Введение к работе
Актуальность работы. Необходимость измерения расхода и количества потоков разнообразных веществ в трубопроводах является очевидной и общепризнанной. Измерения позволяют решать следующие основные задачи: ведение, автоматизацию и оптимизацию технологических процессов; рациональное использование топливно-энергетических, водных и других ресурсов; выполнение коммерческих взаиморасчетов. При этом повышение точности измерений способствует улучшению качества решения перечисленных задач. Все сказанное в полной мере относится и к измерениям природного газа.
Существует большое количество методов измерения расхода газа, основанных на различных физических принципах. Наиболее широко распространенным и традиционным методом является метод переменного перепада давления с сужающими устройствами, что объясняется целым рядом преимуществ по сравнению с другими методами. Такими преимуществами являются: исключительная универсальность применения в широком диапазоне изменения давлений, температур и расходов; удобство массового производства; отсутствие необходимости в образцовых расходомерных установках для градуировки и поверки в случае применения стандартизованных сужающих устройств. Однако, методу переменного перепада, давления присущи и недостатки, наиболее существенными из которых являются: квадра-тическая зависимость между перепадом давления и расходом; относительная сложность аналитических зависимостей между величинами, входящими в уравнение расхода (особенно для газа); влияние нарушения однофазности потока и влияние механических примесей на процесс измерения; возникновение дополнительных погрешностей при износе сужающего устройства; необходимость изготовления относительно больших по длине прямых участков трубопровода; зависимость результатов измерения от изменения физико-химических параметров потока и др. Некоторые из перечисленных не-
4 достатков ограничивают общую погрешность измерений, которая редко бывает менее 1,5%.
Несмотря на недостатки, расходомеры переменного перепада давления составляют 90 - 95% от общего парка применяемых приборов, что обуславливает особую актуальность повышения их точности, т.к. замена установленных и находящихся в эксплуатации сужающих устройств преобразователями (расходомерами) других типов не только не всегда желательна и целесообразна,.но и не всегда возможна.
Целью работы является разработка рекомендаций по повышению точности измерений расхода природного газа расходомерами с сужающими устройствами. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Выполнить анализ существующих нормативно-технических документов для выявления их недостатков и неоправданных требований, в частности ограничивающих и сдерживающих применение расходомеров с сужающими устройствами.
-
Разработать методы расчета сужающих устройств, направленные на упрощение процедуры расчета и повышение точности измерений.
-
Разработать расходомер переменного перепада давления, учитывающий действительную плотность газа в рабочих условиях.
-
Проанализировать требования к метрологической аттестации автоматических расходомеров и выработать рекомендации по выбору эталонных средств измерений для проведения аттестации.
Основные положения, выносимые на защиту:
рекомендации по совершенствованию нормативно-технических документов в области измерения расхода, направленные на устранение неоправданных требований, ограничивающих возможности применения существующих расходомеров;
графо-аналитический метод расчета сужающего устройства, обеспечивающий максимальную точность измерений;
формулы, упрощающие расчет сужающего устройства и определение суточного количества газа;
уточненные формулы расчета отдельных составляющих погрешности измерений;
- результаты исследования разработанного расходомера, обеспечи
вающего автоматическую коррекцию на давление и температуру газа;
формулы для выбора образцовых средств измерений для метрологической аттестации автоматических расходомеров;
формулы расчета суммарной погрешности измерений автоматическими расходомерами.
Научная новизна. Проведен анализ нормативно-технических документов и даны рекомендации по совершенствованию основополагающих документов в области измерения расхода сужающими устройствами. Показана необоснованность требований на длины прямых участков трубопровода и предложены рекомендации по сокращению этих длин. Предложены формулы для расчета числа Рейнольдса при обратном расчете сужающего устройства. Разработан графоаналитический метод расчета оптимальных по точности сужающих устройств. Получены уточненные формулы для расчета погрешностей коэффициентов расхода диафрагм, сопел и сопел Вентури. Показана ошибочность формулы в существующих правилах для расчета средней квадратической погрешности коэффициента расширения сопел и труб Вентури и предложена новая формула. Разработан и исследован автоматический расходомер, учитывающий действительную плотность газа при рабочих условиях. Предложены формулы для выбора образцовых средств измерений при выполнении метрологической аттестации автоматических расходомеров газа. Предложены формулы расчета суммарной погрешности измерений расхода газа автоматическими расходомерами.
Практическая ценность. Проведенный анализ существующих нормативно-технических документов позволил выявить ошибочные, некорректные и противоречивые положения, на основании чего сделан вывод о необ-
ходимости переработки этих документов. Рекомендации по длинам прямых участков трубопровода позволяют сокращать их длины, что приводит к снижению металлоемкости и уменьшению площади для размещения расхо-домерной линии. Предложенные методы расчетов сужающего устройства и полученные формулы значительно упрощают расчеты и проще реализуются в вычислительных устройствах автоматических расходомеров. Разработанный метод расчета оптимальных по точности сужающих устройств проще и нагляднее известных, т.к. не требует расчетов значений сложных аналитических выражений и позволяет наглядно оценить степень повышения точности в зависимости от относительной площади сужающего устройства. Полученная формула для расчета погрешности коэффициента расширения газа для сопел, сопел Вентури и труб Вентури позволяет значительно снизить погрешность измерения расхода газа.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на:
научно-технической конференции "Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа пара", С.-Петербург, 1992, март;
международной научно-технической конференции "Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара", С.-Петербург, 1994, апрель;
международной научно-технической конференции "Совершенствование средств измерения расхода жидкости, газа и пара", С.-Петербург, ] 996, октябрь.
Реализация работы. Формулы для определения числа Рейнольдса при обратном расчете сужающего устройства и расчете суточного количества газа применяются на предприятиях нефтегазового профиля Сургутского региона (Тюменская область) и внесены в первую редакцию новых правил измерения расхода взамен РД 50-213-80. При расчетах погрешности измерения расхода газа трубами Вентури на Сургутском газоперерабатывающем заводе применены полученные формулы для расчета погрешности коэффициента расширения струи газа, что привело к ощутимому повышению точности.
7 Разработанный автоматический расходомер газа с коррекцией на давление и температуру газа выпущен отдельными партиями на заводах г. Новосибирска и Тюмени. Расходомеры внедрены на предприятиях городов Сургут, Нефтеюганск, Когалым (Тюменская область). Результаты исследований по метрологической аттестации автоматических расходомеров применены при разработке программ аттестации для предприятий Сургутнефтегаз, Сургут-газпром и для сургутского газоперерабатывающего завода.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна книга.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и содержит 149 страниц машинописного текста, 22 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 151 наименования и приложений на 13 страницах.
