способ измерения расхода многофазного потока и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения расхода многофазного потока, включающий подачу от независимого источника в транспортируемую среду энергии для генерирования первичного сигнала, определяющего в результате преобразования расход, отличающийся тем, чтов многофазный поток транспортируемой среды движителем вносят дозированное количество механическойэнергии, компенсирующее потери энергии потока на участке измерения, при этом поступательная, вращательная или любая другая скорость движителя, синхронизированная с объемным расходом транспортируемой среды, является первичным сигналом при измерении расхода.

2. Устройство по п.1, включает одновинтовую машину, содержащую корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками и расположенный в корпусе вал с винтом, соединенный с приводом, отличающееся тем, чтовинт является движителем для равномерного подвода дозированного количества механической энергии в многофазный поток и одновременно служит чувствительным элементом устройства измерения, причем первичный контур регулирования скорости вращения винта для синхронизации с объемным расходом транспортируемой среды состоит из тахометра, частотного преобразователя и контроллера, а вторичный задающий контур управления в составе датчика дифференциального давления, датчиков температуры, блока математического моделирования и регистратора расхода используют для управления скоростью вращения винта, а также расчета и хранения объемного и массового расхода транспортируемой среды и ее плотности.

Описание изобретения к патенту

Способ измерения расхода многофазных потоков и устройство для его осуществления относятся к расходометрии и могут быть использованы в различных отраслях промышленности, например: нефте- и горнодобывающей, металлургической, строительных материалов, химической, пищевой, сельскохозяйственной и других.

Известны способы измерения расхода многофазного потока с использованием измерения динамических характеристик многофазного потока, характеризуемые уменьшением энергии потока на долю энергии, затраченной чувствительным элементом для генерирования первичного сигнала о величине расхода, и доля эта зависит от типа расходомера (см. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, 1982. С.101).

Недостатком известного аналога измерения расхода многофазного потока является или их полная непригодность для измерения расхода многофазного потока, или значительное увеличение погрешности измерения. Неоднородность состава и физико-механических свойств многофазного потока приводит к нерегулярным скачкообразным изменениям в реакции чувствительных элементов расходомеров, основанных на этом способе измерения, несопоставимыми с действительными показателями расхода.

Известны способы измерения расхода многофазных потоков, основанные на различных физических явлениях: тепловых (см., например, патент РФ № 2186343 от 27.07.2002 / Позднышев Г.Н., Манырин В.Н., Калугин И.В., Сивакова Т.Г.) электромагнитных (см., например, патент РФ № 2381457 от 10.02.2010 / Вельт И.Д., Михайлова Ю.В., Терехина Н.В.) оптических, ядерно-магнитных, ионизационных и других (см. Кремлевский П.П. Измерение расхода многофазных потоков. Л.: Машиностроение, 1982.), зависящих от расхода и возникающих в результате непрерывного или периодического ввода различного вида энергии в транспортируемый многофазный поток.

Недостатками известных аналогов являются значительное увеличение погрешности измерения в области малых и больших расходов, скачкообразное и существенное искажение тепловых, электрических, магнитных и других полей в зоне измерения расхода из-за контакта с твердыми и газовыми включениями многофазного потока.

Техническим результатом, на достижение которого направлен заявляемый способ измерения расхода многофазного потока, является расширение интервала применения способа измерения по составу и свойствам многофазного потока, увеличение надежности и достоверности результатов измерения, расширение метрологически обоснованного интервала измерения и уменьшение погрешности измерения в этом интервале, без существенного увеличения погрешности на границах этого интервала.

Для достижения указанного технического результата в предлагаемом способе измерения расхода многофазного потока от независимого источника в транспортируемую среду движителем вносят дозированное количество механической энергии, компенсирующее потери энергии потока на участке измерения, при этом поступательная, вращательная или любая другая скорость движителя, синхронизированная с объемным расходом транспортируемой среды, является первичным сигналом при измерении расхода.

Отличие предлагаемого способа измерения расхода от известных аналогов заключается в том, что движителем в поток вводится от независимого источника дозированное количество механической энергии, а первичным сигналом является скорость движителя, как чувствительного элемента, синхронизированная с объемным расходом среды. При этом однородность механической энергии потока и механической энергии, равномерно подводимой всем фазам потока от независимого источника, уменьшает влияние состава и физико-механических свойств многофазного потока на погрешность измерения расхода, как интегральной суммы линейных скоростей отдельных частиц потока.

Известны одновинтовые машины, винт которых может быть аналогом чувствительного элемента предлагаемого устройства измерения расхода многофазного потока, например одновинтовые конвейеры, питатели и дозаторы (авт. свид. СССР 128775, 195238, 222781, 555289, 964458; патенты РФ 2012527, 2046296, 2047103, 2312807, 2340532, 2406978, Маликов С.П. и др. Весы и дозаторы весовые. М.: Машиностроение, 1981, с.94).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству измерения расхода многофазного потока является винтовой конвейер, выбранный в качестве прототипа (см. патент РФ 2312807, опубликовано 20.12.2007), содержащий корпус с загрузочным и разгрузочным патрубками и расположенный в корпусе вал с винтом, соединенный с приводом.

Недостатком известного устройства является непригодность его для измерения расхода многофазного потока.

Для осуществления способа измерения расхода многофазного потока заявляемое устройство измерения расхода многофазного потока включает одновинтовую машину, как движитель и одновременно чувствительный элемент устройства измерения, оснащенную автоматической системой управления скоростью вращения винта, измерения, вычисления и регистрации объемного и массового расхода транспортируемой среды и ее плотности.

Одновинтовая машина в качестве движителя и одновременно чувствительного элемента измерительного устройства через силовой привод от независимого источника вносит в поток винтом такое дозированное количество механической энергии, при котором скорость вращения винта синхронизируется с объемным расходом многофазного потока. Эта синхронная скорость вращения винта является первичным сигналом устройства измерения для вычисления и регистрации объемного и массового расхода транспортируемой среды и ее плотности. Определяющим условием дозирования энергии является компенсация потери энергии потока на измерительном участке трубопровода по месту установки одновинтовой машины, поэтому в режиме измерения значение перепада давления на входе и выходе участка измерения близко к нулю с учетом калибровочной характеристики расходомера (не превышает заданной погрешности).

Конструкция предлагаемого устройства измерения расхода многофазного потока и принцип его работы поясняются фиг.1. Устройство измерения расхода многофазного потока включает встроенную в трубопровод с транспортируемой средой одновинтовую машину, состоящую из корпуса (1) загрузочного (2) и разгрузочного (3) патрубков, однозаходного винта (4), приводимого во вращение электродвигателем (5) через редуктор (6) с опорой на подшипниковый узел (7).

Число заходов винта и другие конструктивные, технические и технологические параметры предлагаемого устройства измерения многофазного потока зависят от состава, физико-механических свойств и расхода транспортируемой среды и выбираются индивидуально.

Измерение расхода многофазного потока обеспечивают следующие элементы автоматической системы в составе предлагаемого устройства измерения расхода многофазного потока (фиг.1): электродвигатель (5), тахометр (8), частотный преобразователь (9), регулятор скорости вращения винта - контроллер (10), составляющие первичный контур регулирования скорости вращения винта, задаваемой блоком математического моделирования (14), контур, включающий датчик дифференциального давления (12), датчики температуры (13), блок математического моделирования (14) и регистратор расхода (11), являющийся вторичным (задающим) контуром управления скоростью вращения винта и в совокупности с первичным контуром образующим автоматическую систему измерения, вычисления и регистрации расхода транспортируемого многофазного потока.

При выключенном электродвигателе (5) транспортируемая среда свободно течет по каналам неподвижного винта (4) за счет внешнего источника транспортирования при соответствующем максимальном гидравлическом сопротивлении и перепаде давления на винте и, следовательно, с максимальной потерей энергии многофазного потока на участке измерения. При запуске электродвигателя по мере увеличения скорости вращения винта, уменьшается гидравлическое сопротивление, перепад давления и потери энергии многофазного потока на участке измерения. В определенный момент времени при разгоне достигается режим измерения, при котором перепад давления на винте не превышает заданной погрешности с учетом калибровочной характеристики устройства измерения. При этом скорость вращения винта, синхронизированная с объемным расходом многофазного потока, транспортируемого внешним источником, используется в блоке математического моделирования (14) (фиг.1) для расчета объемного и массового расхода транспортируемой среды и ее плотности. Далее с периодичностью, задаваемой блоком математического моделирования (14), в зависимости от динамических характеристик многофазного потока, измеренные параметры и рассчитанные значения объемного и массового расхода транспортируемой среды и ее плотности передаются в регистратор расхода (11) (фиг.1) для хранения и выдачи по запросу.

Режим измерения расхода многофазного потока постоянно поддерживается двухконтурной автоматической системой управления с целью непрерывного измерения скорости вращения винта, вычисления и регистрации объемного и массового расходов многофазного потока и его плотности.

Расчет искомых параметров многофазного потока выполняется в блоке математического моделирования (14) с использованием любой выбранной математической модели

Q=Q(N_P, P), М=Q· ,

где - средняя плотность транспортируемой среды, Q - объемный расход транспортируемой среды, М - массовый расход транспортируемой среды, Np -скорость вращения винта в режиме измерения, P - вектор параметров транспортируемой среды, определяющий ее физико-механические свойства: компрессионные, реологические, когезионные и адгезионные.

Для расчета может быть использована простейшая линеаризованная форма моделей (1)

где k(P) - расходный коэффициент, определяющий зависимость объемного расхода от вектора параметров (P) транспортируемой среды.

Массовый расход и плотность многофазного потока рассчитываются аналогично (1). Выбор математической модели (1) или (2) зависит от состава и физико-механических свойств транспортируемой среды, требуемой погрешности измерения расхода и технических возможностей блока математического моделирования при реализации модели.

Предлагаемое изобретение уменьшает погрешность измерения до пяти раз, увеличивает метрологически обоснованный интервал измерения расхода транспортируемой среды до двух раз без существенного увеличения погрешности на границах этого интервала, расширяет интервал применения способа измерения по составу и физико-механическим свойствам многофазного потока, увеличивает надежность и достоверность результатов измерения.

Так, например, для расходомера с диаметром винта 50 мм при измерении расхода модельного трехфазного потока в интервале ±80% от номинала уменьшение погрешности в среднем составляет 4,5 раза по сравнению с электромагнитным расходомером «ВЗЛЕТ ЭРСВ».

Предлагаемые способ и устройство измерения расхода многофазного потока могут быть использованы для измерения расхода сырья, полуфабрикатов, продуктов и отходов в виде суспензий, эмульсий и их смесей в различных отраслях промышленности, например нефтедобывающей (эмульсии и суспензии при добыче высоковязких и истощенных пластов с накачкой паровоздушной смесью), горнодобывающей (пульпы минералов), металлургической (рудные пульпы и шламы), строительных материалов (пульпы и шламы от нефтепереработки и металлургии), химической (эмульсии, пульпы и шламы в обогащении сырья, извлечении и производстве продукта, например катализаторов, сорбентов и т.д.), пищевой (эмульсии и суспензии в производстве полупродуктов и сухих концентратов), сельскохозяйственной (эмульсии и суспензии в производстве комбикормов, органических удобрений, макрокапсулированных семян и т.д.), деревоперерабатывающей (эмульсии и суспензии в производстве древопластов), машиностроении (композиционные материалы) и других отраслях.