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

При очень сильно деформированных полях скоростей, что может быть при очень малых прямых участках трубопроводов, ОПИ пред­ ложил и исследовал применение двух ОНТ, расположенных перпен­ дикулярно друг к другу и имеющих импульсные трубки, соединен­ ные друг с другом. Эта комбинация трубок получила название «осредняющий крест» (Энергетика.— ИВУЗ.— 1988.— № 2).

Осредняющие кресты изготовлялись в ОПИ для очень боль­ ших диметров D труб, идущих от насосов, в частности для очень больших!), равных 0,585, 0,645, 1,01, 1,28, 1,675 и 2,2 мм, и при этом диаметры трубок d, образующих крест, находились в преде­ лах 25-85 мм. Рекомендации по применению ОНТ и осредняющих крестов содержатся в документе РТМ 33.23.0.4.001-79, из­ данном в г. Одессе в 1979 г. Среднеквадратическая погрешность измерения расхода с помощью осредняющего креста о = 3 % .

Для определения диаметра трубки dT ОПИ рекомендует фор­ мулу

Для воды при р = 998,2 кг/м3 получим dT= 16,6 •103uD.

Для воды при и, равной 1, 1,5, 2, 2,5 и 3 м/с, получим соответ­ ственно dT/D , равное 0,017, 0,025, 0,033, 0,041 и 0,05. Для газа при р = 10 кг/м3 (это соответствует давлению около 5 МПа) те же значения будут при и, равной 10,15, 20, 25 и 30 м/с соответственно. Для газа же при р = 40 кг/м3 и у, равной 10, 15, 20, 25 и 30 м/с, получим dT/D = 0,034.

Определение расхода с помощью осредняющей напорной труб­ ки. Исходная формула объемного расхода qQ(м3/ч) имеет вид

q0 = 0,05252аеП2д/др / р,

где а — коэффициент расхода, для трубок ОПИ а= 0,9915-2-0,9955 (в среднем а = 0,9935); е — множитель, учитывающий расширение газа; D — диаметр трубопровода, мм; Ар — перепад давления, кгс/м2; р — плотность вещества, кг/м3.

Учитывая малое значение соотношения Ap/pi, погрешностью 8е можно пренебречь.

Тогда предельная погрешность измерения расхода 8q0 опреде­ ляется формулой

где погрешность 8а = 1,2 % , а общая погрешность 8^ — около 1,7 % . Зарубежные разработки ОНТ. В зарубежной научно-техни­ ческой литературе, в противоположность отечественной, опубли-

162

ковано очень мало работ по осредняющим напорным трубкам. Перечислены работы, обнаруженные автором.

Первая из них появилась в журнале «Instrument practice» в мае 1969 г. В статье сообщалось о разработке фирмой «Е11 son» в г. Ми­ чиган (США) осредняющей напорной трубки, названной трубкой Annubar. Она имела четыре отверстия на лобовой стороне, которые воспринимали полное давление потока по диаметру трубопровода. Сзади нее на тыльной стороне находилась вторая, менее длинная трубка с отверстием, воспринимающим давление на тыльной сто­ роне обеих трубок (аналогично тому, как это было осуществлено ранее на Криворожском заводе). Как основное преимущество трубки Annubar в статье указывалось на снижение потери давления по сравнению с диафрагмами.

Следующая публикация о трубке Annubar появилась в испан­ ском журнале «Metalurgia у electricidad» лишь в 1981 г. Как и в предыдущей статье, рассматривалась трубка с четырьмя отвер­ стиями на лобовой стороне и без доказательств и обоснований утверждалось, что погрешность измерения расхода не превосходит 1 % в пределах шкалы расходомера 20-100 % , а повторяемость находится в пределах 0,1 % .

И, наконец, в польском журнале «Energetyka» (1993, № 4) появи­ лась статья Ковальчика, основанная на информации о трубке Annubar, предоставленной фирмой «Dietrich Standart». Эта статья вызвала серьезные возражения 3. Кабзы и Боса, в частности, по достоверно­ сти минимальных чисел Рейнольдса Remin и другим аспектам при­ менения трубок Annubar (в том же журнале — 1993, N° 7).

Таким образом, за последние тридцать лет в зарубежной науч­ но-технической литературе опубликовано мало работ по ОНТ. Опуб­ ликованные же не содержат сведений о результатах, подтверждаю­ щих рекомендации фирм-изготовителей, которых существует уже несколько («Oxitrol», «Dietrich Standart» и др.). Так, во ВНИИМ имеется трубка Annubar фирмы «Intra Automation». Существен­ ный недостаток — то, что вместо статического давления отбирает­ ся давление на тыльной стороне трубки. Хотя это увеличивает измеряемый перепад, но зато может отрицательно сказаться на стабильности показаний. Вместо коэффициента преобразования, близкого к единице и постоянного у трубок ОПИ, имеем перемен­ ный коэффициент, весьма сильно зависящий от диаметра трубо­ провода D и лежащий в пределах от 0,6 до 0,7 и выше, причем различные фирмы дают разные значения этого коэффициента. К тому же небрежность исполнения у отдельных фирм, а иногда и несоответствие диаметров <2и D усиливает отрицательное отноше­ ние к ним. Так, у упомянутой выше трубки фирмы «Intra Auto­ mation», поперечное сечение которой от круглого к незавершен­ ной крестообразной форме имеет ширину А = 28 мм; она предна­ значена для трубопровода с D = 150 мм. При этом A/D = 0,187 (заметим, что ОПИ рекомендует иметь это отношение не более 0,05). Площадь такого зонда составляет 21 % от площади попе­

163

11*

речного сечения трубопровода, что создает очень сильную деформацию поля скоростей и возрастание средней скорости. На лобо­ вой стороне трубка имеет только четыре отверстия для приема полного давления потока, и расположены они не строго симмет­ рично относительно оси трубопровода. Отверстия с одной сторо­ ны на 2 -3 мм ближе к оси, чем с другой. На тыльной же стороне вместо одного имеются тоже четыре отверстия.

По-видимому, большим значением отношения dr/D и малым числом отверстий для приема полного давления следует объяс­ нить зависимость коэффициента преобразования расхода как от длины L, так и от диаметра трубок dT и различие значений этих коэффициентов у разных фирм. Так, у фирмы «Окситрол» при увеличении D от 305 мм до 1048 мм коэффициент меняется от 0,636 до 0,646 при шести приемных отверстиях и d\ = 26 мм и от 0,619 до 0,643 при восьми отверстиях и dT= 36 мм. У другой же фирмы при увеличении D от 100 мм до 1400 мм коэффициент возрастает от 0,69 до 0,73.

В рекламных проспектах зарубежных фирм допускаются очень малые длины прямых участков трубопровода перед ОНТ, без ка­ ких-либо ссылок на экспериментальные работы, которые были бы опубликованы в научно-технической литературе. Это заставляет сомневаться в достоверности и допустимости рекламируемых длин.

Из всего сказанного следует вывод, что для обеспечения доста­ точно точного измерения расхода разработанные в ОПИ осредняющие напорные трубки имеют значительно больше оснований для применения.

ОНТ или ПСНО, разработанные в НИИтеплоприбор. НИИТ провел разработку осредняющих преобразователей скоростного напора (ПСНО) в 1990-е гг. К сожалению, в основу своих разрабо­ ток он положил не осредняющую трубку ОПИ, а трубку Annubar.

НИИтеплоприбор внес существенные изменения в конструк­ цию трубки. Это показано на рис. 58, где даны поперечные разре­ зы трубки Annubar и трубки НИИтеплоприбор. Стремились умень­ шить размер А, который изменяется в конструкции НИИтепло­ прибор от 10 мм (при D = 100 мм) до 28 мм (при D =* 1400 мм).

Разработаны два варианта трубок ПСНО: ПСНО-1 и ПСНО-1-01. Значения их коэффициента расхода а в зависимости от диаметра трубопровода D даны ниже:

Рис. 58. Поперечные разрезы трубок Annubar (а) и НИИтеплоприбор (б)

164

Далее приведена общая высота трубки Н вместе с головкой, выступающей за пределы трубопровода, в зависимости от диамет­ ра трубопровода D у ПСНО-1:

ПСНО-1-01 отличается от ПСНО-1 тем, что осредняющая трубка ПСНО-1 помещена в отрезок трубопровода длиной 200 мм. Ниже даны значения диаметра трубопровода D и общей высоты Н у ПСНО-1-01 различных типоразмеров:

Разработан также вариант со шлюзовым устройством для ввода ПСНО в трубопровод.

Кроме ПСНО-1 и ПСНО-1-01, представляющих собой осредняющую трубку, в НИИтеплоприбор разработан кольцевой преоб­ разователь перепада давления ПСНО-2. Он представляет собой кольцо, на лобовой стороне которого имеется кольцевое отверстие для приема полного давления потока. Кольцо устанавливается в месте средней скорости на расстоянии 0,238D/2 от внутренней стенки трубопровода. Кольцевой преобразователь ПСНО-2 постав­ ляется вмонтированным в отрезок трубопровода длиной L. Вы­ сота установки Н 9длина L и диаметр D трубопровода у ПСНО-2 приведены ниже:

165

Все перечисленные разработки НИИтеплоприбор предназна­ чены для веществ, имеющих вязкость в пределах (0,3—20) сСт и температуру t в пределах от -250 до +300 °С. Рабочее избыточное давление не более 2,5 МПа для ПСНО-1, ПСНО-1-01 и ПСНО-2, не более 1,6 МПа для ПСНО-1-02 и не более 7,5 МПа для ПСНО-1-ОЗ (при шлюзовом устройстве). Диапазоны измерения по числу Рей­ нольдса: для ПСНО-1 Re от 4 •104 до 108, для ПСНО-2 имеем Re от 2 - И г до 108. Основная приведенная погрешность измерения расхода 1 % .

Нормативные документы по осредняющим трубкам. Норма­ тивные документы до 1995 г. основывались на осредняющих труб­ ках, разработанных в ОПИ. Первый из них «Рекомендации по расчету, изготовлению и монтажу первичных преобразователей расхода типа осредняющая трубка и осредняющий крест» РТМ 33.23.04.0.01-79 был выпущен в 1979 г. в г. Одессе инсти­ тутом Укрюжгипроводхоз и кафедрой гидравлики ОПИ. Затем в 1987 г. были выпущены МИ 1743-87 «Методика выполнения измерений осредняющими напорными трубками». В разработке МИ 1743-87 непосредственно участвовали сотрудники Одесско­ го политехнического института.

После этого ВНИИР в развитие МИ 1743-87 выпустил в 1992 г. весьма обстоятельный документ под названием «Расход природно­ го газа. Методика выполнения измерений с помощью осредняющих напорных трубок». В этой работе ВНИИР хорошо и подробно осве­ тил все особенности применения ОНТ, необходимые для обеспече­ ния точного измерения расхода, и в том числе дал значения мини­ мально необходимых длин прямых участков труб перед ОНТ:

Имеется также МИ 1845—88.ГСИ «Методические указания для измерения расхода воды».

В 1994 г. ВНИИР, пересмотрев эту документацию, внес некото­ рые коррективы, относящиеся лишь к 21-му его пункту.

166

И всего лишь через год после этого, в 1995 г, выходит новый документ МИ 2355-95 «Методика выполнения измерения с по­ мощью осредняющих преобразователей скоростного напора» (ав­ торами которого значатся НИИтеплоприбор и ВНИИР), подчер­ кивающий всю полезную работу ВНИИР по разработке методики применения ОНТ на основе работ ОПИ. В новой методике в осно­ ву взята трубка Annubar, принятая в НИИтеплоприбор. В ней, в частности, дана таблица минимально необходимых длин прямых участков трубопровода до и Z2 после осредняющей трубки. Вызывают недоумение приведенные очень малые их значения, тем более что никаких ссылок на экспериментальные работы, обосновывающие их допустимость, в документе нет. Ниже приве­ дены эти данные:

Пр и м е ч а н и е . Л действительно при расположении ОНТ в одной плоскости

сместным сопротивлением, (А) — действительно при расположении ОНТ ие в одной плоскости с местным сопротивлением.

Видимо, учитывая очень малую величину значений l\/D и Z2/.D, в дополнение к приведенной зависимости в МИ 2355-95 дана еще таблица минимальных значений длины Z3/JD между двумя ближайшими местными сопротивлениями. В большинстве слу­ чаев это расстояние L%/D лежит в пределах 3-5, но при закрутке потока L^/D = 10, а при регулирующем органе, открытом частич­ но, L3/ JD= 10*14.

КМИ 2355-95 приложена очень большая библиография, вклю­ чающая 35 источников. В этой библиографии по осредняющим напорным трубкам ссылки практически даны лишь на работы Грабовского и его сотрудников. Но эти работы не имеют никако­ го отношения к трубкам Annubar, взятым в основу конструкции НИИтеплоприбор.

Помимо сказанного существенный недостаток МИ 2355-95 со­ стоит в том, что он не имеет в достаточной мере общего характера, пригодного для различных конструкций ОНТ, а нацелен лишь на разработки НИИтеплоприбор, например: погрешность измерения от­ носится лишь к ПСНО. Это очень большой недостаток МИ 2355-95 [44].

167

5.5. РЕКОМЕНДУЕМЫЕ НАПОРНЫЕ ТРУБКИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ

Напорные трубки, в том числе осредняющие и мультиплика­ торы, целесообразно применять как для диагностики фактичес­ ких расходов и технологического контроля, так и для коммерчес­ кого учета расхода энергоносителей.

Из многих примеров таких устройств наиболее удобны показан­ ные в табл. 24 с приведенными техническими данными, частично полученными на основании исследований в АООТ НПО ЦКТИ им. И. И. Ползунова [45].

Зачастую перед проектированием узла учета необходимо знать (фактический) расход теплоносителя. Для этого рекомендуются зонды по .трем первым пунктам таблицы. Напорные трубки из­ меряют скорость в локальных точках, поэтому расход (м3/с) с помощью их вычисляют по формуле

где v — средняя скорость потока по площади сечения F трубы, м/с; D — условный диаметр трубы, м; К т— коэффициент трубки; K v — коэффициент неравномерности скорости по площади сечения F; kTkv = а — коэффициент расхода; е —коэффициент расширения газа; Ар — разность полного и статического давлений трубки, Па; р — плотность среды, кг/м3.

Наиболее простым является зонд ВТИ, дифференциальный ма­ нометр которого удобно подсоединить к бобышкам на трубе, ко­ торые затем можно использовать для установки манометра и тер­ мометра.

Зонд ВТИ [44] рекомендуется для влажного пара и запыленного газа, так как он меньше засоряется. Кроме этого, в ГОСТ 8.361-79 рекомендован одинарный перпендикулярный зонд. Такую оди­ нарную трубку для повышения точности измерений целесообраз­ но проградуировать по показаниям двойной трубки Прандтля— Пито, которые рекомендованы ИСО благодаря стабильности их показаний.

Двойные напорные трубки пригодны для измерения скорости газа в пределах 3-35 м /с и воды — более 2,5 м/с. Для этого используют микроманометры и тягонапоромеры, а также дифманометры «Сапфир ДД» с пределами до 100 Па и др.

Зонды ЦКТИ и другие устанавливают в вертикальном сече­ нии горизонтальных трубопроводов на различных расстояниях от стенки, поэтому их коэффициенты расхода а = KTK Vбудут раз­ личными. Например, для трубок при погружении их на глубину А = 0,51) а = 0,8 при D = 71 мм и а = 0,785 при D = 94 мм, а для А = 0,331) а = 0,835 при D = 71 мм и а = 0,8 при D = 94 мм. Эти данные получены при Re > 25 000. Данные при D = 55 мм для

168

Зонд ЦКТИ для труб с D, равным 55, 71 и 94 мм при (А/6, А/3, А/2)Ь и для Re> 2 25 •103. Коэффициент расхода а = = К К от 1 до 0,785 для разных А и D

Зонд цилиндрический, стандартизо­ ванный в Польше PN-94Z-04030 для D ~ 8 мм и L, равной 6, 16 и 31 мм, L , - Х>/2, d = (D/5+D/7) > 3 мм

Микротрубка Вентури Z), равном 30, 50,60 и 70 мм; для D = 50 Ь* 170, ТУ= = 47, d * 28 мм. При D - 30+60 мм коэф­ фициент усиления — 5«-9

трубок ЦКТИ близки к данным для трубок Клеве при D = 50 мм

иRe = (1-5-3,5)105 [42], а последние рекомендованы ИСО [44], Коэффициент расхода трубки в п. 3 табл. 24 примерно в 1,5

раза больше, чем у трубки ЦКТИ. Эти трубки стандартизованы в Польше (PN-94Z-04030) [40], имеют цилиндрическое сечение.

Самые большие значения коэффициента расхода имеют муль­ типликаторы (усилители). Пример — микротрубка Вентури по п. 4 табл. 24, которая наиболее проста в изготовлении по сравне-

169

нию с другими мультипликаторами. Градуировочные кривые этих трубок

меры этой трубки см. в табл. 24) короткой (участок длиной 4,3D до на­ порной трубки и 1,2D после нее) меж­ ду двумя коленами, которые устанавливали в различных плоско­

стях [41].

Исследования выявили различия коэффициентов расхода тру­ бок от числа отверстий в пределах (1,01*^1,02)±2,5 % при длин­ ном прямом участке и (0,95-М),98)±3 % при прямом участке длиной 5,5£>, но в последнем варианте при закругленных двух коленах вне зависимости от их плоскостей расположения коэф­ фициент расхода был в пределах (0,995-г-1,005)±2 % . При откло­ нениях потока от оси отверстий трубки на 5° при раззенкованных отверстиях изменений в показаниях не было, а при углах скоса потока более 10° показания ощутимо уменьшаются (при 15° — около 5 %).

Из осредняющих трубок два типа можно применять в коммер­ ческих узлах учета, так как они внесены в Государственный ре­ естр средств измерения расхода Российской Федерации: расходо­ измерительные системы с преобразователями ST 3000; STT 3000, датчиком Annubar и вычислительным устройством Dart II Flow Computer, АО Haneywell-CTEPX, № 14259-94, а также преобразо­ ватели скоростного напора, осредняющие ПСНО, НИИтеплоприбор, Москва, № 14854-95.

Структура расходомера с трубкой Annubar Diamond II приведена на рис. 60. У модели DCR-35 при Re= (3^-15)105 воды коэффициент расхода равен 0,62±1 % , D = 300 мл, а погрешность ± 1,3 % [34].

Преобразователи осредняющие ПСНО соответствуют МИ 2355-95 и применяются с указанными там рекомендациями.

170

Рис. 60. Напорные трубки Annubar: а — структура расходомера с трубкой Annubar Diamond II; в — виды сечений трубок;

1 — осредняющая трубка с четырьмя парами отверстий; 2 — вычислительное устройство Dart И; 3 — датчики полного и статического давлений потока; 4 — термометр; 5 —

манометр; 6 — самописец

Рис. 61. Осредняющая цилиндрическая трубка-зонд, ус­ тановленная по диагонали канала {рв — давление в труб­ ке; рс — давление у стенок канала)

171