Начинается...

Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом

УДК 621.389:681.121.89.082.4

Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом

Р. И. СОЛОМИЧЕВ – к.т.н., ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_solomichev@turbo-don.ru
А. Н. СЛОНЬКО – ООО НПО «Турбулентность-ДОН», sktb_std2@turbo-don.ru

Для соблюдения и контроля технологических процессов зачастую требуется применение автоматических контрольно-измерительных устройств, регистрирующих изменение значения измеряемой величины. На данный момент уделяется большое внимание разработке и исследованию приборов автоматического измерения плотности при количественном учете газообразных и жидких сред. Основными приборами учета объемного расхода газа являются ультразвуковые расходомеры, в которых массовый расход измеряется косвенным методом по заведомо известному составу газа, внесенному в память прибора. При динамическом изменении состава газа возникает несоответствие внесенных и текущих данных. Применение автоматических потоковых хроматографов или спектрометров затруднено из-за их высокой стоимости, а плотномеры газа имеют высокую погрешность (5% и более) при малых давлениях и высоких скоростях потока. В работе рассмотрены различные методы измерения плотности газа, обоснован выбор ультразвукового метода в дальнейших исследованиях физико-химических параметров природного газа. Предложено применить комбинацию из нескольких схожих по физическому принципу акустических методов. Разработан и описан алгоритм функционирования основной программы аппаратно-программного комплекса, в котором применен новый способ автоматического выбора метода расчета плотности из возможных по известному составу газа. В соответствии с алгоритмом, если в ходе смены расчетных методов плотность не была рассчитана корректно, программа вычисляет рабочую и стандартную плотность по измеренной скорости звука в среде, производит протоколирование и архивирование результатов измерений. Рассмотрены перспективные пути дальнейшего развития линейки ультразвуковых расходомеров UFG: однолучевые зондовые расходомеры, расходомеры с дополнительным компенсационным лучом и измерительные аппаратно-программные комплексы на их основе с оценкой ФХП природного газа – плотности.

Ключевые слова: природный газ, плотность, расход, акустический способ, система диагностики, скорость звука.

Постановка проблемы

Стремление к совершенствованию технологии производства приводит к созданию непрерывных процессов, в которых вещества перерабатываются при высоких давлениях, строго определенных температурах, плотностях и других физико-химических параметрах (ФХП). Каждое производство требует соблюдения определенных технологических условий, в противном случае возникают потери, проявляющиеся в виде ухудшения качества продукции, увеличения удельного расхода сырья и энергии или снижения производительности. Для управления производственным процессом часто оказывается недостаточным периодическое измерение параметров процесса. В таких случаях необходимо применять автоматические контрольно-измерительные устройства, которые указывают, регистрируют или записывают значения измеряемой величины, являющиеся постоянным документом, и могут служить основанием для составления баланса производства, для возвратного контроля и тому подобное.

Для контроля химического состава все большее значение приобретают так называемые анализаторы. Эти автоматически действующие приборы позволяют получать непрерывную информацию об изменениях в ходе производственного процесса, что существенно облегчает управление производством [1, 2]. Следует отметить, что в последние годы уделяется все большее внимание разработке и исследованию новых принципов измерения, созданию конструкций приборов для автоматического измерения плотности, которые являются весьма важным элементом комплексной автоматизации производственных процессов во многих отраслях. Велика роль измерения плотности и в организации системы количественного учета энергоносителей, когда масса вещества не может быть измерена непосредственным взвешиванием на весах и ее приходится определять по результатам измерений объемного расхода и плотности [3, 4].

Не менее значимым аспектом при автоматизированном учете веществ в технологическом цикле производства является измерение расхода. Основными серийно выпускаемыми приборами для коммерческого учета расхода газа, обеспечивающими высокую точность (до 0,3..0,5%) и воспроизводимость (0,15%) результатов измерения, широкий динамический диапазон (1:200), возможность установки на трубопроводы от 25 до 3000 мм, способность работать с реверсивными потоками, устойчивость к загрязнению чувствительных элементов, отсутствие движущихся элементов и деталей, незначительное падение давления, широкий температурный диапазон среды измерения (–60…+70°С), измерение при избыточном давлении от 0 до 25 МПа являются ультразвуковые (УЗ) расходомеры.

Измерение массового расхода газа в УЗ расходомерах происходит косвенным методом: по заведомо известному составу газа, который вносится в память прибора, а также при текущих значениях температуры и давления вычисляется плотность вещества – газа, далее, используя измеренный объемный расход, определяется массовый. В этой методике, не смотря на множество преимуществ, на данный момент существуют проблемы, требующие решений:

  • динамическое изменение состава газа обуславливает несвоевременное/некорректное внесение состава газа в вычислитель УЗ преобразователя расхода;
  • повсеместное отсутствие хроматографа (спектрометра) на рядовых газораспределительных пунктах из-за их высокой стоимости;
  • плотномеры газа наряду с высокой стоимостью, имеют также высокую погрешность измерения при малых давлениях и высокой скорости потока.

Цель и задачи исследования

Целью исследования является анализ, выбор методов и средств измерения (оценки) физико-химических параметров природного газа на потоке в реальном времени, в частности плотности, и применение их при автоматическом контроле массового расхода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • выполнить анализ и выбор методов измерения плотности природного газа на потоке в автоматическом режиме;
  • оценить возможность реализации функции оценки плотности природного газа с последующим ее анализом на основе измеренной скорости звука;
  • определить дальнейшие перспективы развития ультразвуковых измерителей расхода газа.

Обзор методов определения плотности газа

Для определения характеристик плотностей жидкостей и газов существует большое количество методов, которые отличаются по своему конструктивному исполнению и принципу действия (рис. 1). Большую группу составляют поплавково-весовые методы (измерение ареометром, метод гидростатического взвешивания, поплавковый, флотационный способы определения плотности). К следующей группе относятся гидростатические методы определения характеристики плотности, которые определяет зависимость статического давления столба жидкости или газа постоянной высоты от их плотности. К отдельной группе можно отнести гидро- газодинамические методы, зависимые от плотности других физических величин, например, времени истечения жидкости или газа из отверстия, степени удара струи о барьер, энергии потока жидкости, динамического давления. Плотномеры на основе вибрационного принципа оснащены электромеханическим генератором, который состоит из приемных катушек и катушек возбуждения.

На выходе происходит сравнение частоты колебаний усилителя с частотой кварцевого генератора. Частотомер измеряет разность частот этих колебаний, которая в конечном итоге пропорциональна плотности газа [5].

Радиоизотопный способ определения плотности основан на принципе ослабления интенсивности гамма-излучения, пучок которого подвергается рассеянию в жидкости или газе. Хроматография является методом разделения веществ, основанным на распределении разделяемых компонентов между двумя несмешивающимися фазами, одна из которых является неподвижной (адсорбент), а другая – подвижной, протекающей вдоль слоя неподвижной фазы. Принцип разделения – неодинаковое сродство веществ к летучей подвижной фазе и стационарной фазе в колонке. Компоненты смеси селективно задерживаются последней, поскольку растворимость их в этой фазе различна, затем вещества выходят из колонки и регистрируются детектором.

Рис. 1. Методы определения плотности жидкостей и газа

Рассмотренные методы и приборы на их основе зачастую не пригодны для автоматизированного поточного определения плотности газа, дорогостоящие и громоздкие, требующие дополнительных затрат на приобретение и обслуживание. Весьма перспективным направлением дальнейшего развития измерения плотности и вязкости жидкостей и газов является использование акустических (ультразвуковых) методов, которые базируются на измерении скорости звука в исследуемой среде. Существует также акустический метод газового анализа [6, 7], основанный на измерении скорости распространения в газовой среде УЗ волн, которая зависит от содержания определяемого компонента в анализируемом газе.

В целом, если совместить измерение расхода газа УЗ преобразователем расхода и оценку плотности газа с использованием того же принципа измерения в одном программно-аппаратном комплексе, можно получить универсальное решение с расширенной функцией диагностики.

Таким образом, основными преимуществами такого прибора можно будет считать:

  • отслеживание качества природного газа в реальном времени;
  • исключение ошибок ввода показателя плотности или состава газа;
  • возможность автоматического изменения метода расчета физических параметров природного газа для повышения точности и достоверности измерения;
  • возможность применения метода расчета объема природного газа, приведенного к стандартным условиям через рабочую плотность напрямую;
  • возможность более точно выполнять измерения объема газа в диапазонах состава газа, давлений и температур, которые не описаны стандартизованными методиками измерений (МВИ, ГОСТ, ГСССД).

В данной работе остановимся на исследовании акустических методов оценки плотности газа, которые основываются на физических принципах взаимодействия звуковых волн со средой, в которой они распространяются. Скорость с, распространения УЗ-волн в жидкостях и газах определяется следующим уравнением [3]:

где:
βад – коэффициент адиабатической сжимаемости среды,
ρ – плотность среды.

Следовательно, измеряя тем или иным способом скорость распространения ультразвука в данной среде и считая коэффициент адиабатической сжимаемости постоянным, определяют плотность среды. Скорость звука в газах колеблется в пределах от 200 до 1400 м/с, в природном газе, состоящем из смесей газов, скорость звука составляет от 390 до 450 м/с при стандартных условиях.

Плотность можно определять также путем измерения удельного акустического импеданса и скорости ультразвука:

Распространение УЗ-волны в любой среде сопровождается поглощением звуковой энергии, что характеризуется коэффициентом поглощения α. Интенсивность I ультразвука при прохождении расстояния l убывает по экспоненциальному закону:

где: I0 — начальная интенсивность.

Как вытекает из изложенного, УЗ-плотномеры, чувствительные к скорости ультразвука, могут быть подразделены на скоростные, импедансные, импедансноскоростные и автоциркуляционый. Скоростные УЗ-плотномеры предназначены в основном для однородных веществ, бинарных растворов, смесей жидкостей или газов. Времяимпульсный плотномер основан на измерении изменений времени распространения УЗ-колебаний в контролируемой среде в зависимости от изменений ее плотности. В автоциркуляционном плотномере определяют величину, обратную времени τ распространения УЗ-колебаний в среде. Этой величиной является частота f автоциркуляции в электроакустически замкнутой системе. Изменение Δƒ частоты, пропорциональное изменению плотности среды относительно ее некоторого начального значения, определяется в измерительном блоке по разности между частотой ƒ автоциркуляции и частотой ƒ0 источника опорных импульсов.

При определении плотности многокомпонентного газа, которым является природный газ, можно применить комбинацию из нескольких акустических методов для уточнения состава параметров и определения неизвестных расчетных значений.

Из описанных акустических методов измерения плотности природного газа следует, что ультразвуковой метод измерения плотности обладает высокой чувствительностью, практически безынерционен и позволяет исключить контакт с испытуемой средой, т.е. работать с агрессивными средами. В общем виде алгоритм функционирования основной программы УЗ аппаратно-программного комплекса представлен на рис. 2.

В начале программы происходит инициализация настроечных параметров УЗ расходомера, опрос датчиков температуры (ДТ) и давления (ДД), проверка лучей и ультразвуковых датчиков (УЗД). При возникновении нештатных ситуаций (НС), на экран прибора выводится код НС, производится ввод подстановочных значений температуры, давления или расхода.

Иначе, при отсутствии НС, происходит измерение по каждому из лучей времен распространения УЗ волны по и против потока, определяются расходы, скорости звука по хордам и вычисляется значение расхода, усредненное по диаметру трубопровода с учетом калибровочных значений, которые вносятся метрологической службой при проливке. Далее, вычисляется скорость звука в газе с учетом поправок, которые учитывают погрешность от смещения УЗ луча при воздействии потока газа.

Согласно веденным табличным данным по составу газа происходит вычисление плотности газа и скорости звука в рабочих условиях, которая сравнивается с измеренной с учетом температуры и давления. При возникновении отклонения прибор автоматически должен сменить метод расчета и пересчитать значение плотности и скорости звука, так как метод может быть выбран не корректно.

Если все методы были проверены, и отклонение показаний по-прежнему остается, происходит вычисление плотности газа на основе измеренной скорости звука с помощью изложенных выше методов, а также выводится сообщение, что введен неверный состав газа.

Рис. 2. Алгоритм работы УЗ преобразователя расхода с диагностической функцией оценки плотности газа

Вычисленные значения плотности природного газа далее должны протоколироваться и заноситься во временной архив в память прибора с целью контроля суточных колебаний состава газа и определения неучтенного изменения плотности для составления баланса производства или транспортировки энергоносителя. На рис. 3 приведен примерный график реализации суточного архива измеренной плотности: ρ (кг/м3) – плотность рабочая при текущем давлении и температуре, ρст. (кг/м3) – плотность, приведенная к стандартным условиям.

Рис. 3. Пример вывода архивных значений по измеренной плотности газа

Дальнейшее развитие и перспективы ультразвуковых преобразователей расхода

Для реализации оценки плотности природного газа на потоке с помощью УЗ расходомера необходимо устранение погрешности от изменения скорости ультразвука в измеряемом веществе. В фазовых и времяимпульсных расходомерах применяют особые схемы коррекции. Для этой цели устанавливается дополнительная пара УЗ пьезопреобразователей на противоположных концах диаметра трубопровода [8]. Время tc прохождения акустических колебаний между ними обратно пропорционально скорости звука Vзв. Соответствующий корректирующий измерительный сигнал Аc пропорционален Vзв-1. Он возводится в квадрат, и на него делится основной сигнал А расходомера, пропорциональный Vпот /Vзв2. Очевидно, результирующий сигнал А/Ас будет пропорционален скорости потока Vпот и не будет зависеть от скорости ультразвука Vзв.

В этой связи в ультразвуковых расходомерах серии UFG предусматривается наличие дополнительного луча коррекции с собственным вычислителем расхода ВР-20 и одноканальным первичным преобразователем, который соединяется с основным вычислителем по линии связи RS-485 (рис. 4). Кроме вычисления времени распространения УЗ, дополнительный вычислитель производит расчет плотности среды измерения и сохранение ее значений в памяти.

Данное направление по оценке ФХП сред с помощью УЗ расходомеров позволяет расширить линейку выпускаемых приборов и наделить их специфическими функциями (рис. 5). Например, УЗ преобразователь расхода с дополнительным лучом выделяется в отдельную группу «А» – это отдельный прибор для измерения расхода газа или нефти с компенсацией влияния скорости ультразвука и предназначается для коммерческого учета с высокой точностью.

Рис. 4. УЗ преобразователь расхода с дополнительным корректирующим лучом

Выделение вычислителя расхода, состоящего из одного луча в отдельный прибор в виде погружной штанги или зонда (группа «Б») позволит осуществлять упрощенный монтаж/демонтаж на трубопровод без остановки процесса. В данном типе расходомеров есть потребность как для установки на газовые трубопроводы, так и для установки на дымоходы отходящих газов различных промышленных предприятий.

Рис. 5. Перспективные пути развития линейки расходомеров UFG

Развитие направления по оценке плотности газа или нефти акустическим способом (группа «В») позволит произвести разработку и наладить производство измерителей плотности газовых и жидких сред, а также в перспективе отдельных приборов – массовых плотномеров с вибрационным принципом измерения.

Выводы

  1. В работе описана проблематика автоматизированного измерения массового расхода природного газа, возникающая в результате динамического изменения состава газа и несвоевременного его внесения в вычислитель УЗ преобразователя расхода.
  2. Проведен обзор методов измерения плотности газа, указаны их преимущества и недостатки. Выбран акустический метод оценки плотности, который является универсальным и используется при измерении скорости потока газа.
  3. Составлен и описан алгоритм функционирования программно-аппаратного комплекса определения массового расхода природного газа, в основу которого положен УЗ преобразователь расхода, измеряющий объемный расход. Дополнительным диагностическим инструментом, позволяющем контролировать корректность введенных табличных значений состава газа, является оценка плотности газа на основе измеренной скорости звука.
  4. Выполнен анализ направлений перспективного развития линейки приборов UFG, в которых выделены расходомеры с дополнительным компенсационным каналом, однолучевые расходомеры и преобразователи расхода с оценкой плотности среды измерения.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. Шаверин Н. В. Разработка ультразвукового метода и средств автоматизированного контроля плотности нефтепродуктов: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук (05.11.13). / Шаверин Никита Владимирович; НИИ интроскоп. – Томск, 2003. с. 20.
  2. Ваня Я. Анализаторы газов и жидкостей. Пер. с чеш. под ред. О. С. Арутюнова. М.: Энергия, 1970. с. 552.
  3. Билинский И. И., Огородник К. В., Яремишена. Анализ методов и средств измерения плотности нефтепродуктов. Научные труды ВНТУ. Серия: «Автоматика и информационно-измерительная техника», 2016, №2. с. 1–14.
  4. Кивилис С. С. Плотномеры. – М. Энергия, 1980. с. 280.
  5. Определение плотности газа или жидкости. Приборы для определения плотности жидкости и газа [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://intech-gmbh.ru/density_ determination/ (дата обращения: 19.07.2019).
  6. Барбалат Ю. А. Новый справочник химика-технолога. Аналитическая химия. Ч.1. СПб: АНО НПО «Мир и семья», 2002. с. 964.
  7. Бражников Н. И., Белевитин В. А., Бражникова Е. В. Акустические преобразователи свойств сред в технике: Монография. Челябинск: Изд-во ЧГПУ, 2011. с. 206.
  8. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 1. – 5е изд., перераб. и доп. СПб: Политехника, 2004. с. 412.

Скачать статью в формате pdf →

346800, Ростов-на-Дону,
1-км шоссе Ростов-Новошахтинск,
стр. 6/7, 6/8
☎ +7 (863) 203-77-80
info@turbo-don.ru
www.turbo-don.ru


Читайте также: