По магистральному нефтепроводу

В настоящее время для измерения количества нефти и нефтепродуктов на магистральных трубопроводах существует широкая номенклатура технических средств, работа которых основана на различных физических принципах и эффектах. При этом расход нефти и нефтепродуктов может быть определен в единицах объема и (или) единицах массы.

При конструировании счетчиков используют различные методы измерения количества перекачиваемой жидкости в трубопроводе. По принципу действия различают объемные, турбинные, электромагнитные, ультразвуковые, вихревые счетчики. Известны и другие конструкции, находящиеся в стадии разработки, среди которых можно выделить: тепловые, ионизационные, ядерномагнитные и т.д. Широкое распространение в практике трубопроводного транспорта при малых производительностях имеют объемные счетчики, в которых поток разделяется на порции механическим способом. Разделение на порции происходит при помощи эксцентрично укрепленных вращающихся лопастей или шестерен, движимых ротором. В процессе движения в определенные моменты образуются измерительные камеры, размер которых вымерен с высокой степенью точности. Количество порций в единицу времени, пропущенных через камеры, определяется частотой вращения ротора. Измерительный элемент объемных счетчиков с овальными шестернями состоит из двух прецизионных шестерен. Под действием давления жидкости шестерни вращаются. При каждом обороте пары овальных шестерен протекает точно специфицированный объем жидкости через счетчик. Обороты пары овальных шестерен передаются при помощи магнитной муфты с передачей на счетный механизм с индикатором, или без обратного влияния на магнитоуправляемый датчик, где единственными движущимися элементами являются овальные шестерни. В зависимости от выбора материала для корпуса, овальных шестерен и подшипников и в зависимости от установки так называемых температурных удлинителей счетчики с овальными шестернями каждого типоразмера могут быть приспособлены к следующим рабочим режимам:

- режиму высоких и низких температур;

- к низким и экстремально высоким вязкостям;

- к режиму рабочего давления до 10 МПа.

Схема объемного счетчика с овальными шестернями представлена на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1. Схема объемного счетчика

 

Лопастные расходомеры работают по принципу вытеснения. Установленный на шариковых опорах ротор с лопастями, равномерно расположенными в щелях на его периферии, вращается вокруг зафиксированного на центральном валу кулачкового диска в зависимости от направления и скорости потока жидкости. Кулачковый диск выполнен таким образом, что вызывает радиальное выдвижение лопастей, направленных к стенке измерительной камеры. В целях уменьшения трения управляющий механизм лопастей оснащен шарикоподшипниками.

После завершения радиального выдвижения лопасти формируют со стенками и днищем кожуха закрытую камеру. Истирание деталей исключено, поскольку ни ротор, ни лопасти не прикасаются к неподвижным узлам измерительной камеры. Капиллярный эффект оптимально минимизирует утечку через зазор между лопастью и стенкой измерительной камеры, что и гарантирует сверхвысокую точность измерения. Вертикальный разрез лопастного расходомера фирмы «Смит» представлен на рисунке 5.2.

При использовании объемных счетчиков на узле учета перед ними обязательно необходимо устанавливать фильтры тонкой очистки. Данный тип счетчиков определяет количество жидкости путем прямого измерения объема потока. Другие конструкции счетчиков обеспечивают измерение объема косвенными методами. Они могут измерять такие динамические параметры, как скорость потока, скорость звука в потоке, динамический напор, частоту возникновения вихрей, и на основании физических закономерностей преобразуют измеренные параметры в расход и количество.

1 - текучая жидкость; 2 – лопасть; 3 - статическая жидкость;

4 - внешний кожух; 5 - кулачковый диск; 6 - измерительная камера;

7 - внутренний кожух с выровненным давлением; 8 – подшипник

лопасти; 9 - ротор

Рисунок 5.2. Вертикальный разрез лопастного расходомера

 

Наибольшее распространение для измерения количества нефти имеют турбинные счетчики. В них для определения количества жидкости используют помещенное в поток вращающееся тело (турбинка, зубчатая шестерня и т. д.). Вращение турбинки происходит за счет передачи энергии потока на лопасти. Частота вращения непосредственно зависит от скорости потока, что и позволяет определить расход в трубопроводе.

Для преобразования частоты вращения ротора в потоке используют магнитные или магнитно-индукционные датчики. В магнитном датчике взаимодействуют постоянный магнит, закрепляемый в лопастях и вращающийся вместе с ротором, и катушка индуктивности, закрепленная на корпусе. При прохождении магнита вблизи катушки в ней возникает переменный магнитный поток и индуцируется напряжение, амплитуды и частоты импульсов пропорционально скорости потока. Наибольшее распространение для турбинных счетчиков получил магнитоиндукционный датчик. Он состоит из постоянного магнита, укрепленного в корпусе соленоида, и сердечника из магнитомягкого материала. При прохождении лопастей турбинки вблизи магнитоиндукционного датчика в соленоиде наводится ЭДС, которая зависит от частоты вращения турбинки. Частота ЭДС определяется частотой изменения поля соленоида, т. е. частотой вращения.

Широкое применение имеют счетчики «Турбоквант» (см. рисунок 5.3).

1 - корпус; 2 - передние опоры; 3 - задние опоры; 4 - турбина;

5 – обмотка датчика; 6 - сердечник (постоянный магнит);

7 - индуктивный датчик

Рисунок 5.3. Схема турбинного расходомера

 

Ротор счетчика 4, помещенный в корпус 1, вращается в подшипниках 2 и 3, которые крепят в опорном кольце 8. На ступице ротора смонтирован зубчатый диск из ферромагнитного материала.

В головке счетчика укреплены постоянный магнит 7 и катушка индуктивности 5 с сердечником 6. При прохождении зубцов диска вблизи катушки в ней происходит изменение поля, создающего импульс в соединительной линии с прибором. Максимальная частота импульсов при максимальном расходе составляет 1000 Гц, амплитудное значение напряжения при минимальном расходе - 20 мВ.

Счетчики «Турбоквант» в диапазоне измерения расходов имеют следующие характеристики: погрешность - 0,5 %; повторяемость - 0,1 %; температура окружающей среды - от - 50 до + 150 °С. Подшипники счетчиков могут быть изготовлены из тефлона, стеллита, вольфрамкарбида, бронзы. Допускаемая кратковременная перегрузка не превышает 125 % от номинального расхода.

Для ориентировочного измерения расхода и количества жидкости можно использовать погружные счетчики. Эти счетчики измеряют скорость жидкости в одной определенной точке. При турбулентном режиме течения потока точка средней скорости расположена на окружности, радиус которой составляет 0,758 от радиуса трубы.

Погружной счетчик следует устанавливать в точке средней скорости. При установке в другом месте можно использовать соотношение

,

где Q - расход;

   - коэффициент отношения средней скорости к местной скорости;

   - скорость в месте установки;

  F - внутренняя площадь поперечного сечения трубы.

Величина  остается постоянной во всем диапазоне скоростей турбулентного режима. Принцип действия погружных счетчиков аналогичен турбинным. Естественно, что погрешность измерения несколько увеличивается. Преимуществами погружных счетчиков являются низкая стоимость, а также малое сопротивление, создаваемое в потоке. Конструкция погружных счетчиков позволяет устанавливать и демонтировать их без остановки трубопровода и снижения давления в нем. По сравнению с объемными турбинные счетчики имеют меньшие габаритные размеры и массу, более долговечны в эксплуатации, имеют большую пропускную способность. Однако наличие вращающегося тела, помещенного в поток, приводит к износу опор, а также к большим гидравлическим потерям. Поэтому в настоящее время, активно ведутся разработки новых типов счетчиков без подвижных частей.

В вихревых счетчиках используется эффект возникновения вихревых колебаний в движущемся потоке. В поток помещают установленное в корпусе датчика неподвижное тело плохо обтекаемой формы (пластина, цилиндр). За этим телом происходит периодический срыв вихрей (см. рисунок 5.4, а). Частота генерирования вихря при однородных потоках пропорциональна только скорости потока. Линейный эффект существует в потоках, в которых число Рейнольдса превышает 10000. В этом случае частота образования вихрей f определяется формулой

,

где  - постоянная Струхаля;

  d - лобовая поверхность тела возмущения;

  V - скорость потока.

В качестве чувствительных элементов, воспринимающих вихревые колебания, можно использовать терморезисторы, представляющие тонкий провод, намотанный на теплоизолирующее основание. От воздействия внешней среды элемент защищают металлическим колпачком или слоем теплопроводного стекла. Резистор подогревают за счет тока внешнего источника. При прохождении измеряемого потока происходит охлаждение датчика, степень охлаждения зависит от скорости потока. Колебания скорости, связанные с возникновением вихрей, вызывают колебания сопротивления датчика, которые фиксируются вторичным устройством.

В зависимости от конструкции датчика чувствительные тепловые элементы 1 устанавливаютнепосредственно в теле датчика или в вихревой дорожке. Размещение чувствительных элементов в передней стенке треугольного тела обтекания показано на рисунке 5.4, б, в сквозном канале в центре треугольного тела - на рисунке 5.4, в.

Рисунок 5.4. Схема вихревого счетчика

 

В последнем случае преобразователь реагирует на изменение температуры с одной или другой стороны датчика, в зависимости от возникновения вихря. На рисунке 5.4, г датчики установлены в вихревой дорожке. Если в тело, образующее вихри, установить магнит, он может служить датчиком (см. рисунок 5.4, д). Реакция, возникающая при срыве вихрей, заставляет помещенный в поток цилиндр 3 колебаться с частотой вихреобразования. Весь цилиндр или его часть изготавливают из ферромагнитного материала. На корпусе прибора устанавливают индуктивный датчик 2, импеданс которого меняется при приближении к нему ферромагнитного диска.

Из-за ограничений по минимальному значению числа Рейнольдса вихревые счетчики не могут быть использованы при малых диаметрах трубопроводов, при применении на больших диаметрах возникают сложности в связи с очень низкой частотой срыва вихрей (менее 1 Гц). Поэтому вихревые счетчики обычно изготавливают диаметром 50 - 150 мм. Представляют интерес методы, в которых отсутствует тело, помещенное в поток.

Ультразвуковые методы основаны на изменении скорости распространения ультразвуковой волны в жидкости при наличии потока (см. рисунок 5.5).

При распространении волны по направлению потока скорость возрастает, а против потока - уменьшается. Эффект этот проявляется в изменении времени распространения ультразвука от излучателя Б к приемнику А в том случае, если ультразвуковая волна распространяется в жидкости под некоторым углом к оси трубопровода.

Рисунок 5.5. Принцип действия ультразвуковых счетчиков

 

Счетчики, основанные на использовании ультразвуковых методов, разделяют на типы в зависимости от схемы измерения. Приборы, измеряющие скорость распространения ультразвука только в одном направлении, называются одноканальными, а в двух направлениях - двухканальными. Время прохождения расстояния между излучателем и приемником по направлению потока , и против потока  определяется формулами

,

где L - длина пути между излучателями;

  с - скорость ультразвука в среде;

  V - скорость потока.

Для повышения точности используют схему, по которой измеряют разность времен  и :

.

Датчики ультразвуковых счетчиков представляют собой пьезоэлектрические керамические диски, покрытые титаном, эпоксидной смолой или тефлоном. Их устанавливают в стенке трубопровода таким образом, чтобы нижний край датчика совпадал с внутренней поверхностью трубопровода, при этом отсутствуют какие-либо дополнительные сопротивления, влияющие на поток жидкости. Рабочая частота ультразвуковых колебаний обычно 1 - 2 МГц. Вследствие асимметрии геометрических размеров акустических каналов одноканальные датчики осуществляют измерение с большей погрешностью, чем двухканальные. При применении ультразвуковых счетчиков следует считаться с нестабильностью скорости ультразвука, вызываемой изменениями температуры, концентрации, давления измеряемой среды и различием скоростей в различных нефтях.

При учете поправок на изменение скорости ультразвука в измеряемой среде ультразвуковые счетчики могут измерять с предельной погрешностью порядка 0,3 %.

 

 

 

Практическое занятие № 6.