1. Засоби вимірів витрати газу

На теперішній час, існує велика кількість витратомірів та лічильників, які широко використовуються для обліку газу. Кожен вимірювальний прилад має певні переваги та недоліки, які у кожному окремому випадку повинні ретельно аналізуватися. Вибираючи витратомір, у нашому випадку, необхідно враховувати різноманітні критерії: надійність, ціну, тип джерела живлення, межповірочний інтервал тощо. Розглянемо різноманітні види витратомірів та проведемо аналіз оптимального варіанту.

Для виміру витрати газу використовуються витратоміри або лічильники. До витратомірів газу відносяться вимірювальні прилади або їх сукупність призначена для виміру витрати газу, а до лічильників газу - прилади, призначені для виміру об'єму (маси) газу, що протікає в трубопроводі через перетин, перпендикулярний напрямку швидкості потоку.

У залежності від використовуваного методу виміру проводиться класифікація засобів виміру витрати газу. Основні терміни і визначення викладені у ГОСТ 15528 [8].

Найбільш розповсюджені витратоміри і лічильники газу розділяються на види:

а) Витратоміри змінного перепаду тиску (витратоміри із завужувальним пристроєм), принцип дії яких ґрунтується на залежності перепаду тиску (який створюється нерухомим пристроєм, встановленим у трубопроводі, чи елементом трубопроводу, де відбувається частковий перехід потенційної енергії потоку в кінетичну енергію), від витрати газу [9].

Витратомір змінного перепаду тиску складається з діафрагми, термоперетворювача, датчика тиску, дифманометра і блоку обробки інформації.

На рисунку 2.1 показана ділянка трубопроводу з дросельним завужувальним пристроєм у вигляді діафрагми, а також характер розподілу тиску вздовж стінки трубопроводу. Починаючи з перерізу А-А, струмінь досліджуваної рідини завужується, а середня швидкість потоку зростає, дещо зростає тиск біля стінки завужувальної діафрагми. На деякій ділянці після діафрагми внаслідок інерції струмінь продовжує завужуватися і досягає найбільшого завуження в перерізі В-В. Тиск потоку падає і в перерізі В-В досягає найменшого значення Р_в. Після перерізу В-В струмінь починає розширюватися, швидкість потоку зменшується, а тиск зростає до деякого значення Р_с ‹ Р_а [10].

Для визначення залежності між витратами та перепадом тиску використовують закон Бернуллі, згідно з яким в стаціонарних, вільних від тертя потоках сума кінетичної і потенціальної енергії буде величиною сталою, а

(2.1),

де P_a та P_b – тиск у перерізах, відповідно, A і B трубопроводу, ρ_а і ρ_b – густини досліджуваної речовини в перерізах А і B; ν_а, ν_b – швидкості в цих перерізах.

Перепад тиску ΔP=P_a-P_b з врахуванням неперерваності струменя, коли ν_аS_a= ν_bS_b (тут S_a та S_b – площа струменя в перерізах A і B) і нестискуванності рідини (для цього випадку S_a=S_b=ρ), на підставі закону Бернуллі визначиться як

(2.2)

Отже, швидкість потоку в перерізі В дорівнюватиме

(2.3),

об’ємні витрати

(2.4),

а масові витрати

(2.5),

де S₀ – площа завуженого отвору, А – так званий коефіцієнт витрат, який характеризує співвідношення між перерізами S₀, S_a та S_b і визначається експериментально [10].

В реальних конструкціях витратомірів із завужувальною діафрагмою відбір тиску здійснюється звичайно не в перерізах А і В, а безпосередньо до та після завужувальної діафрагми. У цьому випадку ΔP=P₁-P₂ дещо відрізняється від ΔP=P_a-P_b. Ця відмінність і враховується при експериментальному визначенні коефіцієнта А.

При застосуванні методу виміру витрати газу перемінним перепадом тиску необхідно визначити значення коефіцієнтів, що входять у рівняння витрати методами розрахунку фізичних властивостей природного газу. Для цих цілей прийнятий міжнародний стандарт (ГОСТ 30319.1 [11]), що встановлює методи непрямого визначення коефіцієнтів стисливості, густини, показника адіабати, швидкості звуку, динамічної в'язкості й об'ємної питомої теплоти згоряння природного газу за обмірюваним значенням температури, тиску компонентів складу і густини при стандартних умовах [9]. Дані стандарти введені замість РД 50-213 [12] у частині визначення фізичних властивостей природного газу. Одночасно в Україні з 01.09.2001 введені в дію міжнародні стандарти ГОСТ 8.563.(1-3) [13-15] замість РД 50-213 [12].

Похибка витратомірів змінного перепаду тиску із завужувальним пристроєм визначається похибкою складених елементів, куди входять їхні градуювання, відлік показників і не лінійність шкали.

При цьому для виміру перепаду тиску на завужувальних пристроях у комерційних витратомірних комплексах повинні застосовуватися дифманометри і вторинні прилади класом точності не нижче 1,0.

б) Витратоміри обтікання газу відносяться до методу сталого перепаду тиску. З принципу дії витратоміра ясно, що нерухоме положення поплавка, на якому би рівні він не знаходився в трубі, завжди відповідає цілком визначеній постійній швидкості плину речовини перед ним. Оскільки швидкість даної речовини залежить тільки від перепаду тиску (по рівнянню Бернуллі), знизу і зверху поплавка завжди установлюється визначений сталий перепад тиску.

Серед вхідних у групу витратомірів - приладів сталого перепаду тиску ведуче місце займають ротаметри:

• поплавкові;

• поршневі;

• та інші.

Ротаметр - це витратомір сталого перепаду тиску з поплавком 1, що переміщається усередині вимірювальної трубки 2 (рисунок 2.2) і має змінну площу перетину по висоті. Поплавковий ротаметр має поплавок конічної форми, що переміщається в середині круглого отвору діафрагми, а поршневий ротаметр має поршень, що вертикально переміщається в циліндрі з вікнами спеціальної форми. Під дією струменя досліджуваної рідини поплавок буде підійматися вгору. В міру підняття поплавка площа S_b кільцевого проміжку між ним і внутрішньою поверхнею труби збільшуватиметься до положення, при якому підйомна сила, що діє на поплавок, урівноважиться силою тяжіння поплавка.

Певним витратам відповідатиме певна площа S_b кільцевого проміжку, тобто певна висота поплавка. Рівняння, що зв’язує об’ємні витрати з площею S_b, зазвичай записують у вигляді, аналогічному рівнянню витрат для витратоміра із завуженою діафрагмою:

(2.6),

де S_a і S_b площі струменя рідини відповідно в перерізах А-А та В-В; ν_b – швидкість струменя в перерізі В-В (у завуженій частині); ρ_с – густина досліджуваного середовища; ΔР – різниця тисків, що діють на поплавок знизу та зверху [10].

У правій частині наведеного вище рівняння всі величини є сталими, зокрема ΔР. Дійсно, сила тяжіння поплавка в досліджувальному середовищі

F_T = V_ng(ρ_n - ρ_c) (2.7),

а підйомна сила, викликана дією досліджувального потоку

F_n = S_n ΔР (2.8),

де V_n та S_n – об’єм та максимальна (перпендикулярна напряму потоку) площа перерізу поплавка, g – прискорення вільного падіння.

У зрівноваженому стані, коли F_T = F_n, буде

V_ng(ρ_n - ρ_c) = S_n ΔР (2.9),

а

ΔР = V_ng(ρ_n - ρ_c)/ S_n (2.10).

Оскільки всі величини в правій частині останнього виразу є сталими, то і ΔР є незмінним, незалежно від швидкості досліджуваного потоку, тобто від витрат. Отже, витрати однозначно визначатимуться площею струменя досліджуваного середовища в перерізі В-В і, відповідно, висотою підняття поплавка.

Похибки витратомірів обтікання визначаються похибками їх градуювання, відліку показань і не лінійністю шкали.

Стандартні промислові ротаметри виготовляються з діаметром від 3 до 150 мм і розраховані на вимір витрати газу від 0,04 до 650 м³/год, основна приведена похибка складає 2,5 % [9].

Основні недоліки витратомірів постійного перепаду тиску - це необхідність індивідуального градуювання і значний вплив властивостей вимірюваного середовища на точність виміру.

в) Тахометричні витратоміри і лічильники газу поєднують широкий діапазон приладів, що відрізняються конструктивно, так і за принципом дії. Принцип дії тахометричного витратоміра (лічильника) ґрунтується на залежності руху перетворювального елемента, встановленого в трубопроводі або в спеціальній камері від витрати газу.

До тахометричних витратомірів відносяться:

• турбінні;

• камерні (барабанні, роторні, з вимірювальними хутрами).

Турбінний витратомір (лічильник) - тахометричний витратомір, у якому перетворювальним елементом є турбіна. Турбінні витратоміри бувають двох типів: з аксіальною турбінкою (рисунок 2.3,а), вісь якої збігається з напрямком досліджуваного потоку і з’єднана передачею з лічильником обертів, і з вертикальною турбінкою – вісь якої безпосередньо зв’язана з лічильником обертів (рисунок 2.3,б).

Принцип дії лічильників обох типів оснований на вимірюванні швидкості обертання турбінки під дією досліджуваного потоку. Для безперебійної їх роботи необхідна відсутність завихрень у потоці, що надходять на турбінку. Для цього використовують спеціальні випрямлячі струменя досліджуваної речовини, виконані у вигляді набору трубок або взаємоперпендикулярних схрещених пластин і вмонтованих по перерізу трубопроводу перед турбінкою та після неї.

Похибка виміру об'ємної витрати газу турбінним витратоміром досягається ± (0,5..2) %.

Використання таких витратомірів можливо для трубопроводів діаметром від 4 до 750 мм при тиску до 250 МПа. Діапазон виміру - від 10:1 до 50:1 і більше.

Границі припустимої відносної похибки таких лічильників при випуску з виробництва і після ремонту мають:

у діапазоні Q_min ≤ Q < 0,1Q_max - ±3%;

у діапазоні 0,1Q_max ≤ Q < Q_max - ±1,5% [9].

Камерний витратомір - тахометричний витратомір з одним або більш руховими перетворювальними елементами, що здійснюють циклічний вимір визначених витрат газу.

Більше всього набули поширення камерні витратоміри з рухомими розподільними елементами, які можна розділити на поршневі, роторні, лопатеві, дискові й ін. Камерні витратоміри звичайно працюють при низьких надлишкових тисках.

На рисунку 2.4,а зображений лічильник з овальними шестернями. Він має вимірювальну камеру, в якій знаходяться дві овальні шестерні, що обкочують одна одну в зустрічних напрямках, оскільки мають зубчасте зачеплення. Крутний момент, що діє на шестерні, виникає під дією різниці тисків до та після вимірювальної камери через овальну форму шестерні. З кожним обертом шестерень переміщується певний об’єм досліджуваного середовища.

Основна похибка камерних витратомірів виникає за рахунок тертя в опорах і неврахованій кількості газу, що проходить через зазори рухомих елементів і в моменти спрацьовування цих елементів.

У зв’язку з високою точністю (основна похибка 0,5%) у широкому діапазоні вимірюваних витрат, незалежністю показів від в’язкості досліджуваного середовища, малими витратами тиску, значним крутним моментом та довговічністю лічильники з овальними шестернями широко застосовуються для обліку газу, споживаного побутовими, індивідуальними і груповими газовими установками, невеликими котельнями і т.п.

Недоліком таких лічильників є високий рівень акустичного шуму, чутливість до забруднення досліджуваної речовини, що зумовлює необхідність її фільтрації.

Роторний витратомір (лічильник) – це камерний витратомір, у якому рухливим перетворювальним елементом є ротор.

Роторні лічильники газу типу РГ (наприклад, виробництва ВАТ «Промприлад» Івано-Франківськ) складаються з 3-х основних вузлів: первинний вимірник, рахунковий механізм і дифманометр. У первинному вимірювальному перетворювачі в напівциліндрах розташовані два гладкі ротори у формі вісімки, які обкочують один одного у камері (рисунок 2.4,б). Оскільки проміжок між поверхнями роторів не перевищує 0,1 мм, то при обертанні, яке викликане досліджуваним потоком газу, ротори не торкаються [10]. У рахунковому механізмі придаткове відношення редуктора обране так, що лічильник показує об'єм газу, що пройшов через нього безпосередньо в кубометрах. Для виміру втрат тиску на лічильнику встановлюється дифманометр, що контролює перепад тиску.

По технічних умовах для виміру витрати газу випускаються вітчизняні роторні лічильники газу типу РЛ (наприклад 2,5 РЛ) з діапазоном виміру від 0,3 до 20 м³/год і похибкою  (1,5  2,5)%, а також типу РГ і ЛРГ із діапазоном виміру від 2,5 до 1000 м³/год і похибкою  (1,0  2,0)% [9].

г) Ультразвукові витратоміри (лічильники) – це акустичні витратоміри, у яких використовуються звукові коливання частотою понад 2*10⁴ Гц.

В Україні розроблений вітчизняний ультразвуковий газовий лічильник, принцип дії якого ґрунтується на залежності витрати газу від доплеровскої різниці частот, що виникає при відбиттях ультразвукових коливань від часток потоку (наприклад, побутовий ультразвуковий газовий лічильник типу ЛГП). Результати вимірів видаються на цифрове табло індикації.

Цей газовий лічильник має діапазон виміру витрати газу від 0,7 до 6 м³/год з відносною похибкою не більше 1,2 % і з динамічним діапазоном Q_min/Q_max = 1/50.