Плотномер-расходомер жидких сред

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.

Полезная модель позволяет решать задачу повышения точности измерения плотности и расхода жидкости за счет применения метода сравнения статических показателей «эталонной» жидкости с изменяющимися параметрами рабочей среды, так и за счет использования 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.

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, 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 жидкой среды (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, a . На участке 17 расположен первый датчик давления 18 и расположенный от него на расстоянии L=(2÷3)D ₂ 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 23.

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.

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 не возможно 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. (Патент RU №67263 Плотномер жидких или газообразных сред. Опубл. 10.10.2007 г. Бюл. №28)

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 асфальто-парафиновых 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 заявляемой полезной модели является повышение точности измерения расхода и плотности рабочей жидкости.

Указанная задача решается тем, что в плотномере - расходомере жидких сред, содержащем входной патрубок, измерительную колонку, выполненную из вертикальной и горизонтальной ветвей, выходной патрубок, датчик абсолютного давления, датчик температуры рабочей среды, отборники давления, установленные соответственно на вертикальной и горизонтальной ветвях, два датчика разности давления, импульсные трубки, залитые «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление рабочей среды непосредственно контактным методом, датчик температуры «эталонной» жидкости и дополнительный отборник давления, установленные на гильзе, залитой «эталонной» жидкостью и регистрирующий блок, 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, отношение квадратов , а выбор длин осуществляется из условия: L ₁=(2÷3)D₁ и L ₂=(3÷4)D₂, и снабжена 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, залитыми «эталонной» жидкостью, с первым датчиком разности давления, а вертикальная

ветвь измерительной колонки с диаметром D выполнена с внутренним покрытием, снижающим сопротивление движению потока жидкости, и снабжена вторым - верхним отборником давления, расположенным от первого - нижнего отборника давления на расстоянии H=(1÷1,5)D, причем первый - нижний отборник давления вертикальной ветви и дополнительный отборник давления на упомянутой гильзе расположены на одном уровне и соединены со вторым датчиком разности давления импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, а верхний - второй отборник давления соединен с упомянутой гильзой импульсными трубками с «эталонной» жидкостью. Плотность и расход жидкой среды определяются соответственно по формулам:

,

,

где: _ж - плотность жидкости, кг/м ³;

_tэт - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³;

Р - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления жидкой среды и потерями на трение на участке высоты Н трубопровода, 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 D ₂ - соответственно диаметры калиброванных труб меньшего и большего диаметра, м;

P₁ - перепад давления, измеренный на длине L₂, трубопровода D ₂, Па.

Кроме того, датчик абсолютного давления жидкой среды, датчик температуры жидкой среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, а также два датчика разности давления связаны с регистрирующим блоком.

Внутреннее покрытие вертикальной ветви трубопровода с диаметром D 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) отборником (датчиком) давления 4, верхним (вторым) отборником (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 (датчик температуры) «эталонной» жидкости 7 и дополнительный отборник (датчик) давления 8, причем, отборник (датчик) давления 5 соединен импульсной трубкой с «эталонной» жидкостью 9 с упомянутой гильзой 6, а нижний отборник (датчик) давления 4 и дополнительный отборник (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 (датчик температуры) жидкой среды (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 L ₁ 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 , а , 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 фиг. не показан). В месте контакта эталонной жидкости с измеряемой жидкостью выполнены «мини» камеры для передачи давления (на фиг. не показаны).

Плотномер - расходомер жидких сред работает следующим образом.

Жидкая среда (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 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 жидкой среды.

Сущность измерения раскрывается в нижеприведенном примере расчета плотности измеряемой жидкости.

Измеряемый поток «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 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: Р - 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: _tэт - плотность «эталонной» жидкости, кг/м³,

g - ускорение свободного падения, м/с²,

Н - расстояние между точками отбора давления, м.

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

,

где: _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: - коэффициент гидравлического сопротивления;

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

Коэффициент гидравлического сопротивления 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:

,

,

при этом: _tэт=_20эт[1-_t(t_эт-20)+К _рР], кг/м³.

где: _20эт - плотность «эталонной» жидкости при нормальных условиях (t=20°C; Р=0,10³ МПа).

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

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

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

Р - абсолютное давление, МПа.

Коэффициенты _t и К_р берутся из государственной системы стандартных данных.

Измерение расхода жидкости ведется с учетом измеренной плотности жидкости _ж и измеренного перепада давления на горизонтальном участке 17 трубопровода диаметром D ₂ с учетом диаметра D₁.

Перепад деления P₁ 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: P₁ - перепад давления, Па;

V - скорость потока в калиброванном трубопроводе диаметром D ₁, м/сек;

D₁ - диаметр калиброванного трубопровода м;

D₂ - диаметр калиброванного трубопровода м;

_ж - плотность жидкости, кг/м ³;

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

Зная скорость V, плотность _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 рабочей среды, так и за счет использования 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, выполненную из вертикальной и горизонтальной ветвей, выходной патрубок, датчик абсолютного давления, датчик температуры жидкой среды, отборники давления, установленные соответственно на вертикальной и горизонтальной ветвях, два датчика разности давления, импульсные трубки, залитые «эталонной» жидкостью, воспринимающие давление жидкой среды непосредственно контактным методом, датчик температуры «эталонной» жидкости и дополнительный отборник давления, установленные на гильзе, залитой «эталонной» жидкостью и регистрирующий блок, отличающийся тем, что горизонтальная ветвь измерительной колонки содержит участок калиброванного трубопровода длиной L ₁ меньшего диаметра D₁ и участок калиброванного трубопровода длиной L₂ с резким расширением его диаметра D₂ в выходном патрубке, причем отношение квадратов , а выбор длин осуществляется из условия: L ₁=(2÷3)D₁ и L ₂=(3÷4)D₂, и снабжена 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, залитыми «эталонной» жидкостью, с первым датчиком разности давления, а вертикальная ветвь измерительной колонки с диаметром D выполнена с внутренним покрытием, снижающим сопротивление движению потока жидкости, и снабжена вторым - верхним отборником давления, расположенным от первого - нижнего отборника давления на расстоянии H=(1÷1,5)D, причем первый - нижний отборник давления вертикальной ветви и дополнительный отборник давления на упомянутой гильзе расположены на одном уровне и соединены со вторым датчиком разности давления импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, а верхний - второй отборник давления соединен с упомянутой гильзой импульсными трубками с «эталонной» жидкостью, а плотность и расход жидкой среды определяется соответственно по формулам:

,

,

где _ж - плотность жидкости, кг/м ³;

_tэт - плотность «эталонной» жидкости, приведенная к рабочим условиям, кг/м³;

Р - разность давлений между столбом «эталонной» жидкости и суммой гидростатического давления жидкой среды и потерями на трение на участке высоты Н трубопровода, 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 D ₂ - соответственно диаметры калиброванных труб меньшего и большего диаметра, м;

P₁ - перепад давления, измеренный на длине L₂, трубопровода D ₂, Па.

2. Плотномер-расходомер жидких сред по п.1, отличающийся тем, что датчик абсолютного давления жидкой среды, датчик температуры жидкой среды, датчик температуры «эталонной» жидкости, а также два датчика разности давления соединены с регистрирующим блоком.

3. Плотномер-расходомер жидких сред по п.1, отличающийся тем, что внутреннее покрытие вертикальной ветви трубопровода диаметром D, снижающее сопротивление движению потока жидкости, может быть выполнено, например, остеклованием или с помощью эпоксидного слоя и другого материала.