Расходомерные характеристики стандартной диафрагмы при измерении нестационарных расходов тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

На правах рукописи

од

'Д п », -л Ч ЧЧ

О ¡к,-!,! 4--"'-'

ГОРЧЕВ АЛЕКСАНДР ИВАНОВИЧ

РАСХОДОМЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАНДАРТНОЙ ДИАФРАГМЫ ПРИ ИЗМЕРЕНИИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ

РАСХОДОВ

01.02.05. - Механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань 2000

Работа выполнена в Казанском государственном технологическом университете.

Научные руководители:

• доктор технических наук, профессор А.Ф. Фафурин.

кандидат технических наук, доцент С.В. Юшко.

Официальные оппоненты:

■ доктор технических наук, профессор В.А. Костерин.

кандидат технических наук, доцент, А.В. Клинов.

Ведущая организация:

Казанское опытно-конструкторское бюро "Союз".

Защита состоится " У " __2000 года в /& часо(

на заседании диссертационного совета Д. 063.43.01 в Казанско.\ государственном техническом университете имени А.Н. Туполева по адресу: г. Казань, ул. К. Маркса, 10

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке КГТУ (КАИ). Автореферат разослан '* " 2000 года.

Ученый секретарь Д. 063.43.01. кандидат

технических наук А.Г. Каримова

Л /Г// 1 л/ г-_Л/ г\

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Измерение расходов жидкостей и газов является одним из наиболее распространенных видом измерений, выполняемых в нефте-газохимической отрасли промышленности. При этом в большинстве случаев, реализуется метод переменного перепада давления, а в качестве сужающих устройств используются стандартные диафрагмы. Удорожание энергоносителей привело к ужесточению требований в учете их расходования.

Анализ газодинамических процессов, протекающих в трубопроводах и сужающих расходомерных устройствах, позволил сделать вывод о сложности газодинамических процессов, протекающих в них. В частности было установлено, что течение носит, как правило, турбулентный характер и осложнено как периодическими, так и апериодическими изменениями расхода, которые обусловлены естественной турбулентностью потока, акустическими эффектами, а также являются следствием работы нагнетательных машин и запорной арматуры.

Измерение расхода жидкости и газа при помощи сужающих устройств предполагает знание их коэффициента расхода Правила его расчета, да и вообще правила измерения расхода сред при помощи сужающих устройств на территории РФ регламентируются ГОСТом 8.563, рассчитанным на использование в стационарных потоках. А поскольку поведение коэффициента расхода сужающего устройства в нестационарном потоке остается на данный момент малоизученным, исследования в данном направлении следует считать актуальными и направленными на повышение экономии расходования энергоресурсов.

Цель работы. 1. Разработка и создание газодинамической установки для изучения расходомерных' характеристик стандартной диафрагмы в условиях гидродинамической нестационарности потока.

2. Проведение индивидуальных исследований эталонных и рабочих средств измерений входящих в состав экспериментальной установки в государственных метрологических службах.

3. Создание автоматизированной системы ведения эксперимента, сбора и обработки экспериментальной информации.

4. Проведение индивидуальных проливок стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока для разных температур и скоростей потока.

5. Проведение проливок диафрагмы в условиях нестационарного потока для различных температур, амплитуд и' частот наложенных колебаний расхода.

6. Проведение оценки влияния наложенных колебаний расхода на коэффициент расхода стандартной диафрагмы.

7. Оценка погрешности измерения нестационарного расхода при использовании стандартных методик и средств измерений.

Научная новизна. Создан автоматизированный газодинамический стенд на базе персонального компьютера типа ШМ РС для изучения метрологических характеристик расходомеров в условиях наложенных пульсаций потока. Апробирована методика измерения среднего по времени значения нестационарного расхода критическим расходомером. В результате подробного экспериментального исследования выявлены и оценены основные погрешности, возникающие при измерении нестационарных расходов стандартными диафрагмами. Предложен метод корректировки значений измеренного нестационарного расхода с учетом выявленных погрешностей.

На защиту выносятся: экспериментальная установка, методики и результаты исследований расходомерных характеристик стандартной диафрагмы при измерении нестационарного расхода газа.

Практическая ценность. Создана поверочная установка для определения погрешности измерения расходов стандартными расходомерами, обусловленной нестационарным характером течения. Опытно конструкторский, метрологический материал, а также методики измерений, накопленные и опробованные в ходе данной работы, могут служить основой для создания более мощных установок и разработки соответствующей нормативной документации. Представлен метод, который позволяет выявлять погрешность, возникающую при измерении нестационарных расходов и вносить поправку в значение расхода.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях Казанского государственного технического университета (КАИ), Казанского государственного технологического университета (КХТИ), Казанского военного артиллеристского университета, семинарах на кафедре "Автоматизации и информационных технологий" КГТУ, в Казанском отделении РАН.

Публикации. По результатам работы автором опубликовано 4 статьи в периодической печати и б тезисов докладов конференций.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, списка использованной литературы. Полный объем диссертации 127 страницы, основного текста 81 страниц, 87 рисунков, 11 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении раскрыты актуальность, научная новизна и практическая значимость работы. Дана общая характеристика способов и средств измерений нестационарных расходов.

В первой главе освещено современное состояние вопроса по измерению нестационарных расходов стандартной диафрагмой и возникающие в связи с этим проблемы. Сделан аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы, посвященной проблеме измерений расходов как стационарных, так и нестационарных. Показано, что к

настоящему времени проведен ряд аналитических и экспериментальных исследований в данной области, однако, недостаточность и противоречивость существующей экспериментальной информации по особенностям измерения нестационарных расходов затрудняет выявление и оценку масштабов погрешности обусловленной гидродинамической нестациокарностью потока.

Во второй главе дано описание экспериментальной установки, информационно-измерительной системы, изложены методики проведения статических и динамических калибровок средств измерений.

Установка, созданная на базе Всероссийского научно-исследовательското института расходометрии (ВНИИР), представлен на рисунке 1.

Рис.1. Схема экспериментальной установки.

Установка была выполнена в виде газодинамического стенда разомкнутого типа. Рабочее тело - воздух. Максимальный расход 450 г/с. Установка состояла из двух линий - эталонной и рабочей. В качестве расходомера на рабочей линии была установлена стандартная диафрагма (модуль 0.64) (28), на эталонной - критический расходомер - труба Вентури, (8), работающая на закритическом перепаде давления. Внутренний диаметр трубопровода рабочей линии составлял 100 мм. Подогрев воздуха в рабочей линии осуществлялся печью (17).

Установка была оснащена автоматизированной системой сбора и переработки информации, выполненной на базе персонального компьютера типа IBM PC (19). Использовалось 8-ми канальное, 10-ти разрядное устройство сопряжения с объектом (УСО) (23) с возможностью параллельного опроса каналов.

Основная идея установки состояла в том, что пульсации потока, создаваемые вращающейся вокруг своей оси профилированной заслонкой

(18), установленной на рабочей линии, не передавались вверх по течению через критический расходомер, что позволяло использовать его в штатных условиях и пользоваться дня вычисления расхода зависимостями, полученными для стационарного потока. В тоже время, стандартная диафрагма работала в условиях наложенных пульсаций расхода.

Поскольку осредненный по времени расход является основной величиной, на основании которой происходят взаиморасчеты предприятий за потребленное сырье, то именно она послужила предметом проведенных исследований.

Влияние расходных пульсаций на метрологические характеристики стандартной диафрагмы определялось сравнением осредненных расходов по эталонной и рабочей линиям. Исследования проводились для различных частот и амплитуд наложенных пульсаций расхода. Расход на критическом расходомере измерялся и рассчитывался в соответствии с МИ 1538-86 ВНИИФТРИ. Коэффициент расхода критического расходомера определялся в рамках методики на газовом эталоне ВНИИР весовым способом.

Узел диафрагмирования и сама диафрагма были выполнены и установлены в соответствии с требованиями ГОСТа 8-563.

Диафрагма и критический расходомер были поверены в региональном метрологическом центре.

Температура потока перед критическим расходомером и диафрагмой, а также температура материала критического расходомера измерялись хромель-калелевыми термопарами (рис.1, пп. 10, 25, 7). Толщина термопарных проводов составляла 0.085 мм. Спай формировался лазерным лучом и имел толщину основного провода. Перед установкой термопары совместно с вторичными блоками - температурными контроллерами ЦР350 (6), ЦР550 (11) и ЦР750 (24) фирмы Уокоёа\га были индивидуально откалиб-рованы по лабораторному термометру с ценой деления 0.1 °С. Холодный термопарный конец в процессе экспериментов находился при 1=0°С.

Давление перед критическим расходомером и диафрагмой измерялось датчиком абсолютного давления Сапфир - 22 ДИ-Вн (9) и датчиком дифференциального давления ЕДА 110 (26) фирмы Уокоцалуа Е1. Согр. соответственно.

Выбор датчиков был обусловлен линейностью их настроечной характеристики, а также стабильностью "нуля" прибора.

Перепад давления на диафрагме измерялся датчиком дифференциального давления индуктивного типа ДМИ (27), имеющим 90% полосу пропускания до частоты 100 Гц.

В сочетании с минимальной длиной импульсных линий (до 50 мм) датчик ДМИ позволял регистрировать колебания перепада давления на диафрагме, создаваемые заслонкой пульсатора.

Наиболее характерные спектры колебаний расхода, реализованные в эксперименте, представлены на рисунке 2.

Частоты несущей гармоники выбирались в соответствии с частотами, реализуемыми на натурных узлах учета (рис. 19.).

Перед проведением измерений датчики дифференциального и абсолютного давления проходили индивидуальную калибровку.

Рис.2. Примеры спектров колебаний расхода (эксперимент). Схема калибровки представлена на рисунке 3.

В качестве эталонных средств использовались цифровые манометры Т-120 фирмы Уоко§а\уа с классом точности 0.02% (1).

Результатом калибровки являлся протокол, а также калибровочная зависимость (рис.4).

Протокол содержал относительные и приведенные погрешности в каждой калибровочной точке.

Расчет погрешностей производился относительно линейной зависимости, получаемой методом наименьших квадратов при аппроксимации калибровочных точек.

PI —'

4

Рис.3. Схема калибровки датчиков избыточного давления.

Кроме того, протокол содержал коэффициент корреляции, величина которого указывала на степень линейности аппроксимационной зависимости.

Рис.4. Калибровочная зависимость датчика EJA.

В третьей главе представлены результаты исследований амплитудно-частотных характеристик датчиков дифференциального давления.

На рисунке 5 представлены амплитудно-частотные характеристики широко используемых в современной практике датчиков дифференциального давления фирм Yokogawa и Taylor. Данные датчики выбраны практиками не случайно. Они имеют высокий класс точности (не хуже 0.1%) и высокую

стабильность характеристик. Так, например, датчик фирмы Уо1ода\уа сохраняет "нуль" прибора в течении 2 лег.

Исследования амплитудно-частотных характеристик этих датчиков показали, что частоты, реализуемые на натурных узлах учета (рис.19), не воспринимаются ими.

Таким образом, при измерении расхода сред, как правило, имеют дело не с мгновенным значением перепада давления на диафрагме, а с его осредненным значением.

. Рис.5. АЧХ датчиков дифференциального давления.

В четвертой главе приведены результаты исследований расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока, а также статистическая обработка данных.

При измерении того или иного параметра запись сигнала с соответствующего первичного преобразователя (точка) осуществлялась не разово, а на протяжении промежутка времени конечной длины (рис.6.)

Полученная таким образом выборка осредаялась. Перед осреднением выборка проходила цензурирование на предмет удаления промахов, обусловленных электрическими наводками случайного характера. Цензурирование осуществлялось в соответствии с ГОСТом 11.002 с доверительной вероятностью 0.95.

Анализ гистограммы (рис.7.) нецензурированного сигнала, представленного на рисунке б, по критерию %2 позволял с вероятностью 0.95 считать распределение нормальным.

Длина временного интервала (размер выборки) определялась из условия осуществления минимального количества измерений при заданном уровне случайной погрешности.

На рисунке 8 показана зависимость среднего значения сигнала (выборки) от количества точек осреднения.

Видно, что при уровне случайной погрешности ±0.3 % достаточно произвести запись 1250 точек.

Рис.6. Развертка сигнала первичного преобразователя во времени.

Рис.7. Гистограмма нецензурированного сигнала.

Частота опроса датчика выбиралась из условия некоррелированности получаемой выборки, а также из условия минимизации случайной погрешности определения среднеквадратического отклонения выборки (СКО сигнала) при заданном количестве точек осреднения. Данная величина участвовала в расчетах, связанных с определением погрешности измерения расхода, поэтому при ее определении необходимо было знать не только ее значение, но и погрешность, с которой она определена.

Зависимость ошибки СКО выборки от количества точек осреднения представлена на рисунке 9.

Перед проведением исследований методики измерений и сама установка проверялись на адекватность и соответствие проектным параметрам.

3700—1

3600 —

3500

3400-

3300

Рис.8. Зависимость среднего значения от количества точек осреднения.

30 —I

20 —

ю —

ев,%

Доверительная вероятность 0.95

2- --^

** пульсации

1опроса

-10-|-1-1-'-Г

0 20 40

N

1-'-1-'-1

60 80 100

Рис.9. Зависимость ошибки СКО от количества точек осреднения.

На рисунке 10 представлены результаты стационарных продувок. Хорошо видно, что коэффициент расхода стандартной диафрагмы, определенный путем сличения расходов по эталонной и рабочей линиям, ' совпадает с коэффициентом расхода, рассчитанным по ГОСТ 8-563.

11

Случайная погрешность при этом для совокупности всех продувок, проведенных в разные серии, составляла ±0.5 % и ±0.75 % для потоков с температурой 20°С и 65°С соответственно, что свидетельствует о корректности используемых методик и хорошей повторяемости результатов.

Следует сказать, что в пределах одной серии продувки производились как для стационарного, так и для нестационарного потоков. Случайная погрешность в пределах одной серии экспериментов составляла ±0.2-ь0.4%.

Диапазон температур выбирался в соответствии с температурами, реализуемыми на натурных узлах учета. В частности, была выбрана температура потока 65°С, зарегистрированная на узле учета, расположенном после станции поджатая природного газа.

3

2

1

О

-1

-2

-3

200000 204000 208000 212000 216000

Рис.10. Коэффициент расхода в сравнении с ГОСТ 8-563 по результатам стационарных продувок.

В пятой главе приведены результаты исследований расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях нестационарного потока.

На рисунке 11 показаны спектры пульсаций давления перед критическим расходомером при отключенном и включенном пульсаторе соответственно.

Идентичность спектров свидетельствует о реализации основной идеи установки: пульсации потока по его ядру не передавались через критический расходомер, обеспечивая тем самым его работу в стационарных условиях. Возмущения, передаваемые через пограничный слой, были незначительными (уровень шумов).

Рассмотрим формулу для вычисления мгновенного расхода среды:

в, = А-а,-./ЛрГ,где (1)

а( и д/АР - мгновенные значения коэффициента расхода и корня из перепада давления на диафрагме соответственно.

А = р0'

2-Т0.Р

, где

(2)

4 у Т-Р0 -р0 - К

р - плотность среды, Т и Р - температура и давление среды соответственно, 'О' - при нормальных условиях (Т=293Д5 °К, Р= 101325 Па).

1.0 —

0.5 —

0.0

Аш, %

Пульсатор выключен

а

ПГц

0 20 0.8 —1

Аш, %

0.4 —

40

60

80

100

Г"1" I 1 I

120 140 160

0.0

■Ыа

Пульсатор включен

»4*1

ПГц

т

1

160

0 40 80 120

Рис. И. Спектры колебаний давления перед критическим расходомером.

Под мгновенными значениями понимаем значения внутри периода колебания расхода.

В случае если плотность среды неизменна или меняется внутри периода колебания расхода незначительно, как это было в данных исследованиях, осредненный по времени расход запишется:

(С) = А-{а->/лр) (3)

На практике, как правило, нет достаточных возможностей для определения мгновенного значения коэффициента расхода, поэтому в расчетах используется его осредненное значение. Если используются чувствительные преобразователи перепада давления, способные измерять мгновенные значения АР и имеется возможность автоматического извлечения квадратного корня, то измерение осредненного расхода выполняется следующим образом:

(с)=А.(а).(Тдр) (4)

Однако, в соответствии с правилами математической статистики и (3), данная формула должна выглядеть иначе:

(G) = А • ((а) • (л/ар) + cov(a,</дР)), где (5)

ковариация cov рассчитывается как:

cov(a,Va?)= ¿y'¿((a)-a,)-((VAP)-Щ), где (6)

i—1

N - количество точек осреднения.

Таким образом, разделение произведения а -л/дР при осреднении приводит на практике к неучету ковариации (6), что ведет к возникновению дополнительной ошибки измерения расхода.

При измерении расхода сред, как правило, имеют дело не с мгновенным значением перепада давления на диафрагме, а с его осредненным значением. Тогда формула измерения расхода должна иметь

следующий вид:

(G):

\

А2 • ¡{а)2 • (l + <2).(АР) + соу(а2, АР)

H-crg

(7)

Однако, на практике расчет расхода ведется в соответствии с ГОСТом по следующей формуле:

= (8) Неучет безразмерной дисперсии коэффициента расхода <т'а2, расхода

ct'q , а также ковариации:

covf а^

'др)=^1-|1((а2)-а0-':Ар)-др1* (9) приводит к возникновению дополнительной погрешности измерения расхода.

Названные дополнительные погрешности носят систематический характер, а потому могут быть учтены. Для этого необходимо произвести их оценку, найти способ их учета и адаптировать его для практики.

На рисунке 12 представлены результаты исследований в нестационарном потоке. Показана зависимость оценки безразмерной дисперсии коэффициента расхода от безразмерной дисперсии расхода. Хорошо видно, что оценка безразмерной дисперсии коэффициента расхода не равна нулю и зависит нелинейно от безразмерной дисперсии расхода. Данный факт свидетельствует в пользу того, что в пульсирующих потоках, какими являются реальные течения, коэффициент расхода не остается постоянной величиной и должен рассматриваться как изменяющийся внутри периода колебания расхода. Следовательно, вычисление расхода необходимо

вести с учетом безразмерных дисперсий о'а2 и ст'<?, а также соу(а,л/Др) и

соу(а2,Лр).

Рис.12. Зависимость безразмерной дисперсии коэффициента расхода от безразмерной дисперсии расхода.

Выбор формулы расчета расхода среды (5 или 7) зависит от того, едется ли расчет по осредненному корню из перепада давления на ужающем устройстве или по корню из осредненного перепада.

Методика измерений, реализованная в данных исследованиях, озволяла определить осредненное по времени значение коэффициента асхода стандартной диафрагмы (ос), однако не давала возможности знать го мгновенное значение а;. Поэтому для оценки дисперсии коэффициента асхода и самого расхода использовался следующий подход, роиллюстрированный на рисунке 13.

Из эксперимента сравнением показаний критического расходомера и стандартной диафрагмы (5) было получено значение ковариации (6). Кроме того, были известны мгновенные и осредненные по времени значения корня из перепада давления на диафрагме, а также значение осредненного по времени коэффициента расхода. Если коэффициент расхода (случайная величина 2, рис.13) и корень из перепада (случайная величина 1) связаны

между собой, то для достижения значения, равного соу(а,л/др) (6) при

минимальной амплитуде (дисперсии) колебания с^, он должен изменяться

синфазно с л/др\, в резонансе или в десонансе в зависимости от знака ковариации.

2 —I

-2

-6 —

«¡п(х)

Случайная величина 1

+

Случайная величина 2

+

Случайная величин;! 2

-Г

20

40

60

80

100

Рис.13. Иллюстрация метода получения <х1.

Для моделирования а. использовался сигнал л/дРь смещенный по среднему значению от уровня, соответствующего ^/ДР^, до уровня, соответствующего (а). Амплитуда изменения а. подбиралась из условия соответствия соу(а,>/др) экспериментально найденному значению.

Из рисунка 14 видно, что с увеличением а'<? ковариация со\'(а,л/др) растет, достигая 15% от (а} ■ ■ Зависимость имеет нелинейны*

характер.

Для оценки членов, входящих в уравнение (7) приведем экспериментально полученную зависимость безразмерной соу (а2, ДР) от безразмерной дисперсии перепада давления на диафрагме (рис. 15).

16

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

Рнс.14. Зависимость безразмерной соу((х,л/ар) от безразмерной дисперсии расхода

Анализируя графики, представленные на рисунках 12, 14, 15, можно

Т

сказать, что влияние температурного фактора ц/ - —- в диапазоне 0.4

0.2

0.0

-0.2

0.0 0.2 0.4 0.6

Рис.15. Зависимость безразмерной СОу(а2,ЛР) от безразмерной дисперсии перепада давления на диафрагме.

ч<=0.94-К).96 (настоящие исследования) незначительно и лежит в пределах погрешности эксперимента. Таким образом, изменение температуры потока имеет меньшее влияние на погрешность измерения расхода на практике, нежели эффекты, вызванные гидродинамической нестационарностью.

Следует сказать, что эффекты, вызванные гидродинамической нестационарностью, а именно, отличие мгновенного значения коэффициента расхода от своего квазистационарного значения проявляются в неравенстве

нулю ковариации соу(а,л/д?) в уравнении 5.

Члены же, содержащиеся в уравнении 7, являются следствием еще и погрешности квадратного корня: (др) * , поскольку:

(10)

т.е. имеет место статистическии аспект вопроса.

0.10

0.05

0.00

--частота 10 Гц

— - частота 20 Гц

-0.05

Лш, %

0

20

40

60

80

Рис.16. Зависимость |1-соу(а,л/др)| от амплитуды наложенных пульсаций

расхода.

Интересен тот факт, что при частоте пульсаций расхода 10 Гц величина безразмерной ковариации соу(а,л/др) для одних и тех же амплитуд пульсаций больше, чем при частоте 20 Гц (рис. 16). Если учесть, что в ряде работ отличие мгновенных значений коэффициента расхода от квазистационарных объясняется перестройкой турбулентной структуры потока, то можно сделать вьюод в пользу того, что существует частотная область, за пределами которой увеличение частоты наложенных пульсаций расхода не приводит к заметным изменениям осредненных характеристик течения. Течение приобретает замороженный характер и подчиняется квазистационарным законам.

1В

Если говорить о погрешности квадратного корня (10), то ее существование было указано и в более ранних работах, например работе МоПгат'а Я.С. Исследования, выполненные этим автором, вошли в КО/ТС 3313:1992 (Е) и в приложение «Д» ГОСТа 8.563. В своих работах МоИгат предлагает учесть погрешность квадратного корня через коррекцию перепада давления на диафрагме зависимостью следующего характера:

Ет =

ЛРи

{ П-г> 2

1 /К)1

1+ 1- V * 1

2 <ДР)

,, где

(И)

АРд и ДРИ - действительное и измеренное значения перепада давления на диафрагме соответственно.

Рис.17. Экспериментальные данные по методике Мойтат 'а.

На рисунке 17 представлены экспериментальные данные, обработанные по методике 180/ТС 3313:1992 (Е). Треугольниками отмечены данные МоНгат'а. Видно удовлетворительное согласование экспериментальных точек с теоретической кривой (11). Можно заметить, что данные, полученные в настоящих исследованиях, лучше согласуются с кривой, чем данные Мойгат'а. А.В. Фафуриным для учета погрешностей, названных выше, в том числе и погрешности квадратного корня предложены другие зависимости:

E(Va?) = ^ = (12)

= (13)

1.1

1.0

0.9

0.8

0.0 0.2 0.4 0.6

Рис.18. Экспериментальные данные в сравнении с зависимостями A.B. Фафурина.

E(Väp) и ^ ¿(af) ' отношение расходов действительного GR íí

измеренного G0 при вычислении по осредненному квадратному корню и корню из осредненного перепада давления на диафрагме соответственно. На рисунке 18 представлены результаты проведенных исследований. Видно хорошее, в пределах точности эксперимента, согласование с зависимостями

(12) и (13). Кроме того, ввдно, что погрешность от неучета ковариации

cov(<x,Väp) менее значительна, чем погрешность от неучета (др) * (VaP^2 •

Именно эта погрешность присутствует в реальных условиях выполнения измерений расхода энергоносителей. Так как исследования, проведенные на натурных узлах учета природного газа Югтрансгазовской и Таттрансгазовской групп, показали наличие дисперсии перепада давления на диафрагме (Табл.1).

Характерные для натурных узлов спектры пульсаций, представленные на рисунке 19, свидетельствуют о присутствии периодических наложенных колебаний расхода, которые могут бьггь вызваны нагнетающими машинами, регулирующей и запорной арматурой, акустическими эффектами и т.д.

<УСи

О n / G /,—> д (Др) _ . . •• .

г- "1- - . ООО — — О^о ^ OQ;

°Д/01/(5)

* Эксперимент

- - J^pW^j

СУ

1 1

i

В соответствии с зависимостью (13), на основе информации по натурным узлам учета природного газа, сделан расчет погрешностей измерения расхода, а также посчитана стоимость неучтенного продукта в денежном выражении (Таблица 1).

8 —1

4 —

2 —

Аш,%

М-Ч/ЛЧ*»^

Г

20

Гц

I

30

Т

40

1

50

20

15 —

10 —

Ат, %

£ Гц

О 10 20 30 40 50

Рис.19. Примеры спектров колебаний расхода (натурные узлы учета).

Дифры, содержащиеся в таблице, свидетельствуют о важности проблемы гидродинамической нестационарносги.

Результаты представленной работы были приняты Государственным тучным метрологическим центром ВНИИР.

Таблица 1.

Наименование узла »У, Раскод, Дисперсия Систематическая Годовая стоимость

учета природного IHM нмкуб/сут АР, % погрешность, % неучтенного

газа продукта, $

Поставщики

Балашов, Струна №1 700 72057600 1.597696 0.2007 326075

Балашов, Струна ЛЬ2 700 74822400 2.064969 0.2598 404397

Петровск, БЛД-2 700 52444800 67.634176 11.4305 12394021

Петровск, БЛД-3 700 40435200 16.621929 2.1962 2572176

Петровск, БЛД-4-1 700 52444800 0.499849 0.0626 142800

Петровск, БЛД-4-2 700 52963200 0.499849 0.0626 143982

Павловка 700 53654400 0.0576 0.0072 15889

Писаревка, Петровск-Новоасков 700 52444X00 0.000441 0.0001 125

Писаревка, Уренгой-Новопсков 700 52444800 0.000784 0.0001 222

Сохрановка, Струна 2 700 52444800 0.125316 0.0157 35522

Сохрановка, Струна 3 700 52444800 0.044944 0.00J6 12737

Заинек, ГРС-2, Н-1 250 5581440 0.3025 0.038 9274

Заинек, ГРС-2, Н-4 250 6039360 0.3249 0.041 10827

Заинек, ГРС-2, Н-5 250 7810560 0.36 0.045 15369

Наб. Челны, ГРС 250 9210240 0.2601 0.033 13290

Потребители

АО НКНХ, цех №4 100 587520 4 0.506 12999

АО НКНХ 1/3 100 34560 0.511225 0.064 97

АО НКНХ, 1/522 100 34560 0.6084 0.076 115

АО НКНХ, 2/640 100 34560 0.5041 0.063 95

АО НКНХ, П/0736 100 34560 0.4761 0.06 91

АО НКНХ, 5314 100 34560 0.519841 0.065 9S

Условные обозначения.--

Ар- перепад давления, а- коэффициент расхода, Ат- амплитуд пульсаций, f- частота пульсаций, Re- число Рейнольдса по диаметр трубопровода, G- массовый расход, ст- среднеквадратическое отклонение, f погрешность, Tw- температура стенки, Тг температура потока.

Индексы: н- нестационарное течение, с- стационарное течение, ^ ^ осреднение, д- действительное значение, и- измеренное значение.

Основные результаты' диссертации опубликованы в следующи работах:

1. Горчев А.И., Агаджанян ДР., Юшко C.B., Голубев Л.1 Нестационарные турбулентные течения с теплообменом в соплах.// КГТ? научная сессия. Тез. докл. Казань, 1998.

2, Горчев А.И., Агаджанян ДР., Юшко C.B. Нестационарное течеш несжимаемой жидкости в коническом сопле.// 10-й научно-техническ! семинар "Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустик диагностика". КВАКИУ им. М.Н. Чистякова. Тез. докл. Казань, 1998.

3. Горчев А.И., Агаджанян Д.Р., Юшко C.B. Нестационарное течение газа в коническом сопле.// 11-я международная научно-техническая конференция по компрессорной технике. Тез. докл. С.-Петербург, 1998 г.

4. Горчев А.И., Агаджанян Д.Р., Юшко C.B. Нестационарный вязкий подслой в коническом сопле.// Сборник трудов 11 международной научной конференции "Математические методы в химии и технологиях". Тез. докл. Владимир, 1998 г.

5. Горчев А.И., Юшко C.B. Установка для изучения метрологических характеристик расходомеров жидкости в условиях тепловой и гидродинамической нестационарности.// Тепло-массообменные процессы и аппараты химической технологии. Казань, 1998 г

6. Горчев А.И., Юшко C.B. Установка для определения погрешности измерения расходов жидкости в условиях гидродинамической и тепловой нестационарности.//КГТУ. научная сессия. Тез. докл. Казань, 1999 г. с. 84.

7. Горчев А.И., Юшко C.B. Измерение нестационарных расходов жидкостей и газов стандартными диафрагмами.// 11-й научно-технический семинар "Внутрикамерные процессы в энергетических установках. Акустика, диагностика". КВАКИУ им. М.Н. Чистякова. Тез. докл. Казань, 1999 г. с. 37.

8. Горчев А.И., Юшко C.B. Измерение расходов нестационарных сред.// Школа-семинар молодых ученых и специалистов. РАН. Проблемы тепломассообмена и гидродинамики в энергомашиностроении. Казань, 1999 г. с. 198-201.

9. Горчев А.И., Агаджанян ДР. Юшко С:В. К вопросу об измерении расходов жидкостей и газов стандартными диафрагмами в условиях гидродинамической нестационарности.// Известия высших учебных заведений. «Проблемы энергетики». 3-4. Казань, 1999г. с. 95-100

10. Горчев А.И., Юшко C.B. Расходомерные характеристики стандартной диафрагмы при измерении нестационарных расходов.// Препринт. КГТУ. Казань, 1999г. с. 20.

Соискатель Лу А.И. Горчев

Лицензия №020404 от 6.3.97 г.

Заказ ш _Тираж 80 экз.

Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета 420015, г. Казань, ул.К.Маркса, 68.

Условные обозначения.

Введение.

Глава 1. Литературный обзор.

§1.1. Измерение расходов сред с помощью стандартной диафрагмы. Постановка вопроса.

§1.2. Методика измерение расхода стандартной диафрагмой.

§1.3. Измерение расхода критическим расходомером.

§1.4. Выводы.

Задачи исследований.

Глава 2. Экспериментальная установка, используемые рабочие участки и первичные преобразователи.

§2.1. Газодинамический стенд.

§2.2. Критический расходомер. .*. .V.Y*. 1.

§2.3. Участок диафрагмирования.

§2.4. Автоматизированная система сбора и обработки информации.

§2.4.1. Используемые первичные преобразователи.

§2.5. Калибровка средств измерения.

§2.5.1. Калибровка датчиков избыточного давления.

§2.5.2. Калибровка термоэлектрических преобразователей.

Глава 3. Характеристики датчиков дифференциального давления.

§3.1. Исследование амплитудно-частотных характеристик датчиков дифференциального давления.

§3.2. Влияние температуры среды на показания датчика ДМИ.

Глава 4. Исследование расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока.

§4.1. Задачи исследования.

§4.2. Методика проведения эксперимента в условиях стационарного потока.

§4.3. Методика обработки первичной информации.

§4.4. Результаты исследований коэффициента расхода стандартной диафрагмы в условиях стационарного потока.

§4.5. Метрологическая оценка точности экспериментальной информации.

Глава 5. Исследование расходомерных характеристик стандартной диафрагмы в условиях нестационарного потока.

§5.1. Задачи исследования.

§5.2. Методика проведения эксперимента в условиях нестационарного потока.

§5.3. Результаты исследований в нестационарном потоке.

Измерение расходов жидкостей и газов является одним из наиболее распространенных видом измерений, выполняемых в нефте-газохимической отрасли промышленности. Это и измерения расходов технологических сред, это и измерения, связанные с коммерческим учетом энергоносителей. При этом в большинстве случаев, реализуется метод переменного перепада давления, а в качестве сужающих устройств используются стандартные диафрагмы. Удорожание энергоносителей привело к ужесточению требований в учете их расходования. Данная проблема является актуальной не только для предприятий, занимающихся транспортировкой энергоносителей, но и для их потребителей.

Анализ газодинамических процессов, протекающих в трубопроводах и сужающих расходомерных устройствах, выполненный в лабораторных условиях и на реальных узлах учета энергоносителей [36,52,60,10], позволил сделать вывод о сложности газодинамических процессов, протекающих в них. В частности было установлено, что течение носит, как правило, турбулентный характер и осложнено как периодическими, так и апериодическими изменениям расхода. Данные колебания обуславливаются естественной турбулентностью потока, акустическими эффектами, возникающими при течении жидкости или газа по магистралям, а также являются следствием работы нагнетательных машин (поршневого или осевого типа) и запорной арматуры. Кроме того, технологические режимы работы многих предприятий предполагают периодические изменения объемов потребления энергоносителей, что приводит к изменению их расходов во входном трубопроводе и установления, таким образом, переходных режимов.

В ряде работ [35,49,24,56,63,68,62,65,61,67] по изучению нестационарных турбулентных течений в каналах экспериментально показано отличие интегральных характеристик распределения скоростей потока, измеренных в пульсирующем потоке, от казистационарных значений.

Измерение расхода жидкости и газа при помощи сужающих устройств предполагает знание их коэффициента расхода. Сам коэффициент расхода по своей сути является интегральной характеристикой профиля скоростей в сужающем устройстве. Правила его расчета, да и | вообще правила измерения расхода сред при помощи сужающих устройств на территории РФ) регламентируются ГОСТом 8.563, рассчитанным на использование в стационарных потоках. А поскольку поведение коэффициента расхода сужающего устройства в нестационарном потоке остается на данный момент малоизученной, исследования в данном направлении следует считать актуальными и направленными на повышение экономии расходования энергоресурсов.

Основные результаты и выводы.

В результате проведенной работы:

1. Создан газодинамический стенд для изучения метрологических характеристик расходомеров в условиях пульсирующего потока.

2 У Апробирована методика измерения среднего по времени значения нестационарного расхода критическим расходомером,

3. Выявлены и оценены основные погрешности, возникающие при измерении нестационарных расходов стандартными диафрагмами.

4. Установлено, что с увеличение дисперсии диффузности перепада давления приводит к увеличению погрешности измерения расхода при применении стандартных методов измерения.

5. Получены экспериментальные зависимости дисперсии коэффициента расхода, cov(cc,>/ap), cov(a^, Др) от дисперсии расхода, %/дР , АР. •

6. Предложен метод для определения оценки дисперсии коэффициента расхода поверяемого расходомера по измеренному значению расхода на образцовом расходомере и АР на поверяемом.

7. Показано, что предложенные аналитические зависимости для нахождения погрешности измерения осредненного во времени расхода по дисперсии АР, согласуются с результатами проведенных экспериментальных исследований.

8. Предложена методика оценки погрешности измерения осредненного во времени нестационарного расхода на натурных узлах энергоносителей.

В соответствии с результатами данной работы, можно сделать следующие

практические рекомендации:

Ввиду того, что погрешность квадратного корня превалирует над погрешностью вызванной не учетом дисперсии коэффициента расхода:

• Выбор средств измерений параметров потока, а так же частот их опроса, проводить на основании исследований спектров пульсаций перепада давления, реализуемых на узлах учета.

• На узлах учета энергоносителей использовать средства измерения с АЧХ согласующейся по критерию достаточности (критерий Найквиста) с несущей частотой, реализуемой на узле учета.

• При использовании средств измерений, обладающих не достаточной АЧХ, в результат измерения расхода вносить поправку, рассчитанную также по результатам исследований спектров пульсаций перепада давления на узлах учета.

110

1. Агровский Б.С., Анисимов Е.П., Зацепин А.Г"О методике измерения поля скорости в отрывном течении", Вестник Московского университета: Сер.З, Физика. Астрономия, Т.22, №1,1981, с. 83-87.

2. Алемасов В.Е., Глебов Г.А., Козлов А.П., Щелков А.Н., "Турбулентные струйные течения в каналах", Казань, 1988.

3. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., "Теория ракетных двигателей", М.: Машиностроение, 1980.

4. Белоцерковский О.М., Давыдов Ю.М., " Метод крупных частиц в газовой динамике", М.: Наука, 1982.

5. Бендат Дж., Пирсол А., "Прикладной анализ случайных данных", М:, Мир, 1989.

6. Бендат Дж., Пирсол А., "Применения корреляционного и спектрального анализа", М:, Мир, 1983.

7. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А., "Справочник по математике", М:, Наука, 1986.

8. Брэдшоу П., "Введение в турбулентность и ее измерение", М.: Мир, 1974.

9. Букреев В.И., Шахин В.М., "Экспериментальное исследование неустановившегося течения в круглой трубе", В кн.: Аэромеханика, М.: Наука, 1976, с. 180-187.

10. Варгафтик Н.Б., "Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей", Гос. Изд. Физико-математической лит, М:, 1963.

11. Виноградов Б.С., "Прикладная газовая динамика", М:, 1965.

12. Габитов Р.Н., Глебов Г.А., Щелков А.Н., "Турбулентная структура течения в области присоединения оторвавшегося потока", Тезисы доклада VI

13. Всесоюзный съезд по теоретической и прикладной механике: Ташкент, 1986, с. 181.

14. Гаптрахманов P.P., "Оценка погрешности результата измерения расхода при пульсациях потока", Дис. канд. техн. наук.: 01.02.05. Казань, 1995.

15. Гарсиа, Сперроу, "Турбулентный теплообмен за участком резкого сужения канала типа обращенной вперед ступеньки", Ж. Теплопередача, №2,1988, с. 60.

16. Гильфанов К.Х., "Исследование трения и теплообмена в условиях тепловой нестационарности", Дис. канд. техн. наук.: 01.02.11. Казань, 1982.

17. Гиневский А.С., "Турбулентные сдвиговые течения", ч.1, М.: Машиностроение, 1982.

18. Гиневский А.С., "Турбулентные сдвиговые течения1', ч.2, М.: Машиностроение, 1983.

19. Гогиш Л.В., Степанов Г.Ю., "Турбулентные отрывные течения", М.: Наука, 1979.

20. Госмен А.Д., Пан В.М., Ранчел А.К., "Численные исследования течений вязкой жидкости", М.: Мир, 1972.

21. ГОСТ 8.563.(1-3)-97.,"Измерение расхода и количества жидкостей и газов методом переменного перепада давления", М.: ИПК, Изд. стандартов, 1998.

22. Гуревич М.И., "Теория струй идеальной жидкости", М.: Наука, 1979.

23. Драйвер Д.,М., Сигмиллер Х.Л., Марвин Дж.Г., "Нестационарные процессы в присоединяющимся слое смешения", Аэрокосмическая техника, 1988, №3, с. 35-42.

24. Дробышева Н.А., Никифоров А.Н., Федоров А.В., Хуснутдинов С.Н., "Влияние нестационарности потока на коэффициент расхода сужающих устройств", Журнал Метрология, 1986, №3, с. 42-47. V 1

25. Итон, Джине, Эшджай, Джонстон, "Датчик направления течения у стенки, используемый при исследовании отрывных и присоединенных течений", Теоретические основы инженерных расчетов, 1979, т.101, №3, с. 218-221.

26. Итон, Джонстон, "Обзор исследований дозвуковых турбулентных присоединяющихся течений", Ракетная техника и космонавтика, 1981, т. 19, №10, с. 7-19.

27. Краснов Н.Ф., Кошевой В.Н., Калугин В.Т., "Аэродинамика отрывных течений", М.: Высшая школа, 1988.

28. Кремлевский П.П., "Расходомеры и счетчики количества", Ленинград: Машиностроение, 1975.

29. Крикун А.Н., Фафурин А.В., "Влияние на коэффициент расхода осредняющих напорных трубок гидродинамической нестационарности потока", Тезис, док. научной сессии КГТУ, Казань; 2000, с 107.

30. Крикун А Н., Юшко С.В., Фафурин А.В., "Коэффициент расхода осредняющей напорной трубки и его зависимость от гидродинамической нестационарности и температуры потока", Тезис, док. научной сессии КГТУ, Казань: 2000, с 107.

31. Лаврентьев М.А., Шабат Б.В., "Проблемы гидродинамики и их математические модели", М.: Наука, 1973.

32. Лойцянский Л.Г., "Механика жидкости и газа", М.: Наука, 1970.

33. Марков С.Б., "Экспериментальное исследование скоростной структуры и гидравлических сопротивлений в неустановившихся напорных турбулентных потоках", Изв. АН СССР сер. механика жидкости и газа, 1973, №2, с. 65-74.

34. Муслимов Р.А., Гаптрахманов P.P., " Характеристика натурных сигналов перепада давления при измерении расхода природного газа", Тепло- и массообмен в химической технологии, Казань: 1995. с. 114-119.

35. Петунин А.Н., "Методы и техника измерений параметров газового потока", М.: Машиностроение, 1972.

36. Повх И.Л., "Аэродинамический эксперимент в машиностроении", М.: Машиностроение, 1965.

37. Рабинович С.Г., "Погрешности измерений", Ленинград:. Энергия, 1978.

38. Роже Пейре, Томас Д.Тейлор, "Вычислительные методы в задачах механики жидкости", М.: Гидрометеоиздат, 1986.

39. Симпсон, "Обзор некоторых явлений, возникающих при отрыве турбулентного потока", Теоретические основы инженерных расчетов, 1981, т.103, с. 131-149.

40. Сычев В.В., "Асимптотическая теория отрывных течений", М.: Наука, 1987.

41. Фафурин А.В., "Особенности, связанные с измерениями пульсирующих расходов нормальными диафрагмами", 2-ой международный симпозиум по энергетике, окружающей среде и экономике, Казань:, 1998, с. 49-52.

42. Фафурин В.А., "Нестационарное движения газа в осесиммеричных диафрагм", Дис. канд. техн. наук.: 01.04.14. Казань, 1996.

43. Фрост У., Моулден Т., "Турбулентность. Принципы и применения", М.: Мир, 1980.

44. Чжен П., "Отрывные печения", М.: Мир, 1972-1973, т. 1,2,3.

45. Шлихтинг Г., "Теория пограничного слоя", М.: Наука, 1974.

46. Юшко С.В., "Измерение нестационарных расходов сред осредняющими трубками", Тезис, док. научной сессии КГТУ, Казань: 2000, с 107.

47. Юшко С.В., "Нестационарное течение газа в соплах", Препринт Казанского государственного технического университета им. А.Н. Туполева, Казань: 1996.

48. Юшко С.В., "Нестационарное течение газа в соплах", Дис. канд. техн. наук.: 01.02.05. Казань, 1996.

49. Юшко С.В., Агаджанян Д Р., "Нестационарное течение газа в трубе с нагретой стенкой", Препринт, Казанского государственного технологического университета им. С.М. Кирова, Казань: 1999.

50. Dobrowolski В., Kabza Z., Pospolita J., "The Analysis of Metrology Performance of Constriction Flow-Meters under Pulsating Flow Condition", IMEKO, X World Congress, Praha, 1985.

51. Dobrowolski В., Kabza Z., Pospolita J., "Theoretishe "und Experimented Untersuchungen der Einflusses der Pulsationsstromung auf die Charakteristiken der Drosselgeraten", VDI, Verlag, Duseldorf, 1991, s. 85.

52. Dobrowolski В., Pospolita J., "Theoretical estimation of the applicability range of the differential pressure type flowmeters in presence of the mass flux", Archiwum Mechaniki: 39,6,571-588,1987.

53. Downing P.M., Mottram R.C., "The Effects of Flow Pulsations on Orifice Plate Flow Meters", Symposium on Fluid Flow Measurements in the mid 1970's, National Engineering Laboratory, East Kilbride, April 1985.

54. Foitier A., "The Measurement of Variable Flow by Means of Pressure Difference Devices", ISO/TC30AVG4, (France-2), Document 24,1963.

55. Herning F., Schmid C., "Darchflussmessung bei pulsierender Stromung" VDI-Zeitschrift, Bd 82, 1938.

56. Hodgson J.L., "The Laws of Similarity for Orifice and Nozzle Flows", Vol.51, 1929.

57. Karlsson S.K.F., "An unsteady turbulent boundary layer", J. Fluid Mech. №5. 1959. p. 622-636.

58. Kasther L.J., "An Investigation of Air Box Method of Measuring the Air Consumption of Internal Combustion Engines", Proc., I. Mech. E., Vol. 157, 1947.

59. Miznshina Т., Maruyama Т., Hirasawa H., "Structure of the turbulence in pulsating pipe flows", J. Chem. Eng. Japan, №3, 1975.

60. Mottram R.C., "The Behavior of Orifice and Venturi-Nozzle Meters in Pulsating Flow", PhD, Thesis University of Surrey, 1971.

61. Ruppel G., "Durchflussmessung bei pulsierender Stromung", Archiv, Technik Messen, Y 1240-4,1936.69. "Yokogawa field instruments", 1997-1998.