Разработка расходомера переменного перепада давления с диафрагмой

Расходомер состоит из модуля измерительного и модуля контроля и управления, конструктивно выполненных в одном корпусе.

Модуль измерений предназначен для измерения параметров потока, формировании и передачи выходных сигналов первичных преобразователей в модуль контроля и управления.

В модуле измерений расположены:

1. П-образный трубопровод постоянного сечения диаметром от 30 до 120 мм, служащий для формирования потока газоводонефтяной смеси, с установленными на нём ультразвуковым и радиочастотным датчиками. На трубопроводе дополнительно установлены датчик избыточного давления, датчик перепада давления и датчик температуры;
2. Системы освещения и сигнализации.

Модуль контроля и управления включает в себя блок управления БУ-1 и блок питания БП-1. Обеспечивает питание, управление работой расходомера, сбор, преобразование, индикацию на отсчётном устройстве и передачу данных о результатах измерений  на диспетчерский пункт.

1.2 Структурная  схема многофазного расходомера

Рисунок 1.2

 

 

 

1.3 Метрологические и технические характеристики

Рабочей средой для расходомеров является продукция нефтяных скважин  включающая:

1. Сырую нефть, представляющую собой смесь углеводородов широкого физико-химического состава, пластовой воды, механических примесей, минеральных солей и растворённого нефтяного газа;
2. Свободный нефтяной газ.

Основные технические и метрологические характеристики для многофазного расходомера типа MPFM 1900 VL представлены в таблице 1.3

Таблица 1.3 – Технические и метрологические характеристики

Наименование показателя	Значение
Диапазон измерения давления, МПа	От 0.1 до 10.0
Условный диаметр расходомера, Dy, мм	33, 48, 73, 102
Диапазон измерений массового  расхода жидкости, т/ч для условного  диаметра: Dy33 Dy48 Dy73 Dy102	От 0.03 до 20 От 0.07 до 45 От 0.15 до 83 От 0.3 до 83
Диапазон измерений объёмной доли воды в нефти, %	От 0 до 95
Потребляемая мощность, Вт, не более	250
Пределы допускаемой абсолютной погрешности канала измерения температуры, ̊С	±1.0
Пределы допускаемой абсолютной погрешности канала измерения давления, %	±1.0
Пределы допускаемой абсолютной погрешности канала измерения плотности, кг/м2	±5.0
Параметры измеряемой среды: Кинематическая вязкость, м2/с Плотность жидкости, кг/м3 Влагосодержание, %	От 1*10-6 до 500*10-6 От 750 до 1100 От 1.0 до 100
Масса, кг, не более	130
Степень защиты, обеспечиваемая оболочкой расходомера по ГОСТ 14254 - 96	IP56
Условия эксплуатации: Температура окружающей среды, ̊С Относительная влажность при +35 ̊С, %, не более	От -45 до +50   98
Срок службы, лет, не менее	8

1.4 Область применения

Одной из современных технологий измерения потока нефти, газа и воды без предварительного разделения фаз  являются многофазные исследования скважин. Во многих случаях они дают более точное представление о  расходных параметрах потока в динамических режимах, и особенно эффективны для  газоконденсатов и тяжёлых нефтей, где традиционные способы измерения не пригодны из-за трудностей в сепарации фаз, поэтому, область применения многофазных расходомеров – это контроль продукции, извлечённой из скважины (группы скважин) в системах сбора нефти и газа нефтяных промыслов.

Постоянные многофазные  расходомеры также находят своё применение в России.

1.5 Преимущества и недостатки

Преимуществами многофазных  расходомеров являются:

1. Экономичность
2. Надёжность
3. Большой рабочий диапазон
4. Эффективная работа в нерасчётных условиях
5. Отсутствие радиоактивных элементов
6. Обладают повышенной стойкостью к высоким температурам
7. Потребляет малое количество энергии
8. Спроектированы для использования во взрывоопасных зонах.

Недостатки:

1. Большие потери давления
2. Чувствительны к вибрациям

 

1.6 Связь измерения расхода веществ с задачами, которые должны решаться с помощью стандартизации и сертификации

Связь измерения расхода  веществ с задачами, которые решаются с помощью стандартизации:

1. Обеспечение взаимопонимания между разработчиками, изготовителями, продавцами и потребителями.

В первую очередь решение  этой задачи должно заключаться в  повышении точности измерения расхода  и количества среды. Точность измерения расхода поможет обеспечить взаимопонимание между изготовителями и потребителями, что является первой задачей стандартизации.

2. Установление оптимальных требований к номенклатуре и качеству продукции с обеспечением её безопасности для жизни, здоровья окружающей среды и имущества

Согласно закону РФ “Об обеспечении единства измерений”, принятом в 1996 году, измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Основополагающими, для обеспечения единства и требуемой точности измерений, являются документы, посвящённые применению измерительных комплексов на базе сужающих устройств, например, ГОСТ 8.586.(1-5)-2005. В этих документах должны устанавливаться оптимальные требования к номенклатуре и качеству сужающих устройств для обеспечения её безопасности для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества.

3. Установление требований по совместимости и взаимозаменяемости продукции

Большое разнообразие сужающих устройств обеспечивает взаимозаменяемость данной продукции.

1.7 Измерение расхода  по переменному перепаду давления

Принцип измерения расхода  расходомером переменного перепада давления основан на том, что в  зависимости от расхода вещества изменяется перепад давления на неподвижном  сужающем устройстве, установленном  в трубопроводе или элементе трубопровода (колено).

Расходомеры переменного  перепада давления состоят из трех элементов: сужающего устройства, дифференциального  манометра для измерения перепада давления и соединительных линий  с запорной и предохранительной  арматурой.

При измерении расхода  жидкости широкое распространение  получили диафрагмы, благодаря простоте конструкции, удобству монтажа и  демонтажа. Стандартные диафрагмы, представляющие собой диск с отверстием, могут быть с угловым или фланцевым способом отбора перепада давления.

Диафрагмы выполняются камерными или бескамерными. В бескамерных диафрагмах отбор перепада давления осуществляется через отверстия в трубопроводе или фланцах.

Кольцевые камеры предназначаются  для осреднения и выравнивания давления по периметру сечения. В результате этого повышается точность измерения. Камеры выполняют в ободах или обоймах диафрагмы. Для труб диаметром более 400 мм камеры выполняются в виде кольцевой трубки, охватывающей трубопровод.

Согласно ГОСТ 8.586 – 2005 (ИСО 5167 - 2003) для вывода уравнения расхода  и установления размеров сужающихся устройств при измерении расходов методом переменного перепада давления требуется вычислить следующие  теплофизические характеристики измеряемой среды:

1. ρ_см – плотность смеси, кг/м³;
2. ŋ_см – динамическая вязкость смеси, ;
3. ᵞ_см - показатель адиабаты смеси, б/р.

 

 

 

 

 

2 Расчёт теплофизических  характеристик газовой смеси

Необходимыми исходными  данными для расчёта теплофизических  свойств газовой смеси являются: равновесное состояние, сведения о  теплофизических свойствах индивидуальных газов и об объёмном, массовом или  молярном составах смеси.

Для расчёта ряда теплофизических  параметров газовых смесей широко используются эмпирические формулы, также некоторые  характеристики могут успешно определяться по уравнениям, подчиняющихся уравнению  Клапейрона, законам Авогадро, Дальтона, Амага.

Для проведения расчётов по газовым смесям необходимо установить основные параметры, характеризующие  их состояние.

Исходные данные для расчёта

Смесь индивидуальных газов: 0.25 воздух + 0.75 N₂

Температура смеси: 700 К

Абсолютное давление: 0.8 Мпа

Предельное значение числа  Рейнольдса: 100000

Диаметр условного прохода  трубопровода: 900 мм

Расчёт парциальных  давлений индивидуальных газов

По закону Дальтона давление смеси идеальных газов равно  сумме парциальных давлений индивидуальных газов:

                                                                                              ( 2.2.1)

Отсюда получаем, что:

                                                                                        (2.2.2)

Парциальные давления компонентов  газовой смеси могут быть определены по следующему соотношению:

                                                               (2.2.3)

Для определения парциальных  давлений необходимо рассчитать газовую  постоянную смеси R_см по следующей формуле:

                                                                      (2.2.4)

                                   R_N2=297 Дж/кг×К

                               R_возд.=287 Дж/кг×К

                                                

Получаем парциальные  давления:

=0.19 МПа

=0.6 Мпа

Определение плотности  для азота N₂

По справочнику В.Н.Зубарева получаем следующие данные, записанные в таблицу 2.3.1

        Таблица 2.3.1- ТФХ азота при Т=700 К

Значение давления p, МПа	Значение плотности ρ, кг/м3	z
0.1	0.48	1.0004
1.0	4.79	1.0042

 

Для определения плотности при парциальном давлении р=0.6 МПа используем формулу линейной интерполяции:

                                                 (2.3.1)

Где X – значение искомой ТФХ;

X_м – табличное значение ТФХ при р_м;

Х_б – табличное значение ТФХ при р_б;

Р_м – ближайшее меньшее табличное значение давления;

Р_б – ближайшее большее табличное значение давления.

  

ρ_N2=2.8744 кг/м³

Определение плотности  для воздуха

По справочнику В.Н.Зубарева получаем следующие данные, занесённые в таблицу 2.4.1

        Таблица 2.4.1 – ТФХ воздуха при Т=700 К

Значение давления р, МПа	Значение плотности ρ, кг/м3	z
0.1	0.5	1.0004
1.0	4.96	1.0038

 

Для определения плотности при парциальном давлении р=0.19 МПа используем формулу линейной интерполяции (2.3.1)

 

ρ_возд.=0.946 кг/м³

Вычисление кажущейся  молярной массы газовой смеси 

Формула для вычисления:

                                                             (2.5.1)

Молярные массы для  газовых компонентов:

µ_возд.=29 кг/кмоль                  µ_N2=28.013 кг/кмоль

         

Вычисление фактора  сжимаемости газовой смеси

Для вычисления используем формулу:

 

Используя формулу (2.3.1), таблицу 2.3.1 и таблицу 2.4.1 находим значения фактора сжимаемости для азота и воздуха:

 

 

 

Вычисление плотности  газовой смеси

Для вычисления используем следующую формулу:

 

После подстановки данных получаем:

 

           Расчёт динамического коэффициента вязкости

 

                    где

тогда формула для динамического коэффициента вязкости примет следующий вид:

 

 

 

По формуле 2.3.1 посчитаем  коэффициенты динамической вязкости для азота и воздуха при их парциальных давлениях:

Для азота:

 

 

Для воздуха:

 

 

 

Посчитаем коэффициенты φ_ij

 

 

1.04

 

 

Вычисленные значения коэффициентов  сводятся в таблицу 2.8.1

Таблица 2.8.1 – Значения коэфициентов φ_ij

		Индекс  j
		1	2
Индекс i	1	1	0.99
	2	1.04	1

 

При рассчитанных коэффициентах  φ_ij и объёмных долях r_i вачисляются комплексы , результирующие значения которых приведены в таблице 2.8.2

Таблица 2.8.2 – Значения комплексов

0.99	1.03

В итоге коэффициент динамической вязкости газовой смеси равен:

 

Расчёт показателя адиабаты газовой смеси

 

 

 

 

По формуле 2.3.1 находим:

Для азота:

 

 

 

 

Для воздуха:

 

 

По данным значениям получаем:

 

 

Получаем показатель адиабаты:

 

Все полученные ТФХ сводятся в таблицу 2.9.1

Таблица 2.9.1 – ТФХ измеряемой газовой смеси

ТФХ	Условное обозначение	Единицы измерения	Полученное значение
Плотность газовой смеси	ρсм	кг/м3	3.87
Динамическая вязкость газовой  смеси	ŋсм		327.86
Показатель адиабаты газовой  смеси	Ɣсм	б/р	1.37