведение исследовательских работ. Организация, руководство и личное участие в проведении экспериментов в условиях действующего трубопровода. Лично обработка результатов, их анализ, обобщение, публикации результатов работы, разработка рекомендаций по созданию измерительных систем на основе многолучевых ультразвуковых расходомеров.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
III, IV, V, VI Общероссийской научно-практической конференции по расходометрии. (г. Тюмень. 2006, 2007, 2008, 2009 г.г.)
Научно практической конференции «Автоматизация и метрология в нефтегазовом комплексе». VII Конгресс нефтегазопромышленников России. (г. Уфа, 2007);
IX, X Всероссийской научно технической конференции
«Метрологическое обеспечение учета энергетических ресурсов. (г.Сочи, ФГУП ВНИИМС, 2007, 2008г.г.);
Международном научно-практическом семинаре «Эффективное управление проектами (EPMI-2009)». (г. Ухта, 22-25 сентября 2009г.).
Совещании специалистов по научно-техническому сотрудничеству между ОАО «Газпром», АО «Молдовагаз», НАК «Нафтогаз Украины», ОАО «Белтрангаз», АО «Интергаз Центральная Азия» в области метрологического обеспечения, (г. Кишинев, 11- 14 мая 2010 г.)
Научно-практическом семинаре «Актуальные вопросы метрологического обеспечения измерений расхода жидкости и газа. (г.Харьков, Институт метрологии, 2011г.).
Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные вопросы метрологического обеспечения учета жидкостей и газов», (г. Казань, ФГУП ВНИИР, 2011г.).
Публикации. По теме работы опубликовано 7 печатных работ, из них 3 в изданиях, рекомендованных ВАК.
Достоверность результатов. Достоверность результатов обоснована применением средств измерений прошедших необходимые испытания в органах Росстандарта, внесенных в Государственный реестр средств измерений РФ, их первичной и периодической калибровкой и поверкой проводимых в установленном порядке, наличием действующих свидетельств о поверке; положительными результатами экспертизы проекта, и положительными результатами аттестации методики выполнения измерений в Государственных метрологических центрах; обсуждениями результатов работы на специализированных конференциях и совещаниях ведущих специалистов институтов Росстандарта, нефтегазовой отрасли и проектных организаций, в том числе, международных; публикациями в специализированных изданиях; воспроизводимостью результатов в различных условиях; сопоставлением результатов с ранее полученными данными; представительностью выборочной совокупности измерений.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 157 страницах машинописного текста. Работа содержит 56 рисунков, 3 таблицы, 8 приложений (31 стр.). Список литературы включает 114 наименований (13стр.)
Течение жидкости в трубах. Влияние структуры и параметров потока на результаты измерений расхода
Преобразователи расхода непосредственно взаимодействуют с потоком, поэтому на их работу оказывает влияние структура и параметры набегающего потока. Структура потока и условия обтекания преобразователей расхода в реальных измерительных системах, как правило, отличаются от тех, в которых происходила их калибровка на калибровочных установках. Применение устройств подготовки потока, которые устанавливаются перед расходомерами для компенсации этого различия, не всегда решает проблему. На это обстоятельство, как правило, обращают недостаточное внимание, хотя оно может оказывать существенное влияние на результаты измерений. Поэтому учет структуры и параметров потока являются важными факторами для правильности выполнения измерений расхода. Кратко рассмотрим характеристики течений жидкости, которые важны для рассматриваемой задачи.
При течении жидкости в трубах различают два основных режима течения ламинарный и турбулентный. При ламинарном режиме скорость течения на стенках трубы, вследствие прилипания, равна нулю, а в середине трубы она имеет наибольшее значение. На достаточно большом расстоянии от входа в трубу распределение скоростей течения не зависит от координаты в продольном направлении. Такое движение жидкости хорошо описывается уравнениями Навье-Стокса. Распределение скоростей потока по поперечному сечению трубы в этом случае имеет вид [29,30] : v = vm(1-r2IR2) (1.3.1)
Здесь: vr - значение скорости на расстоянии г от оси трубы; vm -значение скорости на оси трубы; R -радиус трубы; г - расстояние от оси трубы;
Эпюрой скорости в данном случае является параболоид вращения с меридиальным сечением в виде параболы, который называется параболой Пуазеля. О.Рейнольдс установил, что точкой перехода от ламинарного течения к турбулентному можно считать критическое число Re кр равное 2300. При числах Re ниже этого значения течение остается ламинарным всегда, какие бы возмущения не вносились в поток. Вместе с тем, путем удаления возмущений на входе в трубу или уменьшение начальной их интенсивности можно искусственно затянуть ламинарный характер течения в область чисел Re значительно превышающих 2300. В результате тщательных опытов [30] Рейнольдсу удалось достичь Re = 5 10,4 при сохранении ламинарного характера течения. Было установлено, что на величину ReKp сильно влияет отклонение формы трубы от цилиндричности, а так же степень плавности входа в измерительный участок трубы. Тщательные исследования потока при числах Re близких к критическим, показали, что в одном и том же фиксированном сечении трубы и при одном и том же значении Re может происходить чередование ламинарных и турбулентных режимов. Это явление получило наименование «перемежаемость». Таким образом, даже в относительно простом типе течения, не всегда значение Re однозначно характеризует режим течения. Исследователям ни теоретически, ни экспериментально не удалось определить верхнюю границу ReKp. На его значение в каждом отдельном случае оказывают влияние условия входа в трубопровод, внешние возмущения, тепловой режим жидкости, а так же наличие электрических и магнитных полей На точку перехода ламинарного течения в турбулентное оказывает так же влияние наличие примесей в потоке, особенно сильно влияние высокополимерных примесей [30].
При увеличении скорости потока, на основное движение частиц накладываются хаотические поперечные перемещения (пульсации), что приводит к перемешиванию жидкости. Такой режим течения называется турбулентным. В фиксированной точке пространства скорость, давление и температура непрерывно и неравномерно изменяются во времени. Такие изменения называются пульсациями. Элементы жидкости, пульсирующие в потоке, представляют собой относительно крупные образования, так называемые, турбулентные моли.
Если жидкость втекает в трубу с круглым поперечным сечением, вытекая из большого резервуара, то на протяжении некоторого участка трубы, начиная от входа в нее, образуется входное течение, в котором распределение скоростей по поперечному сечению изменяется по мере удаления от входа. Около самого входа распределение скоростей по поперечному сечению почти равномерно, но по мере удаления от входа профиль скоростей под действием сил трения начинает вытягиваться, пока на некотором расстоянии не принимает окончательную, в дальнейшем не изменяющуюся форму. На поверхности стенок трубы образуется пограничный слой ламинарный или турбулентный. На некотором расстоянии от входа эти слой смыкаются, после чего устанавливается стабильное распределение скоростей, которое при ламинарном течении имеет параболическую форму, а при турбулентном распределение скоростей зависит от значения Re и характеризуется зависимостями, отличающимися для течения в ядре и ламинарном подслое. Расстояние от входа в трубу и до сечения где пограничные слои смыкаются, называется гидродинамическим начальным участком или участком гидродинамической стабилизации. При ламинарном течении длина этого участка равна [29, 31].
При переходе от ламинарного к турбулентному движению, происходит выравнивание профиля скорости. Скорость на оси трубы уменьшается, а на определенном расстоянии от стенок трубы, наоборот, увеличивается, профиль становится более полным. Это вызвано интенсивным перемешиванием т.е переносом частиц жидкости из одних слоев в другие.
Из изложенного видно, насколько сложна структура потока жидкости протекающей по трубе. Движение вязкой жидкости описывается дифференциальными уравнениями Навье - Стокса. Решение этих уравнений даже для несжимаемой жидкости представляет собой сложную задачу. Они решены только для простейших случаев, например, для течения вязкой жидкости по прямой трубе - задача Пуазеля, для течения между двумя параллельными плоскими стенками, одна из которых неподвижна, а другая движется - задача Куэтта, для течения вблизи критической точки - задача Хименца-Хоуарта.
Применяются численные методы решения, но для их реализации необходимо привлечение квалифицированных специалистов в области механики и математики, быстродействующих, с большими вычислительными мощностями средств вычислительной техники, наличие достаточной информации о трубопроводе и параметрах жидкости, что невозможно осуществить в условиях промышленного объекта, каковым является магистральный трубопровод [32].
В практических условиях, при больших числах Re трубы не могут рассматриваться как гидравлически гладкие (рис. 1.6).
Шероховатость стенок труб приводит к тому, что сопротивление получается более высоким, чем это следует из формул, полученных для гладких труб. Систематически исследовать все возможные ситуации невозможно в силу большого многообразия геометрических форм шероховатости и чрезвычайно большим числом параметров, определяющих шероховатость. Условно различают режимы с полным проявлением шероховатости, переходный режим и режим без проявления шероховатости. Профиль скоростей в шероховатой трубе имеет вблизи стенки менее крутое нарастание, чем в гладкой трубе.
Знание структуры и параметров потока жидкости в местах поворота потока и за ними имеет важное значение и издавна привлекало внимание исследователей [29-31, 34-43]. Из результатов этих работ следует, что эпюра скоростей в искривленных каналах претерпевает значительную ассиметричную деформацию, распространяющуюся на значительные расстояния вниз по потоку. В справочнике И.Е. Идельчика [43] изложены физические основы движения жидкости по криволинейным каналам.
В качестве примера рассмотрим влияние структуры потока на результаты измерений расхода методом переменного перепада давления. Метод переменного перепада давления является самым старым и наиболее распространенным [21, 26, 44], поэтому изучению влияния структуры потока на характеристики расходомеров данного типа посвящено огромное число исследований, например, [45-57]. В работе [46] исследованы величины отклонения коэффициента расхода от длины прямого участка за коленом трубопровода. В работе [47] исследовалась величина коэффициента расхода диафрагмы в зависимости от длины прямого участка за шаровым вентилем. В работе [48] исследовалось влияние колен в 90, находящихся в разных плоскостях, на коэффициент расхода диафрагмы и сопла Вентури.
Исследование метрологических характеристик расходомеров на нефтепродуктах в лаборатории в лаборатории «Trapil»
Целью данного этапа работы было исследование характеристик расходомеров «Altosonic-У» на предмет соответствия их реальных характеристик заявленным изготовителем. На испытания были представлены три образца расходомеров. Первоначально один из этих трех расходомеров позиционировался изготовителем как эталонный, имеющий повышенные метрологические характеристики и предполагался к использованию в качестве эталона расхода второго разряда.
В Европе имеется две лаборатории, оборудование которых позволяет провести данные работы. Это лаборатория «TRAPIL» в Париже и лаборатория SPSE вблизи Марселя (обе во Франции). Все фирмы производящие расходомеры жидкости, как Европейские, так и Американские, обычно пользуются их услугами.
Оборудование лабораторий SP8Е позволяет испытывать и калибровать преобразователи расхода в диапазоне расходов от1 50 мЗ/час до 4 000 мЗ/час при вязкости продукта от 0,5 мм/с до 400мм /с. Такую широкую гамму рабочих сред обеспечивает близость этой лаборатории к нефтебазе, с которой она связана трубопроводной системой, по которой получает и возвращает продукты На рис.2.1(а) показана технологическая схема, на рис.2.1(6) общий вид оборудования, измерительные линии и ТПУ. Для проведения испытаний расходомер устанавливается в измерительную линию, входящую в состав замкнутого исследовательского контура. Перед началом исследований, контур заполняется требуемой рабочей жидкостью, насосы обеспечивают ее циркуляцию в контуре. В момент проведения измерений к линии последовательно подключается ТПУ.
Сравнение количества продукта измеренного ТПУ и показаний полученных от испытуемого расходомера, позволяют построить калибровочную характеристику расходомера. Установка полностью автоматизирована и позволяет получать протокол испытаний практически в режиме реального времени. Исследования проводятся по типовой методике сотрудниками лаборатории.
Исследования расходомеров, выбранных для применения в нашем проекте, были проведены в лаборатории «TRAPIL». Лаборатория «TRAPIL» расположена вблизи нефтебазы, откуда получает нефтепродукты, и куда в последующем сдает их на утилизацию. Лаборатория обладает возможностью проводить калибровку и испытания с использованием следующих шести продуктов:
-бензин (вязкость 0,5-0,8 мм2 /с, плотность, примерно, 750 кг/мЗ),
-реактивное топливо (вязкость 1,5 -2,0 мм /с, плотность, примерно, 800 кг/мЗ),
-газоил (вязкость 3,5-8,0 мм2/с, плотность, примерно, 830 кг/ м3),
-легкая нефть (вязкость 8-20 мм2 / с, плотность, примерно, 850 кг/ мЗ),
-тяжелая нефть (вязкость 20-50 мм2 /с, плотность, примерно, 870 кг/ мЗ),
-нефть (вязкость 70-120 мм2 /с, плотность, примерно, 900 кг/мЗ).
В лаборатории имеется два испытательных контура - малый на расход от 10 до 400 мЗ/час, большой на расход от 40 до 2 000 мЗ/час. Лаборатория оснащена двумя ТПУ первого разряда с относительной погрешностью ±0,05% с калиброванным объемом 2,5 м3 для испытаний преобразователей с Ду до 10 дюймов и ТПУ с калиброванным объемом 10 м3 для испытаний преобразователей с Ду до 20 дюймов. Оборудование лаборатории позволяет проводить работы в области расходов от 10 до 2000 м3/час, обеспечивает давление в контуре до 20 бар. В наших экспериментах были реализованы числа Re в диапазоне 5,6хЮ4-9хЮ6, что свидетельствовало о развитом турбулентном течении. Общий вид лаборатории показан на рис.2.2. Технологическая схема исследовательского контура показана на рис.2.2(а), измерительные линии на рис.2.2(б) и общий вид оборудования показан на рис.2.2(в).
На основании анализа оборудования этих лабораторий как «TRAPIL», так и «SPSE» выяснилось, что измерительные линии имеют достаточную длину и встроенные струевыпрямители, что обеспечивает хорошую подготовку потока перед испытуемым расходомером.
Это оборудование не позволяет проводить исследования влияющих факторов на метрологические характеристики расходомеров т.к установка возмущающих элементов в них не предусмотрена (искривление подводящих каналов, установка местных сопротивлений, подогрев или охлаждение потока и т.д.). Оборудование этих центров позволяет определить только основную погрешность прибора, на чем обычно не заостряют внимание изготовители и поставщики приборов.
Для испытаний были выбраны расходомеры «Altosonic-У» с Ду 250 в количестве трех штук, серийно выпускаемые фирмой «Krohne» с заводскими номерами 2086111001 (№1), 2086111002 (№2), 2086111003 (№3). В экспериментах использовались рабочие жидкости с различной вязкостью. Последовательно использовались бензин, реактивное топливо и газойл.
Методика испытаний заключалась в следующем. Расходомер устанавливался в измерительную линию последовательно с ТПУ. Контур заполнялся рабочей жидкостью. Циркуляцию жидкости в контуре обеспечивают насосы.
При настройке измерительной системы и в промежутках между измерениями, жидкость циркулирует по замкнутому контуру, минуя ТПУ.
Так как величина калиброванного объема известна с высокой точностью, то, сопоставляя показания расходомера и величину вытесненного объема жидкости из ТПУ, получают характеристику расходомера.
В первом цикле испытаний в качестве рабочей жидкости использовался бензин, как продукт с наименьшей вязкостью, с тем, что бы в последующем, при смене продукта в измерительном контуре его остаточное влияние на свойства последующего продукта было минимальным. После окончания испытательного цикла рабочая жидкость в контуре заменялась сначала на реактивное топливо, потом на газойл и циклы повторялись.
Результаты экспериментов показаны на рис.2.3-2.8, протоколы результатов измерений приведены в Приложении Б ( Таблицы 2.1-2.9).
На Рис.2.3-2.8 по вертикальной оси отложено значение относительной погрешности (%), по горизонтальной оси - значения расхода (мЗ/час),
Как видно, эксперименты не выявили влияния вязкости на результаты измерений; все исследованные приборы обладают одинаковыми характеристиками, их погрешности укладываются в интервал относительных погрешностей ±0,15% во всем исследованном диапазоне расходов, что соответствует требованиям, предъявляемым к рабочим СИ расхода [1,2,12,14]; ни у одного из представленных приборов характеристика не уложилась в интервал погрешностей ±0,07-0,1%, требующийся для рабочих эталонов второго разряда; оборудование лабораторий как «TRAPIL», так и 8Р8Е не позволяют исследовать влияние возмущающих факторов на характеристики расходомеров и возникновение дополнительных погрешностей.
Ультразвуковые расходомеры жидкости «Altosonic-V»
В данной работе в качестве измерителей расхода были выбраны ультразвуковые расходомеры «Altosonic-У», выпускаемые фирмой Krohne (Нидерланды).
Основания для их применения в данном проекте и результаты предварительных исследований приведены в главе 2 настоящей работы. В частности, учитывалась возможность модификаций расходомера «Altosonic-VR», приводить деформированный профиль скорости потока к виду, близкому к турбулентному, что показано на рис.3.8 и возможность использования его для контроля и поверки рабочего расходомера [75,76,78]. Исследования, проведенные нами на оборудовании лаборатории «TRAPIL» и на заводе стабилизации конденсата (г. Сургут), в целом, подтвердили работоспособность этих расходомеров.
На этом основании, в начальной стадии проекта было принято решение в создаваемой измерительной системе в качестве рабочего средства измерения расхода использовать «Altosonic-У», а в качестве контрольного и эталонного -«Altosonic- VR». Применение ТПУ первоначально не предполагалось. В соответствии с описанием типа [106], границы допускаемой относительной погрешности измерения объемного расхода «Altosonic-У»: в диапазоне 10:1 составляют ± 0,15%; в диапазоне 20:1 составляют ± 0,2%. По спецзаказу, фирма может обеспечить значение погрешностей ± 0,15% во всем диапазоне расходов, что наблюдалось в экспериментах описанных в главе 2 данной работы.
Для «Altosonic- VR» границы допускаемой относительной погрешности измерения объема в диапазоне 0,5Qmax Q Qmax составляют ± 0,07%.
Расходомер состоит из трех основных частей (рис. 3.9). первичного преобразователя UFS -V 500 F-EEx, вторичного измерительного преобразователя (конвертора сигналов) UFC -V 500F-EEx, индустриального компьютера UFP-V 500 Р.
Внутренняя часть первичного преобразователя UFS -V выполнена из монолитного металла совместно с входным и выходным конусом. Фирма рекламирует, что идея наличие конусов, которые должны гарантировать симметричность профиля потока внутри измерительного участка первичного преобразователя является достижением фирмы. В связи с этим следует отметить, что еще в первых изданиях [21] описан этот прием выравнивания профиля скорости.
Симметричная конструкция проточной части должна позволять проводить измерения потока, как в прямом, так и обратном направлении. В первичном преобразователе вмонтированы 10 датчиков - приемников ультразвуковых сигналов, которые попарно образуют 5 каналов измерения скорости потока. Датчики управляются конвертором сигналов. Он же производит обработку текущих значений параметров потока по пяти каналам. Далее, данные по каждому из пяти каналов передаются из конвертора в поточный компьютер UFP-V, где происходит обработка результатов измерений, и формируются данные о потоке и расходе.
«Altosonic-V» позволяет определять скорость звука в измеряемой среде по каждому каналу измерений, что так же позволяет получать дополнительную информацию об измеряемой жидкости.
Первичный преобразователь имеет встроенный температурный датчик для определения компенсации изменения размеров вследствие изменения температуры. Конвертор сигналов UFC-У смонтирован во взрывозащищенном алюминиевом корпусе, с первичным преобразователем он соединяется коаксиальным кабелем. Он устанавливается в непосредственной близости от первичного преобразователя. Выполняет обработку сигналов с каждого ультразвукового канала. Компьютер потока UFP-У производит необходимые вычисления, а так же отражает на своем экране следующие параметры: измеренный объем, расход, плотность (при наличии плотномера), скорость жидкости, скорость звука в измеряемой среде, температуру поверхности первичного преобразователя (дополнительная опция), температуру жидкости (дополнительная опция), предупреждения об изменениях технологического процесса, неисправностях и сигнал тревоги; число измерений в секунду, время измерения, служебные параметры. На экран выводится эпюра скоростей измеряемого потока, которая стоится по пяти точкам, соответствующим пяти лучам.
При установке первичного преобразователя, по документации фирмы требуются длины прямых участков: входного 10 диаметров, включая струвыпрямитель, выходной участок - 5 диаметров. В случае применения без струевыпрямителя - 20 диаметров до преобразователя и 5 после его. Фирма Krohne требует применения струевыпрямителей только стандарта ISO (рис. 3.10) и в этом случае гарантирует получение метрологических характеристик соответствующих описанию расходомеров [75,106].
Особо следует отметить, что все требования фирмы в данном проекте были выполнены. Проект полностью соответствовал действующей нормативной документации, что подтверждено положительными результатами метрологической экспертизы в Государственном научном метрологическом центре.
Калибровка ультразвуковых расходомеров
С целью получения объективной информации об используемом оборудовании для калибровки, о методике калибровки, полученных характеристиках ультразвуковых расходомеров, которые в последствие будут использованы в создаваемой измерительной системе, были проведены работы по калибровке этих приборов на заводе изготовителе.
Калибровка и последующая поверка расходомеров «ALTOSONIC-V» и «ALTOSONIC VR» проводились на оборудовании компании KROHNE в городе Дордрехт (Нидерланды) в октябре 2006 года. Общий вид испытательного комплекса и внутренний вид лаборатории показаны на рис. 4.2.
Компания KROHNE имеет крупномасштабную установку для калибровки расходомеров. Основной частью установки является калиброванная башня изготовленная из нержавеюшей стали, в которую закачивается вода из реки Рейн, рядом с которой находится башня. Пропускная способность установки до 40 000 мЗ/час, погрешность заполнения объема установки 0,013%, установка аттестована Голландским институтом метрологии NMI. Башня имеет 42 метра в высоту и объем заполнения около 400 м3. Прецизионные сигнализаторы уровня, которые установлены на разных отметках уровня, отмечают несколько возможных уровней (объема) заполнения башни. Отдельные части объема башни и общий объем с высокой точностью откалиброваны Голландским институтом метрологии NMI. Поверочная установка аттестована метрологической организацией NCO (Netherlands Calibration Organisation -аналог DKD в Германии) по нормам EN 45001. Считается, что она полностью соответствует внутренним и международным стандартам. Подлежащий калибровке прибор (например, электромагнитный или ультразвуковой расходомер) устанавливается на выпускном трубопроводе башни. Компьютерная программа определяет необходимый объем воды по отношению к расчетному расходу и времени проведения калибровки и соответственно этому выбирает два сигнализатора уровня в качестве начальной и конечной точек отсчета. Далее регулирующий клапан на выходе закрывается, и башня заполняется водой. Процедура калибровки начинается с открытия клапана, после чего вода начинает протекать по калибруемому прибору под воздействием силы тяжести. Регулирование величины расхода осушествляется автоматически посредством регулирующего клапана. Измерительная линия имеет хорошо спрофилированную проточную часть (рис.4.2). Электронный преобразователь калибруемого прибора выдает импульсы пропорционально расходу, например, один импульс на литр. Когда уровень воды проходит первый прецизионный сигнализатор уровня, счетчик действительных значений активизируется. Он суммирует объем, измеренный поверяемым прибором. Вычисление останавливается после прохождения второго сигнализатора уровня. Объем, суммированный счетчиком, сравнивается с достоверно известным расчетным значением между двумя сигнализаторами уровня, и далее определяется погрешность измерения испытуемого прибора. Для каждого отдельного цикла калибровки компьютер автоматически создает протокол поверки, документально подтверждающий расход и полученные значения погрешности. Возможности для исследования влияния возмущающих факторов на характеристики расходомеров на данной установке отсутствуют.
Результаты калибровки и поверки приборов (серийные номера приборов №№ 232574 1001 и 232574 1002) для нашей измерительной системы приведены на рис.4.2. Они показывают соответствие полученных характеристик требованиям нормативных документов. Характеристика одного укладывается в диапазон ±0,07%, другого в диапазон ± 0,15%. На основании этих измерений ГНМЦ Ростехрегулирования были выданы свидетельства о поверке этих приборов. В качестве дополнительного подтверждения характеристик приборов, фирмы обычно приводят результаты их испытаний в международных метрологических центрах «TRAPIL» и SP8Е, о чем было сказано выше.
Как вывод можно сказать следующее. В результате работ, выполненных в разделе 2 и в данном разделе, была выяснена технология получения метрологических характеристик ультразвуковых расходомеров. Она состоит в том, что на калибровочную установку устанавливают расходомер с установленным неким заводским коэффициентом преобразования.
Далее, проводят испытания расходомера и полученную характеристику «поправляют» до нужной линейности, т.е. полученные точки характеристики «притягивают» в требуемый коридор значений. Далее, на той же установке после того, как «поправили» характеристику прибора, проводят его поверку. Полученный результат является основанием для утверждения характеристики прибора. Поэтому совершенно не очевидно, что эти характеристики сохранятся в других условиях другого трубопровода
Из представленных материалов так же видно, что оборудование лаборатории «TRAPIL» и оборудование фирмы «KROHNE» не позволяет проводить исследования факторов, влияющих на метрологические характеристики расходомеров т.к установка возмущающих элементов в них не предусмотрена (искривление подводящих каналов, установка местных сопротивлений, подогрев или охлаждение потока и т.д.). В результате этих работ определяется только основная погрещность, не исследуются факторы, влияние которых в условиях эксплуатации может быть значительным.
