Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ КОМІТЕТ УКРАЇНИ З ПИТАНЬ ТЕХНІЧНОГО РЕГУЛЮВАННЯ ТА СПОЖИВЧОЇ ПОЛІТИКИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ НАУКОВИЙ ЦЕНТР “ІНСТИТУТ МЕТРОЛОГІЇ”

УДК 681.12

ОПТИКО-ТЕПЛОВИЙ МЕТОД ВИМІРЮВАННЯ

ВИТРАТИ ПРИРОДНОГО ГАЗУ

Спеціальність 05.11.15 - Метрологія та метрологічне забезпечення

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Мощенко Інна Олексіївна

Харків-2005



Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти та науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Єгоров Андрій Борисович, Харківський національний університет радіоелектроніки, професор кафедри метрології та вимірювальної техніки

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, старший науковий співробітник Большаков Володимир Борисович, Національний науковий центр “Інститут метрології”, директор наукового центру ННЦ “Інститут метрології”

кандидат технічних наук, професор Чеховський Степан Андрійович, Івано-Франківський національний технічний університет нафти та газу, завідувач кафедри інформаційно-вимірювальної техніки та метрології

Провідна організація: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти та науки України

Захист дисертації відбудеться 09.12.2005 р. о 13-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.827.01 при Національному науковому центрі “Інститут метрології” за адресою: 61002, Харків, вул. Мироносицька, 42.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці ННЦ “Інститут метрології”.

Автореферат розісланий 08.11.2005 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради

доц., к.т.н. І.Ф. Дем'янков



АНОТАЦІЯ

Мощенко І. О. Оптико-тепловий метод вимірювання витрати природного газу. - Рукопис. оптичний газовий тепловий суміш

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.15 - Метрологія та метрологічне забезпечення. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2005.

Дисертацію присвячено розробленню нового метода вимірювання витрати природного газу, який дозволяє визначати витрату газу в трубопроводах великих діаметрів з високою точністю.

Встановлено, що спільний аналіз оптичних та теплових процесів в трубопроводі надає можливість розроблення методу вимірювання витрати газу, який працює в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів (до 1400 мм) з межами похибки на рівні ±0,4 %, та дозволяє зменшити складову похибки методу, що обумовлена взаємовпливом вимірювального перетворювача та вимірюваного середовища.

Досліджені оптичні властивості однокомпонентних та багатокомпонентних газових середовищ та обґрунтована можливість вимірювання витрати газу на основі їх аналізу. Отримані аналітичні закономірності залежності показника заломлення від параметрів стану газу в багатокомпонентних сумішах природних газів. Розраховані довжина хвилі джерела випромінювання, яка дозволяє для фіксованого діаметру трубопроводу мінімізувати складову загальної похибки, та максимально допустимий ступінь забруднення оптичної системи. Розраховані межи застосування моделі, які дозволяють знехтувати багатокомпонентністю газу без вагомого збільшення похибки методу. Теоретичні висновки підтверджені результатами експерименту.

Розроблено фізичну та математичну моделі системи “трубопровід - газове середовище” за наявності додаткового джерела нагрівання, які враховують характер розподілу швидкостей газового потоку. Здійснено дослідження температурного поля трубопроводу при наявності руху газового середовища. Встановлено, що існує єдиний максимальний екстремум залежності перепаду температури від відстані між досліджуваними перерізами трубопроводу (міжпроменевої відстані). Теоретичні висновки підтверджені результатами експерименту.

На основі сумісного аналізу оптичних та теплових явищ в газовому середовищі розроблений оптико-тепловий метод вимірювання витрати природного газу. Розроблено науково обґрунтовані основні вимоги до вибору довжини хвилі джерела випромінювання та міжпроменевої відстані, які дозволяють мінімізувати складову похибки методу. Досліджена метрологічна модель методу та оцінена його потенційно можлива точність.

Ключові слова: оптичний метод вимірювання, трубопровід, природний газ, температурне поле, показник заломлення, межи похибки.



АННОТАЦИЯ

Мощенко И. О. Оптико-тепловой метод измерения расхода природного газа. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2005.

Диссертация посвящена разработке нового метода измерения расхода природного газа, позволяющего определять расход газа в трубопроводах больших диаметров с высокой точностью.

Установлено, что совместный анализ оптических и тепловых процессов в трубопроводе предоставляет возможность разработки метода измерения расхода газа, работающего в широком диапазоне диаметров трубопроводов (до 1400 мм) с границами погрешности на уровне ±0,4 %, и позволяет уменьшить составляющую погрешности метода, обусловленную взаимовлиянием измерительного преобразователя и измеряемой среды.

Исследованы оптические свойства однокомпонентных и многокомпонентных газовых сред и обоснована возможность измерения расхода газа на основе их анализа. Получены аналитические закономерности зависимости показателя преломления от параметров состояния газа в многокомпонентных смесях природных газов. Рассчитаны длина волны источника излучения, позволяющая для фиксированного диаметра трубопровода минимизировать составляющую суммарной погрешности, и максимально допустимая степень загрязнения оптической системы. Рассчитаны границы применимости модели, которые позволяют пренебречь многокомпонентностью газа без весомого увеличения погрешности. Теоретические выводы подтверждены результатами эксперимента.

Разработаны физическая и математическая модели системы “трубопровод - газовая среда” при наличии дополнительного источника нагрева, которые учитывают характер распределения скоростей газового потока. Осуществлены исследования температурного поля трубопровода при наличии движения газовой среды. Установлено, что существует единственный максимальный экстремум зависимости перепада температуры от расстояния между исследуемыми сечениями трубопровода (межлучевого расстояния). Теоретические выводы подтверждены результатами эксперимента.

На основе совместного анализа оптических и тепловых явлений в газовой среде разработан оптико-тепловой метод измерения расхода природного газа. Разработаны научно обоснованные основные требования к выбору длины волны источника излучения и межлучевого расстояния, которые позволяют минимизировать составляющую погрешности метода. Исследована метрологическая модель метода и оценена его потенциально возможная точность.

Ключевые слова: оптический метод измерения, трубопровод, природный газ, температурное поле, показатель преломления, границы погрешности.



ABSTRACT

Moshchenko I.A. Optic-thermal method of natural gas charge measurement. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree in technical science by speciality 05.11.15 - Metrology and measurement assurance. - Kharkiv National University of Radio Electronics, Kharkiv, 2005.

The dissertation thesis is devoted to the new natural gas charge measurement method, which allows to determine the gas charge in a big pipelines with high accuracy.

It is established that the joint analysis of optical and thermal processes in the pipeline provides an opportunity for the gas charge measurement devices realization in pipelines of wide diameters range (up to 1400 mm) with an error bound less that ±0,4 % and allows to reduce component of the measurement error caused by the interference of gas and measuring converter.

Optical processes in the gas are investigated and the possibility of gas charge measurements based on their analysis is proved. Analytical formulas of the refraction index dependence from the gas condition parameters in multicomponent natural gases mixes are obtained. Wave length of a radiation source which allows to make charge measurements for a concrete pipeline diameter with a given accuracy and the maximal allowed optical system fouling factor are calculated. All theoretical conclusions are confirmed by the experiment results.

Physical and theoretical models of the `pipeline-gas' system which consider the gas flow velocity distribution character were developed involving an additional heating source. Researches on the pipelines temperature field under the gas flow were carried out. It is determined that a single maximal extremum of temperature drop dependency on the distance between researched pipelines sections. Theoretical conclusions are confirmed by the experiment results.

On the basis of the gas optical and thermal processes joint analysis the optic-thermal method of natural gas charge measurement is developed. Basic scientifically valid wave length choice and the distance between researched pipelines sections specifications allowing to minimize the method error in the pipelines of wide diameters range are worked out. The metrological model of the method is investigated and its potential accuracy is estimated.

Key words: optic method of measurement, pipeline, natural gas, temperature field, refraction index, confidence error.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Нафтогазова промисловість України як окрема галузь паливно-енергетичного напрямку економіки держави є сьогодні однією з найбільш перспективних й інтелектуально насичених галузей народногосподарського комплексу. Забезпечення високоточного обліку й ощадливого використання природного газу є сьогодні найважливішим науковим і практичним завданням науки і техніки України.

Проблема полягає в тому, що технічне і метрологічне забезпечення нафтогазового комплексу в Україні знаходиться на не достатньо високому рівні. Це пов'язано в першу чергу з тим, що більш 90 % загального обсягу газу враховується системами, що засновані на методі змінного перепаду тиску. Цей метод обліку ще десять років тому був досить прогресивним. Однак навіть найкращі системи обліку, що засновані на застосуванні діафрагм, забезпечують похибку вимірювання близько ±1,0 %. Основним недоліком діафрагмових вузлів вимірювання витрати природного газу є швидка зміна характеристики перетворення звужувальних пристроїв через деформацію їхньої поверхні в результаті руйнівного впливу газового потоку. Також застосування первинних перетворювачів, заснованих на методі змінного перепаду тиску, призводить до виникнення значної складової похибки вимірювання, яка обумовлена впливом датчика на середовище.

Застосування безконтактного методу вимірювання витрати газу, заснованого на оптичних явищах, дозволяє зменшити складову похибки, яка обумовлена взаємовпливом газового середовища та вимірювального датчика, розширити діапазон вимірюваних витрат. Дослідження, пов'язані з розробленням оптичних методів вимірювання витрати газу, що активно проводилися в 60-70 роках XX ст., загальмувалися через відсутність необхідної технічної бази та методичні труднощі - недостатню чутливість оптичного методу в процесі вимірювання витрати газу. Задача вдосконалення оптичного методу шляхом підвищення його чутливості вимагає свого рішення в силу можливості реалізації на його основі безконтактних пристроїв вимірювання витрати газу, які працюють у діапазоні діаметрів трубопроводів до 1400 мм та водночас забезпечують похибку вимірювання не більш ±0,5 %.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дисертація виконана на кафедрі Метрології та вимірювальної техніки Харківського національного університету радіоелектроніки в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи № 187 “Розробка системи електромагнітного моніторингу промислових районів” (ХНУРЕ), держбюджетної науково-дослідної роботи “Науково-технічне, інформаційне та метрологічне забезпечення експлуатації газовимірювальних систем на ПВВГ та ГВС ДК “Укртрансгаз”” (НДПІАСУтрансгаз, № ДР 0105U004056), робіт з договорів про науково-технічне співробітництво з НДПІАСУтрансгаз, ЗАТ НПП “Інтертек”.

Мета та задачі дослідження: Метою дисертаційного дослідження є розроблення нового методу вимірювання витрати природного газу на базі оптичного та теплового методів - оптико-теплового методу.

Для досягнення поставленої мети треба вирішити наступні задачі:

- розробити модель для дослідження оптичних властивостей однокомпонентних та багатокомпонентних газових середовищ;

- розробити модель для дослідження теплових та гідродинамічних процесів в системі “трубопровід - газове середовище” при наявності зовнішнього джерела нагрівання;

- створити фізичну і математичну моделі оптико-теплового методу вимірювання витрати газу та дослідити метрологічну модель методу;

- розробити науково обґрунтовані основні вимоги до вибору оптимальних параметрів моделі методу, що забезпечують мінімізацію похибки методу вимірювання в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів.

Об'єкт дослідження - моделі та методи вимірювання витрати природного газу.

Предмет дослідження - безконтактний оптико-тепловий метод вимірювання витрати природного газу.

Методи дослідження базуються на використанні теорії атомної будови матерії при дослідженні оптичних властивостей газових середовищ з різними показниками заломлення, теорії теплопередачі та теорії прикордонного шару при розробленні математичної моделі системи “трубопровід - газове середовище”, теорії похибок при оцінюванні похибок експериментальних результатів та похибки оптико-теплового методу в цілому.

Наукова новизна одержаних результатів. Наукова новизна дисертації полягає в постановці і вирішенні задачі розроблення безконтактного оптико-теплового методу вимірювання витрати природного газу. В результаті роботи:

- встановлено закономірності залежності показника заломлення від параметрів стану в багатокомпонентних сумішах природних газів та межи їх застосування;

- розроблено модель аналізу теплових та гідродинамічних процесів в системі “трубопровід - газове середовище” при наявності зовнішнього джерела нагрівання, яка враховує закони розподілу швидкостей газового потоку;

- розроблено фізичну та математичну моделі безконтактного оптико-теплового методу вимірювання витрати природного газу у діапазоні діаметрів трубопроводів до 1400 мм з межами похибки на рівні ±0,4 %;

- науково обґрунтовані основні вимоги до вибору довжини хвилі джерела випромінювання та міжпроменевої відстані, які дозволяють мінімізувати похибку методу в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів.

Практичне значення одержаних результатів. Застосування оптико-теплового методу вимірювання витрати природного газу дозволяє зменшити складову похибки вимірювання, яка обумовлена взаємовпливом вимірювального перетворювача та газового середовища; розширити верхню межу діаметрів газових трубопроводів, для яких здійснюється вимірювання витрати природного газу, до 1400 мм. Метод дозволяє створювати на його основі засоби вимірювальної техніки, що можуть працювати у діапазоні діаметрів трубопроводів до 1400 мм з достатньо високою точністю.

Матеріали дисертації впроваджені в НДПІАСУтрансгаз, ЗАТ НПП “Інтертек”, в Харківському національному університеті радіоелектроніки, в Національному університеті внутрішніх справ.

Особистий внесок здобувача. Усі положення, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто. З 15 публікацій за темою дисертації 13 робіт написані в співавторстві, у яких здобувачу належать постановки задач, вибір і обґрунтування їхнього рішення.

При виконанні дисертаційного дослідження особисто здобувачем:

- теоретично та експериментально досліджено особливості розподілу температурного поля газового трубопроводу з зовнішнім джерелом нагрівання;

- теоретично та експериментально досліджено оптичні властивості однокомпонентних та багатокомпонентних газових середовищ;

- розроблено фізичну, математичну та метрологічну моделі оптико-теплового методу вимірювання витрати газу.

Апробація роботи. Основні результати дисертації були представлені, доповідалися та обговорювалися на:

- міжнародному молодіжному форуму "Радиоэлектроника и молодежь в XXІ веке". - Харків, квітень 2002, 2005;

- науково-технічній конференції “Датчик-2003”. - Крим, Судак, травень 2003;

- міжнародній науково-технічній конференцій “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”. - Харків, вересень 2002, 2003, 2004;

- міжнародній науково-технічній конференції “Метрологія та вимірювальна техніка (Метрологія - 2004)”. - Харків, жовтень 2004;

- всеукраїнській науково-технічній конференції “Вимірювання витрати та кількості газу (Витратометрія-2005)”. - Івано-Франківськ, травень 2005.

Публікації. Основні результати наукових досліджень по дисертаційній роботі відображенні в 15 публікаціях, з них - 6 статей у 5 різних фахових виданнях (2 без співавторів), 8 тез доповідей на Міжнародних та всеукраїнських науково-технічних конференціях, 1 патент України.

Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, переліку використаних літературних джерел із 126 найменувань.

Дисертаційну роботу викладено на 139 сторінках тексту, в тому числі 36 рисунків та 11 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито стан наукової проблеми та її значущість, обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, показано зв'язок вибраного напрямку досліджень з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету та основні задачі досліджень, подано наукову новизну і практичне значення отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведені дані про впровадження результатів роботи, її апробацію та публікації.

У першому розділі проаналізовано стан технічного забезпечення витратометрії в Україні; сформульовано загальні вимоги, що висуваються до технічних характеристик витратомірів; розглянуто основні методи вимірювання витрати речовин, їх переваги та недоліки; наведено порівнювальний аналіз засобів вимірювання витрати речовин, які застосовуються в сучасній промисловості.

Витратоміри змінного перепаду тиску залишаються найбільш розповсюдженим типом витратомірів до сьогоднішнього часу. Домінування витратомірів цього типу на українських газовимірювальних станціях часто призводить до небажаних наслідків. Вимірювальні пристрої, які засновані на методі змінного перепаду тиску, мають недостатньо високу точність (похибка вимірювання складає близько ±1,0 %). На газовимірювальних станціях додаткова похибка вимірювання внаслідок забруднення трубопроводу виявляється одночасно в основній і дублюючій системах, представлених витратомірами змінного перепаду тиску, тому що вони зазвичай працюють на одному звужувальному пристрої. Виявити додаткову похибку в таких умовах вдається тільки за допомогою контрольної системи, що працює на безконтактних витратомірах. Таким чином, гостро постає питання про розроблення і впровадження витратовимірювальних засобів, заснованих на альтернативних методах вимірювання витрати, зокрема методах, що реалізують безконтактні схеми вимірювання.

Серед витратомірів з безконтактними системами вимірювання витрати речовин найбільш розповсюджені ультразвукові пристрої, які мають досить високу точність. Однак застосування ультразвукового методу вимагає використання ультразвукових імпульсів великої потужності, які впливають на фізичні процеси в газовому середовищі, що призводить до виникнення складової похибки вимірювання, обумовленої впливом вимірювального перетворювача на вимірюване середовище.

Уникнути основних недоліків витратомірів змінного перепаду тиску та ультразвукових витратомірів дозволяє застосування оптичних методів вимірювання витрати газу. Розробка безконтактних методів вимірювання витрати газу, дозволить виключити негативний вплив газового середовища на вимірювальний датчик, підвищити точність вимірювання в широкому діапазоні вимірюваних витрат.

На основі розглянутого матеріалу сформульовані мета, задачі та шляхи вирішення проблем, поставлених у дисертаційному дослідженні.

У другому розділі досліджуються оптичні властивості однокомпонентних та багатокомпонентних газових середовищ. На основі рівнянь, які пов'язують показник заломлення з молекулярною рефракцією та параметрами стану природного газу, запропоновано основні принципи розрахунку показника заломлення газової суміші виходячи з відомих молекулярних рефракцій окремих складових. Розраховано межи застосування формул, виходячи з можливості вважати газ однорідним. Висунуто основні вимоги до вибору довжини хвилі джерела випромінювання, які дозволяють для конкретного діаметру трубопроводу забезпечити мінімізацію похибки визначення витрати. Розрахований максимально допустимий рівень забруднення оптичної системи. Розроблено експериментальну установку для дослідження показника заломлення суміші природних газів. Наведено результати досліджень порівняно з розрахованими даними. Здійснено статистичну обробку результатів експерименту. Зроблено висновки про можливість застосування залежності оптичних властивостей газового середовища від параметрів стану для визначення витрати газу.

Фізична суть оптичного методу вимірювання витрати газу полягає в наступному: при наявності переносу газу по трубопроводу в двох рознесених перерізах буде існувати різниця тисків, що викликає розходження показників заломлення середовища в цих перерізах. Внаслідок цього будуть розрізнятися і фазові швидкості оптичних променів, що проходять через досліджувані перетини, відстань між якими є міжпроменевою відстанню. Виникаюча оптична різниця ходу променів вимірюється системою, що складається з інтерферометра та блока обробки вимірювального сигналу. Визначаючи оптичну різницю ходу променів, можна зробити висновок про різницю тисків, тобто про швидкість або витрату газу в трубопроводі.

Для дослідження оптичних процесів в газовому середовищі використана теорія атомної будови матерії.

При відомих значеннях атомних рефракцій елементів, що складають сполуку, молекулярну рефракцію сполуки можна розрахувати за формулою:



(1)

де та - кількість атомів і атомна рефракція n-ного елементу сполуки.

Підсумкова молекулярна рефракція багатокомпонентної газової суміші дорівнює сумі внесків кожної складової:

; (2)

де та - кількість молекул та молекулярна рефракція n-ного елементу газової суміші.

Молекулярна рефракція пов'язана з показником заломлення газу при відомих параметрах стану наступним чином:

(3)

де - показник заломлення газу; - тиск газу; - абсолютна температура газу; - газова постійна. Для отримання основних теоретичних співвідношень введено припущення, що досліджуване газове середовище являє собою ідеальний газ, тобто взаємодією його молекул між собою можна знехтувати. У цьому випадку рівняння, що пов'язує показник заломлення газу, тиск та температуру, має вигляд

; (4)



де - заряд електрону; - маса електрону; - електрична постійна; - стала Больцмана; - власна частота коливань електрону; - частота електромагнітної хвилі; - кількість різних частот коливань електронів газу. Теоретично визначені показники заломлення суміші природних газів і рівняння (1) - (4) дозволяють здійснити моделювання процесу зміни показника заломлення суміші газів, обумовленого різними параметрами стану газового середовища для різних видів природних газів та їх сумішей (метан, етан, пропан, бутан). Це надає можливість оцінити умови застосовності оптичного методу вимірювання витрати газу, а також порівняти отримані теоретичні результати з експериментальними даними для виявлення адекватності розробленої моделі реальним процесам.

Розроблена схема експериментальної установки для вимірювання показників заломлення газової суміші при різних значеннях тисків і фіксованій температурі складається з інтерферометра Жамена; вакуумного насоса; резервуара з сумішшю газів; манометра.

Методика вимірювання полягала в наступному: за допомогою вакуумного насоса повітря відкачувалось з однієї кювети, а потім у неї нагніталася з резервуара суміш природних газів. Тиск газу фіксувався за допомогою манометра. В результаті проходження променів світла в інтерферометрі через кювету з досліджуваним газом відбувався зсув інтерференційної картини на смуг. Показник заломлення газу визначався при інших відомих параметрах як

; (5)

де - показник заломлення повітря; - показник заломлення газової суміші; - довжина кювети; - кількість інтерференційних смуг; - довжина хвилі в вакуумі.

Графіки залежності показника заломлення багатокомпонентної суміші газів (метан (94,028 %), етан (3,227 %), пропан (0,657 %), бутан (0,206 %), пентани (0,069 %), гексани (0,127 %), азот (1,439 %), двооксид вуглецю (0,241 %), кисень (0,006 %)) від тиску за різних значень температури й отримані експериментальні результати наведені на рис. 1. Склад суміші розраховувався за даними Сертифікату фізико-хімічних параметрів природного газу, переданого УМГ “Харківтрансгаз” та прийнятого ХГРС-1 газопроводу ШХ від 12.03.03.

Експериментально отримані дані в межах похибки вимірювання узгоджуються з теорією (довірчі інтервали результатів дослідження складають ,,,,).

В розділі висунуто основні вимоги до вибору довжини хвилі джерела випромінювання, які дозволяють для конкретного діаметру трубопроводу забезпечити мінімізацію похибки визначення витрати (для трубопроводу діаметром 300 мм довжина хвилі джерела випромінювання не повинна перевищувати 2 мкм). Розрахований максимально припустимий ступень забруднення оптичних стекол системи (коефіцієнт, що характеризує додаткову оптичну різницю ходу променів джерела випромінювання, для трубопроводу діаметром 300 мм не повинен перевищувати 3?10^-7 м). Розраховано критичне значення відхилення молекулярної рефракції газової суміші від молекулярної рефракції чистого метану, що дозволяють знехтувати неоднорідністю суміші (відхилення не повинно перевищувати ±0,02 %).

Недоліком визначення перепаду тисків оптичним методом є недостатня чутливість. Для підвищення чутливості методу між оптичними променями на поверхні трубопроводу пропонується ввести додаткове джерело нагрівання, що дозволяє штучно збільшити різницю показників заломлення в досліджуваних перерізах.

У третьому розділі досліджено розподіл температурного поля газового трубопроводу при наявності зовнішнього джерела нагрівання; розроблено фізичну та математичну моделі трубопроводу із зовнішнім джерелом нагрівання; здійснено розв'язання чисельним методом скінчених різниць рівняння теплопровідності; розроблено експериментальну установку для дослідження температурного поля газового трубопроводу; наведено результати експерименту після статистичної обробки даних; розраховано похибки вимірювання; результати дослідження проаналізовано та зроблено висновки.

Фізична модель є нескінченно довгою металевою трубою з внутрішнім радіусом і товщиною стінки . На зовнішній поверхні труби розташований нагрівач довжиною . Всередині труби рухається газ зі швидкістю . З зовнішньої поверхні металевої труби відбувається теплообмін з навколишнім середовищем відповідно до закону Ньютона-Ріхмана.

При розгляді гідродинамічно і термічно стабілізованого руху газу в прямій круглій трубі, рівняння теплопровідності для осесиметричного стаціонарного потоку може бути представлено наступними рівняннями (6), (7).

Рівняння теплопровідності у циліндричних координатах для газу, що знаходиться в трубі (), для розглянутої системи при може бути зображено у вигляді:

(6)



де - коефіцієнт температуропроводності газу; - коефіцієнт теплопровідності газу; - щільність газу; - теплоємність газу; - швидкість газу в радіальному напрямку; - швидкість газу в подовжньому напрямку; - збільшення температури нагрітого газу в порівнянні з температурою середовища; - змінний радіус; - подовжня координата, спрямована по осі труби в напрямку руху газу.

Всередині металевої труби () тепло розповсюджується за наступним законом:

(7)

де - збільшення температури нагрітої труби в порівнянні з температурою середовища; - коефіцієнт температуропроводності металевої труби; - щільність теплового потоку; - коефіцієнт теплопровідності металевої труби.

З зовнішньої сторони металевої труби () відбувається теплообмін з навколишнім середовищем відповідно до закону Ньютона-Ріхмана:

(8)

де - коефіцієнт теплообміну труби з навколишнім середовищем; - температура поверхні металевої труби; - температура навколишнього середовища.

Граничні умови на межі розділу метал-газ ():

;

(9)

Для реальних умов руху газу в газотранспортних системах закони розподілу швидкостей у різних ділянках перерізу трубопроводу можуть бути представлені таким чином:

1. В турбулентному ядрі потоку ( - відстань від осі труби, при якому турбулентний рух в основній частині труби переходить у ламінарний прикордонний шар) розподіл швидкостей може бути представлено як

(10)

де - швидкість газу на осі труби; - коефіцієнт, визначається як функція Ламберта з рівняння , - число Рейнольдса.

2. При швидкість на межі ламінарного і турбулентного рухів визначається рівнянням:

. (11)

3. При має місце ламінарний прикордонний шар, швидкість у якому описується рівнянням:



(12)

Вплив гравітаційних конвекційних потоків газу на розподіл температури всередині трубопроводу можна знехтувати (для швидкостей більш 0,15 м/с гравітаційна конвекційна складова теплового потоку не перевищує 1,0 % від сумарного переносу тепла в системі, тоді як в реальних газових потоках у газопроводах швидкість звичайно більша за 1 м/с).

Граничні умови розробленої моделі (8), (9) зберігаються за умов сталості коефіцієнта теплообміну . Сталість коефіцієнта теплообміну на зовнішній поверхні трубопроводу в реальних умовах можна забезпечити за допомогою металевого циліндра, розташованого на невеликій відстані від поверхні трубопроводу.

У результаті застосування методу скінчених різниць при розв'язанні рівняння теплопровідності були отримані значення температури в заздалегідь визначених точках координатної сітки.

Для дослідження температурного поля системи “трубопровід - газове середовище” із зовнішнім локальним джерелом нагрівання була розроблена і реалізована схема експериментальної установки. Адекватність розрахункових даних була підтверджена шляхом побудови температурних полів у досліджуваній системі і порівняння розрахункових і експериментальних результатів при однакових значеннях параметрів системи.

Газ, що знаходився в ділянці труби, приводився в рух вздовж осі труби за допомогою вентилятора, який дозволяв регулювати швидкість руху газу. Ділянка труби ззовні нагрівалася за допомогою нагрівача. Всередині труби був розташований датчик температури, який рухався вздовж двох координат. Експеримент полягав у тому, що температура газу всередині ділянки труби фіксувалася в різних точках координатної сітки за різних значень потужності нагрівання зовнішньої поверхні труби і швидкості руху газового потоку.

Зокрема, розподіл температури газового потоку вздовж подовжньої координати наведено на рис. 3, розподіл температури за радіусом у поперечному перерізі труби в координаті =0 наведено на рис. 4. Розподіл температури відповідає наступним параметрам системи "трубопровід - газове середовище": =0,06 м, =0,001 м, =0,04 м, потужність нагрівання =38 Вт, =18 єС, склад газу (метан (94,028 %), етан (3,227 %), пропан (0,657 %), бутан (0,206 %), пентани (0,069 %), гексани (0,127 %), азот (1,439 %), двооксид вуглецю (0,241 %), кисень (0,006 %) (розділ 2)).

Ыснує єдиний максимальний екстремум залежності перепаду температур від відстані між точками визначення температури. Визначення температури саме в цих координатах дозволяє забезпечити максимальну чутливість при використанні перепаду температур як інформативного параметру при вимірюванні витрати газового потоку. Тому доцільним є вибір міжпроменевої відстані, що дорівнює відстані між точками, в яких спостерігається максимальний екстремум перепаду температур.

Розраховані значення довірчих інтервалів результатів вимірювання температури газового потоку при довірчій ймовірності =0,99 та кількості вимірювань в одній точці =30 наведено в дисертаційній роботі.

На підставі наведених графіків можна зробити висновок про те, що величина перепаду температур до і після нагрівача при локальному нагріванні зовнішньої поверхні трубопроводу може слугувати інформативним параметром при вимірюванні витрати газу, що дозволить використовувати результати чисельного експерименту при вдосконаленні методів теплового контролю газових потоків.

Розроблена модель дозволяє оцінити вплив різних параметрів системи (потужності зовнішнього нагрівання, швидкості вимірюваного потоку, діаметра трубопроводу, теплофізичних параметрів середовища) на температурний розподіл у трубопроводі і може бути використана при визначенні оптимальних параметрів вимірювальних пристроїв, які використовуються для вимірювання витрати газу в трубопроводах різних діаметрів з широким діапазоном вимірюваних витрат.

При визначенні температурного поля газового потоку, що нагрівається, відносна розбіжність експериментальних і теоретичних результатів не перевищила ±1,8 %. Таким чином, практичні результати підтвердили адекватність побудованої математичної моделі, що описує теплові процеси в системі “трубопровід - газове середовище”.

Отримані результати дозволяють для будь-якого випадку визначити координати на подовжній осі труби, у яких спостерігається максимальний перепад температур газового потоку. Це надає можливості зробити загальні висновки щодо характеру досліджуваної залежності. Наявність у функції перепаду температур єдиного максимального екстремуму дозволяє однозначно обирати міжпроменеву відстань для заданих потужності нагрівання, геометричних параметрів трубопроводу, діапазону швидкостей газу, яка забезпечує максимальну чутливість методу.

Також у розділі було доведено, що при розглянутих параметрах системи в досліджуваній системі “трубопровід - газове середовище” вплив гравітаційної конвекційної складової на теплові процеси зневажено малий і її можна не враховувати при моделюванні теплового поля системи.

В четвертому розділі наведено фізичний та математичний опис безконтактного оптико-теплового методу вимірювання витрати природного газу в трубопроводі; на основі математичної моделі методу та результатів дослідження температурного поля в системі “трубопровід - газове середовище” побудовані градуювальні залежності в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів; досліджена метрологічна модель методу; розраховано складові похибки методу; оцінена можлива точність методу.

На основі аналізу оптичних та теплових процесів в газовому потоку запропоновано оптико-тепловий метод вимірювання витрати газу, застосування якого дозволяє підвищити недостатню чутливість оптичного методу.

Підвищення чутливості оптичного методу, фізична суть якого описана в другому розділі, досягається завдяки тому, що оптична різниця ходу променів, які проходять через рознесені перерізи трубопроводу, збільшується через наявність перепаду температур у цих перерізах. Так, наприклад, для витрати газу 0,35 м³/с у трубопроводі діаметром 300 мм при наявності перепаду температур, що складає 5 єС, різниця показників заломлення у досліджуваних перерізах складає близько 10^-4.

Математичний опис оптико-теплового методу представлено наступними рівняннями (13) - (15).

Витрата газу розраховується через перепад тисків у перерізах трубопроводу, відстань між якими відома, наступним чином:

; (13)

де - витрата газу; - перепад тиску у перетинах трубопроводу на відстані ; - коефіцієнт в'язкості газу; - коефіцієнт, який визначається ламінарним чи турбулентним характером газового потоку.

Значення коефіцієнта визначається зі значення числа (згідно ГОСТ 8.361-79) або при будові градуювальної характеристики.

Оптична різниця ходу променів визначається різницею інтегральних показників заломлення за двома перерізами трубопроводу та дорівнює:

; (14)

з рівняння (4);



визначається методом скінчених різниць з системи рівнянь теплопровідності (6), (7).

Використовуючи для визначення витрати газу залежності (13) та (14), отримуємо остаточне рівняння оптико-теплового методу:

. (15)

Градуювальну характеристику отримано чисельним способом (метод скінчених різниць) з рівняння (15), і в загальному вигляді вона представлена на рис. 8.

Градуювальна характеристика зберігає лінійний характер залежності для великих діаметрів трубопроводів. Спостерігається підвищення чутливості методу при збільшенні діаметра трубопроводу ( =8,8 с/м для =700 мм, =17,2 с/м для =1400 мм).

В розділі також проаналізовано вплив параметрів функціональної залежності формули (15) на загальну похибку методу, довірчі межи якої знаходяться на рівні ±0,2 % для діаметрів трубопроводу до 700 мм для витрат газу більших за 0,35 м³/с. Домінуючими складовими загальної похибки методу є похибка визначення кількості інтерференційних смуг (=6,0035·10^-8 м⁶/с²), похибка через неточність визначення міжпроменевої відстані (=1,3589·10^-8 м⁶/с²), похибка через неточність визначення характеру розподілу швидкостей (=1,1686·10^-8 м⁶/с²). Для діапазону діаметрів трубопроводів від 700 до 1400 мм домінуючою стає температурна складова загальної похибки методу (=5,9016·10^-7 м⁶/с²), і довірчі межи загальної похибки методу знаходяться на рівні ±0,4 %.

Аналіз параметрів рівняння (15) дозволив виявити кореляційну залежність між геометричними параметрами трубопроводу () та теплофізичними параметрами газового потоку і матеріалу трубопроводу (, , , ), які визначаються температурою нагрівання. Кількісна оцінка показала, що складова загальної похибки методу, яка визначається корельованими параметрами, не відноситься до домінуючих складових.

Запропонований оптико-тепловий метод має ряд переваг перед відомими методами вимірювання витрати газу. Використання методу дозволяє забезпечити невелику похибку вимірювання внаслідок того, що не вноситься збурювання у досліджуване середовище на відміну від інших методів вимірювання витрати. Метод з достатньою точністю може бути застосованим для вимірювання витрати газу у трубопроводах діаметром до 1400 мм. Обмеженням для верхньої межи діаметру трубопроводу є збільшення потрібної потужності нагрівання. Це обмеження не є принциповим, оскільки необхідний перепад температур можливо забезпечити не нагріванням, а охолодженням системи.

Подальший розвиток і перспективи досліджень у даному напрямку повинні бути скеровані на підвищення точності методу шляхом введення поправок при зміні складу газового середовища; дослідження впливу на результат визначення витрати присутності механічних домішок, конденсату в газовому потоці, вібрації; розширення можливості використання методу для вимірювання витрати швидкозмінних і пульсуючих потоків. При практичній реалізації вимірювального пристрою на базі оптико-теплового методу необхідно вирішити задачі розроблення метрологічного забезпечення для перевірки витратоміра, технологічної реалізації складних конструктивних елементів витратоміра.



ВИСНОВКИ

1. Аналіз існуючих методів і засобів вимірювання витрати природних газів показав, що задача пошуку способів підвищення точності і розширення діапазону вимірюваних витрат є актуальною. Встановлено, що відомі пристрої вітчизняного виробництва не забезпечують вимірювання витрати газу з досить високою точністю (похибка не більш ±0,5 %), разом з тим працюючи в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів (до 1400 мм).

2. Досліджено оптичні властивості однорідних і багатокомпонентних сумішей природних газів і обґрунтована можливість визначення витрати газу на основі їх аналізу. Встановлено аналітичні закономірності залежності показника заломлення від параметрів стану в багатокомпонентних сумішах природних газів.

3. Розроблено фізичну і математичну моделі системи “трубопровід - газове середовище” при наявності додаткового джерела нагрівання, які враховують характер розподілу швидкостей газового потоку. Здійснено дослідження температурного поля трубопроводу при наявності руху газового середовища.

4. Проведені дослідження дозволили встановити, що спільний аналіз оптичних і теплових явищ у трубопроводі надає можливість розроблення методу вимірювання витрати газу, який працює в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів (до 1400 мм) з межами похибки на рівні ±0,4 %.

5. Розроблено науково обґрунтовані основні вимоги до вибору довжини хвилі джерела випромінювання та міжпроменевої відстані, які дозволяють мінімізувати похибку методу в широкому діапазоні діаметрів трубопроводів.

6. Досліджено метрологічну модель оптико-теплового методу та кількісно оцінено вплив складових похибок на межи загальної похибки методу.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ ПРАЦЬ

1. Мощенко И.А., Егоров А.Б., Козлов В.Е., Лесик А.С. О возможностях использования термоанемометров в качестве образцовых средств измерения расходов жидкостей и газов // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: ХНУРЭ, 2002, №121. - С. 43-47.

2. Мощенко И.А. Применение оптического интерферометра для бесконтактного измерения расхода природного газа // АСУ и приборы автоматики. - Харьков: ХНУРЭ, 2004, №126. С.52-56.

3. Мощенко І.О., Єгоров А.Б., Мартиненко Л.Г. А. с. України №73394. Пристрій для вимірювання витрати газу. МПК G01N21/45, публ. 15.07.2005. Бюл. №7.

4. Мощенко И.А., Егоров А.Б., Рак Н.С. Уточнение модели оптического метода измерения расхода газа для случая многокомпонентных газовых смесей // Радиотехника. - Харьков: ХНУРЭ, 2004, №139. - С. 157-162.

5. Мощенко И.А., Егоров А.Б. Исследование температурного поля в системе “трубопровод - газовая среда” при локальном нагреве участка трубопровода // Нефтяная и газовая промышленность. - К.: НАК Нафтогаз України, 2005, №4 (222). - С. 25-27.

6. Мощенко И.А. Повышение чувствительности оптического метода измерения расхода природного газа // Методи та прилади контролю якості. - Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, 2005, № 13. - С. 53-56.

7. Мощенко І.О., Єгоров А.Б. Розробка та дослідження оптико-теплового методу вимірювання витрати газу // Стандартизація, сертифікація, якість. - Харків, 2005, №3 (34). - С. 33-35.

8. Мощенко І.О., Лесик О.С. Проблемы создания образцового расходомера жидкостей и газов для больших диаметров трубопроводов. Сб. науч. трудов 6-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, Харьков, 2002. - С. 233-234.

9. Артемов А. Ф., Жартовский Д. Н., Егоров А. Б., Мощенко И.А., Лесик А. С. Оценка точности измерения тепловыми расходомерами с учетом особенностей процесса теплообмена в первичном преобразователе. Сб. материалов XV Научно-технической конференции “Датчики и преобразователи информации систем измерения, контроля и управления”, М.: МГИЭМ, 2003. - С. 112-114.

10. Мощенко И.А., Лесик А. С. Егоров А. Б. Исследование влияния изменения плотности измеряемой среды на погрешность измерения расхода газа. Сб. науч. трудов 8-ой Международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков, 2002. - С. 136-138.

11. Мощенко И.А., Егоров А.Б. Бесконтактный оптический преобразователь расхода промышленного природного газа. Сб. материалов Международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков-Туапсе, 2003. - С. 272-273.

12. Мощенко И.А., Егоров А.Б., Лысейко О.Ф. Моделирование тепловых процессов в системе “трубопровод - газовая среда” в рамках разработки оптико-теплового метода контроля газовых потоков. Сб. материалов 10-й Международной научной конференции “Теория и техника передачи, приема и обработки информации”, Харьков-Туапсе, 2004. - С. 352-353.

13. Мощенко И.А., Егоров А.Б, Рак Н.С. Оптико-тепловой метод расходометрии природных газов. Сб. научных трудов 4 Международной научно-технической конференции “Метрология и измерительная техника”, Харьков, 2004. - С. 189-191.

14. Руженцев И.В., Егоров А.Б. Мощенко И.А. Оптико-тепловой метод измерения расхода газа. Матеріали Всеукраїнської науково-технічної конференції “Вимірювання витрати та кількості газу (Витратометрія - 2005)”. - Івано-Франківськ: ІФНТУНГ, Факел, 2005. - С. 27.

15. Мощенко И.А., Мнеян Н.Р. Повышение точности оптического метода контроля газовых потоков. Сб. науч. трудов IX Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке”, Харьков, 2005. - С. 44.

Размещено на Allbest.ru