Курсовая работа (т): Витратоміри

Витратоміри

Вступ

Значення лічильників газу дуже велике. З розвитком промисловості вони набувають все більшого значення. Лічильники потрібні на сам перед для управління виробництвом. Без них неможливо забезпечити оптимальний режим технологічних процесів в енергетиці, металургії, в хімічній, нафтовій та багатьох інших галузях промисловості.

Лічильники газу необхідні для обліку маси або об’єму газу, що транспортується по трубам і споживається різними об’єктами. Без цих вимірювань дуже важко контролювати витікання і виключити втрати цінних продуктів.

Зниження похибки хоча б на 1% може забезпечити багатомільйонний економічних ефект. Роль лічильників газу ще більше зростає з необхідністю максимальної економії ресурсів країни.

Сучасні турбінні лічильники мають досить високі метрологічні властивості. Похибки турбінних лічильників зазвичай не перевищують ±(0,5- 1%). При цьому діапазон вимірюваних витрат частіше за все не менше десятикратного. Постійна часу турбінного лічильника знаходиться в діапазоні 1-10мс і рідко перевищує ці значення.

Газова промисловість України як окрема галузь паливно-енергетичного напряму економіки держави складає сьогодні чи не найдинамічнішу та інтелектуально насичену область народногосподарського комплексу яка, до того ж, у вирішальній степені визначає її енергетичну міць, адже частка природного газу у загальному обсязі споживання первинної енергії перевищує 45%.

1.      Характеристика і властивості природного газу

лічильник природний витратомір газ

Приро́дний газ - суміш газів, що утворилася в надрах землі при анаеробному розкладанні органічних речовин. Суміш, компонентами якої переважно є насичені вуглеводні (СпН2п+2)) азот, діоксид вуглецю і сірководень.

Природний газ є корисною копалиною. Часто є побічним газом при видобутку нафти. Природний газ у пластових умовах (умовах залягання в земних надрах) знаходиться в газовому стані у вигляді окремих скупчень (газові поклади) або у вигляді газової шапки нафтогазових родовищ - це вільний газ, або в розчиненому стані в нафті або воді (у пластових умовах), а в стандартних умовах (0,101325 МПа і 20 °C) - тільки в газовому стані. Також природний газ може знаходитися у вигляді газогідратів.

.1 Хімічний склад природного газу

Основну частину природного газу складає метан (CH4) - до 98 %. До складу природного газу можуть також входити більш важкі вуглеводні: етан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10) - гомологи метану, а також інші невуглеводні речовини: водень  (H2), сірководень (H2S), діоксид вуглецю (CO2), азот (N2), гелій (Не2).

.2 Властивості природного газу

Природний газ не має кольору і запаху. Щоб можна було визначити витік по запаху, до нього перед подачею споживачам додають одорант - речовину з різким специфічним запахом. Як одорант може використовуватись етилмеркаптан - C2H5SH або суміш природних меркаптанів - СПМ (C2H3P). У магістральних газопроводах транспортується неодоризований газ, оскільки одорант належить до агресивних речовин, що спричиняють корозію стінок труб. [1, 2]

ГОСТ 5542-87 встановлює наступні основні вимоги до газового палива [3]: за фізико-хімічним показникам природні гази повинні відповідати вимогам і нормам, приведеним в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1. Вимоги і норми природного газу

.3 Орієнтовні фізичні характеристики

–    густина: ρ = 0,7 г/м³ (сухий газоподібний) або 400 кг/м³ рідкий);

–       температура займання: t = 650 °C;

–       теплота згоряння: 16 - 34 МДж/м³ (для газоподібного);

–    октанове число при використанні на двигунах згоряння: 120 - 130.

2. Огляд та аналіз існуючих лічильників природного газу

Для вимірювання витрат газу використовують різні фізичні явища та процеси, що відбуваються у газі:

–    зміну площі живого перерізу потоку, що викликає перепад тиску у трубопроводі, зміну динамічного тиску, вихрові коливання, обертання та коливання чутливого елементу (ЧЕ), який розташовано у потоці;

–       вплив на потік різноманітних ефектів:

-     теплової дії на потік або тіло, яке контактує з ним;

      зміна магнітного поля;

      акустичних та оптичних ефектів у потоці рухомого газу;

      іонізації потоку вимірюваного газу;

Моніторинг приладів і систем, які широко застосовуються у сучасній витратометрії, показує що найбільшого поширення отримали витратоміри та лічильники кількості, побудовані на ВПВР змінного та постійного перепаду тиску, тахометричні, обтікання, електромагнітні, вихрові та ультразвукові. Ці прилади випускаються серійно, мають досить високі метрологічні та експлуатаційні характеристики і знаходять широке застосування практично у всіх галузях народного господарства.

Існуючі прилади вимірювання кількості речовини, що проходить можна розділити на такі групи:

-    лічильники змінного перепаду тиску;

-        вихрові лічильники;

         тахометричні лічильники;

         ультразвукові лічильники;

         теплові лічильники;

         лічильники з мітками.

2.1 Метод змінного перепаду тиску

Найбільшого поширення серед методів вимірювання витрати отримав метод змінного перепаду тиску (або дросельний метод). Даний метод вимірювання застосовують для вимірювання витрати рідких і газоподібних середовищ, що протікають по трубопроводу круглого перерізу діаметром від 50 мм до 1000 мм за умови повного заповнення перерізу вимірюваним середовищем постійної в'язкості і щільності. Метод змінного перепаду тиску один з найбільш старих і найбільш вивчених методів вимірювання витрати рідких і газоподібних середовищ.

Залежно від конструкції і принципу дії первинного перетворювача виділяють кілька видів вимірювань (рис. 1), але в основі кожного з них лежить залежність перепаду тиску, який створюється первинним перетворювачем від витрати протікаючої рідини. Найбільшого поширення набули засоби вимірювання, що отримали назву «діафрагми».

Рисунок 1 - Лічильники змінного перепаду тиску

Перевагами даного методу вимірювання є порівняльна простота і компактність вимірювальних пристроїв; точність вимірювання фізичної величини; висока стабільність вимірювання; висока надійність роботи; невисокі вимоги до довжин прямолінійних ділянок; можливість дистанційної передачі даних. Це, а також можливість непрямого (косвенной) градуювання та повірки стандартизованих первинних перетворювачів - звужуючих пристроїв, що реалізують метод, їх простота і надійність, серійність випуску вторинних перетворювачів - дифманометрів обумовлює його надзвичайно широке (порівняно з іншими) використання на практиці промислових вимірювань витрати.

Недоліки: вплив точності установки пристрою звуження на якість вимірювання; необхідність періодичної ревізії пристроїв звуження потоку; необхідність введення поправок на температуру і тиск вимірюваного середовища; втрати тиску в водоводі в силу конструктивних особливостей первинного перетворювача; відносно короткий міжповірочний інтервал; невеликий діапазон виміру. І разом з тим в основі цього чисто гідродинамічного методу лежать настільки складні фізичні процеси деформації потоків, настільки велике число неконтрольованих факторів впливає на характер цих процесів, що застосування його в даний час обмежене областями, де потрібна дуже низька точність вимірювань, хоча можливості його «метрологічного вдосконалення» далеко не вичерпані.

Похибка: ± 1% - ± 3% [4-6].

.2 Вихоровий метод

Вихоровими називаються витратоміри, засновані на залежності від витрати частоти коливань тиску, що виникають у потоці в процесі вихроутворення або коливання потоку. Вони поділяються на три групи, істотно відмінні одна від одної (рис.2.).

Рисунок 2 - Класифікація вихорових витратомірів

. Витратоміри, що мають у первинному перетворювачі нерухоме тіло, при обтіканні якого з обох його сторін поперемінно виникають зриваючі вихори, що створюють пульсації тиску.

. Витратоміри, в первинному перетворювачі яких потік закручується і, потрапляючи потім у розширену частину труби, прецисує, створюючи при цьому пульсації тиску.

. Витратоміри, в первинному перетворювачі яких струмінь, що випливає з отвору, здійснює автоколивання, створюючи при цьому пульсації тиску.

Вихоровий метод досить перспективний метод вимірювання витрати рідин і газів з широким діапазоном зміни фізико-хімічних властивостей.

Перевагами є: відсутність рухомих частин; простота і надійність перетворювача витрати; незалежність показань від тиску і температури; великий діапазон вимірювання; лінійність шкали; хороша точність; частотний вимірювальний сигнал; стабільність показань; порівняно не складна вимірювальна схема; можливість отримання універсального градуювання.

До недоліків вихорових витратомірів відносяться: значна втрата тиску, що досягає 30-50 кПа; деякі обмеження можливості їх застосування: вони непридатні при малих швидкостях, і виготовляються лише для труб, що мають діаметри від 25 до 150-300 мм; вони не застосовуються також при Re <103 ÷ 104. Багато конструкцій вихрових витратомірів непридатні для вимірювання забруднених і агресивних речовин, що можуть порушити роботу перетворювачів вихідного сигналу. Але на процесі вихроутворення забруднення, корозія і ерозія тіла обтікання або закручування апарату практично позначаються дуже мало (на відміну, наприклад, від звужуючих пристроїв). Тому при виборі перетворювача вихідного сигналу (наприклад, ультразвукового) вихрові витратоміри можуть служити і для вимірювання забруднених, агресивних і абразивних речовин.

Похибка: ± 0,5-1,5% [4-6].

Тахометричними метод є на сьогоднішній день одним з найбільш точних методів вимірювання об'ємної витрати рідин і газів. Тахометричними називаються витратоміри і лічильники, що мають рухомий, зазвичай обертовий елемент, швидкість руху якого пропорційна об'ємній витраті. Вони поділяються на турбінні, кулькові, роторно-кульові та камерні (рис.3). Принцип дії заснований на вимірюванні швидкості рухомого елемента, який обертається під впливом протікання рідини. Найбільш доступне за вартістю обладнання, але має цілий ряд обмежень до застосування.

Рисунок 3 - Класифікація тахометричних витратомірів

Переваги: первинний перетворювач витрати не потребує живлення, працює автономно; прості в обслуговуванні і ремонті; невисокі вимоги до довжин прямолінійних ділянок; відносно великий міжповірочний інтервал (до 6 років); володіють високою точністю (відомі витратоміри з наведеною основною похибкою 0,1 - 0,2%) і великими межами вимірювань для однієї модифікації (10:1 і більше); можливістю вимірювання як малих (від 5∙10-9 м3/с), так і великих (до 1 м3/с) значень витрати; широкий діапазон тисків (до 250 МПа) і температур (від -240 до +700о С); мала інерційність.

І незважаючи на це, дані витратоміри не знайшли ще настільки широкого застосування, як вони того заслуговують. Це обумовлюється наступними недоліками: необхідністю індивідуального градуювання; впливом зміни в'язкості вимірюваного середовища і гідродинамічних параметрів потоку на показання приладів; рухомі елементи конструкції вимогливі до якості протікаючої рідини - тільки чиста вода; зношення опор, що різко скорочує термін служби приладів (особливо при вимірюванні газових потоків, агресивних і абразивних середовищ) і призводить до зниження їх точності в процесі експлуатації.

Похибка: ± 0,1% - ± 5% [4-6].

.4 Акустичний метод

Акустичними називаються витратоміри, засновані на вимірюванні залежного від витрати того чи іншого ефекту, що виникає при проході акустичних коливань через потік рідини або газу. Майже всі застосовувані на практиці акустичні витратоміри працюють в ультразвуковому діапазоні частот і тому називаються ультразвуковими (рис. 4).

Рисунок 4 - Класифікація ультразвукових витратомірів

Основні труднощі практичного використання акустичних методів вимірювання витрати пов'язані з тим, що, по-перше, швидкість поширення звуку залежить від фізико-хімічних властивостей вимірюваного середовища і, по-друге, вона незрівнянно більше швидкості руху цього середовища. Відмічені обставини обумовлюють необхідність застосування в ультразвукових витратомірах спеціальних методів і засобів компенсації впливів властивостей середовища і диференціальних схем вимірювання, що призводить до великої складності вимірювальної апаратури.

Незважаючи на це, ультразвукові витратоміри все більш широко застосовують в нафтохімічній, харчовій та інших галузях промисловості, при гідравлічних дослідженнях і випробуваннях гідромашин.

Перевагами ультразвукових витратомірів є: мале або повна відсутність гідравлічного опору; придатні для труб будь-якого діаметру (від 10 мм і більше); надійність (бо немає рухомих механічних елементів); перешкодозахищеність; можливість безконтактного вимірювання будь-яких середовищ, в тому числі і неелектропровідних; принципова можливість вимірювання масової витрати рідин і газів; досить висока точність приладів при їх індивідуальній градуюванні і використання спеціальних засобів автокомпенсації найбільш істотних перешкод (відомі ультразвукові витратоміри, основна похибка яких не перевищує 0,3% верхньої межі вимірювань); надвисока швидкодія (до десятих часток мілісекунди) і внаслідок цього можливість використання їх у системах «статистичних вимірювань» витрати.

Похибки ультразвукових витратомірів, зумовлені асиметрією акустичних каналів, акустичними наведеннями в стінках перетворювача, реверберацией (багаторазовим відображенням) звукової хвилі, зводяться нанівець правильним вибором конструктивно-схемних рішень (наприклад, вибором одноканальних схем, відповідних матеріалів і форми каналу перетворювача, застосуванням різних компенсуючих пристроїв, оптимальної швидкості ультразвуку і т. п.). Однак одну з найбільш істотних методичних похибок, притаманну всім описаним акустичним методам, компенсувати до цих пір не вдається. Ця похибка пов'язана з тим, що ультразвуковий витратомір вимірює швидкість руху середовища, осредненную по довжині шляху, який проходить ультразвуковий промінь від випромінювача до приймача. У той же час для отримання об'ємної витрати потрібно осреднение за площею каналу перетворювача. Збіг результатів має місце тільки для повністю симетричного розподілу швидкостей потоку в каналі прямокутного перерізу, витягнутого перпендикулярно до напрямку променя.

Похибка: 0,1 - 2,5% [4-6].

.5 Теплові методи

Тепловими називаються витратоміри, засновані на вимірюванні залежного від витрати ефекту теплового впливу на потік або тіло, яке контактує з потоком. Вони служать для вимірювання витрати газу і рідше для вимірювання витрати рідини.