Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

Підвищення точності автоматизованого вимірювання витрати

та кількості (об'єму ) природного газу

05.11.01 - Прилади та методи вимірювання механічних величин

УДК 681.121.84

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Химко Ольга Мирославівна

Львів-2002

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, доцент Байцар Роман Іванович, професор кафедри “Метрології, стандартизації та сертифікації”, Національний університет “Львівська політехніка” кандидат технічних наук, провідний науковий співробітник Гудріт Євген Родіонович, Український державний науково-виробничий центр стандартизації, метрології та сертифікації Держстандарту України

Провідна установа: Харківський Державний Науково-дослідний інститут метрології (ХДНДІМ) Держстандарту України Захист відбудеться “16” травня 2002 р. о 14 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 навчального корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету “Львівська політехніка” (Львів, вул.Професорська,1) Автореферат розісланий “ 10 ” квітня 2002 р.

Відгуки надсилати за адресою : 79013, Львів-13, вул.С.Бандери,12

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат технічних наук Вашкурак Ю.З.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Природний газ є одним із основних енергоносіїв, він широко використовується як паливо на виробництві та у комунальній сфері. Більшу кількість газу Україна закуповує за кордоном, на що витрачає значні кошти, а його неекономне використання тільки ускладнює ситуацію з енергозабезпеченням. В зв'язку з цим, енергозбереження та економія природного газу є надзвичайно актуальною державною проблемою.

Економія природного газу неможлива без його обліку. Отже, будь-яке використання газу повинно бути забезпечене обліком, до того ж - високоточним обліком, оскільки похибки вимірювання безпосередньо зумовлюють втрати газу пропорційно до значень цих похибок.

Найбільш широке застосування для обліку природного газу знайшли витратоміри, що реалізують метод змінного перепаду тиску, а також лічильники газу. Незважаючи на їх широке застосування, ці методи далеко не вичерпали своїх можливостей щодо підвищення точності, особливо з врахуванням досягнень технічного розвитку. В зв'язку з цим детальний аналіз похибок вимірювання за цими методами, встановлення та реалізація нових можливостей підвищення точності, зокрема для автоматизованих систем обліку на основі сучасної мікропроцесорної техніки, та покращання метрологічного забезпечення обліку газу є надзвичайно важливим та актуальним.

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 держбюджетних та госпдоговірних науково-дослідних тем:

ДБ/Витрата. “Розробка системи метрологічного забезпечення вимірювання витрати та кількості газу за методом змінного перепаду тиску”, державна реєстрація №0198U002393;

Договір № 6412. Розробка проекту Правил України “КНД. Вимірювання витрати та кількості газу за методом змінного перепаду тиску зі стандартними звужуючими пристроями” державна реєстрація №0197U017262.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення точності вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу витратомірами змінного перепаду тиску та лічильниками газу.

Для досягнення даної мети слід вирішити такі задачі:

- проаналізувати основні фактори впливу на точність вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу витратомірами змінного перепаду тиску та лічильниками газу;

- виявити вплив коливань параметрів потоку природного газу та статистичних взаємозв'язків між ними на точність вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу витратомірами змінного перепаду тиску та лічильниками газу;

- провести аналіз складових похибок систем обліку природного газу, реалізованих на витратомірах змінного перепаду тиску та лічильниках газу та уточнити методику визначення загальної похибки вимірювання витрати та об'єму газу;

- уточнити моделі коефіцієнта витрати стандартних пристроїв звуження потоку, за рахунок чого зменшити межу невизначеності його невиключених систематичних складових похибок, зокрема визначення поправних множників на шорсткість трубопроводу та притуплення вхідного канта діафрагми;

- виявити та узагальнити можливості підвищення точності обліку газу завдяки застосуванню в системах обліку мікропроцесорних обчислювачів витрати та кількості природного газу;

- уточнити алгоритми розрахунку витрати та кількості (об'єму) природного газу за методом змінного перепаду тиску, зокрема для мікропроцесорних обчислювачів витрати та кількості природного газу;

- сформулювати основні вимоги щодо метрологічного забезпечення систем обліку природного газу підвищеної точності, побудованих на базі мікропроцесорних пристроїв (як для витратомірів змінного перепаду тиску, так і лічильників газу);

- розробити універсальні таблиці стандартних значень витрати та стандартних значень коефіцієнта корекції для атестації та перевірки (повірки) мікропроцесорних обчислювачів і коректорів;

Об'єкт дослідження - вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу.

Предмет дослідження - витратоміри змінного перепаду тиску та лічильники газу, їх моделі, похибки та можливості підвищення точності.

Методи дослідження - для розв'язку поставлених задач використовувались методи теорії ймовірностей, математичної статистики, теорії випадкових процесів для одержання моделей похибок визначення витрати та об'єму газу, теорії вимірювань для розробки рекомендацій щодо метрологічного забезпечення систем обліку газу та методи розв'язку систем нелінійних рівнянь для розрахунку витрати газу.

Наукова новизна одержаних результатів:

розроблена нова модель похибки визначення коефіцієнта розширення газу для витратомірів змінного перепаду тиску, яка вперше враховує коливання параметрів потоку та кореляційні зв'язки між ними, та дозволяє оцінити значення цієї похибки для діафрагми та сопла і виявити можливості її зменшення;

розроблена нова модель загальної похибки вимірювання кількості (об'єму) природного газу витратомірами змінного перепаду тиску, яка вперше враховує коливання параметрів потоку та кореляційні зв'язки між ними, та дозволяє оцінити значення цієї похибки для даних витратомірів різної будови;

уточнено математичний опис методу змінного перепаду тиску з врахуванням стану вимірювальної ділянки трубопроводу і стану пристроїв звуження потоку, який дозволяє скоректувати алгоритм розрахунку витрати і кількості (об'єму) газу та підвищити точність методу вимірювання;

класифіковано системи вимірювання кількості (об'єму) газу за допомогою лічильників за принципом зведення об'єму газу до стандартних умов та отримані залежності для розрахунку похибок вимірювання для кожної із систем згідно із запропонованою класифікацією;

вперше виявлені, математично описані та оцінені складові похибок вимірювання об'єму лічильниками газу, які зумовлені кореляційними зв'язками між витратою та тиском газу, і показано, що вони вносять основну частку в дисбаланси газу;

вперше обґрунтовані та введені таблиці стандартних значень витрати природного газу для атестації обчислювачів витратомірів змінного перепаду тиску та таблиці стандартних значень коефіцієнта корекції для атестації коректорів газу, які суттєво спрощують їх атестацію та повірку;

розроблені рекомендації для методик атестації систем вимірювання витрати та кількості(об'єму) газу на базі мікропроцесорних пристроїв (обчислювачів та коректорів) із використанням розроблених таблиць стандартних значень, які дозволять вдосконалити процедуру атестації та повірки.

Практичне значення одержаних результатів роботи полягає в наступному:

розроблені моделі похибок вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу витратомірами змінного перепаду тиску та лічильниками газу дозволяють оцінювати реальну точність систем обліку як з мікропроцесорними обчислювачами та коректорами, так і без них;

встановлені можливості підвищення точності вимірювання витрати та кількості (об'єму) газу витратомірами змінного перепаду тиску та лічильниками газу можуть і повинні бути реалізовані в системах обліку газу для зменшення похибок вимірювання. Частина цих можливостей реалізована в алгоритмах, що впроваджені в системах обліку природного газу на базі обчислювача ОВК-ПГ (НПВП “Техприлад”);

розроблені залежності для розрахунку поправних множників на шорсткість трубопроводу та притуплення вхідного канту діафрагми ввійшли в проект Правил України “Вимірювання витрати та кількості природного газу за методом змінного перепаду тиску зі стандартними пристроями звуження потоку”;

розроблені таблиці стандартних значень витрати природного газу для атестації обчислювачів витратомірів та таблиці стандартних значень коефіцієнта корекції для атестації коректорів газу атестовані відповідно УкрЦСМ (м.Київ) та Ів.-Фран-ківським ДЦСМС Держстандарту України та рекомендовані для застосування.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно, на основі власних ідей і розробок, а окремі досягнуті у співавторстві з науковим керівником та працівниками за місцем роботи. В публікаціях, в яких викладено результати досліджень і які написані у співавторстві, дисертанту належать: розробка алгоритму розрахунку поправних множників на шорсткість трубопроводу та притуплення прямокутного канту діафрагми, перевірка рівнянь відносно масивів експериментальних даних; порівняльний аналіз точності запропонованих залежностей порівняно із існуючими нормованими залежностями та аналіз можливостей досягнення мінімальної похибки при використанні запропонованих залежностей [1,3,7,8]; розробка алгоритму розрахунку стандартних значень витрати, встановлення методики перевірки обчислювачів як по точності розрахунку витрати, так і за реалізацією обмежень методу змінного перепаду тиску [5]; дослідження точності апроксимаційних методів визначення кількості газу та запропоновані рекомендації щодо підвищення точності процедури розрахунку об'єму за допомогою мікропроцесорних обчислювачів[4]; розробка та реалізація алгоритму розрахунку стандартних значень коефіцієнта корекції, розробка методики перевірки коректорів за даними таблицями [7].

Апробація результатів дисертації

Основні результати роботи доповідались та обговорювались на: 2-ій міжнародній науково-практичній конференції "Управління енерговикористанням", Львів, 1997; 1-ій міжнародній науково-практичній конференції "Системи транспортування, контроль якості та облік енергоносіїв", Львів, 1998; 2-ій міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії", Львів, 1999; 6-ій міжнародній науково-практичній конференції “Нафта і газ України-2000”, Івано-Франківськ, 2000; Всеукраїнській науково-технічній конференції “Проблеми забезпечення обліку газу в Україні”, Івано-Франківськ, 2001; 3-ій міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії", Львів, 2001.

Дисертаційна робота також доповідалась на наукових семінарах Національного університету “Львівська політехніка”.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано у 9 друкованих наукових працях, із яких 4 у фахових виданнях, що відповідають вимогам ВАК України.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п'яти розділів і висновків, викладених на 158 сторінках, а також 21 рисунків, 13 таблиць, списку використаної літератури із 113 найменувань і додатків.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульована мета та завдання досліджень, наукова новизна та практична цінність отриманих результатів, наведені основні результати і положення, які подаються автором до захисту.

В першому розділі розглянуто сучасний стан та тенденції розвитку вимірювання витрати і кількості (об'єму) природного газу та його метрологічного забезпечення. Проаналізовані основні переваги та недоліки існуючих методів обліку природного газу. Показано, що найбільш застосовуваними, виходячи з переваг та розробленої нормативної бази, є витратоміри, що реалізовують метод змінного перепаду тиску і лічильники газу. Проведено огляд сучасних засобів обліку природного газу, що реалізовують дані методи. Визначені та обґрунтовані основні задачі досліджень.

Другий розділ присвячений аналізу похибок вимірювання витрати та об'єму газу в системах його обліку на базі методу змінного перепаду тиску, в результаті якого виявлені нові складові похибок, які раніше не були відомими, а їх вплив на точність вимірювання не аналізувався.

Аналіз похибок вимірювання витрати та кількості природного газу за методом змінного перепаду тиску проводився з метою виявлення всіх їх складових та можливості зменшення чи усунення цих похибок. Методики визначення ряду складових цих похибок при вимірюванні витрати газу є відомими та достатньо добре відпрацьованими. Це, зокрема, стосується похибок визначення коефіцієнта витрати, діаметра пристрою звуження потоку, діаметра трубопроводу, параметрів потоку газу. В роботі проаналізовані фактори, від яких залежать значення цих похибок, наведені діапазони зміни значень цих похибок. При вимірюванні кількості (об'єму) газу також виявлено ряд нових складових похибок.

Встановлено, що при розрахунку похибки визначення середніх значень вимірюваних параметрів враховуються тільки похибки, які вносять планіметри, а похибки середніх значень параметрів потоку, що зумовлені коливаннями параметрів потоку та нелінійними залежностями, застосовуваними при розрахунку як витрати, так і її складових, не враховуються взагалі. Так, витрата природного газу в стандартних умовах:

, (1)

, (2)

де Р, Т - абсолютні тиск та температура газу в робочих умовах;, , - абсолютні тиск, температура та густина газу в стандартних умовах; 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 газу, а кількість (об'єм) VС газу, згідно з вимогами чинних норм - , тобто через середнє значення витрати .

Оскільки витрата є нелінійною функцією відносно аргументів, то її середнє значення повинно визначатись як математичне сподівання залежністю:

(3)

де х Р, Р, Т, К; , - математичні сподівання та дисперсії параметрів потоку; - другі похідні функції в точках М[хі]; rxi,хj-коефіцієнт кореляції між параметрами. Сьогодні ж нормованою є інша залежність для визначення середнього значення:

, (4)

звідки виникає похибка визначення середнього значення витрати:

 (5)

У роботі проаналізовані похибки визначення середнього значення витрати згідно із залежністю (4), проаналізовані впливи коливань перепаду тиску, тиску та температури газу та впливи кореляційних зв'язків між ними на цю похибку. Для прикладу, похибка, зумовлена лише коливаннями тиску, тут може сягати 2 % і вона завжди має додатній знак.

Вперше проведені дослідження щодо похибки визначення середнього значення коефіцієнта розширення газу. За отриманим загальним рівнянням

(6)

виведені аналітичні залежності для розрахунку середнього значення коефіцієнта розширення для діафрагм та сопел та похибки його визначення. Так, для діафрагми:

, (7)

де sB(DP),sB(P),sB(c)- відносні середні квадратичні відхилення дійсних значень DР, Р, показника адіабати c від їх математичних сподівань, причому sB(хі)= s(хі)/М[хі].

Розраховані значення похибок для різних можливих відхилень Р, Р, та різних кореляційних зв'язків. Показано, що ці похибки можуть досягати значних величин: при максимальних відхиленнях для діафрагм до 2.5%, для сопел до 6% (рис.1.б, 1.г), при кореляційних зв'язках можливі ситуації, що ці похибки будуть подвоюватися (рис.1.д, 1.е), але для робочої області процесу вимірювання характерні менші відхилення параметрів (рис.1.а,1.в). Доведено, що кореляційні зв'язки між параметрами є важливим фактором, який треба враховувати при розрахунках складових похибок. У результаті досліджень виявлено, що похибка зростає із збільшенням відносної площі m пристрою звуження потоку та збільшенням втрат тиску

DР/Р на ньому (рис.1), тому для її зменшення потрібно вибирати витратоміри із мінімальним m та мінімальним відношенням DР/Р. Крім цього, оцінені значення коефіцієнтів впливу коливань для кожного параметра, за якими можна визначити відхилення якого параметра найбільше впливає на зміну e . Для діафрагми вони є однакові, а для сопла переважаючими є відхилення тиску. Окремо проаналізовано похибки вимірювання витрати та об'єму газу при застосуванні у схемі витратоміра змінного перепаду тиску мікропроцесорних обчислювачів. Тут теж виявлені нові похибки, які раніше не розглядались, оцінені їх значення.

У третьому розділі класифіковано системи обліку газу з лічильниками, проаналізовані похибки вимірювання об'єму газу для кожного з варіантів цих систем та проведено порівняльний аналіз їх точності.

Зведення балансів по газу, розрахунки за газ виконуються в об'ємах газу, зведеного до стандартних умов. Лічильники ж газу вимірюють об'єм газу в робочих умовах, що не є достатнім. Отже, виміряні лічильником значення об'єму газу необхідно коректувати. На сьогодні таке коректування (зведення об'єму газу до стандартних умов) виконується в різний спосіб, або не виконується взагалі, що пояснюється відсутністю унормованої методики виконання вимірювань об'єму газу лічильниками.

Для того, щоб оцінити похибки систем обліку природного газу за допомогою лічильників в залежності від способу зведення виміряного об'єму газу до стандартних умов нами розроблена класифікація таких систем вимірювання, а саме:

- системи без коректування показів лічильника газу (тут вимірювання параметрів потоку газу не проводиться, коректування показів лічильника газу не ведеться);

- системи з ручним коректуванням показів лічильника за номінальними для даного об'єкту вимірювання значеннями тиску та температури газу (тут вимірювання параметрів потоку газу не проводиться, а коректування показів лічильника газу виконується в ручний спосіб за номінальними значеннями тиску та температури газу);

- системи з ручним коректуванням показів лічильника газу за середніми значеннями, в яких передбачено автоматичне вимірювання та реєстрація параметрів потоку газу (тут вимірювання та реєстрація тиску та температури газу проводиться за допомогою відповідних самописних приладів, а опрацювання результатів цих вимірювань та коректування показів лічильника газу виконується в ручний спосіб);

- системи з автоматичним коректуванням показів лічильника газу, в яких проводиться автоматичне вимірювання тиску та температури газу та автоматичне коректування результатів вимірювань.

Слід зазначити, що зведення об'єму газу, зафіксованого лічильником, до стандартних умов повинно виконуватись у відповідності з відомою залежністю:

, (8)

де VC- об'єм природного газу в стандартних умовах; VЛ- об'єм газу в робочих умовах за показами лічильника. Цю залежність можна представити і через коефіцієнт корекції , що визначається як

. (9)

Згідно із даною класифікацією для кожної системи запропоновані та проаналізовані залежності для визначення складових похибок. Назагал, похибка визначення об'єму природного газу в стандартних умовах згідно з (7):

(10)

де Л, Р, Т, К- відповідно похибки лічильника (береться із паспорта лічильника), вимірювання (визначення) Р, Т та К.

Для систем без коректування похибки пропонується оцінювати через максимальні відхилення значень параметрів процесу ТМАХ (ТМIN) і РМАХ від їх значень в стандартних умовах за залежностями, наприклад:

або ; (11)

; (12)

. (13)

Як показав аналіз, похибки вимірювань таких систем можуть складати сотні процентів, тому тут точність самого лічильника (класу 1.5 чи 1) не є визначальною, а дані про виміряний об'єм не є інформативними.

Для систем з ручним коректуванням за номінальними значеннями параметрів газу Рном і Тном похибки розраховуються за залежностями:

 або ; (14)

; (15)

. (16)

Похибки таких систем складають десятки процентів та залежать від того як правильно визначені номінальні параметри процесу.

Для систем з ручним коректуванням за середніми значеннями параметрів нами пропонується така залежність:

. (17)

Похибки вимірюваних параметрів газу визначаються за відомими залежностями при умові застосування у вимірювальній схемі планіметрів:

де - похибка засобу вимірювання; - похибка планіметра; - похибка ходу діаграми. Похибка К визначається у відповідності з РД 50-213-80.

Для систем з автоматичним коректуванням за робочими значеннями параметрів похибка розраховується за залежністю:

, (18)

де - похибка коректора. Похибки параметрів визначаються як:

де , , , - похибки вимірювальних каналів та дискретизації в часі відповідно температури Т та тиску Р. Застосування у схемі вимірювання коректора дозволяє проводити корекцію за поточними виміряними значеннями параметрів газу, що усуває похибки, зумовлені розрахунками за середніми значеннями, тобто , , та . Загальна похибка систем з автоматичним коректуванням може складати 1,2- 2 %, вона визначається в основному похибками лічильника та коректора (як правило, відповідно 1% і 0,5%), оскільки похибки дискретизації, які присутні в цих системах, при достатній частоті збору інформації є незначними (соті процента), а похибки вимірювальних каналів, що визначаються класом точності застосованих засобів вимірювання, можуть знаходитись в межах 0,1- 1 %.

У четвертому розділі, виходячи з досліджень, проведених у перших двох розділах, запропоновані та узагальнені можливості підвищення точності обліку газу.

Для витратомірів змінного перепаду тиску це може бути реалізовано через застосування уточненої моделі коефіцієнта витрати стандартних пристроїв звуження потоку, яка запропонована на основі нових залежностей для розрахунку поправних множників kш на шорсткість трубопроводу та kп притуплення вхідного канта діафрагми. природний газ тиск лічильник

Точність одержаної залежності оцінена при порівняні отриманих даних із експериментальними. Проведено порівняльний аналіз по точності нормованих методик для визначення kш згідно РД 50-213-80 та ГОСТ8.563.1. Похибка визначення kш розраховувалась за рівнянням:

(19)

Дані залежності (26-28) дозволили зменшити систематичну похибку розрахунку kш (на рис.2. -) від 2% згідно із РД50-213-80 і від 0.3% згідно ГОСТ8.563.1 (на рис.2. -) до 0.04%.для діафрагм (рис.2.а.) та від 1.5% згідно із РД50-213-80 і від 1% згідно ГОСТ8.563.1 до 0.04% для сопел (рис.2.б.).

Розроблені рекомендації для зменшення впливу шорсткості трубопроводу, коли значення параметрів шорсткості не вимірюються. Крім того, для уникнення необхідності вимірювання шорсткості запропоновано алгоритм розрахунку еквівалентної шорсткості, використовуючи формулу Колбрука.

Для поправного множника на притуплення прямокутного канта діафрагми запропонована залежність:

, (20)

де ; An0=0,9962; An1=0,10404; An2=-0,1435; An3=0,1679;

An4=-0,098796 ; An5=0,02229; rk -радіус заокруглення канта.

Точність запропонованої та існуючих нормованих залежностей визначена порівняно із експериментальними даними, похибка визначення kп розраховувалась за залежністю:

. (21)

Проведений порівняльний аналіз методик розрахунку показав, що найменше відхилення від експериментальних даних, тобто найменшу похибку визначення забезпечує запропонована методика (на рис.3 -). Залежність (30) дозволила зменшити систематичну похибку розрахунку kп від 4% згідно із РД50-213-80 (рис.3 -[РД] )та від 1,5 % згідно ГОСТ8.563.1) до 0,12 %.

Таким чином, запропоновані методики розрахунку kш і kп повинні бути включені у відповідні нормативні документи. Ці залежності також увійшли до запропонованої уточненої моделі витратоміра змінного перепаду тиску. В результаті, як сама модель витратоміра в цілому, так і залежності (26-28, 30) увійшли в проект Правил України “Вимірювання витрати та кількості природного газу за методом змінного перепаду тиску.

Проаналізована робота мікропроцесорного обчислювача у схемі витратоміра змінного перепаду тиску та мікропроцесорного коректора в комплекті з лічильником газу. Виявлені можливості підвищення точності таких систем вимірювання та шляхи реалізацій цих можливостей, зокрема, ітераційний розв'язок системи рівнянь витрати для знаходження коефіцієнта витрати з уточненими моделями для поправних множників на шорсткість трубопроводу та притуплення прямокутного канта діафрагми, уточнені алгоритми розрахунку коефіцієнта стискуваності К та коефіцієнта розширення та кількості (об'єму) газу, на основі чого запропоновано вдосконалення програмного забезпечення мікропроцесорних обчислювачів.

У п'ятому розділі проаналізована методологія метрологічного забезпечення засобів автоматизованого обліку природного газу. Показано, що для витратомірів змінного перепаду тиску з мікропроцесорними обчислювачами не існує єдиної методики оцінки точності таких систем. Запропонована модель похибки розрахунку витрати та кількості (об'єму) газу за методом змінного перепаду тиску за допомогою мікропроцесорного обчислювача:

; (22)

, (23)

де ?k, ?d20, ?C, ?E, ?kш, ?kп, ?, ?с, ?К, - відносні похибки визначення, відповідно, комплексу сталих, отвору діафрагми, коефіцієнта витікання, коефіцієнта швидкості входу, поправних множників на шорсткість трубопроводу та притуплення прямокутного канта діафрагми, коефіцієнта розширення, густини газу та коефіцієнта стискуваності; , , , - похибки вимірювальних каналів відповідно перепаду тиску, тиску, температури та густини в стандартних умовах; , , , - похибки дискретизації цих же параметрів; ?Q-ОВК- похибка розрахунку витрати обчислювачем, ?V-ОВК - похибка розрахунку кількості обчислювачем.

Дослідження показали, що єдиної бази метрологічного забезпечення обчислювачів для методу змінного перепаду тиску не має. У роботі запропоновані підходи для визначення метрологічних характеристик таких обчислювачів. Перш за все, розроблені таблиці стандартних значень, які використовуються у цьому процесі. По-друге, виділені наступні метрологічні характеристики обчислювачів та запропоновані залежності для їх розрахунку.

Похибка розрахунку ?Q-ОВК витрати газу, зведеної до стандартних умов:

?Q-ОВК= 100 ( QOВК - QВ ) / QВ, % (24)

де QOВК - значення витрати розраховане обчислювачем; QВ - взірцеве значення витрати, визначене за допомогою таблиць стандартних значень витрати.

Похибка розрахунку ?V-ОВК кількості (об'єму) газу, зведеної до стандартних умов:

?V-ОВК = 100 ( VОВК - VВ ) / VВ , % ; (25)

-для постійної витрати: VВ =QВ .1 год.;

-для змінної витрати: ; = 1 год.

Похибка вимірювання часу інтегрування:

%. (26)

Аналогічна ситуація склалась для мікропроцесорних коректорів лічильників газу. Пропонується визначати їх метрологічні характеристики наступним чином. Визначати похибку ?КОР коректора за залежністю:

? кор= 100 ( VКОР - VВ ) / VВ , (27)

де VКОР - значення об'єму природного газу в стандартних умовах, розраховане за допомогою коректора; VВ - взірцеве значення об'єму газу, яке при робочому об'ємі VР=1 м3, буде рівне коефіцієнту корекції для даних умов, що визначається за запропонованими та розробленими таблицями стандартних значень коефіцієнта корекції.

Таблиці стандартних значень витрати природного газу для атестації обчислювачів витратомірів змінного перепаду тиску та таблиці стандартних значень коефіцієнта корекції для атестації коректорів газу є універсальним (розраховані на весь діапазон дії методу), надійним та простим у застосуванні засобом повірки обчислювачів. Вони були атестовані відповідно УкрЦСМ (м.Київ) та Ів.-Франківським ДЦСМС Держстандарту України та рекомендовані для застосування. Таблиці стандартних значень витрати природного газу були успішно застосовані для повірки мікропроцесорного обчислювача ОВК-ПГ (НПВП “Техприлад”).

На основі розроблених методологічних підходів запропоновані рекомендації для вдосконалення методик атестації (повірки) мікропроцесорних обчислювачів в схемах витратомірів змінного перепаду тисків та мікропроцесорних коректорів для лічильників газу, а також рекомендації для вдосконалення методик атестації (повірки) автоматизованих систем вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу з такими обчислювачами чи коректорами. Вказані рекомендації були застосовані в методиках атестації (повірки) таких автоматизованих систем, що затвердженні відповідними органами Держстандарту України.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

У дисертації проведене узагальнення можливостей підвищення точності автоматизованого вимірювання витрати та об'єму газу, які реалізовані в розробці уточненої моделі витратоміра змінного перепаду тиску, нових моделей похибок вимірювання витрати та об'єму витратомірами та лічильниками газу, а також в розробці нових методологічних підходів метрологічного забезпечення автоматизованого обліку природного газу.

1. Проведено порівняльний аналіз методів вимірювання витрати та кількості (об'єму) газових потоків з точки зору їх точності та можливостей її підвищення. Показано, що найпоширеніші сьогодні витратоміри, що реалізовують метод змінного перепаду тиску, та лічильники природного газу не вичерпали своїх можливостей щодо підвищення точності вимірювання.

2. Проаналізовані фактори, що впливають на похибку вимірювання витрати та кількості (об'єму) газу витратомірами змінного перепаду тиску, та показано, що такі з них, як коливання параметрів потоку, що дотепер не враховувались, суттєво впливають на точність вимірювання, зокрема при визначенні об'єму газу за середніми значеннями параметрів потоку газу.

3. Отримана та досліджена нова модель похибки визначення коефіцієнта розширення газу для витратомірів змінного перепаду тиску, на базі якої вперше оцінені значення цієї похибки для діафрагми та сопла з врахуванням коливань параметрів потоку та кореляційних зв'язків між ними і показані можливості її зменшення.

4. Розроблена нова модель похибки вимірювання кількості (об'єму) природного газу витратомірами змінного перепаду тиску, яка на відміну від існуючої моделі для планіметрів, дозволяє оцінювати значення похибки з врахуванням коливань параметрів потоку та кореляційних зв'язків між ними.

5. Отримана та обґрунтована уточнена модель витратоміра змінного перепаду тиску на основі нових залежностей для розрахунку поправних множників на шорсткість трубопроводу та притуплення вхідного канта діафрагми, які порівняно із існуючими методиками забезпечують меншу систематичну складову похибки та зменшують межу невизначеності коефіцієнта витрати. Запропонована модель увійшла до проекту Правил України з вимірювань витрати за методом змінного перепаду тиску.

6. Розроблено класифікацію систем вимірювання кількості (об'єму) газу за допомогою лічильників залежно від способу приведення виміряного об'єму газу до стандартних умов. На основі цієї класифікації розроблена методика визначення загальної похибки вимірювання об'єму газу зведеного до стандартних умов, запропоновані залежності для розрахунку складових похибки вимірювання для кожної системи.

7. Розроблені таблиці стандартних значень витрати природного газу для атестації обчислювачів витратомірів змінного перепаду тиску та таблиці стандартних значень коефіцієнта корекції для атестації коректорів газу, які враховують всі обмеження методу та весь діапазон зміни параметрів. Ці таблиці атестовані УкрЦСМ

(м. Київ) та Ів.-Франківським ДЦСМС Держстандарту України. Застосування таблиць суттєво спрощує атестацію та повірку вказаних систем обліку.

8. Розроблені рекомендації щодо вдосконалення методик атестації систем вимірювання витрати та кількості (об'єму) газу на базі мікропроцесорних пристроїв (обчислювачів та коректорів) із застосуванням розроблених таблиць стандартних значень витрати та коефіцієнтів корекції, які використовуються в методиках атестації (повірки) конкретних вимірювальних систем.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Пістун Є.П., Лесовой Л.В., Химко О.М. Визначення поправного множника на шорсткість трубопроводу під час вимірювання витрати газу // Нафтова і газова промисловість.-2000.-№5.-с.41-43.

2. Пістун Є.П., Химко О.М. Вимірювання кількості природного газу витратомірами змінного перепаду тиску з мікропроцесорними обчислювачами // Нафтова і газова промисловість.-2002.-№1.-С.42-44.

3. Лесовой Л.В., Химко О.М. Визначення поправного множника на шорсткість трубопроводу при вимірюванні витрати теплоносіїв // Методи та прилади контролю якості. - 2000.-№6.-С.46-50.

4. Пістун Є. П., Лесовой Л. В., Химко О. М. Застосування таблиць значень коефіцієнта корекції для метрологічної атестації та повірки коректорів лічильників газу // Методи та прилади контролю якості .-2001.-№7.-С.102-104.

5.Крук І.С., Лесовий Л.В., Химко О.М. Базові таблиці стандартних значень витрат для метрологічної атестації обчислювачів витрати природного газу за методом змінного перепаду тисків // Управління енерговикористанням. - Львів: ДУ”ЛП”.-1997.-С.110.

6. Пістун Є.П., Лесовий Л.В., Химко О.М. Визначення похибки розрахунку кількості вимірюваного середовища мікропроцесорними обчислювачами за методом змінного перепаду тиску // Транспортування, контроль якості та облік енергоносіїв.- Львів: ДУ “ЛП”.-1998.-С.273-280.

7. Лесовий Л.В., Химко О.М. Розрахунок поправного множника на притуплення прямокутного канту при вхідному отворі діафрагми // Проблеми економії енергії.- Львів: ДУ “ЛП” .- 1999.- №2.-С.163-166.

8. Пістун Є.П., Лесовой Л.В., Химко О.М. Підвищення точності визначення поправних множників коефіцієнта витрати діафрагми // Нафта і газ України-2000.- Ів.-Франківськ: ІФДТУНГ.-2000.- Т.3.-С.217-219.

9. Химко О.М. Особливості визначення похибок обліку природного газу за допомогою лічильників // Проблеми економії енергії. - Львів: НУ”ЛП”.- 2001. №3.-С. 211-212.

АНОТАЦІЯ

Химко О.М. Підвищення точності автоматизованого вимірювання витрати та кількості (об'єму) природного газу. - 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, 2002.

Дисертаційна робота присвячена виявленню, дослідженню та реалізації можливостей підвищення точності систем автоматизованого обліку природного газу, зокрема на базі витратомірів змінного перепаду тиску та лічильників газу. В дисертації розроблена нова модель похибки вимірювання витрати та кількості об'єму природного газу витратомірами змінного перепаду тиску, яка враховує коливання параметрів потоку та кореляційні зв'язки між ними. В цю модель як складові входять отримані залежності похибок визначення середнього значення коефіцієнта розширення газу для діафрагми та сопла. Запропонована класифікація систем обліку природного газу за допомогою лічильників та розроблені методики визначення похибок об'єму газу для кожної із систем. Розроблена нова уточнена модель витратоміра змінного перепаду тиску, яка включає нові розроблені залежності для розрахунку поправних множників на шорсткість та притуплення прямокутного канту діафрагми. У роботі систематизовано можливості підвищення точності обліку газу за рахунок застосування у системах вимірювання мікропроцесорних обчислювачів та коректорів. Запропоновано нові підходи щодо метрологічного забезпечення систем обліку газу, нові підходи щодо визначення похибки розрахунку кількості (об'єму) газу, таблиці стандартних значень витрати та коефіцієнта корекції, що рекомендуються для методик атестації (повірки) таких систем.

Ключові слова: система вимірювання, витрата, кількість, природний газ, витратомір змінного перепаду тиску, лічильник газу, похибки вимірювань, метод розрахунку, атестація, повірка.

Khymko O.M. - Increasing of automated measurement precision of flow-rate and quantity (volume) of natural gas. - Manuscript

The dissertation on getting a scientific degree of the candidate of technical science in a specialty 05.11.01 - The devices and methods of measurement of mechanical quantities. - National university "Lvivska Politechnica", Lviv, 2002.

The dissertation is devoted to studying, investigation and realization of possibility of increasing of natural gas automated counting, particularly using flowmeters of variable pressure differential and gasmeters.

The dissertation contains a new model of uncertainty of measurement of natural gas flow-rate and quantity that are measured using flowmeters of variable pressure differential. The model takes into account the instability of flow parameters and correlative ties between them. There is offered the classification of accounting systems of natural gas using meters and dependences for calculation the uncertainties of these systems. There is developed the new adjusted model of flowmeter of variable pressure differential, which contains new dependences for calculation fudge factors of roughness and diaphragm root face. There are systematized the abilities of increasing gas measuring precision due to using microprocessors and correctors at the measuring systems. There are offered the tables of standard values of flow-rate and correction factor, which are included in recommendations to method of certification of measuring systems of flow-rate and volume of gas using microprocessors.

Keywords: measuring system, flow-rate, quantity, natural gas, flowmeters of variable pressure differential, uncertainty of measurement, gasmeter, method of calculation certification, verification.

Химко О.М. Повышение точности автоматизированного измерения расхода и количества (объема) природного газа. - 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, 2002.

Диссертационная работа посвящена выявлению, исследованию и реализации возможностей повышения точности автоматизированного измерения расхода и количества (объема) природного газа расходомерами переменного перепада давления и счетчиками газа.

Проанализированы факторы, влияющие на точность измерения расхода и количества (объема) природного газа расходомерами переменного перепада давления, и оценена степень их влияния. Показано, в частности, что колебания параметров потока (давление и температура газа, перепад давления на сужающем устройстве) существенно влияют на точность определения объема газа при условии его определения согласно нормированной методике по среднесуточным значениям параметров потока газа. Исследованы составляющие погрешности измерения расхода и объема газа. Показано, что в применяемых методиках расчета расхода и количества природного газа ряд составляющих погрешностей не учитываются. Разработана новая модель погрешности измерения количества (объема) природного газа расходомерами переменного перепада давления, которая в отличие от существующей модели, позволяет оценивать значения погрешности с учетом колебаний (дисперсии) параметров потока и корреляционных связей между ними. Указанная модель дополнена полученной зависимостью для погрешности определения среднего значения коэффициента расширения газа на сужающем устройстве, с помощью которой впервые оценены значения этой погрешности для диафрагмы и сопла с учетом колебаний параметров потока и корреляционных связей между ними и показаны возможности ее уменьшения.

Проведен анализ характеристик счетчиков газа и условий их применения для учета природного газа. Показано почти полное отсутствие методологической базы для такого их применения, например - соответствующих методик выполнения измерений. В зависимости от способа приведения объема природного газа к стандартным условиям предложена классификация систем учета газа, реализованных с помощью счетчиков: системы без коррекции показаний счетчика газа; системы с коррекцией показаний счетчика по заранее установленным номинальным значениям давления и температуры газа; системы с коррекцией показаний счетчика газа по результатам определения среднесуточных значений давления и температуры газа; системы с автоматической коррекцией показаний счетчика газа в реальном времени. Для каждой из указанных систем разработаны методики определения общей погрешности измерения объема газа, приведенного к стандартным условиям, предложены зависимости для расчета составляющих этой погрешности. Впервые выделены и исследованы составляющие погрешности, обусловленные колебаниями давления и расхода газа и корреляционными связями между ними. Выполнена оценка значений указанных составляющих погрешности для рассматриваемых систем учета газа.

Разработана уточненная модель расходомера переменного перепада давления, позволяющая повысить точность учета газа. В нее входят новые уточненные зависимости для расчета поправочных множителей на шероховатость трубопровода и на притупление входной кромки диафрагмы. При этом зависимость для определения поправочного множителя на шероховатость трубопровода учитывает влияние относительной площади сужающего устройства, числа Рейнольдса потока и абсолютной шероховатости трубопровода, а зависимость для определения поправочного множителя на притупление входной кромки диафрагмы учитывает влияние радиуса закругления кромки диафрагмы. Проанализированы преимущества предложенных зависимостей в сравнении с применяемыми сегодня зависимостями.

Проанализированы варианты построения систем учета природного газа с применением средств вычислительной техники, в частности микропроцессорной техники. Показано, что применение такой техники в системах учета позволяет по-новому решать задачи учета природного газа как на уровне измерения параметров потока (уменьшение дополнительных составляющих погрешностей измерения, расширение диапазона измерения за счет автоматического переналаживания диапазонов измерения параметров потока), так и на уровне расчета расхода и количества газа (реализация уточненных алгоритмов расчета в реальном времени). Систематизированы возможности повышения точности учета газа за счет применения микропроцессорных вычислителей в расходомерах переменного перепада давления и микропроцессорных корректоров в счетчиках газа. Для реализации этих возможностей определены требования к характеристикам таких устройств и разработаны алгоритмы расчета расхода и объема газа, которые уже применяются в автоматизированных системах учета природного газа.

Предложены новые подходы к метрологическому обеспечению автоматизированных систем учета газа. Показаны отличия методик установления точности таких систем при измерении соответственно расхода и объема газа. Разработана методика оценки погрешности расчета объема газа микропроцессорными вычислителями расходомеров переменного перепада давления и оценки общей погрешности определения количества (объема) газа системой учета с таким вычислителем. Разработаны таблицы стандартных значений расхода и коэффициента коррекции, которые должны применяться при аттестации и поверке микропроцессорных вычислителей и корректоров. На основе этого предложены рекомендации для усовершенствования методик поверки и аттестации микропроцессорных вычислителей расходомеров и корректоров счетчиков газа, а также систем измерения расхода и количества (объема) газа с микропроцессорными вычислителями и корректорами. Разработанные таблицы стандартных значений расхода и коэффициента коррекции аттестованы соответственно УкрЦСМ и Ив-Франковским ДЦСМС Госстандарта Украины.

Ключевые слова: система измерения, расход, количество, природный газ, расходомер переменного перепада давления, счетчик газа, погрешности измерений, метод расчета, аттестация, поверка.

Размещено на Allbest.ru

...