Измерение массового расхода нефти

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра автоматизации технологических процессов и производств

УДК 681.121:622.692.26

Бакалаврская работа

по направлению подготовки

220200 Автоматизация и управление

ИЗМЕРЕНИЕ МАССОВОГО РАСХОДА НЕФТИ

Студент гр. БАГ 08-01 А.А. Науразбаев

Руководитель, канд. техн. наук, доц. Э.А. Шаловников

Нормоконтролер М.Ю. Прахова

Уфа 2012



РЕФЕРАТ

Объектом исследования являются кориолисовые массовые расходомеры.

В процессе исследования выполнен анализ существующих средств измерения расхода нефти, обоснован выбор кориолисового расходомера и рассмотрен закон, лежащий в основе его принципа действия.

Цель работы - выбор кориолисового расходомера для измерения текущего значения расхода нефти.

В результате исследования рекомендован к использованию кориолисовый расходомер Micro Motion с чувствительным элементом серии ELITE модели CMFHC3.

Новизна работы заключается в cоставлении методики расчета массового расхода и оценке технологичности кориолисового расходомера.

Практическая значимость результатов работы состоит в расчете параметров кориолисового расходомера и использовании рассматриваемой конструкции расходомера в серийном производстве.



СОДЕРЖАНИЕ

Определения, обозначения и сокращения

Введение

1. Характеристика технологического объекта

1.1 Назначение и состав СИКН

1.2 Структурная схема соединений средств измерений

1.3 Технологическая схема

1.4 Режимы работы блока измерения качества

2. Расходометрия

2.1 Обзор принципов измерения расхода

2.2 Анализ технических характеристик и выбор расходомера

2.3 Описание работы кориолисовых расходомеров

3. Методика расчета параметров расходомера

3.1 Выбор сенсора кориолисового расходомера

3.2 Выбор преобразователя кориолисового расходомера

3.3 Алгоритм расчета параметров расходомера при текущем расходе

4. Методика поверки расходомеров Micro Motion

4.1 Подготовка к поверке

4.2 Проведение поверки

5. Технология производства кориолисового расходомера

5.1 Описание конструкции

5.2 Определение сборочного состава

5.3 Разработка технологического процесса сборки

5.4 Изготовление разделителя потока

5.5 Анализ технологичности кориолисового расходомера как сборочной единицы

Заключение

Список использованных источников



ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ

СИКН - система измерения количества и показателей качества нефти;

БИК - блок измерения параметров качества нефти;

ЯРНУ - Ярославское районное нефтепроводное управление;

ЛПДС - линейная производственно-диспетчерская станция;

ВА - вторичная аппаратура;

СОИ - система обработки информации;

ШОИ - шкаф обработки информации;

ТПУ - трубопоршневая установка;

ИВК - измерительно-вычислительный комплекс;

ПР - преобразователь расхода;

ПК - персональный компьютер;

МХ -метрологические характеристики;

ИЛ - измерительная линия;

БИЛ - блок измерительных линий;

РР - регулятор давления;

ТКО - товарно-коммерческие операции;

ФТО - фильтр тонкой очистки;

ПЛК - программируемый логический контроллер.



Введение

В связи с развитием рыночной экономики возникает необходимость реорганизации системы учета сырьевых и продуктовых потоков. Все потоки по своему типу на нефтеперерабатывающем заводе можно разделить на: входящие (сырье на завод), внутрицеховые, межцеховые, выходящие (продукция с завода). Однако их область не ограничивается только нефтяной промышленностью. Без расходомеров нельзя обеспечить управление, и тем более оптимизацию технологических режимов в энергетике, металлургии, целлюлозно-бумажной, пищевой и во многих других отраслях промышленности. Без этих приборов невозможны автоматизация и достижение максимальной эффективности производства. Они также нужны для проведения лабораторных и исследовательских работ.

Возрастающие требования к качеству измерения расхода на узлах коммерческого учета вызывают необходимость замены ряда устаревших приборов на современные. Актуальность темы заключается в том, что они должны удовлетворять ряду качественных критериев: высокая точность измерения, быстродействие, высокая надежность, малая зависимость точности измерения от изменения плотности вещества, широкая номенклатура измеряемых веществ.

Приборы, отвечающие этим требованиям, относятся к прямому методу измерения массы продукта. Таким прибором является кориолисовый массовый расходомер. Данный расходомер относится к группе приборов с непрерывно движущимся телом силового типа. Он обладает точностью выше, чем все остальные расходомеры, имеет ряд преимуществ перед объемными расходомерами. В первую очередь, это измерение массового расхода напрямую. Это особенно важно, если необходим точный учет жидкостей как в нефтяной промышленности.

Измерение расхода и количества является сложной задачей, поскольку на показания приборов влияют физические свойства измеряемых потоков: плотность, вязкость, соотношение фаз в потоке и т.д. Физические свойства измеряемых потоков, в свою очередь, зависят от условий эксплуатации, главным образом от температуры и давления. Измерение массового расхода исключает необходимость в переводе объемного расхода в массовый путем вычисления.

Целью данной выпускной квалификационной работы является выбор кориолисового расходомера для СИКН № 5 ЯРНУ ООО «Балтнефтепровод».

Задачами выпускной квалификационной работы являются:

- технологическое описание СИКН;

- анализ существующих средств измерения расхода;

- рассмотрение закона, лежащего в основе принципа действия кориолисового расходомера;

- составление методики расчета основных параметров кориолисового расходомера;

- описание методики поверки и конструкции кориолисового расходомера.

При выполнении выпускной квалификационной работы были использованы материалы компании ОАО «Нефтеавтоматика», касающиеся объектов ЯРНУ ООО «БАЛТНЕФТЕПРОВОД».



1. Характеристика технологического объекта

кориолисовый расходомер технологичность

1.1 Назначение и состав СИКН

Система измерения количества и показателей качества нефти № 5 (СИКН № 5), принадлежащая ООО «Балтнефтепровод», предназначена для автоматического измерения массы брутто и показателей качества нефти, поступающей по нефтепроводу «Ухта-Ярославль» диаметром 820 мм на ЛПДС «Ярославль», при учётных операциях по приему-сдаче нефти от ОАО «Верхневолжскнефтепровод» в ООО «Балтнефтепровод», с пределами допускаемой относительной погрешности измерений массы нефти при вероятности 0,95 не более ± 0,25% и пределами допускаемой относительной погрешности измерений массы нетто нефти при вероятности 0,95 не более ± 0,35%.

Основные функции СИКН:

- автоматическое измерение объёма и массы брутто нефти при рабочих условиях эксплуатации СИКН;

- автоматическое измерение значений плотности, влагосодержания и вязкости нефти;

- автоматическое измерение значений температуры и давления нефти;

- поверка и контроль метрологических характеристик преобразователей расхода по трубопоршневой установке в автоматическом и ручном режиме управления;

- автоматический отбор проб принимаемой нефти;

- регистрация и хранение результатов измерений, формирование отчётов.

В состав СИКН входят: технологическое оборудование; СИ, установленные на технологическом оборудовании и в операторной; БИК; ВА; СОИ: измерительно-вычислительный комплекс ШОИ, АРМ оператора «Cropos».

Технологические параметры СИКН представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Технологические параметры СИКН

Наименование параметра	Мин. значение	Макс. значение
Рабочий диапазон расхода, т/ч	350	6600
Рабочий диапазон плотности нефти при 200 С и избыточном давлении равном 0, кг/м3	850	890
Рабочий диапазон температуры нефти, С	0	40
Температура окружающей среды, С	Минус 50	Плюс 50
Рабочий диапазон кинематической вязкости нефти, сСт	15	70
Массовая доля воды, %, не более	1
Массовая доля механических примесей, %, не более	0,05
Концентрация хлористых солей, мг/ дм3, не более	300
Давление насыщенных паров, кПа	-	66,7
Содержание свободного газа, %	Не допускается
Режим работы СИКН	Непрерывный
Режим работы ТПУ	Периодический
Способ поверки ТПУ	По передвижной ТПУ 1-го разряда или мерной установкой
Электроснабжение	380/220 В, трехфазное/однофазное
Классификация по пожаро- и взрыво-безопасности	По НПБ - А, По ПУЭ - В-1а
Предел допускаемой относительной погрешности измерений массы нефти, %	± 0,25
Предел допускаемой относительной погрешности измерений массы нетто нефти, %	± 0,35

1.2 Структурная схема соединений средств измерений

Структурная схема соединений СОИ СИКН представлена на рисунке 1.1.

Система обработки информации состоит из комплекса средств обработки информации, устройств ввода и вывода информации, устройств сопряжения, индикации и регистрации результатов, блоков питания и искрозащиты, вторичных приборов и вспомогательных устройств.

Оборудование СОИ располагается в приборных шкафах:

шкаф приборный №1 - ШОИ;

шкаф приборный №2 - вторичной аппаратуры;

шкаф приборный №3 - управления и сигнализации;

шкаф приборный №4 - шкаф контроллера;

шкаф приборный №5 - шкаф АРМ.

Сигналы от ПР, преобразователей давления и температуры блока измерительных линий, а также сигналы от плотномеров, влагомеров, вискозиметра, преобразователей температуры и давления, смонтированных в БИК, поступают на измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) ШОИ. Управление четырехходовым краном и обработка сигналов ТПУ осуществляются так же ШОИ.

Управление задвижками и регуляторами расхода осуществляется контроллером Simatic, связанным по интерфейсу RS-232 с рабочим местом «АРМ оператора».

Объемно-массовый динамический метод измерения количества нефти основан на одновременном измерении массы и плотности нефти. Поток нефти воздействует на турбину ПР и создает в магнитоиндукционном датчике пропорциональный ему частотно-импульсный сигнал, который поступает на ИВК.

ИВК, на которую поступают также сигналы с датчиков плотномеров, вискозиметра, давления и температуры, обрабатывает поступающую информацию и выдает данные на дисплей и печатающее устройство, выполняет управление ТПУ и формирование отчетов, осуществляет постоянный контроль над процессом измерения параметров, отслеживает изменения параметров нефти и, в случае отклонения от установленных значений, выдает информацию оператору на дисплей и блок аварийной сигнализации. Оператор управляет процессом с ПК. Если показания включенного на линии плотномера превышают заданные пределы, блок аварийной сигнализации выдает сигнал отказа плотномера. Оператор включает в работу резервный плотномер.

Рисунок 1.1 - Структурная схема соединений средств измерений СИКН № 5

Измерительно-вычислительный комплекс ШОИ позволяет производить поверку, контроль МХ ПР по заложенной в нём программе.

Контроль работы оборудования осуществляется с приборного щита и дисплея, в случае отказов и отклонений от нормы информация-предупреждение выдается на монитор АРМ оператора.

АРМ обеспечивает:

двухстороннюю связь с ИВК;

визуализацию в реальном времени метрологических и технологических параметров в процессе учета нефти;

управление запорной арматурой;

управление регуляторами расхода;

проведение поверки и контроля МХ ПР по ТПУ;

оповещение персонала в случае выхода параметров за допустимые пределы, аварийных ситуациях и нарушении технологического режима с регистрацией в базе данных;

формирование, печать и хранение в течение 12 месяцев:

а) паспортов качества нефти;

б) актов приема-сдачи нефти;

в) протоколов поверки ПР по ТПУ;

г) журналов контроля ПР по ТПУ;

д) режимных листов;

е) всех типов отчетов (текущих, оперативных, сменных, суточных);

ж) интеграцию узла учета нефти в корпоративную информационную сеть предприятия;

з) передачу информации на верхний уровень.

Печать отчетной документации производится на сетевом принтере.

Управление электроприводными задвижками и регуляторами расхода осуществляется через АРМ контроллером Simatic по двухпроводной схеме.

АРМ оператора обеспечивает информационный обмен с контроллером Simatic по протоколу TCP/IP RTU и с ИВК по протоколу Modbus ASCII через интерфейсы RS-485.

1.3 Технологическая схема СИКН

Технологическая схема СИКН представлена на рисунке 1.2. В зависимости от условий эксплуатации каждая ИЛ СИКН может быть рабочей или резервной. Нефть, поступающая с нефтепровода Ухта-Ярославль диаметром 820 мм, учитывается одной, двумя, тремя четырьмя или пяти параллельно работающими измерительными линиями.

Нефть, поступающая по нефтепроводу «Ухта-Ярославль» через задвижку № 58 и № 59 проходит через блок фильтров грязеуловителей, задвижку № 508 и далее на БИЛ, где, пройдя фильтры тонкой очистки, струевыпрямители, ПР и далее через регулирующее устройство давления на выходе измерительной линии, через задвижку № 511 на ОАО «Славнефть-ЯНОС». При этом задвижки № 57 и № 509 закрыты и опломбированы представителями ЯРНУ.

Контрольные пломбы ставятся на задвижки № 509, 57, 58, на ПР на ИЛ, на дверцах шкафов ВА и в других необходимых случаях.

Технологическая схема СИКН содержит пять рабочих ИЛ. Каждая ИЛ состоит из входной задвижки (№ 512, 515, 518, 534, 524), фильтра тонкой очистки (Ф1У, Ф2У, Ф3У, Ф4У, Ф5У), струевыпрямителя, ПР (ТПР201У, ТПР202У, ТПР203У, ТПР204У, ТПР205У), регулятора давления (РР201У, РР202У, РР203У, РР204У, РР205У), выходной задвижки (№ 513, 516, 519, 535, 525). Параллельно выходным задвижкам смонтированы задвижки (№ 514, 517, 520, 523, 526) для соединения рабочей ИЛ с ТПУ.

Фильтры тонкой очистки служат для очистки нефти от механических примесей. На входе и выходе фильтра установлены устройства отбора давления для подсоединения манометров. Манометры с диапазоном измерений от 0 до 1,6 МПа, класс точности 0,6.

Технологические переключения производятся путем закрытия и открытия соответствующих задвижек и приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2 - Технологические переключения СИКН

№ ИЛв работе	№ задвижек
	Открыть	Закрыть	Проверить на герметичность и опломбировать
1	508, 512, 513, 510; 501, 502, 503, 504, (или 501, 502, 505, 506 или 503, 504, 505, 506); 59, 58	57, 507, 509, 514, 518, 519, 524, 520, 521, 522, 523, 525, 526, 529, 530	57, 509, 527 (или 528)
2	508, 524, 525, 510; 501, 502, 503, 504, (или 501, 502, 505, 506 или 503, 504, 505, 506); 59, 58	57, 507, 509, 512, 513, 514, 518, 519, 520, 521, 522, 523, 526, 529, 530	57, 509, 527 (или 528)
3	508, 518, 519, 510; 501, 502, 503, 504, (или 501, 502, 505, 506 или 503, 504, 505, 506); 59, 58	57, 507, 509, 512, 513, 514, 520, 521, 522, 523, 524, 525, 526, 529, 530	57, 509, 527 (или 528)
4	508, 521, 522, 510; 501, 502, 503, 504, (или 501, 502, 505, 506 или 503, 504, 505, 506); 59, 58	57, 507, 509, 512, 513, 514, 518, 519, 520, 524, 525, 526, 529, 530, 523	57, 509, 527 (или 528)
5	508, 515, 516, 510; 501, 502, 503, 504, (или 501, 502, 505, 506 или 503, 504, 505, 506); 59, 58	57, 507, 509, 512, 513, 514, 524, 520, 521, 522, 523, 525, 526, 529, 530	57, 509, 527 (или 528)

Рисунок 1.2 - Технологическая схема СИКН № 5

Для включения СИКН в работу подготавливаются коллекторы входа и выхода СИКН и затем открываются задвижки на ИЛ, которая будет включена в работу. Остальные задвижки на измерительных линиях закрыты.

Байпасные задвижки СИКН закрыты, проверены на герметичность.

ИЛ заполняется нефтью постепенно на закрытую выходную задвижку. Убедившись, что течи нефти в соединениях ИЛ нет, открывают выходную задвижку и с помощью регулирующих заслонок на выходе ИЛ создается необходимое давление, обеспечивающее все технологические параметры СИКН при проведении ТКО.

Опорожнение систем ИЛ от нефти производится открытием соответствующих вентилей на дренажных линиях в емкость сбора утечек.

При этом количество нефти, поступившей в емкость сбора утечек, учитывается отдельным актом по Паспорту качества текущей смены. Массу нефти, поступившей в емкость сбора утечек, определяют по градуировочной таблице, согласно МИ 2950-2005.

По окончании чистки ФТО заполнять ИЛ следует через выкидные задвижки. Таким образом, объем нефти, поступившей в емкость утечек равен объему нефти направленной на заполнение ИЛ, в этом случае акт на нефть, поступившую в емкость утечек, не составляется.

На входном коллекторе СИКН установлено пробозаборное устройство в соответствии с ГОСТ 2517-85, через которое нефть поступает в БИК.

Нефть, поступая в БИК, прокачивается насосом через плотномеры, влагомеры, вискозиметр и автоматический пробоотборник, затем возвращается через выходной коллектор БИК трубу во входной коллектор СИКН. При этом происходит автоматическое определение плотности, вязкости, температуры, влагосодержания, давления с последующей дистанционной передачей в измерительно-вычислительный комплекс ШОИ для пересчета объема нефти в массу брутто и выдачи информации на дисплей и принтер.

Для предотвращения повышения давления в системе СИКН схемой предусмотрена двойная защита оборудования и трубопроводов:

- при давлении 0,6 МПа открывается сбросная задвижка № 507;

- при давлении 0,7 МПа срабатывают предохранительные клапаны.

При этом количество нефти, поступившей в калиброванный резервуар аварийного сброса, учитывается отдельным актом по Паспорту качества текущей смены.

Любые изменения в схеме подачи нефти на СИКН и перекачки на объекты согласовываются сторонами заранее.

При получении телефонограммы об аварии на объектах магистральных нефтепроводов или о максимальном наличии нефти в резервуарных парках ООО «Балтнефтепровод», ОАО «СМН» обязано сократить до указанной величины или полностью остановить перекачку нефти через СИКН.

Производство планово-профилактических работ на объектах любой из сторон, связанных с сокращением или полным прекращением подачи нефти на СИКН, согласовываются сторонами заранее путем обмена телефонограммами не менее чем за 2 суток.

ООО «Балтнефтепровод» предоставляет ОАО «СМН» возможность контроля схем подачи нефти на СИКН и перекачки по технологическим трубопроводам. Изменение технологической схемы подачи нефти на СИКН производится после предварительного согласования с ОАО «СМН».

1.4 Режимы работы блока измерения качества

Технологическая схема БИК приведена на рисунке 1.3. Блок измерения качества нефти реализован по насосной схеме и имеет в своем составе две линии качества, оснащенных поточными преобразователями и средствами измерения, обвязка которых позволяет обеспечить работу поточных средств измерения в последовательном или параллельном режиме, а также вывод из работы одного из средств измерений не нарушая учетных операций.

Рисунок 1.3 - Технологическая схема БИКЧасть потока отбирается через щелевое пробозаборное устройство (ПЗУ) и поступает на блок измерения качества нефти.

Нефть от пробозаборного устройства через входную задвижку ЗД101, фильтры поступает на насосы и далее через обратные клапаны и шаровой кран на плотномеры Пл101, Пл102. На выходе плотномера установлен узел подключения пикнометрического стенда состоящий из шаровых кранов К182, К183, К184, К185. Далее нефть поступает на автоматический пробоотборник ПА, диспергатор Д101 с вентилем ручного отбора проб и на влагомеры Вл101, Вл102.

С выхода влагомера нефть последовательно поступает на поточный вискозиметр Вз101, ультразвуковой расходомер индикатор УПР101 и через регулятор расхода РР101 на выход блока контроля качества нефти и через выходную задвижку ЗД102 во входной коллектор БИЛ.

Давление и температура измеряются соответственно преобразователем давления ДД101 и преобразователями температуры ДТ101, ДТ102.



2. Расходометрия

Расход - это количество (масса или объем) вещества, протекающего через заданное сечение трубопровода (канала) в единицу времени.

Расходомер - это прибор или устройство, состоящее из нескольких частей, измеряющих расход вещества (жидкости, газа или пара) (ГОСТ 15528 - 86).

Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода.

Вычислитель - это специализированный микроконтроллер, запрограммированный для выполнения расчетов расхода и количества вещества, энергосодержания и др. параметров.

Массовый расход Q_m измеряется в единицах массы, деленных на единицу времени (килограмм в секунду - кг/с, килограмм в час - кг/ч и т.д.).

Объемный расход Q_v измеряется в единицах объема, деленных на единицу времени (кубических метрах в секунду - м³/с, кубических метрах в час - м³/ч и т.д.).

Единицы массы дают более полные и точные сведения о количестве или расходе вещества, чем единицы объема. Последние могут правильно определять количество вещества, если известны его давление и температура. Особенно это относится к измерению расхода газа, плотность которого сильно зависит и от температуры и от давления. В связи с этим на их фоне предпочтительнее выглядят массовые расходомеры, которые не требуют дополнительных преобразований, что увеличивает погрешность.

Измерительные системы являются разновидностью средств измерений, и на них распространяются все общие требования к средствам измерений. Измерительная система - это совокупность измерительных, связующих, вычислительных компонентов, образующих измерительных устройств (компонентов измерительной системы), функционирующих как единое целое и предназначенных: для получения информации о состоянии объекта; машинной обработки результатов; регистрации и индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки; преобразований данных [1].

2.1 Обзор принципов измерения расхода

Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей этих приборов. При выборе необходимо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров, а также обоснованности требований к точности измерения, учитывая при этом как степень важности удовлетворения тем, или другим требованиям, так и сложность измерительного устройства и условия его эксплуатации и поверки.

Условно расходомеры и счетчики можно подразделить на следующие группы.

A. Приборы, основанные на гидродинамических методах:

- переменного перепада давления;

- переменного уровня;

- обтекания;

- вихревые;

- парциальные.

Б. Приборы с непрерывно движущимся телом:

- тахометрические;

- силовые (в том числе вибрационные).

B. Приборы, основанные на различных физических явлениях:

- тепловые;

- электромагнитные;

- акустические;

- оптические;

- ядерно-магнитные;

- ионизационные.

Г. Приборы, основанные на особых методах:

- корреляционные;

- меточные;

- концентрационные.

2.1.1 Расходомеры, основанные на гидродинамических методах

Среди приборов группы А исключительно широкое применение получили расходомеры с сужающим устройством, относящиеся к приборам переменного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газов служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания. Сравнительно новые и весьма перспективны - вихревые расходомеры.

Расходомеры с сужающим устройством основаны на зависимости от расхода перепада давления, образующего на сужающем устройстве в результате частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую.

Причиной широкого распространения таких расходомеров являются следующие их достоинства:

- универсальность применения. Они пригодны для измерения расхода, каких угодно однофазных, а в известной мере и двухфазных, сред при самых различных давлениях и температурах;

- удобство массового производства. Индивидуально изготовляется только преобразователь расхода - сужающее устройство. Все остальные части, в том числе диффманометр и вторичный прибор, могут изготавливаться серийно; их устройство не зависит ни от вида, ни от параметров измеряемой среды;

- отсутствие необходимости в образцовых установках для градуировки. Градуировочная характеристика стандартных сужающих устройств может быть определена расчётным путём.

Наряду с этим, расходомеры с сужающим устройством имеют недостатки, наиболее существенными из которых являются следующие:

- квадратичная зависимость между расходом и перепадом, что не позволяет измерять расход менее 30% максимального из-за высокой погрешности измерения и затрудняет использование этих приборов для измерения расходов, изменяющихся в широких пределах;

- ограниченная точность, причём погрешность измерения колеблется в широких пределах (1,5%-3%) в зависимости от состояния сужающего устройства, диаметра трубопровода, постоянства давления и температуры измеряемой среды.

Принцип действия приборов переменного уровня основан на зависимости уровня жидкости в сосуде от расхода при свободном истечении ее через калиброванное отверстие (щель) в дне или боковой стенке.

Щелевые расходомеры хорошо зарекомендовали себя при измерении сильно загрязненных и быстро кристаллизующихся жидкостей и растворов. Диапазон измерения 0,1-50 м³/ч; основная погрешность устройства в комплекте с вторичным прибором ± 3,5%.

Вихревые расходомеры построены на принципе измерения скорости измеряемой среды пропорциональной частоте образования вихрей за телом обтекания.

Преимущественно данный тип расходомеров измеряет: жидкость, газ и пар. Измерение жидкостей ограничено вязкостью, поэтому этот тип применяется, прежде всего, для измерения расхода пара и газов. Ограничения - достаточно дороги для диаметров больше 200 мм.

Главными достоинствами этих расходомеров является: независимость точности измерения расхода от изменений температуры, давления и плотности измеряемой среды, высокая повторяемость и стабильность показаний, простота конструкции, легкость в монтаже, низкая стоимость обслуживания [2].

2.1.2 Расходомеры с непрерывно движущимся телом

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.

Рассмотрим поподробней расходомеры группы Б, к которым относится кориолисовый силовой расходомер.

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:

1) кориолисовые;

2) гироскопические;

3) турбосиловые.

Принцип действия турбосиловых расходомеров основан на закручивании потока жидкости в результате силового воздействия, пропорционального массовому расходу.

Гироскопическими называются силовые расходомеры, в которых возникает и измеряется гироскопический момент. Преобразователь гироскопического расходомера состоит из участка трубы в виде петли кольцевой или другой формы, которая вращается с постоянной угловой скоростью вокруг оси Х. Кориолисовые и гироскопические расходомеры объединяют в одну общую подгруппу - вибрационные расходомеры. Объединяет их то, что подвижный элемент преобразователя не вращается, а лишь совершает непрерывные колебания с постоянной или периодически затухающей амплитудой под влиянием внешнего силового воздействия. Во всех вибрационных преобразователях расхода в подвижном элементе возникает кориолисово ускорение и соответствующе силы, создающие момент М_к, пропорциональный массовому расходу Q_м. который действует навстречу вращающему моменту.

Для измерения расхода однофазных веществ (жидкости или газа) в большинстве случаев наиболее целесообразны турбосиловые расходомеры (особенно при измерении больших расходов). Гироскопические расходомеры пригодны лишь для измерения малых расходов в трубах, имеющих диаметр менее 50 мм. Кориолисовые расходомеры занимают промежуточное положение.

Преобразователи турбосиловых и кориолисовых расходомеров, не имеющие электропривода, проще, компактнее и надежнее в работе. Но угловая скорость вращения их зависит от расхода, измерительная схема сложнее и чаще приходится применять измерительные пружины. При этом точность измерения будет зависеть от совершенства упругих свойств пружин, влияния температуры на эти свойства и возможности их изменения во времени и при изменении частоты их вращения из-за отсутствия или несовершенства динамической балансировки.

Преобразователи с внешним электроприводом сложны и нерациональны. Электропривод лучше иметь внутри преобразователя, когда их роторы совмещены друг с другом, а статор отделен диамагнитной втулкой. Относительно просты расходомеры с электроприводом, у которых расход определяется измерением мощности, питающей электродвигатель. Но у них шкала с подавленным нулем (мощность при нулевом расходе), а пропорциональность между мощностью или силой питающего тока и расходом сохраняется лишь в определенных пределах.

Если вязкость измеряемого вещества может существенно изменяться, надо применять двухроторные турбосиловые или кориолисовые расходомеры с компенсацией вязкости. При этом роторы и зазоры у них должны быть совершенно одинаковы, равно как и характеристики электродвигателей, вращающих роторы.

Предпочтительно применение силовых расходомеров для измерения расхода двухфазных сред, в частности нефтегазовых потоков. Но при этом возникает опасность расслоения фаз при вращении подвижного элемента преобразователя расхода, особенно в турбосиловых расходомерах. В меньшей степени это явление наблюдается в кориолисовых расходомерах, поэтому они нашли применение для измерения расхода нефтегазовых потоков, но не с вращающимся ротором, а с колеблющейся (вибрирующей) трубой при небольшой частоте ее вибрации.

Тахометрическими называются расходомеры и счетчики, имеющие подвижный, обычно вращающийся элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу. Они подразделяются на турбинные, крыльчатые, шариковые, роторно-шаровые и камерные. Иногда крыльчатки называют турбинками, различаются они конструкцией лопаточного аппарата и подачей потока.

Измеряя скорость движения подвижного элемента, можно получить расходомер, а измеряя общее число оборотов (или ходов) его - счетчик количества (объем или массу) прошедшего вещества. Счетчики нефти и газа давно получили широкое распространение, так как для этого надо лишь соединить вал турбинки или другого преобразователя расхода через зубчатый редуктор со счетным механизмом. Для создания же тахометрического расходомера скорость движения элемента надо предварительно преобразовать в сигнал, пропорциональный расходу и удобный для измерения. В этом случае необходим двухступенчатый преобразователь расхода. Его первая ступень - турбинка, шарик или другой элемент, скорость движения которого пропорциональна объемному расходу, а вторая ступень - тахометрический преобразователь, вырабатывающий измерительный сигнал, обычно частоту электрических импульсов, пропорциональную скорости движения тела. Здесь измерительным прибором будет электрический частотомер: цифровой или аналоговый. Если его дополнить счетчиком электрических импульсов, то получим наряду с измерением расхода так же и измерение количества прошедшего вещества. Тахометрические расходомеры появились значительно позже упомянутых ранее счетчиков количества жидкости и газа и не получили еще столь широкого распространения. Их существенные достоинства - быстродействие, высокая точность и большой диапазон измерения. Так, если погрешность турбинных счетчиков нефти (ось которых через редуктор связана со счетным механизмом) равна ± 2%, то у измерителей количества, имеющих тахометрический преобразователь, эта погрешность снижается до ± 0,5%. Причина в том, что этот преобразователь почти не нагружает ось турбинки в отличие от редуктора и счетного механизма. Погрешность же турбинного расходомера от 0,5 до 1,5%, в зависимости от точности частотомера.

Основной недостаток турбинных расходомеров - изнашивание опор, и поэтому они непригодны для веществ, содержащих механические примеси. Кроме того, с увеличением вязкости вещества диапазон линейной характеристики уменьшается, что исключает их применение для очень вязких веществ. Но смазывающая способность измеряемого вещества желательна для турбинных расходомеров. Это делает их более пригодными для жидкостей, чем для газов.

Шариковые расходомеры служат для измерения расхода жидкостей, главным образом воды, в трубах диаметром до 150-200 мм. Их важное достоинство - возможность работы на загрязненных средах.

Камерные приборы наряду с турбинными отличаются большим разнообразием подвижных элементов, дающих наименование разновидностям этих приборов: роторные, поршневые, дисковые, с овальными шестернями, лопастные, винтовые и т.д. По сравнению с турбинными и шариковыми счетчиками количества они могут обеспечить большую точность и больший диапазон измерения. Так, несмотря на связь вала подвижного элемента с редуктором и счетным механизмом, погрешность у некоторых из них составляет всего ± (0,2…0,5)%. Кроме того, камерные счетчики пригодны для измерения количества жидкости любой вязкости, в том числе и очень большой. Но они чувствительны к загрязнениям и механическим примесям.

2.1.3 Расходомеры, основанные на различных физических явлениях

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.

Принцип измерения электромагнитных расходомеров основан на законе электромагнитной индукции. Электропроводящая жидкость есть проводник, электромагнитное поле создают катушки внутри расходомера, с электродов снимается ЭДС пропорциональное скорости жидкости. В свою очередь, зная скорость можно определить объемный расход.

Достоинства электромагнитных расходомеров: независимость показаний от вязкости и плотности измеряемого вещества, возможность применения в трубах любого диаметра, отсутствие потери давления, линейность шкалы, высокое быстродействие, возможность измерения агрессивных, абразивных и вязких жидкостей. Они пригодны для измерения расхода жидкости, у которых удельная электрическая проводимость не менее 10 См/м.

Недостатки: возможно измерение только электропроводящих жидкостей. Достаточно дороги для труб диаметром больше 300 мм. Недавно побежденное ограничение - некоторыми производителями получена методика имитационной поверки [3].

Расходомеры, основанные на эффекте Доплера, называются ультразвуковыми. Импульсы ультразвука направляются попеременно по потоку и против него. При этом скорость прохождения сигнала то складывается из скорости распространения ультразвука в среде и скорости потока, то эти величины вычитаются. Возникающая разность фаз импульсов в двух ветвях измерительной схемы регистрируется электронным оборудованием, и в итоге измеряется скорость потока, а по ней и массовая скорость (расход). Этот измеритель не вносит изменений в поток жидкости и может применяться как к потоку в замкнутом контуре, например, для исследований кровотока в аорте, или системы охлаждения атомного реактора, так и к открытому потоку, например реки.

Преимуществами акустических расходомеров также являются бесконтактность измерений, отсутствие движущихся частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах [2].

Тепловыми называются расходомеры, основанные 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.

Недостатком является большая инерционность. Для улучшения быстродействия применяют корректирующие схемы, а также импульсный нагрев. Вследствие чего усложняется схема конструкции.

Достаточно высокая температура измерения. Температурный предел применения расходомеров обычно не превосходит 150-200 °С и в редких случаях достигает 250 °С. При нагреве электромагнитным полем или жидкостным теплоносителем этот предел повышается до 450 °С [3].

2.1.4 Расходомеры, основанные на особых методах

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

Корреляционные расходомеры можно рассматривать как разновидность акустических расходомеров, так как используются акустические преобразователи.

Принцип действия корреляционного расходомера, счетчика воды основана на аппаратурном определении времени прохождения потоком расстояния между чувствительными датчиками, воспринимающими случайно распределенные физические неоднородности жидкости и преобразующими их в случайные электрические сигналы. Дело в том, что большинство однофазных потоков не однородны, поэтому параметры потока или свойства среды постоянно меняются случайным образом, например такие параметры как температура, плотность и др. После корреляционной обработки обычно с помощью микропроцессора по транспортному запаздыванию вычисляется период выходных импульсов и их формирование. Далее определяется объем и мгновенный расход воды. Состав расходомера, счетчика воды:

Расходомер состоит из преобразователей, как правило, акустических, вторичных преобразователей сигналов и микропроцессорного устройства.

Достоинства: корреляционные расходомеры могут применяться для измерения расхода загрязненных сред и многофазных потоков. Из-за отсутствия контакта с измеряемым веществом отсутствуют потери давления.

Недостатки: длительность процесса измерения, относительно невысокая точность не более 1,5-2% [4].

Меточными называют расходомеры, основанные на измерении времени перемещения какой-либо характерной части (метки) потока на контрольном участке пути.

Метку в потоке создают, как правило, искусственным путем. Метки могут быть самые разнообразные: ионизационные, радиоактивные, физико-химические, 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. Наибольшая точность достигается при отсутствии необходимости в отборе проб в контрольных сечениях. Длина контрольного участка, в зависимости от рода метки, может быть от нескольких миллиметров до нескольких километров [3].

2.2 Анализ технических характеристик и выбор расходомера

Выбор расходомера осуществляется на основании диапазона расхода, точности измерений и особенностей условий эксплуатации. В таблице 2.1 приведены основные технические характеристики рассмотренных расходомеров с требуемыми параметрами для СИКН при номинальном диаметре трубопровода 250 мм.

Таблица 2.1 - Технические характеристики расходомеров

Тип расходомера	Максимальный расход, м3/ч	Диапазон рабочих температур, °С	Максимальное давление, МПа	Погрешность измерения, %	Воспроизво-димость, %
Ультразвуковой DANIEL 3804	2233	От минус 45 до плюс 100	15,5	± 0,15	± 0,02
Турбинный HELIFLU	2000	От минус 30 до плюс 180	42	± 0,15	± 0,02
Турбинный TURBOQUANT-S	1900	От минус 50 до плюс 150	6,4	± 0,25	± 0,1
Кориолисовый Promass 84F	2530	От минус 50 до плюс 200	10	± 0,05	± 0,02
Кориолисовый Micro Motion ELITE	2930	От минус 50 до плюс 204	20,5	± 0,05	± 0,025

В результате проведенного анализа можно сделать вывод, что наиболее оптимальным расходомером для соответствующей СИКН является кориолисовый расходомер Micro Motion серии ELITE. Минимальная погрешность измерения, широкий диапазон рабочих температур, а также высокая точность и надёжность делают данный кориолисовый расходомер приоритетным в конкретной ситуации.

Выбор этого расходомера для использования также был обусловлен следующими характеристиками данного оборудования:

- возможность прямого измерения массового расхода (в соответствии с ГОСТ 26976-86 «Нефть и нефтепродукты. Методы измерения массы»);

- невосприимчивость к изменениям рабочей среды (на оборудование не влияют изменения вязкости, плотности, профиля скоростей, а воздействия температуры и давления на порядок ниже, чем у объемных расходомеров);

- высокая точность (суммарная погрешность узла учета по массе брутто определяется только погрешностью массового расходомера);

- надежность (расходомер не имеет движущихся частей, попадание механических частиц и свободного газа не приводит к повреждению сенсора);

- минимальная стоимость дополнительного оборудования (нет необходимости в прямых участках, струевыпрямителях, блоках качества с плотномерами и вискозиметрами, датчиках давления, температуры и т.д.);

- потребность в минимальном техническом обслуживании (в связи со стабильностью метрологических характеристик кориолисового расходомера нет необходимости во внеочередных поверках и периодическом монтаже-демонтаже для профилактического обслуживания).

Недостатками являются большие масса, габариты и цена, а также влияние внешней механической вибрации на показания изделий [5].

2.3 Описание работы кориолисовых расходомеров

Кориолисовыми называются расходомеры, в преобразователях которых под влиянием силового воздействия возникает кориолисово ускорение, которое, в свою очередь, приводит к появлению кориолисовой силы. Эта сила прямо пропорциональна массовому расходу. Для образования этого ускорения непрерывно вращающемуся преобразователю расхода придают конфигурацию, заставляющую поток перемещаться в радиальном направлении по отношению к оси вращения, совпадающей с осью трубопровода.

При движении тела относительно вращающейся системы отсчета, кроме центробежной силы инерции, появляется еще одна сила, называемой силой Кориолиса или кориолисовой силой инерции (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 ? Проявление силы Кориолиса

Появление силы Кориолиса можно обнаружить на следующем примере. На рисунке 2.1 (а) изображен горизонтально расположенный диск, который может вращаться вокруг вертикальной оси, и радиальная прямая OA. Шарик движется в направлении от O к А со скоростью х'. Если диск не вращается, шарик будет катиться вдоль прочерченной прямой. Если же диск привести во вращение в направлении, указанном стрелкой, то шарик будет катиться по изображенной пунктиром кривой ОВ, причем его скорость относительно диска х' будет изменять свое направление. Следовательно, по отношению к вращающейся системе отсчета шарик ведет себя так, как если бы на него действовала сила F_к, перпендикулярная к скорости х'.

Чтобы заставить шарик катиться по вращающемуся диску вдоль радиальной прямой, нужно сделать направляющую, например в виде ребра ОА на рисунке 2.1 (б). При качении шарика направляющее ребро действует на него с некоторой силой F_r. Относительно вращающейся системы отсчета (диска) шарик движется с постоянной по направлению скоростью. Это можно формально объяснить тем, что сила F_r уравновешивается приложенной к шарику силой инерции F_к, перпендикулярной к скорости х'. Сила F_к и есть сила Кориолиса [6].

Кориолисовый расходомер состоит из датчика расхода (сенсора) и преобразователя (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 - Общий вид кориолисового расходомера

Сенсор напрямую измеряет расход, плотность среды и температуру сенсорных трубок. На основе этой измеренной информации и пользовательских

настроек прибор может рассчитывать следующие величины: текущий объемный расход, суммарный массовый/объемный расход и концентрацию. Преобразователь конвертирует полученную с сенсора информацию в стандартный выходной сигнал.

На рисунке 2.3 приведена структурная схема измерения массового

расхода для кориолисового расходомера [7].

Рисунок 2.3 ? Структурная схема измерения массового расхода

Основой расходомера является сенсор, который состоит из одной или двух измерительных (сенсорных) трубок 1, имеющих изогнутую форму, которые приварены к участку трубопровода с фланцами. Измеряемая среда, поступающая в сенсор, разделяется на две равные половины, протекающие через каждую из измерительных трубок. Между трубками на специальном креплении расположена задающая катушка 2, создающая колебания трубок. По бокам трубок на входе и выходе установлены детекторы 3, определяющие положение трубок друг относительно друга. На рисунке 2.4 изображен сенсор с двумя U-образными трубками.

1 - сенсорные трубки; 2 - задающая катушка; 3 - детекторы скорости

Рисунок 2.4 - Сенсор кориолисового расходомера

Работа задающей катушки приводит к тому, что трубки колеблются в противоположном направлении друг к другу (рисунок 2.5). Колебания трубок имеют амплитуду менее 1 мм и частоту около 100 Гц.

Рисунок 2.5 - Направление движения трубок

Сборки магнитов и катушек-соленоидов, называемых детекторами, установлены на измерительных трубках. Катушки смонтированы на одной трубке, магниты на другой. Каждая катушка движется сквозь однородное магнитное поле постоянного магнита. Сгенерированное напряжение от каждой катушки имеет форму синусоидальной волны. Эти сигналы представляют собой движение одной трубки относительно другой.

Жидкости, протекающей через трубу, придается вертикальная составляющая движения вибрирующей трубки. При движении трубки вверх во время первой половины цикла колебания (рисунок 2.6) жидкость, втекающая в трубку создает сопротивление движению вверх, давя на трубку вниз. Поглотив вертикальный импульс при движении вокруг изгиба трубки, жидкость, вытекающая из нее, сопротивляется уменьшению вертикальной составляющей движения, толкая трубку вверх. Это приводит к закручиванию трубки.

Рисунок 2.6 - Силы, действующие на трубку при движении вверх

Когда трубка движется вниз во время второй половины цикла колебания, она закручивается в противоположную сторону. В этом закручивании и проявляется эффект Кориолиса.

Исходя из второго закона Ньютона, угол закручивания трубки прямо пропорционален количеству жидкости, проходящей через трубку в единицу времени (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Трубка сенсора и пара сил, приводящая к ее закручиванию

Детекторы измеряют фазовый сдвиг при движении противоположных сторон сенсорной трубки. Когда расход отсутствует, синусоидальные сигналы, поступающие с детекторов, находятся в одной фазе (рисунок 2.8 (а)). При наличии расхода, как результат изгиба трубок генерируемые детекторами сигналы не совпадают по фазе, так как сигнал от входной стороны запаздывает по отношению к сигналу с выходной стороны (рисунок 2.8 (б)). Разница во времени между сигналами ДТ измеряется в микросекундах и прямо пропорциональна массовому расходу. Чем больше ДТ, тем больше массовый расход.

Инерция жидкости создает силу Кориолиса, которая незначительно искривляет измерительную трубку. Степень искривления пропорциональна массовому расходу. Для определения степени искривления используются сенсоры. Температура трубки постоянно измеряется, поскольку ее колебательные свойства изменяются в зависимости от температурных изменений. Благодаря этому в измерения удается внести любые требуемые поправки [8].

а) б)

Рисунок 2.8 - Сигналы, поступающие с детекторов:

а - при отсутствии расхода; б - при наличии расхода

На проводник с током, которым является катушка, соединенная с одной трубкой, в магнитном поле (магнит) действует сила Ампера, равная произведению силы тока на векторное произведение элемента длины проводника на магнитную индукцию поля

.

где dF - элементарная сила Ампера;

I - сила тока;

dl - элемент длины проводника;

В - индукция магнитного поля.

Поскольку магнит и катушка жестко закреплены на разных трубках, то сила будет отталкивать и притягивать трубки друг от друга или друг к другу. Необходимым условием является наличие переменного тока в катушке, так как сила должна менять направление. Детектор может определить положение, скорость или ускорение трубок. Магнит и катушка в детекторе меняют свое положение друг относительно друга, во время того, как трубки колеблются, вызывая изменение в магнитном поле катушки. Поэтому синусоидальное напряжение на катушке представляет собой движение трубок.

Принцип действия детектора основан на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем в 1821 г. Это явление заключается в возникновении индукционного тока, при движении катушки в постоянном магнитном поле или движении магнита (сердечника) внутри неподвижной катушки. Индукционный ток направлен по правилу Ленца, которое говорит, что индукционный ток имеет такое направление, чтобы его собственное магнитное поле противодействовало изменению магнитного потока. Закон Фарадея: ЭДС электромагнитной индукции в контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф_m сквозь поверхность контура:

.

Естественная резонансная частота двухтрубной конструкции зависит от геометрии, конструкционных материалов и массы всей конструкции (массы трубок и массы жидкости внутри трубок). Масса трубы постоянна. Так как масса жидкости есть ее плотность, умноженная на объем (который также постоянен), частота вибрации может быть обусловлена плотностью протекающей жидкости. Следовательно, плотность жидкости может быть определена путем измерения резонансной частоты колебаний трубок (заметно, что плотность жидкости может быть определена и в отсутствие потока, пока трубки заполнены жидкостью и колеблются).

Толщина стенок трубок меняется значительно от модели к модели, но, тем не менее, даже самая крепкая трубка будет иметь толщину меньше, чем у трубопровода. В дополнение во многих конструкциях используются трубки малого диаметра, что резко увеличивает скорость потока (от 1,5-4 м/c до более, чем 10 м/с).

Кориолисовый расходомер должен быть сделан из особых материалов, так как он подвергается коррозии, а также для предотвращения питтинга, т. е. коррозии металлов, ведущей к образованию язв, полостей в металле, начинающихся с его поверхности. Для трубопроводов обычно используются углеродистые и нержавеющие стали, так как допускается небольшое количество питтинга. Для расходомера даже незначительное количество питтинга недопустимо, так как стенки тонкие, а питтинг порождает концентрацию напряжений в конструкции, что может привести к ее разрушению. Поэтому стандартные таблицы коррозии (основанные на критерии потери веса) не годятся при выборе материалов для кориолисового расходомера, и это должно быть учтено производителем [9].



3. Методика расчета параметров расходомера