Технические науки/ 12.Автоматизированные
системы управления на производстве
аспирант Даев
Ж.А.
Уфимский
государственный нефтяной технический университет, Россия
к.т.н.
Латышев Л.Н.
Уфимский
государственный нефтяной технический университет, Россия
Информационно-измерительная система измерения расхода и количества газа
В газовой промышленности одной из важных
задач на производстве является измерения и учет количества транспортируемого
природного и нефтяного попутного газов. Одним из широко применяемых методов
измерения расхода и количества газа является метод переменного перепада
давления. Потому что у расходомеров, которые реализуют данный метод простая
конструкция, они надежны, с их помощью можно измерять практически любой расход,
а главное достоинство – они не требуют поверочных образцовых установок.
Тем не менее, и эти расходомеры не лишены
недостатков. Точность измерения расхода и правильная работа расходомера зависит
от так называемого коэффициента истечения, который представляет собой отношение
действительного значения расхода к теоретическому значению. При действии
различных возмущающих воздействий данный коэффициент меняет свое значение во
время эксплуатации и приводит к увеличению погрешности измерения расхода.
Возмущающими воздействиями, которые влияют на значение коэффициента истечения,
являются изменение геометрических размеров диафрагмы, вызванные гидроударами в
трубопроводе, неизбежное притупление входной острой кромки, шероховатость
измерительного трубопровода, расстояния между местными сопротивлениями в
измерительном трубопроводе и т.д.
Уравнение расхода для расходомеров с
сужающими устройствами [1] выглядит
следующим образом:
,
коэффициент
расширения, учитывающий увеличение удельного объема длягаза;
площадь отверстия
сужающего отверстия;
плотность;
перепад, создаваемый сужающим устройством;
– коэффициент скорости входа, учитывающий
влияние начальной скорости потока на образование коэффициента расхода
;
коэффициент
истечения. Произведение
называют
коэффициентом расхода.
В работах [2, 3] предложена инвариантная
информационно-измерительная система (ИИС) измерения расхода и количества газа,
которая исключает коэффициент истечения из уравнения расхода и позволяет
увеличить точность измерения расхода газа.
Структура системы представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Структура
информационно-измерительной системы
измерения расхода газа
Инвариантная ИИС измерения расхода газа
состоит из измерительного трубопровода, в котором установлено сужающее
устройство СУ. Перепад давления на сужающем устройстве измеряется датчиком
перепада давления Д1. Также в системе имеется байпас малого диаметра, на
котором установлен образцовый расходомер ОР. Процесс измерения состоит из двух
тактов. В первом такте измеряется расход газа по величине перепада давления при закрытом
кране К (К разомкнуто). Весь газ с расходом
проходит через
сужающее устройство. Во втором такте кран К открывается и часть газа
проходит через
образцовый расходомер ОР. На выходе датчика перепада давления формируется величина
, пропорциональная разности расходов
.
Затем кран К закрывается, а значения величин и
запоминаются в
программируемом контроллере, который реализует расчет расхода по следующей
формуле
. (1)
Уравнение (1) инвариантно относительно
коэффициента истечения, что позволяет не учитывать влияние возмущающих
воздействий, таких как притупление входной кромки, шероховатость внутренней
поверхности измерительного трубопровода, нарушение профиля потока. Образцовый
расходомер подключается периодически, в
интервале времени между его включениями коэффициент истечения считается постоянным. Закрытием и открытием
крана К управляет программируемый контроллер. Кран автоматически открывается
через определенный интервал времени. В
контроллер передаются данные о содержании сероводорода и меркаптанов в
природном газе. Обработанная информация также отображается в виде ежедневных рапортов и выводится на экран АРМ
оператора. Отличительной особенностью данной ИИС является меньшее количество
дорогостоящих элементов и отсутствие необходимости ручного ввода данных. Уравнение
(1) получено путем применения тестовых методов повышения точности в
измерительной технике.
Погрешность системы будет выражаться
следующим уравнением:
,
где относительная
погрешность турбинного расходомера,
относительная
погрешность измерения давления
,
относительная
погрешность измерения давления
,
относительная
погрешность измерения расхода системы.
Учитывая, что оба датчика перепада
давления имеют одинаковые характеристики, последняя формула преобразуется в
. (2)
По формуле (2) построим зависимости , задавшись значениями погрешностей для датчиков перепада
давления
(0,075; 0,15; 0,2; 0,25; 0,5; 1,5; 2,5) и погрешностью ОР
равной 0,25%.
Рисунок 2 – Зависимость
В идеальном случае при полном совпадении
характеристик погрешностей преобразователей перепада давления разность равна нулю и
погрешность измерения расхода определяется только погрешностью образцового
расходомера, который установлен в байпасе.
Но, учитывая, что при переключении одно и того же датчика в двух
тактах могут быть резкие скачки, обусловленные его характеристикой.
Предположим, что погрешность во втором члене уравнения (2) будет стремиться к
нулю, поэтому при применении одного и того же датчика, влияние его погрешности
на общую погрешность системы будет минимальна. В связи с этим представим
погрешность системы следующим уравнением:
. (3)
В этом случае погрешность системы будет выражена
графиком на рисунке 3.
Рисунок 2.13 – Зависимость , построенная по (3)
Из рисунка 3 видно, что при проведении
коррекции погрешности датчиков перепада погрешность всей системы измерения
расхода существенно снижается. Резко
увеличивается отношение расходов, что способствует применению при коммерческом
учете датчиков перепада давления с низкими классами точности.
Заключение. Представлена информационно-измерительная система
измерения расход и количества газа, которая инвариантна относительно
коэффициента истечения. Последнее позволяет повысить устойчивость процесса
измерения расхода при постоянном действии множества возмущающих воздействий. Наибольшая
эффективность системы достигается при измерении расходов на газопроводах с
большим диаметром и при больших значениях расхода газа.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества
веществ. – СПб.: Политехника, 2002.
2. Латышев Л.Н., Даев Ж.А. Метод повышения точности
измерения расхода газа // Датчики и системы. – 2010. – № 01.
3. Латышев Л.Н., Даев Ж.А. Система измерения расхода
газа, исключающая влияние коэффициента истечения // Приборы и системы.
Управление, контроль, диагностика. – 2010. – № 09.