Способ измерения объемного расхода многофазных сред

 

Использование: изобретение относится к средствам измерения расхода и количества текучих сред и может применяться во всех отраслях, связанных с транспортированием жидкостей и газов по трубопроводам. Сущность изобретения: изменяют скорость вращения лопастного элемента до синхронизации ее со скоростью потока. Момент синхронизации определяют по минимальной деформации лопастного элемента. Способ реализуется с помощью расходомера, который содержит корпус, лопастный элемент, электродвигатель, редуктор, сальник, вал, упругую пластину между лопастным элементом и валом, стержень на валу, датчики положения лопастного элемента и стержня, преобразователь сигналов датчиков, индикатор скорости вала. 2 ил.

Изобретение относится к средствам измерения расхода и количества текучих сред и может применяться во всех отраслях, связанных с транспортированием жидкостей и газов по трубопроводам.

Известен турбинный расходомер с приводом от потока транспортируемой среды, содержащий турбинку, размещаемую на подшипниках в измеряемой среде, и чувствительный элемент, реагирующий на скорость вращения турбинки или фиксирующий число ее оборотов [1] Недостатком этого расходомера является неизбежное взаимодействие подшипников турбинки со средой. Защитить подшипники от этой среды невозможно, так как любые сальники и уплотнения будут тормозить вращение самой турбинки, делая неопределенной зависимость между ее оборотами и расходом среды. Без защиты подшипников происходит ускоренный их износ и даже заклинивание. Это исключает в большинстве случаев использование турбинок с приводом от потока для контроля расхода и количества целого класса жидкостей и газов, которые содержат абразивные и другие твердые включения. Имеются в виду прежде всего сырье и энергоносители, добываемые из-под земли, такие как нефть, углеводородный конденсат, природный газ, геотермальная вода. Эти продукты представляют собой многофазные среды, одновременно содержащие жидкость, газ, твердые соли, кристаллогидраты и абразив в виде частиц породы.

Непригоден упомянутый тип расходомеров и счетчиков количества также для контроля потоков буровых растворов при бурении скважин и цементных растворов в строительном деле.

Известен турборасходомер, в котором турбина связана с электроприводом гибкой связью [2] В этом расходомере деформация гибкой связи (пружины) пропорциональна расходу.

Известному расходомеру присущи следующие недостатки.

Во-первых, в абразивной среде неизбежен значительный износ лопастей турбинки с изменением ее конфигурации, а следовательно, появлением неучтенной погрешности измерения. Во-вторых, в средах с большим содержанием твердой фазы (буровые и цементные растворы) активное, силовое взаимодействие турбинки с потоком предопределяет существенное влияние вязкости на процесс измерения, которое невозможно учесть из-за разной концентрации растворов. Этот недостаток будет ярко выражен также при измерении сред, достаточно вязких и без абразива (сырая нефть, минеральные и органические масла, жидкие пасты). Вязкая среда будет усиливать деформацию пружины, искажая влияние собственно массы потока на процесс измерения расхода.

Ближайшим аналогом изобретению является способ, реализованный в устройстве и включающий воздействие на поток лопастным элементом, соединенным с приводом, изменение скорости вращения лопастного элемента до обеспечения минимального перепада давления на лопастном элементе и измерение числа оборотов лопастного элемента [3] Недостатком известного способа является низкая точность определения момента измерения.

Целью изобретения является повышение точности измерения расхода многофазных сред.

Цель достигается тем, что число оборотов лопастного элемента измеряют в момент достижения синхронизации скорости вращения лопастного элемента и скорости потока, что определяется по минимальной деформации лопастного элемента.

При таком способе измерения оказывается возможным резкое уменьшение износа турбинки и влияния вязкости потока.

Турбинка одновременно упрощается до одного лопастного элемента, а функцию пружины выполняет деформируемая связь между лопастным элементом и валом привода.

На фиг. 1 представлен вариант расходомера, реализующего предлагаемый способ измерения, продольный разрез; на фиг.2 лопастной элемент, вид сверху.

Расходомер содержит корпус 1, размещенный в нем лопастной элемент 2, установленный под углом к оси расходомера, привод лопастного элемента в виде электродвигателя 3, редуктора 4, сальника 5 и вала 6, деформируемую связь между лопастным элементом 2 и валом 6 в виде гибкой упругой пластины 7, стержень 8, жестко установленный на валу 6, датчики 9 и 10 положения лопастного элемента и стержня 8, преобразователь 11 сигналов датчиков, индикатор 12, реагирующий на скорость вала 6.

Лопастной элемент 2 и пластина 7 могут быть заменены одной гибкой лопастью. Индикатор 12 может быть заменен или дополнен счетчиком оборотов. Датчики 9 и 10 размещены таким образом, что при установке лопастного элемента напротив датчика 9 датчик 10 располагается напротив стержня 8.

Способ реализуется в расходомере следующим образом.

Преобразователь 11 подает напряжение, при котором двигатель вращает вал 6 с минимальной скоростью в направлении, показанном на фиг.2 стрелкой. При этом индикатор 12 не включен. Если расхода среды нет, то датчики 9 и 10 выдают сигналы в преобразователь 11 одновременно или последовательно, сначала датчик 10, затем 9. В последнем случае за счет вязкости среды, которая отклоняет лопастной элемент 2 в сторону, противоположную вращению вала 6.

С появлением потока среды лопастной элемент 2, расположенный под углом к оси вала 6, отклоняется под действием этого потока в направлении вращения вала. При этом меняется порядок поступления сигналов с датчиков. Сигналы с датчика 9 поступают в преобразователь 11 раньше, чем с датчика 10. Преобразователь 10 реагирует на это, увеличивая напряжение, подаваемое на двигатель 3, и включает индикатор 12. Напряжение увеличивается до тех пор, пока скорость вала 6 не начнет компенсировать отклонение элемента 2 относительно него и стержня 8. В дальнейшем преобразователь поддерживает работу двигателя, при которой будет минимальным опережение сигналов с датчика 9 относительно датчика 10. Это будет означать, что элемент 2 вращается в основном под действием потока, а вал 2 с той же скоростью, являясь для лопастного элемента лишь опорой. Такая работа лопастного элемента идентична работе турбинки с минимальным трением в подшипниках и с минимальным отбором энергии от потока, т. е. обеспечивается высокая точность измерения расхода и количества контролируемой среды. Разница в том, что при измерении по заявленному способу отпадает проблема надежности подшипников и влияния вязкости на результаты измерения. Повышенная вязкость может быть теперь даже полезной. Чем выше вязкость, тем большая сила будет воздействовать на лопастной элемент, тем чувствительней будет расходомер. Пластина 7 может быть за счет этого достаточно толстой и, следовательно, износостойкой.

Показания индикатора 12 пропорциональны скорости вала 6, соответственно скорости элемента 2 и расходу потока. Если вместо индикатора 12 будет установлен счетчик оборотов, то его показания будут пропорциональны количеству среды, проходящей через расходомер.

Взаимодействие лопастного элемента 2 с потоком, в отличие от турбинки прототипа, минимально. Лопастной элемент лишь поворачивается под действием потока в соответствии с углом своего наклона к оси вала, соответственно к направлению потока. Из этого будет следовать минимальный износ этого элемента.

Возможность использования по данному способу контроля одного лопастного элемента вместо многолопастной турбинки, а также минимальное взаимодействие этого элемента с потоком уменьшает, кроме того, гидравлическое сопротивление расходомера. Это весьма важно, так как при транспортировке и контроле вязких сред всякое сопротивление в трубопроводе вызывает повышение потери давления, требует дополнительных затрат энергии на транспортировку среды.

Все сказанное предопределяет универсальность предлагаемого способа при контроле различных многофазных потоков, в том числе сильно загрязненных абразивными частицами, а также преимущественно состоящих из таких частиц, как буровые и цементные растворы.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЪЕМНОГО РАСХОДА МНОГОФАЗНЫХ СРЕД, включающий воздействие на поток лопастным элементом, соединенным с приводом, изменение частоты вращения лопастного элемента до синхронизации ее со скоростью потока и измерение числа оборотов лопастного элемента в момент синхронизации, отличающийся тем, что момент синхронизации определяют по уменьшению деформации лопастного элемента до минимальной.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2