Вимірювання витрати та кількості стисненого природного газу на газонаповнювальних станціях
Розробка теоретичних засад побудови системи вимірювання витрати та кількості (об’єму) природного газу при наповненні балонів автомобілів на газонаповнювальних станціях, а також система автоматизованого проектування витратомірів змінного перепаду тиску.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 07.03.2014 |
| Размер файла | 53,0 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Національний університет “Львівська політехніка”
УДК 681.121.84
Вимірювання витрати та кількості стисненого природного газу на газонаповнювальних станціях
05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Матіко Федір Дмитрович
Львів-2001
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України
Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Пістун Євген Павлович, проректор Національного університету “Львівська політехніка”, завідувач кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів”
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, Бродин Іван Семенович, завідувач кафедри “Інформаційно-вимірювальна техніка”, Івано- Франківський державний технічний університет нафти і газу
кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Гудріт Євген Родіонович, Український державний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації Держстандарту України
Провідна установа: Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України
Захист відбудеться “_1_” _грудня___ 2001 р. о _1200_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 35.052.04 у Національному університеті “Львівська політехніка” 79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12, ауд.51 Х учбового корпусу).
З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул.Професорська,1)
Автореферат розісланий “ _26 ” _жовтня_ 2001 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради, кандидат технічних наук Вашкурак Ю.З.
Анотація
Матіко Ф.Д. Вимірювання витрати та кількості стисненого природного газу на газонаповнювальних станціях. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин. - Національний університет “Львівська політехніка”, Львів, 2001.
Дисертаційна робота присвячена розробці теоретичних засад побудови системи вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу при наповненні балонів автомобілів на газонаповнювальних станціях і, як результат, розробці системи вимірювання. В роботі запропоновано та реалізовано новий спосіб розширення діапазону вимірювання витрати, який дозволяє розширити діапазон вимірювання з умови забезпечення заданої похибки вимірювання витрати. Запропоновано та реалізовано нові підходи щодо побудови системи вимірювання на базі методу змінного перепаду тиску із застосуванням критичних сопел. Розроблено нові методи розрахунку коефіцієнта стискуваності, показника адіабати, в'язкості природного газу, які дозволяють проводити розрахунок фізичних властивостей природного газу в умовах АГНКС за спрощеними даними про склад газу. Розроблено систему автоматизованого проектування витратомірів змінного перепаду тиску із спеціальними пристроями звуження потоку із застосуванням отриманих методів розрахунку фізичних властивостей природного газу. Розроблено схему та конструкцію витратомірного вузла для вимірювання витрати природного газу при високих тисках. Розроблено систему вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для АГНКС, яка інстальована та працює на автомобільній газонаповнювальній станції УМГ “Львівтрансгаз”. тиск газ автоматизований
Ключові слова: природний газ, вимірювання, метод змінного перепаду тиску, витрата, кількість, об'єм газу, пристрій звуження, метод розрахунку.
summary
Matiko F. D. Measurement of flow-rate and quantity of compressed natural gas at gas-filling stations. - Manuscript.
The dissertation on getting a scientific degree of the candidate of technical science in a speciality 05.11.01 - The devices and methods of measurement of mechanical quantities. - National university "Lvivska Politechnika", Lviv, 2001.
The thesis is devoted to the development of fundamental theory of building system of measurement of natural gas flow-rate and quantity (volume) during filling automobile balloons at gas-filling stations and as a result - to the development of measuring system. There is offered and realised a new method of widening of flow-rate measurement range, which allows to wide flow-rate measurement range so that necessary measuring error of flow-rate is maintained. There are offered and realised the new approaches concerning building of a measuring system based on the method of variable pressure differential using critical nozzles. There are designed the new methods of calculation of a compressibility coefficient, isentropic exponent and viscosity of natural gas, which allow to compute physical properties of natural gas in working conditions of AGFCS using the simplified data about a structure of gas. There is developed the system of automatic designing of flowmeters of variable pressure differential with special restrictions using the obtained methods of calculation of natural gas physical properties. There is designed the construction of a flow-mesuring unit for a flow measurement of natural gas at high pressures. The designed system of measurement of natural gas flow-rate and quantity (volume) at AGFCS is installed at automobile gas-filling station “Lvivtransgaz”.
Keywords: natural gas, measurement, method of variable pressure differential, flow-rate, quantity, gas volume, restriction, method of calculation.
Аннотация
Матико Ф.Д. Измерение расхода и количества сжатого природного газа на газонаполнительных станциях. - Рукопись.
Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук за специальностью 05.11.01 - Приборы и методы измерения механических величин. - Национальный университет “Львівська політехніка”, Львов, 2001.
Диссертационная работа посвящена разработке теоретических основ построения системы измерения расхода и количества природного газа при наполнении баллонов автомобилей на газонаполнительных станциях и, как результат, разработке системы измерения. В работе предложен и реализован новый способ расширения диапазона измерения расхода в системах учета с микропроцессорным вычислителем, который состоит в перенастраивании диапазонов измерения преобразователей с помощью алгоритмов деления полного диапазона измерения на поддиапазоны. Предложенный способ позволяет расширить диапазон измерения из условия обеспечения заданной погрешности измерения расхода.
Предложены и реализованы новые подходы относительно построения системы измерения на базе метода переменного перепада давления с применением критических сопел, в результате чего получена возможность приводить параметры газового потока к требованиям применения специальных сужающих устройств. Показана возможность ограничения расхода в газопроводе АГНКС на уровне критического, если давление в баллонах меньше 6.8…9.2 МПа. Доведено, что при выбранных конструктивных параметрах газового тракта разработанной системы учета, на измерительной диафрагме не буде устанавливаться критический режим истечения.
Проведен анализ современных методов расчета коэффициента сжимаемости, показателя адиабаты и вязкости природного газа, даны рекомендации относительно применения методов в различных условиях, в том числе, в условиях АГНКС. Разработан новый метод расчета коэффициента сжимаемости, который за упрощенными данными о составе газа (плотность при стандартных условиях , содержание углекислого газа и азота) позволяет вычислить значения коэффициента сжимаемости при давлении до 25 МПа в диапазоне температур от -20 о до 50 о для газов с = 0.67 - 0.8 кг/м3. На основании предложенного метода расчета коэффициента сжимаемости разработан метод расчета показателя адиабаты в рабочих условиях АГНКС. Предложен новый метод расчета вязкости природного газа в рабочих условиях АГНКС за упрощенными данными о составе газа.
Разработана система автоматизированного проектирования расходомеров переменного перепада давления на базе специальных устройств сужения потока с применением полученных методов расчета физических свойств природного газа.
Разработана схема и конструкция расходомерного узла для измерения расхода природного газа при высоких давлениях, в частности для давлений свойственных процессу наполнения баллонов на АГНКС. Разработана система учета газа для АГНКС и ее программное обеспечение. Система построена на базе измерительных преобразователей давления и перепада давления Hartmann&Braun, преобразователя температуры НППП “Техприлад” с цифровыми выходами и микропроцессорного вычислителя ОВК-ПГ.
Проведен анализ составных частей погрешностей определения расхода и количества (объема) газа. Показано, что предельная погрешность измерения объема газа при заправке автомобилей не превышает 1.8 % в системе без градуировки первичного преобразователя расхода, и V1 % - с его градуировкой.
Ключевые слова: природный газ, измерение, метод переменного перепада давления, расход, количество, объем газ, сужающее устройство, метод расчета.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Високі теплотехнічні характеристики (октанове число, теплота згорання) стиснутого природного газу (СПГ) та низька токсичність продуктів його згорання, наявність в Україні розвинутої мережі газопроводів зумовили широке використання СПГ в якості альтернативного палива для автотранспорту. Розширяється мережа автомобільних газонаповнювальних компресорних станцій (АГНКС) різної потужності для заправки автомобілів СПГ.
Разом із розширенням мережі АГНКС постало питання обліку природного газу, який відпускається споживачам на АГНКС. На сьогодні облік природного газу на більшості АГНКС ведеться за допомогою розрахункових таблиць, тобто без реального обліку. Відсутні навіть методи розрахунку фізичних властивостей СПГ в діапазонах тиску та температури властивих АГНКС. Для існуючих засобів обліку СПГ на АГНКС не розроблено відповідної метрологічної бази.
Таким чином, розробка систем вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для АГНКС, що включає розробку методів розрахунку фізичних властивостей природного газу в діапазонах тиску та температури властивих АГНКС, є актуальними задачами.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась згідно з планом науково-дослідної роботи кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів” Національного університету “Львівська політехніка”. Деякі питання дисертаційної роботи розроблялись здобувачем при виконанні госпдоговірних та держбюджетних науково-дослідних тем: Договір № 6412. Розробка проекту Правил України “КНД. Вимірювання витрати та кількості газу за методом змінного перепаду тиску зі стандартними звужуючими пристроями”; ДБ/Витрата “Розробка системи метрологічного забезпечення вимірювання витрати та кількості газу за методом змінного перепаду тиску”;
Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка автоматизованої системи вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для роботи в умовах функціонування АГНКС.
Дана мета реалізується вирішенням наступних завдань:
аналіз існуючих методів вимірювання витрати і кількості (об'єму) та вибір методу вимірювання витрати та кількості СПГ для АГНКС;
аналіз процесу наповнення балонів автомобілів, оцінка діапазону зміни витрати та режимів течії природного газу при наповненні;
розробка методів розрахунку коефіцієнта стискуваності, показника адіабати та в'язкості природного газу для робочих умов АГНКС;
обгрунтування та розробка структурної та принципової схем системи обліку;
розробка системи проектування витратомірів на основі запропонованих методів, та розрахунок конструктивних параметрів перетворювача витрати;
розробка алгоритмів розрахунку витрати та кількості (об'єму) природного газу та їх реалізація на базі мікропроцесорного обчислювача витрати та кількості;
реалізація автоматизованої системи вимірювання витрати та кількості (об'єму) стисненого природного газу.
Наукова новизна одержаних результатів:
розроблено новий метод розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу, який, на відміну від існуючих методів, дозволяє провести обчислення для тиску до 25 МПа при відсутності даних про повний компонентний склад газу;
на основі розробленого методу розрахунку коефіцієнта стискуваності побудовано рівняння розрахунку показника адіабати природного газу для тиску до 25 МПа;
розроблено новий метод розрахунку в'язкості природного газу, який за спрощеними даними про склад газу (густина при стандартних умовах, вміст азоту та вуглекислого газу) дозволяє обчислити значення в'язкості при тиску до 34 МПа;
проведено порівняльний аналіз сучасних методів розрахунку коефіцієнта стискуваності, показника адіабати та в'язкості природного газу, в тому числі розроблених методів; на основі аналізу дано рекомендації, щодо застосування методів, що дозволяє підвищити точність систем обліку природного газу;
запропоновано нові підходи щодо побудови системи вимірювання на базі методу змінного перепаду тиску із застосуванням критичних сопел, в результаті чого вперше отримана можливість приводити параметри течії газу до умов дії спеціальних пристроїв звуження потоку;
запропоновано новий спосіб розширення діапазону вимірювання витрати шляхом автоматизованого переналагодження діапазонів вимірювальних перетворювачів параметрів потоку газу, завдяки чому з'явилася можливість реалізувати метод змінного перепаду тиску в робочих умовах АГНКС. Для його застосування розроблені аналітичні залежності для розрахунку похибок вимірювання та визначення меж діапазонів з умови забезпечення заданого значення похибок;
розроблено математичну модель системи вимірювання, яка дозволяє з врахуванням гідродинамічних обмежень потоку газу досліджувати та проектувати як первинний вимірювальний перетворювач витрати, так і систему обліку газу для АГНКС в цілому, а також досліджувати та обчислювати похибки вимірювання;
розроблено систему автоматизованого проектування спеціальних пристроїв звуження потоку газу та вибору засобів вимірювання на основі запропонованих моделей та розроблених методів розрахунку фізичних властивостей природного газу.
Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в тому, що:
розроблені методи розрахунку фізичних властивостей природного газу дозволяють розширити область застосування методу змінного перепаду тиску; метод розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу переданий в центр Державної служби стандартних довідкових даних (ДССДД) по теплофізичних властивостях технічно важливих рідин і газів Держстандарту України. Перевірка та атестація методу виконувалась в Термодинамічному центрі Міністерства палива та енергетики;
запропонований спосіб розширення діапазону вимірювання витрати застосовується в системах обліку газу не тільки на АГНКС, а й в інших системах обліку, в результаті чого суттєво розширились функціональні можливості витратомірів змінного перепаду тиску. Спосіб впроваджений в системах обліку на базі обчислювача ОВК-ПГ (НПВП “Техприлад”);
за результатами теоретичних та експериментальних досліджень розроблено систему вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для АГНКС, яка без градуювання перетворювача витрати та системи в цілому забезпечує вимірювання об'єму газу з відносною похибкою, що не перевищує 1.8 %, а при градуюванні перетворювача витрати - менше 1 %. Система інстальована та працює на автомобільній газонаповнювальній станції УМГ “Львівтрансгаз”.
Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі досягнуті у співавторстві з науковим керівником, працівниками за місцем роботи та співробітниками підприємства “ Львівтрансгаз ”. В публікаціях, в яких викладено результати досліджень і які написані у співавторстві, дисертанту належать: побудова спрощеної математичної моделі процесу наповнення балонів, та дослідження її числовими методами у публікації [1]; розробка структури та визначення коефіцієнтів рівняння розрахунку коефіцієнта стискуваності, перевірка рівняння відносно масивів експериментальних даних та розробка аналітичних залежностей для визначення впливу похибок параметрів на загальну похибку визначення коефіцієнта стискуваності в [2, 3, 6, 9]; дослідження похибок методів NX19, GERG91, ВНИЦ СМВ та МКС-99 у всьому діапазоні їх дії [8]; аналіз технічних та метрологічних характеристик обчислювача витрати та кількості природного газу ОВК-ПГ [10]. У [11] автором проведено аналіз газодинамічного режиму течії в газопроводі при наповненні балонів на АГНКС та вибрано спеціальний пристрій звуження для даного режиму, в [11, 13] запропоновано структуру системи обліку природного газу на АГНКС. Система побудована із застосуванням нового способу розширення діапазону вимірювання витрати [12], для якого особисто здобувачем отримано аналітичні вирази для обчислення граничних значень піддіапазонів вимірювальних перетворювачів та обчислення похибки визначення вимірюваного параметру.
Апробація результатів дисертації.
Дисертаційна робота обговорювалась на засіданнях кафедри “Автоматизація теплових та хімічних процесів” Національного університету “Львівська політехніка”
Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: 2-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Управління енерговикористанням” (м. Львів, 3-6 червня1997); 1-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Транспортування, контроль якості та облік енергоносіїв” (м. Львів, 1997); 2-ій та 3-ій Міжнародних науково-практичних конференціях "Проблеми економії енергії" (м. Львів, 1999, 2001); 6-ій Міжнародній науково-практичній конференції "Нафта і газ України - 2000" (м. Івано-Франківськ, 2000); Всеукраїнській науково-технічній конференції “Проблеми забезпечення обліку газу в Україні” (м. Івано-Франківськ, 2001).
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 13 друкованих наукових працях, із яких 7 у фахових виданнях, що відповідають вимогам ВАК України. Три праці написані без співавторів.
Структура та об'єм роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, викладених на 154 сторінках, 30 рисунків, 8 таблиць, списку використаної літератури із 87 найменувань і додатків.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі обгрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета та завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, приведені основні результати і положення, які подаються автором до захисту.
В першому розділі розглянуто стан обліку природного газу при відпуску його споживачам на АГНКС. Показано, що облік газу на АГНКС ведеться за допомогою непрямих методів визначення кількості (об'єму), які не забезпечують потрібної точності. Проведено аналіз сучасних методів вимірювання витрати та кількості (об'єму) газу з точки зору їх застосовності в умовах АГНКС. На основі аналізу вибрано для побудови системи вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для АГНКС метод змінного перепаду тиску та дано загальні рекомендації щодо його застосування. Проведено огляд засобів обліку газових потоків (в тому числі відомих світових виробників), на основі чого зроблено висновок про те, що засобів з відповідним метрологічним забезпеченням, які б могли бути застосовані для комерційного обліку СПГ на АГНКС, на сьогодні не розроблено. В цьому ж розділі визначено та обгрунтовано напрям досліджень.
В другому розділі розроблено основні засади побудови системи обліку. Розглянувши основні рівняння розрахунку витрати та кількості (об'єму) природного газу за методом змінного перепаду тиску та враховуючи, що вимірювання тиску та температури на сьогодні реалізується із точністю набагато вищою ніж густини, вибрано для подальшої реалізації наступне рівняння:
де Р, Т - абсолютний тиск та температура в робочих умовах; , - абсолютний тиск та температура стандартних умов; - густина газу за стандартних умов; К - коефіцієнт стискуваності газу в робочих умовах; Р - перепад тиску на пристрої звуження; d - діаметр отвору пристрою звуження в робочих умовах; - коефіцієнт витрати; - коефіцієнт розширення потоку.
В роботі показано, що в умовах АГНКС в якості вимірювального перетворювача можливо застосовувати нестандартні або спеціальні (нормовані в РД 50-411-83) пристрої звуження. Застосування спеціальних пристроїв звуження для вимірювання витрати природного газу без градуювання можливе при дотриманні вимог щодо конструктивних характеристик пристрою звуження разом з прямими ділянками трубопроводу, викладених в РД 50-411-83, а також при відповідності гідродинамічного режиму потоку вимогам РД 50-411-83:
відношення перепаду тиску на пристрої звуження до абсолютного тиску потоку не повинно перевищувати 0.5:
число Рейнольдса Re потоку повинно лежати в межах
,
де , - мінімальне та максимальне граничні числа Рейнольдса для вибраного пристрою звуження.
Як показали експериментальні дослідження, перепад тиску на пристрої звуження не дорівнює різниці тиску в лінії наповнення (20 МПа) та тиску в балоні. Наприклад, при встановленні в лінії наповнення стандартної діафрагми для трубопроводів діаметру менше 50 мм та наповненні балонів з початковим тиском 2 МПа перепад тиску на пристрої звуження не перевищив 100 кПа. Очевидно, що при таких перепадах умова (2) виконується із значним запасом.
Для перевірки належності числа Рейнольдса діапазону … для кожного із спеціальних пристроїв звуження, проведено оцінку діапазону зміни витрати та числа Рейнольдса при наповненні балонів автомобілів. Оцінку проведено з врахуванням теорії критичних сопел, за якою, зокрема, якщо пристрій звуження має достатньо довгу горловину, завдяки чому в ньому відсутнє додаткове звуження потоку (=1), і, крім того, виконується умова
де , - тиск перед та за соплом, то швидкість потоку в горловині досягає свого максимального значення, рівного швидкості звуку в даному середовищі. При зміні тиску швидкість потоку в горловині буде залишатись рівною швидкості звуку доти, поки буде виконуватись умова (4). Отже, наявність в газовому тракті критичного сопла дозволяє обмежити швидкість потоку.
Для реалізації такого обмеження пропонується вводити перед вимірювальною ділянкою критичне сопло, яке, обмежуючи максимальне значення витрати, дозволить забезпечити потоку < для вимірювального пристрою звуження. В умовах АГНКС роль критичного сопла можуть виконувати і технологічні звуження, наявні в газовому тракті.
Для аналізу газодинамічних параметрів потоку в газовому тракті з наявним критичним соплом при надкритичному відношенні тисків знаходили значення масової витрати Qм газу:
,
де С - коефіцієнт витікання сопла, С0 - критичний витратний коефіцієнт, р0 - тиск ізоентропічно загальмованого потоку (повний тиск перед соплом), - густина газу, що відповідає тиску р0; - показник адіабати. Зокрема, для сопла з циліндричною горловиною: а = 0.9887, b = n = 0 при ; а = 1, b = 0.2165, n = 0.2 при .
Параметри ізоентропічно загальмованого потоку перед соплом визначались як
.
де Ма - число Маха, К - коефіцієнт стискуваності.
Згідно з паспортом заправних колонок КГР-20, які експлуатуються сьогодні на АГНКС, мінімальний переріз газового тракту становить 6 мм, а внутрішній діаметр газопроводу 10 мм. Таким чином “критичне сопло” має відносну площу отвору . Для такого “критичного сопла” знайдено максимальне значення об'ємної витрати приведеної до стандартних умов =1.908 м3/c та відповідне йому число Рейнольдса (в газопроводі із D20=10 мм) . Аналіз показав, що витрата в соплі буде залишатись постійною доки , де значення =0.444 знайдено із рівняння:
,
Взагалі для умов наповнення балонів на АГНКС (=20 МПа, =250…320 К) та для сопла із =6 мм в трубопроводі =10 мм відношення тисків може приймати значення від 0.34 до 0.46 (знайдено із (11)). Тобто при =20 МПа витрата в соплі буде рівна критичній доти, доки тиск в балоні не зросте до 6.8…9.2 МПа.
Перевіривши належність знайденого до діапазону … спеціальних пристроїв звуження та врахувавши конструктивні особливості застосування різних пристроїв звуження, зроблено висновок, що в умовах наповнення балонів автомобілів на АГНКС, доцільно застосувати стандартну діафрагму для трубопроводів діаметру менше 50 мм.
Виконано аналіз можливості виникнення критичного режиму течії через вибраний пристрій звуження - діафрагму. Згідно з результатами експериментальних даних багатьох дослідників (Сен-Венана, Гірна, Шюле), які досліджували витікання газів через круглий отвір в тонкій стінці, критичний режим течії встановлюється при 0.25, а згідно з даними Щегляєва - при 0.13. Отже, якщо в газовому тракті наявне технологічне звуження соплового типу, що обмежує витрату газу при =0.34…0.46, то потік не буде досягати швидкості звуку при перетіканні через діафрагму. При цьому слід врахувати, що вимірювальна діафрагма може бути встановлена на ділянці газопроводу з діаметром більшим від діаметру трубопроводу сопла.
Другою необхідною умовою застосування методу змінного перепаду тиску на АГНКС є розширення діапазону вимірювання витрати. В роботі запропоновано спосіб розширення діапазону вимірювання витрати в системах, побудованих на базі програмованих мікропроцесорних обчислювачів витрати та кількості, за допомогою алгоритмів розбиття повного діапазону вимірювання на піддіапазони з встановленням класу точності кожного піддіапазону у відповідності до залежностей (нормованих, наприклад, для перетворювачів фірми Fisher-Rosemount):
0.075 % для : 1:10
%, для : 1:10,
де - верхнє граничне значення діапазону вимірювання.
При цьому запропоновано також один із способів визначення меж піддіапазонів вимірювального перетворювача, який дозволяє забезпечити задане значення відносної похибки вимірювання у всьому діапазоні вимірювання.
Оскільки перенастроювання шкали перетворювача полягає в зміні коефіцієнта, який задає нахил прямої, що апроксимує дійсну статичну характеристику ( крива ІІ на рис. 1.а) в певному піддіапазоні, то нами пропонується змінювати коефіцієнт нахилу статичної характеристики алгоритмічно, в програмі обчислювача. При цьому перший діапазон вимірювального перетворювача може відповідати максимальному діапазону вимірювання, зазначеному в паспорті перетворювача.
В результаті реалізації розбиття, показаного на рис.1, відносна похибка буде змінюватись за залежністю, яка відтворюється кривою ОABCDEFGK. При вимірюванні перепаду тиску в межах відносна похибка не буде перевищувати заданого значення 0.2 %, а при вимірюванні - 0.525 %.
Значення відносної похибки в будь-якій точці повного діапазону вимірювання, розбитого на N піддіапазонів, може бути знайдено за формулою:
Запропонований метод розширення діапазону вимірювання витрати реалізований нами в системі вимірювання витрати та кількості СПГ для АГНКС на базі обчислювача ОВК-ПГ. Програма обчислювача реалізує алгоритм встановлення піддіапазонів, який дозволяє розбити весь діапазон вимірювання до восьми піддіапазонів.
Третій розділ присвячено дослідженню та розробці методів розрахунку фізичних властивостей природного газу в робочих умовах АГНКС, без яких не може бути реалізований метод змінного перепаду тиску.
В результаті аналізу існуючих методів розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу показано, що тільки метод AGA8-92DC може бути застосований і дозволить провести обчислення в умовах АГНКС з похибкою прийнятною для задач обліку ( < 0.5 %). Недоліком методу є те, що він побудований на основі багатокомпонентного рівняння стану і вимагає даних про повний компонентний склад газу.
Нами розроблено новий метод розрахунку МКС-99, який за спрощеними даними про склад газу (густина за стандартних умов, вміст вуглекислого газу та азоту) дозволяє обчислити значення коефіцієнта стискуваності при тиску до 25 МПа в діапазоні температур від -20 оС до 50 оС. Розроблено також методику визначення загальної похибки розрахунку коефіцієнта стискуваності за цим методом, зокрема з врахуванням похибок визначення тиску, температури та складу газу.
Метод побудований на основі таблиць експериментальних даних Американської газової асоціації (AGA) і грунтується на приведенні газової суміші до базової, що дає можливість використати для розрахунку коефіцієнта стискуваності таблиці експериментальних даних.
Методична похибка розробленого методу відносно базового масиву (AGA) експериментальних даних у всьому діапазоні зміни тиску та температури становить 0.13 % (включаючи похибку експериментальних даних). Перевірка розробленого методу на найновіших масивах експериментальних даних коефіцієнта стискуваності Європейської групи газових досліджень показала, що для сумішей з густиною при стандартних умовах = 0.67 - 0.72 кг/м3, відносна похибка методу не перевищує 0.5 %. Для порівняння, похибка методу GERG 91 мод. в тих самих діапазонах тиску та температури (тиск до 25 МПа температура від -20 оС до 50 оС) не перевищує 3 %.
В роботі виконано також порівняльний аналіз точності всіх сучасних методів розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу: NX19 мод., GERG91 мод., ВНИЦ СМВ, AGA8-92DC, методу, який застосовується в діючій методиці обліку газу для АГНКС, методу РД 50-213-80. Побудовано залежності похибок розрахунку коефіцієнта стискуваності за кожним методом від параметрів потоку газу. Виконаний порівняльний аналіз дозволяє зробити висновки щодо застосування цих методів не тільки в умовах АГНКС, а і в будь-яких системах обліку природного газу, зокрема, при його транспортуванні та споживанні. Показано, що невірне застосування того чи іншого методу, що має місце на практиці, призводить до суттєвого збільшення похибок вимірювання витрати та кількості природного газу. Відповідні рекомендації щодо застосування цих методів подані в Держстандарт України та в НАК “Нафтогаз України”. Що стосується застосування методів для АГНКС, то із всіх проаналізованих методів тут могли б бути застосовані тільки два: AGA8-92DC та розроблений нами МКС-99, і перевагу слід надати методу МКС-99, який не вимагає даних про повний компонентний склад газу і дозволяє провести розрахунок коефіцієнта стискуваності в умовах АГНКС з похибкою, прийнятною для задач обліку.
В результаті проведеного аналізу методів розрахунку показника адіабати природного газу показано, що на сьогоднішній день його розрахунок можна провести такими способами:
за даними ДССДД (табличні, графічні, або аналітичні залежності) знайти значення показника адіабати компонентів природного газу; знаючи вміст кожного компоненту, обчислити значення показника адіабати газу за адитивною залежністю;
за вдосконаленим рівнянням Кабзи при невідомому повному компонентному складі газу але лише до тиску 10 МПа;
за методом ВНИЦ СМВ при відомому повному складі газу до тиску 10 МПа.
Перший спосіб дозволяє обчислити значення показника адіабати природного газу при зміні тиску та температури в широких діапазонах, однак вимагає даних про його повний компонентний склад. Другий та третій способи не охоплюють діапазон зміни тиску природного газу на АГНКС.
Для застосування в умовах АГНКС нами розроблено новий метод розрахунку показника адіабати природного газу на основі розглянутого вище методу МКС-99. Розрахунок може бути проведений для природних газів та вуглеводневих сумішей, які мають густину при стандартних умовах =0.6673-0.8 кг/м3, при зміні температури від -20 оС до +50 оС і абсолютного тиску від 0.101325 до 25 МПа. Молярний вміст вуглекислого газу та азоту в газових сумішах не повинні перевищувати кожен 15 %.
Оскільки температура газу, який заправляється в балони автомобілів, за технологічним регламентом АГНКС лежить в межах від 15 до 45 оС, то метод МПА може бути застосований і дозволить знайти значення показника адіабати газу з точністю достатньою для розрахунку коефіцієнта розширення газу на пристрої звуження.
В результаті проведеного дослідження методів розрахунку в'язкості показано, що молекулярно-кінетичні методи принципово незастосовні для розрахунку в'язкості природного газу, який є багатокомпонентною сумішшю і містить полярні та неполярні компоненти. Методи, які пропонуються сучасними нормативними документами і базуються на принципі відповідних станів, дозволяють провести розрахунок при тиску до 12 МПа, тобто не охоплюють діапазону тиску газу на АГНКС. Методи Діна і Стила, В.А. Загорученко, побудовані на основі багатокомпонентних рівнянь стану, охоплюють діапазон робочих умов АГНКС, однак потребують застосування одного з високоточних рівнянь стану для розрахунку густини вуглеводневих сумішей. Будь-яке з таких рівнянь вимагає даних про повний компонентний склад суміші. Крім того, для розрахунку приведених температури та густини необхідно мати дані про критичні параметри кожного компоненту.
Нами розроблено метод розрахунку в'язкості, який дозволяє за спрощеними даними про склад газу (густина в стандартних умовах, вміст вуглекислого газу та азоту) обчислити в'язкість газу при тиску до 30 МПа в діапазоні температури 240-340 К. Метод призначений для розрахунку динамічної в'язкості природних газів та вуглеводневих сумішей, основним компонентом яких є метан, і які мають густину при стандартних умовах =0.6673-0.8 кг/м3.
Метод побудований на основі таблиць ДССДД розрахункових даних в'язкості метану та на основі спрощеного методу ГОСТ 30319-1.96. Згідно з розробленим методом коефіцієнт динамічної в'язкості природного газу визначається за формулою:
де - поправковий множник; - температурна складова в'язкості, мкПа*с.
Виконано також порівняння із іншими методами розрахунку в'язкості, зокрема, методами ГОСТ 30319-3.96. Показано, що для умов АГНКС запропонований метод найбільш простий в реалізації, забезпечує необхідну для задача обліку природного газу точність розрахунку та не вимагає даних про його повний компонентний склад.
В четвертому розділі наведено результати розробки схеми, конструкції та програмного забезпечення системи вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для АГНКС, а також результати її експериментального дослідження.
З метою забезпечення заданої точності вимірювань та мінімізації вартості системи в ній застосовано перетворювачі тиску та перепаду тиску Hartmann&Braun класу точності 0.1 і перетворювач температури НПВП “Техприлад” (абсолютна похибка 0.5 оС) з цифровими виходами та мікропроцесорний обчислювач ОВК-ПГ. Для забезпечення граничної похибки вимірювання перепаду тиску р 0.2 % діапазон вимірювання розбито на п'ять піддіапазонів.
Розроблена нами програма обчислювача: здійснює розрахунок витрати та кількості (об'єму) природного газу, приведених до нормальних умов, у відповідності з РД 50-411-83 та розробленими нами залежностями; реалізує запропонований алгоритм встановлення піддіапазонів при вимірюванні перепаду тиску; формує базу даних обліку і виникаючих “нештатних” ситуацій; здійснює представлення результатів обчислення на цифровому табло обчислювача та передачу їх до ЕОМ.
Розрахунок та проектування витратомірного вузла здійснено з урахуванням вимог РД 50-411-83 та обмежень по газодинаміці потоку. Для цього розроблено автоматизовану систему проектування та розрахунку спеціальних пристроїв звуження, реалізовану на ПЕОМ, яка враховує можливість обмеження витрати за рахунок введення критичного сопла.
Розрахунок та проектування спеціальної діафрагми, яка пропонується в якості первинного вимірювального перетворювача витрати, проведено з умови забезпечення граничного перепаду тиску, що дозволяє уникнути значного зниження температури та обмерзання пристрою звуження при дроселюванні недосушеного газу. В результаті розрахунку проведеного для трубопроводу з внутрішнім діаметром D20=17 мм отримано наступні значення параметрів: діаметр отвору критичного сопла - = 4.8 мм; граничне значення витрати в газопроводі - =1.25 м3/c; діаметр отвору діафрагми - d20=12.73 мм; відносна площа діафрагми - m=0.560; перепад тиску при граничній витраті =1.25 м3/c - р=250 кПа.
Згідно з вимогами РД 50-411-83, для отриманого m=0.56 та конфігурації газового тракту, показаній на рис.2, повинні бути забезпечені прямі ділянки до та після пристрою звуження. L1=41D=697 мм, L2=8D=136 мм. Довжини прямих ділянок реальної установки наведено на рис.2.
Так як вимірювання відбуваються при тиску до 20 МПа, то ставляться підвищені вимоги до надійності та герметичності кріплення пристрою звуження. Оскільки товщина діафрагми повинна знаходитись в межах 1 мм, то для надійного кріплення передбачено її встановлення в обоймі. Для ущільнення зазорів між поверхнями діафрагми, обойми та фланців їх торцеві поверхні, які забезпечують герметичність збірки, оброблені до класу чистоти поверхні 8 (Ra=1.25).
Основні результати ТА ВИСНОВКИ
Проведено порівняльний аналіз методів вимірювання витрати та кількості газових потоків з точки зору їх застосування для обліку стисненого природного газу на АГНКС. Показано, що метод змінного перепаду тиску може бути застосований для даної задачі за умови розширення його функціональних можливостей.
Запропоновано та реалізовано нові підходи щодо побудови системи вимірювання витрати на базі методу змінного перепаду тиску із застосуванням критичних сопел, в результаті чого параметри течії газу приводяться до умов дії спеціальних пристроїв звуження потоку, що дозволяє застосовувати їх в умовах АГНКС.
Запропоновано та реалізовано новий спосіб розширення діапазону вимірювання витрати за методом змінного перепаду тиску в системах обліку з мікропроцесорним обчислювачем за рахунок автоматизованого переналагодження діапазонів вимірювальних перетворювачів параметрів потоку газу. Для його застосування розроблені аналітичні залежності для розрахунку похибок вимірювання та визначення меж діапазонів з умови забезпечення заданого значення похибок.
Розроблено новий метод розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу, який, на відміну від існуючих методів, дозволяє провести обчислення для тиску до 25 МПа при відсутності даних про повний компонентний склад газу. В робочих умовах АГНКС метод забезпечує визначення коефіцієнта стискуваності з похибкою, що не перевищує 0.5 %.
На основі розробленого методу розрахунку коефіцієнта стискуваності отримані рівняння для розрахунку показника адіабати природного газу (до тиску 25 МПа), які забезпечують визначення показника адіабати газу при відсутності даних про його повний компонентний склад.
Розроблено новий метод розрахунку в'язкості природного газу, який за спрощеними даними про склад газу (густина при стандартних умовах, вміст азоту та вуглекислого газу) дозволяє обчислити значення в'язкості при тиску до 34 МПа.
Проведено порівняльний аналіз методів розрахунку коефіцієнта стискуваності, показника адіабати та в'язкості природного газу, в тому числі розроблених методів; на основі аналізу дано рекомендації, щодо застосування методів, що дозволяє підвищити точність систем обліку природного газу.
Розроблено математичну модель системи вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу, яка дозволяє, з врахуванням гідродинамічних обмежень потоку газу, досліджувати та проектувати як первинний вимірювальний перетворювач витрати - спеціальний пристрій звуження, так і систему обліку в цілому, а також досліджувати та обчислювати похибки вимірювання.
На основі запропонованої моделі системи вимірювання та розроблених методів розрахунку фізичних властивостей природного газу розроблено систему автоматизованого проектування витратомірів змінного перепаду тиску із спеціальними пристроями звуження потоку.
Розроблено конструкцію витратомірного вузла для вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу при високих тисках.
Розроблено систему вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу для АГНКС, яка без градуювання перетворювача витрати та системи в цілому забезпечує вимірювання об'єму газу з відносною похибкою, що не перевищує 1.8 %, а при градуюванні перетворювача витрати - менше 1 %. Система інстальована та працює на автомобільній газонаповнювальній станції УМГ “Львівтрансгаз”.
Список опублікованих ПРАЦЬ ЗА темОЮ дисертації
Пістун Є.П., Матіко Ф.Д., Кріль Б.А. Оцінка діапазонів вимірювання витрати природного газу при наповненні балонів автомобілів на АГНКС // Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація : Вісник ДУ “ЛП”. - 1997. - №318. - C.63-66.
Пістун Є.П., Матіко Ф.Д., Крук І.С. Визначення коефіцієнта стискуваності в задачах обліку природного газу // Доповіді 2-ої Міжнар. наук.-практичної конференції “Управління енерговикористанням”. - Львів:ДУ “ЛП”. - 1997.- С.114.
Пістун Є.П., Матіко Ф.Д., Крук І.С., Лесовий Л.В. Розрахунок коефіцієнта стискуваності природного газу при вимірюванні витрати на автомобільних газонаповнювальних компресорних станціях // Доповіді 1-ої Міжнар. наук.-практ. конференції “Транспортування, контроль якості та облік енергоносіїв”. - Львів:ДУ “ЛП”. - 1998. - С.150-155.
Матіко Ф. Визначення показника адіабати природного газу для задач його обліку на автомобільних газонаповнювальних станціях // Теплоенергетика. Інженерія довкілля. Автоматизація: Вісник НУ “ЛП”. - 2000. - №404. - C.86-89.
Матіко Ф.Д. Аналіз можливості застосування методів вимірювання витрати для задач обліку природного газу на АГНКС // Вимірювальна техніка та метрологія: Міжвідомчий науково-технічний збірник. - 2000. - № 56. - C.60-64.
Пістун Є.П., Матіко Ф.Д. Розробка методики розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу для задач його обліку // Матеріали 6-ої Міжнар. наук.-практ. конф. “Нафта і газ України - 2000”. - Івано-Франківськ: ІФДТУНГ - 2000. - Том 3, с 211-213.
Пістун Є.П., Матіко Ф.Д., Лесовий Л.В. Порівняльний аналіз методів розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу // Методи та прилади контролю якості: Наук.-техн. журнал. ІФДТУНГ. - 2000. - №5. - C.46-50.
Матіко Ф.Д. Розрахунок в'язкості природного газу для задач його обліку в широкому діапазоні зміни тиску // Методи та прилади контролю якості: Наук.-техн. журнал. ІФДТУНГ. - 2000. - № 6. - C.51-54.
Пістун Є.П., Матіко Ф.Д. Методика розрахунку коефіцієнта стискуваності природного газу з метою його обліку // Нафтова і газова промисловість. - 2001. - №1. - C. 53-54.
Пістун Є., Дубіль Р., Киринюк В., Матіко Ф. Мікропроцесорний обчислювач витрати та кількості природного газу // Ринок інсталяційний. - 2001. - № 5. - C. 8-10.
Пістун Є.П., Коваль Р.І., Матіко Ф.Д., Дубіль Р.Я., Длябога З.Р., Новошицький Є.І. Стан та перспективи обліку природного газу на автомобільних газонаповнювальних станціях // Методи та прилади контролю якості: Наук.-техн. журнал ІФДТУНГ. - 2001. - №7. - C.105-110.
Пістун Є.П., Дубіль Р.Я., Матіко Ф.Д. Розширення діапазону вимірювання витрати за методом змінного перепаду тиску // Вимірювальна техніка та метрологія: Міжвідомчий наук.-техн. збірник.- 2001. - № 58. - C. 147-151.
Пістун Є., Коваль Р., Матіко Ф., Дубіль Р., Длябога З., Новошицький Є. Автоматизована система обліку природного газу на газонаповнювальних станціях // Збірник матеріалів III Міжнар. наук.-практ. конф. “Проблеми економії енергії”. - Львів: НУ “ЛП”. - 2001. - C. 204-205.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Вологість газу як один з основних параметрів при добуванні, транспортуванні і переробці природного газу. Аналіз методів вимірювання вологості газу. Розробка принципової та структурної схем приладу для вимірювання, дослідження його елементів і вузлів.
курсовая работа [1,9 M], добавлен 12.01.2011Аналіз технологічного процесу як об’єкту керування. Розробка системи автоматичного керування технологічним процесом. Проектування абсорберу з шаром насадок для вилучення сірководню із природного газу. Вибір координат вимірювання, контролю, сигналізації.
курсовая работа [663,2 K], добавлен 29.03.2015Контрольний розрахунок теплофізичних коефіцієнтів природного газу. Розрахунок ємності для конденсату, сепаратора, теплообмінника разом з дроселем. Технологічний режим незабруднення поверхні фільтрації. Необхідна концентрація інгібітору, добові витрати.
курсовая работа [189,7 K], добавлен 27.12.2011Загальні принципи виміру витрат методом змінного перепаду тиску. Вибір та розрахунок звужуючого пристрою й диференціального манометра, згідно з вимогами держстандарту. Залежність зміни діапазону об'ємної витрати середовища від перепаду тиску на пристрої.
курсовая работа [846,9 K], добавлен 28.03.2011Розрахунок чисельності населення і житлової площі. Основні показники природного газу. Визначення розрахункових годинних витрат газу споживачами. Використання газу для опалення та гарячого водопостачання. Трасування та розрахунок мереж високого тиску.
курсовая работа [188,7 K], добавлен 20.05.2014Системи розподілення газу, норми споживання, річні та погодинні витрати газу окремими споживачами, режими споживання, місця розташування та продуктивність газорегуляторних пунктів. Сучасні системи газопостачання природним газом міст, областей, селищ.
дипломная работа [276,7 K], добавлен 11.12.2015Дослідження зварювальної деталі. Характеристики зварювального напівавтомата. Механізм подачі та кондуктор-кантувач. Розрахунок механізму подачі. Регулятори витрати газу з покажчиком витрати газу. Робота електричної схеми. Інструкція з експлуатації.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 26.02.2023Вивчення конструкції і принципу дії витратоміра змінного перепаду тиску та тахометричного турбінного лічильника кількості води. Особливості роботи та точності виміру витрат ультразвуковим портативним витратоміром – лічильником рідини марки "Взлет – ПР".
лабораторная работа [1,1 M], добавлен 29.10.2010Розробка системи газопостачання населеного пункту, розміщеного в Кіровоградській області. Розрахунок витрати газу на комунально-побутові потреби, теплопостачання і потреби промислових підприємств. Визначення оптимальної кількості та обладнання ГРП.
курсовая работа [82,7 K], добавлен 15.07.2010Класифікація, конструкція і принцип роботи сепараційних установок. Визначення кількості газу та його компонентного складу в процесах сепарації. Розрахунок сепараторів на пропускну здатність рідини. Напрями підвищення ефективності сепарації газу від нафти.
контрольная работа [99,9 K], добавлен 28.07.2013Рідинні засоби та деформаційні прилади для вимірювання тиску. Вимірювальні прилади із сильфоним та мембранним чутливим елементом. Установка, обслуговування деформаційних трубчасто-пружинних манометрів. Правила вимірювання трубчасто-пружинними манометрами.
реферат [514,7 K], добавлен 31.03.2009Огляд лічильників та методів вимірювання витрати рідини. Закон електромагнітної індукції М. Фарадея. Метрологічні характеристики лічильника. Можливості застосування комп’ютерного моделювання при проектуванні вимірювального приладу електромагнітного типу.
курсовая работа [4,4 M], добавлен 15.01.2015Витратомір як прилад, що вимірює витрату речовини, що проходить через переріз трубопроводу в одиницю часу. Класифікація та різновиди даних приладів, їх відмінні особливості та функціонал. Порівняльна характеристика різних витратомірів. Вторинні прилади.
курсовая работа [1,2 M], добавлен 10.04.2012Розробка автоматизованої системи вимірювання удоїв і управління доїльними апаратами в складі шістнадцяти блоків доїння та лічильника загального удою. Електрична структурна та принципова схеми автоматизованої системи. Розрахунок похибки вимірювання.
курсовая работа [135,5 K], добавлен 11.02.2010Поняття газопостачання та його значення на сучасному етапі розвитку суспільства та промисловості. Порядок проектування системи газопостачання міста Маріуполь, її структура та елементи, визначення кількості його жителів та території, норми витрат газу.
курсовая работа [148,3 K], добавлен 05.05.2010Визначення витрат газу на потреби теплопостачання та на потреби промислових підприємств. Розрахунок кількості мережевих газорегуляторних пунктів. Гідравлічний розрахунок зовнішніх газопроводів. Газопостачання житлового будинку, загальні втрати тиску.
курсовая работа [82,1 K], добавлен 07.11.2011Технологічні режими технічного обслуговування, ремонту і експлуатації основних систем газотурбінної установки ДЖ-59Л ГПА-16 в умовах КС "Гребінківська". Розрахунок фізичних властивостей газу, режимів роботи установки. Охорона навколишнього середовища.
дипломная работа [354,5 K], добавлен 08.02.2013Опис основних елементів та структурна схема САК заданого технологічного параметра. Розрахунок вихідного сигналу та графік його статичної характеристики в заданому діапазоні зміни технологічного параметра. Розрахунок сумарних похибок вимірювання.
курсовая работа [227,0 K], добавлен 23.12.2013Розробка автоматичної системи для вимірювання товщини стрічки, яка дозволяє контролювати задану товщину стрічки для того, щоб остання відповідала вимогам замовника чи виробництва, а також оптимально використовувати сировину, з якої вона виготовляється.
курсовая работа [155,6 K], добавлен 25.04.2011Фактори, що впливають на процес виготовлення та номінальні значення параметрів технологічного процесу. Монтаж відбірних пристроїв для вимірювання витрати. Проектування пульта управління процесом. Монтаж пристроїв для відбору тиску й розрідження.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 25.12.2013
