Rosemount Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления Manuals & Guides [ru]

Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления

Издание 2020 года

ПРИМЕЧАНИЕ

Логотип Emerson является фирменной маркой и торговым знаком компании Emerson Electric Company. Rosemount является фирменной маркой компании, входящей в семейство компаний Emerson. Все прочие торговые марки являются собственностью соответствующих владельцев. Содержание этой публикации представлено только для информационных целей, и хотя были предприняты все усилия для обеспечения его точности, содержание публикации не следует рассматривать как некую гарантию, выраженную или подразумеваемую, относительно изделий или услуг, описанных в ней, или их использования или применимости. Представленная здесь информация НЕ ЯВЛЯЕТСЯ гарантией удовлетворительных результатов. Компания Emerson оставляет за собой право изменять или улучшать конструкцию или технические характеристики нашей продукции в любое время без уведомления.

Запрещается воспроизведение, хранение в информационно-поисковых системах и передача в любой форме и любыми средствами, включая электронные, механические, фотокопирование, запись или иные, любой части настоящей публикации без предварительного письменного согласия Emerson.

Emerson Automation Solutions 6021 Innovation Blvd. Shakopee, MN 55379 США Emerson.com

Введение

Благодаря широкому диапазону возможностей применения и надежности технология измерения расхода по перепаду давления остаётся популярной и заслуживающей доверия на протяжении уже более 100лет. Руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления следует использовать в качестве справочного пособия при выборе и эксплуатации приборов в различных сферах применения. В этом документе вы можете найти основную информацию об измерении расхода по перепаду давления, включая базовые понятия, теории иуравнения. Здесь также представлены рекомендации и лучшие практики по установке приборов для повышения точности измерений, оптимизации эффективности производства ирешения проблем, характерных для определенной области.

Настоящее руководство включает в себя следующие главы:

Глава 1 – Расходомер по перепаду давления описывает историю и основные принципы измерения расхода по перепаду давления. В этой главе представлены различные компоненты необходимые для измерения расхода, и определены возможные сферы применения.

Глава 2 – Измеряемые среды и расход – основные термины и понятия описывает физические свойства

измеряемых сред и способы их взаимодействия. Здесь представлена теоретическая основа принципа действия расходомеров по перепаду давления.

Глава 3 – Теория измерения расхода по перепаду давления посвящена расчету производных и основам

сохранения энергии и массы в принципах измерениях расхода по перепаду давления. В этой главе описывается переход от теории к практике применения уравнений для измерения расхода по перепаду давления, как для первичных элементов, изменяющих площадь сечения трубопровода для создания перепада давления, так и для осредняющих трубок Пито.

Главы 4, 5, 6 – Измерение расхода газа, жидкости ипара детально описывают общие и специальные сферы

применения этих трех основных типов измеряемых сред, атакже рекомендуемые приборы Emerson. В этих главах основное внимание уделяется преимуществам и сложностям применения расходомеров по перепаду давления, а также особым соображениям при необходимости.

В Главе 7 – Технологии первичных элементов основной акцент сделан на первичный элемент расходомера, установленный в трубопроводе и предназначенный для создания перепада давления. Здесь рассматриваются два основных типа технологии первичного элемента: первичный элемент, изменяющий площадь сечения трубопровода для создания перепада давления и осредняющая трубка Пито или первичный элемент, измеряющий профиль скорости потока.

Глава 8 – Технология измерительных преобразователей описывает способы измерения переменных, критических для уравнений измерения расхода по перепаду давления, преобразования их в сигналы связи и передачи в систему управления. В этой главе приведены предварительные рекомендации по техническим характеристикам и выбору измерительного преобразователя.

Глава 9 – Первичные элементы и расходомеры Rosemount содержит информацию о продукции для измерения расхода по перепаду давления Rosemount компании Emerson, ее преимуществах и применении.

В Главе 10 – Установка расходомера по перепаду давления представлены общие принципы установки и лучшие практики ввода расходомеров в эксплуатацию.

Глава 11 – Калибровка, техническое обслуживание, поиск и устранение неисправностей описывает основную

методологию калибровки, технического обслуживания, поиска иустранения неисправностей в измерительных преобразователях, первичных элементах и расходомерах для обеспечения точности измерения расхода.

В Главах 12, 13, 14 – Инженерные данные, информация отрубопроводах, конвертация и эквиваленты содержится справочная информация о стандартных технических характеристиках, свойствах материалов и физических постоянных различных измеряемых сред. Здесь также представлены таблицы конвертации и эквивалентов.

iii

Благодарность

Введение

Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления – это результат многолетних трудов

специалистов по всему миру. За вклад знаний и опыта в создание этого руководства хотелось бы поблагодарить:

Алену Джонсон – Глобального управляющего по продукту

Алекса Новака – Глобального управляющего по продукту

Аллисон Хансен – Глобального менеджера поинтегрированному маркетингу

Эми Джонсон – Директора по управлению продуктами

Бретта Моррисона – Директора по управлению продуктами, Северная Америка

Коннора Оберле – Глобального управляющего по продукту

Дэна Сайкоса – Руководителя управляющих по продукту

Дейва Меснарда – Главного инженера

Эмили Саопрасеут – Руководителя управляющих по продукту

Фероза Хамида – Директора по управлению продуктами, Азиатско-Тихоокеанский регион

Грега Строма – Технического директора

Джима Линахана – Управляющего по развитию бизнеса

Джона Ван Горсела – Управляющего по продукту, Европа

Кэти Шталь – Глобального управляющего по продукту

Кевина Брангера – Ведущего инженера по применениям

Марка Фурмана – Специалиста по измерению расхода поперепаду давления

Марка Менезеса – Управляющего по средствам измерений, Канада

Марка Сагстеттера – Управляющего по развитию бизнеса

Рэйчел Энгельхардт – Специалиста по измерению расхода поперепаду давления

Сатнама Сингха – Управляющего по продукту, Ближний Восток иАфрика

Скотта Петерсона – Управляющего по развитию бизнеса

Верна Бингера – Специалиста по измерению расхода по перепаду давления

Чжао Ли – Управляющего по продукту, Азиатско-Тихоокеанский регион

Разумеется, изложить свои знания в техническом документе задача непростая. Мы бы хотели выразить особую благодарность группам по проектированию и составлению технической документации за их опыт, методическую помощь и внимание кдеталям при создании этого руководства:

Аннет Хартман – Художник-оформитель, M45 Marketing Services

Джули Уокер – Составитель технической документации, Words Tell A Story

Наконец, хотелось бы выразить благодарность всем неупомянутым выше соавторам и пользователям расходомеров поперепаду давления Emerson.

Оглавление

Глава 1 — Расходомер по перепаду давления

1.1 Введение 2

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления ............................................2

1.2.1 Уравнение Бернулли ..........................................................................2

1.2.2 Число Рейнольдса ............................................................................3

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления ...................................................4

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления .............................................5

1.4.1 Что такое расход? ............................................................................5

1.4.2 Принципы измерения расхода .................................................................5

1.4.3 Трубка Пито ..................................................................................6

1.4.4 Расходомер по перепаду давления .............................................................7

1.4.5 Первичный элемент ..........................................................................8

1.4.6 Вторичный элемент ..........................................................................8

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления ............................................9

1.6 Установка расходомера по перепаду давления: традиционная в сравнении с интегральной ..................9

1.6.1 Традиционный узел для измерения расхода по перепаду давления ...............................9

1.6.2 Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции ..................................10

1.6.3 Сравнение традиционного узла и расходомера по перепаду давления интегральной конструкции ..10

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода ........................................................11

1.7.1 Кориолисовая технология ....................................................................11

1.7.2 Электромагнитная технология ................................................................12

1.7.3 Вихревая технология ........................................................................12

1.7.4 Ультразвуковая технология ..................................................................12

Глава 2 — Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.1 Введение ....................................................................................14

2.2 Физические свойства среды ...........................................................................14

2.2.1 Масса, сила и вес ............................................................................14

2.2.2 Плотность ..................................................................................15

2.2.3 Удельный вес и удельная плотность ...........................................................16

2.2.4 Жидкие смеси ...............................................................................19

2.2.5 Давление ...................................................................................19

2.2.6 Температура ................................................................................21

2.2.7 Законы идеальных и реальных газов ..........................................................21

2.2.7.1 Моль и число Авогадро ............................................................22

2.2.7.2 Уравнение состояния .............................................................22

2.2.7.3 Сжимаемость газа ................................................................23

2.2.8 Газовые смеси ..............................................................................24

2.2.8.1 Сжимаемость газовой смеси ....................................................26

2.2.9 Влажность ..................................................................................27

2.2.10 Удельная теплоемкость газа и показатель адиабаты .....................................27

2.2.11 Вязкость .............................................................................30

2.3 Основная информация о расходе измеряемой среды ....................................................32

2.3.1 Скорость ...................................................................................33

2.3.2 Фактический объемный расход ...............................................................33

2.3.3 Массовый расход ............................................................................33

Оглавление

2.3.4 Объемный расход, приведенный к стандартным условиям .....................................33

2.4 Основные термины расходометрии по перепаду давления ...............................................34

2.4.1 Комплектующие расходомера по перепаду давления ...........................................34

2.4.2 Перепад давления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4.3 Выбор размера расходомера по перепаду давления ............................................34

2.4.4 Ограничение проточной части трубопровода расходомером по перепаду давления ...............34

2.4.5 Коэффициент ис течения .....................................................................35

2.4.6 Коэффициент расхода ........................................................................35

2.4.7 Динамический диапазон измерений расхода по перепаду давления .............................36

2.4.8 Погрешность измерения .....................................................................36

2.5 Применяемые стандарты .............................................................................36

Глава 3 — Теория расходометрии по перепаду давления

3.1 Введение ....................................................................................38

3.2 Энергия измеряемой среды в движении ................................................................38

3.2.1 Кинетическая энергия измеряемой среды .....................................................38

3.2.2 Гравитационная энергия измеряемой среды ...................................................39

3.2.3 Энергия давления измеряемой среды .........................................................39

3.2.4 Внутренняя энергия измеряемой среды .......................................................39

3.2.5 Сложение разных видов энергии измеряемой среды ...........................................39

3.3 Особые формы уравнения энергии измеряемой среды ...................................................40

3.4 Уравнение энергии для расходомера по перепаду давления ..............................................41

3.4.1 Вывод теоретического уравнения для первичного элемента, изменяющего площадь сечения

трубопровода для создания перепада давления ...............................................41

3.4.2 Вывод теоретического уравнения для трубки Пито .............................................42

3.5 Теоретическое и истинное уравнение расхода измеряемой среды .........................................43

3.6 Практические уравнения расхода по перепаду давления .................................................44

3.6.1 Коэффициент пересчета единиц измерения, N .................................................44

3.6.2 Объемный расход, приведённый к стандартным условиям .....................................45

3.7 Число Рейнольдса и профиль скорости потока ...........................................................47

3.7.1 Профиль скорости потока ....................................................................48

3.7.2 Коэффициент кинетической энергии ..........................................................49

3.7.3 Расчет числа Рейнольдса .....................................................................50

3.7.4 Трубопроводы или воздуховоды некруглого сечения ...........................................50

3.8 Развитое и неразвитое течение ........................................................................51

3.9 Поток сжимаемой среды ..............................................................................52

3.9.1 Коэффициент изоэнтропийного расширения ...................................................52

3.9.2 Коэффициент неизоэнтропийного расширения .................................................54

3.9.3 Коэффициент расширения осредняющей трубки Пито ..........................................55

3.10 Применяемые стандарты .........................................................................56

3.11 Дополнительная информация .....................................................................56

Глава 4 — Измерение расхода газа

4.1 Введение ....................................................................................58

4.2 Распространенные сферы применения .................................................................58

4.2.1 Природный газ ..............................................................................58

4.2.2 Измерение выбросов ........................................................................60

4.2.3 Факельный газ ..............................................................................61

Оглавление

4.2.4 Воздуховоды и воздуходувки .................................................................61

4.2.4.1 Воздух горения ....................................................................63

4.2.4.2 Отопление, вентиляция и кондиционирование .....................................63

4.2.4.3 Скрубберы ........................................................................64

4.2.4.4 Шахтные вентиляционные установки .............................................64

4.2.5 Топливо печи ...............................................................................65

4.2.6 Сжатый воздух .............................................................................65

4.2.7 Флотация растворенным воздухом ...........................................................67

4.3 Особые сферы применения ............................................................................67

4.3.1 Влажный газ ................................................................................67

4.4 Плотность газа ....................................................................................69

4.4.1 Коэффициент объемного расширения газа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

4.5 Проблемы газового состава ...........................................................................70

4.5.1 Состав природного газа ......................................................................70

4.5.2 Компенсация влажнос ти .....................................................................70

4.5.2.1 Насыщенный и ненасыщенный газ .................................................70

4.5.2.2 Расчет плотности влажного воздуха ..............................................70

4.5.2.3 Корректировка показаний расходомера с учетом влажности .......................71

4.6 Применяемые стандарты .............................................................................71

4.6.1 Отчет AGA №3 ...............................................................................72

4.6.2 ISO 5167 ....................................................................................72

4.6.3 Документация ASME MFC .....................................................................72

4.6.4 Отчет AGA №8 ...............................................................................73

4.6.5 ГОСТ 30319. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.6.6 ASME B31.8 .................................................................................73

4.6.7 Прочие с тандарты ...........................................................................73

4.7 Дополнительная информация .........................................................................73

Глава 5 — Измерение расхода жидкостей

5.1 Введение ....................................................................................76

5.2 Распространенные сферы применения .................................................................76

5.2.1 Охлаждающая вода .........................................................................76

5.2.2 Котельные системы .........................................................................77

5.2.2.1 Питательная вода котла .........................................................77

5.2.2.2 Система конденсата .............................................................79

5.2.3 Питьевая вода для промышленных и бытовых нужд ...........................................79

5.2.4 Углеводороды и передача продукции потребителю .............................................80

5.2.4.1 Переработка .....................................................................80

5.2.4.2 Транспортировка и хранение ......................................................81

5.2.4.3 Добыча ...........................................................................82

5.2.4.4 Передача продукции потребителю (коммерческий учет) ...........................82

5.2.5 Извлечение сжиженных нефтепродуктов – закачивание воды ..................................83

5.2.6 Измерение расхода воды из естественных источников (реки, озера) .............................83

5.2.7 Трубопроводы и напорные линии большого диаметра ..........................................84

5.2.8 Измерение расхода низкотемпературных сред .................................................85

5.2.9 Пульпа .....................................................................................86

5.3 Особые сферы применения ............................................................................86

5.3.1 Подземные трубопроводы и галереи ..........................................................86

5.4 Тре бования к измерению плотности ....................................................................87

vii

Оглавление

5.5 Сложности и факторы, которые необходимо учитывать при эксплуатации .................................87

5.5.1 Наличие газа или твердых частиц .............................................................87

5.6 Применяемые стандарты .............................................................................88

Глава 6 — Измерение расхода пара

6.1 Введение ....................................................................................90

6.1.1 Преимущества использования расходомера по перепаду давления для измерения пара ..........90

6.2 Типы и параметры пара ...............................................................................90

6.2.1 Диаграмма Молье ...........................................................................90

6.2.2 Насыщенный пар. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6.2.2.1 Кривая насыщения ................................................................91

6.2.2.2 Определение плотности ..........................................................92

6.2.2.3 Энтальпия пара и расход энергии ..................................................92

6.2.3 Перегретый пар .............................................................................93

6.2.3.1 Определение плотности ..........................................................93

6.2.3.2 Энтальпия .......................................................................93

6.2.3.3 Цикл Рэнкина и паровые турбины ..................................................95

6.2.4 Влажный (качественный) пар ................................................................95

6.2.4.1 Определение плотности ..........................................................95

6.2.4.2 Определение энтальпии ...........................................................96

6.2.4.3 Расчет эквивалентного расхода сухого пара ........................................96

6.3 Измерение расхода пара при помощи расходомера по перепаду давления ................................97

6.3.1 Измерительная диафрагма в горизонтальных трубопроводах ...................................97

6.3.2 Измерительная диафрагма в вертикальных трубопроводах .....................................98

6.3.3 Осредняющие трубки Пито в горизонтальных паропроводах ....................................99

6.3.4 Осредняющие трубки Пито в вертикальных паропроводах .................................... 100

6.3.5 Расходомер по перепаду давления для интегрального монтажа ................................101

6.4 Варианты подсоединения измерительного преобразователя по перепаду давления .......................102

6.5 Поддержание мокрого колена ........................................................................102

6.6 Измерение расхода насыщенного пара ................................................................102

6.6.1 Технологическое тепло ......................................................................102

6.6.2 Централизованное отопление ...............................................................103

6.6.3 Целлюлозно-бумажная промышленность ....................................................104

6.7 Измерение расхода перегретого пара .................................................................104

6.7.1 Тепловые электростанции ...................................................................104

6.7.2 Расход пара на турбину .....................................................................105

6.7.3 Геотермальная энергия .....................................................................106

6.7.4 Концентрированная солнечная энергия ......................................................107

6.8 Измерение расхода влажного (качественного) пара ....................................................107

6.8.1 Ввод пара для увеличения нефтеотдачи ......................................................107

6.9 Применяемые стандарты ............................................................................108

Глава 7 — Технологии первичных элементов

7.1 Введение ...................................................................................110

7.2 Типы технологий первичных элементов по перепаду давления ..........................................110

7.2.1 Первичный элемент, изменяющий площадь сечения трубопровода для создания перепада

давления ..................................................................................110

7.2.2 Первичный элемент, измеряющий профиль скорости потока ...................................110

viii

Оглавление

7.2.3 Незапатентованные и запатентованные расходомеры по перепаду давления ....................111

7.3 Выбор расходомера по перепаду давления ............................................................111

7.3.1 Установка .................................................................................113

7.3.2 Типы среды ................................................................................113

7.3.3 Требования к давлению и температуре .......................................................114

7.3.4 Обзор технических характеристик расходомеров ..............................................114

7.3.4.1 Повторяемость ................................................................ 115

7.3.4.2 Линейность .................................................................... 115

7.3.4.3 Погрешность измерения ........................................................ 115

7.3.4.4 Воспроизводимость ............................................................ 116

7.3.4.5 Динамический диапазон ......................................................... 116

7.3.4.6 Коэффициент расхода .......................................................... 117

7.3.5 Требования к установке .....................................................................118

7.3.5.1 Необходимая длина прямого участка трубопровода .............................. 118

7.3.5.2 Определение местоположения и ориентации первичного элемента ............... 119

7.3.5.3 Новое или модернизированное оборудование ..................................... 120

7.3.5.4 Выбор первичного элемента, изменяющего площадь сечения трубопровода

для создания перепада давления ................................................. 120

7.3.6 Затраты ...................................................................................120

7.3.6.1 Затраты на приобретение ..................................................... 120

7.3.6.2 Затраты на установку ......................................................... 121

7.3.6.3 Затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание ......................... 121

7.4 Конструкция и технология первичного элемента по перепаду давления ..................................122

7.4.1 Измерительные диафрагмы .................................................................122

7.4.1.1 Концентрическая измерительная диафрагма .................................... 122

7.4.1.2 Особые конструкции измерительных диафрагм .................................. 124

7.4.1.3 Стабилизирующая измерительная диафрагма .................................. 126

7.4.2 Труба Вентури ..............................................................................127

7.4.2.2 Укороченная труба Вентури. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

7.4.2.3 Универсальная труба Вентури .................................................. 128

7.4.3 Расходомерное сопло .......................................................................128

7.4.3.1 Незапатентованные конструкции сопла ......................................... 129

7.4.3.2 Сопло Вентури .................................................................. 130

7.4.4 Клиновидный первичный элемент ...........................................................130

7.4.5 Конусный первичный элемент ...............................................................131

7.4.6 Осредняющая трубка Пито ..................................................................132

7.4.6.1 Отбор профиля скоростей ...................................................... 134

7.4.6.2 Низкое или эталонное давление осредняющей трубки Пито ...................... 135

7.4.6.3 Коэффициенты давления и коэффициент расхода осредняющей трубки Пито ..... 137

7.4.6.4 Ограничение проточной части трубопровода в сравнении

с коэффициентом расхода осредняющей трубки Пито ............................ 137

7.4.6.5 Выбор осредняющей трубки Пито ............................................... 138

7.5 Применяемые стандарты ............................................................................140

7.6 Дополнительная информация ........................................................................140

Глава 8 — Технология измерительного преобразователя

8.1 Ведение ...................................................................................142

8.2 Основные компоненты ...............................................................................142

8.2.1 Технологические соединения ................................................................142

8.2.2 Сенсор ....................................................................................142

Оглавление

8.2.3 Модуль ....................................................................................143

8.2.4 Корпус ....................................................................................143

8.2.5 Электроника ...............................................................................143

8.3 Принципы емкостного и тензорезистивного измерения давления .......................................143

8.3.1 Емкостный сенсор ..........................................................................144

8.3.2 Тензорезистивный сенсор ...................................................................145

8.4 Типы и змерительных преобразователей ...............................................................145

8.4.1 Измерительные преобразователи перепада давления ........................................145

8.4.2 Многопараметрические преобразователи ....................................................146

8.5 Технологические соединения .........................................................................148

8.5.1 Приборные фланцы ........................................................................148

8.5.2 Клапанные блоки ..........................................................................149

8.5.3 Первичные элементы и расходомеры интегральной конструкции ...............................150

8.5.4 Выносные разделительные мембраны .......................................................151

8.6 Диапазоны измерения измерительного преобразователя по перепаду давления ..........................151

8.6.1 Перенастройка диапазона измерительного преобразователя перепада давления ................152

8.6.2 Расход и динамический диапазон измерения расхода по перепаду давления ....................152

8.7 Технические харак теристики измерительного преобразователя ..........................................154

8.7.1 Параметры производительности ............................................................154

8.7.1.1 Основная погрешность измерения ............................................... 154

8.7.1.2 Влияние температуры окружающей среды ....................................... 155

8.7.1.3 Влияние давления в трубопроводе ............................................... 155

8.7.1.4 Стабильность. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

8.7.2 Физические харак теристики .................................................................155

8.7.3 Функциональные харак теристики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .156

8.7.4 Расходы на эксплуатацию измерительного реобразователя ....................................156

8.8 Связь ...................................................................................156

8.8.1 Аналоговые сигналы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157

8.8.2 Цифровые сигналы .........................................................................157

8.8.2.1 Преимущества цифровой связи ................................................. 157

8.8.2.2 HART .......................................................................... 158

8.8.2.3 FOUNDATION Fieldbus ............................................................. 158

8.8.2.4 PROFIBUS ....................................................................... 158

8.8.2.5 Modbus ......................................................................... 158

8.8.2.6 WirelessHART .................................................................... 158

8.9 Безопасность ...................................................................................159

8.9.1 Системы противоаварийной защиты .........................................................159

8.9.2 Уровень полноты безопасности (SIL) .........................................................159

8.10 Факторы, которые необходимо учитывать при установке ...........................................160

8.10.1 Температура технологического процесса ...............................................160

8.10.2 Окружающая температура ............................................................160

8.10.3 Давление технологического процесса ..................................................161

8.10.4 Прямой и выносной монтаж ..........................................................161

8.10.5 Дополнительные факторы ............................................................161

8.11 Настройка ...................................................................................162

8.11.2 Настройка устройства ................................................................162

8.11.2.1 Единицы измерения ....................................................... 162

8.11.2.2 Точки границ диапазона ................................................... 163

8.11.2.3 Установка нуля ........................................................... 163

Оглавление

8.11.2.4 Демпфирование .......................................................... 163

8.11.2.5 Отсечка низкого расхода .................................................. 163

8.11.3 Настройка расхода ...................................................................163

8.12 Калибровка ...................................................................................163

8.13 Применяемые стандарты ........................................................................164

8.14 Дополнительная информация ....................................................................164

Глава 9 — Первичные элементы и расходомеры Rosemount

9.1 Введение ...................................................................................166

9.2 Портфолио расходомеров интегральной конструкции ...................................................166

9.2.1 Система расходомера по перепаду давления .................................................166

9.2.2 Универсальность расходомера интегральной конструкции .....................................166

9.2.3 Преимущества расходомера интегральной конструкции .......................................166

9.2.4 Выбор и настройка расходомера .............................................................168

9.2.5 Производительность системы расходомера по перепаду давления .............................169

9.3 Расходомер на базе осредняющей напорной трубки (ОНТ) Annubar .......................................170

9.3.1 Преимущества первичного элемента Annubar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170

9.3.2 Расходомеры на базе ОНТ Annubar ...........................................................170

9.3.3 Первичный элемент Annubar: Правильная конструкция – гарантия производительности .........171

9.3.4 Первичный элемент Annubar 485 ............................................................172

9.3.5 Первичный элемент Annubar 405A ...........................................................176

9.3.6 Первичный элемент Annubar 585 ............................................................177

9.3.7 Производительность .......................................................................178

9.4 Стабилизирующая измерительная диафрагма ..........................................................178

9.4.1 Преимущества стабилизирующей измерительной диафрагмы Rosemount .......................179

9.4 .2 Сравнение стабилизирующей измерительной диафрагмы Rosemount и измерительной

диафрагмы с несколькими отверстиями. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179

9.4.3 Расходомеры на базе стабилизирующей измерительной диафрагмы ............................181

9.4.4 Расходомер на базе компактной стабилизирующей измерительной диафрагмы

Rosemount 405C ............................................................................181

9.4.5 Технологический расходомер Rosemount 9295. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183

9.4.6 Стабилизирующая измерительная диафрагма Rosemount 1595 .................................184

9.4.7 Производительность стабилизирующей измерительной диафрагмы ............................185

9.5 Встроенная измерительная диафрагма Rosemount 1195. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .186

9.5.1 Преимущества встроенной измерительной диафрагмы Rosemount 1195 ........................187

9.5.2 Расходомер интегральной конструкции для трубопроводов небольшого диаметра ...............187

9.5.3 Размеры отверстий измерительной диафрагмы под любую рабочую среду ......................188

9.5.4 Производительность .......................................................................188

9.6 Портфолио стандартных измерительных диафрагм .....................................................188

9.6.1 Расходомер по перепаду давления на базе компактной измерительной диафрагмы

Rosemount 405P ............................................................................188

9.6.2 Измерительная диафрагма Rosemount 1495 ..................................................189

9.6.3 Производительность .......................................................................189

9.7 Измерительные преобразователи Rosemount ..........................................................190

9.7.1 Измерительные преобразователи 2051C, 3051C и 3051S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190

9.7.2 Многопараметрический преобразователь 3051SMV ...........................................190

9.7.3 Многопараметрический преобразователь 4088 ...............................................190

9.7.4 Копланарная платформа Rosemount ..........................................................192

9.7.5 Производительность Rosemount .............................................................193

9.7.5.1 Технология производства ....................................................... 194

Оглавление

9.7.5.2 Погрешность измерения измерительного преобразователя Rosemount ............ 195

9.7.6 Многопараметрическое измерение расхода ..................................................196

9.7.7 Расширенная диагностика ..................................................................197

9.7.7.1 Анализ технологического процесса .............................................. 197

9.7.7.2 Закупорка импульсных линий .................................................... 198

9.7.7.3 Целостность токовой петли ................................................... 198

9.7.7.4 Дополнительная диагностика ................................................... 199

9.8 Дополнительная информация ........................................................................199

Глава 10 — Установка расходомеров по перепаду давления

10.1 Введение ...................................................................................202

10.2 Основная информация об ус тановке расходомера по перепаду давления ............................202

10.2.1 Безопасность .......................................................................202

10.2.2 Предотвращение повреждения расходомера ...........................................202

10.2.2.1 Механическое повреждение ................................................ 202

10.2.2.2 Технологическое повреждение .............................................. 203

10.2.2.3 Материалы изготовления расходомера ................................... 203

10.2.2.4 Окружающие условия ..................................................... 203

10.2.3 Оптимизация производительности расходомера .......................................204

10.2.3.1 Измерение трубопровода ................................................. 204

10.3 Планирование установки первичного элемента ....................................................204

10.3.1 Тип процесса ........................................................................205

10.3.2 Монтаж первичного элемента .........................................................205

10.3.2.1 Расходомер с трубной секцией ............................................. 205

10.3.2.2 Расходомер в бесфланцевом исполнении ................................... 205

10.3.2.3 Расходомер погружного типа .............................................. 206

10.3.3 Монтаж измерительного преобразователя перепада давления или расхода ...............206

10.3.3.1 Прямой монтаж .......................................................... 206

10.3.3.2 Выносной монтаж ........................................................ 207

10.3.4 Предельные значения температуры ...................................................208

10.3.5 Предельные значения вибрации ......................................................208

10.3.6 Технологическая среда ...............................................................208

10.3.6.1 Накопление твердых частиц .............................................. 208

10.3.6.2 Вовлеченный газ в потоке жидкости ....................................... 209

10.3.6.3 Накопление жидкости в потоке газа ....................................... 210

10.3.7 Обогрев .............................................................................210

10.3.8 Измерение расхода пара .............................................................210

10.3.9 Электромонтаж ......................................................................211

10.3.9.1 Отличие 2-проводной и 4-проводной схемы подключения ................... 211

10.3.9.2 Типы проводов ........................................................... 211

10.3.9.3 Кабелепроводы и кабельные лотки ........................................ 211

10.3.9.4 Защита от импульсных перенапряжений .................................. 212

10.3.9.5 Заземление .............................................................. 212

10.4 Определение местоположения первичного элемента ..............................................212

10.4.1 Первичные элементы Annubar 485, 405A и 585 ..........................................213

10.4.2 Стабилизирующие измерительные диафрагмы Rosemount 1595, 405C и 9295 ..............214

10.4.3 Традиционные измерительные диафрагмы Rosemount 1495 и 405P ......................215

10.4.4 Встроенная измерительная диафрагма Rosemount 1195 .................................215

10.4.5 Выпрямители потока .................................................................216

10.5 Определение ориентации первичного элемента ...................................................216

xii

Оглавление

10.5.1 Типы сред ...........................................................................216

10.5.1.1 Измерение расхода газа ................................................... 217

10.5.1.2 Измерение расхода жидкости ............................................. 217

10.5.1.3 Измерение расхода пара .................................................. 217

10.5.2 Первичные элементы Annubar ........................................................217

10.5.2.1 Ориентация расходомера по соединительной части трубопровода

перед прибором .......................................................... 218

10.5.3 Стабилизирующие измерительные диафрагмы ........................................218

10.5.4 Традиционные измерительные диафрагмы ............................................219

10.6 Импульсная обвязка для выносного монтажа .....................................................219

10.7 Установка расходомера ..........................................................................221

10.7.1 Стрелка направления потока ..........................................................221

10.7.2 Центровка первичного элемента Annubar ..............................................222

10.7.3 Центровка измерительных диафрагм .................................................222

10.7.3.1 Компактная платформа на базе Rosemount 405 ............................ 222

10.7.3.2 Встроенная измерительная диафрагма Rosemount 1195 .................... 223

10.7.3.3 Rosemount 1495 и 1595 .................................................... 223

10.7.4 Установка преобразователя ...........................................................223

10.8 Особые факторы, которые необходимо учитывать при установке ....................................223

10.8.1 Горячая врезка ......................................................................223

10.8.2 Монтаж в воздуховоде ...............................................................225

10.8.3 Отходящие и печные газы ............................................................225

10.8.4 Криогенные среды ...................................................................227

10.8.5 Измерение расхода пара .............................................................228

10.8.5.1 Прямой монтаж в паропроводе ........................................... 228

10.8.5.2 Требования к установке в высокотемпературных паропроводах ............ 228

10.8.6 Расходомеры, рассчитанные на высокие температуры и давление .......................229

10.8.7 Измерительные диафрагмы, рассчитанные на высокие температуры и давление ..........230

10.9 Калибровка по мес ту установки методом траверсирования .........................................230

10.10 Ввод в эксплуатацию ............................................................................232

10.10.1 Процедура ввода в эксплуатацию расходомера по перепаду давления ....................234

10.11 Контрольный список установки ..................................................................235

10.12 Дополнительная информация ....................................................................235

Глава 11 — Калибровка, техническое обслуживание, поиск и устранение неисправностей

11.1 Введение ...................................................................................238

11.2 Техника безопасности ...........................................................................238

11.2.1 Знание рабочей среды и условий процесса .............................................238

11.2.2 Использование средств индивидуальной защиты (СИЗ) .................................238

11.2.3 Ознакомление с рабочими процедурами перед началом работ ..........................238

11.2.4 Стравливание или вентиляция рабочей среды ..........................................238

11.3 Калибровка ...................................................................................238

11.3.1 Калибровка и проверка ..............................................................238

11.3.2 Неоткалиброванная и откалиброванная производительность ............................239

11.3.3 Системы калибровки расходомера ....................................................240

11.3.3.1 Гравиметрические системы калибровки ................................... 240

11.3.3.2 Системы измерения с контрольными или рабочими эталонами ............ 241

11.3.3.3 Погрешность лаборатории и испытательного прибора .................... 241

11.3.4 Рабочий диапазон чисел Рейнольдса ..................................................241

11.3.5 Калибровка и проверка измерительного преобразователя перепада давления . . . . . . . . . . . .242

xiii

Оглавление

11.3.5.1 Калибрровка сенсора ...................................................... 243

11.3.5.2 Установка нуля ........................................................... 243

11.3.5.3 Настройка аналогового сигнала ........................................... 243

11.3.5.4 Калибровка в лабораторных или полевых условиях ......................... 243

11.3.6 Оборудование и стандарты калибровки измерительного преобразователя перепада

давления ...........................................................................244

11.3.7 Процедура калибровки ...............................................................244

11.3.8 Периодичность калибровки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245

11.3.9 Калибровка измерительного преобразователя давления ................................246

11.3.10 Калибровка измерительного преобразователя температуры .............................246

11.3.11 Калибровка многопараметрического преобразователя ..................................247

11.4 Техническое обслуживание ......................................................................247

11.4.1 Техническое обслуживание первичного элемента Annubar .....................................247

11.4.1.1 Осмотр .................................................................. 247

11.4.1.2 Очистка ................................................................. 247

11.4.1.3 Проверка геометрии первичного элемента Annubar ........................ 248

11.4.1.4 Проверка первичного элемента Annubar на герметичность ................ 248

11.4.2 Основное техническое обслуживание cужающего устройства ............................248

11.4.2.1 Осмотр .................................................................. 248

11.4.2.2 Очистка ................................................................. 249

11.4.2.3 Проверка состояния и измерение отверстия диафрагмы ................... 249

11.4.2.4 Осмотр импульсной обвязки и испытание на герметичность ............... 250

11.4.3 Техническое обслуживание измерительного преобразователя перепада давления .........250

11.4.4 Ввод в эксплуатацию расходомера по перепаду давления ...............................250

11.5 Поиск и устранение неисправностей ..............................................................251

11.5.1.1 Проверка первичного элемента, создающего перепад давления,

и правильности установки ............................................... 251

11.5.1.2 Проверка измерительного преобразователя перепада давления ............ 251

11.5.2 Установление характера проблемы ....................................................252

11.5.2.1 Расходомер не дает показаний расхода .................................... 252

11.5.2.2 Расходомер дает завышенные или заниженные показания .................. 253

11.5.2.3 Шумный сигнал расходомера .............................................. 254

11.5.2.4 Показания расходомера не меняются при изменении расхода ............... 254

11.5.2.5 Расчет расхода вручную .................................................. 255

11.5.2.6 Сбор технологических данных ............................................. 255

11.5.2.7 Расчет расхода ........................................................... 255

11.6 Контрольный список для проверки работы расходомера по перепаду давления ......................257

11.7 Дополнительная информация ....................................................................258

Глава 12 — Инженерные данные

12.1 Стандартные технические характеристики материалов для работы под давлением ...................260

12.2 Свойс тва материалов для изготовления компонентов, работающих под давлением ...................267

12.3 Физические пос тоянные углеводородов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269

12.4 О тношение удельных теплоемкостей .............................................................272

12.5 Физические пос тоянные различных сред ..........................................................273

12.6 Свойс тва воды ..................................................................................275

12.7 Свойс тва насыщенного пара .....................................................................277

xiv

Оглавление

12.8 Свойс тва перегретого пара .......................................................................286

Глава 13 — Информация о трубопроводах

13.1 Резьбовые соединения трубопроводов ...........................................................296

13.2 Углеродистая и легированная сталь — нержавеющая сталь ........................................296

13.3 Американские размеры трубного фланца .........................................................305

13.4 Стандарты фланцев из литой стали ...............................................................310

Глава 14 — Конвертация и эквиваленты

14.1 Эквиваленты длины. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318

14.2 Эквиваленты для конвертации дюймов в миллиметры – целые числа ..............................318

14.3 Эквиваленты для конвертации дюймов в миллиметры – дробные числа ............................319

14.4 Дополнительные эквиваленты для конвертации дюймов в миллиметры – дробные числа ............320

14.5 Эквиваленты площади ..........................................................................322

14.6 Эквиваленты объема ............................................................................322

14.7 Эквиваленты объемного расхода .................................................................322

14.8 Конвертация массы из фунтов в килограммы ......................................................323

14.9 Эквиваленты давления ..........................................................................323

14.10 Конвертация давления из фунтов/кв. дюйм в бар ..................................................324

14.11 Формулы для конвертации температуры ..........................................................325

14.12 Конвертация температуры .......................................................................326

14.13 Таблицы для перевода плотности в градусы API и градусы Боме и весовые коэффициенты .............329

14.14 Прочие полезные коэффициенты пересчета .......................................................331

14.15 Метрические приставки и суффиксы ..............................................................332

Приложения

Торговые марки ...................................................................................333

Глоссарий ...................................................................................334

Оглавление

xvi

Расходомер по перепаду давления

Раздел Страница

1.1 Введение 2

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления 2

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления 4

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления 5

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления 9

1.6 Установка расходомера по перепаду давления: традиционная в сравнении с интегральной 9

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода 11

Расходомер по перепаду давления

1.1 Введение

Измерение расхода по перепаду давления является одной из наиболее распространенных технологий для измерения расхода в трубопроводе. Расходомер по перепаду давления определяет расход на основании перепада давления на участке между стороной высокого и низкого давления первичного элемента.

Некоторые из причин долговечности технологии представлены ниже:

• В основе технологии измерения расхода по перепаду давления заложены широко известные законы фундаментальной физики, в частности, гидродинамики и гидравлики.

• Продолжительный опыт применения традиционного расходомера по перепаду давления обеспечил обширные исторические данные об эксплуатации в различных сферах применения и данные о производительности.

• За более чем 100-летнюю историю производства технологии для измерения расхода по перепаду давления был создан обширный и разнообразный каталог основных и специфичных для конкретной сферы применения первичных элементов, контрольно-измерительных приборов и вариантов установки с использованием новейших электронных и цифровых технологий.

• Продукция продолжает совершенствоваться, а существующие технологии обеспечивают высокую производительность и надежность.

Измерение расхода по перепаду давления зачастую выполняется путем сборки двух или более отдельных компонентов, размер и конфигурация которых были подобраны для совместной эксплуатации. В то время как некоторые другие технологии измерения расхода обеспечивают простое решение благодаря встроенным компонентам, расходомеры по перепаду давления, как правило, приносят пользователю большую пользу. Технические характеристики, конфигурация и универсальность каждого компонента расходомера по перепаду давления способны обеспечить оптимальные решения для сложных сфер применения, когда другие, более простые технологии не оправдывают ожиданий. На сегодняшний день технология продолжает пользоваться спросом благодаря своей гибкости, простоте использования и обширному опыту эксплуатации.

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления

Расход измеряемой среды всегда играл роль в выживании человека. Древние египтяне предсказывали урожайность по относительному уровню весеннего половодья Нила. Спустя столетия, необходимость постоянного мониторинга расхода приобрела большую важность, когда римляне стали проектировать акведуки для подачи воды в города для обеспечения жизнедеятельности, гигиены и санитарии. Для приблизительного измерения расхода воды римские техники пропускали поток воды через препятствие или диафрагму.

Благодаря открытию Ньютоном гравитации в 1687 году измерение расхода стало воспроизводимым и прогнозируемым. Использование этой концепции позволило физикам и математикам сформулировать целый ряд теорий о движении измеряемых сред и гидродинамической силе. Это, в свою очередь, послужило толчком к разработке набора инструментов для количественной оценки расхода.

1.2.1 Уравнение Бернулли

Швейцарский математик Даниэль Бернулли (1700-1782 гг.) первым совершил значимый прорыв в развитии теории измерения расхода со своим исследованием гидродинамики (то есть сил, действующих на измеряемые среды или прикладываемых измеряемыми средами), основанным на принципе сохранения энергии. Бернулли провел ряд экспериментов для измерения давления среды и определения взаимосвязи между давлением и расходом. Эти знания были заложены в так называемый «Закон Бернулли», согласно которому увеличение скорости измеряемой среды приводит кодновременному снижению ее давления (то есть потенциальной энергии).

Рис. 1.1. Даниэль Бернулли

Расходомер по перепаду давления

В заключении, определяющем Закон Бернулли, говорится, что сумма всей энергии (кинетической и потенциальной) в потоке измеряемой среды остается постоянной независимо от условий.

Математически, проще всего в уравнении Бернулли это выражается давлением:

Хотя это соотношение справедливо для многих видов измеряемых сред, оно является аппроксимацией, поскольку применяется к идеальной среде. Реальные измеряемые среды имеют вязкость, которая создает локальные потери энергии, не учтенные в уравнении Бернулли. Несмотря на это ограничение, для определения расхода в современных расходомерах по перепаду давления уравнение Бернулли используется вместе с корректировками на реальную природу измеряемых сред. Более подробная информация об уравнении Бернулли представлена в

Главе 3.

На основании работы Бернулли были разработаны другие концепции. Сюда относится, например, обтекание аэродинамического профиля и механизм возникновения подъемной силы в авиации. В одном из первых расходомеров по перепаду давления – трубе Вентури, названной в честь другого исследователя Джованни Баттиста Вентури (1746-1822гг), используется принцип прохождения потока через место сужения, который лежит в основе Закона Бернулли. Одним из самых распространенных способов применения трубы Вентури являются карбюраторные двигатели внутреннего сгорания, где врезультате падения давления в трубе Вентури бензин попадает в поступающий в двигатель воздушный поток.

1.2.2 Число Рейнольдса

Осборн Рейнольдс (1842-1912 гг) – второй ведущий ученый, который внес значительный вклад в теорию движения измеряемых сред по трубопроводам. Осборн Рейнольдс изучал механику, проявил интерес к динамике измеряемых сред иполучил степень профессора кафедры гражданского инженерного дела Оуэнс-колледжа в Манчестере, Англия. Свою карьеру он начал, будучи слесарем по паровому отоплению судов, однако затем провел множество исследований, среди которых механизм буксировки судов по воде, конденсация пара, кинетическая теория газов, конструкция винта, конструкция турбинного двигателя и гидравлические тормоза.

Рис. 1.2. Осборн Рейнольдс

Наиболее известные его исследования посвящены движению измеряемых сред по трубопроводам и условиям, при которых ламинарный поток движущейся среды преобразуется в турбулентный. На основании данного исследования было создано безразмерное число Рейнольдса (Re). Число Рейнольдса дает количественную оценку соотношению инерционных сил к вязким.

Число Рейнольдса характеризует параметры движущейся измеряемой среды и позволяет смоделировать крупные структуры в движущейся среде в гораздо меньших масштабах. На сегодняшний день этот метод используется в изучении конструкции судов и самолетов перед тем, как приступить кполномасштабному строительству.

Обрезанная фотография картины Осборна Рейнольдса, написанной Джоном

Кольером в 1904 году.

Расходомер по перепаду давления

Где:

Ламинарный поток

Поскольку число Рейнольдса описывает характеристики потока измеряемой среды, оно имеет важнейшее значение в проектировании и эксплуатации расходомеров по перепаду давления. Согласно открытию Рейнольдса, характеристики движения измеряемой среды в трубопроводе подразделяются на три диапазона или режима значений числа Рейнольдса:

1. Ламинарное течение — 0 < Re < 2300

2. Переходное течение — 2300 ≤ Re < 4000

3. Турбулентное течение — Re ≥ 4000

Эти три режима являются приблизительными значениями, поскольку ламинарный-турбулентный переход зависит от состояния стенки трубопровода. Точка перехода называется критическим числом Рейнольдса и будет варьироваться для разных типов трубопроводов. На Рисунке 1.3 показан график скорости для двух режимов течения в трубопроводе.

Средняя скорость в трубе

Максимальная скорость в трубе, которая находится в центре трубы для невозмущенного потока

Рис. 1.3: Характерные режимы течения в трубопроводе

Турбулентный поток

находятся в турбулентном диапазоне и намного превышают критическое число Рейнольдса. Это значительно упрощает выбор расходомера, поскольку необходимо учитывать лишь один характерный режим течения.

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления

Расходомер по перепаду давления позволяет рассчитать расход путем измерения разницы давлений в двух отборах первичного элемента или трубопровода, в котором он установлен. Как это работает? Давление – это сила, прикладываемая измеряемой средой, к площади поверхности. Эту силу можно измерить просто и дистанционно, используя небольшую трубку, подсоединенную к измерительному прибору. Большинство датчиков давления фактически являются дифференциальными, поскольку они измеряют разницу между давлением в трубе или сосуде иатмосферным давлением. Первым датчиком давления был манометр, который представляет собой вертикальную стеклянную трубку, позволяющую жидкости подниматься до тех пор, пока давление не будет уравновешено весом жидкости. Вманометре используется U-образная трубка или две соединенные снизу вертикальные трубки, частично заполненные жидкостью. Когда на верхнюю часть обеих трубок оказывается давление, уровень жидкости в трубках изменяется. Для измерения разницы уровней h используется закрепленная на манометре шкала. Измерение уровня жидкости является показателем давления. Впервых версиях расходомеров по перепаду давления обе трубки U-образного манометра подключались к отборам первичного элемента расходомера. Показателем для этого типа манометра служит перепад давления.

На Рисунке 1.4 показана труба Вентури и простой манометр, считывающий разницу давлений по уровню столба жидкостейh. Значение этой разницы давлений между верхним и нижним отборами:

При использовании числа Рейнольдса для определения режима течения в промышленном трубопроводе, диапазон чисел Рейнольдса должен быть получен для каждого трубопровода. Эти значения отобразят параметры, в которых должен будет работать промышленный расходомер. Измеряемые среды и скорости потоков в большинстве промышленных трубопроводов

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.4: Расходомер по перепаду давления с U-образным манометром для измерения дифференциального давления

Хотя в настоящее время манометры редко используются для снятия показаний перепада давления для расходомеров, ммвод.ст. (мм рт. с т.) все еще применяются в измерениях расхода по перепаду давления. Более подробная информация оперепаде давления и манометре показана в Главе 2.

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления

1.4.1 Что такое расход?

Расход – это единица измерения движущейся среды, вчастности, в канале определенного типа. Измеряемой средой может быть жидкость или газ. Поток в открытом канале – это течение жидкости в канале, канаве или русле реки. Поток взакрытом канале – это поток в трубопроводе, воздуховоде или водопропускной трубе. Расходомер по перепаду давления может измерять практически любой тип потока измеряемой среды. Вместе с тем, существуют следующие общие требования к применению:

1. Поток должен полностью заполнять трубопровод. Частичное

заполнение трубопровода приведет к неточности измерений.

2. Плотнос ть должна быть известна или определена на основе

свойств измеряемой среды, например, в случае с газом поизменяющемуся давлению и температуре. При изменении плотности рассчитанный расход должен учитывать это изменение; в противном случае, показания расхода будут ошибочными. Вместе с тем, изменение плотности лишь

наполовину влияет на точность показаний расхода, так как в уравнении для измерения расхода по перепаду давления коэффициент плотности стоит под знаком квадратного корня.

3. Вязкос ть должна быть известной и постоянной для заданных значений давления и температуры (предполагаемых или измеренных). Среды, вязкость которых изменяется взависимости от расхода, называются неньютоновскими жидкостями и представляют сложность для измерения расходомерами по перепаду давления. В данном случае следует рассмотреть другую технологию для измерения расхода.

4. Поток должен находиться в равновесии или так называемом устойчивом состоянии. Измерение расхода по перепаду давления основано на энергетическом балансе системы, вкоторой отсутствуют времязависимые компоненты.

1.4.2 Принципы измерения расхода

Объемный расход равен объему измеряемой среды, проходящему через определенное поперечное сечение трубопровода за конкретный период времени. Пример показан на Рис. 1.5.

Рис. 1.5: Расход измеряемой среды в трубопроводе

Скорость,

Объем

жидкости,

V = S x I

Длина, I

Площадь трубы,S

Поскольку во многих рабочих уравнениях расходомера для определения расхода используется скорость измеряемой среды, важно проанализировать взаимосвязь между этими параметрами.

Расходомер по перепаду давления

Рассматриваемый объем измеряемой среды представляет собой площадь поперечного сечения трубопровода, умноженную на длину секции, которую измеряемая среда проходит за определенный период времени.

Так как скорость представлена пройденным расстоянием, деленным на время, скорость, с которой измеряемая среда проходит через поперечное сечение за определенную единицу времени рассчитывается следующим образом:

Отсюда получаем простейшее уравнение расхода:

Поскольку:

Другими словами, объемный расход равен скорости измеряемой среды, умноженной на поперечное сечение трубы. Для получения массового расхода объемный расход необходимо умножить на плотность жидкости:

Расходомер по перепаду давления измеряет скорость среды. Площадь, которую расходомер использует для расчета расхода, является площадью участка сужения, показанной на Рис. 1.6 как площадь поперечного сечения S

Рис. 1.6: Первичный элемент и сохранение массы

Первичный элемент, использующий место сужения в трубе для создания разницы давления, называется сужающим устройством. На Рис. 1.6 показан первичный элемент с отборами давления на входе игорловине. Используя уравнение Бернулли:

Это говорит о том, что общая энергия на входе в расходомер (1) должна быть равной общей энергии в горловине (2).

Здесь необходим еще один принцип гидродинамики, который называется уравнением неразрывности. В этом уравнении показано, что поток, заходящий в трубу, должен выходить из трубы, а расход будет постоянным на любом отрезке трубопровода. Еще одно подтверждение этому заключается в преобразовании массового расхода или:

Следует отметить, что на Рис. 1.6 площадь трубопровода уменьшается от S

до S2. Используя уравнение выше для расчета

массового расхода получаем:

Уменьшение площади приводит к соответствующему увеличению скорости. Данное уравнение используется для завершения уравнения расхода с помощью сужающего устройства, в котором для определения скорости потока сочетается уравнение Бернулли и уравнение неразрывности. Подробные расчеты представлены в Главе 3.

1.4.3 Трубка Пито

Прямым способом измерения скорости среды является трубка Пито. Измерение давления в трубке Пито осуществляется благодаря остановке движения среды в фиксированной точке потока аналогично руке, вытянутой из окна автомобиля во время движения.

Это давление называется давлением торможения и связано со скоростью следующим образом:



Расходомер по перепаду давления

На Рис. 1.7 показана стандартная установленная в трубе исследовательская трубка Пито. Скорость измеряемой среды перед наконечником Пито дифференциального давления и определением плотности среды. В данном случае, для определения неизвестной скорости используется дифференциальное давление. Общее давление измеряется на наконечнике трубки Пито, а статическое давление – через отверстия, просверленные в поверхности цилиндра трубки Пито под прямым углом к потоку. Данный метод является одним из первых в расчете скорости движения среды по трубопроводу. Вместе с тем, трубка Пито не самый лучший вариант промышленного расходомера. Она измеряет лишь одну точку, если только прибор не перемещается по диаметру трубы для измерения скорости. Кроме того, трубка Пито не обладает достаточно прочной конструкцией для работы в больших трубопроводах. По этой причине была разработана осредняющая трубка Пито. Более подробная информация об этой технологии представлена в Главе 7 и 9.

Рис. 1.7 Установленная в трубопроводе трубка Пито

определяется измерением

1.4.4 Расходомер по перепаду давления

Все первичные элементы расходомера создают перепад давления. Этот перепад давления пропорционален расходу в трубопроводе. Выражается математически:

Kc рассчитывается на основании геометрии первичного элемента,

конструкции первичного элемента и рабочих параметров измеряемой среды. Это фундаментальное соотношение лежит в основе технологии измерения расхода по перепаду давления.

Перепад давления – это наиболее распространенный тип технологии расходомеров, использующийся на сегодняшний день. Как показано на Рис. 1.8, для создания расходомера по перепаду давления необходимы два важных элемента:

1. Первичный элемент – устройс тво, устанавливаемое в трубу для создания перепада давления, и включающее в себя отборы для измерения этого перепада.

2. Вторичный элемент – индикатор или измерительный прибор, который измеряет перепад давления и обеспечивает выход, пропорциональный расходу, используя квадратный корень измеренного перепада давления. В качестве вторичного элемента также может использоваться многопараметрический преобразователь, измеряющий не только перепад давления, но и статическое давление и температуру измеряемой среды в трубопроводе. Эти измерения могут затем использоваться электроникой многопараметрического преобразователя для точного расчета расхода.

В зависимости от конфигурации первых двух элементов, может потребоваться третий компонент. Ес ли преобразователь не вычисляет расход, его необходимо рассчитать из показаний перепада давления. Обычно расчет выполняется одним изследующих способов: отправка измеренного перепада давления ввычислитель расхода для расчета значения расхода на основании рабочих параметров и других измерений или же; расчет расхода в распределенной системе управления (РСУ). Оба эти способа требуют дополнительного оборудования, монтажных иинженерных работ.

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.8 Стандартный расходомер по перепаду давления. В качестве первичного элемента может использоваться измерительная диафрагма или осредняющая трубка Пито.

Технология измерения расхода по перепаду давления обеспечивает лучшие результаты в чистых, однородных средах, однако некоторые первичные элементы могут использоваться в присутствии загрязнителей или твердой фазы. Некоторые важные рекомендации по применению расходомера по перепаду давления представлены ниже:

1. Выбирайте соответствующий первичный элемент в соответствии с параметрами сферы применения.

2. Правильно ус танавливайте и настраивайте расходомер.

3. Выполняйте необходимое техническое обслуживание для обеспечения свободного прохождения потока и предотвращения износа первичного элемента.

4. Убедитесь, что преобразователь перепада давления работает в пределах рабочих характеристик.

Более подробная информация представлена в Главе 10.

1.4.5 Первичный элемент

Существуют несколько типов первичных элементов для измерения перепада давления:

• Измерительные диафрагмы с одним или несколькими отверстиями;

• Осредняющие трубки Пито;

• Трубы Вентури;

• Расходомеры с клиновидным первичным элементом;

• Расходомеры с конусным первичным элементом;

• Расходомерные сопла.

Каждый из этих первичных элементов работает по одному и тому же принципу – создание перепада давления пропорционально расходу. Более подробная информация об этих первичных элементах представлена в Главе 7. Преимущество существования нескольких типов первичного элемента заключается в возможности выбора соответствующего практически для любой сферы применения. Сложность же заключается в понимании процесса, которое необходимо для правильного выбора первичного элемента.

1.4.6 Вторичный элемент

Вторичный элемент отвечает за считывания показаний перепада давления, полученных первичным элементом расходомера. Существуют простые индикаторы, в которых показания расходомера считываются механически по шкале, однако наиболее распространенным и предпочитаемым впромышленной сфере применения является преобразователь перепада давления. Преобразователи перепада давления разработаны для преобразования механического сигнала давления в аналоговый или цифровой и передачи его всистему управления. Эти преобразователи сконструированы иизготовлены для обеспечения точных измерений в обширных рабочих диапазонах. На Рис. 1.9 показан преобразователь перепада давления. При необходимости получения выходного сигнала пропорционально расходу, преобразователь может рассчитать квадратный корень из измерения перепада давления. Впротивном случае, этот расчет квадратного корня должен быть выполнен где-то еще, как правило, в системе управления. Следует проявлять осторожность и избегать двойного вычисления квадратного корня, поскольку это приведет кбольшим ошибкам. Многопараметрический преобразователь – это преобразователь перепада давления, способный измерять дополнительные технологические переменные, включая статическое давление и температуру. При использовании его в качестве преобразователя массового расхода эти измерения помогают компенсировать изменения плотности идругих параметров потока.

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.9 Преобразователь перепада давления.

Хотя многопараметрический преобразователь изначально дороже преобразователя перепада давления, экономия достигается за счет отсутствия необходимости в установке отдельных приборов. Это означает меньшее количество преобразователей, проводки, вмешательства в технологический процесс и, в целом, меньшую стоимость монтажа. В связи с отсутствием необходимости в вычислителе расхода или отдельных расчетах, продолжительность обслуживания инагрузка процессора РСУ уменьшаются, абыстродействие увеличивается. В отличии от преобразователей перепада давления, многопараметрические преобразователи также могут получать массовый расход, расход энергии, объемный расход и даже суммарный расход для регистрации данных. Более подробная информация опреобразователях перепада давления имногопараметрических преобразователях представлена вГлаве 8.

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления

Измерение расхода по перепаду давления позволяет оптимизировать многие аспекты технологического процесса, в том числе:

• Мониторинг и уравновешивание расхода – мониторинг

расхода среды в системе на стратегически важных участках для обеспечения работы и равновесия системы.

• Эффективность производства – измерение расхода входит

в обширный ряд переменных, связанных с эффективностью управления технологическим процессом, от управления периодическими процессами до очистки побочных продуктов и мониторинга выбросов.

• Технологический контроль – технологические процессы

химической, перерабатывающей и обрабатывающей промышленности, как правило, включающие в себя множественные измерения расхода среды. Контроль за

расходом особо важной среды играет решающую роль в обеспечении качества продукции.

• Безопасность – мониторинг расхода среды в инженерных и производственных коммуникациях для установления безопасного диапазона расхода с возможностью интеграции в систему сигнализации в случае превышения установленных значений.

• Внутреннее выставление/перевыставление счетов – более жесткий контроль запасов и режимов работы оказывает прямое влияние на прибыльность. Для многих производств внутреннее выставление счетов по производственным затратам на обработку среды напрямую влияет на конечный результат.

• Коммерческий учёт – измерение расхода используется врасчетно-кассовых операциях за продукцию, реализуемую по объему или весу. Точные измерения позволяют производителю учесть весь передаваемый объем продукции, а заказчику – избежать завышения цены.

1.6 Установка расходомера по перепаду

давления: традиционная в сравнении синтегральной

В целом, за последние два десятилетия технологические измерительные приборы претерпели значительные изменения в форме и интеграции. Расходомер по перепаду давления не исключение. В настоящее время существуют два основных типа расходомеров: традиционные и интегрированные.

1.6.1 Традиционный узел для измерения расхода

поперепаду давления

Для установки традиционного узла для измерения расхода поперепаду давления требуется, по меньшей мере, три отдельных компонента. На Рис. 1.10 показана стандартная система на базе измерительной диафрагмы, включающая в себя первичный элемент, импульсную обвязку и преобразователь перепада давления.

Расходомер по перепаду давления

Рис. 1.10 Способ установки традиционного узла для измерения расхода по перепаду давления

1. Измерительная диафрагма (первичный элемент)

2. Трубное соединение (импульсные линии, соединения, вентильные блоки и т.д)

3. Преобразователь перепада давления (вторичный элемент)

Для соблюдения требований установки традиционный способ требует покомпонентного проектирования. Части могут приобретаться отдельно и собираться на территории производства. При правильном проектировании и установке данная конфигурация обеспечивает высокую производительность и способна соответствовать стандартам передачи продукции потребителю.

За многие годы эксплуатации появилось много общепринятых подходов и стандартов измерения расхода по перепаду давления. Некоторые из этих подходов, однако, привели к возникновению устаревших или ошибочных методов проектирования расходомеров по перепаду давления, в результате чего технология оказалась не оптимальной, учитывая ее проблемы и ограничения. Сюда относятся множественные потенциальные точки утечки измеряемой среды на соединениях, отдельных вентилях и клапанных блоках, а также потенциальные проблемы с точностью из-за протяженности импульсных линий. Кроме того, учитывая большое количество компонентов, установка занимает много времени и требует тщательной настройки для обеспечения правильности работы.

1.6.2 Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции

На Рис. 1.11 показан расходомер интегральной конструкции, включающий в себя первичный элемент и преобразователь перепада давления. Все необходимые элементы входят в состав расходомера. По большей части, расходомер был разработан для сведения к минимуму сложностей при установке традиционного узла для измерения расхода по перепаду давления, например, сборке импульсной обвязки на территории производства. Перед отправкой система проходит опрессовку для проверки целостности, а также полную настройку и предварительную сборку для упрощения монтажа. При использовании многопараметрического преобразователя показания давления и температуры измеряемой среды могут считываться без дополнительного вмешательства в работу трубопровода или установки дополнительных приборов.

Рис. 1.11: Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции, объединяющий первичный элемент и преобразователь водну конструкцию, что сокращает количество потенциальных точек утечки в процессе установки и эксплуатации

1.6.3 Сравнение традиционного узла и расходомера по перепаду давления интегральной конструкции

На Рис. 1.12 показано сравнение традиционного узла для измерения расхода по перепаду давления, измеряющего давление и температуру и оснащенного вычислителем расхода, с эквивалентным многопараметрическим расходомером интегральной конструкции. Каждый индивидуальный компонент, входящий в состав измерительной системы, указан в обеих системах.

Расходомер по перепаду давления

К преимуществам расходомера по перепаду давления интегральной конструкции относятся:

• Меньшее количество потенциальных точек утечки (опрессовка на заводе-изготовителе);

• Меньшее количество проблем с техническим обслуживанием в долгосрочной перспективе;

• Меньшая подверженность замерзанию и засорению;

• Более компактная площадь установки;

• Упрощенная процедура заказа и установки.

Расходомеры интегральной конструкции Rosemount™ сочетают в себе лучшие в отрасли измерительные преобразователи, инновационные технологии первичного элемента и системы подключения. Один расходомер успешно объединяет в себе до 10устройств, что упрощает процесс проектирования, закупки иустановки.

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода

Существуют другие методы измерения расхода среды в трубопроводе. Ниже представлено описание четырех наиболее распространенных альтернативных технологий (кориолисовая, электромагнитная, вихревая и ультразвуковая), помимо которых также существуют и другие виды, как например, канальная, оптическая, теплоемкая, турбинная, лопастного колеса и прямого объемного вытеснения.

1.7.1 Кориолисовая технология

Работа кориолисового расходомера основана на механике движения. Кориолисовая сила возникает при движении массы во вращающемся инерциальном пространстве. Вращение создается вибрацией двух трубок расходомера , движущихся в противоположном направлении друг к другу. Когда измеряемая среда протекает в противоположновибрирующих трубках, трубки скручиваются под действием кориолисовой силы. Скручивание

Рис. 1.12 Традиционный узел и расходомер интегральной конструкции с компенсацией температуры и давления

1. Вычис литель расхода

2. Первичный элемент

3. З ащитная гильза

4. Сенсор температуры

5. И змерительный преобразователь температуры

6. К лапанный блок

7. Преобразователь перепада давления

8. Преобразователь давления

9. Трубное соединение

Расходомер по перепаду давления

чередуется с вибрацией и создает на смонтированных на трубках катушках два сдвинутых по фазе синусоидальных сигнала. Величина сдвига пропорциональна массовому расходу. Помимо этого, частота вибрации пропорциональна плотности измеряемой среды. Смещение сигнала и частота вибрации могут быть с точностью измерены, что делает кориолисовый расходомер одним из наиболее точных типов расходомеров.

1.7.2 Электромагнитная технология

Электромагнитные расходомеры работают по закону электромагнитной индукции Фарадея. Электроды, смонтированные на противоположных сторонах корпуса расходомера, измеряют напряжение, создаваемое потоком проводящей жидкости в магнитном поле. Это напряжение пропорционально скорости потока. В электромагнитном расходомере используется полноразмерный трубный узел, покрытый одним из нескольких типов инертных пластмассовых материалов. Это делает электромагнитный расходомер идеальным для использования в процессах с грязными жидкостями, сточными водами или пульпой.

1.7.3 Вихревая технология

В вихревом расходомере используется тело обтекания или цилиндр, смонтированный в трубный узел, который создает переменные вихри позади цилиндра. Частота переменного вихря пропорциональна скорости измеряемой среды. Вихревые расходомеры не имеют движущихся частей для обслуживания или ремонта, а сигнал считывается в электронном виде и просто преобразуется в показания расхода. Вихревые расходомеры демонстрируют высокую производительность в большинстве чистых измеряемых сред и могут использоваться в тех же областях, что и расходомеры по перепаду давления.

1.7.4 Ультразвуковая технология

Ультразвуковые расходомеры рассчитывают расход, используя скорость звука в жидкости, создаваемую смонтированными на стенке трубы ультразвуковыми излучателями. Существует два типа ультразвуковых расходомера: доплеровский и с измерением скорости потока частиц. Для отражения звуковых волн на смонтированные на стенке трубы излучатели ультразвуковому доплеровскому расходомеру необходимо наличие частиц в измеряемой среде. Разница в частоте между отправляемой иотражаемой волной пропорциональна скорости измеряемой среды. Для работы ультразвукового расходомера с измерением скорости потока частиц необходима чистая измеряемая среда и противоположные излучатели для отправки и приема звуковой волны под углом в трубопроводе. Разница во времени, необходимом для отправки импульса между излучателями в прямом и обратном направлении потока, пропорциональна скорости измеряемой среды. В некоторых моделях используются пары излучателей для полного охвата поперечного сечения трубопровода, что обеспечивает большую точность измерения расхода, чем у одноканального расходомера.

В каждой из описанных здесь систем измерения расхода используются передовые технологии, и у каждой есть свои преимущества и недостатки. Вместе с тем, система измерения расхода по перепаду давления, используемая в промышленных процессах, остается наиболее распространенной технологией измерения расхода благодаря своему продолжительному опыту эксплуатации, удобству использования, надежности и широкому диапазону применения.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Измеряемые среды и расход – Основныетермины и понятия

Раздел Страница

2.1 Введение 14

2.2 Физические свойства среды 14

2.3 Основная информация о расходе измеряемой среды 32

2.4 Основные термины расходометрии по перепаду давления 34

2.5 Применяемые стандарты 36

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.1 Введение

В настоящей главе представлена информация об основных свойствах, определяющих поведение среды и необходимых для измерения расхода. Здесь также содержатся основные термины, применимые к расходомеру по перепаду давления.

Существуют несколько видов измеряемых сред. Расход большинства промышленных сред может быть измерен расходомерами по перепаду давления. Некоторые из этих сред обладают свойствами, сложными для измерения. Все измеряемые среды характеризуются несколькими свойствами, определяющими поведение среды в условиях потока.

2.2 Физические свойства измеряемых сред

Измеряемая среда – это вещество, которое продолжает деформироваться под действием напряжения сдвига в состоянии покоя. См. Рис. 2.1. Измеряемая среда может быть жидкостью, паром или газом. Некоторые свойства большинства измеряемых сред могут рассчитываться на основании других известных свойств. Для прогнозирования воздействия измеряемой среды на расходомер по перепаду давления используются параметры плотности и вязкости. Газы считаются идеальными или реальными в зависимости от изменения их плотности при изменении давления итемпературы. Отличие расчетных значений идеального иреального газа представлено ниже.

определены для большинства распространенных измеряемых сред. Поскольку оба параметра зависят от давления и температуры, необходимо знать нормальный рабочий диапазон давления или температуры в конкретной области применения расходомера.

В дополнение к плотности и вязкости, для прогнозирования влияния сжимаемости газа на сигнал расходомера по перепаду давления используется показатель адиабаты или отношение удельных теплоемкостей c

. Это значение также зависит от

p /cv

условий газа.

2.2.1 Масса, сила и вес

В случае движущихся сред важно понимать физику, лежащую в основе понятия массы, силы и веса. При изменении направления, а также при прохождении потока через предметы или вокруг них, измеряемые среды прилагают усилие. Отношение массы, силы и веса необходимо для понимания этих физических свойств, а также того, как они могут использоваться в уравнении для определения расхода по перепаду давления.

Для перевода движущейся массы в силу используется второй закон Ньютона (См. Рис. 2.2), выраженный следующим образом:

Рис. 2.1 Деформация измеряемой среды в состоянии покоя под действием напряжения сдвига.

Существует два основных параметра, которые необходимо знать для правильного выбора размера и эксплуатации расходомера по перепаду давления – плотность и вязкость. К счастью, зная физические свойства, эти два параметра могут быть запросто

Рис. 2.2 Закон Ньютона – сила, масса и ускорение

Сила, F

Масса,

Ускорение, a

Член правой части уравнения ma называется силой инерции. Чтобы уравнять силу инерции с силой, действующей на тело, F, необходимо иметь одинаковые единицы измерения. Для этого используется преобразование, называемое постоянной преобразования силы инерции g

. Тогда фактическое уравнение

второго закона Ньютона будет выглядеть следующим образом:

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Вес – это сила, оказываемая телом на поверхность земли под действием силы тяжести. Вес можно определить, заменив a на ускорение силы тяжести g

2.2.2 Плотность

Плотность измеряемой среды – это масса измеряемой среды на единичный объем или:

r (плотность) = масса/(единица объёма)

Следует отметить, что при той же массе, объем, занимаемый этой массой, будет меняться в зависимости от температуры идавления. Плотность – это интенсивное свойство, означающее, что оно остается одинаковым, независимо от количества среды. Влияние температуры и давления на плотность жидкостей и газов показано в Таблице 2.1. Жидкости, как правило, считаются несжимаемыми, поскольку изменение их плотности при изменении давления весьма небольшое исчитается незначительным для давления в расходометрии распространенных промышленных процессов. По этой причине плотность обычных жидкостей, как правило, определяется только по температуре. На Рис. 2.3 показана плотность воды

вкг/м

в диапазоне температур от от 0 до 100 °C.

Используя уравнение второго закона Ньютона без учета трения, 1 Н разгонит 1 кг со скоростью 1м/сек

или:

Следует обратить внимание, что при использовании значения gc, единицы в правой части уравнения выражены силой. В единицах системы СИ значение g равен 1 кг × 1 м/сек

равно 1, поскольку ньютон в точности

Иногда, в уравнениях системы СИ этот член необоснованно опускается. В уравнениях для определения расхода по перепаду давления использование g

необходимо при уравнении силы

иинерции.

Эта концепция также используется в статистике измеряемых сред при преобразовании гравитационного напора в давление, каквслучае с манометром.

Таблица 2.1 Значение плотности и вязкости в зависимости от температуры и давления измеряемой среды

Жидкости

á Температура - â плотность â Температура - á плотность

á Давление – незначительное изменение â Давление – незначительное изменение

á Температура - â вязкость â Температура - á вязкость

Газ ы

á Температура - â плотность â Температура - á плотность

á Давление - á плотность â Давление - â плотность

á Температура - á вязкость â Температура - âвязкость

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Рис. 2.3: Плотность воды в зависимости от температуры

1000

995

990

985

980

975

970

Плотность, кг/м

965

960

955

Температура, °C

100

При изменении давления или температуры плотность газа будет меняться из-за его сжимаемости. По этой причине для определения плотности газа, используя уравнение состояния, необходима температура и давление, а также молекулярная масса газа. См. Раздел 2.2.7.2.

2.2.3 Удельный вес и удельная плотность

Удельный вес – это вес, создаваемый силой притяжения чистого или однородного вещества на единицу объема. Широко распространенными единицами удельного веса являются Н/м Используя приведенную выше формулу для определения веса, вес на единицу объема может быть приравнен к массе на единицу объема следующим образом:

Числовое значение удельного веса измеряемой среды равно плотности этой среды при нормальной силе тяжести (45°широты). Вместе с тем, если вещество с равной плотностью и удельным весом на земле рассматривать без учета силы

притяжения, плотность останется одинаковой, а удельный вес будет равен нулю. Удельный вес зачас тую используется в гидравлике, где вода или другая жидкость перемещаются в системах, например, открытых баках или резервуарах. В этих системах вертикальная высота измеряемой среды или потенциальной энергии играет решающую роль.

Удельный вес G жидкости представляет собой соотношение плотности одного вещества с плотностью эталона. В случае с жидкостями эталоном является вода с максимальной плотностью, достигаемой при температуре 4°C и атмосферном давлении 101,325 кПа. Удельный вес рассчитывается как:

Использование удельного веса в качестве единицы измерения пользовалось популярностью в доцифровую эпоху во времена ручных вычислений. Удельный вес нормализует значение плотности. Удельный вес воды в эталонных условиях равен единице и меньше единицы при повышении температуры. После этого остальные жидкости сопоставляются с водой. Значение удельного веса указывает, является ли данная жидкость легче или тяжелее воды. В Таблице 2.2 показана плотность и удельный вес ряда распространенных жидкостей.

Эталонной средой для определения удельного веса газов является воздух. Удельный вес газа определяется как отношение молекулярного веса газа M к молекулярному весу воздуха M (определяется как 28,96247 г/г моль): G = M ⁄ M также позволяет нормализовать удельный вес, используя воздух в качестве эталона. Газы с удельным весом меньше единицы легче воздуха, газы с удельным весом больше единицы – тяжелее. В Таблице 2.3 приводится удельный вес некоторых распространенных газов.

. Этот метод

воздух

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Таблица 2.2: Удельный вес жидкостей Жидкости легче воды показаны серым, жидкости тяжелее воды – синим

Жидкость Температура, °C Удельный вес, G Жидкость Температура, °C Удельный вес, G

Ацетилен, жидкий 21,0 0,380 Сырая нефть, Калифорния 15,6 0,918 Метан, жидкий -164,0 0,466 Кокосовое масло 15,0 0,927 Пропан 25,0 0,495 Хлопковое масло 15,0 0,929 Пропилен 25,0 0,516 Льняное масло 25,0 0,932 Этан -89,0 0,572 Карболовая кислота 15,0 0,959 Бутан, жидкий 25,0 0,601 Касторовое масло 25,0 0,959 Гексан 25,0 0,657 Сырая нефть, Мексика 15,6 0,976 Нафта 15,0 0,667 Вода, чистая 4,0 1,000 Гептан 25,0 0,681 Вода, морская 25,0 1,028 Октан 25,0 0,701 Молоко 25,0 1,035 Оливковое масло 15,0 0,703 Пропиленгликоль 25,0 1,036 Бензин 15,6 0,713 Уксусная кислота 25,0 1,052 Простой эфир 25,0 0,716 Креозот 15,0 1,070 Пентан 25,0 0,755 Фенол 25,0 1,075 Ацетон 25,0 0,787 Этилен 25,0 1,100 Этиловый спирт 25,0 0,787 Глицерол 25,0 1,129 Метиловый спирт 25,0 0,791 Кис лород, жидкий -183,0 1,140 Гидразин 25,0 0,797 Хладагент R-22 25,0 1,197 Пропиловый спирт 25,0 0,802 Глицерин 25,0 1,263 Формальдегид 45,0 0,815 Сероуглерод 25,0 1,265 Керосин 15,6 0,820 Фтористый хладагент R-12 25,0 1,315 Аммиак, водный 25,0 0,826 Фосген 0,0 1,381 Толуол 25,0 0,865 Хлороформ 25,0 1,469 Скипидар 25,0 0,871 Хладагент R-11 25,0 1,480 Бензол 25,0 0,876 Четыреххлористый углерод 25,0 1,589 Сырая нефть, Техас 15,6 0,876 Бром 25,0 3,120 Мазут 15,6 0,893 Ртуть 25,0 13,633 Стирол 25,0 0,906

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Таблица 2.3: Удельный вес некоторых широко распространенных газов. Газы легче воздуха показаны серым, газы тяжелее воздуха – синим

Газ

Водород, H

Гелий, He 0,138 Хлороводород, HCl 1,268

Бытовой газ 0,400 Фтор, Fl

Коксовый газ 0,440 Аргон, Ar 1,380

Метан, CH

Аммиак, NH

Водяной, H

O 0,622 Углекислый газ, CO

Водяной карбюрированный газ 0,630 Пропан, C

Природный газ (обычный) 0,650 Оксид азота, N

Неон, Ne 0,697 Озон, O

Водяной газ 0,710 Изобутан, (CH

Ацетилен, C

2H2

Угарный газ 0,967 Сернистый ангидрид, SO

Аз от, N

Воздух 1,000 Хлор, Cl

Доменный газ 1,020 Пентан, C

Окись азота, NO 1,037 Гексан, C

Этан, C

2H6

Кислород, O

Сероводород, H

S 1,176 Пары ртути, Hg 6,940

Удельный вес,

Газ Удельный вес, G

0,070 Соляная кислота, HCl 1,261

0,554 Фосген, COCl

0,590 Пропилен, C3H

0,900 Бутан, C4H

0,972 Изопентан, (CH3)2CHC2H

3H8

O 1,530

CH 1,940

3)3

5H12

6H14

1,038 Криптон, Kr 2,890

1,104 Ксенон, Xe 4,530

1,310

1,390

1,452

1,519

1,522

1,660

2,006

2,264

2,480

2,486

2,487

2,973

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Сила

2.2.4 Жидкие смеси

При составлении смеси из двух и более чистых жидкостей плотность смеси можно определить по известной плотности каждого компонента и их общему объему или массе.

Для жидкой смеси, состоящей из компонентов в процентах от объема, расчет выглядит следующим образом:

Плотность смеси:

смеси смеси

и для каждого компонента:

или, , следовательно:

смеси

это объемная доля, так что:

смеси

Где:

Плотность i-го жидкого компонента

Масса i-го жидкого компонента

Объем i-го жидкого компонента

Общая масса жидкой смеси

смеси

Общий объем смеси

Объемная доля

Плотность жидкой смеси – это сумма объемных долей, умноженная на плотность каждого жидкого компонента.

Для жидкой смеси, приведенной в массовых долях:

Примечание: Поскольку молекулы вместе занимают меньше места, чем сумма двух объемов, некоторые комбинации объемов жидкости в точности не суммируются. Это утверждение справедливо для воды и этанола. Молекула этанола может разместиться между молекулами воды, поэтому при смешивании этих жидкостей теряется 3% от общего объема. В этом случае, показанные здесь уравнения смесей необходимо изменить.

2.2.5 Давление

Давление – это сила, действующая перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности. См. Рис. 2.4. Давление определяется следующим образом:

Рис. 2.4 Давление – это сила, приложенная к площади поверхности.

Площадь

Плотность жидкой смеси, приведенной в массовых долях – это инверсия суммы массовых долей, деленная на плотность каждого жидкого компонента.

Паскаль (Па) – очень маленькая единица давления, как правило, давление выражается в килопаскалях кПа (1000 паскалей) или мегапаскалях МПа (1000000 паскалей).

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

На Рис. 2.5 показано соотношение избыточного, атмосферного и абсолютного давления. Атмосферное давление зависит от погоды. Эта зависимость показана пунктирными линиями на Рис2.5. По ртутному манометру давление в условиях стандартной атмосферы составляет 759,97 мм ртутного столба или 101,325 кПа на уровне моря. Следует отметить, что атмосферное давление уменьшается с увеличением высоты. В Та блице 2.4 показано атмосферное давление в зависимости от высоты в условиях стандартной атмосферы.

Рис. 2.5: Избыточное, абсолютное и атмосферное давление

Измерение избыточного давления является наиболее распространенным методом определения давления в трубопроводе и может выполняться с помощью простейших манометров. Оно используется для мониторинга технологического процесса и подтверждения возможности безопасной эксплуатации работающих под давлением частей расходомера в рабочем диапазоне. Для получения абсолютного давления атмосферное давление суммируется с избыточным. Абсолютное давление необходимо для расчета плотности газов. Нормальное атмосферное давление для заданной высоты, как правило, достаточно близко к абсолютному.

Вместе с тем, в случае с потоками низкого давления в воздухе горения в котле и аналогичных процессах, для наиболее точного расчета плотности воздуха необходимо учитывать локальное барометрическое давление. Еще один метод исключить влияние изменений в барометрическом давлении – это использовать датчик или преобразователь абсолютного давления.

Для измерения расхода давление в трубопроводе обычно измеряется на стороне высокого давления расходомера на расстоянии от ½ до 1 диаметра трубы. Для этого используется отвод с привариваемой к стенке трубы запорной арматурой

и просверленным отверстием. Диаметр отверстия должен составлять от 3,2 мм до 6,4 мм. Внутренние заусенцы после сверления должны быть удалены, однако кромка отверстия не должна иметь круглую или скошенную форму, поскольку это приведет к погрешности в диапазоне от -0,3 до +1,1% от динамического давления.

Таблица 2.4: Барометрическое давление в зависимости от высоты вусловиях стандартной атмосферы

Высота над уровнем моря Давление

м атм кПа

0 1,00 101,33

100 0,988 100,13

200 0,977 98,95

300 0,965 97,77

400 0,953 96,61

500 0,942 95,46

600 0,931 94,32

700 0,920 93,19

800 0,909 92,08

900 0,898 90,97

1000 0,887 89,87

1200 0,866 87,72

1400 0,845 85,60

1600 0,824 83,52

1800 0,804 81,49

2000 0,785 79,50

2500 0,737 74,68

3000 0,692 70,11

3500 0,649 65,76

4000 0,608 61,64

4500 0,570 57,73

5000 0,533 54,02

5500 0,498 50,51

6000 0,466 47,18

6500 0,435 44,03

7000 0,405 41,06

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.2.6 Температура

Температура среды – это мера молекулярной энергии, необходимая для получения нескольких значений в уравнении расхода по перепаду давления. В основе промышленных методов измерения температуры T лежат вещества, изменяющие электрическое сопротивление при изменении температуры. В качестве примера можно привести термопреобразователи сопротивления (ТС) или термопары, создающие напряжение на стыке разнородных металлов. Существуют и другие методы, основанные на измерении скорости частиц, тепловом излучении или кинетической энергии, в которых внутренняя энергия вещества возбуждает датчики, считывающие этот уровень энергии.

Измерения, как правило, выполняются по шкале Цельсия или Фаренгейта, изначально предназначенной для измерения температурного диапазона Земли. Вместе с тем, для решения большинства проблем проектирования расходомеров необходима абсолютная температурная шкала. Абсолютная температура – это величина, отсчитываемая от абсолютного нуля или от точки, в которой прекращается любое молекулярное движение.

По шкале Цельсия точка замерзания чистой воды в условиях стандартной атмосферы составляет 0 °C, точка кипения – 100°C.

Перевод единиц измерения из одной шкалы в другую, как правило, необходим и выполняется следующим образом:

°F = °C × 1,8 + 32

°C = (°F - 32) / 1,8

Абсолютная шкала была разработана в XIX веке. Британский физик Уильям Томпсон (позже известный как лорд Кельвин) разработал шкалу Кельвина и определил значение 273,16 К (т.е. кельвины без градуса или символа) как тройную точку воды, также равную +0,01 °С. Для проведения термодинамических расчетов по шкале Фаренгейта необходима аналогичная абсолютная шкала Ранкина. Температура замерзания воды при 273,15 К равна 491,67 °R. Перевод единиц измерения между абсолютными шкалами выглядит следующим образом:

°R = K × 1,8

K = °R / 1,8

K = °C + 273,15

°R = °F + 459,67

Абсолютная температура используется в расчете плотности газа и других термодинамических свойств, таких как сжимаемость. Если в расчетах наблюдается изменение температуры, например, тепловое расширение твердых тел, обычно используются °F или °C.

2.2.7 Законы идеальных и реальных газов

Различие между поведением газов и поведением жидкостей заключается в наличии большего расстояния между молекулами газа, что позволяет инерции движущихся частиц передавать энергию друг другу и окружающей среде. В следствие этого, давление газа обратно пропорционально разделению молекул, а для определенного количества газа давление обратно пропорционально объему. Этот закон был открыт Робертом Бойлем в 1662 году и выражен следующим образом:

Спустя около 100 лет Жак Шарль, известный своими первыми экспериментами с газовым баллоном, выдвинул основанную на наблюдениях теорию, о том, что для определенного количества газа при постоянном давлении, объем прямо пропорционален температуре газа, или:

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Где:

m=nM

Где:

Число Авогадро, которое составляет

2.2.7.1 Моль и число Авогадро

Для нахождения связи между объемом, давлением, температурой и массой газа необходимо было еще одно открытие о свойствах газа. Это открытие было сделано итальянским физиком Амедео Авогадро в 1811 году. Он обнаружил, что для любого газа заданная масса этого газа, равная его молекулярному весу, будет занимать один и тот же объем при одинаковом давлении и температуре. (Примечание: Молекулярный вес – это пережиток прошлого, когда вес использовался для определения массы. Правильным термином является молекулярная масса, однако используются оба термина.) Благодаря этому открытию была разработана концепция о существовании одинакового числа молекул или атомов в количестве газа, вне зависимости от того, какой это газ. Количество газа позже стало называться молем. Объем, занимаемый 1 молем газа в нормальных условиях (НУ), т.е. при температуре 0 °C и давлении 101,325 кПа, составляет 22,414 литра (л), что также называется молярным объемом, показанным на Рис. 2.6. Масса газа на моль равна молекулярной массе и называется молярной массой газа в граммах (г). Важно помнить, что многие из обычных газов имеют молекулы, состоящие из двух атомов, называемые двухатомными молекулами. Молекулярная масса водорода, азота, фтора, кислорода, йода и хлора в два раза превышает атомную массу.

Рис. 2.6: В нормальных условиях моль любого газа занимает одинаковый объем.

Молярная масса – это отношение массы газа в заданных единицах измерения, совпадающая с молекулярной массой газа, к газу равного объема с молекулярной массой, равной единице. Это отношение остается неизменным для разных единиц измерения массы, однако число молей в единице массы изменяется. Моль воздуха содержит 28,96247 г/моль, однако число молей n в фунтах массы воздуха равно:

Моль выражается через граммы, следовательно, при использовании молей для других единиц измерения массы, отличных от граммов, необходима конвертация.

Объем моля в нормальных условиях составляет 22,414 литров. Для любого количества газа в молях объем равен:

, или ,

Молярный объем, л / моль

Объем газа, л

Дальнейшие исследования газов позволили определить число частиц или молекул в моли газа. Число молекул в заданном количестве любого газа составляет:

Заданная масса газа соотносится с числом молей следующим образом:

Количество молей Масса количества газа, г Молярная масса, г/моль

частиц

Число частиц или молекул

частиц

6,02214076 x 1023 молекул / моль.

2.2.7.2 Уравнение состояния

Объем любого идеального газа теперь можно определить, зная число молей, давление и температуру:

где значение Vmc называется универсальной газовой постояннойR. Объем газа тогда определяется следующим образом:

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Где:

Тогда уравнение состояния для плотности реального газа выглядит следующим образом:

Это уравнение называется уравнением состояния. Значение универсальной газовой постоянной R зависит от единиц измерения P, V и T и рассчитывается по следующей формуле:

Расчет выполняется при нормальных условиях, поскольку все значения в этих условиях известны. Для единиц измерения системы СИ – Па, м

, кг и Кельвинов значение R составляет:

Обратите внимание, что плотность – это масса на единицу объема, поэтому она рассчитывается как:

Теперь рассчитаем плотность идеального газа.

В единицах системы СИ:

Эти простые уравнения позволяют рассчитать плотность газа, зная удельный вес, давление и температуру газа.

2.2.7.3 Сжимаемость газа

Что необходимо для получения реального газа? Поскольку молекулы газа не являются точечными массами и имеют разные формы и размеры, взаимодействие между молекулами лишь частично обусловлено кинетикой. Молекулярные силы и влияние этих двух форм передачи энергии приводят к отклонению в соотношении давления, температуры и объема. В результате, при повышении давления и понижении температуры уравнение состояния для газов является аппроксимацией. Для получения уравнения состояния реального газа в закон идеального газа необходимо внести корректировки. Для реального газа уравнение состояния преобразуется следующим образом:

Коэффициент сжимаемости

Коэффициент сжимаемости представляет собой безразмерное число, определяемое типом газа и изменяющееся в зависимости от давления и температуры. Коэффициент сжимаемости идеального газа равен единице. Значение коэффициента сжимаемости указывает на степень отклонения газа от идеального состояния. Например, отклонение плотности газа с коэффициентом сжимаемости 0,98 в заданных условиях составит 2% от идеального состояния в этих условиях. Вместе с тем, во многих измерениях расхода с номинальными значениями давления меньше 2 000 кПа и температуры выше 15 °C фактором сжимаемости можно пренебречь. Во многих исследованиях чистых веществ (т.е., измеряемых сред, которые состоят из частиц одинакового типа) были получены данные, обеспечивающие значение сжимаемости при заданных значениях давления и температуры. Значения P, V, и T можно нанести на трехмерный график, называемый фазовой диаграммой давления — объема — температуры. НаРис.2.7 показана фазовая диаграмма давления — объема — температуры воды.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Давление

Температура

Объем

Лед - пар

Тройная линия

Жидкость-

пар

Жидкость

Лед

Газ

Критическая точка

Пар

Давление

Рис. 2.7: Фазовая диаграмма давления — объема — температуры воды

Полученные данные о газах обеспечили понимание свойства сжимаемости газа, которое можно спрогнозировать для любого газа при наличии известных значений критического давления P и критической температуры T

. Данное понимание было

выражено в законе соответственных состояний, открытом голландским физиком-теоретиком Йоханнесом Дидерик Ван дер Ваальсом в 1873 году. На Рис. 2.8 показан двухмерный график осей давления и температуры из фазовой диаграммы давления — объема — температуры. Используя область газовой фазы под критической точкой и зная критическую точку измеряемой среды можно предсказать сжимаемость. На Рис.2.9 показан график коэффициента сжимаемости для разных типов газа взависимости от приведенного давления (P

= P/Pc)

иприведенной температуры (Tr = T/Tc), показанной прямыми. При одинаковых приведенных значениях давления итемпературы разные газы имеют одинаковую сжимаемость. Для расчета сжимаемости и плотности различных типов газа эти графики использовались в подборе наилучшей аппроксимирующей функции для уравнений, заданных ввычислителе расхода. ВТаблице 2.5 показаны критические давление и температура различных распространенных газов, используемых для контроля технологического процесса.

Рис. 2.8: Фазовая диаграмма давления — температуры вещества с указанием критической точки

Твердая фаза

Критическое

давление

кр

Тройная точка

тт

Жидкая

фаза

тт

Температура

Сжимаемая

жидкость

Пар

Сверхкритическая

жидкость

Критическая

точка

Критическая температура

кр

Хотя на Рис. 2.9 показана вода в газообразном состоянии (т.е. пар), истинная плотность пара была определена в начале XIX века. Для широкого применения паровых двигателей и турбин в автомобилях и электрических генераторах необходимо было

понимать свойства пара. К началу 1930-х годов таблицы свойств водяного пара широко использовались для определения плотности и вязкости насыщенного и перегретого пара в широком диапазоне давлений и температур.

2.2.8 Газовые смеси

Газы промышленных процессов зачастую представляют собой смесь двух или более чистых газов. Природный газ – основной тому пример. Природный газ поступает из скважины и имеет в составе несколько газовых компонентов. В процессе подготовки разные источники газа смешиваются, а конечный продукт – газовая смесь подлежит анализу для определения количества каждого содержащегося в ней газа. Для точного измерения газовой смеси необходимо знать ее истинную плотность. Для определения теплосодержания газа также необходимо знать пропорции каждого компонента смеси. К счастью, для этого существует широко распространенный инструмент – газовой хроматограф. Современные версии этого инструмента объединяют в себе газовый хроматограф и квадрупольную масс-спектометрию, обеспечивающие более полный и точный анализ газовых проб.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Таблица 2.5: Критические свойства некоторых газов

Газ

Критическая

температура, °C

Критическое

давление, бар

Воздух -140,52 37,858

Аммиак 132,4 112,8

Аргон -122 48,7

Бутан 152 38

Углекислый газ 31,2 73,8

Угарный газ -140,3 35

Хлор 144 77,1

Декан 345 20,8

Этан 32,2 48,9

Этанол 242 63

Этиловый эфир 194 36

Этилен 9,4 50,7

Фтор -129 55,8

Гелий -271 2,3

Гексан 234,5 30,2

Водород -240 13

Хлористый водород 51,6 82,7

Изобутан 135 36,5

Изобутилен 145 40

Изононан 310 23,1

Изопентан 187,8 32,9

Метан -82,6 46,5

Азот -147 34

Закись азота 36,4 72,3

Кислород -118,6 50,5

Пентан 196,7 33,2

Пропан 96,7 42,6

Вода 374 220,5

При анализе газовой смеси составляется список газов и объемных (мольных) долей. Поскольку опробование проводится при низком давлении и комнатной температуре, сжимаемость, как правило, не требуется, а уравнение аналогично смесям жидкостей:

В Таблице 2.6 показан стандартный анализ природного газа с мольными или объемными долями для 11 газовых компонентов. Используя уравнение выше, получаем удельный вес этого природного газа, равный 0,5620.

Рис. 2.9: Закон соответствующих состояний позволяет получить значения коэффициента сжимаемости z, зная приведенное давление итемпературу.

1,0

0,9

0,8

0,7

0,6

0,5

Z = ––––

0,4

0,3

0,2

0,1

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

= 2,00

1,50

1,30

1,20

1,10

1,00

Пониженное давление (Pr)

Метан Этилен Этан Пропан н-Бутан Изопентан н-Гептан Азот Углекислый газ Вода

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Таблица 2.6: Пример компонентов природного газа

Газовый компонент

Метан 93,19 0,554 0,5163

Этан 4,5 1,038 0,0467

Пропан 0,50 1,522 0,0076

Изобутан 0,03 1,940 0,0006

Бутан 0,03 2,006 0,0006

Изопентан 0,01 2,480 0,0002

Пентан 0,01 2,487 0,0002

Гексаны 0,01 2,973 0,0003

Азот 1,20 0,967 0,0116

Углекислый газ 0,50 1,519 0,0076

Кислород 0,02 1,104 0,0002

Мольная

доля, X

, %

Удельный

вес, G

i Gi

2.2.8.1 Сжимаемость газовой смеси

Теперь, когда удельный вес газовой смеси можно рассчитать, для получения точной плотности необходимо знать сжимаемость смеси. Для расчета коэффициента сжимаемости или фактической плотности реального газа было разработано много методов. В газовой промышленности публикуются стандарты или отчеты со все более точными методами расчета сжимаемости природного газа. В 1962 году Американская газовая ассоциация (AGA) опубликовала отчет NX-19 с описанием метода расчета сжимаемости стандартных типов природного газа. Этот метод ограничивался определенными концентрациями незначительных газовых примесей. Необходимость повышения точности расчетов для большего количества видов природного газа привела к появлению нового метода расчета сжимаемости, который был опубликован в Отчете AGA №8 в 1985 году. Обновленная версия этого отчета была выпущена в 1992 году. Самые последние версии этого стандарта позволяют определить широкий диапазон газовых компонентов, а в некоторых смесях вплоть до 100%, что подразумевает возможность расчета сжимаемости чистых газов, таких как метан, азот, углекислый газ, этан и водород.

Сложность уравнений сжимаемости обуславливает потребность в цифровых вычислительных системах. Вместе с тем, в этой главе приводится простой метод расчета. Сжимаемость можно с

точностью определить по композитным приведенным давлению и температуре смеси, используя диаграмму на Рис. 2.8. Точное приближение этих значений определяется по методу Вебстера Б. Кэя, разработанному в 1936 году. В то время Кэй работал в компании Standard Oil и нуждался в методе приближения плотности газовых смесей. Позже этот метод был назван «правилом Кэя» и выражен следующим образом:

c-смеси

Для критической температуры газовой смеси и

c-смеси

Для критического давления смеси, состоящей из n газообразных компонентов.

Где:

Объем или мольная доля i-того газа

Критическая температура i-того газа, (К)

Критическое давление i-того газа, (кПа)

В последствии, эти значения использовались для получения приведенных давления и температуры газовой смеси с определением сжимаемости по закону соответственных состояний.

Например:

Рассчитаем сжимаемость и плотность природного газа.

Используя информацию в Таблице 2.6, рассчитаем коэффициент сжимаемости заданного газа с абсолютным давлением 3447 кПа и температурой 21 °C по правилу Кэя.

На основании критических значений каждого газа в Таблице 2.5 в Таблице 2.7 показаны критические значения смеси природного газа. Критическое давление природного газа составляет 4649кПа, критическая температура – 196,7 К. Приведенное давление тогда составит 3447 кПа/4649 кПа = 0,74, приведенная температура – (38,9 К + 255,5 К)/196,7 К = 1,5. Используя график в Таблице 2.8, получаем значение сжимаемости z = 0,93.

Рассчитаем плотность природного газа по значениям удельного веса и сжимаемости в этом примере.

Используем уравнение в Разделе 2.2.7.2 для единиц системы СИ сучетом коэффициента сжимаемости:

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.2.9 Влажность

Влажность – это величина водяного пара в воздухе при атмосферном давлении, влияющая на расчетные показания расходомеров воздуха. Уровень влажности влияет на плотность воздуха, а количество водяного пара в воздухе зависит от температуры. Влажный воздух – это смесь газов. Уравнение расчета удельного веса G следующим образом:

Парциальное давление водяного пара – это давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали. При известной относительной влажности парциальное давление водяного пара рассчитывается следующим образом:

влажного воздуха выражается

влажный

• Сv — определяет изменение энергии при постоянном объеме;

• Сp — определяет изменение энергии при постоянном давлении, что обеспечивает более простой метод расчета изменения энергии в системе.

Примечание: Показанные здесь выводы предполагают постоянность значений теплоемкости, выраженных более простым символом ∆, а не дифференциальным символом, необходимым для общего вида.

Соотношение изменения внутренней энергии вещества ∆u с учетом изменения температуры позволяет определить первый вид теплоемкости C

, т.е. изменения энергии определенной

системы на единицу массы на градус температуры при постоянном объеме:

Второй вид теплоемкости определяет изменение общей энергии вещества (т.е. энтальпию) в определенной системе на единицу массы на градус температуры при постоянном давлении c ивыражается в тех же единицах измерения, что и c

Давление насыщенного пара показано в таблицах свойств водяного пара в Главе 6 при рабочем давлении в системе. Более подробная информация о влажных потоках воздуха с примерами показана в Главе 4.

2.2.10 Удельная теплоемкость газа и показатель адиабаты

Удельная теплоемкость вещества определяется количеством энергии, поглощаемой молекулами измеряемой среды на градус температуры или единицу давления. Существует два вида удельной теплоемкости:

Где:

Изменение энтальпии системы, то есть изменение внутренней энергии и работы давления, или,

Удельная теплоемкость чистого вещества при постоянном давлении, (Дж / кг К)

Эти концепции могут показаться абстрактными, однако они имеют принципиальное значение при использовании принципа сохранения энергии для прогнозирования значений давления и плотности, когда газ проходит через первичный элемент расходомера по перепаду давления или вокруг него. Интересно,

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Таблица 2.7: Сжимаемость природного газа по Правилу Кэя

Газовый компонент Xi - % Pc , МПа Tc , К Xi x Pc , кПа Xi x Tc, К

Метан 93,19 4,64 190,56 4325,77 177,55

Этан 4,50 4,88 305,56 220 13,77

Пропан 0,50 4,25 370,06 21,37 1,83

Изобутан 0,03 3,64 407,78 1,38 0,11

Бутан 0,03 3,79 425,33 1,38 0,11

Изопентан 0,01 2,55 461,11 0,0 0,05

Пентан 0,01 3,35 470 0,0 0,05

Гексан 0,01 3,02 507,83 0,0 0,05

Азот 1,20 3,39 126,33 40,68 1,5

Двуокись углерода 0,50 7,38 304,33 37,23 1,5

Кислород 0,02 5,04 154,72 0,69 0,05

-mix = 4649,0 кПа

-mix = 196,7

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Таблица 2.8: Удельная теплоемкость Cp и Cv различных газов при температуре 20 °C и давлении 101,325 кПа

Газ или пар Формула Cp, кДж/(кг · К) Cv, кДж/(кг · К) K=Cp/C

Ацетон (CH3)2CO 1,47 1,32 1,11 Ацетилен C

2H2

1,69 1,37 1,232 Воздух – 1,01 0,72 1,4 Спирт (этиловый) C Спирт (метиловый) CH Аммиак NH

OH 1,88 1,67 1,13

2H5

OH 1,93 1,53 1,26

2,19 1,66 1,31 Аргон Ar 0,52 0,31 1,667 Бензол C

6H6

1,09 0,99 1,12 Доменный газ – 1,03 0,73 1,41 Бром Br Лигроин C Углекислый газ CO

4H10

0,25 0,20 1,28

1,67 1,53 1,094

0,84 0,66 1,289 Угарный газ CO 1,02 0,72 1,4 Сероуглерод CS Хлор Cl Хлороформ CHCl

0,67 0,55 1,21

0,48 0,36 1,34

0,63 0,55 1,15 Угольный газ – 2,14 1,59 – Этан C Простой эфир (C Этилен C

2H6

O 2,01 1,95 1,03

2H5)2

2H4

1,75 1,48 1,187

1,53 1,23 1,24 Гелий He 5,19 3,12 1,667 Гексан C Водород H

6H14

0,00 0,00 1,06

14,32 10,16 1,405 Хлористый водород HCl 0,80 0,57 1,41 Сероводород H Метан CH

S 0,00 0,00 1,32

2,22 1,70 1,304 Природный газ – 2,34 1,85 1,27 Неон Ne 1,03 0,62 1,667 Окись азота NO 1,00 0,72 1,386 Азот N Окись азота N Кислород O Пентан C Пропан C Пропилен C Пар 1 бар, 104 - 316 °C H Пар 10 бар, 182 - 216 °C H Двуокись серы SO

O 0,88 0,69 1,27

5H12

3H8

3H6

O 1,97 1,50 1,31

O 2,26 1,76 1,28

1,04 0,74 1,4

0,92 0,66 1,395

0,00 0,00 1,07

1,67 1,48 1,13

1,50 1,31 1,15

0,64 0,51 1,29

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Ограни плас

(2D,

γ Измерение

что на моль идеального газа разница в двух видах удельной теплоемкости на моль равна универсальной газовой постоянной:

Следовательно, после определения одного из значений удельной теплоемкости, второе можно рассчитать. Удельная теплоемкость многих чистых веществ была измерена, некоторые значения показаны в Таблице 2.8. Следует, тем не менее, отметить, что для изоэнтропийного процесса (т.е. обратимого без добавления теплоты) верно:

Где:

µ Абсолютная вязкость,

сек

Напряжение сдвига жидкости или сила, необходимая для перемещения жидкости по поверхности на единицу площади.

Изменение скорости или деформации между стенкой или поверхностью и скоростью набегающего потока на единицу длины

м сек

или Па сек

Это соотношение показано на Рис. 2.10. В качестве единиц измерения вязкости используется деформационное напряжение, которое переводится в единицы измерения силы инерции. Благодаря этому, единицы измерения вязкос ти в уравнении числа Рейнольдса соответствуют единицам измерения динамической силы, что делает число Рейнольдса безразмерным. Для этого сила внутреннего трения умножается на постоянную преобразования силы инерции g

, чтобы получить

вязкость инертной массы:

Это называется «показателем адиабаты» или «отношением удельных теплоемкостей». Эта концепция может использоваться для прогнозирования величины изменения давления на выходном отборе первичного элемента расходомера по перепаду давления из-за расширения идеального газа. Она также позволяет охарактеризовать это изменение для разных типов первичных элементов расходомеров реального газа.

2.2.11 Вязкость

Абсолютная вязкость определяет сопротивление измеряемой среды перемещению или потоку. Показатель вязкости отображает величину реагирования молекул измеряемой среды на напряжение при сдвиге или растяжении. Другими словами, вязкость измеряемой среды характеризует внутреннее трение, возникающее при попытке сдвижения слоев измеряемой среды относительно друг друга. Чем больше вязкость, тем больше трение. Абсолютная вязкость выражается следующим образом:

Рис. 2.10: Вязкость определяет сопротивление измеряемой среды перемещению или потоку.

чительная

тина

подвижная)

Жидкость

Ограничительнаяпластина (2D, стационарная)

Скорость, υ

Напряжение сдвига, 

Градиент,

δυ δγ

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Поскольку вода является эталонной жидкостью, ее вязкость уже известна. Вязкость воды при температуре 20 °C составляет 10,019кг/(м∙сек).

Наиболее часто используемыми единицами измерения вязкости является пуаз (П), г/(см∙сек), сантипуаз (сП) или 100пуаз, равные 100 г/(см∙сек). Вязкость воды при температуре 20°C составляет 1 сП. Поскольку значение вязкости эталонного вещества при эталонной температуре равно 1, сантипуаз является наиболее распространенной единицей вязкости как для условного обозначения единиц измерения, так и для перевода единиц измерения (сантипуаз в другие единицы) в уравнениях с вязкостью (т.е. число Рейнольдса). Значение вязкости уменьшается с повышением температуры воды. В Таблице 2.9 показана вязкость воды при температуре от 0,56 °C до 98,89 °C.

Таблица 2.9: Вязкость воды в зависимости от температуры

Температура Вязкость

°C Динамическая, сП Кинематическая, сСт

0,56 1,717 1,717

1,67 1,658 1,658

4,44 1,522 1,522

7,22 1,403 1,403

10,00 1,296 1,297

12,78 1,202 1,203

15,56 1,117 1,119

18,33 1,042 1,043

20,00 1,000 1,002

21,11 0,974 0,976

23,89 0,912 0,915

26,67 0,856 0,859

29,44 0,806 0,809

32,22 0,760 0,764

37,78 0,679 0,684

43,33 0,612 0,617

48,89 0,554 0,561

54,44 0,505 0,513

60,00 0,463 0,471

65,56 0,426 0,435

71,11 0,394 0,403

76,67 0,366 0,376

82,22 0,342 0,351

87,78 0,320 0,329

93,33 0,300 0,309

98,89 0,283 0,291

Еще одной единицей измерения вязкости является кинематическая вязкость v, вычисляемая по динамической вязкости следующим образом:

Наиболее распространенная единица измерения кинематической вязкости – стокс (Ст) или сантистокс (сСт), соотносящийся с пуазом следующим образом:

Плотность воды с комнатной температурой равна 1 г/см3, поэтому абсолютная и динамическая вязкость практически одинаковы.

Для определения вязкости измеряемой среды может использоваться вискозиметр, измеряющий время протекания заданного объема жидкости через капилляр или отверстие в воронке. В простейшем вискозиметре для определения вязкости жидкости используются две емкости для входящего и выходящего объема жидкости с установленной между ними капиллярной трубкой. Точный объем жидкости проходит через капилляр, время протекания этого объема регистрируется. Этот тип вискозиметра обычно используется для определения кинематической вязкости жидкости. На Рис. 2.11 показан стеклянный капиллярный вискозиметр Оствальда. Поскольку температура имеет прямое влияние на вязкость, то в процессе использования прибор обычно погружается в ванну с контролем температуры.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

Напря-

Рис. 2.11: Капиллярный вискозиметр Оствальда

Любая реальная измеряемая среда имеет вязкость, которая изменяется, главным образом, с температурой. По этой причине вязкость жидкости обычно отстраивается в зависимости от температуры, а уравнения для расчета вязкости составляются после определения температуры. С ростом температуры вязкость жидкости уменьшается, а вязкость газа – увеличивается.

На Рис. 2.12 показан график для различных типов измеряемых сред, основанный на этом явлении. Измеряемые среды, вязкость которых постоянна и не зависит от соотношения напряжения/сдвига, показаны на графике прямой и называются ньютоновскими жидкостями. Наклон кривой на графике – это вязкость измеряемой среды. Измеряемые среды с другим соотношением называются неньютоновскими жидкостями. Вязкость тиксотропной жидкости (например, кетчупа, растворов лавовых полимеров и расплавленных полимеров) уменьшается при увеличении напряжения сдвига. Взвеси (например, кукурузный крахмал в воде) относятся к триксотропным жидкостям (вязкость которых увеличивается с увеличением напряжения сдвига). Бингамовские пластики не начинают течь до тех пор, пока не будет превышено критическое напряжение (например, зубная пуста). Расходомеры по перепаду давления больше всего подходят для измерения ньютоновских жидкостей, поскольку их вязкость постоянна во всем диапазоне расхода иможет быть легко определена.

Рис. 2.12: Классификация измеряемых сред по вязкости

жение

двига

(МПа)

Бингамовский

пластик

Зубная паста

Возрастание вязкости

Уменьшение вязкости

Кукурузный крахмал и вода

Ньютоновские

Вода, масло, бензин,

воздух, газы и т. д.

Латексная

краска

Скорость сдвига (1 / с)

2.3 Основная информация о расходе измеряемой среды

Расход – это единица измерения движущейся среды, в частности, в канале определенного типа. Измеряемой средой может быть жидкость, пар или газ. Поток в открытом канале – это течение жидкости в канале, канаве или русле реки. Поток в закрытом канале – это поток в трубопроводе, воздуховоде или водопропускной трубе. Расход может измеряться различными типами расходомеров. К некоторым типам использующихся насегодняшний день расходомеров относятся расходомеры поперепаду давления, турбинные, вихревые, электромагнитные, ультразвуковые, прямого объемного вытеснения, переменного сечения и кориолисовые. Многие из этих расходомеров измеряют скорость среды прямым (ультразвуковые, вихревые и электромагнитные) или косвенным методом (по перепаду давления, турбинные и переменного сечения). Расходомер объемного вытеснения измеряет объемный расход напрямую, захватывая часть измеряемой среды во вращающийся барабан иопределяя количество оборотов. Массовый расход обеспечивает самые базовые значения, поскольку на него невлияют изменения в состоянии измеряемой среды. Существует несколько расходомеров, напрямую измеряющих массовый расход. Кориолисовый является основным из них.

Для понимания измерений расхода необходимо понимать взаимосвязь между скоростью, объемным и массовым расходом.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

347 л

340 л

2.3.1 Скорость

В гидродинамике скорость

– это скорость движения частицы измеряемой среды относительно стационарной точки отсчета, например, трубопровода. Широко распространенными единицами измерения являются м/с. Для расчета расхода в трубопроводе по параметру скорости необходимо знать среднюю скорость в плоскости измерения

. При протекании реальной среды вокруг объекта или по трубопроводу, вя зкость измеряемой среды приводит к изменению скорости движения от центра к стенкам трубопровода. Сдвиг соседних частиц вязкой среды создает неоднородный профиль скорости потока в трубопроводе. При прохождении достаточно большого расстояния по прямой, скорость потока становится нулевой у стенок и максимальной у центральной оси трубопровода, где значения скорости симметричны. Это явление называется развитым потоком. Более подробная информация представлена в Главе 3.

2.3.2 Фактический объемный расход

Фактический объемный расход Q определяет объем измеряемой среды, который проходит определенный участок в условиях потока в трубопроводе. При измерении средней скорости втрубопроводе

объемный расход будет равен:

Широко распространенные единицы измерения фактического объемного расхода – л/мин и м

/ч. Более подробная информация

представлена в Главе 3.

Рис. 2.13: При изменении температуры объем изменяется, а масса остается неизменной.

+2%

4,4 °C 49 °C

45 кг 45 кг

2.3.4 Объёмный расход, приведённый кстандартным условиям

Объемный расход, приведённый к стандартным условиям, определяет объем измеряемой среды, который проходит заданное расстояние при нормальном или стандартном давлении и температуре. Объемный расход при стандартных условиях рассчитывается путем деления массового расхода на плотность среды в стандартных условиях, являющуюся постоянной величиной. Широко распространенные единицы измерения – стандартные м

/ч. При указании объемного расхода, приведённого к стандартным условиям, важно определить эти условия. В разных странах и отраслях промышленности могут использоваться разные стандарты, однако стандартные условия, как правило, указываются в листе технических данных расходомера. В Таблице 2.10 показаны условия, обычно используемые для контроля технологических процессов. Более подробная информация представлена вГлаве3.

2.3.3 Массовый расход

Массовый расход зависит от плотности измеряемой среды и объемного расхода. Широко распространенными единицами измерения являются кг/ч. Для заданного количества измеряемой среды масса остается неизменной, однако объем изменяется в зависимости от давления и температуры. См. Рис. 2.13. Измерение массового расхода рекомендуется для большинства измеряемых сред, а объемного расхода – для технологических процессов с ограниченным изменением свойств среды. Более подробная информация представлена в Главе 3.

Таблица 2.10: Условия для определения объема измеряемой среды

Определение/сфера применения

Нормальные условия 101,325 кПа 0 °C

Стандартные условия 101,325 кПа 20 °C

ГОСТ ISO 5024 – Стандартные условия для жидких нефтепродуктов игазов нефтяных сжиженных

Давление Температура

101,325 кПа 15 °C

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.4 Основные термины расходометрии по перепаду давления

В этом разделе представлены основные термины и параметры, применимые к расходомеру по перепаду давления. Более подробная информация показана в Главе 3, 7, и 9.

2.4.1 Комплектующие расходомера по перепаду

давления

Описание расходомера по перепаду давления представлено в

Главе 1. В простейшей комплектации расходомер по перепаду

давления состоит из измерительного преобразователя, измеряющего перепад давления на первичном элементе. Для подключения преобразователя к первичному элементу необходима своего рода система подключения. См.дополнительное описание комплектующих в Главе 1 иболее подробную информацию о различных конфигурациях расходомера в Главе 7, 8 и 9.

2.4.2 Перепад давления

Расходомер по перепаду давления определяет расход на основании перепада давления на участке между стороной высокого и низкого давления первичного элемента. Определение перепада давления представлено в Главе 1, теория изложена в

Главе 3.

2.4.3 Выбор размера расходомера по перепаду

давления

На первом этапе проектирования точки измерения расхода по перепаду давления необходимо выбрать ее размер. Изначально, выбор размера заключался в выборе диаметра отверстия измерительной диафрагмы (или ограничения проточной части трубопровода для других элементов измерения перепада давления) для создания определенного перепада давления при заданном расходе. С появлением цифрового преобразователя перепада давления выбор размера стал более гибким и может быть сделан путем регулировки выходного сигнала перепада давления при заданном расходе, вместо определения диаметра отверстия первичного элемента. Программы калибровки также могут использоваться для проверки соответствия выбранного первичного элемента необходимому диапазону и условиям эксплуатации. В некоторых программах также выполняется оценка ожидаемой погрешности измерения или общей производительности определенного расходомера. Более подробная информация показана в Главе 7 и 9.

2.4.4 Ограничение проточной части трубопровода расходомером по перепаду давления

Ограничение проточной части трубопровода – это внутреннее ограничение движения измеряемой среды расходомером по перепаду давления. Ограничение проточной части трубопровода является основным фактором, который необходимо учитывать при выборе расходомера, поскольку оно связано с величиной потери давления, создаваемой первичным элементом. Чем больше ограничение проточной части, тем выше перепад давления. Более высокое дифференциальное давление обеспечивает лучшее разрешение расхода и меньше подвержено действию турбулентности или шума в поле скорости потока. Следовательно, между потерей давления и точностью измерения расхода можно найти компромисс. Как правило, чем больше потеря давления, тем выше точность. Вместе с тем, поскольку потеря давления напрямую связана с потерей энергии и более высокой стоимостью откачки, эксплуатационные затраты снижаются, благодаря выбору первичных элементов с меньшим ограничением проточной части трубопровода. На

Рис. 2.14 показана разница в перепаде давления, создаваемым

измерительной диафрагмой в стандартном потоке воды, в зависимости от относительного диаметра отверстия сужающего устройства.

Рис. 2.14: Число Рейнольдса в сравнении с перепадом давления, создаваемым концентрической измерительной диафрагмой cDN150 в потоке воды, в зависимости от относительного диаметра отверстия сужающего устройства.

300

250

200

150

100

Перепад давления, кПа

Бета = 0,20

Бета = 0,50

Бета = 0,60

100000 200000 300000 400000

Число Рейнольдса

В случае измерительной диафрагмы ограничение проточной части трубопровода выражается относительным диаметром отверстия сужающего устройства b. Этот относительный диаметр определяется соотношением диаметра отверстия сужающего устройства d к внутреннему диаметру трубопровода D, как это показано на Рис. 2.15.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

от

Рис. 2.15: Относительный диаметр отверстия сужающего устройства

ββ= d/D

Уравнение

носительного

диаметра

Относительный диаметр отверстия сужающего устройства используется при выводе уравнения расхода для первичного элемента, изменяющего площадь сечения трубопровода для создания перепада давления в Главе 3. Для других технологий первичного элемента, например, клиновидного или конусного расходомера, также существует возможность определить ограничение проточной части трубопровода, которое иногда связано с эквивалентным диаметром круглого отверстия

и эквивалентным относительным диаметром отверстия

экв

сужающего устройства b первичных элементов показано в Главе 7.

Для осредняющей трубки Пито также существует функция ограничения проточной части трубопровода, однако его влияние значительно меньше, чем у измерительной диафрагмы. Ограничение проточной части трубопровода представлено в виде площади проекции цилиндра осредняющей трубки Пито, деленной на площадь трубопровода:

B = s (трубки) / S (трубопровода)

На рис. 2.16 показано, что площадь трубки

и площадь трубы составляет:

для круглой трубы составляет:

Где:

B Ограничение

d Ширина трубки или датчика

D Диаметр трубопровода

Рис. 2.16: Ограничение проточной части трубопровода для осредняющей трубки Пито

Меньшее

соотношение

. Это соотношение для различных

экв

поэтому ограничение, В

Большее

соотношение

Ограничение проточной части трубопровода – это геометрическая форма, используемая для прогнозирования коэффициента расхода при заданном размере осредняющей трубки Пито и трубопровода. На Рис. 2.17 показан график зависимости коэффициента расхода от ограничения проточной части трубопровода для обычной осредняющей трубки Пито. Более подробная информация представлена в Главе7.

Рис. 2.17: Коэффициент расхода в зависимости от ограничения проточной части трубопровода

2.4.5 Коэффициент истечения

Коэффициент истечения C соотносит истинный расход реальных измеряемых сред с теоретическим, рассчитанным в теоретических уравнениях расхода по перепаду давления для идеальной измеряемой среды, и используется в уравнении расхода для первичного элемента, изменяющего площадь сечения трубопровода для создания перепада давления. Коэффициент истечения всегда меньше единицы и учитывает влияние вязкости на расходомер. Более подробная информация представлена в Главе 3.

2.4.6 Коэффициент расхода

Коэффициент расхода K подобен коэффициенту истечения для первичного элемента, изменяющего площадь сечения трубопровода, тем, что он соотносит истинный расход с теоретическим, всегда меньше единицы и используется в уравнении расхода трубок Пито и осредняющих трубок Пито. Коэффициент расхода учитывает влияние вязкости и ограничения проточной части трубопровода, создаваемого осредняющей трубкой Пито в трубопроводе. Более подробная информация показана в Главе 3 и 7.

Измеряемые среды и расход – Основные термины и понятия

2.4.7 Динамический диапазон измерений расхода по перепаду давления

Динамический диапазон измерения расхода определяется соотношением максимального значения расхода к минимальному. Этот термин используется для описания необходимого диапазона измерений расхода. Динамический диапазон измерения расхода также используется производителями расходомеров для описания возможностей измерения своих устройств и применимого диапазона технических характеристик расходомера. В данном случае, максимальным расходом обычно является наивысшее значение расхода, которое может измерить расходомер.

Перепад давления при максимальном расходе, деленный на перепад давления при минимальном расходе, называется динамическим диапазоном измерения перепада давления. Динамический диапазон измерения перепада давления отличается от динамического диапазона измерения расхода. Более подробная информация показана в Главе 7 и 8.

2.4.8 Погрешность измерения

Погрешность измерения расходомера определяется близостью измеренного значения к допустимому или истинному. Как правило, погрешность измерения выражается либо в процентах от диапазона измерения, либо в процентах от диапазона расхода. Если расход рассчитывается по отдельным измерениям, как в случае с расходомером по перепаду давления, погрешность измерения рассчитанного значения зависит от чувствительности расходомера к измеренным переменным в уравнении расхода по перепаду давления. По чувствительности определяется влияние изменения переменной на общее измерение. Более подробная информация о погрешности измерения и чувствительности представлена в Главе 7.

2.5 Применяемые стандарты

Ниже показаны некоторые опубликованные стандарты:

1. ISO 6976:2016 Газ природный. Вычисление теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава

2. ISO 12213:2006 Газ природный. Расчет коэффициента сжатия

3. ISO 15970:2008 Газ природный. Измерение свойств. Объемные свойства: плотность, давление, температура и коэффициент сжатия

4. О тчет AGA №8: Часть 1. Термодинамические свойства природного и сопутствующего газа. Детальное и общее уравнение состояния, 2017 г.

5. ITS-90 Плотность сос тава воды для калибровки объемных стандартов, Журнал исследований Национального института стандартов и технологий, том 97, номер 3, май-июнь 1992 г.

6. ASME Таблицы свойств водяного пара. Компактное издание, 2006

Теория расходометрии по перепаду давления

Раздел Страница

3.1 Введение 38

3.2 Энергия измеряемой среды в движении 38

3.3 Особые формы уравнения энергии измеряемой среды 40

3.4 Уравнение энергии для расходомера по перепаду давления 41

3.5 Теоретическое и истинное уравнение расхода измеряемой среды 43

3.6 Практические уравнения расхода по перепаду давления 44

3.7 Число Рейнольдса и профиль скорости потока 47

3.8 Развитое и неразвитое течение 51

3.9 Поток сжимаемой среды 52

3.10 Применяемые стандарты 56

3.11 Дополнительная информация 56

Теория расходометрии по перепаду давления

Где:

инерционной силы, 1 кг м / (Н сек2)

Когда единицы объединены, они равны: Дж / кг или энергия на единицу массы.

3.1 Введение

Расходомер по перепаду давления разработан на основании фундаментальных законов физики. В начале этой главы изложены основные теории, описанные в Главе 1, с выводом уравнений для расчета расхода для двух типов расходомеров по перепаду давления. В эти уравнения вносятся изменения и ограничения с учетом поправок на вязкость реальной измеряемой среды и сжимаемость газа. Несмотря на сложность математических вычислений, лежащих в основе измерения расхода по перепаду давления, программы калибровки и современная электроника могут с легкостью их обработать.

3.2 Энергия измеряемой среды в движении

Исследование измеряемых сред в движении – это сложная задача, общее решение которой найти весьма затруднительно. Основная причина этого заключается, главным образом, в большом количестве взаимозависимых переменных, которые необходимо определить в трех измерениях. Энергию потока среды можно вычислить при помощи системы сложных уравнений с большим количеством переменных. Вместе с тем, существует возможность упростить расчет энергии потока в трубопроводе, используя два допущения. Во-первых, поток в трубопроводе – задача одномерная, поскольку измеряемая среда должна перемещаться по оси трубопровода. Во-вторых, влиянием вязкости измеряемой среды можно пренебречь. Используя эти допущения можно свести изначально сложную систему уравнений к простой модели потока измеряемой среды. Теория расходометрии по перепаду давления основана на законе сохранения энергии. В соответствии с этим фундаментальным законом, энергия не создается и не исчезает, а переходит из одной формы в другую. Этот переход осуществляется путем определения вида энергии измеряемой среды и выражается в виде уравнения, показанного в Разделе 3.2.5.

Энергия, главным образом, определяется как сила, приложенная на тело, за пройденный путь, которая также называется «работой». Существует два основных вида энергии: кинетическая, т.е. энергия тела в движении, и потенциальная, т.е. энергия, которая накапливается и становится кинетической при высвобождении. В качестве некоторых примеров потенциальной энергии можно привести камень, лежащий на краю уступа,

резервуар под давлением и сжатую пружину. К кинетической ипотенциальной энергии добавляется внутренняя или тепловая энергия измеряемой среды. При сравнении жидких и твердых тел в движении необходимо проводить различие между измеряемыми средами, т.к. величина различных видов энергии приводится на единицу массы. Это связано с тем, что измеряемая среда – это вещество, количество которого зависит от размера контейнера или трубопровода. Для получения величины энергии движущейся измеряемой среды важно использовать свойства среды на единицу массы. Учитывая изложенные выше упрощения модели потока в трубопроводе, дифференциальная форма уравнений для расчета энергии измеряемой среды необязательна и может быть представлена с помощью алгебраических уравнений ниже.

3.2.1 Кинетическая энергия измеряемой среды

Кинетическая энергия измеряемой среды выражается следующим образом:

Скорость жидкости, (м / сек)

Константа преобразования

Скорость идеальной измеряемой среды постоянна на всем протяжении трубопровода, тогда к ак профиль скорости реальной среды зависит от числа Рейнольдса. Согласно предыдущему уравнению, истинная кинетическая энергия реальной измеряемой среды больше, чем у идеальной. См. Раздел 3.7.2.

Теория расходометрии по перепаду давления

Где:

Когда единицы измерения объединяются с помощью уравнения, они преобразовываются в:

Дж / кг, или энергия на единицу массы

Где:

Когда с

Дж

1 (в

а /

3.2.2 Гравитационная энергия измеряемой среды

Гравитационная энергия измеряемой среды выражается следующим образом:

Вертикальное расстояние, м, для текучей среды выше заданной опорной точки в гравитационном поле. Это учитывает энергию, необходимую для перекачки жидкости в более высокую точку, или энергию, высвобождаемую, когда жидкость течет вниз от верхней точки к нижней.

Местное ускорение свободного падения, м / сек2, так как сила тяжести на поверхности земли непостоянна.

3.2.3 Энергия давления измеряемой среды

Энергия давления измеряемой среды учитывает энергию, создаваемую давлением среды при передвижении ее по системе. Энергия давления выражается следующим образом:

Давление жидкости, Н / м2 - паскаль

Удельный объем жидкости, м3 / кг

Плотность жидкости, кг / м3

единицы измерения объединяются

помощью уравнения, они преобразовываются в:

/ кг, или энергия на единицу массы

3.2.4 Внутренняя энергия измеряемой среды

Еще одним видом энергии является тепловая энергия измеряемой среды, которая учитывается по величине внутренней энергии и выражается следующим образом:

Где:

Коэффициент теплоемкости при постоянном объеме, Дж / (кг К)

Температура жидкости, К

Когда единицы измерения объединяются с помощью уравнения, они преобразовываются в:

Дж / кг, или энергия на единицу массы

3.2.5 Сложение разных видов энергии измеряемой среды

Указанные здесь виды энергии выражаются в одних и тех же единицах измерения и суммируются для получения полной энергии среды:

KE+BE+PE+IE = Полная энергия

Абсолютные значения каждого из этих видов энергии могут быть измерены, однако целесообразнее измерять изменения каждого из них по мере прохождения измеряемой среды по так называемой системе.

На Рис. 3.1 показана схема энергетической

системы. В качестве системы может выступать насос, котел, теплообменник, дроссельный клапан или первичный элемент вслучае расходомера по перепаду давления.

Рис. 3.1: Изменение энергии в системе регулирования потока.

ход)

, P1, T1,

Массовый поток

, z1

q (теплота / еденицу массы)

, P2, T2, 2, z2

А / (работ

единицу

массы)

2 (выход)

Теория расходометрии по перепаду давления

Границы системы проходят по ее периметру, а изменение в видах энергии измеряется как разность между входом (1) и выходом (2). При рассмотрении системы необходимо учитывать еще две концепции:

1. Теплота, поступающее в систему (+q) и отдаваемое системой (-q). Это может быть теплота, создаваемое котлом для производства пара, или теплота, отводимое теплообменником.

2. Работа, совершаемая системой (+А) или отдаваемая системой (-А), которая также называется «механической работой». Работа, поступающая в сис тему, может совершаться насосом или компрессором. Примером отдаваемой работы может служить турбина, преобразующая давление среды вмеханическую работу.

К системе в установленных границах применяется закон сохранения энергии:

В этом уравнении учитываются все формы изменения энергии среды. Изменение полной энергии на выходе минус измеряемая среда на входе равно 0, т.е. энергию невозможно создать или уничтожить. Подставив базовые формулы для каждого вида энергии в это уравнение, получаем:

3.3 Особые формы уравнения энергии измеряемой среды

Для разных систем измеряемой среды из общей формы уравнения энергии выводятся особые формы. При отсутствии поступающего в систему тепла или совершаемой работы уравнение энергии преобразуется следующим образом:

Эта форма может использоваться для потока реальных измеряемых сред, поскольку потери энергии учитывают фактор вязкости измеряемой среды:

Уравнение Бернулли в этой форме выражено следующим образом:

В связи с отсутствием потерь, эта форма считается уравнением энергии идеальной среды. В этом уравнении также допускается постоянная плотность.

Умножив члены уравнения Бернулли на плотность измеряемой среды, получаем уравнение в форме давления идеальной среды, где каждый член выражен в единицах давления:

Это одномерная общая форма уравнения энергии среды.

Эта форма используется для вывода уравнения расходомера по перепаду давления. Если разделить каждый член уравнения энергии в форме давления на удельный вес измеряемой среды,

y =

, получим уравнение в форме напоров:

l /gc

Где каждый член выражен в единицах измерения длины или давления столба жидкости. Эта форма обычно используется для систем подачи воды, в которых вода подается или откачивается из резервуаров или отстойников.

Теория расходометрии по перепаду давления

3.4 Уравнение энергии для расходомера по перепаду давления

Расходомер по перепаду давления – это система, в которой нет поступающей теплоты или совершаемой работы. Уравнение выводится на основании горизонтального потока, поэтому гравитационная энергия отсутствует или (z форма этих уравнений подразумевает отсутствие потерь врезультате трения или вязкости потока. Для применения уравнения энергии определяем два разных типа расходомера поперепаду давления:

1. Расходомер на базе первичного элемента, изменяющего

площадь сечения трубопровода, где разница в статическом давлении в трубопроводе, главным образом, связана сизменением проходного сечения.

2. Расходомер на базе трубки Пито, измеряющий давление

торможения потока измеряемой среды.

Эти два уравнения очень похожи, а основное различие заключается в том, как выводятся реальные уравнения.

3.4.1 Вывод теоретического уравнения для

первичного элемента, изменяющего площадь сечения трубопровода

Сужающее устройство в установленных границах показано на

Рис. 3.2.

Начинаем с уравнения Бернулли в форме давления для несжимаемой измеряемой среды с установленными границами горизонтальной системы:

- z2)=0. Теоретическая

Даже если плотность измеряемой среды известна, а перепад давления можно измерить, существуют все еще две неизвестных:

и 2. Необходимо еще одно уравнение. В этом

уравнении используется другое фундаментальное физическое свойство сохранения массы. В Главе 1 было введено уравнение неразрывности:

Рис. 3.2: Система энергии сужающего устройства .

Линия постоянной энергии

Произвольная базовая плоскость

(P1 - P2)

, S

,

, 2, S

Теория расходометрии по перепаду давления

Произвольная базовая плоскос

Таким образом, теоретическое уравнение объёмного расхода для сужающего устройства для несжимаемой среды выраж ается следующим образом:

Теперь для сужающего устройства сущес твует функция расхода в зависимости от плотности измеряемой среды, перепада давления и диаметров двух проходных отверстий.

Для получения массового расхода необходимо помнить, что:

Единственное различие между уравнениями объемного и массового расхода заключается в положении плотности среды в уравнении.

3.4.2 Вывод теоретического уравнения для трубки Пито

Вывод теоретического уравнения для трубок Пито и осредняющих трубок Пито выполняется аналогичным образом. Схема трубки Пито в установленных границах показана на Рис. 3.3.

Начиная с того же уравнения Бернулли в форме давления в установленных границах системы:

Можно увидеть, что значение 1=0, т.е. движение измеряемой среды останавливается в наконечнике трубки Пито без потерь (т.е. изоэнтропийный процесс), при значении P общего давления, P трубопроводе P

, и значении P2 при статическом давлении в

. Тогда уравнение будет выглядеть следующим

в качестве

образом:

Рис. 3.3: Энергетическая система трубки Пито с перепадом давления.

Линия постоянной энергии

,

Следует отметить сходство между уравнениями расхода для сужающего устройства и трубки Пито. Кроме того, несмотря

(P1 - P2)

, z

ть

наиспользование данного уравнения для осредняющей трубки Пито, измеренное давление отличается от давления одноточечной трубки Пито, а фактический перепад давлений равен (P

Более подробная информация об осредняющей трубке Пито

H-PL

), где:

показана в Главе 7 и 9.

Теория расходометрии по перепаду давления

3.5 Теоретическое и истинное уравнение расхода измеряемой среды

Как уже упоминалось в Главе 1, для вывода уравнения расхода по перепаду давления используется форма уравнения Бернулли для идеальной среды. Поскольку промышленные среды обладают вязкостью и считаются реальными, в уравнении расхода по перепаду давления необходимо учитывать потери на вязкость. Потери на вязкость определяются на основании истинного расхода путем вычисления коэффициентов для двух типов первичных элементов.

Для сужающего устройства:

В результате потерь на вязкость при прохождении измеряемой среды через первичный элемент или вокруг него, фактический перепад давления будет больше теоретического. По этой причине коэффициент истечения и коэффициент расхода будут меньше единицы. Важное различие между коэффициентом истечения и коэффициентом расхода заключается в том, что коэффициент истечения отражает увеличение перепада давления исключительно в результате потерь на вязкость. Увеличение перепада давления из-за изменения площади проходного сечения учитывается в значении коэффициента скорости входа E. В случае коэффициента расхода изменение площади проходного сечения и потери на вязкость учитываются в одном коэффициенте.

При включении этих коэффициентов в теоретические уравнения расхода по перепаду давления получаем истинные уравнения расхода несжимаемой вязкой среды.

Для сужающего устройства:

Для трубки Пито и осредняющей трубки Пито:

Возвращаясь к исходному уравнению давления и энергии реальной измеряемой среды с учетом потерь давления:

Примечание: Потери давления не единственный неизмеренный показатель энергии, теряемой в системе. Существуют также потери внутренней энергии, однако они весьма небольшие и не влияют на характеристику расходомера по перепаду давления.

Найдем давления:

Найдем 2, используя теоретическое уравнение расхода по перепаду давления:

, используя истинное уравнение расхода по перепаду

Ист

Теория расходометрии по перепаду давления

Используя эти уравнения, можем определить коэффициент истечения:

Ист Теор

или

Ист Теор

Коэффициент истечения C зависит от соотношения потерь давления к теоретическому перепаду давлению и всегда будет меньше единицы. Если это соотношение постоянно во всем диапазоне скоростей расходомера, коэффициент истечения также будет постоянным.

Поскольку коэффициент расхода трубки Пито и осредняющей трубки Пито зависит от площади проходного сечения и потерь на вязкость, вывести уравнение прямым способом не получится. Вывод коэффициента расхода K показан в Главе 7.

3.6 Практические уравнения расхода по перепаду давления

При наличии известных значений C и K предыдущие уравнения могут использоваться применительно к любым сужающим устройствам или осредняющим трубкам Пито. Вместе с тем, они ограничиваются базовым набором единиц измерения. Результат уравнения с единицами измерения диаметра, перепада давления, плотности и постоянной преобразования силы выражается в единицах измерения расхода. Для истинных уравнений расхода по перепаду давления основными единицами являются единицы измерения уравнений энергии. В системе измерений СИ:

Некоторые из этих единиц обычно не используются (например, диаметр измеряется в мм, а не в метрах, а большинство пользователей предпочитают иметь возможность вычисления значений этих уравнений в других единицах измерения. Для использования ряда разных единиц измерения указанных параметров необходим метод пересчета. Программное обеспечение, используемое для конфигурации расходомеров по перепаду давления, способно выполнить эту функцию. Выводы, показанные в настоящем руководстве, могут использоваться в расчетах расхода в любых единицах измерения, при условии перевода предпочитаемых единиц измерения в базовые. В результате были получены практические уравнения для вычисления расхода по перепаду давления.

3.6.1 Коэффициент пересчета единиц измерения, N

В истинных уравнениях расхода по перепаду давления используются две постоянные: π/4 и √(2g

). Если объединить

эти постоянные в одно число N, уравнение для расчета реального объемного расхода несжимаемого потока будет выглядеть следующим образом:

Для осредняющей трубки Пито:

Где в обоих уравнениях, выраженных в базовых единицах измерения:

Во многих справочных документах по измерению расхода параметр, gc не учитывается. В единицах измерения системы СИ это значение равно 1, однако эти единицы необходимы для составления уравнения.

Теория расходометрии по перепаду давления

Значения N здесь показаны, используя базовый набор единиц измерения для необходимых параметров уравнения. Другие единицы измерения выводятся путем перевода предпочтительных единиц измерения в базовые для уравнения потока. В Таблице 3.1 показаны значения N для ряда других единиц измерения системы СИ. Значение необходимого параметра N рассчитывается путем умножения или деления

на каждое переведенное значение, появляющееся

базовый

вуравнении:

Примечание: Перевод единиц измерения расхода находится в левой части уравнения расхода, поэтому для получения необходимого значения N оно делится на значение N

базовый

3.6.2 Объемный расход, приведенный кстандартным услловиям

Еще одной мерой расхода, которая по-прежнему пользуется популярностью, является объемный расход, приведённый к стандартным условиям. Эта величина используется для сравнения объемного расхода в различных условиях состандартными условиями. При стандартных условиях плотность вычисляется при стандартных значениях давления

и температуре Tс. Расчет плотности газа при любых условиях

выполняется уравнением состояния (См.Главу 2):

В текущих условиях плотность расчитывается уравнением сучетом температуры и плотности при стандартных условиях:

В стандартных условиях значения давления и температуры равны:

Pс = 101,325 кПа абс

= 20 °С

Стандартные условия, используемые для определения объемного расхода, могут отличаться от показанных выше значений. Необходимо определить стандартные значения давления итемпературы. Кроме того, в этих условиях, значение газа z очень близко к 1,0, однако это зависит от типа измеряемого газа и требований Палаты мер и весов.

ст

Теория расходометрии по перепаду давления

Таблица 3.1: Пример значений коэффициента пересчета единиц N.

Фактическое уравнение объемного расхода

Единицы

измерения

расхода Предпо-

читаемые

единицы

м м

м л/сек 0,0010 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

л/мин 1.66667E-05 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

Предпо-

читаемые

единицы

кг/мин 0,0166667 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

тонны

(метриче-

ские)/ч

тонны

(метри-

ческие)/

день

Например: при расходе, выраженном в л/мин, d в мм, перепаде давления в кПа и плотности в кг/м

Пересчет

в базовые

единицы – С1

Пересчет в

/сек 1 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

/сек 1 мм 1.00E-06 миллибар 10,00 кг/м

/мин 0,0166667 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

/ч 2.7778E-04 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

/сек

Единицы

диаметра

Предпо-

читаемые

единицы

Пересчет в

базовые едини-

цы – С2

Единицы перепада давления

(Пересчет в м)2Предпо-

читаемые

единицы

Пересчет в

базовые еди-

ницы – С3

√(Пересчет в

паскали)

Уравнение массового расхода

Пересчет в

кг/сек

Предпо-

читаемые

единицы

(Пересчет в м)

Предпо-

читаемые

единицы

√(Пересчет в

паскали)

кг/с 1 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м кг/с 1 мм 1.00E-06 миллибар 10 кг/м

кг/с 1 мм 1.00E-06

мм водяного

столба

3,12874 кг/м

кг/ч 2.77778E-04 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

2.77778E-07 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

1.15741E-08 мм 1.00E-06 кПа 31,6228 кг/м

, N равно 2,10744.

Единицы

плотности

Предпо-

читаемые

единицы

Предпо-

читаемые

единицы

Пересчет в

Расчет N

базовые еди-

ницы – С4

1/√(Пересчет

в кг/м3)

баз.

Значение

1 1,11072 3.51241E-05 1 1,11072 1.11072E-05 1 1,11072 2.10744E-03 1 1,11072 0,126447 1 1,11072 0,0351241 1 1,11072 2,10744

√(Пересчет в

кг/м3)

баз.

Значе-

ние

1 1,11072 3.51241E-05 1 1,11072 1.11072E-05

2 1,11072 6.95031E-06

1 1,11072 2.10744E-03 1 1,11072 0,126447

1 1,11072 126,447

1 1,11072 3034,72

N=N

баз.

C3 x C4/C1

N=N

баз.

C3 x C4/C1

x C2 x

Теория расходометрии по перепаду давления

Объёмный расход, приведенный к стандартным условиям, обозначается Q

и соотносится с другими видами расхода

следующим образом:

Где объемный расход меняется с Qv на Q, чтобы отобразить объем в в рабочих условиях.

Тогда уравнение расхода, приведенного к стандартным условиям по перепаду давления будет выглядеть следующим образом:

Где те же значения уравнения массового расхода используются для получения N. См. Таблицу 3.2.

Таблица 3.2: Значения N для стандартных условий

N Qm Ед. изм. Q с Ед. изм.

Единицы измерения системы СИ

3.51E-05 кг/сек Стм3/сек

2.11E-03 кг/мин Стм3/мин

0,126447 кг/ч Ст м3/ч

3,03472 кг/день Стм3/день

3.7 Число Рейнольдса и профиль скорости потока

Понятие числа Рейнольдса было введено в Главе 1. Э та величина безразмерна, поскольку представляет собой соотношению инерционных сил к вязкости. Вязкость – это величина силы, необходимой для изменения скорости между слоями измеряемой среды. Под действием сил вязкости в измеряемой среде образуются отдельные слои или ламинарное течение, причем каждый последующий слой от с тенки трубопровода имеет немного более высокую скорость. Измеряемая среда протекает по трубопроводу под действием инерционной силы. Точка, в которой эти две силы сбалансированы, создает равновесие. В этих условиях для определения характера течения или профиль скорости потока может использоваться число Рейнольдса. Число Рейнольдса в трубопроводе определяется следующим образом:

Число Рейнольдса для каждого вида течения рассчитывается на основании разной характерной длины. В измерениях расхода по перепаду давления наиболее распространенными видами являются:

Теория расходометрии по перепаду давления

1,00

Рис. 3.4: Профили скорости в ламинарном и турбулентном режиме.

0,90

Это вычисление используется для описания процессов осредняющей трубки Пито.

Разные измеряемые среды с одинаковым числом Рейнольдса будут иметь практически одинаковый профиль скорости потока. Именно поэтому данный коэффициент используется для настройки расходомеров. На Рис. 3.4 показаны профили скорости потока в режимах с разным числом Рейнольдса. Вертикальной осью показан диаметр в любой точке d

, деленный

на диаметр трубопровода D. Горизонтальной осью показана скорость в любой точке трубопроводе

, деленная на среднюю скорость в

. Поскольку диаметр и скорость показаны в виде соотношения, аналогичный принцип можно применить к любому трубопроводу. В режиме ламинарного течения преобладают силы вязкости, а профиль скорости принимает форму параболы. В турбулентном режиме течения преобладают динамические силы, а число Рейнольдса превышает 4 000. В этом режиме из слоев вязкого потока образуются мелкие вихри, в значительной мере выравнивающие профиль скорости, тогда как часть потока в непосредственной близости от стенок трубопровода возвращается к ламинарной форме. Между этими совершенно разными режимами существует переходная зона, где присутствуют элементы обоих режимов. Границы этой зоны сложно предсказать, в связи с чем измерять среды в этой зоне не рекомендуется.

0,80

0,70

0,60

0,50

0,40

0,30

0,20

Расположение диаметра трубы, d

0,10

0,00

Коэффициент скорости, /

ReD=1.0E+4

ReD=5.0E+4

ReD=1.0E+5

ReD=5.0E+5

ReD=1.0E+6

ReD=1.0E+7

Ламинарный

0,00 0,50 1,00 1,50 2,00

3.7.1 Профиль скорости потока

Профиль скорости потока создается за счет вязкого характера реальных измеряемых сред. В случае расходомеров, в которых расход вычисляется на основании скорости измеряемой среды, важно определить чувствительность расходомера к профилю скорости в диапазоне измеряемого потока. Для определения профиля скорости одноточечную трубку Пито следует сдвинуть от стенок трубопровода к центральной оси и вычислить среднюю скорость, если необходимо получить истинный расход. На Рис. 3.4 зеленой пунктирной линией, пересекающей профиль скорости, показана точка, в которой можно измерить среднюю скорость в трубопроводе. Для определения показаний расхода трубку Пито следует установить в этой точке. Вместе с тем, положение точки зависит от числа Рейнольдса и может значительно измениться в поле неразвитого течения. Именно поэтому для определения скорости по всему диаметру трубопровода была разработана осредняющая трубка Пито.

Теория расходометрии по перепаду давления

3.7.2 Коэффициент кинетической энергии

Первым членом уравнения для вычисления энергии измеряемой среды является кинетическая энергия. Скорость идеальной измеряемой среды одинакова в любой точке плоскости измерения, а кинетическая энергия на единицу массы равна:

Кинетическая энергия реальной среды будет разной в разных точках плоскости измерения, поскольку скорость среды меняется по всему диаметру трубопровода. Полная кинетическая энергия реальной среды вычисляется следующим образом:

Где постепенно возрастающая скорость v определяет кинетическую энергию в зоне увеличения скорости dS, а значения суммируются для определения полной кинетической энергии в плоскости измерения. На Рис. 3.5 показаны профили скорости идеальной и реальной измеряемой среды в трубопроводе с полной кинетической энергией.

Рис. 3.5: Профили скорости потока идеальной и реальной измеряемой среды и кинетическая энергия.

Идеальный профиль скорости

KE(Идеальный) =

ρS

= (r)

Профиль реальной скорости

KE(Реальный) = ∫ 3d

Поскольку среднюю скорость в трубопроводе можно вычислить из расхода, этот показатель всегда легко определить в отличии от профиля скорости потока. Именно поэтому используется коэффициент кинетической энергии α, вычисляемый следующим образом:

Используя стандартные модели профиля скорости потока можно определить влияние профиля скорости на кинетическую энергию в различных числах Рейнольдса и применить его к кинетической энергии идеальной среды для корректировки значения с учетом средней скорости.

На Рис. 3.6 показан коэффициент кинетической энергии в зависимости от числа Рейнольдса для обычных скоростей воды в трубопроводах стандартного размера. При увеличении числа Рейнольдса значение быстро приближается к постоянной 1,04. Это связано с тем, что в турбулентном диапазоне чисел Рейнольдса профиль скорости весьма устойчив. В некоторых случаях, при использовании кинетической энергии в качестве члена уравнения для расчета энергии расхода реальной измеряемой среды по перепаду давления, коэффициент кинетической энергии применяется для учета истинного значения. Он применяется при выводе коэффициента расхода K осредняющей трубки Пито.

Теория расходометрии по перепаду давления

Рис. 3.6: Коэффициент кинетической энергии a водного потока в зависимости от числа Рейнольдса и диаметра трубопровода.

1,075

1,070

1,065

1,060

1,055

1,050

1,045

1,040

Коэффициент кинетической энергии, α

1,035

0,0E+002,5E+05 5,0E+057,5E+05 1,0E+061,3E+06 1,5E+06

Число Рейнольдса для трубы, Re

2-дюйма (50 мм)

3-дюйма (80 мм)

4 дюйма (100 мм)

6 дюймов (150 мм)

8-дюймов (200 мм)

10 дюймов (250 мм)

3.7.3 Расчет числа Рейнольдса

Для расчета числа Рейнольдса используются те же параметры, что и в уравнении расхода: скорость измеряемой среды, диаметр трубопровода, плотность и вязкость. Вместе с тем, аналогично уравнениям расхода с их базовыми единицами измерения, число Рейнольдса также требует использования некоторых нераспространенных единиц. По этой причине уравнения переписываются с коэффициентом пересчета, чтобы можно было использовать более общие единицы. Скорость измеряемой среды может быть неизвестной в отличии от расхода. Зная, что:

В Таблице 3.4 приведены значения NR для системы СИ сиспользованием единиц объемного и массового расхода.

Примечание: Для объемного расхода , приведенного к стандартным условиям, используются те же значения N

, что

идля массового расхода в базовых единицах измерения для тех же единиц времени. См. Таблицу 3.5.

Например:

Расход воды с температурой 20 °C, плотностью 998,2021 кг/м

ивязкостью 1,002 сП в трубопроводе диаметром D=202,717 мм равен 7 570,82 л/мин. N

= 21,207

Re = 21,2207х7570,82х998,2021/(202,717х1,002) = 789520

3.7.4 Трубопроводы или воздуховоды некруглого сечения

При круглом сечении трубопровода в уравнении числа Рейнольдса используется его диаметр. Если сечение не круглое, характерная длина может определяться одним из следующих способов. В первом способе рассчитывается эквивалентный диаметр окружности аналогичной площади D гидравлический диаметр D

. На Рис. 3.7 показан трубопровод

гидр.

, во втором –

экв.

прямоугольного и круглого сечения.

Рис. 3.7: Эквивалентные размеры прямоугольного трубопровода.

Где значение NR определяется так же, как и в уравнениях расхода, при этом значение N

одинаково для обоих уравнений:

R-базовое

В качестве примера этих двух значений трубопровода прямоугольного сечения с размерами A x B можно привести:

Гидравлический диаметр даст более близкое приближение к эквивалентному числу Рейнольдса для круглого сечения трубопровода, поскольку площадь пропорциональна силе инерции, а периметр – силе вязкости.

Теория расходометрии по перепаду давления

3.8 Развитое и неразвитое течение

До сих пор теория расходометрии по перепаду давления предполагала, что измеряемая среда заполняет трубопровод и протекает с одинаковой скоростью по всей его площади. Из предыдущего раздела однако следует, что реальные среды имеют вязкость, вызывающую трение между средой и неподвижной стенкой трубопровода. Поскольку размер большинства промышленных трубопроводов подбирается для создания турбулентного режима, считается, что профиль скорости потока, который необходимо измерить, уже известен. Вместе с тем, еще

Таблица 3.4: Значения числа Рейнольдса NR в единицах системы СИ.

Уравнение для вычисления числа Рейнольдса по объемному расходу: ReD = NR × Qv × p/(D × m)

Единицы

измерения

расхода Предпо-

читаемые

единицы,

л/сек 1.000E-03 кг/м

л/мин 1.6667E-05 кг/м

Пересчет

в базовые

единицы – С1

Единицы

плотности

Предпо-

/сек

читаемые

единицы,

Пересчет в

/сек 1 кг/м

/мин 0,016667 кг/м

/ч 0,00027778 кг/м

л/ч 2.7778E-07 кг/м

Пересчет в

базовые едини-

цы – С2

Единицы

диаметра

Предпо-

Пересчет в фун-

ты-массы/фут

читаемые единицы,

1 мм 1000 сП 1000 1,27324 1273240 1 мм 1000 сП 1000 1,27324 21220,7 1 мм 1000 сП 1000 1,27324 353,678 1 мм 1000 сП 1000 1,27324 1273,24 1 мм 1000 сП 1000 1,27324 21,2207 2 мм 1000 сП 1000 1,27324 0,707355

одной проблемой, имеющей отношение к профилю скорости потока и измерению расхода, является наличие в трубопроводах с реальной измеряемой средой изгибов (т.е. колен), клапанов и отводов (т.е. тройников), а также участков разного размера (сужения или расширения). Подобные соединения меняют геометрию трубопровода, а следовательно, и профиль скорости потока при прохождении через него измеряемой среды. Расход измеряемой среды, как правило, измеряется на прямом участке трубопровода. Этот прямой участок начинается и заканчивается у соединения. В начале прямого участка профиль скорости будет уникальным. В идеале, профиль скорости потока, в

Пересчет в

базовые еди-

ницы – С3

1/Пересчет в

метры

Единицы вязкости

Предпо-

читаемые

единицы,

Пересчет в

базовые еди-

ницы – С4

1 / Пересчет

в кг/(м-сек)

Расчет N

Значе-

ние

NR= N

R-баз.

x C2 x C3 x C4

R-баз.

x C1

Уравнение для вычисления числа Рейнольдса по массовому расходу: ReD = NR × Qm /(D × m)

Предпо-

читаемые

единицы

Пересчет в

кг/сек

Предпо-

читаемые

единицы,

Пересчет в фун-

ты-массы/фут

Предпочитаемые единицы,

1/Пересчет в

футы

Предпо-

читаемые

единицы,

1/Пересчет в

кг/м-сек)

Значе-

ние

NR= N

x C3 x C4

R-баз.

г/сек 0,001 – – мм 1000 сП 1000 1,27324 1273,24

кг/сек 1 – – мм 1000 сП 1000 1,27324 1273240

кг/мин 0,0166667 – – мм 1000 сП 1000 1,27324 21220,7

кг/ч 2.778E-04 – – мм 1000 сП 1000 1,27324 353,678

тонны

(метриче-

2.778E-07 – – мм 1000 сП 1000 1,27324 0,353678

ские)/ч

тонны

(метриче-

1.15741E-08 – – мм 1000 сП 1000 1,27324 1.47366E-02

ские)/д

R-баз.

x C1

Теория расходометрии по перепаду давления

Таблица 3.5: Значения NR для стандартных условий

N Qm Ед. изм. Qс Ед. изм.

Единицы измерения системы СИ

/мин

/сек

/ч

/д

1.2732E+06 кг/сек Стм

2.1221E+04 кг/мин Стм

353,678 кг/ч Стм

8488,26 кг/день Ст м

котором работает расходомер, реагирующий на скорость среды, должен быть определенным и прогнозируемым. Для классификации этого типа профиля скорости потока используется термин «развитое течение». Развитое течение не изменяется и не продолжает развитие при движении по прямому участку трубопровода. И наоборот, неразвитое течение продолжает развиваться или изменяться по мере движения по прямому участку. На Рис. 3.8 показано изменение профиля скорости потока по мере его развития после возмущения. В точке, где развитие останавливается, течение становится развитым. Развитому течению присущи следующие характеристики:

1. Профиль скорос ти потока является осесимметричным, т.е. профиль скорости в любой плоскости, проходящей через ось трубопровода, одинаковый.

2. Профиль скорос ти потока продольный, т.е. радиальная составляющая скорости отсутствует, а направление параллельно оси трубопровода.

Среды с разными числами Рейнольдса измерялись после прохождения весьма протяженных участков трубопровода (например, через более чем 50 диаметров). Эти профили также позволяют определить развитие течения. При определении характеристик развитого течения для расходомера определенного типа, как правило, используется его отклик, чтобы определить, является ли поле потока развитым или неразвитым. В точке, где профиль скорости потока не изменяет выходной сигнал расходомера при одинаковом расходе и условиях измеряемой среды в пределах установленного рабочего диапазона, расход считается развитым, а заданная длина трубопровода достаточна для данного расходомера. Эта информация закладывается в основу размерных таблиц, используемых для определения необходимой расходомеру длины прямого участка трубопровода, в зависимости от типа соединений перед расходомером.

Рис. 3.8: Неразвитое и развитое течение

3.9 Поток сжимаемой среды

До сих пор в выведенных уравнениях расхода по перепаду давления использовалась форма уравнения Бернулли, плотность измеряемой среды в которой оставалась неизменной. Плотность газов будет меняться по мере их прохождения через первичный элемент или вокруг него. Поскольку плотность участвует в энергетическом балансе, это изменение необходимо учитывать для получения точных показаний расходомера по перепаду давления, используемого для измерения газа. Форма уравнения расхода по перепаду давления с учетом изменения плотности называется формой расхода сжатой среды.

3.9.1 Коэффициент изоэнтропийного расширения

Расход сжимаемой среды – это результат расширения газа с более высокого до более низкого давления после прохождения через участок сужения. Более низкое давление в точке отбора давления за расходомером создает меньшую плотность, в связи с чем она более не считается постоянной. Функцию сужения выполняет первичный элемент расходомера по перепаду давления. Расширение идеального газа можно изобразить диаграммой энтальпии – энтропии. На Рис. 3.9 кривой из точки 1 в точку 2 показано изоэнтропийное расширение идеального газа с давления P потери отсутствуют. Расширение в реальных технологических процессах с потерями показано кривой из точки 1 в точку 21. В расходомерах по перепаду давления с контурными элементами, например, трубах Вентури и некоторых расходомерных соплах, потери давления в точках отбора небольшие, что позволяет спрогнозировать расширение газа. Расходомеры с более высокими потерями, например, измерительные диафрагмы, требуют индивидуального подбора пользовательской кривой.

до P2. Значение энтропии S не меняется, а значит,

Теория расходометрии по перепаду давления

Рис. 3.9: Расширение газа

Энтальпия, H

s1 = s2 s

1-2 Изоэнтропийный процесс 1-21 Фактический процесс

Энтропия, S

Уравнение для определения расхода сжимаемой среды для сужающего устройства представляет собой измененную версию уравнения несжимаемого потока:

Где значения плотности газа в точках сброса давления 1 и 2 определены как

и . Как объяснено в главе 2 для изоэнтропического процесса, давления и плотности газа связаны между собой:

, или

Где:

Изэнтропическое соотношение газа

Это значение подставляется в приведенное выше уравнение для исключения

PP PP

P P

Если эти выражения снова использовать в уравнении расхода для сужающего устройства для определения

Практические уравнения расхода для получения общей сжимаемой формы жидкостей или газов с учетом изоэнтропийного расширения выводятся путем добавлении в уравнение Y

Где в уравнениях расхода жидкостей Y1=1. Эта форма расчета коэффициента расширения обычно используется для труб Вентури и некоторых расходомерных сопел, в которых низкое давление измеряется в минимальном сечении сопла.

Теория расходометрии по перепаду давления

1,00

3.9.2 Коэффициент неизоэнтропийного расширения

В случае измерительных диафрагм и некоторых других сужающих устройств, расширение газа в приборе более резкое и не может считаться изоэнтропийным. Для получения метода прогнозирования коэффициента расширения газа (т.е. расширяемости) этот коэффициент необходимо получить опытным путем с подбором эмпирических данных. Чтобы получить фактические значения коэффициента расширения, один и тот же расходомер калибруется потоками жидкости и газа, а значение рассчитается следующим образом:

Коэффициент расширения всегда меньше или равен единице и пропорционален значениям P2/P1, k, а также сужению или параметру b. Значения Y отстраиваются в качестве функции (P

). На графиках кривая Y начинается в единице

2/P1

и наклоняется вниз с уменьшением коэффициента давления. Наклон увеличивается при увеличении значений показаны графики зависимости Y

от P2/P1 для концентрической

. На Рис. 3.10

измерительной диафрагмы с различными значениями идвумя значениями показателя адиабаты k, равными 1,3 и 1,4. Этизначения представляют большую часть газов, измеряемых промышленными расходомерами. Фактические значения k нескольких газов приведены в Таблице 3.6.

Таблица 3.6: Показатель адиабаты k различных газов.

Газ k Га з k

Воздух 1,40 Метан 1,31

Аммиак 1,29 Неон 1,64

Аргон 1,67 Окись азота 1,40

Двуокись углерода 1,28 А зот 1,40

Окись углерода 1,41 Закись азота 1,26

Хлор 1,36 Кислород 1,40

Этан 1,19 Пропан 1,33

Гелий 1,66 Пропилен 1,14

Водород 1,40 Пар 1,30

Сульфид водорода 1,32 Двуокись серы 1,25

Кривые на графике на Рис. 3.10 представляют собой данные, собранные во время калибровки измерительной диафрагмы с помощью газовой смеси и подставленные в уравнение.

Рис. 3.10: Коэффициент расширения для концентрической измерительной диафрагмы с различными значениями b и двумя значениями k.

0,98

(ε)

0,96

0,94

0,20 бета, k = 1,30

Коэффициент расширения, Y

0,92

0,90

0,75

0,80 0,85 0,90 0,95 1,00

Коэффициент давления, P

0,50 бета, k = 1,30 0,70 бета, k = 1,30 0,20 бета, k = 1,40 0,50 бета, k = 1,40 0,70 бета, k = 1,40

2/P1

В этом уравнении приближенное значение коэффициента расширения рассчитывается, зная отношение давления, отношение диаметра и коэффициент изоэнтропийного расширения k:

Хотя значение (P2 /P1) измерить нелегко, его можно приравнять к выражению, используя перепад давления и давление перед прибором:

Теория расходометрии по перепаду давления

Разные типы сужающих устройств будут иметь разные коэффициенты расширения, однако метод расчета коэффициента будет аналогичен тому, что используется для измерительной диафрагмы. Ограничения использования этого уравнения для определения коэффициента расширения у концентрической измерительной диафрагмы такие же, как у коэффициента истечения, и показаны Таблице 3.7. Кроме того, для расчета значения Y (e) на основании имеющихся данных существует нижний предел. В представленном здесь уравнении минимальное значение P которых значения расширения будут меньше этой минимальной отметки, встречаются редко. Поскольку коэффициент расширения зависит от перепада давления, а перепад давления – от расширения, при выборе размера расходомера для измерения газового потока требуется итерация уравнения расхода.

Таблица 3.7: Предельные значения в уравнении расчета коэффициента расширения для концентрической измерительной диафрагмы с острой

кромкой

d (расточенного отверстия) > 12,5 мм

Для углового и трёхрадиусного отборов

На основании ISO 5167-2:2003.

равно 0,75. Условия эксплуатации, в

2/P1

Для всех отборов

50 мм < D (трубы) < 1000 мм

0,10 < b < 0,75

Re > 5000 для 0,10 < b < 0,56

Re > 16000b2 для b > 0,56

Для фланцевых отборов

Re > 5000 и Re > 170b2D

Погрешность рассчитанного значения увеличивается с увеличением перепада давления при одинаковом давлении газа перед отбором высокого давления.

3.9.3 Коэффициент расширения осредняющей трубки Пито

В случае с осредняющей трубкой Пито с отверстием для создания гидродинамического сопротивления (т.е. низкое давление измеряется позади осредняющей трубки Пито или цилиндра) расширение газа по мере его прохождения через цилиндр считается неизоэнтропийным, в связи с чем этот коэффициент определяется опытным путем с приближением с помощью кривых так же, как и для концентрической измерительной диафрагмы. Во избежание путаницы, коэффициент расширения осредняющей трубки Пито обозначается Y

. Поскольку сужение

потока среды в осредняющей трубке Пито значительно меньше, на графике зависимости расширения и давления присутствует гораздо более плавный уклон по сравнению с измерительной диафрагмой. Коэффициент расширения осредняющей напорной трубки Пито Annubar™ 485 рассчитывается следующим образом:

Погрешность расчетов коэффициента расширения зависит от качества собранных данных и количества точек выборки. Погрешность показанного выше уравнения при условии, что все сопутствующие факторы точно известны, определяется следующим образом:

На Рис. 3.11 показаны результаты уравнения, построенного аналогично уравнению для концентрической измерительной диафрагмы.

Теория расходометрии по перепаду давления

Коэффициент расширения, Y

(ε

)

1,000

Рис. 3.11: Коэффициент расширения осредняющей трубки Пито Annubar с различными значениями ограничения проточной части трубопровода и двумя значениями k.

0,998

0,995

0,993

0,990

0,988

0,02 Ограничение, k = 1,30

0,985

0,983

0,980

0,91

0,93 0,95 0,97 0,99

Отношение давления, P

0,15 Ограничение, k = 1,30 0,25 Ограничение, k = 1,30 0,02 Ограничение, k = 1,40 0,15 Ограничение, k = 1,40 0,25 Ограничение, k = 1,40

2/P1

3.10 Применяемые стандарты

Ниже показаны некоторые опубликованные стандарты при измерении расхода:

1. ISO 5167: Измерение расхода среды с помощью устройств переменного перепада давления, помещенных в заполненные трубопроводы круглого сечения. Часть 2. Измерительные диафрагмы. Часть 3. Сопла и сопла Вентури. Часть 4. Трубы Вентури.

2. ASME MFC-3M: Измерение расхода среды в трубопроводах при помощи измерительной диафрагмы, сопла и трубы Вентури.

3. ASME MFC-14M: Измерение расхода среды при помощи прецизионных измерительных диафрагм малого диаметра.

3.11 Дополнительная информация

Более подробную информацию можно найти в следующих источниках:

Миллер, Ричард У. Руководство инженера по измерению расхода (3-е изд.). McGraw-Hill, 1996 г.

Измерение расхода газа

Раздел Страница

4.1 Введение 58

4.2 Распространенные сферы применения 58

4.3 Особые сферы применения 67

4.4 Плотность газа 69

4.5 Проблемы газового состава 70

4.6 Применяемые стандарты 71

4.7 Дополнительная информация 73

Измерение расхода газа

4.1 Введение

Во многих отраслях промышленности измерение расхода газа – это важный параметр, использующийся в экономических расчетах, производственном контроле и безопасности. Большинство промышленных газов являются очищенными или чистыми, а их свойства легко определить, что значительно упрощает измерение расхода по перепаду давления. Свойства газа зависят от температуры и давления в трубопроводе, в связи с чем перед выбором расходомера важно понять технологический процесс. Необходимость обновления расчетов плотности газа при изменении давления и/или температуры зависит от величины этого изменения в диапазоне измерения, а также необходимой точности. Поскольку плотность газа в расчете расхода стоит под знаком квадратного корня, влияние плотности на точность рассчитанного значения составляет половину от изменения плотности. Во многих технологических процессах компенсация давления и/или температуры, возможно, не потребуется. При необходимости более высокой точности измерительные преобразователи компенсированного расхода измеряют перепад давления, давление и температуру и рассчитывают плотность и вязкость многих имеющихся в меню газов в режиме реального времени. Этот расчет выполняется несколько раз в секунду и используется для получения скорректированного расхода газа. На Рис. 4.1 показаны рекомендуемые первичные элементы по перепаду давления и диапазоны расхода в сравнении со значением перепада давления газа.

Рис. 4.1: Первичные элементы для измерения расхода газа по перепаду давления.

Применение

Природный газ,

4,8 МПа

Природный газ

1,38 МПа

Воздух -

0,69 МПа

Воздуховод Дымовые газы

Осредняющая трубка Пито Диафрагма -0,65 бета Диафрагма -0,40 бета

0,0025 0,025 0,25 2,52

Перепад давления, кПа

4.2 Распространенные сферы применения

4.2.1 Природный газ

Основная функция в сфере применения

Измерение расхода природного газа в технологическом процессе является распространенной сферой применения расходомеров по перепаду давления, в которой производственные затраты и/ или объем теплоты, поступающей в технологический процесс, определяются на основании объемов сжигаемого газа. Энергия для выделения теплоты в химических процессах, сушилки вбумажной промышленности, а также сырье в производстве химической продукции – вот некоторые из многих отраслей, в которых измеряется расход природного газа. В мониторинге газораспределительных систем параметр расхода может использоваться для предупреждения о нештатных ситуациях, потенциально указывающих на отказ соединительной части трубопровода.

Природный газ – это комбинация одноэлементных газовых составляющих. Комбинация этих составляющих варьируется в зависимости от местоположения газовых скважин. Для достижения большей точности состав газа можно определить при помощи газового хроматографа и использовать свойства газовых составляющих в расчете плотности и вязкости газа. Зачастую, удельный вес природного газа актуализируется на измерительной установке на ежедневной основе. В дополнение к плотности и вязкости теплосодержание также можно определить по стехиометрическому горению с вычислением расхода энергии, поступающего в технологический процесс. Как правило, такой расчет выполняется во многих вычислителях расхода, в том числе многопараметрических преобразователях Rosemount™.

Поскольку природный газ имеет относительно высокую стоимость, расходомеры были разработаны специально для измерения расхода при продаже и покупке газа.

технологических процессов и трубопроводов природного газа показаны на Рис. 4.2, 4.3, и 4.4 Для упрощения передачи продукта

потребителю были разработаны стандарты использования расходомеров. Эти стандарты служат основой как для покупателя, так и для продавца при установке согласованной системы измерения расхода. Первый общепринятый стандарт для концентрической измерительной диафрагмы был разработан Американской газовой ассоциацией (AGA) в начале 1930-х годов. В 1955 году был выпущен обновленный отчет AGA № 3 с учетом всех аспектов работы измерительной диафрагмы, включая ее конструкцию, расположение точек отбора давления и размеры трубопровода. Для особых типов

Примеры

Измерение расхода газа

расходомеров, например, измерительных диафрагм, турбинных, ультразвуковых расходомеров и т.д. были разработаны другие стандарты измерения расхода. Большая часть информации в стандартах измерительных диафрагм ASME, MFC-3, и ISO 5167-2 дублировалась из отчета AGA №3. В то время для определения погрешности в расчете расхода был собран большой объем информации об измерительных диафрагмах, который затем лег в основу расчетов коэффициента истечения. Эта информация использовалась в огромном количестве технологических процессов, в которых для измерения расхода природного газа и многих других сред применяется измерительная диафрагма.

Рис. 4.2: Узел учета природного газа.

Рис. 4.3: Стандартная измерительная диафрагма для измерения расхода природного газа.

Рис. 4.4: Расходомер 3051SFC, установленный в трубопроводе природного газа на целлюлозно-бумажном комбинате.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Природный газ – это легковоспламеняющийся газ, транспортировка которого осуществляется под давлением. При проектировании оборудования для измерения расхода необходимо учитывать местные стандарты, применяемые к трубопроводам, а также соответствующее техническое обслуживание систем.

• Требуемая погрешность измерения расхода в заданном технологическом процессе указывается при определении технических характеристик системы. Кроме того, для правильного определения конфигурации системы необходимо указать диапазон условий эксплуатации в данном технологическом процессе. В процессе конфигурации системы измерения учитывается необходимость компенсации давления и температуры, а также определения состава газовых компонентов.

• Заявленная производительность обеспечивается только при условии правильного технического обслуживания системы. Правильная установка позволит предотвратить искажение сигнала перепада давления в результате конденсации жидкости в газе. Состояние первичного элемента на предмет износа и налипания материала следует проверять ежегодно или чаще, по мере необходимости.

Измерение расхода газа

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная или стабилизирующая измерительная

диафрагма

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.2 - 10.4.4,

10.5.3, 10.5.4, 10.7.3

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.2 Измерение выбросов

Основная функция в сфере применения

Измерение выбросов, в частности, парниковых газов, давно является для природоохранных органов важным показателем работы в таких отраслях промышленности, как энергетика, нефтехимия и т.д., как на государственном, так и на федеральных уровнях. Эти требования к измерениям стали появляться, по большей части, в 1980-х годах и 1990-х годах, когда в США был введен Закон о чистом воздухе. За этим последовали пересмотры и введение новых протоколов, что привело к увеличению числа промышленных процессов, требующих мониторинга и ужесточения требований к точности. Осредняющие трубки Пито с измерением расхода по перепаду давления являются общепринятыми и широко распространенными средствами измерения выбросов, при проектировании их под конкретную сферу применения.

Расходомер Stack Annubar предназначен для установки в дымовой трубе для измерения объемов выбросов. Расходомер оснащен транспортными кольцами для упрощения грузоподъемных работ и продувочными отверстиями для очистки внутренней части прибора в режиме реального времени и увеличения срока службы. Каждая установка уникальна, поэтому каждое устройство изготавливается согласно техническим спецификациям. См. Рис. 4.5.

Рис. 4.5: Конструкция расходомера Stack Annubar обеспечивает надежность измерения в ряде технологических процессов, в которых измерение выбросов является проблематичным.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Большой диаметр дымовой трубы или нетрадиционная конфигурация газохода;

• Высокие температуры;

• Наличие частиц в потоке;

• В связи с возможностью коррозии может потребоваться использование особых сплавов;

• Ограниченное пространс тво для монтажа и технического обслуживания;

• Измерение низкого расхода;

• Соответствие требованиям регулярной калибровки.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Стандартная или стабилизирующая измерительная диафрагма

Расходомер Stack Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

10.4.2 - 10.4.4,

10.5.3, 10.5.4, 10.7.3

10.8.3

8.10, 10.3.3, 10.7.4

Измерение расхода газа

4.2.3 Факельный газ

Основная функция в сфере применения

Газовые факелы используются в тех отраслях промышленности, где в процессе добычи и переработки углеводородного сырья производятся избытки газа. См. Рис. 4.6. Сжигание газа на факеле позволяет безопасно утилизировать остаточные газы путем сжигания на факеле, в верхней части которого установлена горелка и запальное устройство. Расход факельного газа необходимо измерять для соответствия как технологическим, так и экологическим нормам.

Выбор средства измерения расхода зависит от существующих условий, включающих в себя обширный диапазон значений расхода, давления и температуры. В нормальных условиях расход, как правило, низкий, однако в нештатной ситуации он может значительно увеличиться. В нормальных условиях обычно используются ультразвуковые расходомеры, демонстрирующие достаточно высокую производительность при низком значении расхода. В зависимости от параметров расхода и достаточности перепада давления можно также рассмотреть технологию осредняющей трубки Пито. Преимущества осредняющей трубки Пито заключаются в возможности демонтажа сенсора для проверки, а также измерения скомпенсированного массового расхода в сочетании с многопараметрическим преобразователем.

Рис. 4.6: Факел на нефтеперерабатывающем или нефтехимическом заводе.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Нормальный расход может быть очень низким, что создает слабый сигнал перепада давления. В этих условиях может потребоваться регулярная настройка измерительных преобразователей по перепаду давления. Для считывания расхода меньше установленного диапазона прибора может потребоваться использование альтернативных технологий.

• Широкий диапазон изменяющихся условий может потребовать компенсации давления и температуры. Изменение состава газа может привести к необходимости изменения настроек расходомера в зависимости от требований к производительности измерений.

• Для оперативного реагирования на изменения расхода необходимо выполнить настройку расходомера. Функция демпфирования на измерительном преобразователе может настраиваться для достижения минимального времени отклика.

• В случае измерительной диафрагмы для обеспечения максимального расхода необходимо рассчитать итоговые потери давления.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Стандартная или

стабилизирующая

измерительная диафрагма

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

10.4.2 - 10.4.4,

10.5.3, 10.5.4, 10.7.3

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.4 Воздуховоды и воздуходувки

Основная функция в сфере применения

Во многих промышленных процессах воздух используется для охлаждения или принудительного испарения, а также в качестве основного компонента химических реакций. Транспортировка воздуха низкого давления в технологической системе осуществляется по тонкостенным воздуховодам при помощи воздуходувок. См. Рис. 4.7. За последние 30 лет количество требований к выбросам увеличилось, равно как и затраты электростанций, нефтеперерабатывающих и химических предприятий на электроэнергию. Для выполнения требований к мониторингу и усиления технологического контроля инженерамтехнологам приходится рассматривать возможность измерения расхода в тех системах воздуховодов, где это не учитывалось проектом. Во многих технологических процессах используются воздуховоды неправильной формы или присутствуют переходные участки между стационарными установками, например, вентиляторами, технологическими резервуарами или котлами. Такие воздуховоды круглого или прямоугольного сечения зачастую состоят из нескольких или скошенных колен, мест сужения и расширения, заслонок или секций различного

Измерение расхода газа

сечения. К другим потенциальным факторам относятся дополнительные вводы, внутренние опорные конструкции, люки, компенсаторы или ограниченное пространство для монтажа или обслуживания. Потоки воздуха протекают практически при атмосферном давлении и с умеренной скоростью. Это является причиной слабого сигнала расходомера. Слабый сигнал может ограничивать диапазон измеряемых значений.

Для данного типа конфигурации воздуховода хорошо подходит изготавливаемая по индивидуальному заказу осредняющая трубка Пито. В подобных технологических процессах осредняющую трубку Пито, возможно, придется установить в особом месте или же установить несколько трубок, в зависимости от конфигурации воздуховода до и после расходомера. Для оценки пригодности и оптимальности предпочитаемого места установки может потребоваться предварительное испытание по измерению расхода. На данном этапе также можно оценить вопросы монтажа и доступа к оборудованию.

В зависимости от характера поля потока в точке измерения и необходимой производительности может потребоваться калибровка на месте. Она обычно выполняется методом траверсирования при одном или нескольких значениях расхода или нагрузки электростанции. При этом определяется истинный расход в месте расположения данной системы расходомера, который будет использоваться в процессе калибровки после монтажа. Подробное описание процедуры траверсирования представлено в Главе 10.

Рис. 4.7: Нагнетательный вентилятор воздуха горения котла.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Сложнос ть воздуховодов заключается в их размере, нарушении потока, а также доступе к оборудованию для монтажа прибора.

• Для поиска мес та установки точки измерения расхода может потребоваться предварительная оценка поля потока.

• Калибровка прибора на мес те установки методом траверсирования может потребоваться для поддержания производительности.

• В связи со слабым сигналом перепада давления нас тройку нуля измерительного преобразователя необходимо выполнять в рамках регулярного технического обслуживания.

• Для установки в тонкостенных воздуховодах рекомендуется использоваться легкие первичные элементы.

Измерение расхода газа

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.4.1 Воздух горения

Основная функция в сфере применения

Оптимизация использования энергии включает в себя контроль подачи воздуха в горелку котла или отопительного агрегата. Во многих системах измерения этот контроль осуществляется путем установки расходомера и контроля заслонок для регулировки потока воздуха на горелку. См. Рис. 4.8. В некоторых технологических процессах могут прису тствовать большие воздуховоды неправильной формы (См. Раздел

4.2.4), требующие калибровки приборов на месте установки.

Место установки прибора для измерения расхода выбирается с учетом минимального нарушения потока. Для обеспечения правильности работы горелки может потребоваться калибровка расходомера на месте установки при нескольких значениях нагрузки или мощности горелки. Подробное описание процедуры траверсирования представлено в Главе 10.

Рис. 4.8: Электростанция комбинированного цикла с большим воздухозабором

• Наличие в воздухе загрязнителей может привести к закупориванию или засорению контрольно-измерительных приборов.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.4.2 Отопление, вентиляция и кондиционирование

Основная функция в сфере применения

Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха обеспечивают обогрев и охлаждение в промышленных процессах. См. Рис. 4.9. В зависимости от сложности и размеров систем воздуховодов в больших зданиях, от подрядчика может потребоваться регулировка воздушного потока в системе отопления и охлаждения во всех частях здания. Проще всего это сделать, установив расходомеры в стратегически важных точках системы воздуховодов. Абсолютное значение расхода, как правило, не требуется. Достаточно будет сравнить выходной расход в двух или более точках. В некоторых случаях, после регулировки системы, измерение расхода воздуха может более не иметь необходимости или же выполняться периодически для проверки режима.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Сложнос ть воздуховодов для подачи воздуха горения заключается в их размере, нарушении потока, а также доступе к оборудованию для монтажа прибора.

Рис. 4.9: Холодильная установка с воздушным охлаждением в системе кондиционирования воздуха.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, как правило, устанавливаются коммерческими подрядчиками, в связи с чем стоимость и простота использования являются основными факторами.

Измерение расхода газа

• Абсолютная точность измерений может не иметь приоритета, поскольку в этой сфере применения основной задачей, как правило, является регулировка потока воздуха.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.4.3 Скрубберы

Основная функция в сфере применения

Скрубберы – это системы удаления ядовитых газов из отходящего газа в системах сгорания или других производственных системах, устанавливающиеся между выходом горелки и дымовой трубой. См. Рис. 4.10. Для повышения эффективности несколько скрубберных систем могут работать параллельно с использованием расходомеров для регулировки расхода в каждой системе. Воздуховоды также могут иметь неправильную форму, при которой калибровку прибора рекомендуется выполнять на месте установки методом траверсирования. См. Главу 10.

Рис. 4.10: Скруббер для снижения выбросов.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Пост упающий в скруббер поток имеет высокую температуру и содержит дымовую золу. Для поддержания работоспособности системы может потребоваться периодическая очистка.

• Перед проектированием оборудования для измерения расхода рекомендуется выполнить оценку системы.

• Слабые сигналы перепада давления требуют тщательного проектирования импульсной трубки, а также периодической проверки настройки нуля измерительного преобразователя.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.4.4 Шахтные вентиляционные установки

Основная функция в сфере применения

Поток приточного и отработанного воздуха в подземном руднике имеет большое значение для безопасности и может использоваться для контроля содержания вредных веществ, например, при мониторинге содержания метана в угольных шахтах. См. Рис. 4.11. В зависимости от местоположения рудника, приточный воздух может подогреваться или охлаждаться. Например, если рудник находится рядом с геотермальным полем, в шахту подается охлажденный воздух для снижения температуры рудничной атмосферы. И наоборот, в холодном климате воздух подогревается для предотвращения замерзания трубопроводов воды и обеспечения безопасных условий работы для персонала. В таких случаях, речь, как правило, идет о больших трубопроводах, поэтому предпочтительной технологией измерения является осредняющая трубка Пито.

Рис. 4.11: Шахтный ствол большого диаметра.

Измерение расхода газа

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Сложнос ть системы вентиляции заключается в ее размере, нарушении потока, а также доступе к оборудованию для монтажа прибора.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.5 Топливо печи

Как и в случае с воздухом, измерение расхода газа в промышленных печах, например, котлах, шахтных печах, сушилках или обжиговых печах, необходимо для оптимизации соотношения воздух-топливо, повышения эффективности и снижения выбросов. См. Рис. 4.12. В некоторых регулируемых технологических процессах с установленными объемами выбросов вместо отходящих газов может измеряться расход топлива для соответствия экологическим требованиям. Предлагаемые измерения требуют согласования и периодической калибровки расходомера. Для большинства жидкого и газового топлива могут использоваться как измерительные диафрагмы, так и осредняющие трубки Пито.

Рис. 4.12: Система подачи топлива в печь.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Недостаточная протяженность прямого участка – основная проблема в этой сфере применения.

• При необходимости соблюдения экологических требований может потребоваться регулярная калибровка.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная или

стабилизирующая

измерительная диафрагма

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.2 - 10.4.4,

10.5.3, 10.5.4, 10.7.3

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.2.6 Сжатый воздух

Основная функция в сфере применения

Сжатый воздух играет важную роль в ряде промышленных процессов и имеет обширную сферу применения, от приводных клапанов и других средств контроля технологического процесса до оборудования очистки и продувки. В больших системах мониторинг расхода сжатого воздуха на производственные участки может использоваться для определения затрат и коэффициента использования.

Измерение расхода газа

Рис. 4.13: Применение осредняющей трубки Annubar вместо измерительной диафрагмы позволяет повысить общую эффективность исократить затраты.

1. Компрессоры

2. Потеря давления в точке измерения расхода на трубке Annubar = 5 мбар/точка = 15 мбар общее на измерительной диафрагме при b равным 0,65 = 60 мбар/точка = 180 мбар общее

3. 6,5 бар

4. Потеря давления в сушилках = 0,5 бар

5. 6,5 бар

6. И змерение в магистральной линии

Ежедневный мониторинг расхода может выявить потенциальные утечки и позволит оптимизировать ступени компрессоров для повышения эффективности использования энергии. При выборе расходомера для этих точек измерения очень важно учитывать постоянные потери давления и требования к производительности в данном технологическом процессе. Сжатый воздух идеально подходит для осредняющих трубок Пито, поскольку они создают совсем небольшую потерю давления в системе сжатого воздуха.

Переход с традиционных измерительных диафрагм на осредняющие трубки Annubar, а также внедрение программы обнаружения утечек и ремонта может дать значительную экономию энергии. См. пример на Рис. 4.13.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Измерение расхода в системах сжатого воздуха требует использования технологий с наименьшей потерей давления. См. сравнение постоянных потерь давления первичных элементов на Рис. 7.7. Учитывая возможность низкого расхода, перед выбором расходомера необходимо выполнить оценку системы сжатого воздуха.

7. Потеря давления в точке измерения расхода на трубке Annubar = 16 мбар на измерительной диафрагме при b равным 0,65 = 192 мбар

8. Приб лизительно 6,0 бар при использовании расходомера на трубке Annubar Приблизительно 5,8 бар при использовании расходомера с измерительной диафрагмой с b равным 0,65

9. С жатый воздух, подаваемый на установку

Общая потеря давления расходомера на трубке Annubar = 31 мбар, при использовании измерительной диафрагмы с b равным 0,65 = 372 мбар

• Для определения необходимости в измерительном преобразователе скомпенсированного расхода необходимо оценить изменения давления и температуры в точке измерения в сравнении с требованиями к производительности. В связи с возможностью существования слабого сигнала в программу периодического обслуживания, возможно, потребуется включить настройку нуля измерительного преобразователя.

• В перспективе с ледует учесть накопление влаги в сенсоре первичного элемента. Ориентация установки должна предотвращать накопление влаги в импульсной трубке.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

преобразователь

Измерение расхода газа

4.2.7 Флотация растворенным воздухом

Основная функция в сфере применения

В обогащении полезных ископаемых измерение расхода растворенного воздуха во флотомашине имеет большое значение для обеспечения рентабельности. См. Рис. 4.14. Поток воздуха во флотомашине создает пузырьки, которые притягивают гидрофобные минералы, содержащие такие металлы, как медь или свинец. Объем воздуха, подающегося во флотомашину, необходимо контролировать. Эту функцию может выполнить расходомер. В связи с низкими постоянными потерями давления и простотой установки, предпочтительной технологией в данном случае являются осредняющие трубки Пито.

Рис. 4.14: Флотомашина для разделения металлов растворенным воздухом.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Учитывая более высокие требования к производительности осредняющих трубок Пито, диаметр трубопровода должен измеряться на расстоянии одного диаметра до места установки.

• Также необходима правильная установка осредняющих трубок Пито, включая расточку отверстия в трубопроводе правильного диаметра и обеспечения достаточной протяженности прямого участка перед расходомером.

• Использование суммирующего вычислителя расхода, такого как многопараметрический преобразователь, позволяет измерять положенный объем необходимого воздуха.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.3 Особые сферы применения

4.3.1 Влажный газ

Основная функция в сфере применения

Влажный газ – это газ, содержащий небольшое количество жидкости. Как правило, первостепенный интерес представляет расход газа, а не жидкости, а основной задачей является определение эквивалентного расхода сухого газа. Содержащейся в газе жидкостью может быть вода или углеводородные жидкости (так же называемые конденсируемыми газами), или то и другое. Измерение расхода влажного газа – задача довольно новая, однако за последние несколько лет она приобрела все большее значение из-за более широкого применения технологии гидроразрыва пласта (ГРП) для высвобождения газа. Большое количество скважин, созданных по этой технологии для добычи газа, поспособствовало созданию методики компенсации присутствующей жидкости для ГРП и других жидкостей, выходящих вместе с газом. Хотя для удаления жидкостей из газа можно использовать сепаратор, его размер и стоимость делают это устройство непригодным для использования в производственных целях. На Рис. 4.15 показан пример горизонтального сепаратора, обычно использующегося при добычи нефти и газа.

Рис. 4.15: Пример горизонтального сепаратора, обычно использующегося для разделения нефти, воды и газа в добычных скважинах.

Измерение расхода газа

(Влажный газ)

0,40

1. Вход 7. Вода

2. Ловушка для конденсата 8. Нефть

3. Каплеотбойник 9. Стабилизатор потока

4. Отвод газа 10. Отвод воды

5. Газ 11. Отвод нефти

6. Нефть

Обычно, объемная доля влажного газа (отношение объема газа к общему объему газа и жидкости) составляет 90 процентов и выше. Если объемная доля газа меньше 90 процентов, среда считается многофазной и разделяется или измеряется расходомерами, специально предназначенными для измерения расхода газа и жидкости.

Влажные газы классифицируются по расходу и плотности каждой фазы. Параметр, разработанный для этой цели, называется числом Локкарта-Мартинелли и обозначается как X

. Это число

используется для измерения влияния содержания жидкости в газе и вычисляется следующим образом:

Этот метод обычно используется для определения характеристик потоков влажного газа с X

меньше 0,3.

Измерение эквивалентного расхода сухого газа позволяет оптимизировать расход газа с месторождения (т.е. промыс ла) и определить снижение дебита скважины. Подобное может указывать на необходимость ремонта или приближение окончания срока ее эксплуатации.

Практически все расходомеры влажного газа будут давать завышенные показания из-за присутствия в газе жидкости. Процент завышения можно спрогнозировать, проведя испытания расходомера в изменяющихся условиях нагрузки по жидкости. Процент завышения определяется следующим образом:

Массовый расход влажного газа

OR =

Массовый расход сухого газа

Для расходомера по перепаду давления это уравнение можно свести к:

На Рис. 4.16 показан график завышения показаний в зависимости от числа Локкарта-Мартинелли для стабилизирующей измерительной диафрагмы Rosemount 1595. После определения объемной доли газа рассчитывается завышение показаний расходомера и, наконец, эквивалентный расход сухого газа:

(Сухой газ)

Рис. 4.16: Пример корреляции при пересчете расхода влажного газа в сухой для стабилизирующей измерительной диафрагмы Rosemount 1595 с диаметром 80 мм при относительном диаметре отверстия сужающего устройства 0,65. Испытания проведены в лаборатории Colorado Experiment Engineering Station, Inc. (CEESI).

1,45

1379 кПа, 0,65 бета

1,40

1379 кПа, 0,40 бета

1,35

4826 кПа, 0,65 бета

1,30

4826 кПа, 0,40 бета

1,25

1,20

1,15

1,10

1,05

1,00

0,00 0,10 0,20 0,30

0,40 бета: ИЛИ = 1 + 1,01 X

0.65 бета: ИЛИ = 1 + A,23 X

В случае влажного газа, конденсируемые жидкости всегда оседают в нижней части трубопровода. Стандартные измерительные диафрагмы могут иметь дренаж или вентиляционное отверстие, просверленное в диафрагме у стенки трубопровода для отвода жидкостей. Если скорость накопления жидкости превышает пропускную способность отверстия, диафрагма начинает препятствовать потоку, а накопленная жидкость изменяет площадь сечения трубопровода (См. Рис. 4.17), что отрицательно скажется на производительности

. Данной

проблемы можно избежать, используя стабилизирующую измерительную диафрагму Rosemount, установленную таким образом, что одно из ее отверстий будет находиться в нижней части трубопровода. Такая ориентация позволяет значительно сократить накопление жидкостей.

Локкарт Р.В., Мартинелли Р.Ц.; журнал Chemical Engineering

Progress, том 45, 1949 г, стр. 39-48

Измерение расхода газа

Рис. 4.17: Стабилизирующая измерительная диафрагма созначительно меньшей высотой преграждения потока, чемустандартной диафрагмы.

1. Стабилизирующая измерительная диафрагма

2. Стандартная измерительная диафрагма

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Использование расходомеров для измерения расхода влажного газа требует достаточных знаний о свойствах влажного газа. Расходомеры не способны определить содержание жидкости в газе, однако, зная долю газа, а также плотность газовой и жидкой фазы, процент завышения показаний можно рассчитать и вычислить расход сухого газа.

• При использовании стандартной измерительной диафрагмы в ней может потребоваться дренажное отверстие для отвода жидкости. Использование и правильная ориентация стабилизирующей измерительной диафрагмы позволят исключить необходимость в дренажном отверстии.

• При использовании данного метода в расчет расхода сухого газа может быть введена дополнительная погрешность, обычно составляющая 2-3%.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная и стабилизирующая

измерительная диафрагма,

труба Вентури

Многопараметрический

преобразователь

10.4.2 - 10.4.4,

10.5.3, 10.5.4, 10.7.3;

для получения информации

о трубе Вентури

свяжитесь с местным

представительством Emerson

8.10, 10.3.3, 10.7.4

4.4 Плотность газа

Для определения расхода расходомерам по перепаду давления необходимо знать плотность газа в диапазоне условий технологического процесса. Плотность можно определить несколькими методами расчета или же, в случае с чистыми газами, из таблиц значений плотности. Плотность зависит от давления и температуры газа в точке измерения. Компенсация изменения давления и температуры определяется на основании процента изменения этих значений и требуемой производительности. Потенциальная погрешность в показаниях расходомера по перепаду давления составляет половину процента изменения плотности от заданного среднего значения или:

∆Q(% изменения)=0,5×∆ρ(% изменения)

Процент изменения температуры определяется в единицах измерения абсолютной (K), а не относительной (°C) температуры. Более подробная информация о плотности газа представлена вГлаве 2.

Для расчета плотности газа вычислители расхода в расходомере по перепаду давления могут использовать показания давления или температуры, или и то и другое. Многопараметрические измерительные преобразователи обеспечивают простой способ установки и конфигурации измерений расхода газа с частичной или полной компенсацией, учитывающей изменение плотности газа.

4.4.1 Коэффициент расширения газа

Коэффициент расширения газа, обозначаемый Y измерительных диафрагм и Y

(eA) для трубок Annubar, позволяет

учесть изменение плотности газа по мере прохождения потока через расходомер или вокруг него. Коэффициент определяется опытным путем на основании существующих данных ирассчитывается уравнением. При умеренном расходе идавлении в трубопроводе свыше 689,5 кПа влияние коэффициента расширения газа незначительно. При высоком расходе и низком давлении это влияние может увеличиться. Вбольшинстве вычислителей расхода это уравнение запрограммировано. Принеобходимости получения оптимальной точности показаний и отсутствии вычислителя расхода значение Y

или YA необходимо рассчитать и подставить

вуравнение. Более подробная информация о коэффициенте расширения газа представлена вГлаве 3.

(e) для

Измерение расхода газа

4.5 Проблемы газового состава

Состав газа определяется по типам и процентному соотношению каждого чистого газа в смеси. В большинстве случаев, для измерения газовой смеси необходимо знать расход одного или более газового компонента, поэтому эта информация, как правило, имеется. Зная состав, можно рассчитать общие параметры газа. Иногда, газовые компоненты смеси не известны и не требуют определения, как, например, в случае с хвостовыми, отходящими или отработанными газами, являющимися побочным продуктом технологического процесса. Тогда д ля измерения расхода газа может использоваться плотность.

4.5.1 Состав природного газа

Все природные газы представляют собой комбинацию двух или более чистых газов. Для получения точного значения плотности газа необходимо определить содержание каждого компонента. Удельный вес газа можно получить у местной газоснабжающей компании или же использовать газовый хроматограф для анализа состава природного газа в режиме реального времени. Более подробная информация представлена в Главе 2.

4.5.2 Компенсация влажности

Сочетание газа с водяным паром наблюдается во многих технологических процессах. Если вода остается в состоянии пара, можно определить плотность и рассчитать эквивалентный расход сухого пара. Водяной пар, присутствующий в воздухе при атмосферных условиях, называется влажностью, которую можно измерить несколькими способами. Присутствие в воздухе водяного пара влияет на плотность и, в меньшей степени, на вязкость. При достаточно высокой влажности и уменьшении температуры водяной пар, содержащийся в воздухе, способен конденсироваться, что может быть нежелательным в технологическом процессе. Существует большое количество устройств для измерения влажности окружающего воздуха. Это измерение может использоваться для корректировки плотности воздуха в воздушных системах и повышения точности показаний расхода.

4.5.2.1 Насыщенный и ненасыщенный газ

Количество водяного пара в газе зависит от температуры газа. Количество пара в смеси выражается парциальным давлением или давлением, которое существует только при наличии водяного пара при заданной температуре. Чем выше температура, тем больше содержание пара, и тем выше парциальное давление.

При заданной температуре существует максимальное количество пара, способное содержаться в газе, или максимальное парциальное давление, которое называется давлением насыщения P

. Влажный газ с температурой ниже этого

нас.

значения считается ненасыщенным. В Таблице 4.1 показано давление насыщения водяного пара при разных температурах.

Таблица 4.1: Давление насыщения водяного пара при разных температурах.

Давление насыщения водяного пара

Температура, °C

-1,11 0,56

4,44 0,84

10,00 1,23

15,56 1,77

21,11 2,50

26,67 3,49

32,22 4,81

37,78 6,54

43,33 8,79

48,89 11,67

Давление, P

нас.

, кПа

4.5.2.2 Расчет плотности влажного воздуха

Общее уравнение для расчета удельного веса влажного газа,

выглядит следующим образом:

влаж.

Влажн

Где:

Сух

Парциальное давление водяного пара

Абсолютное давление газа

Удельный вес сухого газа

Сух

Поскольку удельный вес сухого воздуха равен 1, уравнение удельного веса влажного воздуха сводится к:

Измерение расхода газа

for USC Units, and

Влажн

Для массового расхода поправка составляет:

Еще одним важным определением для относительной влажности RH является:

Гд е T обозначает, что относительная влажность рассчитывается при определенной температуре. После определения относительной влажности парциальное давление P рассчитать по давлению насыщения P

нас.

можно

Используя уравнение плотности газа в Главе 2 плотность влажного воздуха можно рассчитать следующим образом:

кг

Влажн

Пример:

Воздух горения подается в котел по системе воздуховодов. Температура воздуха составляет 27°C, давление – 103,77 кПа. При относительной влажности 50% рассчитаем удельный вес и плотность влажного воздуха.

Парциальное давление водяного пара:

3,49

0,5

1,745 кПа абс

Удельный вес влажного воздуха:

Влажн

0,3780

1,745 кПа

103,77 кПа

0,9936

Плотность влажного воздуха:

кг/м

3,48341

0,9936

103,77

27 + 273

1,1972

4.5.2.3 Корректировка показаний расходомера с учетом влажности

Если расходомер измеряет расход влажного воздуха, эквивалентный расход сухого газа можно получить, применив корректировки, при условии использования фактической плотности влажного воздуха. Для объемного расхода применяется следующая корректировка:

Сух

Влажн

Сух

Влажн

4.6 Применяемые стандарты

Для расходомеров по перепаду давления существует несколько отраслевых стандартов. Для большинства незапатентованных устройств стандарты применимы непосредственно к их изготовлению, установке и эксплуатации. Для запатентованных устройств стандартов обычно не существует, однако имеются общие руководства, разработанные специально для этих типов расходомеров по перепаду давления. В Таблице 4.2 показаны общие стандарты, применимые к расходомерам по перепаду давления.

В данном случае, из-за влажности плотность воздуха снижается на 0,6%. Игнорирование этого изменения плотности приведет к погрешности в показаниях расходомера в размере 0,3%.

Измерение расхода газа

Таблица 4.2: Стандарты для расходомеров по перепаду давления

Стандарты расходомеров по перепаду давления

Пер-

Тип кон-

вичный

элемент

Хотя стабилизирующая измерительная диафрагма запатентована, ее конструкция аналогична конструкции стандартной диафрагмы, а технические характеристики на изготовление основаны на той информации, что показана в этих стандартах. Более подробная информация о стандартах и первичных элементах показана в

диафрагма

билизирующая измерительная

Измерительная диафрагма, ста-

Труба Вентури

Сопла и сопла Вентури

Измерительная

диафрагма с малым

диаметром отверстия

трубки Пито

Осредняющие

элемент

Конусный

первичный

элемент

первичный

Клиновидный

струк-

ции

Запатентован-

Незапатенто-

Стандарт Применение

ISO-5167 – Часть 2,

Отчет AGA №3, ASME

MFC-3M, ANSI 2530

ASME MFC-3M

ISO 5167 – Часть 4

Незапатентованный

ASME MFC-3M

ISO 5167 – Часть 3

ASME MFC-14M

ISO 15377

ASME MFC-12M,

ные

Руководство

ISO 5167 – Часть 5

ванный

ISO 5167 – Часть 6

ванный

Фланцевый, угловой,

трёхрадиусный отбор

b = от 0,1 до 0,75;

D = от 50 до 1000 мм

ASME Труба Вентури;

b = от 0,3 до 0,8;

D = от 100 до 1200 мм

Труба Вентури;

b = от 0,3 до 0,075;

D = от 50 до 1200 мм

ISA 1932 и эллипсное сопло;

b = от 0,3 до 0,8;

D = от 50 до 1200 мм

ISA 1932 и эллипсное сопло;

b = от 0,3 до 0,8;

D = от 50 до 500 мм

Угловые отборы; b = от 0,1 до 0,8;

D = от 6 до 40 мм

Угловые отборы;

b = от 0,23 до 0,70;

D >100 мм

Описывает большинство

конструкций осредняющих

трубок Пито, однако

содержит лишь общую

информацию

b = от 0,45 до 0,75;

D = от 50 до 500 мм

Гидравлический

диам. = от 0,2 до 0,6

Номинальный размер

трубопровода DN50 - DN600

Главе7и 9.

4.6.1 Отчет AGA №3

В отчете AGA №3 содержится четыре раздела:

1. Раздел 1: Общие уравнения и рекомендации по вычислению погрешности

2. Раздел 2: Технические спецификации и требования к установке

3. Раздел 3: Природный газ

4. Раздел 4: Общая информация, разработка, процедура внедрения, а также документация по подпрограмме вычисления эмпирического уравнения коэффициента истечения для фланцевого отбора

4.6.2 ISO 5167

В настоящее время стандарт ISO 5167 состоит из 6 разделов:

1. Раздел 1: Общие принципы и требования

2. Раздел 2: Измерительные диафрагмы

3. Раздел 3: Сопла и сопла Вентури

4. Раздел 4: Расходомеры на основе труб Вентури

5. Раздел 5: Конусные расходомеры

6. Раздел 6: Клиновые расходомеры

4.6.3 Документация ASME MFC

Измерение расхода текучих сред в закрытых каналах (MFC) – отдельная группа ASME, занимающаяся разработкой стандартов измерения расхода. Документация применима как к незапатентованным, так и запатентованным конструкциям. Документация для запатентованных конструкций представляет собой скорее руководство и инструкцию по применению. Красходомерам по перепаду давления применима следующая документация:

1. MFC-3M: Измерение расхода среды в трубопроводах при

помощи измерительной диафрагмы, сопла и трубы Вентури.

2. MFC-7: Измерение рас хода газа с помощью труб Вентури ирасходомерных сопел критического расхода

3. MFC-8M: Расход среды в закрытых каналах: Соединения для передачи сигнала давления между первичными ивторичными устройствами

4. MFC-12M: Измерение рас хода среды в закрытых каналах при помощи многопортовых первичных элементов осредняющей трубки Пито

Измерение расхода газа

5. MFC-14M: Измерение рас хода среды при помощи прецизионных измерительных диафрагм c отверстием малого диаметра.

4.6.4 Отчет AGA №8

Данный отчет ссылается на отчет AGA №3 и содержит подробную информацию о точных вычислениях коэффициентов сжимаемости и плотности природного газа, а также других углеводородных газов. Здесь также приводятся расчеты погрешностей и типовые списки компьютерных программ в FORTRAN. В стандарте представлена общая информация о приложениях для расчета прочих свойств, однако без подробного описания.

4.6.5 ГОСТ 30319

В Российской Федерации ГОСТ является руководящим стандартом, формулирующим требования к измерениям расхода газа. В ГОСТ 30319.1-2015, 30319.2-2015 и 30319.3-96 приводятся методы расчета физических свойств природного газа для измерений расхода по перепаду давления. Стандарт содержит три основных раздела:

• ГОСТ 30319.1-2015: Газ природный. Методы расчета физических свойств. Общие положения

• ГОСТ 30319.2-2015: Газ природный. Методы расчета физических свойств. Вычисление физических свойств на основе данных о плотности при стандартных условиях и содержании азота и диоксида углерода

• ГОСТ 30319.3-2015: Газ природный. Методы расчета физических свойств. Вычисление физических свойств на основе данных о компонентном составе

4.6.7 Прочие стандарты

К прочим широко распространенным международным стандартам измерения расхода природного газа относятся ISO 20765-1:20053 и ISO 6976:19954. В ISO 20765 для расчета термодинамических свойств газовой фазы используется основная информация для вывода уравнения состояния природного газа из отчета AGA №8. В ISO 6976:2016 содержится информация для вычисления теплоты сгорания, плотности, относительной плотности и числа Воббе на основе компонентного состава.

4.7 Дополнительная информация

Более подробную информацию можно найти в следующих источниках:

1. Стандарты производительности для новых стационарных источников, Свод федеральных нормативных актов США, Раздел 40, § 60, 1989 г.

2. Непрерывный мониторинг выбросов, Свод федеральных нормативных актов США, Раздел 40, § 75, 1994 г.

3. Измерение многофазного потока, API Руководство по

стандартам измерений в нефтяной промышленности

(MPMS), Глава 20.3, январь 2013 г.

4. Введение в измерение расхода влажного газа, публикация Национальной системы измерений, TUV-NEL, 2007 г.

5. Измерение потока на факелы API

стандартам измерений в нефтяной промышленности (MPMS), Глава 14:10, январь 2012 г.

Руководство по

4.6.6 ASME B31.8

ASME B31.8 – наиболее широко распространенный стандарт проектирования, эксплуатации, технического обслуживания и ремонта распределительных и магистральных газопроводов природного газа.

В данном стандарте особое внимание уделяется безопасности эксплуатации и технического обслуживания распределительных и магистральных систем и объектов. В нем определяются технические требования для обеспечения безопасности конструкции и строительства напорных трубопроводов.

Измерение расхода газа

Измерение расхода жидкости

Раздел Страница

5.1 Введение 76

5.2 Распространенные сферы применения 76

5.3 Особые сферы применения 86

5.4 Требования к измерению плотности 87

5.5 Сложности и факторы, которые необходимо учитывать при эксплуатации 87

5.6 Применяемые стандарты 88

Измерение расхода жидкости

5.1 Введение

Технология измерения расхода по перепаду давления получила широкое распространение в измерении расхода жидкостей благодаря своей гибкости, надежности, точности и простоте использования. В качестве типичных примеров можно привести измерение расхода воды, углеводородов и сжиженных газов. Расход более сложных материалов, таких как пульпа, также может быть измерен с помощью специализированных приборов. В дополнение к измерению расхода жидкостей в этой главе рассматриваются материальные, физические и технические факторы, которые необходимо учитывать для обеспечения точности и надежности показаний расхода.

Основную проблему в измерении расхода жидкостей представляет вязкость. На Рис. 5.1 показаны применяемые диапазоны значений вязкости для разных первичных элементов. Данные рекомендации следует иметь ввиду, поскольку выбор первичных элементов зависит от измеряемой жидкости.

Рис. 5.1: Стандартные диапазоны значений вязкости для нескольких типов первичных элементов расходомеров по перепаду давления. Ось X – логарифмическая шкала.

5.2 Распространенные сферы применения

5.2.1 Охлаждающая вода

Основная функция в сфере применения

В большинстве промышленных процессов при изготовлении конечных продуктов из исходного сырья используется или выделяется тепло. Благодаря низкой стоимости, безопасности, эффективности и доступнос ти в качестве среды охлаждения часто используется вода. Измерение расхода охлаждающей воды – это особо важная составляющая управления технологическим процессом и соответствия экологическим нормам. См. Рис. 5.2. В некоторых отраслях, например, химической промышленности

и атомной энергетике, в связи с дополнительными мерами производственной безопасности для предотвращения потери контроля и инцидента к управлению технологическими процессами применяются более строгие требования.

Для поддержания необходимого объема воды, как правило, измеряется расход подпиточной воды или воды, подаваемой для восполнения потерь при испарении. Измерение расхода позволяет в точности учитывать объем воды в системе, а любое отклонение от нормы может указывать на утечки или другие проблемы в эксплуатации.

Рис. 5.2: Промышленная градирня для отведения излишнего тепла из технологического процесса методом испарения

Точное измерение расхода, будь то для оптимизации процесса или соответствия экологическим нормам, требует измерения расхода охлаждающей воды как на входе, так и выходе из теплообменников. Это имеет особое значение для таких высокотемпературных систем, как например системы охлаждения фурм доменной печи. Фурма – это сопло, через которое подается воздух в доменную печь См. Рис. 5.3. Утечка в схеме охлаждающей воды приведет к изменению динамики в системе охлаждения и снижению производительности и эффективности печи. Кроме того, в дополнение к проблемам с эффективностью, утечка воды в печи может привести к повреждению.

Контроль расхода также желателен при добавлении химических реагентов. Точно сбалансированный расход химических реагентов в системе обеспечивает их эффективное использование для достижения оптимальных результатов.

Охлаждение в атомной энергетике требует жесткого контроля. Ситуации с недопустимо низким расходом, создающие проблемы с безопасностью, имеют первостепенное значение, однако существуют и другие условия, которые требуют тщательного мониторинга. К ним относится обнаружение утечек, функционирование предохранительных клапанов и систем опробования, в также добавление химических реагентов. Оборудование для измерения расхода в атомной

Измерение расхода жидкости

энергетике зачастую требует сертификации ASME типа N или NPT, подтверждающей его пригодность для данной сферы применения и рабочих условий.

Рис. 5.3: Доменная печь с контролем расхода в системах охлаждения во избежание повреждения или возникновения опасных условий.

• Для трубопроводов большого диаметра с высоким расходом необходимы экономичные технологии измерения с надежной конструкцией. С этой задачей могут справиться осредняющие трубки Пито при меньшей стоимости монтажа.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная или стабили-

зирующая измерительная

диафрагма

Осредняющая трубка Annubar

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

5.2.2 Котельные системы

Основная функция в сфере применения

Котел – это закрытый агрегат, предназначенный для нагревания воды или другой жидкости до точки ее превращения в пар. В данном случае вода, в основном, используется для производства пара. Поскольку после превращения в пар вода выходит из котла, ее необходимо восполнять для поддержания стабильного режима работы. Эту функцию выполняет система питательной воды. Как только пар достигает места потребления, происходит частичная отдача тепла и конденсация обратно в жидкую воду. Эта вода или конденсат возвращается в котел по системе конденсата и используется повторно, что повышает эффективность и снижает эксплуатационные затраты. Подробное описание использования и измерения пара представлено в Главе 6.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Точность измерения имеет большое значение для поддержания сбалансированного расхода в системе и соответствующей охлаждающей способности.

• Современные системы охлаждения могут быть весьма сложными. Мониторинг расхода в различных точках технологического процесса помогает обеспечить эффективную эксплуатацию.

• В некоторых отраслях, таких как химическая промышленность и атомная энергетика, к измерению расхода применяются более строгие требования, которые могут потребовать сертификации измерительного прибора по уровню полноты безопасности (SIL).

5.2.2.1 Питательная вода котла

Основная функция в сфере применения

Измерение расхода питательной воды котла является еще одной распространенной сферой применения расходомера. См. Рис. 5.4. Поскольку в котле производится пар, насосы питательной воды должны обеспечивать постоянный расход для поддержания стабильного режима эксплуатации, а также защиты от опасно низких уровней воды в котле. Эта питательная вода обычно представляет собой смесь рециркулированного конденсата и очищенной подпиточной воды, которая соответствует требованиям к чистоте воды в котле.

Для контроля подачи питательной воды необходимо измерение уровня в паровом барабане котла и расхода в системе. Точность измерения расхода имеет большое значение для надежности системы и поддержания стабильной паропроизводительности.

Измерение расхода жидкости

Рис. 5.4: Схематическое изображение системы питательной воды котла.

1. Конденсатоотводчик

2. Технологическое оборудование

3. Пар низкого давления

4. Конденсатор

5. Сборник конденсата

6. Насос

7. Рециркуляция конденсата из технологического процесса

8. Деаэратор

9. В ентиляция

10. Насосы

11. Источник воды

12. Рассол

13. Водоумягчители

14. Подача реагентов

15. Выход топлива

1314

16. Подогреватель топлива

17. Вход топлива

18. Сепаратор сброса конденсата

19. Вентиляция

20. Вентиляционные отверстия предохранительного клапана

21. Предохранительные клапаны

22. Котел

23. Горелк а

24. Рециркуляция газообразного топлива

25. Воздуходувка

26. Экономайзер

27. Дымоход

28. Выпуск

29. Подогреватель

30. Пар высокого давления на технологическое оборудование

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Системы питательной воды котлов, как правило, работают под давлением с переменными показателями расхода, что может учитываться современными расходомерами по перепаду давления.

• В связи с компактной площадью монтажа могут возник ать сложности с требуемой протяженностью прямого участка. Эта проблема решается установкой стабилизирующей измерительной диафрагмы.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Стандартная или стабилизирую-

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

щая измерительная диафрагма

Многопараметрический

преобразователь

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

10.7.3

8.10, 10.3.3, 10.7.4

Измерение расхода жидкости

5.2.2.2 Система конденсата

Основная функция в сфере применения

Пар используется во многих отраслях промышленности для производства технологического тепла. После высвобождения большей части полезной энергии он превращается обратно в воду, которая называется конденсатом. Этот конденсат попрежнему имеет высокое теплосодержание и чистоту, поэтому его можно рециркулировать в котел вместе с питательной водой для снижения потребности в подпиточной воде и энергии, как показано на Рис. 5.5. Измерение рециркулированного конденсата имеет большое значение для контроля общей эффективности системы и определения возможностей для улучшения.

Рис. 5.5: Схема простой системы конденсата.

1. Пар низкого давления

2. Конденсатор

3. Резервуар для сбора конденсата

4. Насос

5. Рециркуляция конденсата из технологического процесса

6. Деаэратор

7. Вентиляция

8. Вода с подогревателя

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Системы конденсата могут быть сложными и масштабными. Для контроля расхода в таких точках могут использоваться беспроводные расходомеры по перепаду давления.

• В зависимости от количества рециркулированного конденсата расход может быть нерегулярным.

• В сложных процессах д ля устранения проблем с требуемой протяженностью прямого участка могут использоваться стабилизирующие измерительные диафрагмы.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Стандартная или стабили-

зирующая измерительная

диафрагма

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

5.2.3 Питьевая вода для промышленных и бытовых нужд

Основная функция в сфере применения

Для достижения удовлетворительных результатов и соответствия нормативным требованиям все этапы очистки водопроводной воды, включая удаление отложений, фильтрацию, дезинфекцию и дозирование, подлежат точному измерению и контролю. См. Рис. 5.6. Точное и регулярное измерение расхода во всей водораспределительной системе также необходимо для диагностики утечек и контроля пропускной способности при выставлении счетов.

Рис. 5.6: Типичная система питьевого водоснабжения

1. Неподготовленная вода

2. Коагулянт

3. Бассейн коагуляции/флоккуляции

4. Отстойник

5. Фильтр

6. Фториды

7. Дезинфицирующее вещество

8. Бассейн дезинфекции

9. Контроль коррозии

10. Резервуар для хранения очищенной воды

11. Онлайн системы мониторинга качества воды

12. Внутреннее потребление

Измерение расхода жидкости

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Перемещение воды должно происходить постоянно с измерением и контролем расхода на различных этапах очистки.

• В трубопроводах большого диаметра установка традиционных расходомеров может быть связана с высокими капитальными затратами. Врезные расходомеры, такие как осредняющие трубки Annubar™, являются более экономичным вариантом.

• Подземные трубопроводы имеют ограниченный доступ для установки и технического обслуживания точек измерения. Измерительные преобразователи врезных расходомеров, на базе осредняющих трубок Annubar, могут располагаться на поверхности для облегчения доступа к оборудованию итехнического обслуживания.

• В сложных распределительных сис темах необходим контроль во множественных точках на больших расстояниях.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Стандартная или стабилизирующая измерительная диафрагма

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

5.2.4 Углеводороды и передача продукции

потребителю

Основная функция в сфере применения

Нефтяная промышленность обычно подразделяется на три основных направления: переработка, транспортировка и добыча. Расходомеры по перепаду давления широко используются в нефтяной промышленности, при этом измерительные диафрагмы являются наиболее популярной технологией. Для выбора наиболее подходящей технологии для измерения среды необходимо учитывать ряд факторов, включая вязкость, удельный вес и плотность жидкости. Кроме того, необходимо принимать во внимание гибкость установки, стоимость монтажа, и требования к необходимому пространству и калибровке.

5.2.4.1 Переработка

Основная функция в сфере применения

Области применения для измерения расхода по перепаду давления в переработке нефтепродуктов многочисленны и широко различаются по своим функциям и задачам. Общий технологический контроль на нефтеперерабатывающем заводе требует измерения расходов в отдельных потоках. Для остановки опасных процессов при возникновении нештатных условий системы противоаварийной защиты (СПАЗ) нуждаются в дополнительных измерениях. См. Рис. 5.7.

Рис. 5.7: На нефтеперерабатывающих заводах существует большое количество областей применения расходомеров с жесткими требованиями к проектированию и приемочным испытаниям.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• В нефтяной промышленности часто наблюдаются повышенные температуры и давление, что однако неявляется преградой для использования расходомеров поперепаду давления.

• Измеряемые среды могут быть агрессивными, что требует использования коррозионностойких материалов при изготовлении. Первичные элементы могут изготавливаться изразличных материалов.

• Пространс тво для прямого участка трубопровода может быть ограниченно, в особенности при модернизации или реконструкции завода. Технология стабилизирующей измерительной диафрагмы позволяет свести к минимуму необходимую протяженность прямого участка. Для работы с легковоспламеняющимися углеводородами требуются фланцевые соединения и запорные клапаны класса трубопроводов. Расходомеры удовлетворяют этим требованиям, а также требованиям пожарной безопасности.

Измерение расхода жидкости

• Течение жидкостей с высокой вязкостью происходит в диапазоне низких значений числа Рейнольдса. В данных условиях может использоваться диафрагма с коническим входом или со скошенной кромкой. Для измерения пульпы или других вязких сред, способных привести к закупориванию расходомера могут использоваться клиновидные первичные элементы. См. Рис. 5.8.

• Для работы системы противоаварийной защиты необходимо несколько расходомеров или первичных элементов с несколькими измерительными преобразователями.

Рис. 5.8: Клиновидный первичный элемент с выносной разделительной мембраной для грязных или сильно вязких текучих сред.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная или стабилизирующая измерительная диафрагма

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

5.2.4.2 Транспортировка и хранение

Основная функция в сфере применения

Основные функции данного направления представлены транспортировкой и хранением сырой нефти с месторождений донефтеперерабатывающих заводов по трубопроводам, железным и автомобильным дорогам, воде и т.д. Обнаружение утечек изтрубопроводов и погрузка при транспортировке – наиболее распространенные сферы применения расходомеров по перепаду давления. См. Рис. 5.9.

Рис. 5.9: Станция измерения и регулирования расхода при хранении итранспортировке

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Трубопроводы имеют большую протяженность и, как правило, прокладываются под землей, что ограничивает доступ к измерительному оборудованию. Для получения доступа к измерительным преобразователям могут использоваться врезные расходомеры.

• Одним из требований коммерческого учета при передаче продукции потребителю может быть установка согласованного измерительного оборудования.

• Инспекция и периодическая очистка внутренней поверхнос ти трубопровода с помощью скребков (т.е. прохождение монолитного скребка по трубопроводу для удаления скопившегося материала) требуют демонтажа расходомера, конструкции, обеспечивающей возможность прохождения скребка, и/или наличия байпаса в трубопроводе.

Рис. 5.10: Нефтегазовое месторождение.

Измерение расхода жидкости

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

Стандартная или стабилизирующая измерительная диафрагма

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

5.2.4.3 Добыча

Основная функция в сфере применения

В данном направлении речь идет о площадках под бурение фактических скважин, из которых добываются нефтепродукты. К ним относятся как морские платформы, так и скважины в отдаленных материковых районах. В этой сфере применения низкое энергопотребление расходомеров по перепаду давления, а также возможность беспроблемной замены изношенных компонентов в абразивных условиях скважин с выносом песка дает значительное преимущество.

Измерение расхода сырой нефти может быть проблематичным при высокой вязкости или изменении свойств. При работе со сложными или сильно вязкими средами клиновой расходомер с измерительными преобразователями c выносными разделительными мембранами обладает определенными преимуществами, такими как устойчивость к закупориванию и способность измерения высоких температур.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Для измерения расхода в скважинах, дающих жидкос ти игазы, требуются либо особые решения для учета расхода влажного газа, либо наличие сепаратора, позволяющего измерить независимые потоки.

• Из скважин добывается нефть или газ, в том числе с выходом при этом песка, который оказывает абразивное действие на производственное оборудование. Использование надежных первичных элементов, таких как клиновой расходомер, позволяет решить эту проблему.

• В отдаленных районах без доступа к инженерным коммуникациям необходим низкий расход электроэнергии. Расходомеры по перепаду давления имеют низкое энергопотребление и могут питаться от батарей или солнечных батарей.

• В течение срока эксплуатации скважины может произойти значительное изменение в давлении и расходе, в связи с чем расходомер должен работать в большом диапазоне значений.

Для решения этой проблемы существует возможность замены измерительных диафрагм в течение срока эксплуатации скважины.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная или стабилизирую-

щая измерительная диафрагма

Клиновой расходомер

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

Свяжитесь с местным предста-

вительством Emerson.

5.2.4.4 Передача продукции потребителю (коммерческий учет)

Основная функция в сфере применения

Передача продукции потребителю или коммерческий учет – это измерение среды в точке передачи продукции от одной стороны к другой при реализации. В качестве примера можно привести продажу сырой нефти нефтетранспортной компанией на НПЗ. Передача продукции требует высокой точности измерений и, зачастую, регулируется организацией по стандартизации. Некоторые системы коммерческого учета оснащены встроенными средствами (пруверами) для периодической калибровки и поверки измерительной системы. См. Рис. 5.11. Однако калибровка или поверка коммерческого расходомера при помощи мобильного оборудования или другого поставщика услуг пользуется большей популярностью.

Рис. 5.11: Пруверы обычно используются для проверки показаний расходомера на месте установки.

Измерение расхода жидкости

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Как правило требуется соответствие стандартам, установленным различными организациями, См. Раздел 5.6.

• Вероятно, что расходомер должен соответствовать стандартам высокой точности и воспроизводимости.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная измерительная

диафрагма

10.4.3, 10.5.4, 10.7.3.3

5.2.5 Извлечение сжиженных нефтепродуктов –

закачивание воды

Для поддержания добычи нефти на зрелых месторождениях обычно необходимы большие объемы воды. См. Рис. 5.12. Нагнетание воды – наиболее распространенный вторичный метод добычи нефти благодаря его эффективности, низкой стоимости и доступности в больших объемах. Данный процесс может занять десятилетия и требует тщательного контроля расхода для максимального извлечения нефти. Закачивание воды в пласт регулируется измерением расхода закачиваемых жидкостей и добываемой нефти для достижения максимального извлечения.

Рис. 5.12: Закачивание воды в нефтяные скважины через приконтурные нагнетательные скважины. Вода подводит нефть кдобычным скважинам в центре месторождения.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Контроль расхода необходим для очистки воды перед закачиванием ее в пласт для поддержания заводнения иэффективности добычи.

• Измерение расхода воды имеет принципиальное значение для программ заводнения, нацеленных на поддержание пластового давления. Чрезмерное заводнение может привести к прорыву воды и снижению эффективности добычи нефти.

• Буровые площадки, как правило, находятся в отдаленных районах и охватывают большую территорию, в связи с чем источники электроэнергии, за исключением солнечных панелей, могут отсутствовать. Расходомеры по перепаду давления могут работать в этих условиях.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Стандартная или стабилизирую-

щая измерительная диафрагма

10.4.2 - 10.4.4, 10.5.3, 10.5.4,

10.7.3

5.2.6 Измерение расхода воды из естественных

источников (реки, озера)

Основная функция в сфере применения

Измерение расхода воды из естественных источников зачастую связано с чрезвычайно большими объемами и размерами трубопроводов. См. Рис. 5.13. К этой сфере применения относится забор воды для крупных коммунальных систем водоснабжения, напорных трубопроводов от резервуаров до гидроэлектростанций, а также охлаждающей воды для производства электроэнергии или использования в промышленных процессах. Измерение расхода имеет важное значение в силу ряда причин, включая требования к сохранению воды (особенно это касается мониторинга для обеспечения минимального воздействия на экологические системы), контроль утечек и мониторинг эффективности технологических процессов.

1. Глубина

2. Добычная скважина

3. Нагнетательная скважина

4. Газ

5. Не фть

6. В ода

7. Покрывающие породы

8. Резервуар

Измерение расхода жидкости

Рис. 5.13: В связи с большими диаметрами и отдаленностью районов измерение расхода в коммунальных водосборных трубопроводах большой протяженности представляет особую сложность.

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Чрезмерно большие расходы и размеры трубопроводов более 3 м в диаметре затрудняют установку и техническое обслуживание расходомеров. Эти проблемы можно решить с помощь врезных расходомеров, таких как осредняющие трубки Пито.

• Трубопроводы могут располагаться в сложных и/или отдаленных районах. Очень важно иметь возможность устранить неполадки на месте установки и проверить работоспособность, если это будет необходимо. Для снижения стоимости монтажа, т.е. затрат на проводку до новых точек измерения расхода, может использоваться технология беспроводных измерительных преобразователей.

• Измерение расхода играет решающую роль в обнаружении утечек в удаленных или подземных трубопроводах.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

Свяжитесь с местным

Труба Вентури

представительством

Emerson.

5.2.7 Трубопроводы и напорные линии большого

диаметра

Основная функция в сфере применения

Напорные линии – это трубопроводы большого диаметра, подающие воду на турбины гидроэлектростанций изводонапорных резервуаров. Мониторинг расхода выполняет важную роль в контроле подачи воды из резервуара, электрической мощности генератора, а также определении эффективности работы турбины. См. Рис. 5.14.

Рис. 5.14: Типичная схема гидроэлектростанции

78 9

1. Резервуар

2. Дамба

3. Генератор

4. Трансформатор

5. Машзал

6. Линии элек тропередач

7. Место забора

8. Регулирующий затвор

9. Напорный водовод

10. Турбина

11. Выход

Характерные особенности и сложности сферы применения

• Крупные водоводы и напорные трубопроводы обычно прокладываются под землей или доступны только через галереи. Предпочтительным вариантом в этом случае являются врезные расходомеры.

• Большинство технологических процессов данного типа работает при относительно низком давлении, а трубопроводы на некоторых участках могут быть не полностью заполнены (т.е. в верхней части горизонтального участка присутствует воздух). Для обеспечения наилучших результатов измерения следует выполнять в том месте, где трубопровод остается полностью заполнен.

• При подключении измерительного преобразователя или вторичного прибора следует учитывать необходимость предотвращения попадания воздуха в импульсную линию и/ или технического обслуживания для обеспечения нормальной работы системы.

Подходящие технологии

Технология Rosemount Руководства по установке

Осредняющая трубка Annubar

10.4.1, 10.5.2, 10.7.2

Свяжитесь с местным

Труба Вентури

представительством

Emerson.

Rosemount Справочное руководство инженера по измерению расхода по перепаду давления Manuals & Guides [ru]

Specifications and Main Features

Frequently Asked Questions

User Manual

Введение

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления 4

1.1 Введение

1.2 История технологии измерения расхода по перепаду давления

1.2.1 Уравнение Бернулли

1.2.2 Число Рейнольдса

1.3 Перепад давления и расходомер по перепаду давления

1.4 Основные понятия измерения расхода по перепаду давления

1.4.1 Что такое расход?

1.4.2 Принципы измерения расхода

1.4.3 Трубка Пито

1.4.4 Расходомер по перепаду давления

1.4.5 Первичный элемент

1.4.6 Вторичный элемент

1.5 Сферы применения измерений расхода по перепаду давления

1.6.2 Расходомер по перепаду давления интегральной конструкции

1.7 Альтернативные технологии измерения расхода

1.7.1 Кориолисовая технология

1.7.2 Электромагнитная технология

1.7.3 Вихревая технология

1.7.4 Ультразвуковая технология

2.1 Введение

2.2 Физические свойства измеряемых сред

2.2.1 Масса, сила и вес

2.2.2 Плотность

2.2.3 Удельный вес и удельная плотность

2.2.4 Жидкие смеси

2.2.5 Давление

2.2.7 Законы идеальных и реальных газов

2.2.7.1 Моль и число Авогадро

2.2.7.2 Уравнение состояния

2.2.7.3 Сжимаемость газа

2.2.8 Газовые смеси

2.2.8.1 Сжимаемость газовой смеси

2.2.9 Влажность

2.2.10 Удельная теплоемкость газа и показатель адиабаты

2.2.11 Вязкость

2.3 Основная информация о расходе измеряемой среды

2.3.1 Скорость

2.3.2 Фактический объемный расход

2.3.3 Массовый расход

2.4 Основные термины расходометрии по перепаду давления

2.4.2 Перепад давления

2.4.4 Ограничение проточной части трубопровода расходомером по перепаду давления

2.4.5 Коэффициент истечения

2.4.6 Коэффициент расхода

2.4.7 Динамический диапазон измерений расхода по перепаду давления

2.4.8 Погрешность измерения

2.5 Применяемые стандарты

Теория расходометрии по перепаду давления

3.1 Введение

3.2 Энергия измеряемой среды в движении

3.2.1 Кинетическая энергия измеряемой среды

3.2.2 Гравитационная энергия измеряемой среды

3.2.3 Энергия давления измеряемой среды

3.2.4 Внутренняя энергия измеряемой среды

3.2.5 Сложение разных видов энергии измеряемой среды

3.3 Особые формы уравнения энергии измеряемой среды

3.4 Уравнение энергии для расходомера по перепаду давления

3.4.2 Вывод теоретического уравнения для трубки Пито

3.5 Теоретическое и истинное уравнение расхода измеряемой среды

3.6 Практические уравнения расхода по перепаду давления

3.6.1 Коэффициент пересчета единиц измерения, N

3.7 Число Рейнольдса и профиль скорости потока

3.7.1 Профиль скорости потока

3.7.2 Коэффициент кинетической энергии

3.7.3 Расчет числа Рейнольдса

3.7.4 Трубопроводы или воздуховоды некруглого сечения

3.8 Развитое и неразвитое течение

3.9 Поток сжимаемой среды

3.9.1 Коэффициент изоэнтропийного расширения

3.9.2 Коэффициент неизоэнтропийного расширения

3.9.3 Коэффициент расширения осредняющей трубки Пито

3.10 Применяемые стандарты

3.11 Дополнительная информация

Измерение расхода газа