Теоретическое введение

Одним из важнейших параметров технологических процессов в нефтегазовой отрасли яв­ляется количество и расход протекающих по трубопроводам веществ.

Необходимость повышения качества выпускаемой продукции и эффективности автоматизированных систем управления технологи­ческими процессами (АСУ ТП) придает вопросам точного измере­ния количества и расхода различных веществ исключительно важ­ное значение. К средствам, измеряющим количество и расход ве­ществ при товароучетных операциях, предъявляются высокие точ­ностные требования. В нефтегазовых производствах постоянно приходится иметь дело с точным отмериванием (дозированием) или непрерывной подачей определенной массы либо определенного объема жидких, газооб­разных, парообразных и твердых веществ в единицу времени или за некоторый промежуток. Эти вещества либо участвуют в технологическом процессе, либо идут на дальнейшую переработку, либо являются конечным продуктом производства.

Таким образом, имеется настоятельная необходимость опреде­ления количества и расхода жидкостей, газов и паров.

Количество вещества определяется его массой т(кг, т.) или объе­мом V(м³, л), протекающим через рассматриваемое сечение канала, на­пример трубы, за какой-то произвольно взятый промежуток вре­мени. Приборы, измеряющие количество вещества, носят назва­ние счетчиков.

Расходом вещества в данный момент называется отношение массы dm или объема dV вещества, протекающего через сечение трубы или другого канала за некоторый промежуток времени dt, к этому промежутку времени при условии, что значение последнего стремится к нулю. Если расход не изменяется во времени, то для его определения можно пользоваться соотношением Q_v = V / t₂—t_{1 =} V / t ; Q_m = m / t₂—t_{1 =} m / t

Здесь t = t₂—t₁ — промежуток времени, за который измеряется, расход вещества.

Указанные соотношения показывают, что объемный расход ве­щества измеряется в м³/с, а массовый — в кг/с. Наряду, с этим ши­роко используются и следующие единицы: дм³/с, м³/ч, л/мин, кг/ч и т/ч.

Приборы, измеряющие расход, носят название расходоме­ров.

Счетчики и расходомеры иногда бывают констрктивно объ­единены. Например, расходомер снабжается особым механиз­мом — интегратором, который фиксирует количество вещества, прошедшего через расходомер за определенный промежуток вре­мени, а счетчики могут снабжаться указателем, показывающим расход вещества в единицу времени.

2. ИЗМЕРЕНИЕ КОЛИЧЕСТВА МАССЫ И ОБЪЕМА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

По принципу действия счетчики жидкостей и газов делятся на скоростные и объемные.

Скоростные счетчики устроены таким образом, что жидкость, протекающая через камеру прибора, приводит во вращение вер­тушку (или крыльчатку), угловая скорость которой пропорцио­нальна скорости потока, а следовательно, и расходу.

Объемные счетчики. Поступающая в прибор жидкость (или газ) измеряется отдельными, равными по объему дозами, которые затем суммируются.

Для измерения количества жидкостей применяются как ско­ростные, так и объемные счетчики, а для измерения количеств газа — только объемные.

В качестве основных характеристик счетчиков приняты сле­дующие:

Калибр—диаметр условного прохода входного патрубка в мм. Серийно выпускаются счетчики следующих калибров: 15, 20, 25, 30, 32, 40, 50, 60, 80, 100, 125, 150, 200, 250 мм.

Потеря напора — разность давлений во входном и выход­ном патрубках прибора, обусловленная гидравлическими и меха­ническими сопротивлениями движению рабочего органа и связан­ных с ним механизмов.

Погрешность показаний. Обычно пользуются относи­тельной погрешностью, т. е. погрешностью показаний, отнесенной к фактическому количеству и выраженной в процентах:

γ= (Q_сч - Q_{Ф )} / Q_ф*100% ( 1 )

где (Q_сч — показание счетчика; Q_Ф — истинное количество (изме­ренное, например, с помощью образцового прибора).

Характерный расход — количество вещества, которое проходит через счетчик за 1 ч при установившемся потоке и по­тере напора 9,81 -10⁵ Па. Это условная величина, которая служит для оценки счетчиков различных конструкций.

Нижний предел измерения — наименьший расход, при котором счетчик еще дает показания с допустимой погреш­ностью.

Верхний предел измерения — наибольший расход, при котором обеспечивается кратковременная (не более 1 ч в те­чение суток) работа счетчика.

Нормальный расход — наибольший длительный расход, при котором погрешность показаний не выходит за установленные пределы, а потеря напора не создает в приборе усилий, приводя­щих к быстрому износу трущихся деталей прибора.

Порог чувствительности — наименьший расход, при котором счетчик начинает давать показания, погрешность кото­рых превышает допустимую.

Эти характеристики относятся в основном к счетчикам количе­ства жидкости. Основные характеристики газовых счетчиков — это номинальный расход и нижний предел измерения.

Объемные счетчики

Принцип действия объемных счетчиков основан на непосредствен­ном отмеривании объемов измеряемой среды с помощью мерных камер известного объема и подсчета числа порций, прошедших че­рез счетчик.

Объемные счетчики подразделяют на опорожняющиеся и вытес­няющие. Опорожняющиеся объемные счетчики имеют жесткие ка­меры, из которых измеряемая среда свободно вытекает. Счетчики этого типа непригодны для измерения количества газа.

Простейшим объемным счетчиком с жесткой камерой является мерный бак или мерник. К этому же типу объемных счетчиков от­носятся барабанные и опрокидывающиеся счетчики.

Вытесняющие объемные счетчики имеют мерные камеры с пе­ремещающимися стенками, которые вытесняют измеряемую фазу, освобождая камеру для следующей порции.

К объемным счетчикам указанного типа относятся: однопоршневые, многопоршневые, кольцевые, с овальными шестернями, ро­тационные, сухие газовые, мокрые газовые и дисковые.

Наиболее распространенным объемным счетчиком жидких ве­ществ является счетчик с овальными шестернями (рис.1). Внутри корпуса 3 размещены две находящиеся в зацеплении овальные ше­стерни / и 2. Набегающий на шестерни измеряемый поток создает на них перепад давления Р₁ Р₂. Под действием этого перепада поток в положении, показанном на рис.1,а, создает на овальной шестерне 1 крутящий момент и заставляет вращаться эту шестерню, которая ведет шестерню 2.

Рис. 1. Схема счетчика с овальными шестернями

В положении, показанном на рис. 1,6, крутящий момент возникает на обеих шестернях, а в поло­жении на рис..1, в крутящий момент действует на шестерню 2, которая теперь ведет шестерню 1.

Вращение шестерни происходит в направлении стрелок. В поло­жении, представленном на рис. 1, а, происходит заполнение объ­ема между корпусом и левой частью шестерни 2, а объем правее этой шестерни вытесняется. В том же положении (рис.1,а) меж­ду шестерней 1 и корпусом отсекается измеряемый объем жидкости V₁, которая будет затем вытесняться в положениях, представленных на рис.1, б, в. За один оборот шестерен измерительные полости V₁ и V₂ дважды наполняются и дважды опорожняются. В итоге за один оборот через счетчик проходит объем жидкости, равный че­тырем объемам V₁ (или V₂). Ось одной из шестерен вращает счет­ный механизм, расположенный вне корпуса прибора.

Для уменьшения трения между торцевыми поверхностями ше­стерен и стенками корпуса шестерни устанавливают на горизон­тальных осях. Благодаря высокой точности измерения (погреш­ность ± (0,5—1) % от измеряемого значения), малой потере давле­ния, независимости показания от вязкости, значительному вращающему моменту счетчики с овальными шестернями используются для измерения различных жидкостей, в том числе нефти и нефтепро­дуктов.

Существенным недостатком этих счетчиков является необходи­мость хорошей фильтрации измеряемой среды от механических примесей, а также высокий уровень акустического шума. Калибр D выпускаемых счетчиков 12—250 мм, а предел измерений 0,01— 250 м³/ч.

Для измерения газовых потоков применяют ротационные газо­вые счетчики, принцип действия которых аналогичен принципу

действия счетчиков с овальными шестернями. Они имеют калибр 50—1200 мм и служат для измерения номинальных расходов от 40 до 40 000 м³/ч и классы точности 2 и 3.

К числу объемных счетчиков, используемых для измерения ко­личества нефтепродуктов, минеральных масел, а также ряда агрес­сивных жидкостей, относятся лопастные счетчики.

Имеется ряд конструктивных вариантов лопастных счетчиков, основными элементами которых являются вращающийся барабан и пластичные лопасти. Одним из перспек­тивных счетчиков с точки зрения кине­матических и метрологических качеств является лопастный счетчик с кулач­ковым управлением движения лопа­стей (рис.2).

Счетчик представляет собой ци­линдрический корпус 2 с подвижным барабаном 3, внутри которого распо­ложен неподвижный кулачок 5. На кулачок опираются четыре ролика 6 с закрепленными на них лопастями /, 4, 7 и 8. В пространстве между внутрен­ней поверхностью корпуса 2 и поверх­ностью барабана 3 движется измеряе­мая жидкость. Барабан вращается за счет давления поступающей жидкости, действующей на лопасть 4. При вращении барабана ролики 6 ка­тятся по кулачку 5 и при этом поочередно занимают место снаружи и внутри барабана. Вращение барабана передается на счетный механизм. За один оборот барабана через счетчик проходит объем жидкости, соответствующий кольцевому пространству между кор­пусом и барабаном. Перетеканию жидкости из входа на выход пре­пятствует вкладыш 9.

Лопастные счетчики успешно работают как в стационарных ус­ловиях на нефтехимических заводах, так и на передвижных агре­гатах в автозаправщиках. Выпускаются счетчики с диаметрами условного прохода 100—150 мм, с верхними пределами измерений 100—300 м³/ч и классами точности 0,25—0,5.

Счетчики данного типа определяют количество жидкости путем прямого измерения обьема потока. Счетчики других конструкций обеспечивают измерение обьема косвенными методами.