2. Характеристики турбинного счетчика газа сг-16

Турбинные счетчики газа — счетчики газа, в которых под воздействием потока газа колесо турбины приводится во вращение, число оборотов которого прямо пропорционально протекающему объему газа.

Счетчики СГ-16, приведенные на рисунке 1, предназначены для учета при коммерческих операциях объема неагрессивного, неоднородного по химическому составу природного газа при плавно меняющихся его потоках и рабочей температуре газа от минус 20 до плюс 50 °С. Счетчики соответствуют ГОСТ 28724. Счетчики могут применяться для измерения (учета) объема других неагрессивных, очищенных и осушенных газов (воздуха, азота, аргона и т.д.) с плотностью не менее 0,67 кг/м³. Оборудование может устанавливаться в трубопроводе как горизонтально, так и вертикально при направлении потока газа как снизу вверх, так и сверху вниз. Данные счетчики состоят из корпуса с турбинным преобразователем расхода газа соответствующего типоразмера, редуктора счетного и магнитной муфты.

В паспорте счетчика СГ-16 приводится таблица с указанием диапазона рабочих расходов счетчика. Для перехода к расходам, приведенным к нормальным условиям, необходимо рабочие расходы умножить на абсолютное рабочее давление. Например, счетчик СГ16 (с рабочим расходом 100 м³/ч) при избыточном давлении 0,3 МПа (3 кгс/см²), то есть при абсолютном давлении 0,4 МПа (4 кгс/см²) будет работать в диапазоне расходов 40 - 400 м³/ч, приведенных к нормальным условиям.

При увеличении давления минимальный расход определяется по формуле: , (1)

где Q_min – значение минимального расхода при избыточном давлении измеряемого газа 5000 Па, м³/ч;

d=_газ/_возд - относительная плотность газа (для природного газа d0,65);

_{газ ,} _возд - плотность газа и плотность воздуха, кг/м³;

Р=Р_б+Р_и – абсолютное давление газа в месте установки счетчика, Па;

Р_б ,Ри – атмосферное и избыточное давление, Па;

10^-5 – коэффициент, 1/Па.

Зависимость диапазона расходов (Q_max : Q_minр) от абсолютного давления газа(Р)для d0,65 иллюстрируется графиком, приведенном на рисунке 2.

Средний срок службы счетчика - 10 лет. Счетчик является неремонтируемым в условиях эксплуатации изделием. СГ-16 относятся к восстанавливаемым изделиям. Габаритные размеры счетчиков приведены в виде таблицы

Пределы допускаемой основной относительной погрешности счетчика с диапазоном расходов 1:10 при температуре окружающего воздуха плюс (205)С должны быть:

 1 % - в диапазоне раcходов от Q_max до 0,2Q_max;

 2 % - в диапазоне раcходов менее 0,2Q_max до 0,1Q_max;

с диапазоном расходов 1:20

 1 % - в диапазоне раcходов от Q_max до 0,2Q_max;

 2 % - в диапазоне раcходов менее 0,2Q_max до 0,05Q_max [1,2].

Рисунок 1 - Турбинные счетчики газа

Рисунок 2 – График зависимости потери давления от расхода газа в счетчике

3.Физические принципы работы

Принцип действия счетчика основан на использовании энергии потока газа для вращения чувствительного элемента счетчика - турбинки. При этом при взаимодействии потока газа с турбинкой последняя вращается со скоростью, пропорциональной объемному расходу измеряемого газа.

Далее число оборотов турбинки с помощью механического редуктора и магнитной муфты подсчитывается на счетном механизме, показывающем объем газа, прошедший через счетчик за время измерения.

Для осуществления процесса измерений турбинный счетчик должен состоять, по крайней мере, из трех элементов в соответствии с рисунком 3: турбинного первичного преобразователя 3, вторичного преобразователя 4, отсчетной системы (регистратора) 1. Турбинный преобразователь представляет собой аксиальную или тангенциальную лопастную турбинку (на рисунке 3 показана аксиальная турбинка), опирающуюся на керновые подпятники или подшипники 2.

Рисунок 3 – Принципиальная схема турбинного расходомера

Поток измеряемой среды, воздействуя на наклонные лопасти турбинки, сообщает ей вращательное движение с угловой скоростью пропорциональной расходу Q. Вторичный преобразователь, изображенный на схеме, представляет собой индукционную катушку. При пересечении магнитного поля катушки лопастями ферромагнитной турбинки в катушке наводится пикообразный пульсирующий ток. Частота пульсаций наведенного тока пропорциональна угловой скорости вращения турбинки, а следовательно, и измеряемому расходу. В качестве вторичных преобразователей используются также индуктивные катушки, в которых при вращении ферромагнитной турбинки создается периодическое изменение индуктивности, вызывающее соответствующие изменения одного из параметров текущего через нее тока. Применяются также и фотоэлектрические элементы. Импульсы пульсирующего тока регистрируются отсчетной системой. Общее число импульсов, зарегистрированных этой системой за время t, характеризует суммарное количество вещества, протекающее по трубопроводу за это время. Число импульсов, зарегистрированных (отсчитанных) системой за единицу времени, характеризует расход измеряемого вещества. Уравнение равномерного вращения лопастной турбинки имеет вид

М_дв = ∑М_сi, (2)

где М_дв — движущий момент на роторе турбинки, сообщаемый ей потоком измеряемой среды; ∑M_ci — сумма моментов сопротивления. На основе известного уравнения Эйлера (на котором базируются все расчеты турбинных двигателей) для осевого входа потока движущий момент

M_дв = αρQ²-bρQω, (3)

где α и b - коэффициенты, определяемые конструктивными параметрами турбинного датчика (радиусом лопастей R, радиусом ступицы турбинки r, углом наклона лопастей α) и зависящие от числа Рейнольдса в области неавтомодельного потока.

Если предположить, что на турбинный датчик не действует никаких моментов, препятствующих его вращению, т. е. что М_ii = 0, то на основании формулы (3) зависимость меры угловой скоростью вращения датчика ω со и расходом Q определялась бы уравнением

ω =AQ, (4)

где А = а/b.

В действительности же на турбинку действуют моменты сил трения в опорах и ряд других. Действие этих моментов будет характеризоваться так называемой зоной нечувствительности прибора, т. е. тем наименьшим расходом (Q_o) , который необходим для того, чтобы преодолеть моменты сопротивления и сдвинуть турбинку с места или изменить ее установившуюся скорость вращения. С учетом сказанного из формулы (3) получим рабочее уравнение турбинного счетчика газа

ω= A(Q-Q_o). (5)

Так как коэффициент А и величина Q_o определяются в процессе непосредственной градуировки, то уравнение, решенное относительно Q, называют иногда градуировочной зависимостью турбинного счетчика. Как следует из этого уравнения, область постоянной линейной зависимости угловой скорости вращения турбинки от расхода определяется зоной постоянства коэффициента А и величины Q_o, которые в общем случае кроме конструктивных параметров прибора зависят также от числа Рейнольдса, структуры потока, расхода и вязкости измеряемой среды. Значение Q_o при правильном проектировании и изготовлении турбинных датчиков (малый коэффициент трения в опорах, отсутствие перекосов, хорошая балансировка турбинки, защищенность от осевых нагрузок) может быть сведено к ничтожно малому, что и обеспечивает высокую чувствительность и большой диапазон измерений турбинных счетчиков. Основными составляющими погрешности турбинного счетчика при нормальных (не отличающихся от условий градуировки) условиях их эксплуатации являются: погрешность градуировки прибора на образцовой расходомерной установке Ϭ_гр, т. е. погрешность определения градуировочных значений А и Q_о; погрешность счета (или регистрации) количества импульсов, соответствующих угловой скорости вращения турбинки Ϭ_N; погрешность Ϭ_t, регистрации времени счета импульсов t. Погрешность Ϭ_N = ∆N/N_min, где ∆N - ошибка счета импульсов, обычно равная ± 1 импульс, N_min — суммарное число импульсов, поданное на счетную систему при минимальном расходе за время t. Увеличивая N_min за счет увеличения t, угла наклона лопастей α, числа лопастей z турбинки или заполняя импульсные паузы высокочастотными модулированными сигналами, можно свести погрешность Ϭ_N практически к любому сколь угодно малому значению. Погрешность Ϭ_t высокоточных электронных частотомеров, применяемых для счета импульсов, составляет в худшем случае (при t = 1 с) 10^{- 3-}10^{- 4} %. Таким образом, погрешность измерения расхода турбинным счетчиком при нормальных условиях эксплуатации и в случае применения высокоточных отсчетных систем для регистрации N и t практически целиком определяется погрешностями их градуировок. Влияние местных сопротивлений, закручивающих поток, в значительной мере устраняется, если перед турбинным датчиком установлены специальные направляющие или сопловые аппараты. В этом случае для нормальной работы, турбинных датчиков не требуется столь длинных прямых участков трубопровода, как для других типов расходомеров [1].