книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры переменного перепада давления, расходомеры переменного уровня, тахометрические расходомеры и счетчики

Другой возможный источник погрешности — присутствие газа в пульпе. Такую смесь надо рассматривать как трехфазную и при­ менять к ней особые методы измерения.

Для измерения плотности рс угольных и рудных пульп чаще других применяют весовые плотномеры, основанные на неболь­ шом провисании горизонтального участка трубы, имеющего уп­ ругие подвески и соединенного гибкими манжетами с трубопро­ водом. Известны конструкции весовых плотномеров СКВ САУ, ДонУГИ [13] и Гипроуглеавтоматизации. Перемещение подвиж­ ного участка трубы преобразуется в электрический сигнал, посту­ пающий вместе с сигналом от электромагнитного преобразовате­ ля расхода в счетно-решающую схему. Обычно преобразователь плотности работает по компенсационной схеме, при которой под­ вижной участок трубы возвращается в исходное положение с по­ мощью реверсивного двигателя, изменяющего натяжение уравно­ вешивающей пружины или же ток в обмотке электромагнита си­ ловой компенсации. ВНИИгидроуголь для измерения плотности применял радиоизотопный плотномер ПР-1024П, снабженный преобразователем положения движка реохорда в сигнал посто­ янного тока.

11.4. ВЫБОР МЕСТА УСТАНОВКИ РАСХОДОМЕРА

Точность измерения расхода зависит от структуры потока. Как показали исследования этого вопроса [23], важно знать,

какое место теоретической карты структур двухфазного потока, представленной на рис. 106 [34], соответствует структуре потока в конкретном расходомере.

Вработе [23], дана методика расчета для потока газ—жидкость,

ана рис. 106 штриховыми линиями показан пример для трубы

диаметром D = 50 мм при 10 Н/см2, f = 20 °С, причем = l/D = = 50, a I >2= 100 (где I — длина трубы). На рисунке видно измене­ ние структуры потока вдоль длины конкретной вертикальной трубы. Эта карта является наиболее вероятной на основе анализа большого количества карт режимов течения, представленных в мировой литературе для вертикальных каналов. Показано, что наименьшие погрешности измерения будут в вертикальных тру­ бах и что погрешности измерений расхода смеси пар—вода боль­ ше погрешностей при смеси газ—жидкость из-за возможности фазовых превращений потока при течении.

В показанной карте выделены четыре фазные структуры пото­ ка газ—жидкость при течении вертикально вверх:

I — пузырьковая;

II — дисперсионно-пузырьковая; III — пробковая (снарядная);

IV — пенистая (расслоенная);

V — дисперсионно-кольцевая.

252

Рис. 106. Теоретическая карта структур двухфазного потока в вертикальной трубе с D = 50 мм, с= 10 Н /см2, t = 20° С, Г>! = 1/D = 50, D2 « ЮО

Пузырьковая структура образуется при низких скоростях массы газа и высоких — жидкости. Переход от пузырьковой формы к другим формам требует агломерации или объединения пузырь­ ков, что приводит к образованию больших пузырей либо пробок. Объединение, а также распад и разделение пузырьков — это два процесса, которые управляют стабильностью потока. С точки зре­ ния физического моделирования может быть недисперсионный по­ ток и дисперсионный, где доминируют силы от турбулентности, вызывающие распад и деление пузырьков на пузырьки диаметром меньше 1 мм. Taitel и другие [34] за высшую границу объемной доли газа RQ, ниже которой находится пузырьковая структура потока, выявили соотношение RQ < 0,25 и предложили границу раздела по линии А на рис. 106 между пробковой и пузырьковой структурами:

-|0,25

g(PL -Ро)о

VLS - & VGS _ 1Д 5

Pi

I>L S = M L / (PLA) = VL (1- RG );

VGS = / (p G -A) ~ VG RG>

253

где v is и VGS — замещающие скорости жидкости и газа, м /с; Vi и VQ — средние скорости жидкости и газа в смеси, м/с; g — ускорение силы притяжения, м /с2; Pi и QQ — плотности жидко­ сти и газа, кг/м3; с — поверхностное напряжение на границе фаз, Н/м; M i и M Q — массовые потоки жидкости и газа, кг/с.

При малых диаметрах канала пузырьковая структура может не проявляться. Критерием существования пузырьковой структуры, или

(PZ.- P G )O

Если неравенство выполняется, пробковая структура перехо­ дит в пузырьковую в случае действия сил дисперсии. За крите­ рий существования дисперсионно-пузырьковой структуры мож­ но принять RG < 0,74, что имеет место при максимальном напол­ нении потока пузырьками газа, когда диаметр частиц дисперси­ онной фазы d » 0. Большинство авторов, в том числе и автор работы [23], предлагают принять RQ = 0,52 как высшую границу доли объемного содержания газа:

где v — кинематическая вязкость, м2/с.

При больших скоростях Vis течения силы от пульсации турбу­ лентности вызывают распад пузырей. При RG ^ 0,52 пузырьковая структура не может быть стабильной, граница проходит по линии С: VGS / ( VGS + VL S ) = 0>52. При больших скоростях газа доминирует структура V, ограниченная линией Е по неравенству

-|0,25

gg(pL~Po)

VGS > ЗД

PG

Указанный критерий происходит от баланса сил гравитации и аэродинамического сопротивления, воздействующих на каплю, уно­ симую струей газа. Ограничены они минимальной скоростью газа, выше которой капли отрываются и уносятся со слоя течения при стенке трубы.

Структура IV может перейти в III по линии D, где длина участка L/D, на котором развивается двухфазная струя, будет достаточ­ ной для формирования больших пузырей (пробок) газа:

Le /D = 40,6 VG S + VLS + 0,22 .

(gD)°’5

254

Карту различных структур двухфазного потока в вертикаль­ ной трубе рассчитывают на основании приведенных выше урав­ нений по конкретным значениям физических величин для жид­ кости и газа.

Показанный пример расчета позволяет правильно выбрать ме­ сто установки расходомера двухфазного потока, когда существует заданная структура — пробковая. При сочетаниях различных жид­ костей и газов и разных значениях их параметров рассчитывают аналогично.

Иногда для создания пробковой структуры в потоке устанав­ ливают специальный сепаратор с дозатором.

Рассмотрим контроль у потребителя расхода влажного пара, отпускаемого поставщиком перегретым. Отпускаемый поставщи­ ком теплоносителя перегретый (насыщенный) пар зачастую по­ ступает к потребителю влажным из-за охлаждения в длинном паропроводе, и влажность может быть более 20 % . В докладе на семинаре [19] показаны погрешности в определении расхода влаж­ ного пара и его теплоты, что не позволяет применять для учета обычные схемы с расходомерами.

Правила измерения (ГОСТ 8.563-97) не содержат формул рас­ чета расхода влажного пара, если задано влагосодержание, так как большинству потребителей неизвестна степень сухости пара или его влажности ф.

Выход из указанного положения может быть найден двумя спо­ собами. Как правило, поставщик ведет учет перегретого пара со своей стороны и потребителю следует с этим согласиться, если потери тепловой энергии происходят на его территории, в его тру­ бопроводе, или следует применить влагомер пара. Например, мож­ но отделить конденсат из потока влажного пара, установив у по­ требителя сепаратор пара.

Применение одного из типов сепараторов разработки ЦКТИ (рис. 107) позволяет достичь нескольких целей: сухую часть пара, отделенную от потока влажного пара, можно непрерывно подавать на технологические нужды различного назначения, а оставшийся в сепараторе конденсат отводить через отдельную трубу с водосчет­ чиком М (рис. 107), либо возвращать поставщику теплоносителя,

G1 = G2= G3+ М

Вода

(конденсат)

Рис. 107. Схема измерений при контроле расхода влаж­ ного пара

255

Г л а в а 12

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ С РАСХОДОМЕРАМИ

ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ

12.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Измерение расхода методом переменного перепада давления является косвенным методом из-за зависимости расхода от не­ скольких составляющих уравнения измерения, и поэтому очевид­ на необходимость применения вычислительных аналоговых или цифровых вычислительных устройств для решения нужных урав­ нений. Особенно это важно при измерениях расхода газов и пара, у которых во время работы расходомеров значительно изменяют­ ся плотность, а также поправочный множитель и коэффициент расширения. При течении различных сред по трубопроводам из­ меняются число Рейнольдса и коэффициент истечения у сужаю­ щего устройства. Наиболее сказывается на изменении результата измерения изменение давления среды — при колебаниях давле­ ния на +10 % результат изменяется примерно на +5 % .

Например, для решения уравнений массового и объемного рас­ ходов при стандартных условиях переменная часть одинакова [025]:

Плотность вычисляют по измеренным значениям давления р и температуры Т, е вычисляют по формуле (48) по измеренным значениям давления и перепада давления при известном посто­ янном значении Р или принимают постоянными е й К газа

Непосредственные измерения плотности среды специальными приборами намного сложнее, чем применение указанных вычис­ лений в темпе производства вычислительными устройствами.

12.2. МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОРРЕКЦИИ РАСХОДА

Корректирующие расход устройства на изменение давления и температуры измеряемой среды начали применяться рядом за­ рубежных и отечественных фирм уже несколько десятилетий на­ зад. К ним относятся механические и электромеханические уст­ ройства. Механические устройства, содержащие рычажную сис­ тему, кулачки или коноиды и кулисы, использовались, например,

257

17 П. П. Кремлевский

в выпускавшихся заводом «Теплоконтроль» самопишущих сильфонных дифманометрахрасходомерах.

В них ось рычага, передвигающегося от смещения сильфона при изменении перепа­ да давления перемещается от изменения дав­ ления с помощью кулисного механизма. Та­ ким образом, перемещение стрелки расходо­ мера зависит не только от перепада давле­ ния, но и от давления. Сильфон, или трубка Бурдона, манометрического термометра воз­ действует на перемещение стрелки расходо­ мера аналогично воздействию манометра.

Имеются также пневматические устрой­ ства, например пневматический силовой мост, показанный на рис. 108. В этом устройстве усилия от четырех сильфонов передаются двум параллельным рычагам, а роликовые оси рычагов перемещаются воздушным дви­

гателем М. Значения Др, р и Г в виде пневматических сигналов подаются соответственно в сильфоны С, А, В. Тогда в сильфоне D образуется пневматический выходной сигнал (давление), пропор­ циональный выражению Арр/Т. Заслонки на концах рычагов при­ крывают сопла Л и П источника сжатого воздуха, причем давле­ ние в сопле Л управляет двигателем М.

К электромеханическим относятся устройства с различными индуктивными преобразователями (дифференциально-трансфор­ маторными, ферродинамическими, поворотными трансформатор­ ными и др.), у которых перемещение сердечника или поворот ро­ тора вызывает линейное изменение напряжения на выходе вто­ ричной обмотки и в то же время это напряжение находится в линейной зависимости от напряжения питания первичной об­ мотки.

12.3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Для вычисления различных формул расхода применяют ана­ логовые и цифровые микропроцессорные устройства.

Аналоговые устройства применяют для решения простых урав­ нений, так как такие устройства зачастую используют для целей технологического контроля и регулирования, особенно если не тре­ буется высокая точность измерения расхода по условиям эксплу­ атации оборудования.

В аналоговых устройствах вычисляют формулы расхода газа, приведенного к стандартным условиям, массового расхода пара и воды по приближенным формулам [20].

258

Расход газа вычисляют по формуле, которая используется и в описанных выше электромеханических устройствах:

где k2 — масштабный коэффициент, принимается постоянным. Массовый расход перегретого пара при небольших изменени­

ях давления и температуры может вычисляться по такой же фор­ муле, но с другим значением к\9а также и при значении не абсо­ лютной температуры, а* °С. Кроме того, ОСТ 108.006.05-81 [025] рекомендует и другое выражение, в котором вместо Т применяет­ ся значение (f + 225), тогда в широких диапазонах давлений (от 0,2 до 13,7 МПа) и температур (от 160 до 570 °С) методическая погрешность по выражению плотности пара будет не более ± 2,8 % , а при более узких диапазонах — до ±1 % .

Массовый расход насыщенного пара с погрешностью не более 1 % по плотности в диапазоне давлений р = 0,1-5-5МПа выражает­ ся формулой

где ki, k2 и k2 — постоянные коэффициенты.

На рис. 109 показано одно из подобных устройств, использо­ ванное фирмой «Бейли» для коррекции по значению давления р 9 задаваемого перемещением сердечника индуктивного преобразо­ вателя манометра, на перепад давления Лр, задаваемый перемеще­ нием сердечника преобразователя дифманометра. Коррекция по температуре производится делением полученного произведения на температуру Т газа, измеряемую термопреобразователем со­ противления Rt. Напряжение на выходе показанной цепи про­ порционально такому же выражению, как и у выше показанного пневматического моста. Квадратный корень из этого выражения извлекается во вторичном самопишущем приборе с индуктивной катушкой и кулачком соответствующего профиля в механизме электродвигателя (аналогичного нашим приборам типа ДСР, КСД).

Рис. 109. Схема умножения с индуктивными транс­ форматорами

17* 259

ду давления. Таким образом, напряжение на рамке было пропор­ ционально произведению р на Др. Термометр коррекции этого сигнала включался в цепь рамки компенсирующего ферродина­ мического преобразователя, отрабатывающего значение расхода с коррекцией [025].

Фирма «Гартманн и Браун» [21] применяла электродинамичес­ кие преобразователи с так называемыми токовыми весами, содер­ жащими электромагнитные катушки на коромыслах. В них опе­ рации умножения и деления производились благодаря изменению токов в катушках пропорционально измеряемым р, Др и Т.

Известность также приобрели множительно-делительные уст­ ройства с фотоэлектрическими приборами и линейно-трансфор­ маторными преобразователями [025].

Общими недостатками всех упомянутых устройств с коррек­ цией являются их невысокая точность и быстрый механический износ деталей устройств в процессе эксплуатации.

Для насыщенного пара зависимость плотности от давления в диапазоне 5-16 МПа может выражаться линейной зависимостью.

Массовый расход воды незначительно зависит от изменений давления и может выражаться следующей формулой:

Ят =*4л/АР/(*5+*6 *)•

где &4, &5 и k$ — постоянные коэффициенты; t — температура, °С. Электрическая схема коррекции по приведенной формуле рас­ ходомера воды по плотности в зависимости от температуры тер­

мопреобразователя сопротивления ТС показана на рис. 110. Для расходомера воды может применяться и более простая

схема — без усилителя [025].

Самая сложная из представленных формул — расхода газа, со­ держащая операции умножения, деления и извлечения квадрат­ ного корня, — может быть реализована в электронном устрой­ стве косвенного действия по зависимости

U = antilog (log U0 + nlog Щ + nlog U2 -n lo g t/3 -n lo g U4).

260