Начинается...

Потоковые преобразователи плотности газа Turbo Flow UDM

УДК 533.12:534.221:534.22.093.3

Потоковые преобразователи плотности газа Turbo Flow UDM

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 проведен обзор методов и средств измерения плотности газа, определены 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 ультразвуковыми плотномерами серии Turbo Flow UDM нескольких модификаций, перечислены все уникальные преимущества от их использования, отдельно и в составе измерительного комплекса, реализующего функцию ρ-пересчета объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям по ГОСТ 8.611-2013. Описана информационная функция оценки плотности газа, которая реализована в технологическом программном обеспечении расходомеров серии Turbo Flow UFG (ООО НПО «Турбулентность-ДОН») без применения отдельных измерителей плотности.

Ключевые слова: природный газ, технически важные газы, свободный нефтяной газ, дымовые газы, плотность, ультразвуковой способ, скорость звука, 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 показатели (ФХП). 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 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 газа;
  • сравнить характеристики разработанного ООО НПО «Турбулентность-ДОН» измерителя плотности 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

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 ФХП 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 Turbo Flow UDM (Ultrasonic Density Meter), основанный на ультразвуковом принципе измерения.

В состав плотномера входят:

1) ультразвуковой первичный преобразователь (далее – УПП), который является чувствительным элементом, выполненный в виде измерительной камеры или штанги с закрепленными ультразвуковыми приемопередатчиками;

2) преобразователь температуры (далее – ПТ), комплектуется в зависимости от исполнения;

3) преобразователь давления (далее – ПД), комплектуется в зависимости от исполнения;

4) электронный блок (далее – ЭБ), состоящий из:

– измерительного модуля (далее – ИМ), который осуществляет аппаратную обработку электрических сигналов от ультразвуковых приемо-передатчиков (канал измерения скорости звука) и преобразователя температуры, приводит их к унифицированному виду для последующей обработки;

– вычислителя плотности (далее – ВП) для обработки входных сигналов по каналам измерения скорости звука, температуры, давления и преобразования их в численные значения плотности и других ФХП с последующим формированием аналогового или цифрового выходного сигнала.

Конструкция прибора предполагает несколько различных исполнений:

  • врезной, – модификация UDM-I (рис. 1);
  • и по типу «закрытый байпас», – UDM-B (рис. 2).

Потоковый измеритель плотности газа, модификация UDM-I при цельном исполнении ПП и ЭБ и раздельном

Рис. 1. Потоковый измеритель плотности газа, модификация UDM-I при цельном исполнении ПП и ЭБ и раздельном

Потоковый измеритель плотности газа, модификация UDM-B

Рис. 2. Потоковый измеритель плотности газа, модификация UDM-B

Технические характеристики УЗ потоковых плотномеров серии Turbo Flow UDM приведены в табл. 2.

Модификация плотномера UDM-I предполагает установку чувствительных элементов – УЗ преобразователей непосредственно в газовый поток, а именно перпендикулярно его направлению вне измерительного участка трубопровода. 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.

Таблица 2. Технические характеристики потоковых плотномеров серии UDM

Технические характеристики потоковых плотномеров серии UDM

Измеритель плотности в исполнении UDM-B по типу «закрытый байпас» так же является отдельным прибором, состоит из измерительной пробоотборной камеры, к которой газ подводится и отводится посредством импульсных трубок, соединенных с трубопроводом. В измерительной камере вдоль прохождения газового потока расположены два УЗ приемопередатчика. 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 измерения плотности газа (±0,1%) 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 ФХП как природного, так и свободного нефтяного газа, а также технически важных и отходящих дымовых газов, – молярной массы, коэффициента сжимаемости, показателя адиабаты;
  • надежность и долговечность работы первичных преобразователей с возможностью выполнять автоматические измерения в условиях высоких температур, давлений, агрессивности и токсичности среды измерения;
  • возможность измерения плотности газа как в рабочих условиях, так и плотности, приведенной к стандартным условиям, относительной плотности (по воздуху и водороду);
  • возможность измерения концентрации компонент бинарных газовых смесей, которые могут задаваться пользователем самостоятельно (20 различных газов);
  • возможность поверки и калибровки прибора на месте эксплуатации.

Использование плотномера серии Turbo Flow 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 ФХП газа в режиме реального времени.

Кроме того, нужно отметить следующие преимущества от использования данной системы:

  • непрерывное ведение минутных / 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.

Расходомер газа Turbo Flow UFG производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН»

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.

Расходомер газа Turbo Flow UFG с дублированием и дополнительными лучами коррекции расхода на скорость звука производства  ООО НПО «Турбулентность-ДОН»

Рис. 4. Расходомер газа Turbo Flow UFG с дублированием и дополнительными лучами коррекции расхода на скорость звука производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН»

В конструкторском бюро ООО НПО «Турбулентность-ДОН» разработаны и проходят испытания врезные УЗ расходомеры серии UFG-I для измерения расхода углеводородных и отходящих дымовых газов.

Конструкция прибора предполагает несколько различных исполнений:

  • модификация расходомера для газовых трубопроводов (рис. 5);
  • моноблочная модификация (штанговая однолучевая), состоящая из пары приемопередатчиков (рис. 6), закрепленных на одной измерительной штанге, в едином корпусе с возможностью одностороннего монтажа;
  • двухблочная модификация, при которой приемопередатчики размещаются на противоположных сторонах газохода, – для труб среднего и большого диаметра (рис. 7).

Врезные УЗ расходомеры для газовых трубопроводов

Рис. 5. Врезные УЗ расходомеры для газовых трубопроводов

Врезные моноблочные (штанговые) УЗ расходомеры дымовых газов

Рис. 6. Врезные моноблочные (штанговые) УЗ расходомеры дымовых газов

УЗ расходомер дымовых газов в двухблочном исполнении

Рис. 7. УЗ расходомер дымовых газов в двухблочном исполнении

Технические характеристики расходомеров серии Turbo Flow UFG-I приведены в табл. 3.

Таблица 3. Технические характеристики расходомеров серии UFG-I

Технические характеристики расходомеров серии UFG-I

Развитию направления по оценке плотности углеводородных, дымовых 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

  1. 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.
  2. Раскрыта проблематика измерения плотности углеводородных и других газов, связанная с проведением периодических измерений зачастую не автоматизированными способами, а также с дороговизной автоматизированных измерителей.
  3. Приведено описание принципов измерения плотности вновь разработанными ультразвуковыми плотномерами серии Turbo Flow 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.
  4. 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.
  5. Рассмотрены технические характеристики перспективных УЗ расходомеров серии Turbo Flow UFG-I производства ООО НПО «Турбулентность-ДОН», в составе аппаратно-программного комплекса которых применена инновационная методика измерения ФХП отходящих газов оценки концентрации компонент смеси на основе измеренной скорости звука.

ЛИТЕРАТУРА:

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Газ природный [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://neftegaz.ru/tech-library/ energoresursy-toplivo/141748-gaz-prirodnyy/ (дата обращения: 08.03.2021).
  5. Кивилис С. С. Плотномеры. – М.: Энергия, 1980. с. 280.
  6. 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).
  7. 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,
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:

ВЫПУСК 4/2021



Читать онлайн