Автоматический плотномер газа

Изобретение относится к области автоматического контроля технологических параметров и показателей физических свойств природного газа и может быть использовано в газовой промышленности для автоматического контроля плотности природного газа в процессе его добычи, транспорта, хранения и распределения, а также в качестве датчика плотности природного газа для автоматических расходомеров, содержащих вычислительные устройства для расчета расхода газа по измеренным значениям перепада давления на сужающем устройстве, давления и температуры газа. Техническим результатом является повышение точности определения плотности природного газа при стандартных условиях. Автоматический плотномер газа содержит линию контролируемого газа и установленный на ней турбулентный дроссель, дроссель в виде шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), фильтр колебаний давления, датчики абсолютного давления и температуры, датчик частоты вращения вала виртуального дросселя и вычислительное устройство, ко входам которого подключены указанные датчики, а к выходу - устройство отображения информации. 2 ил.

 

Изобретение относится к области автоматического контроля технологических параметров и показателей физических свойств природного газа и может быть использовано в газовой промышленности для автоматического контроля плотности природного газа в процессе его добычи, транспорта, хранения и распределения, а также в качестве датчика плотности природного газа для автоматических расходомеров, содержащих вычислительные устройства для расчета расхода газа по измеренным значениям перепада давления на сужающем устройстве, давления и температуры газа.

Известно устройство для измерения плотности газа (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. - Изд.2-е, перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 23 с. - (Б-ка по автоматике; вып.639).

Известное устройство является весовым детектором плотности газа. В основу его работы положено сравнение гидростатических давлений двух столбов медленно протекающих газов, имеющих различную плотность и находящихся при одинаковых температуре и давлении.

Устройство содержит первый и второй вертикальные каналы с общими входной и выходной линиями; первый и второй терморезисторы, расположенные в нижней части соответственно первого и второго вертикальных каналов; неравновесный мост, в измерительную схему которого включены терморезисторы.

Устройство работает следующим образом.

Контролируемый газ подается в первый вертикальный канал выше первого терморезистора, во второй вертикальный канал выше второго терморезистора подается сравнительный газ. В общую (для первого и второго каналов) входную линию подается вспомогательный газ. Контролируемый, сравнительный и вспомогательные газы проходят по вертикальным каналам снизу вверх, объединяются сверху в общую выходную линию и уходят на утилизацию. При изменении плотности контролируемого газа изменяется гидростатическое давление в первом вертикальном канале. Это приводит к изменению соотношения потоков вспомогательного газа, омывающих первый и второй терморезисторы. Изменение соотношения потоков вызывает изменение отвода тепла от терморезисторов и, следовательно, изменение их температуры и сопротивлений. Сопротивление терморезисторов измеряют неравновесным мостом, шкала которого тарирована в единицах плотности газа.

Недостатком описанного устройства является сложность его эксплуатации, обусловленная необходимостью обеспечения одинаковых условий (температуры, давления, скорости потоков) движения контролируемого и сравнительного газов, низкая точность определения плотности газа и отсутствие функции определения плотности газа при стандартных условиях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для измерения плотности газа, описанное в (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. Изд.2-е, перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 25-26 с. (Б-ка по автоматике; вып.639).

Известное устройство состоит из дозатора, переменного и двух постоянных дросселей, включенных в линию газа-носителя по мостовой схеме, причем дозатор и переменный дроссель включены в смежные плечи моста со стороны входа газа-носителя; линии контролируемого газа, подключенной к дозатору; входной линии вспомогательного газа, подключенной к средней точке измерительной диагонали моста; первого и второго терморезисторов, включенных в измерительную диагональ моста так, что первый терморезистор находится в левой полудиагонали, а второй - в правой полудиагонали; неравновесного моста, в измерительную схему которого включены оба терморезистора; стабилизатора давления, установленного на линии газа-носителя.

Известное устройство работает следующим образом.

Контролируемый газ подается в дозатор, установленный в одном из плеч мостовой схемы, где смешивается с газом-носителем, поступающим из входной линии после стабилизатора давления, и далее, проходя постоянный дроссель, отводится на утилизацию. Второй поток газа-носителя после стабилизатора давления проходит переменный дроссель, постоянный дроссель и далее отводится на утилизацию. В среднюю точку измерительной диагонали моста вводится вспомогательный газ, который проходит в левую и правую диагонали моста, омывая установленные там первый и второй терморезисторы, и через постоянные дроссели отводится на утилизацию. Перед эксплуатацией устройства переменным дросселем настраивают мостовую схему так, чтобы разность давлений в измерительной диагонали была равной нулю. При изменении плотности анализируемого газа расход газа через постоянный дроссель, установленный в плече на линии контролируемого газа, изменится. В результате в измерительной диагонали моста появится разность давлений, которая нарушит соотношение потоков вспомогательного газа, омывающих первое и второе термосопротивления. Изменение соотношения потоков вызывает изменение отвода тепла от терморезисторов и, следовательно, изменение их температуры и сопротивлений. Сопротивление терморезисторов измеряют неравновесным мостом, шкала которого тарирована в единицах плотности газа.

Недостаток известного устройства - сложность и низкая точность определения плотности газа, а также отсутствие функции определения плотности газа при стандартных условиях.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, состоит в том, чтобы создать устройство, обеспечивающее повышение точности определения плотности природного газа при стандартных условиях.

Для достижения названного технического результата известное устройство для определения плотности газа, содержащее линию контролируемого газа и установленный на ней турбулентный дроссель, дополнительно содержит дроссель, выполненный в виде шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), установленный последовательно с турбулентным дросселем на линии контролируемого газа, фильтр колебаний давления, установленный на междроссельной линии, датчики абсолютного давления и температуры, установленные на входном участке линии контролируемого газа, датчик абсолютного давления, установленный на емкости фильтра колебаний, датчик температуры, установленный на междроссельной линии, датчик абсолютного давления, установленный на выходном участке линии контролируемого газа, датчик частоты вращения шарового затвора, вычислительное устройство, ко входам которого подключены указанные датчики, а к выходу - устройство отображения информации.

Схема автоматического плотномера газа показана на фиг.1.

Автоматический плотномер газа содержит турбулентный дроссель 1 и шаровой кран 2 с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), последовательно установленные на линии контролируемого газа, образованной входным участком 3, междроссельным участком 4 и выходным участком 5; редуктор (регулятор давления) 6 и фильтр 7, установленные на входном участке; демпфирующее устройство (фильтр колебаний давления газа), образованное дросселем 8 и емкостью 9; вычислительное устройство (контроллер) 10 и устройство отображения информации (например, жидкокристаллический дисплей) 11; датчики температуры 12 и 13, подключенные по входу соответственно к входному и междроссельному участкам линии контролируемого газа, а выходами - к вычислительному устройству; датчики абсолютного давления газа 14, 15 и 16, подключенные по входу соответственно к входному, междроссельному и выходному участкам линии контролируемого газа, а выходами - к вычислительному устройству, датчик частоты вращения 17 шарового затвора, подключенного ко входу вычислительного устройства.

Схема шарового крана 2 с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), показана на фиг.2.

Шаровой кран с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), состоит из корпуса 18, в котором расположен шаровой затвор 19, связанный жестко с приводом 20 (например, шагового электродвигателя) посредством вала 21. Отверстие 22 в шаровом затворе выполнено глухим. Шаровой затвор посредством вала и привода (например, шагового электродвигателя) непрерывно вращается. Глухое отверстие, ограниченное с внешней стороны корпусом, образует глухую емкость объемом V.

Автоматический плотномер газа работает следующим образом.

Контролируемый газа по входному участку 3 проходит в редуктор 6 и фильтр 7, где, соответственно, снижается и поддерживается выходное давление газа и происходит очистка газа от механических примесей и жидкости. Далее контролируемый газ проходит через турбулентный дроссель 1 в междроссельный участок 4 и из него проходит через шаровой кран 2 с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), в выходной участок 5. Абсолютное давление и температура в участках линии контролируемого газа измеряются при помощи датчиков абсолютного давления 14, 15, 16 и датчиков температуры 12 и 13. Частота вращения вала шарового крана 2 с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), измеряется при помощи датчика частоты вращения 17 шарового затвора. Сигналы от указанных датчиков поступают на вход вычислительного устройства 10, которое преобразует эти сигналы в значения измеренных параметров и, решая ниже приведенное уравнение, вычисляет плотность газа при стандартных условиях.

Решаемое уравнение (вывод уравнения приведен в приложении) имеет вид:

где

ρ_st - плотность газа при стандартных условиях, кг/м³;

P₀ - абсолютное давление газа перед турбулентным дросселем, Па;

Т₀ - температура газа перед турбулентным дросселем, К;

P₁ - абсолютное давление газа в междроссельном участке, Па;

T₁ - температура газа в междроссельном участке, К;

P₂ - абсолютное давление газа в выходном участке, Па;

f - частота вращения вала шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), 1/с;

k - коэффициент адиабаты газа, проходящего через турбулентный дроссель;

K_z1 - коэффициент сжимаемости газа перед турбулентным дросселем;

К_z2 - коэффициент сжимаемости газа перед виртуальным дросселем;

А - постоянная плотномера, 1/м.

В свою очередь, коэффициент адиабаты зависит от плотности газа при стандартных условиях, давления и температуры газа, т.е. k=k(ρ_st, P₀, T₀). Формула для вычисления коэффициента (показателя) адиабаты здесь не приводится. Она приведена в ГОСТ 30319.1-96. Газ природный. Методы расчета свойств природного газа, его компонентов и продуктов переработки.

Коэффициенты сжимаемости газа также являются функцией ρ_st, P и Т, т.е. K_z1=K_z1(ρ_st, P₁, T₁), K_z2=K_z2(ρ_st, P₂, T₁). Алгоритм их вычисления через ρ_st, P, T из-за громоздкости здесь не приводится, он приведен в ГОСТ 30319.2-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Определение коэффициента сжимаемости.

Постоянную А плотномера определяют по экспериментальным данным, как описано в приложении, и вводят (на длительный период времени) в вычислительное устройство вручную.

Вычислительное устройство по измеренным значениям P₀, T₀, P₁, T₁, P₂ и f, а также по введенному значению постоянной плотномера А вычисляет из уравнения (3) плотность газа при стандартных условиях и выводит это значение на устройство отображения информации 11. Вычислительное устройство 10 решает уравнение (1) одним из численных методов, например методом деления пополам.

Шаровой кран с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), работает следующим образом.

При вращении шарового затвора в промежуток времени, когда глухая емкость соединена с входной линией, в нее поступает газ с давлением Р₁. В промежуток времени, когда глухая емкость соединена с выходной линией, где давление Р₂<Р₁, часть газа из глухой емкости проходит в выходную линию. Этот процесс перемещения части газа из входной линии в выходную линию осуществляется с частотой вращения вала шарового затвора. Средний массовый расход газа через шаровой кран с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), как показано в приложении, описывается уравнением;

где: G_вд - массовый расход газа через шаровой кран с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), кг/с;

V - объем глухой емкости, м³;

ρ_st - плотность газа при стандартных условиях, кг/м³;

P₁ - абсолютное давление газа на входе в дроссель, Па;

T₁ - температура газа на входе в дроссель, К;

Р₂ - абсолютное давление газа на выходе дросселя, Па;

f - частота вращения вала шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), 1/с;

K_z1 - коэффициент сжимаемости газа перед дросселем;

К_z2 - коэффициент сжимаемости газа после дросселя;

P_st, T_st - стандартные значения давления и температуры газа

(P_st=101325 Па; T_st=293,15 К (ГОСТ 30319.0-96. Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения.).

При малой разности давлений до и после дросселя можно принять K_z1=K_z2=K_z. Тогда выражение (4) преобразуется к виду:

Как видно, массовый расход газа через шаровой кран с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), прямо пропорционален разности давлений на нем. Если давление газа перед шаровым краном с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), равно давлению газа после него, то массовый расход газа равен нулю. При неподвижном вале шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), расход газа через него также равен нулю, так как при любом положении шарового запора с глухим отверстием трубопровод контролируемого газа будет перекрыт, это также следует из уравнения (5) при f=0. Массовый расход газа зависит от плотности газа при стандартных условиях (см.(5)). При этом плотность газа при стандартных условиях входит в уравнение (5) в первой степени, тогда как в уравнении расхода газа через турбулентный дроссель плотность газа при стандартных условиях входит в уравнение расхода в степени 0.5.

Благодаря этому весьма важному отличию появляется возможность получить информативное уравнение течения газа через два последовательно соединенные турбулентный дроссель и шаровой кран с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), устанавливающее математическую связь между плотностью газа при стандартных условиях и давлением газа в междроссельном участке. Если бы плотность газа входила в эти два уравнения в одной и той же степени (какой угодно), то давление газа в междроссельном участке не зависело бы от плотности газа, и тогда не было бы возможности измерить плотность газа при стандартных условиях. Отсюда вытекает значимость включения в схему плотномера предлагаемого шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным).

Использование предлагаемого технического решения дает возможность повысить точность измерения плотности газа при стандартных условиях.

Автоматический плотномер газа, содержащий линию контролируемого газа и установленный на ней турбулентный дроссель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит дроссель, выполненный в виде шарового крана с приводом, непрерывно вращающим шаровой затвор, отверстие в котором выполнено глухим (не проходным), установленный последовательно с турбулентным дросселем на линии контролируемого газа, фильтр колебаний давления, установленный на междроссельной линии, датчики абсолютного давления и температуры, установленные на входном участке линии контролируемого газа, датчик абсолютного давления, установленный на емкости фильтра колебаний, датчик температуры, установленный на междроссельной линии, датчик абсолютного давления, установленный на выходном участке линии контролируемого газа, датчик частоты вращения шарового затвора, вычислительное устройство, ко входам которого подключены указанные датчики, а к выходу - устройство отображения информации.