Підвищення точності вимірювання об’єму природного газу за допомогою пристроїв звуження потоку в системах з підігрівом газу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Федоришин Роман Миронович

УДК 681.121.84

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВИМІРЮВАННЯ ОБ'ЄМУ ПРИРОДНОГО ГАЗУ ЗА ДОПОМОГОЮ ПРИСТРОЇВ ЗВУЖЕННЯ ПОТОКУ В СИСТЕМАХ З ПІДІГРІВОМ ГАЗУ

05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів - 2007р.

Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі автоматизації теплових та хімічних процесів Національного університету “Львівська політехніка”.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пістун Євген Павлович, Національний університет “Львівська політехніка”, завідувач кафедри автоматизації теплових та хімічних процесів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Колпак Богдан Дмитрович, ДП НДІ “Система” Держспоживстандарту України, м. Львів, заступник директора з наукової роботи;

кандидат технічних наук, доцент Вощинський Віктор Станіславович, директор СКБ “Промприлад”, м. Івано-Франківськ.

Захист відбудеться 16 жовтня 2007 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 в Національному університеті “Львівська політехніка” за адресою: 79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 51, Х-го навчального корпусу.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. Професорська, 1).

Автореферат розісланий 13 вересня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук, доцент Вашкурак Ю. З.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Облік природного газу у вітчизняній промисловості ведеться в переважній більшості витратомірами змінного перепаду тиску, велика кількість яких працюють сумісно зі системами підігріву газу. В умовах роботи вузлів обліку природного газу з підігрівом газу виникають додаткові похибки вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлені відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед пристроєм звуження потоку (ПЗП). Це приводить до неточного обліку природного газу та виникнення дисбалансів.

У зв'язку з таким становищем, особливої актуальності набувають питання дослідження температурного режиму потоку газу на вимірювальній ділянці трубопроводу та його впливу на точність вимірювання витрати та об'єму природного газу, а також питання підвищення точності розрахунку витрати природного газу методом змінного перепаду тиску. У діючих на даний час в Україні правилах РД 50-213-80 додаткові похибки вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлені відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу перед ПЗП, відсутні, а в нових міждержавних стандартах ГОСТ 8.586.1,2,3,4,5-2005 сказано про існування відхилень виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу перед ПЗП, однак не наведено методик розрахунку цих відхилень.

Таким чином, задача встановлення, визначення та усунення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу перед ПЗП, є актуальною і набуває особливо важливого значення для підвищення точності обліку природного газу та усунення дисбалансів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційної роботи пов'язана з виконанням науково-дослідних робіт Національного університету “Львівська політехніка”: “Підвищення точності обліку природного газу на автоматизованих газорозподільних станціях з підігрівом газу”, держбюджетна тема ДБ/ПІДІГРІВ, номер державної реєстрації 0106U000028 (2006 - 2007 рр.) (дисертантом розроблено математичну модель системи підігріву природного газу, математичну модель додаткової похибки вимірювання витрати газу, зумовленої інерційністю термоперетворювача підчас коливання температури газу, та запропоновано заходи для усунення цієї похибки); “Аналіз похибок вимірювання витрати природного газу на АГРС - Новий Розділ та розробка заходів щодо їх зменшення”, госпдоговірна тема 7164, номер державної реєстрації 0105U004382 (2005 р.) (дисертантом розроблено математичні моделі відхилень виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед ПЗП та розроблено рекомендації для усунення цих відхилень); “Розробка першої редакції міждержавного стандарту “Вимірювання витрати і кількості рідин та газів методом змінного перепаду тиску (Частина І)”, госпдоговірна тема 7123, номер державної реєстрації 0104U009260 (2004 - 2005 рр.) (дисертантом розроблено аналітичну залежність для розрахунку коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення точності вимірювання витрати та об'єму природного газу за допомогою ПЗП в системах з підігрівом газу.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

- проаналізувати існуючі підходи до вирішення задач, пов'язаних з усуненням впливу температурного режиму потоку газу на точність його обліку за допомогою ПЗП в системах з підігрівом газу;

- виявити причини та встановити похибки вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлені відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед ПЗП;

- розробити математичну модель відхилення виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу перед ПЗП;

- встановити вплив динамічних характеристик термоперетворювачів на точність вимірювання витрати природного газу підчас коливання температури газу;

- розробити заходи для усунення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу перед ПЗП;

- розробити аналітичні залежності розрахунку коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП та коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми;

- розробити алгоритм розрахунку коефіцієнта теплопровідності природного газу за робочих умов.

Об'єктом дослідження є вимірювання витрати та об'єму природного газу за методом змінного перепаду тиску.

Предметом дослідження є точність вимірювання витрати та об'єму природного газу в системах з підігрівом газу з врахуванням впливу температурного режиму потоку газу.

Методи дослідження. У ході дослідження відхилення виміряного значення температури газу від його дійсного значення перед ПЗП застосовувалися методи математичного моделювання, теорія теплообміну з врахуванням явищ теплопровідності, конвекції та випромінювання, а також теорія подібності. Розроблення заходів для усунення впливу температурного режиму потоку газу на точність вимірювання його витрати та об'єму здійснювалось із застосуванням теорії вимірювань та теорії інваріантності. При розробленні аналітичних залежностей для розрахунку коефіцієнтів поправки застосовувались апроксимаційні методи. Підчас розроблення алгоритму розрахунку коефіцієнта теплопровідності природного газу застосовувався метод надлишкової теплопровідності, метод відповідних станів для розрахунку в'язкості чистих компонентів та сучасні методи розрахунку властивостей природного газу. Підчас експериментального дослідження системи обліку природного газу з підігрівом газу застосовувались методи статистичного опрацювання експериментальних даних.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що:

- вперше на основі аналізу умов формування параметрів потоку природного газу класифіковано додаткові похибки вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлені відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед ПЗП;

- розроблено математичну модель відхилення виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед ПЗП, зумовленого теплообміном між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу, теплообміном між стінкою трубопроводу та навколишнім повітрям, дроселюванням газу при його протіканні через ПЗП, інерційністю термоперетворювача підчас коливань температури газу, із застосуванням законів конвективного, радіаційного та кондуктивного теплообміну, що дає можливість визначати похибки вимірювання витрати та об'єму газу, зумовлені впливом температурного режиму потоку газу, та, відповідно, їх усувати;

- розроблено математичну модель системи підігріву природного газу у вигляді диференціального рівняння п'ятого порядку, яке пов'язує температуру газу на виході системи підігріву з параметрами потоку газу та системи підігріву, що дає змогу проводити моделювання температурного режиму потоку газу та визначати додаткові похибки вимірювання витрати природного газу;

- уточнено методологію визначення коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП та коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми шляхом розробки аналітичних залежностей розрахунку цих коефіцієнтів, які забезпечують підвищення точності розрахунку витрати та об'єму природного газу методом змінного перепаду тиску;

- розроблено алгоритм розрахунку коефіцієнта теплопровідності природного газу із застосуванням методу надлишкової теплопровідності, методу відповідних станів та сучасних методів розрахунку властивостей природного газу, що забезпечує підвищення точності визначення коефіцієнта теплопровідності природного газу.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що:

- на підставі встановлених математичних моделей для визначення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від його дійсного значення перед ПЗП, можна виявляти дисбаланси у системах обліку природного газу з підігрівом газу;

- розроблена математична модель системи підігріву газу, може бути застосована для моделювання температурного режиму потоку газу в системі обліку з підігрівом газу та для визначення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму газу підчас виконання аудиту вузлів обліку природного газу;

- застосування розробленої методики визначення та усунення впливу температурного режиму потоку газу на точність вимірювання його витрати та об'єму підчас проектування та експлуатації систем обліку природного газу підвищує точність обліку природного газу в системах з підігрівом газу, що продемонстровано на прикладі розробленої системи обліку газу інваріантної до температурного режиму потоку газу;

- розроблена аналітична залежність для розрахунку коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми підвищує точність розрахунку витрати газу методом змінного перепаду тиску та увійшла в міждержавний стандарт ГОСТ 8.586.2-2005 (ИСО 5167-2:2003) Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 2. Диафрагмы. Технические требования;

- відповідно до розробленого алгоритму розрахунку коефіцієнт теплопровідності природного газу розраховується з точністю ±5 %.

Особистий внесок здобувача. Усі теоретичні та практичні результати, викладені у роботі, одержані автором особисто. У роботах, які опубліковані у співавторстві, здобувачеві належать: [1] - визначення та дослідження математичних моделей додаткових похибок вимірювання витрати газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед ПЗП, та розробка рекомендацій для усунення цих похибок; [2,3] - розробка другого етапу аудиту вузлів обліку природного газу, а саме методики розрахунку додаткових похибок вимірювання витрати газу, зумовлених теплообмінними процесами на вимірювальній ділянці трубопроводу; [5] - розробка нових аналітичних залежностей для розрахунку допоміжних коефіцієнтів рівняння розрахунку коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП; [6,7,8] - розробка нової аналітичної залежності для розрахунку коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми на базі експериментальних даних; [9] - розробка алгоритму розрахунку коефіцієнта теплопровідності природного газу на базі методу надлишкової теплопровідності, методу відповідних станів для розрахунку в'язкості чистих компонентів та сучасних методів розрахунку властивостей природного газу.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на конференціях: 62-га студентська науково-технічна конференція (Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, 2004 р.); Всеукраїнська науково-технічна конференція “Вимірювання витрати та кількості газу” (Івано-Франківський університет нафти і газу, м. Івано-Франківськ, 2005 р.); ІІІ Міжнародна студентська конференція “Цивілізація. Людина. Майбутнє” (Вроцлавський політехнічний університет, м. Вроцлав, Польща, 2005 р.); Міжнародний симпозіум “Global Etrepolis Singapore 2006” (Міжнародний центр Suntec, Сінгапур, 2006 р.); Міжнародна молодіжна конференція з енергетики (Будапештський університет технологій та економіки, м. Будапешт, Угорщина, 2007 р.).

Публікації. За результатами виконаних досліджень опубліковано 9 наукових робіт, з них 5 - статті у фахових наукових виданнях, у тому числі 1 - одноосібна, 4 - тези доповідей на конференціях.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків. Дисертація викладена на 132 сторінках. Крім того робота проілюстрована 53 рисунками, включає 26 таблиць, список використаних джерел із 107 найменувань та 8 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі дано загальну характеристику дисертаційної роботи. Розкрито суть та стан науково-технічної задачі підвищення точності вимірювання об'єму природного газу за допомогою ПЗП в системах з підігрівом газу. Обґрунтовано актуальність теми, на підставі чого сформульовані мета та основні задачі дослідження. Висвітлено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів, подано відомості про особистий внесок здобувача, апробацію результатів роботи та наявні публікації.

В першому розділі викладено принцип дії, характеристику та особливості застосування методу змінного перепаду тиску в різних областях народного господарства і в системах з підігрівом газу зокрема.

Проведено аналіз літературних джерел, в яких описуються підходи до визначення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед ПЗП. В існуючих роботах не наведено математичного опису процесів, що протікають перед вимірювальною ділянкою трубопроводу і які мають визначальний вплив на формування температурного режиму потоку газу, немає дослідження впливу динаміки зміни температури газу на виміряне значення витрати та об'єму природного газу, методики розрахунку товщини шару теплової ізоляції вимірювальної ділянки газопроводу. Аналіз робіт, пов'язаних із дослідженням впливу шорсткості внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП та притуплення вхідного канту діафрагми на точність вимірювання витрати та об'єму природного газу, показав, що існуючі аналітичні залежності для розрахунку коефіцієнтів поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП та на притуплення вхідного канту діафрагми або не порівнювалися з експериментальними даними, або не відповідають вимогам щодо точності розрахунку, або є складними поліноміальними рівняннями.

На підставі аналізу літературних джерел визначено основні недоліки існуючих підходів до визначення впливу температурного режиму потоку газу, шорсткості внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП та притуплення вхідного канту діафрагми на точність вимірювання витрати та об'єму природного газу. Сформульовано завдання, що потребують вирішення, та обрано напрямки подальших досліджень.

У другому розділі викладені особливості технологічного процесу нагрівання природного газу, проведено дослідження та побудовано математичну модель системи підігріву газу, яка формує температурний режим потоку газу на вимірювальній ділянці трубопроводу і впливає на точність обліку природного газу.

На першому етапі досліджень було виконано аналіз умов роботи вузлів обліку природного газу на автоматизованих газорозподільних станціях (АГРС). За результатами аналізу встановлено, що умови роботи витратомірів змінного перепаду тиску на АГРС формуються під впливом технологічних процесів, що протікають на АГРС, а саме пониження тиску газу на регуляторах тиску та нагрівання газу.

Необхідність встановлення системи підігріву газу викликана особливостями процесу пониження тиску газу на регуляторі тиску. Підчас пониження тиску газу на регуляторі тиску відбувається раптове розширення газу і його температура різко знижується та може досягати -18...-23 єС. Внаслідок такого зниження температури газу відбувається утворення кристалогідратів та обмерзання регулюючої арматури і трубопроводу. Для уникнення цього явища газ попередньо підігрівають.

На основі аналізу технологічних схем АГРС з підігрівом газу встановлено, що на переважній більшості АГРС вузол обліку природного газу встановлений на ділянці трубопроводу між системою підігріву газу та регулятором тиску газу. Тому система підігріву газу формує температурний режим потоку газу на вимірювальній ділянці трубопроводу і впливає на точність обліку природного газу.

Дослідження систем підігріву газу на АГРС показали, що одним із найбільш поширених на АГРС є вогневий нагрівач з проміжним теплоносієм типу ПТПГ-30. Даний нагрівач призначений для непрямого нагрівання газу перед його дроселюванням, на вході магістральних газопроводів та для інших споживачів теплого газу.

Для побудови математичної моделі системи підігріву газу на базі нагрівача типу ПТПГ-30, складено систему рівнянь, що описує динамічні процеси теплообміну в системі підігріву газу:

(1)

де dQдг/dф - зміна кількості теплоти в димових газах теплогенератора з часом; ?qдг - зміна теплового потоку димових газів, при їх протіканні через теплогенератор; qст1.вх - тепловий потік, який поступає до стінки теплогенератора від димових газів; dQст1/dф - зміна кількості теплоти у стінці теплогенератора з часом; qст1.вих - тепловий потік, який поступає від стінки теплогенератора до проміжного теплоносія; dQпр/dф - зміна кількості теплоти у проміжному теплоносії з часом; qпр.вх - тепловий потік, який поступає до проміжного теплоносія від стінки теплогенератора; qпр.вих - тепловий потік, який поступає від проміжного теплоносія до стінок пучка труб; dQст2/dф - зміна кількості теплоти у стінках пучка труб з часом; qст2.вх - тепловий потік, який поступає від проміжного теплоносія до стінок пучка труб; qст2.вих - тепловий потік, який поступає від стінок пучка труб до газу; dQг/dф - зміна кількості теплоти в газі, який знаходиться в пучку труб, з часом; ?qг - зміна теплового потоку газу, при його протіканні через пучок труб.

Після проведення відповідних математичних перетворень отримано математичну модель системи підігріву газу у вигляді наступного диференціального рівняння:

, (2)

де х, у, z - нормовані вхідна (витрата паливного газу), вихідна величини (температура газу на виході) та збурення (витрата газу) системи підігріву газу; Т11...Т24, k1, k2 - сталі часу та коефіцієнти передачі системи підігріву газу.

Результати порівняння перехідних процесів, отриманих підчас моделювання, з перехідними процесами, отриманими підчас експериментального дослідження системи підігріву газу на АГРС, показують, що отримана математична модель описує перехідні процеси у системі підігріву газу з відносним відхиленням, що не перевищує 8,8 %.

На базі розробленої математичної моделі системи підігріву природного газу можна моделювати температурний режим потоку газу на вимірювальній ділянці трубопроводу та відповідно встановлювати динамічні похибки вимірювання витрати газу, зумовлені інерційністю термоперетворювача підчас коливання температури газу.

У третьому розділі встановлено причини відхилень виміряного значення температури газу від його дійсного значення перед ПЗП, досліджено похибки, зумовлені такими відхиленнями та розроблено способи підвищення точності вимірювання витрати та об'єму природного газу в системах з підігрівом газу.

На основі аналізу температурного режиму потоку газу проведено класифікацію додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу перед ПЗП.

Отримано математичну модель відхилення виміряного значення температури газу від його дійсного значення в місці встановлення термоперетворювача, зумовленого теплообміном між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу (ДТТ), яке виникає через те, що температура зануреного кінця гільзи термоперетворювача відрізняється від температури стінки трубопроводу і внаслідок цієї різниці температур (температурного напору) відбувається теплообмін між ними. Даний теплообмін здійснюється шляхом теплопровідності та випромінювання.

На основі дослідження теплообміну між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу шляхом теплопровідності та випромінювання отримано таку математичну модель відхилення ДТТ:

ДТТ = ДТТТ + ДТТВ ; (3)

; (4)

, (5)

де ДТТТ - відхилення, зумовлене теплообміном шляхом теплопровідності; ДТТВ - відхилення, зумовлене теплообміном шляхом випромінювання; ТРТ - температура, зареєстрована термоперетворювачем; Тст.в - температура внутрішньої поверхні стінки трубопроводу; LТЗ - глибина занурення термоперетворювача в трубопровід; LТЧ - довжина чутливого елементу термоперетворювача; b - допоміжний коефіцієнт, який залежить від конструктивних характеристик гільзи термоперетворювача та режиму теплообміну між потоком газу та гільзою термоперетворювача; с0=5,67 Вт/(м2·K4) - коефіцієнт теплового випромінювання абсолютно чорного тіла; еТ - ступінь чорноти зовнішньої поверхні гільзи термоперетворювача.

Результати аудиту вузлів обліку природного газу показують, що для систем обліку з невеликим діаметром трубопроводу (Dв?100 мм) при значних різницях температур навколишнього повітря та потоку газу значення відхилення ДТТ може досягати -1,5 єС в зимових умовах роботи і +3 єС в літніх умовах роботи.

Отримано математичну модель відхилення температури газу в місці встановлення термоперетворювача від температури газу безпосередньо перед ПЗП, зумовленого теплообміном між стінкою трубопроводу та навколишнім повітрям (ДТх), яке виникає внаслідок зміни температури потоку газу по довжині трубопроводу, коли існує різниця температур потоку газу та навколишнього повітря.

На основі дослідження процесу теплообміну між потоком газу та навколишнім повітрям нами отримано математичну залежність для визначення відхилення ДТх

?Тх = (ТРТ - ?ТТ - Тпов)·, (6)

де Тпов - температура навколишнього повітря; K - коефіцієнт теплопередачі від потоку газу до навколишнього повітря; LT - відстань між ПЗП та місцем встановлення термоперетворювача з врахуванням алгебраїчного знаку: плюс, коли термоперетворювач встановлений після ПЗП, мінус, коли термоперетворювач встановлений до ПЗП (див.рис.5); qт.газ - масова витрата газу в трубопроводі; ср.газ - теплоємність газу за робочих умов.

З метою аналізу різних варіантів встановлення термоперетворювача на вимірювальній ділянці трубопроводу підчас проектування систем обліку, розроблено математичну модель для визначення відхилення ?Тх для перерізу вимірювального трубопроводу, розташованого на будь-якій відстані х від ПЗП:

?Тх = (ТРТ - ?ТТ - Тпов)·, (7)

де х - відстань між ПЗП та перерізом вимірювального трубопроводу з врахуванням алгебраїчного знаку: плюс, для перерізів, розташованих після ПЗП, мінус, для перерізів, розташованих до ПЗП.

За результатами розрахунку відхилення ?Тх для різних систем обліку встановлено, що його значення може досягати ±3 єС.

На основі аналізу процесу витікання газу через ПЗП встановлено математичну модель відхилення температури газу в місці встановлення термоперетворювача від температури газу безпосередньо перед ПЗП, зумовленого дроселюванням газу при його протіканні через ПЗП (ДТдр), яке виникає у випадку встановлення термоперетворювача після ПЗП.

При умові, що процес часткового відновлення температури газу закінчився на ділянці до термоперетворювача, відхилення ДТдр між перерізами 1-1 та 4-4 може бути знайдене за інтегральним рівнянням дросельного ефекту (ефекту Джоуля-Томсона):

, (8)

де ргаз - абсолютний тиск газу в трубопроводі; - втрата тиску газу на ПЗП; мJT - коефіцієнт Джоуля-Томсона, розрахунок якого виконується за формулою, отриманою на основі відомих термодинамічних залежностей із врахуванням вигляду рівняння стану, що застосовується для знаходження часткових похідних:

, (9)

де R - універсальна газова стала; Тгаз, Zгаз - температура та фактор стисливості газу.

За результатами дослідження відхилення ДТдр встановлено, що його значення в певних гідродинамічних режимах може досягати -0,5 єС. Отримано наступну залежність для визначення відхилення виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед ПЗП.

ДТ = ДТТ + ДТх + ДТдр. (10)

Додаткова похибка вимірювання витрати газу, зумовлена відхиленням виміряного значення температури газу від його дійсного значення перед ПЗП, визначається за формулою

%, (11)

де qс(ТРТ) - витрата газу, розрахована за виміряним значенням температури газу; qс(ТПЗП) - витрата газу, розрахована за дійсним значенням температури газу перед ПЗП, яке розраховується за формулою:

ТПЗП = ТРТ - ДТ. (12)

За результатами дослідження складових відхилення ДТ розроблено заходи для усунення впливу температурного режиму потоку газу на точність його обліку.

Для усунення відхилення ДТТ пропонується встановлювати термоперетворювач з теплоізоляційною вставкою та здійснювати теплоізоляцію ділянки трубопроводу в місці встановлення термоперетворювача.

Для усунення відхилення ДТх необхідно встановлювати теплоізоляцію вимірювальної ділянки трубопроводу, пропозиції щодо умов встановлення якої ввійшли в ГОСТ 8.586.1-2005.

Для усунення відхилення ДТдр необхідно встановлювати термоперетворювач до ПЗП.

Комплексний аналіз методу змінного перепаду тиску показав, що існує можливість підвищення точності розрахунку витрати природного газу шляхом уточнення коефіцієнтів основного рівняння розрахунку витрати газу.

На основі експериментальних даних розроблено аналітичну залежність для розрахунку коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми:

, (13)

де rк - радіус заокруглення вхідного канту діафрагми; d - діаметр отвору діафрагми.

Максимальна відносна методична похибка розрахунку коефіцієнта Kп за розробленою формулою становить -0,064 %. При розрахунку коефіцієнта Kп за формулою Лесового-Химко ця похибка становить -0,098 %, а згідно ГОСТ 8.563.1-97 - -1,425 %.

Розроблена аналітична залежність для розрахунку коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми увійшла в міждержавний стандарт ГОСТ 8.586.2-2005 Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств. Часть 2. Диафрагмы. Технические требования.

На основі експериментальних даних розроблено наступні аналітичні залежності для розрахунку допоміжних коефіцієнтів рівняння розрахунку коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед діафрагмою:

(14)

, (15)

де (Аш)доп - допустима відносна шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед діафрагмою; в - відносний діаметр отвору діафрагми; r0 - допоміжний коефіцієнт рівняння розрахунку коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед діафрагмою.

Максимальна відносна методична похибка розрахунку коефіцієнтів (Аш)доп та r0 за розробленими залежностями становить, відповідно, +3,14 % та -1,96 %. При розрахунку коефіцієнтів (Аш)доп та r0 за формулами Лесового-Химко максимальна методична похибка становить, відповідно, +4,40 % та +4,31 %, а згідно ГОСТ 8.563.1-97 - відповідно, +327,24 % та -14,23 %.

На базі методу надлишкової теплопровідності, методу відповідних станів та сучасних методів розрахунку властивостей природного газу розроблено алгоритм розрахунку коефіцієнта теплопровідності природного газу, який застосовується підчас розрахунку теплообмінних процесів, що впливають на точність обліку газу.

За результатами порівняльного аналізу розрахованих значень коефіцієнта теплопровідності природного газу з експериментальними даними встановлено, що розроблений алгоритм забезпечує розрахунок коефіцієнта теплопровідності природного газу за робочих умов з точністю ±5 %.

Четвертий розділ присвячений дослідженню впливу динамічних характеристик вимірювальних перетворювачів температури на вимірювання витрати та об'єму природного газу з коливними параметрами потоку газу.

На основі дослідження динамічних характеристик вимірювальних перетворювачів температури встановлено, що інерційність термоперетворювача опору становить від 9 до 240 с, а його функція передачі виражається у вигляді аперіодичної ланки першого порядку. Наявність захисної гільзи вносить додаткове запізнення виміряного сигналу температури газу, яке описується теж аперіодичною ланкою першого порядку.

Для моделювання відхилення виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу, зумовленого інерційністю термоперетворювача підчас коливання температури газу, (?Тін) та відповідної похибки вимірювання витрати газу (дqін) розроблено структурну схему із застосуванням розробленої математичної моделі системи підігріву газу.

В результаті проведеного моделювання отримано графіки зміни температури газу, відхилення ДТін та відповідної похибки вимірювання витрати газу дqін. За результатами моделювання відхилення ДТін для різних режимів роботи системи підігріву газу встановлено, що його значення може сягати ±1 єС.

Для усунення відхилення ДТТ необхідно зменшити інерційність термоперетворювача та усунути коливання температури газу на вимірювальній ділянці трубопроводу шляхом налагодження неперервного регулювання температури в системі підігріву газу за допомогою ПІД-регулятора.

У п'ятому розділі продемонстровано реалізацію способів усунення впливу температурного режиму потоку природного газу на точність вимірювання його витрати та об'єму.

Для умов роботи досліджуваної системи обліку природного газу з підігрівом газу на основі запропонованих способів усунення відхилень виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед ПЗП розроблено систему обліку природного газу, інваріантну до температурного режиму потоку газу, та проведено порівняльний аналіз точності обліку газу в цих системах (див.табл.1).

Таблиця 1 - Похибки вимірювання витрати та об'єму газу для досліджуваної та інваріантної до температурного режиму системи обліку газу

Назва параметра	Умовне позначення	Значення параметра
		Для досліджуваної системи	Для інваріантної системи
Відхилення температури, зумовлене	теплообміном між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу, єС	ДТТ	-0,391	0
	теплообміном між стінкою трубопроводу та навколишнім повітрям, єС	ДТх	-0,088	+0,007
	дроселюванням газу при його протіканні через ПЗП, єС	ДТдр	-0,016	0
	інерційністю термоперетворювача підчас коливання температури газу, єС	ДТін	-0,720	0
Відхилення виміряного значення температури газу від дійсного значення температури газу безпосередньо перед ПЗП, єС	ДТ	-1,215	+0,007
Додаткова похибка вимірювання витрати природного газу, %	дq	+0,252	-0,001
Річне спотворення виміряного об'єму природного газу, м3	?V	+75 334	-565

На основі отриманих математичних моделей для визначення відхилень виміряного значення температури, зумовлених теплообміном між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу, теплообміном між стінкою трубопроводу та навколишнім повітрям, дроселюванням газу при його протіканні через ПЗП, інерційністю термоперетворювача підчас коливань температури газу, а також запропонованих способів усунення цих відхилень розроблено методику визначення та усунення впливу температурного режиму потоку газу на точність вимірювання його витрати та об'єму підчас проектування та експлуатації систем обліку природного газу.

ВИСНОВКИ

нагрівання алгоритм природний газ

У результаті проведених теоретичних та експериментальних досліджень вирішена важлива науково-технічна задача - встановлення, визначення та усунення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед ПЗП, і одержано такі основні результати:

1. На основі проведеного аналізу методик визначення впливу температурного режиму потоку природного газу на точність вимірювання його витрати та об'єму за допомогою ПЗП у системах з підігрівом газу визначено основні недоліки існуючих підходів. Обґрунтовано необхідність розробки способів визначення та усунення впливу температурного режиму потоку газу на точність його обліку.

2. За результатами аналізу умов формування параметрів потоку природного газу класифіковано додаткові похибки вимірювання витрати та об'єму газу, зумовлені відхиленнями виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед ПЗП, що дає можливість виявляти причини появи похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу.

3. Розроблено математичну модель відхилення виміряного значення температури газу від його дійсного значення перед ПЗП, зумовленого теплообміном між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу, теплообміном між стінкою трубопроводу та навколишнім повітрям, дроселюванням газу при його протіканні через ПЗП, що дає можливість визначати похибки вимірювання витрати та об'єму газу, зумовлені впливом температурного режиму потоку газу.

4. Розроблено математичну модель додаткової похибки вимірювання витрати газу, зумовленої інерційністю термоперетворювача підчас коливань температури газу, що дає змогу визначати вплив динамічних характеристик термоперетворювачів на точність обліку природного газу.

5. Розроблено заходи для усунення додаткових похибок вимірювання витрати та об'єму природного газу, зумовлених відхиленням виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед ПЗП.

6. Розроблено систему обліку природного газу, інваріантну до температурного режиму потоку газу, для умов роботи вузла обліку природного газу з підігрівом газу.

7. Розроблено аналітичні залежності для розрахунку коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед ПЗП та коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми, що забезпечує підвищення точності розрахунку витрати та об'єму природного газу.

8. Розроблено алгоритм визначення коефіцієнта теплопровідності природного газу для розрахунку теплообмінних процесів, що впливають на точність визначення похибки обліку природного газу в системах з підігрівом газу.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Матіко Ф. Д., Федоришин Р. М. Дослідження впливу температурного режиму потоку природного газу на точність вимірювання його витрати методом змінного перепаду тиску // Вісник: Автоматика, вимірювання та керування. - 2007. - № 574. - С. 29-38.

2. Матіко Ф. Д., Федоришин Р. М. Аудит вузлів обліку природного газу з метою підвищення їх точності // Вісник: Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - 2006. - № 561. - С. 38-46.

3. Roman Fedoryshyn, Fedir Matiko and Yevhen Pistun. Audit of natural gas accounting units in order to improve measurement accuracy // Abstracts of International Youth Conference on Energetics. - Budapest (Hungary). - 2007. - P. 181-182.

4. Федоришин Р. М. Моделювання системи підігріву природного газу на автоматизованих газорозподільних станціях // Вісник: Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - 2007. - № 581. - С. 22-34 .

5. Лесовой Л. В., Федоришин Р. М. Визначення поправкового коефіцієнта на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу підчас вимірювання витрати газу // Вісник: Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація. - 2005. - №537.- С. 148-154.

6. Лесовой Л. В.,Федоришин Р. М. Визначення поправного множника на притуплення вхідного канту отвору діафрагми підчас вимірювання витрати газу Матеріали всеукраїнської науково-технічної конференції “Вимірювання витрати та кількості газу”. - Івано-Франківськ. - 2005. - С. 52-53.

7. Пистун Е. П., Лесовой Л. В., Федоришин Р. М. Уточнение поправочного коэффициента на притупление входной кромки диафрагмы расходомеров переменного перепада давления // Материалы 22-й Междунар. научно-практ. конф. “Коммерческий учет энергоносителей”. - Санкт-Петербург. - 2005. - С. 421-428.

8. Лесовой Л. В., Федоришин Р. М. Методика розрахунку витрати сухої частини вологого природного газу методом змінного перепаду тиску та поправного множника на притуплення вхідного канта отвору діафрагми // Збірник тез доповідей 62-ї студ. науково-техн. конф. НУ “Львівська політехніка”. - Львів. - 2004. - С. 70-72.

9. Матіко Ф. Д., Федоришин Р. М. Алгоритм розрахунку теплопровідності природного газу // Методи та прилади контролю якості. - 2007. - № 18. - С. 32-36.

АНОТАЦІЯ

Федоришин Р. М. Підвищення точності вимірювання об'єму природного газу за допомогою пристроїв звуження потоку в системах з підігрівом газу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - прилади та методи вимірювання механічних величин. - Національний університет “Львівська політехніка”, м. Львів, 2007.

Дисертація присвячена питанню підвищення точності вимірювання витрати та об'єму природного газу методом змінного перепаду тиску в системах з підігрівом газу. У дисертації розроблено математичну модель відхилення виміряного значення температури газу від його дійсного значення безпосередньо перед пристроєм звуження потоку, зумовленого теплообміном між гільзою термоперетворювача та стінкою трубопроводу, теплообміном між стінкою трубопроводу та навколишнім повітрям, дроселюванням газу при його протіканні через пристрій звуження потоку, інерційністю термоперетворювача підчас коливань температури газу. Досліджено умови формування температурного режиму потоку газу на вимірювальній ділянці трубопроводу, класифіковано додаткові похибки вимірювання витрати та об'єму газу, зумовлені впливом температурного режиму потоку газу, та розроблено заходи для усунення цих похибок. Розроблено аналітичні залежності для розрахунку коефіцієнта поправки на шорсткість внутрішньої поверхні трубопроводу перед пристроєм звуження потоку та коефіцієнта поправки на притуплення вхідного канту діафрагми. Розроблено алгоритм визначення коефіцієнта теплопровідності природного газу.

Ключові слова: природний газ, пристрій звуження потоку, система підігріву газу, температурний режим, теплообмін, похибка, математична модель, аналітична залежність, алгоритм.

АННОТАЦИЯ

Федоришин Р. М. Повышение точности измерения объема природного газа с помощью сужающих устройств в системах с подогревом газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.01 - приборы и методы измерения механических величин. - Национальный университет “Львовская политехника”, г. Львов, 2007. Диссертация посвящена вопросу повышения точности измерения расхода и объема природного газа по методу переменного перепада давления в системах с подогревом газа. В работе разработана математическая модель отклонения измеряемого значения температуры газа от действительного значения температуры газа непосредственно перед сужающим устройством, обусловленного теплообменом между гильзой термопреобразователя и стенкой трубопровода, теплообменом между стенкой трубопровода и окружающим воздухом, дросселированием газа при его истечении через сужающее устройство, инерционностью термопреобразователя при колебаниях температуры газа. Исследованы условия формирования температурного режима потока газа на измерительном участке трубопровода, классифицированы дополнительные погрешности измерения расхода и объема газа, обусловленные влиянием температурного режима потока газа, и разработаны меры для устранения этих погрешностей. Разработаны аналитические зависимости для расчета коэффициента поправки на шероховатость внутренней поверхности трубопровода перед сужающим устройством и коэффициента поправки на притупление входного канта диафрагмы. Разработан алгоритм определения коэффициента теплопроводности природного газа. Ключевые слова: природный газ, сужающее устройство, система подогрева газа, температурный режим, теплообмен, погрешность, математическая модель, аналитическая зависимость, алгоритм.

ABSTRACTS

Roman Fedoryshyn. Improvement of accuracy of natural gas volume measurement by means of pressure differential devices in systems with heating of gas. - Manuscript.

Dissertation for obtaining scientific degree of Candidate of Technical Sciences by the specialty of 05.11.01 - devices and methods for mechanical values measurement. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2007.

The dissertation is devoted to improvement of accuracy of natural gas flow rate and volume measurement by taking into account the influence of gas flow temperature regime on the accuracy of measurement.

Additional errors of gas flow rate and volume measurement caused by the deflection of the measured gas temperature from the true gas temperature at the pressure differential device are classified on the basis of the analysis of conditions of gas flow temperature regime forming at measuring section of pipeline.

A mathematical model of the deflection of the measured gas temperature from the true gas temperature at the pressure differential device caused by heat exchange between the thermometer case and the pipeline wall, heat exchange between the pipeline wall and the external air, gas throttling during its discharge through pressure differential device and inertia of the thermometer during gas temperature variations is developed with application of laws of heat exchange by convection, radiation and conduction. The mathematical model enables the additional errors of gas flow rate and volume measurement caused by the influence of gas flow temperature regime to be defined and eliminated subsequently.

A mathematical model of system for heating of natural gas is developed in the form of the fifth-order differential equation connecting the gas output temperature with the parameters of gas flow and the heating system. The mathematical model can by applied for gas flow temperature regime modeling at the measuring section of pipeline and for defining the additional errors of gas flow rate and volume measurement.

Measures are developed to eliminate the additional errors of natural gas flow rate and volume measurement caused by the influence of gas flow temperature regime. On the basis of the developed mathematical model of the deflection of the measured gas temperature from the true gas temperature at the pressure differential device and the developed measures to eliminate the additional errors of natural gas flow rate and volume measurement a technique is developed to define and eliminate the influence of gas flow temperature regime on the measurement accuracy at designing and running natural gas accounting systems. A natural gas accounting system invariant to gas flow temperature regime is developed with application of the technique.

The methodology of the pipeline internal roughness correction coefficient and the orifice plate upstream edge blunting correction coefficient definition is improved by means of development of analytical dependences to calculate these correction coefficients. Application of the developed analytical dependences ensures accuracy improvement at natural gas flow rate and volume calculation by means of the pressure differential method. The developed analytical dependence to calculate the orifice plate upstream edge blunting correction coefficient is included in GOST 8.586.2-2005 (ISO 5167-2:2003) Interstate Standard. Liquid and Gas Flow Rate and Volume Measurement by Means of Standard Pressure Differential Devices. Part 2. Orifice Plates. Technical Requirements.

An algorithm to calculate natural gas heat conductivity is developed using the residual heat conductivity method, the corresponding states method and modern methods to calculate natural gas properties. The developed algorithm ensures calculation of natural gas heat conductivity with an accuracy of ±5 %.

Key words: natural gas, pressure differential device, system for heating of gas, temperature regime, heat exchange, error, mathematical model, analytical dependence, algorithm.

Размещено на Allbest.ur