книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики
.pdfДругой возможный источник погрешности — присутствие газа в пульпе. Такую смесь надо рассматривать как трехфазную и при менять к ней особые методы измерения.
Для измерения плотности рс угольных и рудных пульп чаще других применяют весовые плотномеры, основанные на неболь шом провисании горизонтального участка трубы, имеющего уп ругие подвески и соединенного гибкими манжетами с трубопро водом. Известны конструкции весовых плотномеров СКВ САУ, ДонУГИ [13] и Гипроуглеавтоматизации. Перемещение подвиж ного участка трубы преобразуется в электрический сигнал, посту пающий вместе с сигналом от электромагнитного преобразовате ля расхода в счетно-решающую схему. Обычно преобразователь плотности работает по компенсационной схеме, при которой под вижной участок трубы возвращается в исходное положение с по мощью реверсивного двигателя, изменяющего натяжение уравно вешивающей пружины или же ток в обмотке электромагнита си ловой компенсации. ВНИИгидроуголь для измерения плотности применял радиоизотопный плотномер ПР-1024П, снабженный преобразователем положения движка реохорда в сигнал посто янного тока.
11.4. ВЫБОР МЕСТА УСТАНОВКИ РАСХОДОМЕРА
Точность измерения расхода зависит от структуры потока. Как показали исследования этого вопроса [23], важно знать,
какое место теоретической карты структур двухфазного потока, представленной на рис. 106 [34], соответствует структуре потока в конкретном расходомере.
Вработе [23], дана методика расчета для потока газ—жидкость,
ана рис. 106 штриховыми линиями показан пример для трубы
диаметром D = 50 мм при 10 Н/см2, f = 20 °С, причем = l/D = = 50, a I >2= 100 (где I — длина трубы). На рисунке видно измене ние структуры потока вдоль длины конкретной вертикальной трубы. Эта карта является наиболее вероятной на основе анализа большого количества карт режимов течения, представленных в мировой литературе для вертикальных каналов. Показано, что наименьшие погрешности измерения будут в вертикальных тру бах и что погрешности измерений расхода смеси пар—вода боль ше погрешностей при смеси газ—жидкость из-за возможности фазовых превращений потока при течении.
В показанной карте выделены четыре фазные структуры пото ка газ—жидкость при течении вертикально вверх:
I — пузырьковая;
II — дисперсионно-пузырьковая; III — пробковая (снарядная);
IV — пенистая (расслоенная);
V — дисперсионно-кольцевая.
252
Рис. 106. Теоретическая карта структур двухфазного потока в вертикальной трубе с D = 50 мм, с= 10 Н /см2, t = 20° С, Г>! = 1/D = 50, D2 « ЮО
Пузырьковая структура образуется при низких скоростях массы газа и высоких — жидкости. Переход от пузырьковой формы к другим формам требует агломерации или объединения пузырь ков, что приводит к образованию больших пузырей либо пробок. Объединение, а также распад и разделение пузырьков — это два процесса, которые управляют стабильностью потока. С точки зре ния физического моделирования может быть недисперсионный по ток и дисперсионный, где доминируют силы от турбулентности, вызывающие распад и деление пузырьков на пузырьки диаметром меньше 1 мм. Taitel и другие [34] за высшую границу объемной доли газа RQ, ниже которой находится пузырьковая структура потока, выявили соотношение RQ < 0,25 и предложили границу раздела по линии А на рис. 106 между пробковой и пузырьковой структурами:
-|0,25
g(PL -Ро)о
VLS - & VGS _ 1Д 5
Pi
I>L S = M L / (PLA) = VL (1- RG );
VGS = / (p G -A) ~ VG RG>
253
где v is и VGS — замещающие скорости жидкости и газа, м /с; Vi и VQ — средние скорости жидкости и газа в смеси, м/с; g — ускорение силы притяжения, м /с2; Pi и QQ — плотности жидко сти и газа, кг/м3; с — поверхностное напряжение на границе фаз, Н/м; M i и M Q — массовые потоки жидкости и газа, кг/с.
При малых диаметрах канала пузырьковая структура может не проявляться. Критерием существования пузырьковой структуры, или
|
р\gi>2 |
0,25 |
|
области 1 на рис. 106, является неравенство |
<4,36. |
||
|
(PZ.- P G )O
Если неравенство выполняется, пробковая структура перехо дит в пузырьковую в случае действия сил дисперсии. За крите рий существования дисперсионно-пузырьковой структуры мож но принять RG < 0,74, что имеет место при максимальном напол нении потока пузырьками газа, когда диаметр частиц дисперси онной фазы d » 0. Большинство авторов, в том числе и автор работы [23], предлагают принять RQ = 0,52 как высшую границу доли объемного содержания газа:
|
£ >0.429 ({у/ )0,089 |
0,446 |
VLS + VGS = 4 |
g(PL~Pc) |
|
|
„0,072 |
РL |
|
|
где v — кинематическая вязкость, м2/с.
При больших скоростях Vis течения силы от пульсации турбу лентности вызывают распад пузырей. При RG ^ 0,52 пузырьковая структура не может быть стабильной, граница проходит по линии С: VGS / ( VGS + VL S ) = 0>52. При больших скоростях газа доминирует структура V, ограниченная линией Е по неравенству
-|0,25
gg(pL~Po)
VGS > ЗД
PG
Указанный критерий происходит от баланса сил гравитации и аэродинамического сопротивления, воздействующих на каплю, уно симую струей газа. Ограничены они минимальной скоростью газа, выше которой капли отрываются и уносятся со слоя течения при стенке трубы.
Структура IV может перейти в III по линии D, где длина участка L/D, на котором развивается двухфазная струя, будет достаточ ной для формирования больших пузырей (пробок) газа:
Le /D = 40,6 VG S + VLS + 0,22 .
(gD)°’5
254
Карту различных структур двухфазного потока в вертикаль ной трубе рассчитывают на основании приведенных выше урав нений по конкретным значениям физических величин для жид кости и газа.
Показанный пример расчета позволяет правильно выбрать ме сто установки расходомера двухфазного потока, когда существует заданная структура — пробковая. При сочетаниях различных жид костей и газов и разных значениях их параметров рассчитывают аналогично.
Иногда для создания пробковой структуры в потоке устанав ливают специальный сепаратор с дозатором.
Рассмотрим контроль у потребителя расхода влажного пара, отпускаемого поставщиком перегретым. Отпускаемый поставщи ком теплоносителя перегретый (насыщенный) пар зачастую по ступает к потребителю влажным из-за охлаждения в длинном паропроводе, и влажность может быть более 20 % . В докладе на семинаре [19] показаны погрешности в определении расхода влаж ного пара и его теплоты, что не позволяет применять для учета обычные схемы с расходомерами.
Правила измерения (ГОСТ 8.563-97) не содержат формул рас чета расхода влажного пара, если задано влагосодержание, так как большинству потребителей неизвестна степень сухости пара или его влажности ф.
Выход из указанного положения может быть найден двумя спо собами. Как правило, поставщик ведет учет перегретого пара со своей стороны и потребителю следует с этим согласиться, если потери тепловой энергии происходят на его территории, в его тру бопроводе, или следует применить влагомер пара. Например, мож но отделить конденсат из потока влажного пара, установив у по требителя сепаратор пара.
Применение одного из типов сепараторов разработки ЦКТИ (рис. 107) позволяет достичь нескольких целей: сухую часть пара, отделенную от потока влажного пара, можно непрерывно подавать на технологические нужды различного назначения, а оставшийся в сепараторе конденсат отводить через отдельную трубу с водосчет чиком М (рис. 107), либо возвращать поставщику теплоносителя,
Перегретный |
Влажный |
Сухая часть |
(насыщенный) |
||
пар |
паР Сепаратор паРа? |
G1 = G2= G3+ М
Вода
(конденсат)
Рис. 107. Схема измерений при контроле расхода влаж ного пара
255
либо использовать для локальных устройств отопления и горяче го водоснабжения. Это позволит экономичнее использовать влаж ный пар, чем без сепарации.
Для учета расхода влажного пара в большинстве случаев необ ходимо наряду с другими параметрами измерять и влажность пара. Одним из способов такого измерения может быть периодическое определение влажности пара по количеству измеренной сухой ча сти пара G3 одним счетчиком и слитого из сепаратора конденса та М другим счетчиком согласно рис. 107. Тогда влажность пара определяют по формуле
М
V G3 + M
Кроме заведомо двухфазных потоков, как например, газ—жид кость или газ с частицами пыли, пар в зависимости от его пара метров может из однофазного состояния переходить в двухфаз ное, т. е. из сухого насыщенного во влажный или, наоборот, из двухфазного в перегретый.
При превращении насыщенного сухого пара во влажный с влаж ностью уже до 5 % плотность смеси возрастает многократно по сравнению с сухим насыщенным или перегретым паром, и изме рение расхода пара диафрагмой теряет смысл, так как расходомер будет учитывать только сухую часть пара по плотности этой час ти.
Неизвестная часть (масса воды М) может быть определена рас ходомером-счетчиком либо на выходе сепаратора 5 (рис. 107), либо по разности показаний массы перегретого или насыщенного пара у поставщика 1 и сухой части G3 в точке 3 трубы пара.
Если пар в течение суток или другого времени изменяет свое фазовое состояние, переходя из сухого во влажный, и наоборот, то целесообразно для учета этих переходов применять специальные счетчики, описанные в следующей главе, например СПТ-961 (см. гл. 12).
Г л а в а 12
ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С РАСХОДОМЕРАМИ
ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
12.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
Измерение расхода методом переменного перепада давления является косвенным методом из-за зависимости расхода от не скольких составляющих уравнения измерения, и поэтому очевид на необходимость применения вычислительных аналоговых или цифровых вычислительных устройств для решения нужных урав нений. Особенно это важно при измерениях расхода газов и пара, у которых во время работы расходомеров значительно изменяют ся плотность, а также поправочный множитель и коэффициент расширения. При течении различных сред по трубопроводам из меняются число Рейнольдса и коэффициент истечения у сужаю щего устройства. Наиболее сказывается на изменении результата измерения изменение давления среды — при колебаниях давле ния на +10 % результат изменяется примерно на +5 % .
Например, для решения уравнений массового и объемного рас ходов при стандартных условиях переменная часть одинакова [025]:
Плотность вычисляют по измеренным значениям давления р и температуры Т, е вычисляют по формуле (48) по измеренным значениям давления и перепада давления при известном посто янном значении Р или принимают постоянными е й К газа
Непосредственные измерения плотности среды специальными приборами намного сложнее, чем применение указанных вычис лений в темпе производства вычислительными устройствами.
12.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОРРЕКЦИИ РАСХОДА
Корректирующие расход устройства на изменение давления и температуры измеряемой среды начали применяться рядом за рубежных и отечественных фирм уже несколько десятилетий на зад. К ним относятся механические и электромеханические уст ройства. Механические устройства, содержащие рычажную сис тему, кулачки или коноиды и кулисы, использовались, например,
257
17 П. П. Кремлевский
в выпускавшихся заводом «Теплоконтроль» самопишущих сильфонных дифманометрахрасходомерах.
В них ось рычага, передвигающегося от смещения сильфона при изменении перепа да давления перемещается от изменения дав ления с помощью кулисного механизма. Та ким образом, перемещение стрелки расходо мера зависит не только от перепада давле ния, но и от давления. Сильфон, или трубка Бурдона, манометрического термометра воз действует на перемещение стрелки расходо мера аналогично воздействию манометра.
Имеются также пневматические устрой ства, например пневматический силовой мост, показанный на рис. 108. В этом устройстве усилия от четырех сильфонов передаются двум параллельным рычагам, а роликовые оси рычагов перемещаются воздушным дви
гателем М. Значения Др, р и Г в виде пневматических сигналов подаются соответственно в сильфоны С, А, В. Тогда в сильфоне D образуется пневматический выходной сигнал (давление), пропор циональный выражению Арр/Т. Заслонки на концах рычагов при крывают сопла Л и П источника сжатого воздуха, причем давле ние в сопле Л управляет двигателем М.
К электромеханическим относятся устройства с различными индуктивными преобразователями (дифференциально-трансфор маторными, ферродинамическими, поворотными трансформатор ными и др.), у которых перемещение сердечника или поворот ро тора вызывает линейное изменение напряжения на выходе вто ричной обмотки и в то же время это напряжение находится в линейной зависимости от напряжения питания первичной об мотки.
12.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА
Для вычисления различных формул расхода применяют ана логовые и цифровые микропроцессорные устройства.
Аналоговые устройства применяют для решения простых урав нений, так как такие устройства зачастую используют для целей технологического контроля и регулирования, особенно если не тре буется высокая точность измерения расхода по условиям эксплу атации оборудования.
В аналоговых устройствах вычисляют формулы расхода газа, приведенного к стандартным условиям, массового расхода пара и воды по приближенным формулам [20].
258
Расход газа вычисляют по формуле, которая используется и в описанных выше электромеханических устройствах:
где k2 — масштабный коэффициент, принимается постоянным. Массовый расход перегретого пара при небольших изменени
ях давления и температуры может вычисляться по такой же фор муле, но с другим значением к\9а также и при значении не абсо лютной температуры, а* °С. Кроме того, ОСТ 108.006.05-81 [025] рекомендует и другое выражение, в котором вместо Т применяет ся значение (f + 225), тогда в широких диапазонах давлений (от 0,2 до 13,7 МПа) и температур (от 160 до 570 °С) методическая погрешность по выражению плотности пара будет не более ± 2,8 % , а при более узких диапазонах — до ±1 % .
Массовый расход насыщенного пара с погрешностью не более 1 % по плотности в диапазоне давлений р = 0,1-5-5МПа выражает ся формулой
где ki, k2 и k2 — постоянные коэффициенты.
На рис. 109 показано одно из подобных устройств, использо ванное фирмой «Бейли» для коррекции по значению давления р 9 задаваемого перемещением сердечника индуктивного преобразо вателя манометра, на перепад давления Лр, задаваемый перемеще нием сердечника преобразователя дифманометра. Коррекция по температуре производится делением полученного произведения на температуру Т газа, измеряемую термопреобразователем со противления Rt. Напряжение на выходе показанной цепи про порционально такому же выражению, как и у выше показанного пневматического моста. Квадратный корень из этого выражения извлекается во вторичном самопишущем приборе с индуктивной катушкой и кулачком соответствующего профиля в механизме электродвигателя (аналогичного нашим приборам типа ДСР, КСД).
Рис. 109. Схема умножения с индуктивными транс форматорами
17* 259
А |
|
Харьковский завод КИП выпус |
|
тс |
кал расходомеры газа с коррекци |
||
|
|
ей, в которых использовалась подоб |
|
|
|
ная предыдущей схема умножения, |
|
|
|
но с ферродинамическими преобра |
|
|
F n J |
зователями. Выходной сигнал от |
|
|
|
преобразователя манометра усили |
|
L |
_ B |
вался в электронном блоке и пода |
|
вался для питания первичной об |
|||
|
|
||
Рис. 110. Схема расходомера |
мотки ферродинамического преоб |
||
|
воды: |
разователя дифманометра, рамка ко |
|
1 — дифманометр-расходомер; 2 — |
торого механически поворачивалась |
||
усилитель и термометр сопротивления |
на угол, пропорциональный перепа |
ду давления. Таким образом, напряжение на рамке было пропор ционально произведению р на Др. Термометр коррекции этого сигнала включался в цепь рамки компенсирующего ферродина мического преобразователя, отрабатывающего значение расхода с коррекцией [025].
Фирма «Гартманн и Браун» [21] применяла электродинамичес кие преобразователи с так называемыми токовыми весами, содер жащими электромагнитные катушки на коромыслах. В них опе рации умножения и деления производились благодаря изменению токов в катушках пропорционально измеряемым р, Др и Т.
Известность также приобрели множительно-делительные уст ройства с фотоэлектрическими приборами и линейно-трансфор маторными преобразователями [025].
Общими недостатками всех упомянутых устройств с коррек цией являются их невысокая точность и быстрый механический износ деталей устройств в процессе эксплуатации.
Для насыщенного пара зависимость плотности от давления в диапазоне 5-16 МПа может выражаться линейной зависимостью.
Массовый расход воды незначительно зависит от изменений давления и может выражаться следующей формулой:
Ят =*4л/АР/(*5+*6 *)•
где &4, &5 и k$ — постоянные коэффициенты; t — температура, °С. Электрическая схема коррекции по приведенной формуле рас ходомера воды по плотности в зависимости от температуры тер
мопреобразователя сопротивления ТС показана на рис. 110. Для расходомера воды может применяться и более простая
схема — без усилителя [025].
Самая сложная из представленных формул — расхода газа, со держащая операции умножения, деления и извлечения квадрат ного корня, — может быть реализована в электронном устрой стве косвенного действия по зависимости
U = antilog (log U0 + nlog Щ + nlog U2 -n lo g t/3 -n lo g U4).
260