Способ оперативного определения коэффициента сжимаемости газов и их смесей

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на замерных узлах газодобывающих и газотранспортных предприятий, при проведении исследований физических свойств газов и их смесей (в частности, топливных природных и попутных нефтяных) и в других случаях, где необходимо знание величины отступления поведения газа от идеального. В способе оперативного определения коэффициента сжимаемости используют объемный резонатор, выполненный из металла с малым коэффициентом температурного расширения и с известной собственной частотой в вакууме ωо. Затем заполняют газом при стандартном давлении и температуре и измеряют значение резонансной частоты ωс. Далее заполняют его газом при рабочих давлениях Р и температуре Т и измеряют значение собственной частоты ωр. После чего коэффициент сжимаемости K рассчитывают по соотношению:

Техническим результатом изобретения является возможность оперативно измерять коэффициента сжимаемости газов и их смесей, т.е. находить функцию K(t) с более низкой погрешностью и, как следствие этого, понижение погрешности измерения расхода при использовании расходомеров на сужающих устройствах. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на замерных узлах газодобывающих и газотранспортных предприятий, при проведении исследований физических свойств газов и их смесей (в частности, топливных природных и попутных нефтяных) и в других случаях, где необходимо знание величины отступления поведения газа от идеального.

Одним из основных показателей работы газодобывающего или газотранспортного предприятия является количество добываемого или передаваемого газа в единицу времени - его объемный расход Q0.

Наиболее распространенным способом измерения объемного расхода, принятым на сегодня, является способ определения переменного перепада давления на сужающем устройстве (СУ) - сопле или диафрагме.

При этом основным расчетным соотношениям для определения величины Qo является следующее [1-3]:

где ΔР - перепад давления на СУ, ρ - плотность газа в рабочих условиях (р.у.) (при давлении Р и температуре газа в трубопроводе 7), Q0 - объемный расход (в р.у.), А - интегральный коэффициент, учитывающий форму СУ (коэффициент расхода), поправочный множитель на расширение газа, площадь минимального проходного отверстия СУ и др.

Плотность газа в рабочих условиях р на предприятиях газовой промышленности не измеряется (из-за отсутствия надежных и сравнительно недорогих средств измерения). Как правило, поступают одним из следующих образов:

- либо в лаборатории взвешивают представительную пробу газа в особом сосуде известного объема (пикнометре) при комнатной температуре, определяют плотность, затем измеряют температуру и атмосферное давление, вносят поправку на отличие давления и температуры газа от стандартных, т.е. приводят плотность к стандартным условиям, иными словами, получают ее значение ρс при давлении Рс=1,0131·105 Па и температуре Тс=293,15K (наиболее распространенный способ);

- либо на хроматографе определяют компонентный состав (с соответствующей высокой точностью) и, уже исходя из него, вычисляют значение ρс (более редкий способ).

Для расчета состояния реальных газов и их свойств используют полуэмпирические формулы или уравнения, построенные на основе обработки реальных зависимостей, полученных из эксперимента [4]. В инженерных расчетах чаще всего пользуются обобщенным уравнением Менделеева-Клапейрона (2), в которое вводится некоторый безразмерный коэффициент Z, получивший название фактора сжимаемости; он учитывает отклонение поведения реального газа от идеального:

здесь Р - давление газа, Т - его температура, V - занимаемый газом объем, R - универсальная газовая постоянная, m - масса газа, М - его молярный вес.

Зная температуру и давление, из уравнения состояния (2) вычисляют плотность ρ газа как в рабочих, так и в стандартных условиях:

а из соотношения далее находят ρ через ρс:

здесь Zc и Z - значения факторов сжимаемости при стандартных (Рс, Тс) и рабочих (Р, Т) условиях. При этом уравнение (1) примет вид

где коэффициент - отношение факторов сжимаемости получил название коэффициента сжимаемости.

Как видно из (5), коэффициент сжимаемости прямо входит в формулу, по которой рассчитывается расход, и его погрешность входит в погрешность определения расхода.

Наиболее точно факторы сжимаемости любых газов - чистых попутных нефтяных либо природных газов определяются экспериментально. На специальном физическом оборудовании в лаборатории в некоторой области температур и давлений получают совокупность экспериментальных точек [Рi, Vi, Ti, или [Рi, ρi, Ti], или [Zi, ρi, Ti], где Рi, Vi, ρi, Тi, Zi - соответственно давление, удельный объем, плотность, температура и фактор сжимаемости в точке i.

Обрабатывая эти данные, получают зависимости Z(P, Т), по которым можно найти значения Z в промежуточных точках.

Техника для экспериментального определения зависимостей Z(P, Т) достаточно сложна и не может быть сегодня воспроизведена в заводской лаборатории газового предприятия или в ЦНИПРе. Кроме того, такие измерения (по существу исследования) требуют значительного труда и времени. Поэтому на практике используют графические и аналитические способы определения коэффициентов Z и K.

ГОСТ 30319.2-96 [4] рекомендует использовать один из 4-х расчетных способов определения Z и K, а именно: NX19 мод., УС GERG, УС AGA8-92DC и УС ВНИЦ СМВ. Исходными данными для первых двух являются давление, температура, плотность в стандартных условиях ρс и молярные доли азота и углекислого газа. Для последних двух способов исходными являются давление, температура и молярные доли всех компонентов природного газа.

Погрешность вычисления величины Z-δZ зависит от того, какой расчетный способ используется, а также от точности измерения вводимых исходных данных и термобарических параметров (рабочих условий). Действительно, обратившись к таблице 1 ГОСТ 30319.2-96, увидим, что для способа NX19 мод. при ρс>0,75 кг/м3 и Р>7 МПа погрешность расчета составляет 1,09%, а отклонение от экспериментальных данных - 1,65%.

Для способа GERG-91 мод.: при ρ=0,74-1,00 кг/м2 (смеси с H2S) при Р - 0,1-11 МПа погрешность расчета составляет 2,1% отклонение от экспериментальных данных 3,1%.

Для способа АGА8-92ДС: при ρ=0,74-1,00 (смеси с H2S) и Р=0,1-11 МПа погрешность расчета - 1,3%, отклонение экспериментального значения - 1,88% и т.д.

Примем далее за прототип один из способов, например, GERG-91 мод.

Таким образом, для природных газов только погрешности расчета (в отдельных областях рабочих условий) доходят до 2%. Экспериментальные данные дадут, по-видимому, расхождение с истинными еще больше. На уровне погрешностей измерения других параметров расхода - температуры, давления, перепада давления, лежащих в диапазоне 0,1…0,5%, такие большие погрешности при установлении величины Z становятся определяющими.

Важным моментом является также то обстоятельство, что расчетная величина Z выступает как средняя за период между измерениями величин, входящими в исходные расчетные данные при подсчете, изменении компонентного состава в течение этого промежутка времени, неконтролируемая погрешность может выходить за границы погрешности расчетной величины Z.

Таким образом, недостатком существующего способа определения коэффициента сжимаемости является необходимость проведения предварительного хроматографического анализа с целью получения данных о компонентном составе и высокая погрешность расчетов величины К в отдельных термобарических областях. Кроме того, полученное значение коэффициента сжимаемости относится к определенному моменту времени - времени взятия пробы для анализа tо, т.е. К=K(tо). Невозможность непрерывного слежения за величиной К=K(t) является следующим недостатком способа определения К.

Техническим результатом предлагаемого способа определения коэффициента сжимаемости К является возможность оперативно измерять этот коэффициент, т.е. находить функцию K(t) с погрешностью не выше погрешности измерения других входящих в формулу расхода (5) физических величин (Р, ΔР, Т, ρс) в любом диапазоне термобарических параметров и, как следствие этого, понижение погрешности измерения расхода при использовании расходомеров на сужающих устройствах.

Технический результат достигается тем, что в способе оперативного определения коэффициента сжимаемости используют объемный резонатор, выполненный из металла с малым коэффициентом температурного расширения и с известной собственной частотой в вакууме ω0, заполняют газом при стандартном давлении и температуре и измеряют значение резонансной частоты ωс, затем заполняют его газом при рабочих давлениях Р и температуре Т и измеряют значение собственной частоты ωр, после чего коэффициент сжимаемости К рассчитывают по соотношению:

На фиг.1 изображена схема устройства, реализующего предложенный способ. Она включает в себя СВЧ генератор 3 см диапазона длин волн на диоде Ганна 1, два объемных резонатора, изготовленных из металла с малым температурным коэффициентом расширения - измерительный 2 и опорный 3, детектор измерительного канала 4, детектор опорного канала 5.

Электронная часть устройства состоит из блока управления 8, блока измерения частоты 9 и стабилизированного блока питания 10. Газовый тракт включает трубку подвода газа 11, редуктор 12, входной 13 и выходной 14 газовые вентили, манометр 15, термометр 16, выкидную трубку 17. Измерительный резонатор помещен в термостат 18.

Работа устройства происходит следующим образом.

В блоке 8 вырабатывается пилообразное напряжение, управляющее частотой генератора 1. Более точно - «пила» состоит из 256 ступенек, так что номер ступеньки («код») однозначно определяет напряжение и, следовательно, частоту генератора: таким образом, осуществляется взаимнооднозначное соответствие между кодом и частотой. Код, соответствующий резонансной частоте резонатора 2, высвечивается на передней панели прибора.

Опорный канал, на основе резонатора 3 и детектора 5, служит для стабилизации начальной частоты генератора 1; электроника блока управления 8 устроена таким образом, что резонансная частота резонатора 3 всегда соответствует одному и тому же коду; в случае отклонения от заданного значения кода вырабатывается напряжение, подаваемое на диод Ганна, генератора 1, которое корректирует уход частоты.

Выходным параметром схемы регистрации является резонансная частота резонатора. В отсутствие газа (в вакууме) частота резонатора равна ωо; при заполнении резонатора газом с диэлектрической постоянной ε частота его понижается и становится равной ω.

Используем соотношение между диэлектрической проницаемостью и плотностью газа, основанное на соотношении Клаузиуса-Мосотти, которое связывает микроскопические параметры вещества газа - его поляризуемость α и молярную массу М - с макроскопическими, измеряемыми параметрами - плотностью вещества ρ и его относительной диэлектрической проницаемостью (ДП) ε [5-7]:

где NA - число Авогадро; εо=8,854·10-12 ф/м - электрическая постоянная.

Разрешив (5) относительно ρ, получим:

Поскольку для всех газов при небольших и умеренных давлениях (P≤10 МПа) ε-1<<1, то можно положить ε+2=3. Тогда (6) можно переписать как

Коэффициент пропорциональности, как видно из (7), может быть вычислен по известным для данного газа значениям М и α:

Из выражения (4) найдем коэффициент сжимаемости

Плотность при стандартных условиях найдем из (7)

где (ε - 1)с - диэлектрическая проницаемость газа без единицы в стандартных условиях. Из (7), (9) и (10) найдем:

где (ε-1)р - диэлектрическая постоянная без единицы в рабочих условиях.

Техническая сторона процедуры измерения величины К основана на следующем физическом эффекте. Если взять пустую металлическую полость простой геометрической формы, например цилиндр, и возбудить в ней электромагнитные колебания, то на некоторых частотах (ω01, ω02 …) будет наблюдаться резкое возрастание их амплитуды - резонанс. В отсутствие в полости вещества (в вакууме) значения резонансных частот определяются только геометрическими размерами и формой полости (называемой объемным резонатором).

При заполнении объемного резонатора газом скорость распространения радиоволн в нем падает, и собственные частоты резонатора смещаются ω01→ω0101-Δω1; ω02→ω0202-Δω2 и т.д. При этом относительное смещение частоты определяется диэлектрической проницаемостью газа [8; 9]:

где ω0 и ω1 - собственные частоты резонатора без газа и с газом соответственно.

С учетом (12) выражение (11) принимает вид

Определение коэффициента сжимаемости начинается с измерения сдвига частоты резонатора при стандартных условиях. Для этого открывается вентиль 13 и 14 и с помощью редуктора 12 продувают резонатор 2 газом и затем заполняют объем резонатора 2 до давления чуть выше Рс, после чего вентили 13 и 14 закрывают. После этого на термостате устанавливают температуру Тс=293,15 К и по достижении газом этой температуры приоткрывают вентиль 14 и устанавливают по манометру 15 давление, равное стандартному: Рс=1,013·105 Па, после чего вентиль 14 закрывают. После этого с помощью блока измерения частоты 9 замеряется частота ωс. Первоначальная частота полого резонатора ω0 (т.е. в вакууме) при Т=Тс определяется заранее и вводится как параметр в блок 9.

Затем резонатор 2 снова заполняют газом, но уже при рабочем давлении Р и рабочей температуре Т. Для этого полностью открывают редуктор 12 и вентиль 13, а на термостате 18 устанавливают температуру, равную температуре газа в трубопроводе. После установления давления и температуры газа до рабочих, т.е. существующих в трубопроводе, и в момент времени t=t производят измерение сдвига частоты резонатора ωр.

Далее производят вычисление коэффициента сжимаемости по формуле (13); при этом получают величину К (t), соответствующую времени измерения t=t.

Процесс нетрудно автоматизировать. Для этого вентили 13 и 14 достаточно заменить на электрически управляемые, а температуру термостата заставить следовать температуре газа в газопроводе.

С помощью предлагаемого способа были проведены измерения коэффициента сжимаемости на углекислом газе при рабочих давлениях Р=26…35 атм и температурах Т=301-303 К.

Результаты измерений отличались от контрольных данных на 0,5…1,0%, причем основным источником погрешности были колебания температуры газа, т.к. термостат в этих измерениях отсутствовал, а объемные резонаторы были выполнены из латуни, имеющей достаточно высокий коэффициент теплового расширения.

Литература

1. Правила измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД50-213-80. М., Изд-во стандартов, 1982, 318 с.

2. ГОСТ 8.563.2-97 ГСН. Измерение расхода количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления.

3. Плотников В.М., Подрешетников В.А., Тетеревятников Л.И. Приборы и средства учета природного газа и конденсата. - Л.: Недра, 1989, 238 с.

4. ГОСТ 30319.3-96 Газ природный. Методы расчета физических свойств.

5. Вышиваный И.Г., Москалев И.Н., Костюков В.Е. и др. НГЖ. Плотнометрия попутных нефтяных и природных газов на основе измерения их диэлектрической проницаемости, анализ проблемы. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». - М.: ВНИИОЭНГ, 2009, №10, 8-12 с.

6. Вышиваный И.Г., Москалев И.Н., Костюков В.Е. и др. НГЖ. Диэлькометрическая плотнометрия нефтяных и природных газов: принципиальные трудности. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». - М.: ВНИИОЭНГ, 2009, №11, 7-11 с.

7. Вышиваный И.Г., Москалев И.Н., Костюков В.Е. и др. НГЖ. Экспериментальное определение плотности природного газа на основе измерения его диэлектрической проницаемости. «Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности». - М.: ВНИИОЭНГ, 2009, №12, 6-11 с.

8. Голант В.Е. СВЧ методы исследования плазмы. - М.: Наука, 1968, 326 с.

9. Москалев И.Н., Стефановский A.M. Диагностика плазмы с помощью открытых осесимметричных резонаторов. М.: Энергоатомиздат. 1995, 145 с.

Способ оперативного определения коэффициента сжимаемости газов и их смесей, отличающийся тем, что объемный резонатор, выполненный из металла с малым температурным коэффициентом расширения и с известной собственной частотой в вакууме ω0, заполняют газом при стандартном давлении Рc и температуре Тc и измеряют значение собственной частоты ωс, затем заполняют его газом при рабочих давлении Р и температуре Т и измеряют значение собственной частоты ωр, а коэффициент сжимаемости K определяют из соотношения



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к нефтедобыче и может быть использовано для определения объемных долей воды и нефти в отобранных пробах из потока продукции нефтяной скважины.

Изобретение относится к измерению плавучести физического тела в жидкой среде. .

Изобретение относится к измерению плавучести физического тела в жидкой среде. .

Изобретение относится к области исследований в мегабарной области давлений квазиизэнтропической сжимаемости газов, например водорода, дейтерия, гелия и т.д. .

Изобретение относится к способам определения физических характеристик лессового грунта и может быть использовано при измерении площади островов неоднородности грунта, плотности материала частиц грунта, размера и толщины слоев на разной глубине, анализе и оценке структуры грунта в геологии, климатологии, минералогии и строительстве.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности жидкостей в нефтяной, химической, пищевой промышленности и в других областях.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения плотности жидких сред в различных резервуарах, в том числе в аппаратах под давлением.

Изобретение относится к области исследований газоконденсатных разведочных и эксплуатационных скважин. .

Изобретение относится к измерительной системе для измерения плотности среды, являющейся изменяющейся в отношении термодинамического состояния, в частности, по меньшей мере, частично сжимаемой, протекающей в технологическом трубопроводе, таком как технологическая магистраль или труба, вдоль оси потока в измерительной системе.

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к определению физических свойств грунтов
Изобретение относится к способам тестирования устойчивости снежного покрова на лавиноопасных склонах горнолыжных комплексов с целью обеспечения безопасности проведения рекреационных мероприятий

Изобретение относится к буровой технике, а именно к способам определения дебитов и плотности пластового флюида нефтяных пластов и слоев пониженной, низкой и ультранизкой продуктивности, объединенных в общий эксплуатационный объект скважины

Изобретение относится к области инженерной геологии, в частности к определению физических свойств грунтов

Изобретение относится к области контроля плотности жидких сред и может быть использовано для непрерывного контроля плотности технологических жидкостей. Устройство для измерения плотности жидких сред содержит выполненные из немагнитного материала измерительную камеру с поплавком, внутри которого находится магниточувствительное вещество. Также устройство содержит катушку соленоида, размещенную снаружи измерительной камеры и подключенную к выходу источника регулируемого напряжения, сенсорную катушку, подключенную ко входу источника регулируемого напряжения и параллельно ко входу измерительного индикатора. При этом измерительная камера имеет входной и выходной патрубки, выполненные с возможностью подключения к магистральному трубопроводу с контролируемой жидкостью. Корпус поплавка измерительной камеры выполнен из эластичного немагнитного материала и заполнен магниточувствительным веществом, в качестве которого используется ферромагнитная суспензия. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности проведения непрерывного измерения плотности, упрощение конструкции, а также повышение точности измерений. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области обработки и использования сыпучих материалов, в том числе сыпучих высокорадиоактивных материалов для производства твэлов ядерных реакторов. Устройство для контроля насыпной плотности и текучести сыпучих материалов включает мерную воронку с шибером, размещенную в корпусе. Также устройство включает весовую платформу, соединенную с компьютером, приемную емкость, размещенную под воронкой на весовой платформе. Устройство также содержит сметку, соединенную с электроприводом и вплотную прижатую к верхнему срезу мерной воронки, вибратор, соединенный с корпусом. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей, а именно обеспечение контроля насыпной плотности и текучести высокорадиоактивных порошков и с достаточной точностью. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Использование: изобретение относится к области определения плотности материалов, в частности льна, и может быть использовано в сельском хозяйстве и на льнозаводах первичной переработки льносырья для определения параметров рулонов, сформированных из стеблей лубяных культур. Сущность изобретения: измеряют силу сопротивления внедрению щупа в рулон в плоскости его диаметрального сечения в направлении от периферии к сердцевине и скорость движения щупа, сравнивают полученные результаты с эталонными значениями и по результатам сравнения определяют плотность рулона. При этом устройство снабжено каналом для измерения скорости движения щупа, содержащим соединенные последовательно датчик скорости, усилитель и преобразователь частоты в напряжение. Причем выход усилителя канала измерения силы сопротивления внедрению щупа и выход преобразователя частоты в напряжение подключены к индикатору через делитель напряжения. В результате проверки было установлено, что относительная ошибка заявляемого способа определения плотности не превышает 4,5%, что меньше ошибки измерения плотности противопоставляемым способом почти на 2%. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Группа изобретений относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения плотности (в том числе локальной плотности) жидких сред и газовых сред. Способ измерения плотности заключается в полном погружении физического тела с определенными массой, объемом и магнитными свойствами в измеряемую среду и воздействии на него магнитным полем. Причем воздействие на физическое тело магнитным полем осуществляется в измеряемой среде в месте расположения тела. При этом величина и направление изменяются посредством контролируемого изменения физического параметра. Причем перед началом измерения значение этого физического параметра таково, что тело занимает положение устойчивого покоя во всем диапазоне измерения плотности, а по мере изменения вышеупомянутого физического параметра в процессе измерения, это положение покоя становится неустойчивым и тело скачкообразно переходит в новое положение устойчивого покоя при определенном значении этого физического параметра, регистрируемое в момент этого перехода. Причем однозначная функциональная зависимость в момент этого перехода между значением физического параметра и плотностью измеряемой среды позволяет определить значение плотности среды по зарегистрированному значению физического параметра. Техническим результатом изобретения является возможность измерения плотности в резервуарах по всей высоте имеющегося уровня жидкости и газов. 7 н.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к технологии сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых (например, теплоизоляционных, а также дисперсных) материалов, в том числе в текстильной промышленности. Способ определения коэффициента массопроводности пористых проницаемых материалов включает определение величин, входящих в кинетический закон массопередачи, а именно: массы вещества, движущей силы процесса массопередачи (разности потенциалов сред) с обеих сторон материала и времени процесса. При этом одновременно при одних и тех же параметрах процесса проводят измерения указанных величин для двух или более образцов одной и той же природы, но разной толщины. Затем рассчитывают искомый коэффициент массопроводности по полученной аналитическим путем формуле: где δ1, δ2 - толщина образцов, м; ΔM1, ΔM2 - приращении е массы влаги в процессе опыта, кг; Δ - общая движущая сила процесса массопереноса, Па; F - площадь поверхности образца, м2; Δτ - приращение времени, соответствующее приращению массы влаги, с. При этом в данной формуле выражена количественная доля разности потенциалов на поверхностях материала, т.е. движущей силы массопереноса механизмом массопроводности, от общей движущей силы процесса массопередачи от одной среды к другой через проницаемый материал. Техническим результатом изобретения является повышение точности, а также упрощение способа определения коэффициента массопроводности пористых проницаемых материалов. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на замерных узлах газодобывающих и газотранспортных предприятий, при проведении исследований физических свойств газов и их смесей и в других случаях, где необходимо знание величины отступления поведения газа от идеального

Наверх