Курсач. Курсчианыч. Расчет сужающего устройства расходомера переменного перепада давления
 Скачать 478.79 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Новомосковский институт (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева» КафедраАвтоматизация производственных процессов Пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине «Технические измерения и приборы» на тему: «Расчет сужающего устройства расходомера переменного перепада давления»
г.Новомосковск 2022 г. Содержание Измерение расхода протекающей по трубопроводу жидкости, газа или пара за определенный отрезок времени или в каждый данный момент имеет большое значение для учета нефтепродуктов, газа и пара при отпуске их, а также для контроля и регулирования технологических процессов бурения, добычи, транспорта и переработки нефти и газа. Объем или масса нефти, воды и газа, добываемые из каждой скважины, является не только учетным фактором, но представляет собой важнейший параметр, по которому определяют ход разработки нефтяного месторождения и геолого-техническое состояние данной скважины. Режим эксплуатации газокомпрессорной скважины определяется объемом вещества и давлением, под которым в нее подается рабочий агент. Технологический процесс подготовки нефти на промыслах (обезвоживание, обессоливание и стабилизация) протекает при определенных расходах сырой нефти, воды и химического реагента, значение которых необходимо контролировать и регулировать. Метод поддержания пластового давления нефтяного месторождения законтурным и внутриконтурным заводнением предусматривает закачку в пласт через нагнетательные скважины больших объемов воды, учет которых для контроля процесса заводнения обязателен. Технологический процесс гидравлического разрыва пласта возможен только при непрерывном контроле расхода и объема жидкости, закачиваемой в пласт. Измерение расхода сырья, полуфабрикатов, реагентов и целевых продуктов является важнейшим условием управления технологическим процессом переработки нефти и газа. Теоретическая часть Определение и классификация методов расхода Большое разнообразие и сложность требований, предъявляемых к расходомерам и счетчикам, явилось причиной разработки и создания значительного числа разновидностей этих приборов. При выборе надо исходить из свойств измеряемого вещества, его параметров, а также обоснованности требований к точности измерения, учитывая при этом как степень важности удовлетворения тем или другим требованиям, ток и сложность измерительного устройства и условия его эксплуатации и поверки. Приборы, основанные на гидродинамических методах: - переменного перепада давления (с сужающими устройствами и напорные трубки); - обтекания (ротаметры, поплавковые, поршневые, и с поворотным крылом); - вихревые (струйные, вихревые). Приборы с непрерывно движущимся телом: - тахометрические (турбинные, камерные, барабанные, ротационные, мембранные объемные счетчики и др.); - силовые (массомеры, в работе которых используется Кориолисов эффект, непосредственного взвешивания- щелевые или расходомеры постоянного уровня). Приборы, основанные на различных физических явлениях: -тепловые (калориметрические, с внешним нагревом, и термоанемометрические); - акустические (ультразвуковые); - электромагнитные; - оптические (лазерно-доплеровские анемометры). Приборы, основанные на особых методах: - меточные; - концентрационные. Среди приборов, основанных на гидродинамических методах, исключительно широкое применение получили расходомеры с СУ, относящиеся к приборам переменного перепада давления. Для малых расходов жидкостей и газон служат ротаметры и поплавковые приборы, относящиеся к расходомерам обтекания. Весьма перспективны вихревые расходомеры. Из приборов с непрерывно движущимся телом значительное применение находят различные разновидности тахометрических расходомеров: турбинные, шариковые и камерные (роторные, с овальными шестернями и др.), последние — в качестве счетчиков газа, нефтепродуктов и других жидкостей. Среди разнообразных приборов, основанных на различных физических явлениях, чаще других применяют электромагнитные расходомеры для измерения расхода электропроводных жидкостей и ультразвуковые (разновидность акустических) для измерения жидкостей и частично газа. Реже встречаются тепловые для измерения малых расходов жидкостей и газов. 1.2 Расходомеры переменного перепада давления Одним из наиболее распространенных средств измерений расхода жидкостей и газов (паров), протекающих по трубопроводам, являются расходомеры переменного перепада давления, состоящие из стандартного сужающего устройства, дифманометра, приборов для измерения параметров среды и соединительных линий. В комплект расходомерного устройства также входят прямые участки трубопроводов до и после сужающего устройства с местными сопротивлениями. Сужающее устройство расходомера является первичным измерительным преобразователем расхода, в котором в результате сужения сечения потока измеряемой среды (жидкости, газа, пара) образуется перепад (разность) давления, зависящий от расхода. В качестве стандартных (нормализованных) сужающих устройств, применяются измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури и трубы - Вентури. В качестве измерительных приборов применяются различные дифференциальные манометры, снабженные показывающими, записывающими, интегрирующими, сигнализирующими и другими устройствами, обеспечивающими выдачу измерительной информации о расходе в соответствующей форме и виде Измерительная диафрагма представляет собой диск, установленный так, что центр его лежит на оси трубопровода. При протекании потока жидкости или газа (пара) в трубопроводе с диафрагмой сужение его начинается до диафрагмы. На некотором расстоянии за ней под действием сил инерции поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и после нее образуются зоны завихрения. Давление струи около стенки вначале возрастает из-за подпора перед диафрагмой. За диафрагмой оно снижается до минимума, затем снова повышается, но не достигает прежнего значения, так как вследствие трения и завихрений происходит потеря давления  .Таким образом, часть потенциальной энергии давления потока переходит в кинетическую. В результате средняя скорость потока в суженном сечении повышается, а статическое давление в этом сечении становится меньше статического давления перед сужающим устройством. Разность этих давлений (перепад давления) служит мерой расхода протекающей через сужающее устройство жидкости, газа или пара. Давление по оси трубопровода, показанное штрихпунктирной линией, несколько отличается от давления вдоль стенки трубопровода только в средней части графика. Через отверстия производится измерение статических давлений до и после сужающего устройства. В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления, дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад, и соединительные трубки между преобразователем и дифманометром. В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конструктивные разновидности преобразователей (рис. 1).  Рис. 1– Первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления. 1.3 Требования к расходомерам и счетчикам Эти требований многочисленны и разнообразны. Удовлетворить совместно все требования очень трудно, если не невозможно. Одни типы приборов в большей мере удовлетворяют одним требованиям, а другие — другим. Поэтому при выборе того или иного типа прибора следует исходить из сравнительной важности тех или других требований, предъявляемых к измерению расхода или количества в каждом конкретном случае. 1. Высокая точность измерения. Это важнейшее требование, особенно когда надо измерить не мгновенный расход, а количество (массу или объем) прошедшего вещества. Если раньше погрешность измерения в 1,5-2% считалась приемлемой, то теперь нередко требуется иметь погрешность не более 0,2-0.5%. Эта весьма малая погрешность уже достигнута в камерных счетчиках жидкостей (лопастных, роликово-лопастных) и ряде других счетчиков. Но такие счетчики не предназначены для больших диаметров труб. Здесь преимущественно применяют расходомеры с сужающими устройствами. Для повышения их сравнительно ограниченной точности используют преобразователи давления, температуры или плотности, измерительные сигналы которых поступают в вычислительные устройства, вносящие коррекцию в показания расходомера-днфманометра. Имеются расходомеры с погрешностью всего 0,25-1,0% (тахометрические, вихревые, электромагнитные, ультразвуковые), но не все из них пригодны для больших трубопроводов. 2. Высокая надежность. Это второе важнейшее требование. Оно оценивается временем, в течение которого прибор сохраняет работоспособность в достигнутую точность. Это время зависит от типа прибора и от условий его применения. Некоторые расходомеры и их элементы, не имеющие движущихся частей, могут надежно работать очень долго. Так, трубы Вентури, установленные на водопроводных линиях Санкт-Петербурга, исправно действуют более 60 лет. Но тахометрические расходомеры и счетчики с движущимся ротором имеют много меньший срок службы, зависящий от степени чистоты измеряемого вещества и его смазывающей способности. В технических условиях на некоторые турбинные расходомеры установлен шестилетний межповерочный срок нормальной работы. 3. Малая зависимость точности намерения от изменения плотности вещества. Лишь тепловые и силовые расходомеры, измеряющие массовый расход, обладают этим ценным свойством, у других типов приборов надо иметь устройства, автоматически вводящие коррекцию на изменение плотности или хотя бы температуры и давления измеряемого вещества. Это особенно необходимо при измерении расхода газа. 4. Быстродействие прибора или его высокие динамические характеристики. Это требование важно, когда расходомер применяют в системах автоматического регулирования и при измерении быстроменяющихся расходов. Быстродействие удобно оценивать значением постоянной времени Т прибора, т. е. временем, в течение которого его показания при скачкообразном изменении расхода от  до  изменяются приблизительно на две трети от значения . Имеется очень большая градация быстродействия от Т, измеряемого сотыми (и еще менее) долями секунды от турбинных, до Т, измеряемого десятками секунд у тепловых расходомеров.Для улучшения быстродействия последних применяют особые (дифференцирующие) измерительные схемы. Расходомеры с сужающими устройствами занимают промежуточное положение. Их время Т тем меньше, чем короче соединительные трубки, чем меньше измерительный объем дифманометра и чем больше его предельный перепад давлений. 5. Большой диапазон изменения. У приборов с линейной характеристикой он равен 8-20 и более, а у расходомеров с СУ, имеющих квадратичную характеристику, он равен лишь 3-10. В случае необходимости его можно повысить до 16, подключая к СУ два дифманометрас разными   .6. Обеспеченность метрологической базой. Образцовые расходомерные установки, необходимые для градуировки и поверки различных расходомеров, сложны и дороги, особенно при больших поверяемых расходах. В стране их сравнительно немного, и предназначены они преимущественно для поверки расходомеров воды и водосчетчиков. Одни лишь расходомеры с СУ не требуют образцовых расходомерных установок, потому что для большинства их разновидностей были экспериментально установлены и нормированы их коэффициенты расходов и расширения в международном стандарте ИСО 5167 и других рекомендациях ИСО. На их основе выпускаются в отдельных странах Правила по применению расходомеров с СУ. Сказанное объясняет преимущественное применение расходомеров с СУ, потому что почти все остальные типы требуют для своей поверки образцовых установок. В связи с их отсутствием и сложностью транспортирования первичных преобразователей расхода, особенно больших размеров, весьма актуальна как разработка имитационных методов поверки (они уже разработаны для магнитных расходомеров), так и разработка методов поверки на месте установки расходомеров без их демонтажа (концентрационный, меточный и другие методы). 7. Очень большой диапазон расходов, подлежащих измерению. Для жидкости надо измерять расходы в пределах от  до  кг/ч, а для газов — в пределах от  до  кг/ч, т. е. расходы, отличающиеся на десять порядков. Особые трудности возникают при измерении как очень малых, так и очень больших расходов. Здесь нередко приходится применять особые методы измерения, например парциальный (при больших расходах). Относительно проще измерять средние расходы.8. Необходимость измерения расхода не только в обычных, но и в экстремальных условиях, при очень низкой или очень высокой температуре и давлении. Так, расход криогенных жидкостей, например сжиженного водорода, надо измерять при очень низких температурах (до—255°C), а расход перегретого пара сверхвысокого давления и расход расплавленных металлов теплоносителей — при температурах, достигающих +600 °C. Подобные условия создают дополнительные трудности для обеспечения надежного измерения расхода. 9. Широкая номенклатура измеряемых веществ. Вещества могут быть не только однофазными и однокомпонентными, но также многофазными и многокомпонентными. При этом надо учитывать как особые свойства вещества (агрессивность, абразивность, токсичность, взрывоопасность и т. д.), так и его параметры (давление, температура). Особая задача — измерение расхода расплавленных металлов — теплоносителей. Между тем основные методы измерения расхода были разработаны для однофазных сред (для жидкости, газа и пара). Теперь же все актуальнее становится задача измерения двухфазных и даже иногда трехфазных веществ. Имеются следующие основные разновидности двухфазных сред: гидросмесьпли пульпа-смесь жидкой и твердой фаз — это водогрунтовая смесь, целлюлозно-бумажная пульпа, гидротранспорт и т. п.; смесь газообразной и твердой фаз — это пылеугольное топливо, пневмотранспорт цемента и т. п.; смесь жидкости с газом — это нефтегазовая смесь и влажный насыщенный пар. Измерение их расхода очень важно, хотя и представляет определенные трудности. Пример трехфазной смеси — газированная пульпа, а трехкомпонентной — двухфазная смесь нефти, воды и газа. 1.4 Уравнение Бернулли Уравнение Бернулли для идеальной жидкости Уравнение Даниила Бернулли, полученное в 1738г., является фундаментальным уравнением гидродинамики. Оно дает связь между давлением P, средней скоростью υ и пьезометрической высотой z в различных сечениях потока и выражает закон сохранения энергии движущейся жидкости. С помощью этого уравнения решается большой круг задач. Рассмотрим трубопровод переменного диаметра, расположенный в пространстве под углом β (рис.2).  Рис.2 – Схема к выводу уравнения Бернулли для идеальной жидкости Выберем произвольно на рассматриваемом участке трубопровода два сечения: сечение 1-1 и сечение 2-2. Вверх по трубопроводу от первого сечения ко второму движется жидкость, расход которой равен Q. Для измерения давления жидкости применяют пьезометры - тонкостенные стеклянные трубки, в которых жидкость поднимается на высоту. В каждом сечении установлены пьезометры, в которых уровень жидкости поднимается на разные высоты. Кроме пьезометров в каждом сечении 1-1 и 2-2 установлена трубка, загнутый конец которой направлен навстречу потоку жидкости, которая называется трубка Пито. Жидкость в трубках Пито также поднимается на разные уровни, если отсчитывать их от пьезометрической линии. Пьезометрическую линию можно построить следующим образом. Если между сечением 1-1 и 2-2 поставить несколько таких же пьезометров и через показания уровней жидкости в них провести кривую, то мы получим ломаную линию (рис. 2). Однако высота уровней в трубках Пито относительно произвольной горизонтальной прямой 0-0, называемой плоскостью сравнения, будет одинакова. Если через показания уровней жидкости в трубках Пито провести линию, то она будет горизонтальна, и будет отражать уровень полной энергии трубопровода. Для двух произвольных сечений 1-1 и 2-2 потока идеальной жидкости уравнение Бернулли имеет следующий вид: |