Способ определения расхода жидкости в трубопроводе большого диаметра

 

Использование: для измерения расхода в контурах циркуляции с большими диаметрами трубопровода на атомных или тепловых электростанциях, где установка датчика расходомера в магистраль невозможна. Сущность изобретения: устройство содержит штуцеры 1,2, врезанные в трубопровод Т, дифференциальный манометр 3, импульсные трубки 4 с вентилями 5, отводную линию 6 с вентилями 7 и расходомер 8. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для измерения расхода жидкости в контурах циркуляции с большими диаметрами трубопровода на атомных или тепловых электростанциях, где установка датчиков традиционных расходомеров в магистраль невозможна по условиям эксплуатации и/или нежелательна из-за повышения затрат на собственные нужды вследствие появления дополнительных местных сопротивлений.

Известен способ определения расхода жидкости, при котором измеряют разность давлений на участке байпасного трубопровода и на участке трубопровода, расположенном последовательно по потоку, определяют расход в байпасном трубопроводе и судят о расходе в трубопроводе [1].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения расхода жидкости, при котором измеряют перепад давления на участке трубопровода с байпасной линией, гидравлическое сопротивление которой известно, и на участке, следующем за ним по потоку, один раз с закрытой байпасной линией, а другой раз - с открытой, и по полученным значениям судят об искомой величине [2].

Однако известный способ имеет недостатки. Практика определения расходов показывает, что гидравлическое сопротивление байпасной линии (S_б) не является постоянной величиной, так как коэффициент гидравлического сопротивления трения, входящий в S_б, меняется с изменением расхода и числа Рейнольдса, а в процессе эксплуатации - в зависимости от изменения шероховатости и площади поперечного сечения. Неучет изменения гидравлического сопротивления приводит к погрешности в расчете расхода в байпасной линии, что в конечном счете сказывается на определении расхода в трубопроводе, который будет завышен по сравнению с действительным значением.

Целью изобретения является повышение точности определения расхода жидкости путем учета изменений геометрических и гидравлических характеристик трубопровода и отводной линии в процессе эксплуатации.

Для этого при способе определения расхода жидкости в трубопроводе, включающем измерения перепадов давлений на участке трубопровода, содержащем отводную линию, последовательно при открытой и закрытой отводной линии, дополнительно измеряют расход Q₂ в отводной линии, оба измерения перепадов давлений производят на участке трубопровода за точкой присоединения отводной линии, а искомую величину расхода Q определяют по формуле Q = , где λ, λ₁ - коэффициенты гидравлического сопротивления участка трубопровода соответственно с закрытой и открытой отводной линией; Δ h, Δ h₁ - перепады давлений, измеренные соответственно при закрытой и открытой отводной линии.

На чертеже изображено устройство для осуществления предложенного способа.

Заявленная совокупность существенных признаков способа позволяет учесть изменение гидравлических сопротивлений и геометрических параметров в процессе эксплуатации. Измеряя расход жидкости на отводной линии, судят о гидравлическом сопротивлении и геометрических параметрах трубопровода. Отводная линия в зависимости от конкретных условий эксплуатации трубопровода может иметь различные конструктивные решения: байпасная линия в случае возврата жидкости в систему, сбросная линия для слива, рециркулярная линия насоса и т.д.

При измерении перепадов давления на одном и том же участке результаты определяются конкретными (на момент измерения) гидравлическими сопротивлениями и геометрическими параметрами.

Полученные данные учитываются в предложенном соотношении при определении искомой величины.

Устройство содержит штуцеры 1,2, врезанные в трубопровод Т, расположенные последовательно по потоку, дифференциальный манометр 3, импульсные трубки 4 с вентилями 5 и отводную линию 6 с вентилями 7 и расходомером 8 (пунктиром показано, если по условиям эксплуатации ставится байпасная линия).

Расход жидкости измеряется следующим образом.

Измеряют перепады давления на участке 1-2 при закрытом и при открытом вентиле 7, при этом с помощью расходомера 8 одновременно измеряют расход на отводной линии 6.

Перепад давления на участке трубопровода с закрытой отводной линией Δ h = S˙ Q², (1) а с открытой отводной линией Δ h₁ = S₁ ˙ Q₁², (2) где Q и Q1 - расходы в трубопроводе соответственно с закрытой и открытой отводной линией.

В случае малых значений Δ h и Δ h₁ и затруднений замеров их значений необходимо предусмотреть эти замеры на участке трубопровода, содержащем местные сопротивления (задвижка и т.п.).

Гидравлическое сопротивление S участка трубопровода с закрытой отводной линией S = λ ,, (3) а с открытой отводной линией S₁= λ₁ ,,(4) где l - длина участка трубопровода; D и F - соответственно внутренний диаметр и площадь поперечного сечения трубопровода.

С учетом выражений (3), (4) после деления (1) на (2), получают = (5) При выполнении условия ( Δ h - Δ h₁) << Δ Н, где Δ Н - потери давления по всей длине трубопровода, можно записать Q = Q₁ + Q_2, где Q₂ - расход в отводной линии.

Поставляя (6) в (5), получают
= 1+ (7)
После несложных преобразований выражения (7) получают формулу для определения расхода в трубопроводе
Q = (8)
Коэффициенты сопротивления λ и λ₁ для гидравлически шероховатых трубопроводов тождественно одинаковы и в этом случае из расчетной формулы исключаются. Для гидравлически гладких трубопроводов и в переходном варианте (от гидравлически гладких до гидравлически шероховатых) при малом относительном расходе в отводную линию и практически малом изменении числа Рейнольдса в трубопроводе λ₁ также пpактически равно λ . Кроме того, расчетная формула (8) позволяет уточнить λ₁ и λ после определения расхода, при первоначальном принятом условии λ₁ = λ .

Экспериментальная проверка предложенного способа была проведена при измерении расхода воды в трубопроводе диаметром 1000 мм. Расход в отводной линии составлял 0,16 см³/с. Перепады давления на участке трубопровода длиной 10 м с закрытой и открытой отводной линией соответственно равны 0,209 и 0,193 м вод.ст.

Предположим, что λ = λ₁ , тогда расход воды в трубопроводе
Q= = 4.1м³/c При этом число Рейнольдса Re ≃ 0,5 ˙10⁷, температура воды 20^оС и действительно λ = λ₁ .

В соответствии с характеристиками насоса и сети расхода в трубопроводе в эксперименте должен быть Q_н = 4,0 ±0,12 м³/с.

Использование предлагаемого способа измерения расхода жидкости позволит по сравнению с прототипом измерять расход в условиях изменения при эксплуатации шероховатости и геометрических параметров трубопровода, так как искомый расход выражают через перепады давления на одном и том же его участке и расход в отводной линии. При этом искомая величина определяется с погрешностью, обусловленной только погрешностями измерения указанных значений перепадов давлений и расхода в отводной линии.

В отличие от предлагаемого способа при способе по прототипу имеет место относительная погрешность
= 1 - ,, где Q^p, Q - расчетное и действительное значения расходов в трубопроводе;
S_б - гидравлическое сопротивление отводной (байпасной - по прототипу) линии;
р - соответствует расчетному первоначальному значению. Эта погрешность связана с изменением S_б в процессе эксплуатации и составляет 10-20%.

П р и м е р. S_б^р = 49 с²/м⁵;
S_б = 64 с²/м⁵
≃ -14.3%
Кроме того, при способе увеличится оперативность, так как по сравнению с прототипом уменьшится число измерений исходных данных, по которым определяют расход.

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА ЖИДКОСТИ В ТРУБОПРОВОДЕ БОЛЬШОГО ДИАМЕТРА, включающий измерения перепадов давления на участке трубопровода, содержащем отводную линию, последовательно при открытой и закрытой отводной линии и обработку результатов измерений, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения в трубопроводах большого диаметра за счет учета изменения гидравлических и геометрических характеристик трубопровода, дополнительно измеряют расход Θ₂ в отводной линии, оба измерения перепадов давлений производят на участке трубопровода за точкой присоединения отводной линии, а искомую величину расхода Θ определяют по формуле:
Θ = ,,
где λ , λ₁ - коэффициенты гидравлического сопротивления участка трубопровода соответственно с закрытой и открытой отводной линией;
Δ h , Δ h₁ - перепады давлений, измеренные соответственно при закрытой и открытой отводной линии.

РИСУНКИ

Рисунок 1