Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ методов и средств исследования влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров в условиях эксплуатации газораспределительных станций 9
1.1 Анализ режимных параметров газораспределительных станций 9
1.1.1 Метод измерения расхода на существующих газораспределительных станциях 12
1.1.2 Характер и происхождение пульсаций потока при транспорте газа 13
1.1.3 Теоретические основы метода переменного перепада давлений 14
1.2 Исследование влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров 21
1.3. Методы и устройства борьбы с дополнительной систематической погрешностью от пульсаций 28
1.4. Методы и средства экспериментального исследования расходомеров в условиях пульсирующего потока газа 32
1.5. Требования, предъявляемые к стендовому оборудованию 41
1.6. Постановка задач исследований 46
Глава 2. Оборудование для исследования характеристик расходомеров в условиях пульсирующего потока газа . 48
2.1. Функциональная и структурная схема стенда для испытаний расходомеров 50
2.2.Выбор конструктивной схемы и схемы подключения газового генератора колебаний 51
2.3. Методика расчета и исследование пульсационных характеристик экспериментальной установки 59
2.3.1. Математическая модель установки 59
2.3.2. Алгоритм и программа расчета характеристик 71
2.3.3. Теоретическое исследование пульсационных характеристик 78
2.3.4. Выбор параметров основных узлов предлагаемого стенда 88
2.4. Конструкция стенда и информационно-обрабатывающий комплекс 91
Глава 3. Методы исследования влияния колебаний давления на погрешность диафрагменных газовых расходомеров 103
3.1. Методика расчета погрешности расходомера в условиях пульсирующего потока газа 103
3.1.1 .Математическая модель газовой магистрали с диафрагменным расходомером 103
3.1.2. Математическая модель газовой измерительной цепи расходомера 118
3.1.3 Алгоритм и программа расчета погрешности диафрагменных расходомеров 129
3.2. Анализ влияния пульсаций давления на погрешность диафрагменных расходомеров 130
3.3.Методы экспериментального определения погрешности расходомеров 139
Глава 4. Экспериментальное исследование пульсационных характеристик стендового оборудования и оценка влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров 148
4.1.Алгоритм и программы автоматизированной обработки экспериментальных данных 149
4.2.Экспериментальное исследование пульсационных характеристик стенда 159
4.3 .Экспериментальное исследование диафрагменных расходомеров 163
4.4. Рекомендации по повышению точности измерения расхода газа на реальных замерных узлах ГРС 169
Основные результаты работы 172
Список использованных источников 174
- Исследование влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров
- Алгоритм и программа расчета характеристик
- Математическая модель газовой измерительной цепи расходомера
- Рекомендации по повышению точности измерения расхода газа на реальных замерных узлах ГРС
Введение к работе
Актуальность темы исследования.
1.Точность измерения расхода газа , особенно в условиях динамического возмущения потока газа на замерных узлах газораспределительных и газоизмерительных станций имеет важное значение для повышения эффективной эксплуатации магистральных газопроводов. Пульсации давления, обусловленные в основном неравномерностью подачи нагнетателей, неустойчивостью работы агрегатов, срывными явлениями на них приводят к возникновению дополнительной погрешности, величина которой в зависимости от степени колебательности процесса может достигать 0,5….3,5%.
Появление ошибки из-за пульсаций давления опасно тем, что она не поддается учету при применении промышленно выпускаемых измерительных средств и часто приводит к взаимным притязаниям поставщиков и потребителей природного газа. Поэтому в условиях дефицита энергоносителей и повышения требований к точности их учета актуальной задачей является снижение дополнительной погрешности измерения расхода газа. Снижение колебаний давления в напорных газовых магистралях применением специальных гасителей затруднено тем, что они имеют большие габариты и массу. Для повышения точности измерения расхода пульсирующего потока газа необходимо создание устройств, обеспечивающих коррекцию показаний диафрагменных расходомеров. Однако разработка и внедрение корректирующих устройств не могут быть выполнены без проверки их эффективности на специальном стендовом оборудовании. Такое оборудование необходимо также для оценки влияния пульсаций давления на погрешность и других типов расходомеров, например вихревых. Используемые на практике стенды не удовлетворяют в полной мере предъявляемым к ним требованиям в части прецизионного задания статических параметров (давления, перепада давления), формирования акустических граничных условий, реализация заданного режима пульсирующего потока газа. Поэтому экспериментально-теоретическое обоснование методов повышения точности измерения расхода газа в условиях динамического возмущения потока газа на газораспределительных и газоизмерительных станциях является актуальной темой исследования.
Целью диссертационной работы является экспериментально-теоретическое обоснование методов повышения точности измерения расхода газа в условиях динамического возмущения потока на замерных узлах газораспределительных и газоизмерительных станциях.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи исследований:
1. Разработка математической модели для исследования точностных характеристик и дополнительной погрешности диафрагменных расходомеров при динамических возмущениях потока газа в процессе эксплуатации.
2. Создание экспериментального оборудования и методов исследования точностных характеристик расходомеров в условиях пульсирующего потока газа, а также исследование дополнительной погрешности диафрагменных расходомеров из-за пульсаций давления и на этой основе разработка мероприятий по повышению точности измерения расхода газа.
3. Разработка алгоритма и программы расчета стендового генератора для моделирования пульсаций потока газа.
4. Разработка математической модели, алгоритма и программы расчета статических характеристик нелинейных измерительных цепей диафрагменных расходомеров с учетом пульсаций давления на входе.
5. Создание методики теоретической и экспериментальной оценки погрешности диафрагменных расходомеров в условиях пульсирующего потока газа и реализация этой методики на разработанном стендовом оборудовании.
6. Разработка мерноприятий по повышению точности измерения пульсирующего расхода газа диафрагменными расходомерами.
Научная новизна работы.
- Создана математическая модель исследования характеристик диафрагменных расходомеров в условиях пульсирующего потока газа и обоснована структурная схема экспериментального стенда для ее реализации.
- Обоснована методика расчета пульсационных характеристик потока газа во временной и частотной областях спектра для моделирования реальных условий работы диафрагменных расходомеров.
- Разработаны методики определения погрешности измерения расхода газа на газораспределительных и газоизмерительных станциях с использованием созданного стендового оборудования и измерительно-обрабатывающего комплекса, которые повысят достоверность информации об учете транспортируемого газа.
Защищаемые положения
1.Математическая модель и структурная схема экспериментального стенда для исследования точностных характеристик и дополнительной погрешности диафрагменных расходомеров при динамических возмущениях потока газа в процессе эксплуатации.
2. Методика расчета пульсационных характеристик потока во временной и частотной областях пульсаций для моделирования реальных условий работы диафрагменных расходомеров на газораспределительных и газоизмерительных станциях с обеспечением прецизионного задания среднего давления, перепада давления на расходомере, коррекции спектра пульсаций при помощи резонаторов и согласующих дросселей.
3.Методика дифференциальной оценки погрешности диафрагменных расходомеров и ее составляющих, позволяющие оценивать их величины, а также рассчитывать колебания давления в характерных сечениях цепи, включая перепад давления на диафрагме, в стендовых условиях.
Практическая ценность работы
На основе результатов проведенных исследований:
1.Разработан пакет программ расчета пульсационных характеристик стендовых магистралей, который позволяет выбирать параметры узлов и магистралей стендового оборудования, при которых реализуется требуемый режим пульсаций давления.
2.Составлена схема программной коррекции показаний диафрагменных расходомеров по измеренному динамическому перепаду на диафрагме и математической модели газовой измерительной цепи.
3.Разработанны мероприятия, основанные на измерении динамического перепада давления на мерной диафрагме и на основе этих данных программная коррекция показаний расходомеров, которые позволятют повысить точность измерения расхода пульсирующего потока газа.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на научно- технических конференциях, включая:
-- 6-ю Научно-техническую конференцию, посвященную 75-летию Российского государственного университета нефти и газа им. И.М.Губкина «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», г. Москва, 26-27 января 2005г.;
-- 1-ю Научно-техническую конференцию, в рамках ХIV Конкурса молодежных разработок среди предприятий и организаций топливно-энергетического комплекса в 2005 году «ТЭК-2005».
-- 14-ю Научно-практическую конференцию молодых ученых и специалистов «Проблемы развития газовой промышленности западной Сибири» г. Тюмень, 25-28 апреля 2006г.;
-- 2-ю Научно-практическую конференцию молодых ученых и специалистов «Инновационный потенциал молодых специалистов, как залог динамичного развития газовой промышленности» г. Москва, 28 сентября 2006 г.
-- 7-ю Научно-техническую конференцию «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Российский университет нефти и газа им. И.М.Губкина г. Москва, 29-30 января 2007г.
-- 7-ю Научно-техническую конференцию «Новые технологии в газовой промышленности», Российский университет нефти и газа им. И.М.Губкина г. Москва, 25-28 сентября 2007г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в т. ч.1 в издании входящем в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий» ВАК РФ.
Структура и состав работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Материал изложен на 187 страницах, включающих 93 рисунка, 15 таблиц и библиографию из 106 наименований.
Исследование влияния пульсаций давления на погрешность газовых расходомеров
Одним из существенных факторов ,влияющих на точность измерения расхода газа методом стандартных диафрагм, является нестационарность газового потока, обусловленная неравномерностью подачи нагнетателей, неустойчивостью арматуры и срывными явлениями. По сравнению с другими факторами степень влияния нестационарности газового потока на точность измерения расхода зависит от ряда обусловленных ею процессов, которые трудно воспроизводимы и сложны в изучении. Этим во многих случаях объясняется противоречивость полученных многими авторами результатов исследований. Анализ схемы газоизмерительного пункта [13] показывает, что дополнительная погрешность диафрагменных расходомеров, обусловленная пульсациями давления в измерительном трубопроводе, в общем случае складывается из следующих составляющих: 8GK -погрешность, обусловленная несоответствием расхода определенного по мгновенным и осредненному перепадам давления на диафрагме; 5Gy-погрешность обусловленная нелинейным осреднением пульсаций давления в угловых отборах на входе в диафрагму и на его выходе; 8GH-погрешность Обусловленная нелинейным осреднением пульсаций давления в импульсных линиях со стороны входа и выхода диафрагмы; 5GH -погрешность ,связанная с возможным отклонением коэффициента расхода диафрагмы из-за нестационарности процесса истечения газа; 8G9-погрешность обусловленная нелинейным осреднением сигнала в чувствительном элементе расходомера; SGn -погрешность обусловленная нелинейным осреднением сигнала во вторичном приборе расходомера.
Квадратичная завмсимость между перепадом давления и расходом является одной из основных причин влияния нестационарности потока на погрешность измерения средней составляющей расхода газа методом стандартных диафрагм. [17,18,22]
В литературе[5,28,42,81,92] указывается, что погрешность, обусловленная неравенством зависит от частоты колебаний, причем, чем выше частота, тем меньше эта погрешность. Существуют разные точки зрения относительно верхней границы диапазона значимых частот колебаний давления от 5Гц до 50Гц.Многие авторы оценивают величину этой погрешности ,используя одномерные [28,34,42,78-80] и квазистационарные модели течения рабочих сред через СУ. В [62] рассматривается два способа учета этого фактора. Анализ применимости квазистационарного метода определения расхода от действительного значения в зависимости от частоты пульсаций расхода колеблется в пределах 0-3,5%.В результате проведенных исследований авторы пришли к выводу о том, что при пульсациях небольшой частоты(менее 5 Гц) основное значение имеет погрешность измерения, вызванная квадратичной зависимостью между расходом и перепадом давления, при увеличении частоты колебаний большое значение имеет погрешность от влияния инерционной составляющей перепада давления.
Sparks C.R. и МсКее Р. [99] предложена новая концепция учета квадратичной погрешности по относительному среднеквадратическому значению перепада давления на СУ и сделан вывод о том ,что данная погрешность является основной, определяющей точность измерения расхода газа при наличии колебаний давления в замерном узле. Экспериментально показано ,что коэффициенты расхода для каждого из компонентов пульсаций не равны друг другу и в численном выражении не равны коэффициенту расхода стационарного потока. Коэффициенты расхода диафрагм для разных компонентов пульсаций изменялись в масштабе 20:1,в зависимости от частоты пульсаций и акустических характеристик измерительных трубок и трубопроводной системы. Downing P.M. [81] отмечает, что влияние пульсаций на точность измерения согласуются с теорией, объясняющей погрешность запаздыванием изменения перепада давления при изменении скорости и « квадратичной» погрешностью. Ohmi Munekazu[75,76JHa основании экспериментальных данных получена обобщенная зависимость для длины присоединенного потока, когда его течение становится параллельно стенкам трубы.
Yokota Shinichi [106] предложено перед расходомером устанавливать трубчатый выпрямитель.
В работе [48] Петровым А.С. приведены результаты исследования диафрагм с различным поджатием.
Местное ускорение и замедление потока может явится причиной дополнительной погрешности измерения расхода газа при неправильном подходе к использованию измеренного перепада давления на СУ. Авторы большинства известных работ, связанных с проблемой измерения нестационарных расходов с помощью СУ, анализируя погрешности измерения расхода не выдляют ту часть, которая напосредственно связана с изменением коэффициента расхода при неустановившемся течении газа. Результаты исследований авторов часто противоречивы.По оценкам Alpay S.A. и Blackman A.W. [75,76],среднеинтегральное значение коэффициента расхода диафрагм в диапазоне частот 0-100Г и относительных амплитуд пульсаций давления 0-10% соответствует стационарному значению. Экспериментальные исследования диафрагмы в пульсирующем потоке показали ,что при ґ=0-7Гц и А=0-80% отклонение среднего за период коэффициента расхода от квазистационарного значения не превысило 2%. В работе [28] экспериментальные исследования диафрагм в пульсирующих потоках показали, что табличные значения коэффициентов расхода содержат дополнительные погрешности в пределах 0,05%до4,5% в зависимости от относительной амплитуды пульсаций расхода. Для подтверждения результатов, полученных на опытной установке, были проведены испытания в полевых условиях на газосборном пункте. В результате проведенных исследований авторами сделаны следующие выводы: суммарная погрешность измерения является комбинацией квадратичной погрешности и колебаний перепада давления; каждая их этих составляющих может быть измерена по отдельности, для прогнозирования суммарной погрешности. Гаптрахмановым P.P. [7] измерены перепады давления на диафрагме датчиком динамического перепада давления и скорость на оси потока за диафрагмрй термоанемометром постоянного тока при различных режимах пульсаций воздуха. Предполагается, что при пульсирующей природе, перепад давления и скорость являются случайными величинами.
Фафуриным А.В. проведена оценка погрешности, вносимой несоответствием мгновенного и среднеинтегрального значения коэффициента расхода при установившемся и неустановившемся потоках на основе математического моделирования движения потока газа в зоне диафрагмы [60] .Исследования проводились при амплитуде пульсаций расхода порядка 10%.Результаты показали, что мгновенные значения по коэффициенту расхода внутри периода различаются максимум на 4%,а средние за период значения коэффициентов расхода различаются лишь на 0,05%. Эти результаты были подтверждены экспериментально с удовлетворительной степенью соответствия ,однако в расчетах рассматривалась синусоидальная форма пульсаций, которой не удалось добиться при эксперименте.
Акустические явления возникают при отражении волн давления движущихся со скоростью звука от различных препятствий на своем пути, и при некоторых условиях в трубопроводах могут образоваться стоячие волны. Существует предположение [85] о том, что погрешность измерения перепада давления может возникнуть из-за высокочастотных колебаний (более 1000Гц),возникающих по различным причинам. В работе [81] указывается, что акустическими эффектами можно пренебречь, если диаметр отверстия диафрагмы мал по сравнению с четвертой частью длины звуковой волны. Выполнение этого требования необходимо ,но может оказаться недостаточным при возникновении резонанса, зависящего от конфигурации трубопровода. Так в работе [65] сообщается о возникновении резонанса в трубопроводе диаметром 50мм с частотой 30Гц.
В работе [95] рассматриваются различия результатов измерений в лабораторных и натурных условиях .При этом в качестве основной причины выдвигается разница в условиях обтекания стандартной диафрагмы: центробежные вихри, искажения профиля. Подчеркивается, что повышение точности натурных измерений зависит не только от выработки новых требований к условиям измерения ,но и от изучения системных воздействий на существующие измерительную технику технологию измерений. Погрешность импульсных линий на ГРС могут быть источником существенной погрешности измерения расхода газа методом переменного перепада давления из-за возможного неравенства сопротивлений подводящих каналов со стороны высокого и низкого давлений [31] и из-за местных сопротивлений, обладающих детектирующими свойствами. Как показано Шориным В.П., Гимадиевым А.Г.[24] в процессе измерения среднее значение давления в конце трубки может оказаться меньше или больше по сравнению со средним значением давления у диафрагмы в зависимости от формы пульсаций давления.
Алгоритм и программа расчета характеристик
На основе изложенной методики созданы алгоритм и программа расчета статических и пульсационных характеристик стендовых магистралей.
Для задания начальных значений параметров движения газа при расчете по формулам (2.3.6)...(2.3.19) решается система уравнений для статических характеристик элементов. Расчет статических характеристик выполнялся по следующей методике: весь тракт пневмоцепи стенда разбивается на ряд элементов (местных сопротивлений), потери давления на которых зависят от геометрических параметров конкретного элемента и расход через которые определяется по формулам для случаев докритического и надкритического режима движения газа. Первоначально находится расход газа на выходном клапане 16, при этом используется выражение сверхкритического движения газа через дроссель. Затем, принимая этот расход за первое приближение, рассчитываются потери давления на других элементах цепи. По остаточному падению давления на выходном клапане рассчитывается расход второго приближения. Система уравнений решается методом последовательного приближения до тех пор, пока разница между значениями найденного расхода на последнем и предпоследнем шаге не станет меньше, чем заданное значение погрешности расчета. Перепад давления на местном сопротивлении должен обеспечивать докритический режим истечения газа, за исключением последнего (выходного клапана) 16 и редуктора 1, перепад давления на которых - сверхкритический. Выполнение этого условия достигается наложением ограничений на площадь проходного сечения шаровых кранов; на остальных элементах цепи перепад давления - заведомо докритический. 2.3.2. Алгоритм и программа расчета характеристик
Использование для расчета по методике, изложенной в предыдущем разделе стандартных математических пакетов, например MathLab, возможно, однако приведет к существенному увеличению времени, необходимого для решения каждой конкретной задачи, кроме того, затрудняется вывод данных в удобной для использования форме (таблиц, графиков, файла требуемой структуры). Поэтому для расчета пульсационных характеристик стендовых магистралей потребовалась разработка специализированного программного обеспечения.
Программа расчета реализована с использованием алгоритмического языка программирования C++ и среды визуального программирования Borland C++ Builder. Основная библиотека m22.h отвечает современным требованиям объектно-ориентированного программирования и может быть использована в любой из задач определения параметров движения в газовых цепях с учетом принятых соглашений. Библиотека включает описание класса рабочей седы Fluid, базового класса элементов Element и непосредственно элементов ПЩ -Valve (клапан), Pulsator (пульсатор), Orifice (диафрагма), Pipeline (трубопровод), Capacity (емкость), Three_way (тройник), Reducer (редуктор), Confuse (сужение трубопровода), Diffuse(pacuiHpeHHe трубопровода). При разработке класса Orifice (диафрагма) реализована методика расчета расхода газа через диафрагму по перепаду давления на диафрагме, давлению и температуре газа согласно ГОСТ [27]. Кроме того, разработан класс PGS, описывающий пневмогидравлическую систему и структура для передачи параметров ElParams.
При расчете стендовых магистралей возможны два варианта: в первом случае все параметры приравниваются к нулевым условиям - атмосферное давление и отсутствие расхода, задавая изменение давления в начальном сечении стенда, находятся параметры при отключенном пульсаторе во всех сечениях. Затем задается частота вращения пульсатора и, принимая полученные параметры в качестве начальных условий, находятся расход и давление газа во всех сечениях газовой цепи. При таком варианте расчета можно проанализировать переходные процессы в стендовой магистрали, меняя параметры элементов системы, уровни давления и частоту вращения привода генератора. Однако данный способ требует большего количества машинного времени и ресурсов.
Во втором случае расчет характеристик стендовых магистралей производится в такой последовательности: сначала задается положение дросселей, геометрические размеры трубопроводов, емкостей и местных сопротивлений и выполняется расчет статических характеристик (рис. 2.8) по методике, изложенной в разделе 2.2. Затем полученные значения параметров движения потока газа принимаются в качестве начальных условий и, задавая частоту вращения вала электродвигателя пульсатора, ведется расчет динамических характеристик стенда (рис. 2.9) методом характеристик (см. раздел 2.3.1). Этот способ расчета оправдан при построении частотных зависимостей, функций положения и параметров дросселирующих элементов, длин и диаметров трубопроводов.
На рис. 2.10 показано главное окно программы расчета характеристик стендовых магистралей. Программа расчета имеет удобный пользовательский интерфейс. На главном поле программы расположены четыре страницы: «Схема», «Графики», «Ошибки» и «Элементы». На странице «Элементы» выведен список элементов и реализована возможность изменения структуры ПГС и параметров элементов (рис. 2.11). Для контроля сходимости решений уравнений в процесс расчета, ошибки, возникающие на каждом шаге расчета, элементов ПГС выводятся в окно сообщений на странице «Ошибки» (рис. 2.12). Кроме того, на графике отображаются количество итераций на каждом шаге по элементам. В программе предусмотрена возможность изменения числа итераций, однако, проведенные расчеты показали, что при допустимой погрешности счета 0,1% сходящееся решение находится за 4... 15 итераций, в случае большего количества итераций полученное решение является неустойчивым.В основном меню программы производится выбор вида расчета в пункте «Расчет- Выбор»: переходный процесс или построение частотной характеристик. Во втором случае выполняется расчет параметров в выбранном сечении в заданном частотном диапазоне задается в пункте меню «Параметры- Частотный диапазон»).Результаты расчета выводятся на дисплей в виде графиков изменения расхода и давления в выбранном сечении системы (рис. 2.13) на странице «Графики», для изменения масштаба по оси ординат служат кнопки «Авто», «+» и «-». Изменение разрешения графика по временной оси производится заданием выводимого временного интервала в пункте меню «Параметры- Разрешение графика». Программа расчета характеристик стендовых магистралей позволяет вывести полученные результаты: передать изображение графика в виде wmf-рисунка в буфер или сохранить в виде файла, который может быть обработан другим пакетом, например ПОС фирмы НПП «МЕРА» [47], для чего необходимо воспользоваться соответствующим пунктом выпадающего меню поля графика.
Математическая модель газовой измерительной цепи расходомера
Погрешность расходомера, обусловленного нелинейным осреднением колебаний давления в измерительной цепи расходомера, определяется тем, насколько точно на чувствительный элемент передается сигнал о постоянной составляющей пульсирующего перепада давления на диафрагме. При расчете погрешностей SQy, SQU расходомера принимается допущение о том, что полости измерительного трубопровода на входе в диафрагму и на ее выходе являются для импульсных линий независимыми источниками колебаний давления. Характер изменения давления на входах в газовую измерительную цепь определяется из решения системы уравнений, описывающий движение газа в стендовых магистралях или газопроводе со стандартной диафрагмой (см. раздел 3.1.1). Тогда при расчете характеристик измерительной цепи, когда источником колебаний давления является участок на входе в диафрагму, участок на ее выходе принимается как граничное условие с нулевым акустическим импедансом и наоборот. При этом допущении расчет колебательного процесса в измерительной цепи ведется суммированием гармоник колебаний давления и расхода в каждом из выделенных сечений, полученных в результате расчета от каждого источника колебаний. Давление на ходе в диафрагму и на выходе из нее в соответствии с формулами (3.1.35)...(3.1.37) представляются в виде
При разработке методики расчета газовой измерительной цепи при полигармонических колебаниях принимается ряд допущений: движение газа ламинарное, неустановившееся, гидравлические потери на дросселирующих элементах квазистационарные.
При принятых условиях связь между комплексными амплитудами г-ых составляющих колебаний давления и расхода в граничных сечениях участков гидравлической цепи (рис. 3.1) выражается зависимостями
При расчете будем предполагать, что зависимость между расходом и перепадом давления в местных сопротивлениях описываются тем же уравнением, что и для стандартной диафрагмы. Тогда после линеаризации характеристики /-го местного сопротивления по критерию минимума среднеквадратичного отклонения получим
Расчет колебательного процесса в измерительной цепи, когда за источник колебаний принята полость на входе в диафрагму, ведется следующим образом. Вначале определяется входной акустический импеданс измерительной цепи в сечении, содержащем местное сопротивление (дроссель) углового отбора. Для этого последовательно, шаг за шагом, находятся входные импедансы цепи, начиная от углового отбора на выходе из диафрагмы до входа в дроссель углового отбора на входе в диафрагму.
Определив входные импедансы участков цепи последовательно, начиная с сечения, где расположен дроссель первого углового отбора, находим входной импеданс всей измерительной цепи
Проходя последовательно в обратном направлении от сечения, где расположен дроссель первого углового отбора до дросселя второго углового отбора при известных qfy и р$ определяем по уравнениям (3.1.48)...(3.1.74) комплексные амплитуды r-ых составляющих колебаний давления и расхода во всех выделенных сечениях, в том числе и содержащих местные сопротивления.
Аналогичным образом определяются комплексные амплитуды г-ых составляющих колебаний давления и расхода при возмущении в виде колебаний давления на выходе из диафрагмы.
Система уравнений для этого случая запишется в виде:
При известных значениях p ,q 2-i проходя в обратном направлении, определяют во всех выделенных сечениях комплексные амплитуды г-ых составляющих колебаний давления и расхода, в том числе и содержащих нелинейные дросселирующие элементы.
Затем, сложив комплексные амплитуды г-ых составляющих колебаний давления и расхода в г-ых сечениях, определенных при возмущениях со стороны полости на входе в диафрагму и на ее выходе, находят суммарные значения параметров, которые далее используются при определении функций смещения и коэффициентов линеаризации.
Таким образом, в результате расчета получают постоянные составляющие перепада давления на каждом из местных сопротивлений, суммируя которые получим л(лРи ) - постоянную составляющую перепада давления, обусловленную нелинейным осреднением колебаний давления в элементах измерительной цепи.
Если расход газа определяется по среднему интегральному значению пульсирующего перепада давления, то суммарная погрешность из-за пульсаций будет определяться выражением
Учитывая относительную малость величин S\APHKj, S[APuti), и принятия допущения о независимом возникновении ошибок измерения расхода из-за пульсаций в измерительном трубопроводе с диафрагмой, угловых отборах и импульсной линии можно записать
Рекомендации по повышению точности измерения расхода газа на реальных замерных узлах ГРС
Для снижения дополнительной погрешности диафрагменного расходомера, обусловленной колебаниями давления газа, необходимо исключение нелинейных элементов из измерительной цепи. Поэтому предпочтительным является бескамерный угловой отбор давления. Кроме того, для устранения погрешности нелинейного осреднения перепада давления в импульсных линиях целесообразно применение гасителей колебаний с линейными расходными характеристиками на входах в измерительную цепь [20]. Типы гасителей колебаний для измерительных цепей рассматривались в работах [68,69].
При постановке задачи оценки погрешности измерения пульсирующего расхода газа на конкретном замерном узле ГРС предлагается следующий алгоритм: первоначально выполняются замеры пульсационной картины на замерных узлах, используя информационно-измерительную системы с высокими метрологическими характеристиками; производится обработка данных, определяются спектральные и амплитудные характеристики колебании давления на входе в диафрагму, перепада давления на диафрагме. Весь измерительный комплект газоизмерительного трубопровода, включающий импульсные трубки, датчик и вторичный прибор переносится на стенд для калибровки расходомеров в условиях пульсирующего потока газа, Параметры диафрагмы подбираются исходя из соответствия условных диаметров. Полученная при замере картина пульсаций давления газа на газораспределительной станции реализуется по амплитуде и частоте основной гармоники колебаний, соблюдая условие равенства эффективных значений колебаний перепада давления газа на диафрагме. Возможность точного измерения среднего расхода позволяет определить величину дополнительной погрешности данного измерительного комплекта, вызванную пульсациями давления газа. В стендовых условиях оценивается влияние пульсаций давления на погрешность измерения расхода на разных режимах, что не может быть реализовано на замерном узле ГРС.
Одним из наиболее перспективных методов повышения точности является электронная коррекция показаний расходомера, причем коррекция может проводиться как в режиме реального времени, так и поэтапно, разделяя процессы измерения и обработки сигналов. Второй способ оправдан при стационарных режимах течения газа. Предложено устройство [53], в котором погрешность измерения расхода газа предлагается корректировать, используя аппроксимирующую формулу ISO (3.2.2). Эффективное значение перепада давления может быть измерено дополнительными датчиками динамического перепада давления или основным датчиком перепада давления, если его частотный диапазон удовлетворяет заданным требованиям. Данное устройство учитывает только погрешность, вызванную нелинейным осреднением перепада давления на диафрагме, поэтому необходимо устанавливать гасители колебаний на входе в измерительную цепь. Поэтому применение данного корректирующего устройства возможно только с использованием гасителей, установленных на входе в измерительную цепь. Гасители колебаний датчика среднего перепада давления должны обеспечивать эффективное гашение пульсаций, не приводя при этом к «уводам» измеряемой величины. Однако на практике возникают задачи, требующие максимального быстродействия измерительных цепей, например, проведение динамических испытаний энергоустановок. В этом случае предлагается использовать устройство коррекции, построенном на микроконтроллере, например MSP-430 (рис.4.21).
Дополнительно к датчику среднего перепада давления 6 на отборах диафрагмы 1 устанавливаются датчики динамического перепада давления 2, 3, которые включены в противофазе, так что на их выходе сигнал пропорционален мгновенному значению перепада давления на диафрагме. Сигналы с этих датчиков, датчиков среднего давления 4 и температуры 5 поступают на АЦП 7 (12-бит). Процессор 9 обрабатывает полученные сигналы с учетом характеристик измерительных цепей и аппроксимирующей формулы (3.2.2), которые записаны в флэш-память 8. Скорректированные результаты измерения могут быть обработаны на компьютере 11, подключенном через интерфейс RS-485. Алгоритм работы устройства основан на том, что предварительно математическая модель измерительной цепи в виде программы расчета закладывается в память компьютера. Давления до и после диафрагмы измеряются датчиками динамического давления, через каналы АЦП вводятся как входные параметры при расчете поправки. Окончательная поправка формируется с использованием эмпирической формулы ISO (3.2.2).
Алгоритм настройки корректирующего устройства следующий: для известной измерительной цепи выполняется расчет статических характеристик с учетом нелинейных элементов (методика расчета приведена в разделе 3.1). Полученные зависимости при необходимости уточняются по результатам экспериментов в стендовых условиях. Уточненные зависимости записываются во флэш-память микроконтроллера в виде таблиц. Диафрагменный расходомер с устройством коррекции окончательно проверяется на разработанном стендовом оборудовании и дается оценка эффективности корректирующего устройства.
Таким образом в четвертой главе диссертации проведены экспериментальные исследования пульсационных характеристик стендового оборудовапния определены погрешности диафрагменных расходомеров в условиях пульсирующего потока газа ,разработаны автором мероприятия по повышению точности измерения расхода пульсирующего потока газа при помощи диафрагменных расходомеров.
