Способ определения массы сжиженного газа в сливном рукаве и устройство для его осуществления

Способ определения массы сжиженного газа, по которому измеряют температуру и давление в емкости, выпускают вещество из емкости и контролируют время истечения вещества из емкости через насадку и изменение давления в емкости. Массу вещества определяют по газодинамическим соотношениям. При этом согласно изобретению измеряют геометрические размеры внутренней полости сливных рукавов, определяют коэффициент расхода насадки из справочных данных, измеряют температуру в автоцистерне, определяют состав сжиженного газа согласно паспорту качества. Рассчитывают плотность паровой фазы сжиженного газа как двухфазной системы по правилу аддитивности для определенного состава и измеренной температуры. Выпускают сжиженный газ из рукава паровой фазы и рукава слива через насадку при сверхкритическом и докритическом истечении. Определяют достоверность определения коэффициента расхода путем соотнесения массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы, и массы, которая находилась в рукаве паровой фазы до истечения. Сопоставляют величины массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы и рукава слива, и по разности величин определяют массу жидкой фазы сжиженного газа в рукаве слива. Технический результат - измерение расхода массы сжиженного газа из сливного рукава через насадку при истечении с непостоянным давлением. 2 н.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

 

Изобретение относится к автозаправочным станциям и может быть использовано для практического применения при определении массы и потерь сжиженного газа в сливных рукавах при сливоналивных операциях.

Известен способ измерения массы сжиженного газа в замкнутом резервуаре (патент РФ №2421693, кл. G01F 23/28, 2011), основанный на электрическом методе контроля и измерении положения границы раздела и диэлектрической проницаемости каждого слоя двухслойных сред. Сущность: в резонаторе, размещенном в резервуаре, возбуждают электромагнитные колебания на трех собственных частотах. Эти частоты измеряют во всем диапазоне изменения степени заполнения резервуара сжиженным газом. При этом указанные три собственные частоты выбирают такими, что значения хотя бы одной пары частот из них, нормированных к соответствующим частотам резонатора при заполнении газовой фазой всего объема резервуара, не совпадают при любой степени заполнения резонатора сжиженным газом в двухфазном состоянии, и обратные значения отношения разности квадратов обратных значений нормированных частот этой пары к такой же разности, образованной одной из указанных частот и третьей частотой, составляют монотонную зависимость от степени заполнения. Массу сжиженных газов определяют по трем измеренным собственным частотам резонатора.

Недостатком такого способа является сложность конструкции для измерения массы в емкости малого объема.

Известен способ измерения объема или массы газов путем пропускания их через измерительные устройства непрерывным потоком (патент РФ 2114397, кл. G01F 1/34, 1998), а более конкретно к измерению расхода газа, транспортируемого по газопроводам различного назначения, включая магистральные, который реализуется устройством, содержащим форкамеру с перфорированным диском на входе и датчиком для замера высокого давления, сопло, цилиндрическую насадку с перфорацией, сообщающуюся с коаксиально размещенной кольцевой камерой, снабженной датчиком для замера низкого давления, а также коническую насадку.

Недостатком такого способа является ограничение функциональных возможностей определения массы в замкнутом объеме емкости, обусловленное определением массы газа при движении в газопроводе.

Наиболее близким к предлагаемому способу и устройству является способ определения объема вещества в замкнутой емкости (резервуар хранения) и устройство для его осуществления (патент РФ №2079112, кл. G01F 17/00, 1997), где для определения объема вещества осуществляют наддув емкости до докритического отношения давлений, измеряют давление в емкости, окружающей атмосфере и температуру в емкости и контролируют таймером и датчиком избыточного давления истечение воздуха через сопло с непостоянным расходом в атмосферу. Массу вещества в емкости определяют по газодинамическим соотношениям.

Недостатком этого способа является использование дополнительных приборов и оборудования для создания давления в емкости.

Задача изобретения - определение массы сжиженного газа в сливном рукаве автозаправочной станции при выполнении сливоналивной операции.

Технический результат - измерение расхода массы сжиженного газа из сливного рукава через насадку при истечении с непостоянным давлением.

Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что в емкости измеряют температуру и давление, выпускают вещество из емкости и контролируют время истечения вещества из емкости через насадку и изменение давления в емкости, массу вещества определяют по газодинамическим соотношениям, согласно изобретению, измеряют геометрические размеры внутренней полости сливных рукавов, определяют коэффициент расхода насадки из справочных данных, измеряют температуру в автоцистерне, определяют состав сжиженного газа согласно паспорту качества, рассчитывают плотность паровой фазы сжиженного газа как двухфазной системы (пар-жидкость) по правилу аддитивности для определенного состава и измеренной температуры, выпускают сжиженный газ из рукава паровой фазы и рукава слива через насадку при сверхкритическом и докритическом истечении, определяют достоверность определения коэффициента расхода путем соотнесения массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы, и массы, которая находилась в рукаве паровой фазы до истечения, сопоставляют величины массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы и рукава слива, и по разности величин определяют массу жидкой фазы сжиженного газа в рукаве слива.

Поставленная задача решается, технический результат достигается устройством, которое содержит емкость, насадки, манометры, термометры, секундомер, согласно изобретению содержит автоцистерну, соединенную со сливными рукавами и газопроводами, на которых установлены краны, связанные с насадками и манометрами, при этом термометр установлен в автоцистерне.

Существо заявляемого изобретения поясняется схемой. На чертеже приведена схема подключения технологического оборудования, приборов и насадок для определения массы сжиженного газа в рукавах.

Пример конкретной реализации способа.

На автозаправочной станции определялась масса сжиженного газа в сливных рукавах. Состав сжиженного газа по массе согласно паспорту качества составил: пропан - 80,1%, бутан - 19,3%, этан - 0,6%.

Результаты измеренных исходных данных приведены в таблице 1.

Таблица 1
Результаты измерений исходных данных
Температура, K	Начальное (абсолютное) давление (P0), Па	Площадь сечения насадки на выходе (f), м2	Объем сливного рукава (V0), м3
295	1001325	0,0000196	0,0113

Плотность паровой фазы сжиженного газа в сливном рукаве в начальный момент времени определялась по формуле

где y_i - доля компонента СУГ (об.); $${\rho }_i^{\text{'}}$$ - плотность паров компонента сжиженного газа при заданной температуре, кг/м³.

Плотности компонентов сжиженного газа принимались из справочных данных.

Пересчет состава сжиженного газа, выраженный в долях массы, на состав, выраженный в долях объема, осуществлялся формуле

где $$y_i^{\text{'}}$$ - доля компонента СУГ (масс.).

Расчетная плотность паровой фазы сжиженного газа в сливном рукаве составила 20,05 кг/м³.

Изменение плотности паровой фазы сжиженного газа в сливном рукаве при падении давления определялось по политропному закону

где P_i - текущее абсолютное давление в сливном рукаве, Па,

ρ_i - текущая плотность паровой фазы сжиженного газа в сливном рукаве, кг/м³,

n - показатель политропы.

Процесс изменения состояния сжиженного газа в сливном рукаве принимался изотермическим, а значение показателя политропы n - равным 1.

Результаты измерений времени истечения и давления в сливных рукавах и расчетные величины плотности сжиженного газа приведены в таблице 2.

Таблица 2
Результаты измерений времени истечения и давления и расчетные величины плотности
Рукав паровой фазы	Рукав слива
Интервал времени истечения (τi), сек	Давление (Pi), Па	Плотность (ρi), кг/м3	Интервал времени истечения (τi), сек	Давление (Pi), Па	Плотность (ρi), кг/м3
1-14	1001325	20,05	1-35	1001325	20,05
15	872753,57	17,48	36	911325	18,25
16	744182,14	14,90	37	821325	16,45
17	615610,71	12,33	38	731325	14,64
18	487039,29	9,75	39	641325	12,84
19	358467,86	7,18	40	551325	11,04
20	229896,43	4,60	41	461325	9,24
21	101325,00	2,03	43	371325	7,43
-	-	-	42	281325	5,63
-	-	-	44	191325	3,83
-	-	-	45	101325	2,03

Критическое давление определялось по формуле

где P_a - атмосферное давление, Па,

где k - показатель адиабаты, равный 1,3.

Расчетная величина критического давления при нормальном атмосферном давлении (101325 Па) составила 186259 Па.

Как видно из таблицы 2, переход из сверхкритического в докритическое истечение наблюдался в интервале времени 20-21 сек - для рукава паровой фазы, 44-45 сек - для рукава слива.

Масса сжиженного газа в сливном рукаве, прошедшая через насадку, определялась по формуле

m=Σm_i,

где m_i - масса сжиженного газа, прошедшая через насадку за интервал времени, где плотность, давление постоянны.

Масса m_i определялась по формуле

где

µ - коэффициент расхода насадки, равный 0,44,

f - площадь поперечного сечения насадки на выходе, м²,

τ_i - время истечения через насадку, при котором текущие давление и плотность постоянны, сек,

- коэффициент.

Результаты расчета массы в сливных рукавах приведены в таблице 3.

Таблица 3
Результаты расчета массы сжиженного газа в сливных рукавах
Рукав паровой фазы	Рукав слива
Интервал времени истечения (τi), сек	Коэффициент Ψ	Масса (mi), кг	Интервал времени истечения (τi), сек	Коэффициент Ψ	Масса (mi), кг
1-14	0,32386	0,17520	1-35	0,32386	0,43800
15	0,35155	0,01184	36	0,34266	0,01205
16	0,38566	0,01108	37	0,36430	0,01155
17	0,42881	0,01019	38	0,38951	0,01099
18	0,48508	0,00912	39	0,41929	0,01038
19	0,56016	0,00775	40	0,45498	0,00968
20	0,65062	0,00577	41	0,49840	0,00887
21	0,00000	0,00000	43	0,55166	0,00790
-	-	-	42	0,61494	0,00668
-	-	-	44	0,66687	0,00492
-	-	-	45	0,00000	0,00000
Итого (m)	0,23094	Итого (m)	0,52102

Как видно из таблицы 3, масса сжиженного газа в сливных рукавах (m) составила: 0,23094 кг в рукаве паровой фазы, 0,52102 кг в рукаве слива.

Таким образом, можно сделать вывод, что по окончании сливоналивной операции в рукаве слива, помимо паровой фазы, остается жидкая фаза сжиженного газа.

Для достоверности определения коэффициента расхода насадки сопоставлялись величины массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы (m), и массы, находившейся в рукаве паровой фазы до истечения (m′).

Масса сжиженного газа, находившаяся в рукаве паровой фазы, определялась по формуле

m′=ρ₀·V₀.

Расчетная величина массы сжиженного газа (m′) составила 0,22656 кг.

Относительная погрешность эксперимента составила δX=(0,22656-0,23094)/0,23094·100%=1,9%, что не превышает обычную инженерную погрешность (5%).

Предлагаемое устройство содержит автоцистерну 1, соединенную с резервуаром хранения 2 через два сливных рукава 3, 4, перед которыми установлены краны 5, 6, и газопроводами 7, 8, секундомер (на чертеже не показан). На газопроводах 7, 8 технологической системы автозаправочной станции установлены краны 9, 10 для перекрытия потока сжиженного газа из резервуара 2, манометры 11, 12, присоединенные при помощи кранов 13, 14, насадки 15, 16, связанные с газопроводами 7, 8 через краны 17, 18. Термометр 19 измерения температуры установлен в автоцистерне 1.

Согласно предложенному способу после завершения процесса слива сжиженного газа из автоцистерны 1 в резервуар хранения 2 закрывают краны 5, 6, 9, 10. К газопроводам 7, 8 подключают манометры 11, 12 посредством кранов 13, 14 и насадки 15, 16 посредством кранов 17, 18. Массу сжиженного газа определяют в сливных рукавах 5, 6 и газопроводах 7, 8. Температуру сжиженного газа измеряют термометром 19. Открывают краны 13, 14 и измеряют давление манометрами 11, 12. Поочередно открывают краны 17, 18 и производят истечение сжиженного газа из рукавов 3, 4 и газопроводов 7, 8, при котором фиксируют время истечения секундомером и изменение давления манометрами 11, 12.

Итак, заявляемое изобретение позволяет определять массу сжиженного газа в сливном рукаве автозаправочной станции при выполнении сливоналивной операции.

1. Способ определения массы сжиженного газа, по которому измеряют температуру и давление в емкости, выпускают вещество из емкости и контролируют время истечения вещества из емкости через насадку и изменение давления в емкости, массу вещества определяют по газодинамическим соотношениям, отличающийся тем, что измеряют геометрические размеры внутренней полости сливных рукавов, определяют коэффициент расхода насадки из справочных данных, измеряют температуру в автоцистерне, определяют состав сжиженного газа согласно паспорту качества, рассчитывают плотность паровой фазы сжиженного газа как двухфазной системы по правилу аддитивности для определенного состава и измеренной температуры, выпускают сжиженный газ из рукава паровой фазы и рукава слива через насадку при сверхкритическом и докритическом истечении, определяют достоверность определения коэффициента расхода путем соотнесения массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы, и массы, которая находилась в рукаве паровой фазы до истечения, сопоставляют величины массы, прошедшей через насадку из рукава паровой фазы и рукава слива, и по разности величин определяют массу жидкой фазы сжиженного газа в рукаве слива.

2. Устройство для определения массы сжиженного газа, содержащее емкость, насадки, манометры, термометр, секундомер, отличающееся тем, что содержит автоцистерну, соединенную со сливными рукавами и газопроводами, на которых установлены краны, связанные с насадками и манометрами, при этом термометр установлен в автоцистерне.