книги / Приборы и средства учета природного газа и конденсата

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

С каждым годом в Советском Союзе увеличивается добыча природного газа, строятся и вводятся в эксплуатацию тысячи километров магистральных газопроводов, постоянно растет ар­ мия работников, обслуживающих их.

В связи с нехваткой книг для кадров массовых профессий Ленинградское отделение издательства «Недра» совместно с Ле­ нинградским ПО «Лентрансгаз» в 1963 г. предприняло издание серии «Библиотека эксплуатационника магистрального газопро­ вода», призванной осветить возможно больший круг вопросов, связанных с эксплуатацией и ремонтом магистральных газопро­ водов.

Книги, входящие в «Библиотеку», освещают вопросы орга­ низации эксплуатации магистральных газопроводов, их про­ дувки и испытания, обслуживания линейной части, ведения огневых и газоопасных работ, эксплуатации и ремонта газомо­ торных, электроприводных, газотурбинных компрессорных стан­ ций, газораспределительных станций, а также вопросы электро­ защиты, телемеханики на магистральных газопроводах. В от­ дельных книгах описываются химический контроль на магист­ ральных газопроводах и компрессорных станциях, экономика дальнего транспорта газа, техника безопасности и охрана тру­ да и т. д.

Книги «Библиотеки» в основном предназначены для подго­ товки и повышения квалификации кадров массовых профес­ сий— мастеров, операторов, слесарей и других категорий экс­ плуатационного и ремонтного персонала. Отдельные выпуски рассчитаны на инженерно-технических работников магистраль­ ных газопроводов.

В течение 1963—1988 гг. выпущено в свет 48 книг. Учиты­ вая, что спрос на «Библиотеку» растет, издательство в 1965 г. начало переиздание отдельных выпусков. Наряду с этим про­ должается издание новых книг.

Ваши замечания и отзывы по уже вышедшим книгам, а так­ же пожелания по выпуску новых просим направлять по адресу: 193171, Ленинград, С-171, Фарфоровская ул., 18, Ленинградское отделение издательства «Недра». Издательство учтет все поже­ лания и предложения и организует выпуск книг на интересую­ щие Вас темы.

Информацию о готовящихся к изданию книгах «Библиотеки» можно получить в магазинах местных книготоргов по публи­ куемым ежегодно темпланам издательства.

Для приобретения книг «Библиотеки» надо до выхода в свет направить заказ в магазины местных книготоргов или в мага­ зин «Недра» Ленкниги по адресу: 199178, Ленинград, В-178, Средний пр., 61. По выходе из печати книги будут высланы почтой наложенным платежом.

3

Глава 1

СООТНОШЕНИЯ, ПОЛОЖЕННЫЕ В ОСНОВУ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПРИРОДНОГО ГАЗА ПО МЕТОДУ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

1.1. ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА

И КОЛИЧЕСТВА ПРИРОДНОГО ГАЗА ПО МЕТОДУ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

В настоящее время основным методом измерения расхода и количества природного газа на объектах его добычи, транспор­ та и переработки как в СССР, так и за рубежом является ме­ тод переменного перепада давления на сужающих устройствах, в качестве которых используются измерительные диафрагмы и сопла. Метод переменного перепада давления обладает рядом важнейших преимуществ, обеспечивших ему широкое примене­ ние и длительную живучесть, несмотря на существование боль­ шого числа других методов измерения расхода и количества газа.

К этим преимуществам в первую очередь относятся про­ стота первичного преобразователя (диафрагмы, сопла), а также возможность поверки и аттестации сужающих устройств рас­ четным путем по данным измерений геометрических размеров трубопровода и сужающего устройства. При этом аттестация вторичной расходоизмерительной аппаратуры — дифманометров, преобразователей давления, термометров, плотномеров и дру­ гих приборов — производится стандартными методами без не­ обходимости создания точно известных больших расходов газа при различных статических давлениях [8, 11].

Метод переменного перепада давления основан на создании и измерении перепада давления на сужающем устройстве (сопле, диафрагме), установленном в измерительном трубопро­ воде, при протекании потока жидкости или газа через это уст­ ройство. Перепад давления, по которому судят о расходе газа, измеряется с помощью дифференциальных манометров (диф­ манометров)— жидкостных, мембранных, сильфонных и др.— с механическими отсчетными устройствами или электрическими выходными сигналами.

В настоящей главе рассмотрены соотношения, положенные в основу измерения расхода газа методом переменного пере­ пада давления, а также сужающие устройства, служащие для преобразования расхода газа в измеряемый перепад давлений. В связи с тем что в формулах расхода газа действующих в на-

4

стоящее время «Правил измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50—213—80» [И] давление выражается в килограмм-силах на квадратный сантиметр, а перепад давления в килограмм-силах на квадрат­ ный метр или килограмм-силах на квадратный сантиметр, при изложении материала приняты те же единицы измерения.

Сужающие устройства являются первичными преобразова­ телями расхода в приборах, использующих метод переменного перепада давления, в качестве которых используются стандарт­ ные измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури, а также

РД 50—213—80» Госстандарта [11], а также характер распре­ деления давлений И скоростей потока в них и измерительном

в кинетическую средняя скорость потока в сужении повышается. В результате этого статическое давление потока после диаф­ рагмы (рг) становится меньше, чем переднею (р\).

На рис. 1, б показано изменение давления при прохождении жидкости или газа через диафрагму. Обозначим через А —А' то сечение трубопровода, начиная с которого будет сказываться влияние диафрагмы на характер потока. В этом сечении поток начинает сужаться, отрываясь от стенок трубопровода, и, сле­ довательно, средняя скорость потока v (рис. 1, в ) станет воз­ растать. Вследствие инерции струя продолжает сужаться и на некотором расстоянии после диафрагмы. Поэтому место наи­ большего сужения струи будет лежать в сечении В—В'. Рас­ стояние от сечения А —А' до диафрагмы не превышает диаметра трубопровода D, а расстояние от сечения В—В' до заднего торца диафрагмы приблизительно равно 0,5D.

На jynacTKe от сечения А—А' до сечения В—В' средняя скорость потока возрастает от vA до vB. Соответственно воз­ растает и кинетическая энергия струи. Это увеличение ско­ рости кинетической энергии может осуществляться только за счет уменьшения потенциальной энергии и, следовательно, па­ дения давления от рА Д о рв■Затем струя начинает постепенно расширяться и в сечении С—С' вновь достигает стенок трубо­ провода. Этот процесс будет сопровождаться постепенным сни­ жением скорости потока и частичным восстановлением перво­ начального давления.

В сечении С—С' скорость vc станет равной первоначальной vA, если считать, что плотность среды р не изменилась, но дав­ ление Рс будет меньше, чем рА, вследствие значительной по­ тери энергии в застойных зонах Е, находящихся за диафраг-

5

венно в отверстии диафрагмы потери энергии на трение и удары составляют не более 2% от перепада давления рА—рв-

Искомая зависимость между массовым QM (или объемным <Эоб) расходом и перепадом давления (pi—р2), который в об­ щем случае может измеряться в сечениях, отличных от А—А' и В—В', может быть получена из совместного решения урав­ нения, выражающего закон сохранения энергии

где dv и dp — соответствующие изменения скорости и плотности протекающей среды в сечениях потока при его сужении и рас­ ширении; F — площадь сечения потока в произвольно выбран­ ном сечении трубопровода. При этом полагаем, что трубопро­ вод горизонтальный.

где КА и Кв — поправочные множители на неравномерность распределения скорости потока соответственно в сечениях А —А' и В—В'; | — коэффициент сопротивления на участке от сечения А —А' до В—В', отнесенный к скорости vB; FA и Fa — площади струи в сечениях А—А! и В—В' соответственно.

Отношение наименьшей площади (горла) струи FB к пло­ щади отверстия диафрагмы FQ называют коэффициентом су­ жения струи и обычно обозначают через р,- Следовательно,

Коэффициент р указывает степень дополнительного сужения потока, происходящего под влиянием сил инерции, на выходе из сужающего устройства. Для диафрагм р лежит в пределах 0,6—0,78. Для сопла, имеющего плавный вход, р=1.

Отношение площади отверстия сужающего устройства Fo к площади поперечного сечения трубопровода FA называется относительной площадью т, ранее называемой модулем сужа­ ющего устройства, и определяется соотношением

7

Подставляя значение VA в уравнение (3), решая его отно­ сительно скорости vs и имея в виду, что точки отбора давления pi до диафрагмы и давления р2 после диафрагмы в общем слу­ чае могут не совпадать с сечениями А—А' и В—В', получаем

Величина а называется коэффициентом расхода сужающего устройства. Полученная формула расхода (9) справедлива при условии постоянства плотности измеряемой среды р при про­ хождении несжимаемой жидкости через сужающее устройство.

При измерении расхода газа его плотность р уменьшается при прохождении через сужающее устройство вследствие пони­ жения давления, в результате чего массовый QM (или объем­ ный фоб) расход, отнесенный к начальной плотности, несколько увеличивается. Для учета этого в правую часть формулы (9) вводят поправочный множитель на расширение газа е, меньший единицы.

В таком случае уравнения для определения массового и объемного расходов принимают вид

Эти уравнения и являются основными зависимостями между расходом газа или жидкости и перепадом давления на сужаю­ щем устройстве.

Для несжимаемой среды (жидкости) объемный расход по­ тока, м3/ч, проходящего через сужающее устройство, связан с перепадом давления на нем формулой

где a — коэффициент расхода сужающего устройства; d —диа­ метр отверстия (в свету) сужающего устройства, мм; Ар— = р \— — перепад давления на сужающем устройстве, соответ­ ствующий расходу Qo6, кгс/м2; р — плотность среды в рабочих условиях перед сужающим устройством, кг/м3.

При измерении расхода газа нельзя пренебрегать измене­ нием его плотности, зависящей от давления и температуры газа в трубопроводе перед сужающим устройством. Зависи­

8

мость плотности газа в рабочих условиях р, кг/м3, от темпе­ ратуры и давления определяется формулой

сто используемую на практике формулу для определения плот­ ности газа в рабочих условиях по ее значению при нормальных условиях, температуре и давлению:

Абсолютное давление среды рi равно сумме избыточного давления ры, измеряемого преобразователем давления или ма­ нометром, и барометрического (атмосферного) давления ре, т. е.

Из формулы (13) видно, что с увеличением абсолютного давления р\ и снижением фактической температуры газа Т\ плотность газа р при рабочих условиях увеличивается, а при уменьшении давления и повышении температуры—уменьша­ ется.

Коэффициент сжимаемости газа Z характеризует непропор­ циональность изменения объема газа с изменением давления и температуры. Методика определения значений коэффициента сжимаемости Z приводится ниже. Влияние коэффициента сжи­ маемости Z на плотность газа при различных давлениях я темпе­ ратурах достаточно сильное. Так, для природного газа зна­ чение Z может изменяться от Z=1 (при р„= 1,0332 кгс/см2 и 7Н=293,15 К) до Z=0,5 (при pi = 100 кгс/см2 и 7i =223,15 К).

Уравнение, связывающее расход газа, приведенный к нор­ мальным условиям, с расходом газа в рабочих условиях, имеет вид

Подставив в это равенство значение фактической плотно­ сти газа из выражения (13) и значение объемного расхода Qo6 из уравнения (12), получаем формулу объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям:

9

где QB— объемный расход газа, приведенный к нормальным условиям, м3/ч.

В большинстве практических случаев, имеющих место в га­ зовой промышленности, расход газа QH при нормальных усло­ виях выражается в кубических метрах в час, диаметр отверстия диафрагмы d — в миллиметрах, перепад давления Ap=pi—Р2 — в килограмм-силах на квадратный метр, давление р\ в кило­ грамм-силах на квадратный сантиметр. В этом случае формула (17) при рн= 1,0332 кгс/см2, 7В=293,15 К принимает вид

в килограмм-силах на квадратный сантиметр, то формула (18) имеет вид

Обозначения в выражениях (20) и (21) соответствуют обо­ значениям в выражениях (18) и (19).

Отношение площади Е0= я ^ 2/4 отверстия сужающего уст­ ройства (в свету) к площади FA = nd2/4 сечения отверстия из­ мерительного трубопровода, в котором установлено сужающее устройство, определенное по формуле (6), может быть пред­ ставлено как отношение квадратов диаметров отверстия су­ жающего устройства и измерительного трубопровода:

Безразмерная величина т называется модулем сужающего устройства, а согласно ГОСТ 18083—72* — степенью сужения сечения или относительной площадью сужающего устройства.

Из формулы (22) видно, что сужение потока тем больше, чем меньше модуль т сужающего устройства. Значение т в большинстве практических случаев может изменяться в пре­ делах от 0,05 до 0,7. При т = 0,7 сужение минимально, а при /п=0,05— максимально.

Подставив значение d2 = mD2 из выражения (22) в уравне­

10