Плотномер-расходомер жидких сред

Изобретение предназначено для измерения параметров жидкости непосредственно в потоке. Плотномер-расходомер содержит измерительную колонку, датчики абсолютного давления 2 и температуры 14 измеряемой жидкости, гильзу 6. На вертикальной ветви 3 измерительной колонки на расстоянии Н установлены отборники давления 4, 5, а на гильзе 6 - отборник давления 8 и датчик температуры 7 «эталонной» жидкости, залитой в гильзу. Горизонтальная ветвь 15 измерительной колонки изготовлена с переменным диаметром и имеет участок 16 калиброванного трубопровода с меньшим диаметром D₁ и участок 17 калиброванного трубопровода с увеличенным диаметром D₂, на котором расположены отборники давления 18, 19. Импульсные трубки 9, 11, 12, 20, 21 с «эталонной» жидкостью (например, кремнийорганической) соединяют отборники давления с соответствующими датчиками разности давления 13, 22. Внутреннее покрытие вертикальной ветви снижает сопротивление потоку жидкости. Блок обработки информации 23 по приведенным формулам рассчитывает плотность и массовый расход измеряемой жидкости. Изобретение обеспечивает повышение точности измерения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предложение относится к области измерительной техники и предназначено для измерения параметров жидкости непосредственно в потоке и может применяться в нефтегазодобывающей, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и других отраслях промышленности.

Известны устройства измерения плотности жидкости при вычислении массового расхода, относящиеся к классу гидродинамических плотномеров (Кремлевский П.П. Расходомеры и счетчики количества: Справочник. - 4-е изд., переработ, и доп. - Л.: Машиностроение. Ленинград. отд-ние, 1989.)

Известно устройство гидродинамического измерения плотности, в котором скорость среды измеряется методом нулевого перепада давления и методом переменного перепада давления измеряется скоростной напор с помощью сужающего устройства в рабочих условиях возможного непрерывного изменения (Пат. РФ №2273016, опубл. 27.03.2006 г.).

Недостатком устройства является то, что оно предназначено для измерения параметров однородной жидкости, которая легко проходит через сужающее русло, но при измерении параметров смеси, у которой плотность компонентов разная, например нефти, происходит осаждение мельчайших твердых (асфальтосмолопарафиновых) включений на диафрагме - в месте сужения и оно забивается (эффект Джоуля-Томсона). Дальнейшее измерение невозможно или происходит с погрешностями.

Известны также расходомеры расширяющего типа, использующие в качестве датчиков давления канал с набором в той или иной последовательности элементов диффузорно-конфузорного типа.

Известно устройство для измерения расхода текучих сред (Пат. RU №2157973, опубл. 20.10.2000 г.). В известном устройстве датчик в форме трубчатого тела имеет входной патрубок, участок-диффузор, участок с максимальным сечением, участок-конфузор и выходной патрубок. На основании измеренных дифференциальными манометрами перепадов давления в трех сечениях определяется расход по известным формулам с помощью вычислителя.

Недостаток известного устройства заключается в отсутствии автоматической коррекции плотности «эталонной» жидкости по температуре и давлению применительно к рабочим условиям измеряемой среды, что сказывается на точности измерения параметров жидкости.

Известен плотномер жидких или газообразных сред, содержащий петлеобразную трубу равного сечения, состоящую из восходящей, горизонтальной и нисходящей ветвей, три отборника давления, установленные соответственно на этих ветвях, два датчика разности давления, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, импульсные трубки с «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, и регистрирующий блок, при этом плотномер снабжен датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, размещенным на корпусе термометра датчика температуры «эталонной» жидкости, а отборники давления, установленные на восходящей, нисходящей ветвях петлеобразной трубы и отборник давления, размещенный на корпусе термометра, расположены на одном уровне в нижней части петли. (Положительное решение о выдаче патента на полезную модель по заявке №2007119410/22 (021158).

Работа известной конструкции основана на методе сравнения плотности «эталонной» жидкости, находящейся в статике, с плотностью рабочей среды, находящейся в динамике, что на порядок повышает точность измерения. Расход рабочей среды определяется по измеренным значениям плотности рабочей среды, потерям на трение на длине петли трубопровода и его диаметру.

К недостаткам полезной модели можно отнести появление погрешности в измерении расхода продукции нефтяных скважин из-за изменения диаметра трубопровода вследствие кругового отложения в нем асфальтопарафиновых включений. А поскольку измерение расхода определяется в зависимости от потерь на трение и диаметра трубопровода, то их изменение влечет за собой погрешности в измерении.

Задачей заявляемого изобретения является повышение точности измерения расхода и плотности рабочей жидкости.

Указанная задача решается тем, что плотномер-расходомер жидких сред, содержащий входной патрубок, измерительную колонку, имеющую вертикальную и горизонтальную ветви, выходной патрубок, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой жидкости, отборники давления, два из которых - нижний и верхний, установлены на вертикальной ветви, два датчика разности давления, залитые «эталонной» жидкостью импульсные трубки для соединения отборников давления с соответствующими датчиками разности давления и регистрирующий блок, снабжен установленными на залитой «эталонной» жидкостью гильзе датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, расположенным на одном уровне с нижним отборником давления вертикальной ветви с диаметром D, выполненной с внутренним покрытием, снижающим сопротивление движению потока жидкости, верхний отборник давления на вертикальной ветви расположен от нижнего отборника давления на расстоянии H=(1÷1,5)D и соединен с упомянутой гильзой импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, нижний и дополнительный отборники давления импульсными трубками с «эталонной» жидкостью соединены с первым датчиком разности давления, горизонтальная ветвь измерительной колонки содержит участок калиброванного трубопровода длиной L₁ меньшего диаметра D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке, причем , L₁=(2÷3)D₁ и L₂=(3÷4)D₂, и снабжена первым отборником давления и вторым отборником давления, расположенным от первого отборника давления на расстоянии L=(2÷3)D₂ на участке диаметром D₂, при этом первый и второй отборники давления соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, со вторым датчиком разности давления, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой и «эталонной» жидкости и датчики разности давления соединены с регистрирующим блоком, выполненным с возможностью определения плотности и расхода измеряемой жидкости соответственно по формулам:

,

,

где ρ_ж - плотность жидкости, кг/м;

ρ_{t эт} - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³;

ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и гидростатическим давлением измеряемой жидкости на участке высоты Н вертикальной ветви, Па;

g - ускорение свободного падения, м/с;

Н - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м;

М - массовый расход жидкой среды, кг/с;

D₁ и D₂ - соответственно диаметры участков калиброванных трубопроводов, м;

ΔP₁ - перепад давления, измеренный на длине L₂, участка калиброванного трубопровода D₂, Па.

Внутреннее покрытие вертикальной ветви может быть выполнено стеклованием или с помощью эпоксидного слоя или другого материала, снижающего сопротивление движению потока жидкости.

На фиг.1 представлено устройство в статике.

Плотномер-расходомер содержит входной патрубок 1, датчик абсолютного давления 2, вертикальную ветвь 3 с диаметром D, которая снабжена нижним (первым) датчиком давления 4, верхним (вторым) датчиком давления 5 с расстоянием между ними Н=(1÷1,5)D, выбранным из источника: А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский, Л.П.Иванов «Гидравлика и аэродинамика», М., Стройиздат, 1985 г., гильзой 6 с «эталонной» жидкостью, на которой установлен термометр «эталонной» жидкости 7 и дополнительный датчик давления 8, причем датчик давления 5 соединен импульсной трубкой с «эталонной» жидкостью 9 с упомянутой гильзой 6, а нижний датчик давления 4 и дополнительный датчик давления 8 находятся на одном уровне и соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью 11 и 12 соответственно с первым датчиком разности давления 13. На вертикальной ветви 3 установлен термометр измеряемой жидкости 14. В качестве «эталонной» жидкости используется жидкость, непосредственно контактирующая с измеряемой жидкостью, но не смешивающаяся с ней, например кремнеорганическая, имеющая известные коэффициенты объемного расширения и сжатия.

Горизонтальная ветвь 15 измерительной колонки изготовлена с переменным диаметром и имеет участок 16 калиброванного (одного диаметра) трубопровода длиной L₁ с меньшим диаметром D₁ и участок 17 калиброванного трубопровода с резким увеличением диаметра D₂ и длиной L₂, где L₁=(2÷3)D₁ и L₂=(3÷4)D₂, , взяты из источника: А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский, Л.П.Иванов. Гидравлика и аэродинамика, М., Стройиздат, 1985 г. На участке 17 расположен первый датчик давления 18 и расположенный от него на расстоянии L=(2÷3)D₂ на одном уровне второй датчик давления 19. Датчики давления 18 и 19 соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью 20 и 21 соответственно со вторым датчиком разности давления 22. Участок 17 заканчивается выходным патрубком.

Датчик абсолютного давления 2, термометр «эталонной» жидкости 7, термометр измеряемой жидкости 14 и два датчика разности давления 13 и 22 связаны с регистрирующим блоком 23 (БОИ - блок обработки информации), который по заложенной в нем программе рассчитывает плотность измеряемой жидкости, ее расход и выдает на средство визуализации, например компьютер (на чертеже не показан). В месте контакта эталонной жидкости с измеряемой жидкостью выполнены «мини» камеры для передачи давления (на чертеже не показаны).

Плотномер-расходомер жидких сред работает следующим образом.

Измеряемая жидкость «Q» поступает из входного патрубка, (где датчиком абсолютного давления 2 измеряется давление измеряемой жидкости и передается на блок 23), на вход восходящей ветви 3 и поднимается по ней, при этом нижний отборник (датчик) давления 4 передает давление в минусовую камеру датчика разности давления 13 по импульсной трубке с «эталонной» жидкостью 11, а верхний отборник (датчик) давления 5 передает давление через гильзу с «эталонной» жидкостью 6 и импульсные трубки 9 и 12 в плюсовую камеру датчика разности давления 13, показания которых поступают на блок 23. Термометр 8 измеряет температуру «эталонной» жидкости. На выходе из вертикальной ветви температура измеряемой жидкости измеряется датчиком температуры 14, показания которого поступают на блок 23.

При прохождении измеряемой жидкости по горизонтальной ветви первый датчик давления 18 передает показания в минусовую камеру второго датчика разности давления 22, второй датчик давления 19 передает показания в плюсовую камеру датчика разности давления 22, который связан с регистрирующим блоком 23.

В процессе измерения используется метод сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами измеряемой жидкости.

Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета плотности измеряемой жидкости.

Измеряемый поток жидкости «Q» из входного патрубка, где происходит измерение абсолютного давления Р, поступает на вход вертикального участка трубопровода и проходит через него, при этом осуществляется измерение перепадов давления столба измеряемой жидкости в двух точках: первым (нижним) датчиком давления и вторым (верхним) датчиком давления, а также температуры измеряемой жидкости t_ж и температуры «эталонной» жидкости t_эt в гильзе. Перепад давления на восходящей ветви определяется по следующей формуле:

,

где ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой давлений гидростатического столба жидкости и потерями давления на трение в восходящей ветви на расстоянии Н.

Давление, создаваемое «эталонной» жидкостью определяется по формуле:

,

где ρ_{t эт} - плотность «эталонной» жидкости, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

Н - расстояние между точками отбора давления, м.

ΔР_ж - гидростатическое давление столба жидкости, равное расстоянию Н, определяется по формуле:

,

где ρ_ж - плотность жидкости, кг/м.³

Так как расстояние Н между точками отбора давления выбирается из условия Н=(1÷1,5)D, где D - диаметр трубопровода восходящей ветви 3, то потерями на трение можно пренебречь, так как они не значительны, и исходя из расчетной формулы потерь на трение:

,

где λ - коэффициент гидравлического сопротивления;

V - скорость потока жидкости в трубопроводе диаметром D, ограничивается числом Рейнольдса: Re=4·10⁴, выбранным расчетно-экспериментальным путем.

Коэффициент гидравлического сопротивления λ можно уменьшить путем выбора наименьшей шероховатости вертикальной части трубы за счет внутреннего покрытия, выполненного из эпоксидного слоя или с помощью остеклования и т.д.

Тогда формула (1) запишется в следующем виде:

,

, откуда ,

при этом ρ_{t эт}=ρ_{20 эт}[1-β_t(t_эт-20)+K_pP], кг/м³.

где р_{20 эт} - плотность «эталонной» жидкости при нормальных условиях (t=20°C; Р=0,10³ МПа).

β_t - коэффициент объемного расширения «эталонной» жидкости при изменении температуры на 1°С;

t_эт - измеренная температура «эталонной» жидкости, °С;

K_p - коэффициент объемного сжатия «эталонной» жидкости, 1/МПа;

Р - абсолютное давление, МПа.

Коэффициенты β_t и K_p берутся из государственной системы стандартных данных.

Измерение расхода жидкости ведется с учетом измеренной плотности жидкости ρ_ж и измеренного перепада давления на горизонтальном участке 17 трубопровода диаметром D₂ с учетом диаметра D₁.

Перепад деления ΔP₁ на горизонтальном участке трубопровода D₂ осуществляется по формуле (А.Д.Альтшуль, Л.С.Животовский, Л.П.Иванов. Гидравлика и аэродинамика, М., Стройиздат, 1985 г.:

где ΔP₁ - перепад давления, измеренный на длине L_2, участка калиброванного трубопровода D₂, Па;

V - скорость потока в калиброванном трубопроводе диаметром D_1, м/сек;

D₁ - диаметр участка калиброванного трубопровода м;

D₂ - диаметр участка калиброванного трубопровода м;

ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;

Из формулы (6) найдем скорость потока V в калиброванном трубопроводе с диаметром D₁.

, м/сек.

Зная скорость V, плотность ρ_ж и диаметр D₁ определим расход массы жидкости через калиброванный трубопровод D₁ по формуле_:

или

.

В предлагаемом изделии точность измерения достигается как за счет применения метода сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами измеряемой жидкости, так и за счет использования участка калиброванного трубопровода с резким расширением диаметра в качестве датчика гидродинамического типа, а также сведением к минимуму потерь давления на трение путем применения поверхности с наименьшей шероховатостью на горизонтальном измерительном участке.

По предлагаемому изделию проведены лабораторные испытания на воде, получены положительные результаты, подтверждающие правильность выбора конструктивного решения измерения плотности и расхода жидкости.

1. Плотномер - расходомер жидких сред, содержащий входной патрубок, измерительную колонку, имеющую вертикальную и горизонтальную ветви, выходной патрубок, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой жидкости, отборники давления, два из которых - нижний и верхний, установлены на вертикальной ветви, два датчика разности давления, залитые «эталонной» жидкостью импульсные трубки для соединения отборников давления с соответствующими датчиками разности давления, и регистрирующий блок, отличающийся тем, что он снабжен установленными на залитой «эталонной» жидкостью гильзе датчиком температуры «эталонной» жидкости и дополнительным отборником давления, расположенным на одном уровне с нижним отборником давления вертикальной ветви с диаметром D, выполненной с внутренним покрытием, снижающим сопротивление движению потока жидкости, верхний отборник давления на вертикальной ветви расположен от нижнего отборника давления на расстоянии H=(1÷1,5)D и соединен с упомянутой гильзой импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, нижний и дополнительный отборники давления импульсными трубками с «эталонной жидкостью» соединены с первым датчиком разности давления, горизонтальная ветвь измерительной колонки содержит участок калиброванного трубопровода длиной L₁ меньшего диаметра D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке, причем, ,
L₁=(2÷3)D₁ и L₂=(3÷4)D₂, и снабжена первым отборником давления и вторым отборником давления, расположенным от первого отборника давления на расстоянии L=(2÷3)D₂ на участке диаметром D₂, при этом первый и второй отборники давления соединены импульсными трубками с «эталонной» жидкостью со вторым датчиком разности давления, датчики абсолютного давления и температуры измеряемой и «эталонной» жидкости и датчики разности давления соединены с регистрирующим блоком, выполненным с возможностью определения плотности и расхода измеряемой жидкости, соответственно, по формулам
,
,
где ρ_ж - плотность жидкости, кг/м³;
ρ_{t эт} - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³;
ΔР - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и гидростатическим давлением измеряемой жидкости на участке высоты Н вертикальной ветви, Па;
g - ускорение свободного падения, м/с;
Н - расстояние между верхней и нижней точками отбора давления, м;
М - массовый расход жидкой среды, кг/с;
D₁ и D₂ - соответственно диаметры участков калиброванных трубопроводов, м;
ΔP₁ - перепад давления, измеренный на длине L₂ участка калиброванного трубопровода D₂, Па.

2. Плотномер - расходомер жидких сред по п.1, отличающийся тем, что внутреннее покрытие вертикальной ветви выполнено остеклованием или с помощью эпоксидного слоя.