УДК 533.12:534.221:534.22.093.3
Ультразвуковой потоковый измеритель плотности газовых смесей
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
В данной статье приведен обзор методов и средств измерения плотности газа, указаны их преимущества и недостатки. Обоснован выбор ультразвукового время-импульсного метода измерения плотности, который является универсальным и наиболее перспективным. Раскрыта проблематика измерения плотности углеводородных и других газов, связанная с проведением периодических измерений зачастую не автоматизированными способами, а также с дороговизной автоматизированных измерителей. Приведено описание принципов измерения плотности вновь разработанными ультразвуковыми плотномерами серии UDM различных модификаций, перечислены все уникальные преимущества от их использования, отдельно и в составе измерительного комплекса, реализующего функцию ρ-пересчета объемного расхода газа в массовый. Описана информационная функция оценки плотности газа, которая реализована в расходомерах серии Turbo Flow UFG (ООО НПО «Турбулентность-ДОН») без применения отдельных измерителей плотности.
Ключевые слова: плотность, природный газ, поток, акустический способ, система диагностики, скорость звука, температура, концентрация компонент.
Постановка проблемы
Разработке и исследованию новых принципов измерения плотности, созданию конструкций плотномеров, основанных на этих принципах, освоению и расширению промышленного производства плотномеров уделяется все больше внимания [1-3]. Весьма велика роль измерения плотности и в организации системы количественного учета (по массе) энергоносителей при их транспортировании, приемке, хранении и отпуске, когда масса вещества не может быть измерена непосредственным взвешиванием на весах и ее приходится определять по результатам измерений объема и плотности. Вопросы точного измерения плотности имеют существенное значение при создании измерительных средств в различных отраслях приборостроения и метрологии, связанных с анализом свойств и состава веществ.
При управлении производственным процессом зачастую оказывается недостаточным периодическое измерение плотности энергоносителей, так как их состав с течением времени может значительно изменяться, следовательно, и теплотворная способность, и другие физико-химические параметры. Так, плотность газа, добываемого на территории России, существенно колеблется в пределах каждого газоносного района, ее значение может составлять от 0,68 до 0,85 кг/м3 [4]. Поэтому применение потоковых автоматических контрольно-измерительных устройств – плотномеров, которые указывают, регистрируют или записывают значения измеряемой величины, невозможно переоценить. Данные автоматически действующие приборы позволяют получать непрерывную информацию об изменениях в ходе производственного процесса, что существенно облегчает управление производством.
Тем не менее, на узлах измерения малой пропускной способностью в газотранспортных организациях внедрение подобных систем происходит не достаточно интенсивно, что вызвано в основном дороговизной автоматических потоковых хроматографов и экономической нецелесообразностью их применения. В данном случае применяются измерительные приборы, предназначенные для проведения дискретных или лабораторных измерений ранее отобранных проб газа [5], но использование данных приборов в автоматизированных системах сбора информации невозможно. С другой стороны, исходя из проведенного обзора существующих отечественных плотномеров, которые могут производить потоковую оценку плотности природного газа, необходимо отметить, что их погрешность не соответствует установленным требованиям ГОСТ 8.611-2013 [6], чего нельзя сказать о зарубежных средствах измерения, которые более полно удовлетворяют требованиям подобных систем. Однако приборы зарубежных производителей не всегда доступны по причине высокой цены и дорогостоящего обслуживания либо из-за экономических преднамеренных мероприятий запретительного характера со стороны иных государств.
Цель и задачи исследования
Целью исследования является анализ возможностей разработанного ультразвукового (УЗ) потокового плотномера природного газа и сравнение его характеристик с существующими средствами измерения плотности газа.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ методов и средств, пригодных для автоматического режима измерения плотности природного газа;
- сравнить характеристики разработанного ООО НПО «Турбулентность-ДОН» экспериментального образца измерителя плотности природного газа с характеристиками аналогов.
Обзор методов определения плотности газа
Для определения характеристик плотности газа существует множество методов и промышленно выпускаемых средств измерения (табл. 1), но не все способны производить непрерывные измерения в потоке газа в автоматическом режиме.
Таблица 1. Методы и средства измерения плотности природного газа
Плотномеры на основе вибрационного принципа (ЗАО «Авиатех», Россия; MicroMotion, США; Mettler Toledo, Швейцария) на сегодняшний день являются одними из самых точных и чувствительных в линейке приборов для измерения плотности газа. Состоят из электромеханического генератора, который включает в себя приемные катушки и катушки возбуждения. На выходе происходит сравнение частоты колебаний усилителя с частотой кварцевого генератора. Частотомер измеряет разность частот этих колебаний, которые в конечном итоге пропорциональны плотности газа [7].
Среди прочих средств измерения необходимо отметить группу наиболее из распространенных лабораторных плотномеров, принцип действия которых основан на аэростатическом и гидродинамическом эффектах (ОАО «ВТИ», Россия; Mettler-Toledo, Швейцария). Суть методов заключается в определении зависимости разности давления столба воздуха и газа или времени истечения газа из отверстия определенного размера от их плотности. Данные плотномеры просты в эксплуатации, но практически не поддаются автоматизации при потоковом непрерывном измерении плотности газа в технологических циклах предприятий.
Несмотря на наличие разнообразных методов измерения физико-химических параметров газа, требование сохранения работоспособности и точностных характеристик средств измерений при их использовании непосредственно в технологическом процессе существенно сужает круг подходящих первичных преобразователей из-за необходимости выполнять автоматические измерения в условиях высоких температур, агрессивности и/или токсичности объектов контроля. Как известно, именно в таких ситуациях применение УЗ преобразователей в качестве первичных датчиков оказывается достаточно эффективным. Кроме того, необходимо отметить, что при измерениях физических параметров газов в потоке существуют эксплуатационные ограничения применения выбранных типов плотномеров по скорости потока, давлению, составу газа, степени его агрессивности.
Физической основой промышленного применения УЗ методов для измерения характеристик газа (ООО НПО «Турбулентность-ДОН», Россия; ООО ПКФ «Курс», Украина) является функциональная зависимость параметров ультразвуковых волн, распространяющиеся в газе (скорость распространения, коэффициент затухания, продольный и сдвиговый акустические импедансы), от его свойств. В настоящее время применяются в основном измерения скорости звука [7].
Для измерения непосредственно скорости звука применяют время-импульсный метод, который основан на измерении времени распространения УЗ волн в контролируемой среде в зависимости от изменения плотности среды. Зондирующие импульсы пропускают через среду с определенным периодом T с помощью УЗ передатчика и принимают эхо-импульсы приемником. Импульсы запуска устанавливают в логическую единицу измерительный триггер, который разрешает работу измерителя временных интервалов. Эхо-импульс после усиления и преобразования в цифровой вид сбрасывает в ноль измерительный триггер, в результате чего на выходе формируется импульс длительностью t, пропорциональный плотности среды. Цифровой код, пропорциональный длительности импульса поступает в блок обработки, где вычисляется скорость звука в среде и ее плотность.
В конструкторском бюро ООО НПО «Турбулентность-ДОН» разработан и испытан потоковый плотномер газа серии UDM (Ultrasonic Density Meter), основанный на ультразвуковом принципе измерения. Конструкция прибора предполагает несколько различных исполнений: врезной, – модификация UDM-F (рис. 1) и байпасный, – UDM-B (рис. 2).
Рис. 1. Потоковый измеритель плотности газа, модификация UDM-F
Рис. 2. Потоковый измеритель плотности газа, модификация UDM-B
Технические характеристики УЗ потоковых плотномеров серии UDM приведены в табл. 2.
Таблица 2. Технические характеристики потоковых плотномеров серии UDM
Модификация плотномера UDM-F предполагает установку чувствительных элементов – УЗ преобразователей непосредственно в газовый поток, а именно перпендикулярно его направлению вне измерительного участка трубопровода УЗ расходомера.
В данном случае разница времен распространения зондирующих УЗ колебаний от первого приемо-передатчика ко второму и наоборот равна нулю, то есть прибор измеряет только скорость звука в среде и практически не зависит от скорости ее потока. В состав прибора входит встроенный преобразователь температуры и внешний преобразователь давления, что делает его независимым средством измерения.
Измеритель плотности в байпасном исполнении UDM-B также является отдельным прибором, состоит из измерительной пробоотборной камеры, к которой газ подводится и отводится посредством импульсных трубок, соединенных с трубопроводом. В измериетльной камере вдоль прохождения газового потока расположены два УЗ приемо-передатчика. Ввиду малого объема измерительной камеры и сечения импульсных трубок, скорость потока газа, проходящего через байпас – незначительна, даже при максимальной скорости потока через основное сечение трубопровода. Поэтому влияние на измерение скорости звука в камере будет минимальным.
В состав прибора также входят внешние преобразователи температуры и давления. Для минимизации влияния температуры окружающей среды на измерение скорости звука, камера покрывается защитным кожухом с термоизоляцией. Данная модификация удобна в применении совместно с УЗПР Turbo Flow UFG, так как измерительный участок трубопровода не претерпевает особых изменений, – происходит доработка выходного прямого участка после УЗПР. Такая технология является оптимальной при модернизации и дооснащении существующих узлов измерения расхода газа, на которых применяются приборы серии Turbo Flow UFG.
Вычислительный модуль блока электроники плотномеров разработан на основе высокопроизводительных контроллеров, позволяющих производить измерения плотности газа в режиме реального времени. Наряду с высокой чувствительностью и низкой относительной погрешностью (±0,3%) измерения плотности газа необходимо отметить следующие преимущества разработанных ультразвуковых потоковых плотномеров UDM:
- наличие функции оценки компонентного состава анализируемого газа;
- наличие функции оценки теплотворной способности углеводородных газов;
- возможность измерения плотности как природного, так и свободного нефтяного газа, а также технически-важных газов;
- надежность и долговечность работы первичных преобразователей с возможностью выполнять автоматические измерения в условиях высоких температур, давлений, агрессивности и токсичности среды измерения;
- возможность измерения плотности в рабочих условиях с приведением ее к стандартным условиям;
- возможность поверки и калибровки прибора в месте эксплуатации.
Использование плотномера серии UDM в системе с ультразвуковыми измерителями расхода газа Turbo Flow UFG (рис. 3) дает возможность реализации функции ρ-пересчета измеренного объемного расхода в массовый согласно ГОСТ 8.611-2013, при этом данный измерительный комплекс способен осуществлять динамический учет изменения физико-химических показателей газа в режиме реального времени. Кроме того, нужно отметить следующие преимущества от использования данной системы:
- непрерывное ведение часовых/суточных архивов измеряемых параметров потока газа;
- исключение условно-постоянных значений в расчетах;
- непрерывное измерение теплофизических параметров газовой смеси;
- возможность автоматического изменения метода расчета, если имеется выход за пределы применимости методов;
- исключение ошибок ввода данных;
- снижение стоимости модернизации существующих узлов измерения расхода газа, когда использование потоковых хроматографов экономически нецелесообразно;
- возможность дооснащения плотномерами существующих узлов учета газа, которые оборудованы расходомерами серии Turbo Flow UFG.
Рис. 3. Расходомер газа Turbo Flow UFG производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН»
Расходомеры серии Turbo Flow UFG, которые используются без измерителей плотности, имеют в своем диагностическом инструментарии информационную функцию оценки плотности газа, которая при использовании технологического программного обеспечения UFG View в режиме реального времени сигнализирует о корректности введенного состав природного газа в вычислитель расхода УЗПР. В данных расходомерах для точного измерения скорости звука применяются особые схемы ее коррекции аппаратно-программным путем (рис. 4). При этом удалось избавиться от составляющей погрешности влияния скорости потока среды на результат измерения скорости звука.
Рис. 4. Расходомер газа Turbo Flow UFG с дублированием и дополнительными лучами коррекции расхода на скорость звука производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН»
Развитию направления по оценке плотности углеводородных и других газов ультразвуковым методом способствует такие главные его преимущества как высокая чувствительность, безынерционность и бесконтактность измерения, отсутствие подвижных частей в потоке, отсутствие потерь давления в трубопроводах, возможность применения для измерения плотности и расхода агрессивных газов. Основным недостатком метода является восприимчивость к изменению температуры газа, что значительно влияет на результат измерения скорости звука и плотности. Для исключения данной зависимости в средствах измерения производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН» применяются различные механизмы компенсации и коррекции дестабилизирующих факторов.
Выводы
- Проведен обзор методов и средств измерения плотности газа, указаны их преимущества и недостатки. Обоснован выбор ультразвукового время-импульсного метода измерения плотности, который является универсальным и наиболее перспективным.
- Раскрыта проблематика измерения плотности углеводородных и других газов, связанная с проведением периодических измерений зачастую не автоматизированными способами, а также с дороговизной автоматизированных измерителей.
- Приведено описание принципов измерения плотности вновь разработанными ультразвуковыми плотномерами серии UDM различных модификаций, а также перечислены все уникальные преимущества от их использования, как по отдельности, так и в составе измерительного комплекса, реализующего функцию ρ-пересчета объемного расхода газа в массовый.
- Описана информационная функция оценки плотности газа, которая реализована в расходомерах серии Turbo Flow UFG без применения измерителей плотности при использовании технологического программного обеспечения UFG View в режиме реального времени. В данных расходомерах для точного измерения скорости звука применяются особые схемы ее коррекции аппаратно-программным путем.
ЛИТЕРАТУРА:
- Соломичев Р. И. Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. – 2019, № 4/2019 (72). с. 46-51.
- Соломичев Р. И. Исследование метрологических характеристик системы диагностики УЗ расходомеров UFG при оценке плотности природного газа / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и газ. – 2019, №5/2019 (73). с. 92-95.
- Соломичев Р. И. Измерение плотности нефтепродуктов и концентрации компонент технологических жидкостей ультразвуковым методом / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и газ. – 2019, № 6/2019 (74). с. 60-64.
- Газ природный [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://neftegaz.ru/tech-library/energoresursy-toplivo/141748-gazprirodnyy/ (дата обращения: 08.03.2021).
- Кивилис С. С. Плотномеры. – М.: Энергия, 1980. с. 280.
- ГОСТ 8.611-2013. Расход и количество газа. Методика измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1200104093 (дата обращения: 02.02.2021).
- Билинский И. И. Анализ методов и средств измерения плотности нефтепродуктов / И. И. Билинский, К. В. Огородник, Н. А. Яремишена // Научные труды ВНТУ. Серия: «Автоматика и информационно-измерительная техника». – 2016, №2. с. 1-14.
Статья в формате pdf →
- 346800, Ростов-на-Дону,
- автодорога Ростов-Новошахтинск,
1-км, стр. 6/8 - ☎ +7 (863) 203-77-80
- info@turbo-don.ru
- turbo-don.ru
