3.4.2. Классификация расходомеров

В настоящее время в России и за рубежом создано большое число разно­видностей расходомеров из-за сложности требований, предъявляемых к ним. При выборе расходомеров учитывают свойства измеряемого веще­ства, его параметры, обоснованность требований к точности измерения, слож­ность измерительного устройства и условия его эксплуатации и поверки.

Отечественные и зарубежные фирмы предлагают широкий ассортимент счётчиков и расходомеров с различными принципами устройства, конструк­циями и назначением для нефтяной и газовой промышленности и магистраль- пых газонефтепроводов с большим расходом транспортируемой продукции.

В соответствии с ГОСТ 15528-86 и работам ВНИИМ расходомеры и счетчики подразделяются на следующие группы [25].

Л. Приборы, основанные на гидродинамических методах: 1) переменного перепада давления; 2) переменного уровня; 3) обтекания; 4) вихревые; 5) парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом: 6) тахометрические; 7) силовые (в т. ч. вибрационные).

В. Приборы, основанные на различных физических явлениях: 8) тепло­вые; 9)электромагнитные; 10)акустические; 11) оптические; 12) ядерно- магнитные; 13) ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах: 14) корреляционные; 15) меточные;16)концентрационные.

Среди приборов группы Л исключительно широкое применение получили расходомеры с СУ, относящиеся к приборам переменного перепада давле­ния. Для малых расходов жидкостей и газов служат ротаметры и поплавко­вые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания. Весьма перспектив­ны вихревые расходомеры.

Из группы Б значительное применение находят различные разновиднос­ти тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (ро­торные, с овальными шестернями и др.), последние - в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей.

Среди разнообразных приборов группы В чаще других применяют элект­ромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жид­костей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жид­костей и частично газа. Реже встречаются тепловые - для измерения малых расходов жидкостей и газов.

Меточные и концентрационные расходомеры, относящиеся к группе Г. служат для разовых измерений, например при проверке промышленных рас­ходомеров на месте их установки. Корреляционные приборы перспективные, в частности, для измерения двухфазных сред.

В табл. 3.10 представлена применимость различных типов расходомеров

Расходомеры обтекания - это приборы, чувствительный элемент кото­рых воспринимает динамическое давление потока и перемещается под его воздействием, причем величина перемещения зависит от расхода. У боль­шинства расходомеров обтекаемое тело (поплавок, диск, поршень) переме­щается прямолинейно, обычно вдоль своей вертикальной оси. Но имеется группа приборов, у которых обтекаемое тело (лопасть, диск) поворачивает­ся вокруг оси подвеса.

Расходомеры обтекания подразделяются натри группы:

• постоянного перепада давления, у которых обтекаемое тело переме­щается вертикально, а противодействующая сила создается весом тела.

• с изменяющимся перепадом давления, в которых в большинстве слу­чаев имеется противодействующая пружина и помимо вертикальной может быть и другая траектория перемещения обтекаемого тела.

• с поворотной лопастью. Противодействующая сила в них создается не только весом тела, но во многих случаях еще и пружиной. Кроме того, имеются компенсационные расходомеры с поворотной лопастью, в которых противодействующая сила создается посторонним источником энергии.

Расходомеры, работающие на принципе переменного перепада давле­ния, применяют на газопроводах при транспортировке, распределении и ис­пользовании больших количеств газа для его учета.

Расходомеры дают показания мгновенного расхода. Чтобы определить количество газа прошедшего за определенный период, необходимо обработать суточные картограммы, на которых записываются в виде кривой мгно­венные расходы. Расходомер снабжается интеграторами, которые суммируют значения мгновенных расходов (рис. 3.43).

В России и за рубежом выпускаются различные виды расходомеров пе­ременного перепада давления, такие как Метран-350, 3095МУ(Метран, г. Челябинск), Torbar, EJA 11 OA/120А/1ЗОА, EJX 11 OA (Эталон прибор, г. Челябинск), Sitrans F О delta р (Siemens, ФРГ), Senior, Simplex, Junior (Daniel, США), Delantop, Delaset (Endress+Hauser, ФРГ) и др. Техническая

. Техническая характеристика расходомера Метран-350:

• Измеряемые среды: газ, пар, жидкость

• Параметры измеряемой среды: -температура:

-40^00 °С - интегральный монтаж, -40-677 °С - удаленный монтаж;

• избыточное давление в трубопроводе - 25МПа;

• диаметр трубопровода - 12,5-1820 мм;

• пределы измерений расхода рассчитываются для конкретного применения;

• пределы основной допускаемой относительной погрешности измерений массового (объемного) расхода до - ± 1%;

• самодиагностика;

• взрывозащищенное исполнение;

• средний срок службы - 10 лет;

• межповерочный интервал - 2 года.

Диафрагма (рис. 3.44) предназначена для создания перепада давления при измерении в комплекте с дифманометром расхода пара, жидкостей и га­зов. Она представляет собой металлический диск, устанавливаемый в трубо­проводе. В центре диска имеется отверстие, диаметр которого рассчитыва­ется в зависимости ог количества измеряемого газа. Диафрагмы изготовля­ются двух типов: дисковые (нормальные) и камерные.

Работа оптических расходомеров основана на каком-либо оптическом эффекте в зависимости от расхода вещества. Имеется несколько разновид­ностей этих приборов:

• доиплеровские, основанные на измерении разности частот, возникаю­щей при отражении светового луча движущимися частицами потока;

• основанные:

а) на эффекте Физо-Френеля, в которых измеряется какой-либо параметр (сдвиг интерференционных полос или сдвиг частоты световых колеба­ний), связанный с зависимостью скорости света в движущемся прозрач­ном веществе от скорости последнего;

б) на особых оптических эффектах, например, зависимости оптичес­ких свойств фибрового световода от скорости обтекающего его по­тока;

в) на измерении времени перемещения на определенном участке пути оп­тической метки, введенной в поток;

корреляционные оптические.

Принцип работы ионизационных расходомеров основан па измере­нии того или другого зависящего от расхода эффекта, возникающего в ре­зультате непрерывной или периодической ионизации потока газа или (реже) жидкости. Они разделяются на две группы:

• расходомеры, в которых измеряется зависящий от расхода ионизацион­ный ток между электродами, возникающий в результате обычно непрерыв­ной искусственной ионизации потока газа (или жидкости) радиоактивным из­лучением или электрическим полем;

■ расходомеры, в которых измеряется зависящее от расхода время пере­мещения на определенном участке пути ионизационных меток, возникающих а результате периодической ионизации потока газа ионизирующим излучени­ем или электрическим разрядом; эти расходомеры называются меточными ионизационными.

Тепловые расходомеры. Принцип работы основан на измерении завися­щего от расхода эффекта теплового воздействия на поток или тело, контак­тирующее с потоком. Они служат для измерения расхода газа и реже для из­мерения расхода жидкости. На рпс. 3.45 изображён тепловой расходомер.

Отечественной промышленностью выпускается, например, термоанемо- метрический расходомер газа РГЛ 100(300) (ОАО «Турбулентность», Рос­товская область;, за рубежом - Proline t-mass, t-trend, t-switch (Endress-Hauser. ФРГ) и др.

Ядерно-магнитные расходомеры. Их работа основана на зависимости ядерно-магнитного резонанса от расхода потока. Основные разновидности ядерно-магнитных расходомеров - амплитудные, частотные, нутационные и меточные.

Принцип работы концентрационных расходомеров основан на зави­симости концентрации вещества индикатора от расхода потока. Их называют иногда расходомерами, основанными на методе прививки, на солевом мето­де, на методе смешения и т. д.

Существенное достоинство концентрационного метода измерения расхо­да - отсутствие необходимости знать размеры поперечного сечения трубо­провода или какого-либо канала.

Раньше подобные расходомеры служили для измерения расхода воды, причем веществом-индикатором был солевой раствор. В дальнейшем стали применять другие индикаторы, в частности радиоактивные изотопы. Это по­зволило применить концентрационный метод также для измерения газа и пара.

Концентрационный метод применяется при разовых измерениях больших расходов в закрытых и открытых каналах, а также при проверке работы дру­гих расходомеров, так как при этом не требуется демонтажа их преобразова­телей расхода.

Работа меточных расходомеров основана на измерении времени пере­мещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути. Метки могут быть: ионизационные, радиоактивные, физико-хи- мические, тепловые, оптические, ядерно-магнитные и др.

Погрешность измерения расхода у меточных расходомеров колеблется от =(0,1-0.2) до (2-3) % в зависимости от рода метки, измерительной аппара­туры, способа детектирования и соответствия скорости перемещения метки средней скорости потока. Длина контрольного участка, в зависимости о: рода метки, может быть от нескольких миллиметров до нескольких кило­метров.

Вихревыми называются расходомеры, основанные на зависимости от расхода частоты колебаний давления, возникающих в потоке в процессе вихреобразования или колебания струи (рис. 3.47).

Они разделяются натри группы, в первичном преобразователе которых:

8. имеется неподвижное тело, при обтекании которого с обеих его сторон попеременно возникают срывающиеся вихри, создающие пульсации дав­ления.

поток закручивается и, попадая за тем в расширенную часть трубы, нре- десспрует, создавая при этом пульсации давления.

Акустическими называются расходомеры, основанные на измерении зависящего от расхода того или другого эффекта, возникающего при прохо­де акустических колебаний через поток жидкости или газа. Почти все приме­няемые на практике акустические расходомеры работают в ультразвуковом диапазоне частот и поэтому называются ультразвуковыми. На рис 3.51 изоб­ражен общий вид накладного ультразвукового расходомера, на рис. 3.52 представлен принцип работы ультразвукового расходомера.

Они разделяются на расходомеры, основанные на перемещении акусти­ческих колебаний движущейся средой, и расходомеры, основанные на эффек­те Допплера. Главное распространение получили приборы, основанные на из­мерении разности времен прохождения акустических колебаний по потоку и против него. Значительно реже встречаются приборы, в которых акустичес­кие колебания направляются перпендикулярно к потоку и измеряется степень отклонения этих колебаний от первоначального направления (рис. 3.53).

Приборы, основанные на явлении Допплера, предназначены в основном для измерения местной скорости, но они находят также применение и для измерения расхода. Измерительные схемы у них более простые. Основным недостатком ультразвуковых расходомеров является искажение и неточ­ность измерений при изменении однородности среды, наличие примесей и загрязнителей в потоке перекачиваемого продукта.

В России производятся ультразвуковые расходомеры UFM 3030, UFM 600Т (Эталон, г. Челябинск) и другие, за рубежом - Proline Prosonic Flow (Endress+Hauser. ФРГ), SeniorSonic, JuniorSonic (Daniel. США), Sitrans FUS (Siemens, ФРГ) и другие.

Техническая характеристика ультразвукового расходомера UFM 3030:

• измеряемая среда - жидкость;

• параметры измеряемой среды:

• температура: минус 2-220 °С;

• давление: < 4 МПа;

• скорость потока: < 20 м/с;

• содержание твердых частиц: < 5 %;

Силовыми называются расходомеры, в которых с помощью силово­го воздействия, зависящего от массового расхода, потоку сообщается ус­корение того или другого рода, и измеряется какой-либо параметр, характе­ризующий степень этого воздействия или его эффекта.

Ускорение потока возникает в процессе изменения его первоначального движения. В зависимости от характера этого изменения и сообщаемого при этом ускорения силовые расходомеры разделяются на кориолисовые, ги­роскопические. турбосиловые. На рис. 3.54. изображен кориолисовый рас­ходомер.

Отечественной промышленностью выпускаются кориолисовые расходо­меры Метран-360 (Метраи. г. Челябинск), Rotamass (Эталон, г. Челябинск) и другие, за рубежом - Sitrans F С (Siemens, ФРГ), RotaMASS (Yokogawa, Япония i. Proline i'romass (Endrcss+Hauser, ФРГ) и другие.

Измерение массового расхода - основное и весьма существенное их достоинство. Недостаток силовых расходомеров - сложность конструкции их преобразователей расхода и большое число вращающихся элементов внутри трубопровода.

У турбосиловых расходомеров один из элементов (ротор, крыльчатка) должен непрерывно вращаться. У кориолисовых и гироскопических в неко­торых случаях ограничиваются лишь непрерывными колебаниями подвиж­ного элемента вокруг оси. Подобные расходомеры получили название виб­рационных.

На рис 3.55 изображена схема кориолисового расходомера.

Погрешность измерения силовых расходомеров ±0,5-3,0 %. Большин­ство из них предназначено для измерения расхода жидких видов топлива, имеются конструкции и для измерения расхода газа.

Для измерения расхода однофазных веществ в большинстве случаев наи­более целесообразны турбосиловые расходомеры, особенно при измерении больших расходов (рис. 3.56).

В России и за рубежом выпускаются различные виды турбинных счетчи­ков, например счётчики газа TZR G160 - G16000 (Газэлектроника, г. Арза­мас), газовые турбинные счётчики Daniel (США) и многие др.

Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кориолисовы расходо­меры занимают промежуточное положение.

Например, для магистральных нефтепроводов большого диаметра и рас­хода проектируются и применяются турбинные расходомеры RR model TZ •50-600 с обратным клапаном.

На рис. 3.57 и 3.58 изображена структура и схема узла коммерческого

учета нефти.

На рис. 3.59 и 3.60 изображены общий вид коммерческого узла учета нефти и его оборудование:

На магистральных газопроводах используются пункты измерения и учета больших потоков газа на базе диафрагменных блоков. Они

предназначены для коммерческого учета газа на газопроводах высокого давления диаметром 1420 мм с большими потоками газа, а также на ГРС. промыслах и головных сооружениях.

Пункты измерения и учета обеспечивают автоматическое приведение расхода газа к стандартным условиям, интегрирование его по времени для определения объема прошедшего по трубопроводу газа, а также преобразо­вание полученной информации в сигналы, пригодные для передачи в АСУ посредством систем телемеханики.

Эти пункты снабжены первичными датчиками давления, перепада давле­ния. температуры и плотности газа с электрическими выходными упифициро ванными сигналами, вычислительным устройством, решающим уравнение приведения расхода газа к стандартным условиям, интегратором расхода со счетчиком прошедшего по трубопроводу объема газа, указателем и регист­ратором расхода газа, а также телеметрическими преобразователями.

Например, в состав пункта могут входить расходоизмерительная уста­новка с диафрагменными блоками БлД-01 и приборный блок-бокс с конт­рольно-измерительной аппаратурой, состоящей из комплекса <<Газомер-3" дифманометров ДДС, термометров с электронными мостами, устройств те­лемеханики.

Комплекс измерения расхода газа «Газомер-3» предназначен для ком­мерческого учета количества и оперативного контроля за расходом природ­ного газа на одно- и многониточных пунктах его учета. Обеспечивает изме­рение мгновенных значений расхода газа, определение объемного расхода с фиксацией результатов и передачей этих данных в систему телемеханики. Применение комплекса существенно повышает точность измерения расхода газа, а также сокращает время на планиметрирование, запись и передачу дан­ных с дифманометров-расходомеров в диспетчерский пункт. В зависимости от числа измерительных трубопроводов на пункте учета комплекс выпуска­нии в нескольких модификациях. В состав комплекса входят вторичный прибор, блок питания, датчики давления, перепада давления и температуры и ■ ос ниппельные кабели.

Техническая характеристика пунктов измерения и учета потоков газа:

• пропускная способность (млн м³/сут); пар = 5,5 МПа25, 50, 75; - на р = 7,5 МПа 50, 70. 100; 115;

• внутренний диаметр диафрагменного блока, мм 1020;

• число измерительных линий 2;

• температура окружающей среды, °С минус 40-45;

• габариты приборного блок-бокса, м 3x6x3.

Примерная схема замера и коммерческого учета газа с автоматической коррекцией показаний по температуре и давлению приведена на рис. 3.61.

Такой комплекс состоит из измерительного трубопровода 1 с сужающим устройством 8, преобразователя перепада давления (дифманометра) 7, пре­образователя давления 6, преобразователя температуры 2, вычислительного устройства 5, интегратора расхода 3 со счетчиком объема газа, регистратора мгновенного расхода 4, а также телеметрических преобразователей расхода и объема газа. Отдельные системы оснащают дополнительно печатающим устройством, фиксирующим на ленте дату и время печати, объем отпущен­ного газа и другие параметры комплекса.

Расчеты замера и учета потоков газа ведутся в соответствии с междуна­родными стандартами ГОСТ 8.563.1-97 и ГОСТ 8.563.21-97 [28, 29].