Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Системы управления химико-технологическими процессами. Учебно-методическое пособие
.pdf
4. Объясните принцип действия жидкостных термометров.
5. Поясните принцип действия манометрических термометров.
6. Изложите принцип действия термоэлектрических термометров.
7. Сформулируйте основные типы термоэлектрических термометров.
8. Опишите принцип действия термометров сопротивления.
9. Перечислите основные типы термометров сопротивления.
10. Перечислите основные типы и принципы действия бесконтактных термо-
метров.
61
5. РАСХОД. ИЗМЕРЕНИЕ РАСХОДА
Для осуществления функции контроля и управления установками
НПЗ огромное значение имеет замер расхода и количества разнообразных веществ: газов, жидкостей, а также суспензий.
5.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Расход – это количество вещества, протекающего через данное
сечение трубопровода в единицу времени (секунду, минуту, час
и т.д.). Это так называемое мгновенное значение расхода.
Кроме него, часто необходимо знать количество среды, прошедшей через это сечение за определенный промежуток времени – смену,
сутки, месяц. В этом случае речь идет о количестве вещества.
Это количество можно оценивать в единицах объема, и тогда это
будет объемный расход Q, а можно в единицах массы, соответственно
массовый расход G.
Измерение расхода является сложной задачей, так как на показания приборов оказывают значения физические свойства измеряемых
потоков: плотность и вязкость, соотношение фаз в потоке и т.д. Термобарические условия (давление и температура) и характер движения
потока (ламинарное или турбулентное) оказывают основное воздействия на физические свойства измеряемых потоков.
Расходометрия является на сегодняшний день очень динамичным
сегментом измерительной техники из-за большого разнообразия
условий эксплуатации СИ расхода и количества.
Прежде всего это разнообразие номенклатуры измеряемых сред,
в том числе по числу фаз потока. Кроме чистых жидкостей и газов,
существуют еще так называемые многофазные среды, и в НГП они
встречаются очень часто. Так, например, продукция нефтяных скважин, так называемый скважинный флюид, представляет собой смесь
нефти, пластовой воды и газа, т.е. двухфазную систему жидкость –
газ, которая при наличии механических примесей превращается,
по сути, в трехфазную.
62
Вторым фактором является большое разнообразие рабочих условий, в которых эксплуатируются расходомеры. В НГП необходимо
измерять расход как криогенных жидкостей, например сжиженного
природного газа (СПГ), температура которого составляет минус
164 С, так и перегретого пара с температурой порядка 600–800 С.
Еще одним фактором является большой разброс диаметров труб,
в которых устанавливаются расходомеры. Для НГП он составляет
от 25 мм (насосно-компрессорные трубы) до 1420 мм (газопроводы).
Да и сами диапазоны изменения расходов также довольно значительны.
Из используемых расходомеров наибольшая доля, порядка 25 %,
принадлежит расходомерам переменного перепада давления, исторически первым расходомерам, с помощью которых был измерен расход в закрытых трубах. На втором месте находятся кориолисовые
расходомеры, которые появились сравнительно недавно, но тем не
менее получают все более широкое распространение. Кроме них, используются электромагнитные, турбинные, ультразвуковые и вихревые расходомеры.
В общем случае СИ расхода состоит из двух частей: преобразователя расхода, или сенсора, и интегрирующего электронного блока.
Выходной сигнал преобразователя в каждый момент времени пропорционален мгновенному расходу, т.е. он является собственно расходомером. Сигнал на выходе интегрирующего блока пропорционален расходу за определенный период времени, т.е. количеству вещества. Вместе эти два устройства образуют счетчик количества вещества. В обоих вариантах возможно измерение как объемного, так и
массового расхода.
Большинство расходомеров являются полнопроточными, т.е.
встраиваются в поперечное сечение трубопровода. Они являются
наиболее точными, т.к. производят измерения по всему сечению потока. У погружных сенсор вставляется в трубопровод через отверстие
и таким образом измеряет скорость потока в одной точке. Средняя
скорость потока определяется в них расчетным путем на основании
63
существующих теоретических зависимостей распределения скоростей потока по сечению трубопровода. Поэтому любое искажение
профиля потока сказывается на их точности. Накладные расходомеры
монтируются непосредственно на внешней поверхности трубопровода. Такая конструкция на сегодняшний день есть только у ультразвуковых расходомеров.
5.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИБОРОВ
ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА
В зависимости от метода измерения, приборы для определения
расхода и количества подразделяются следующим образом:
1) расходомеры переменного перепада давления, основанные
на зависимости от расхода вещества перепада давления, создаваемого
неподвижным устройством, установленным на трубопроводе;
2) расходомеры постоянного перепада давления, основанные
на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела
(поплавка), изменяющего при этом площадь проходимого отверстия
прибора таким образом, что перепад давления по обе стороны остается постоянным;
3) электромагнитные расходомеры, основанные на зависимости
результата взаимодействия движущейся жидкости с магнитным полем от расхода;
4) ультразвуковые расходомеры, основанные на разности време-
ни прохождения ультразвуковых колебаний по потоку и против;
5) вихревые и вихреакустические расходомеры основаны на яв-
лении, носящем название «эффект Ван Кармана», согласно которому
при обтекании неподвижного твердого тела потоком жидкости за телом образуется вихревая дорожка, состоящая из вихрей, поочередно
срывающихся с противоположных сторон тела;
6) турбинные, или скоростные расходомеры (счетчики), приме-
няются для определения объемного расхода (количества) измеряемой
среды.
64
5.3. МЕТОД ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
Рис. 5.1. Метод переменного
перепада давления
Расходомеры переменного перепада давления (их еще называют
дроссельными) – это первые в истории средства измерения расхода.
Принцип их действия основан на том, что при прохождении технологического потока через установленное на его пути сужение скорость
потока и его кинетическая энергия возрастают (рис. 5.1). После прохождения сужающего устройства часть кинетической энергии потока
снова превращается в потенциальную.
Давление становится меньше, чем
до СУ, то есть возникает перепад давления, квадратный корень из которого
пропорционален значению расхода.
Расходомеры переменного перепада давления состоят из сужающего
устройства, например диафрагмы, и
преобразователя разности давлений,
соединенных между собой импульсными линиями с запорной и предохранительной арматурой.
Сужающие устройства могут быть
стандартными и нестандартными.
К стандартным устройствам относятся дисковые диафрагмы, сопла и
трубы Вентури. Для них справедливы табличные значения коэффициентов, приведенные в нормативной документации. При выборе стандартного СУ главным критерием является допустимая величина потери
давления: она максимальна для диафрагмы и минимальна для труб
Вентури. Необходимо также учитывать диаметр трубопровода.
Основными достоинствами таких расходомеров является простота конструкции и обслуживания, надежность работы, а также возможность поверки беспроливным методом.
Основные недостатки – низкий динамический диапазон, большие
потери давления и необходимость наличия больших прямых участков
трубопровода до СУ.
65
К нестандартным СУ относятся осредняющие напорные трубки
Рис. 5.2. Метод постоянного
перепада давления
(ОНТ). Это новое поколение дроссельных расходомеров. В напорной
трубке с Т-образным профилем передняя стенка тела обтекания подвергается воздействию давления технологической среды, при этом
динамическое давление воспринимается пазом камеры высокого давления. Когда поток проходит тело обтекания, на его задней стенке создается низкое давление, воспринимаемое расположенными там отверстиями камеры низкого давления. Возникающая разность давлений, как и в стандартных СУ, пропорциональна квадрату расхода.
Профиль тела обтекания может быть различным, наиболее распространенным является Т-профиль.
5.4. МЕТОД ПОСТОЯННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
Принципиальная схема ротаметра показана на рис. 5.2.
Проходящий через ротаметр снизу
поток жидкости или газа поднимает поплавок вверх до тех пор, пока расширяющаяся кольцевая щель между телом поплавка и стенками конусной трубки
не достигает такой величины, при которой действующие на поплавок силы
уравновешиваются, и он останавливается
на той или иной высоте в зависимости
от величины расхода [1].
5.5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
Принцип действия электромагнитного расходомера основан
на законе электромагнитной индукции Фарадея, в соответствии с которым в электропроводной жидкости (не менее 10–3 См/м), пересекающей магнитное поле, индуцируется ЭДС, пропорциональная скорости движения жидкости. Электромагнитные расходомеры – одно
из наиболее точных и совершенных средств измерений (рис. 5.3).
66
Для измерения индуцированной ЭДС между полюсами магнита
Рис. 5.3. Электромагнитный расходомер:
1 – труба, 2 – электроды,
3 – измерительный прибор
или электромагнита устанавливают измерительный участок трубопровода длиной от 2 до 5 диаметров трубы, который изготовлен
из немагнитного материала и внутри покрыт неэлектропроводной
изоляцией. Чаще всего делается футеровка (вставка) из инертных
пластиков (типа фторопласта, полиэтилена) в трубу из нержавеющей
стали. В трубу вводятся два электрода в направлении, перпендикулярном как к направлению
движения жидкости, так и к
направлению силовых линий
магнитного поля.
Измерение средней по
сечению скорости потока
обеспечивает основное преимущество электромагнитных расходомеров по сравнению с другими принципами
измерения расхода. Поскольку измерение средней скорости, а значит и объемного расхода производится по всему сечению канала, расходомеры гораздо менее чувствительны как к характеру движения жидкости (ламинарный, переходный
и турбулентный), так и к искажению профиля скорости потока.
Магнитное поле в этих расходомерах может быть как постоянным, так и переменным.
Электромагнитные расходомеры с постоянным магнитным полем
имеют более простую конструкцию, но в них наблюдается возникновение паразитной ЭДС из-за поляризации электродов. Она является
следствием разделения потока электропроводной жидкости на две части: поток отрицательных ионов и поток положительных. Это явление устраняется в переменном магнитном поле, поэтому в промышленных расходомерах обычно используется оно.
Показания электромагнитных расходомеров не зависят как
от свойств самой жидкости (плотности и вязкости), так и от давления
67
потока. Динамический диапазон достигает 1000 и более. Отсутствие
элементов внутри трубы обеспечивает, во-первых, отсутствие потерь
давления, а во-вторых, возможность измерения расхода стерильных,
агрессивных, вязких, абразивных и тому подобных «недружелюбных» сред.
Расходомер можно использовать в трубопроводах с диаметром от 3
до 3000 мм для полнопроточной версии и от 300 до 4000 мм для погружной. Он имеет линейную шкалу и практически безынерционен.
Диапазон скоростей потока от 0,1 до 10 м/с, некоторые из расходомеров являются двунаправленными, т.е. могут измерять расход реверсных потоков. Предел основной относительной погрешности общепромышленных преобразователей лежит в диапазоне ±(0,5–1) %,
существуют также расходомеры для поверочных установок с погрешностью ±0,15 %.
Основным недостатком электромагнитных расходомеров является ограниченная область использования – он применим только для
электропроводных жидкостей. Конструкция расходомера, по сравнению с другими типами, достаточно сложна, как и его монтаж на трубопроводе. Низкий уровень информативного сигнала требует специальных измерительных схем. Кроме того, расходомер обладает высоким энергопотреблением.
В нефтегазовой промышленности электромагнитные расходомеры используются для измерения расхода воды, закачиваемой в пласт
для поддержания пластового давления, расхода бурового раствора
и на других объектах.
5.6. УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ
По способу перемещения УЗ-волны расходомеры делятся на два
типа:
1. Основанные на разности скорости распространения ультразву-
ковых волн, направленных по потоку и против него.
2. Основанные на доплеровском сдвиге частоты ультразвукового
сигнала, отраженного от частиц измеряемого потока.
Расходомеры первого вида являются наиболее распространенными.
68
Главным элементов ультразвуковых расходомеров являются пьезоэлементы. Это тонкие пластины из пьезокерамики, работа которых
основана на пьезоэлектрических эффектах – прямом и обратном.
Прямой пьезоэффект заключается в образовании электрических зарядов на гранях пластин при их деформации, а обратный – на возникновении деформации при подаче на пластину разности электрических
потенциалов. На обратном пьезоэффекте основана работа излучателей, преобразующих переменное электрическое напряжение в акустические (механические) колебания той же частоты. На прямом пьезоэффекте работают приемники, преобразующие акустические колебания в переменные электрические напряжения.
В случае с времяимпульсными расходомерами в трубопроводе
размещаются два пьезоэлемента, расположенные под некоторым углом
к оси трубы (рис. 5.4). Эти пьезоэлементы работают в так называемом
дуальном режиме: каждый из них попеременно является излучающим и
приемным. Прохождение ультразвука, направленного по потоку и против него, характеризуется значением скорости прохождения требуемого
расстояния и временем, затраченным на его прохождение.
При движении жидкости в трубопроводе происходит снос ультразвуковой волны, который приводит к изменению времени распространения ультразвукового сигнала: по потоку жидкости время прохождения уменьшается, а против потока – возрастает. Разность времен прохождения УЗС через жидкость по потоку и против потока
пропорциональна скорости потока V и, следовательно, объемному
расходу Q (см. рис. 5.4).
Рис. 5.4. Ультразвуковой расходомер
Если среда находится в покое (скорость потока равна нулю),
у отраженных звуковых волн будет та же самая частота, что и у по-
69
сланных источником звуковых волн. Если же среда находится в движении, уровень частоты отраженных звуковых волн сдвигается относительно уровня частоты посланных звуковых волн.
Измеряемая разность частот пропорциональна скорости потока,
т.е. является мерой расхода.
При этом надо иметь в виду, что расходомер измеряет местную
скорость потока, т.е. скорость, с которой движется частица-отражатель.
Это объясняет, почему по сравнению с другими ультразвуковыми расходомерами допплеровские имеют наименьшую точность: выходной
сигнал представляет собой целый спектр частот, возникающих вследствие сдвига исходной частоты не одной частицей-отражателем, а рядом частиц, имеющих различные скорости. Поэтому относительная погрешность измерения расхода обычно не менее 2–3 %.
Ультразвуковые расходомеры являются единственными расходомерами, имеющими накладную модификацию. Накладные УЗР
не создают сопротивления потоку и не оказывают влияния на его про-
филь, не создают потерь давления, не боятся гидро- и пневмоударов.
За счет полного отсутствия контактов с измеряемой средой они могут
использоваться для измерения расхода агрессивных сред и сред, содержащих абразивные частицы. Однако их точность невелика за счет влияния многих дополнительных факторов, таких как состояние трубопровода в месте измерения и т.п. Их рекомендуется использовать в тех
случаях, когда применение других расходомеров затруднительно.
Ультразвуковые расходомеры в последние годы получают все более широкое распространение благодаря следующим достоинствам:
значительный динамический диапазон, достигающий 25–30;
высокая точность измерения, составляющая 0,5–1 %;
возможность измерения расхода любых сред, в том числе неэлек-
тропроводных сред (нефтепродукты), загрязненных сред, суспензий;
широкий диапазон диаметров трубопроводов от 10 мм и выше
без ограничений;
малая инерционность;
отсутствие потерь давления.
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]