Разработка расходомера переменного перепада давления (РППД) с диафрагмой

В ходе выполнения курсового проекта был спроектирован расходомер переменного перепада давления с сужающим устройством в виде диафрагмы, с классом точности не хуже 1.0 и были определены его метрологические характеристики. С учётом рассчитанных теплофизических характеристик и номинальной функции преобразования была построена шкала расходомера на основе графика зависимости массового расхода от перепада давления на сужающем устройстве.
...

Обозначения и сокращения 4
Определения 6
Введение 8
1 Расходомеры многофазных потоков 11
1.1 Принцип действия 11
1.2 Структурная схема расходомера с диафрагмой 14
1.3 Метрологические и технические характеристики 14
1.4 Область применения 15
1.5 Преимущества и недостатки 16
1.6 Задачи, решаемые с помощью стандартизации и сертификации 16
1.7 Измерение расхода по переменному перепаду давления 17
2 Расчёт теплофизических характеристик природного газа 19
2.1 Расчёт парциальных давлений индивидуальных газов 20
2.2 Расчёт динамического коэффициента вязкости 24
2.3 Расчёт показателя адиабаты газовой смеси 27
3 Расчёт размеров сужающего устройства в виде диафрагмы 29
3.1 Нахождение номинальной функции преобразования 29
3.2 Выбор марки стали для диафрагмы 33
4 Метрологические характеристики проектируемого РППД 35
4.1 Номинальная функция преобразования 35
4.2 Расчёт шкалы расходомера 36
Заключение 38
Список использованных источников 39
Приложения 40

Вследствие постоянного роста цен на энергоносители и с целью рационализации их использования необходимо уделять внимание учету производимых и потребляемых энергоресурсов, а также учету количества выбросов в атмосферу. Поэтому руководители предприятий требуют непрерывно повышать точность измерения количества среды при осуществлении взаиморасчетов между поставщиком и покупателем энергоресурсов.
Фундаментом нормативной базы, устанавливающей требования государственной системы обеспечения единства измерений, является Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» [1]. Согласно этому Закону измерения должны осуществляться в полном соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Согласно «Правил учета газа» [2] (п. 2.5) установлено, что измерения и учет количества газа, осуществля емые по узлам учета потребителя газа и поставщика, должны производиться по методикам выполнения измерений, аттестованным в установленном порядке.
В связи с отсутствием на территории РФ утвержденных норм точности учета газа в настоящее время действует установленная, согласно единой поверочной схеме по ГОСТ Р 8.618 [6], максимальная допустимая погрешность измерений объема и массы газа, равная 4%.
Приведенным в ГОСТ Р 8.618 требованиям по точности измерений расхода и объема газа удовлетворяет целый комплекс промышленных методов измерений. К ним относятся методы переменного перепада давления, а также методы измерения, основанные на применении вихревых, ротационных, ультразвуковых, термально-массовых, турбинных расходомеров. Методики выполнения измерений с применением вышеперечисленных методов измерений расхода жидких и газообразных сред нормированы в различных документах.
Основополагающими в области метрологического обеспечения измерений расхода и количества энергоносителей и сырьевых ресурсов (вода, пар, природный и нефтяной газы и прочие) являются документы, посвященные применению измерительных комплексов на базе сужающих устройств и преобразователей: турбинных, вихревых и ротационных.
При организации учета энергоносителей необходимо знать, что условия эксплуатации средств измерений оказывают существенное влияние на их метрологические характеристики и возникающие в случае отклонения дополнительные погрешности могут в несколько раз превышать заявленные в технической документации. Погрешность ряда выпускаемых измерительных преобразователей давления не нормируется значением класса точности. Оценка влияния дополнительных погрешностей измерительных преобразователей на достоверность результата измерений расхода — это важный вопрос, не составляющий технической сложности. В зависимости от используемого метода погрешность измерений расхода энергоносителя может составлять несколько десятков процентов. Поэтому условия эксплуатации средств измерений и их влияние на точность результата измерений должны быть конкретизированы для узла учета и зафиксированы в сопроводительном документе.
Существенными факторами, оказывающими влияние на суммарную точность измерения расхода, являются свойства измеряемой. Конструкция измерительных трубопроводов оказывает существенное влияние на показания расходомеров за счет деформации профиля скорости.
Актуальность измерения расхода с заданной точностью
На основании всего вышеизложенного, для повышения достоверности измерений, удовлетворения законодательных норм и снятия противоречий между поставщиками и потребителями считаем необходимым наличие на каждом измерительном комплексе аттестованной методики выполнения измерений. Также необходимо постоянное улучшение методов и средств измерения расхода энергоносителя.
Цель курсового проекта
Целью курсового проекта является разработка расходомера переменного перепада давления с сужающим устройством в виде диафрагмы с классом точности не хуже 1.0.
Задачи курсового проекта
1. Привести описание расходомера многофазных потоков;
2. Выявить связь измерения расхода веществ с задачами, которые должны решаться с помощью стандартизации и сертификации;
3. Изучить принцип измерения расхода среды методом переменного перепада давления на диафрагме;
4. Разработать расходомер переменного перепада давления с сужающим устройством в виде диафрагмы с кольцевой камерой;
5. Определить метрологические характеристики спроектированного расходомера и сравнить их с показателями, указанными в задании.

1 Расходомеры многофазных потоков1.1 Принцип действияПроектируемый расходомер относится к типу расходомеров переменного перепада давления с сужающими устройствами.Принцип измерения расхода основан на возникновении перепада давлений на установленном внутри трубопровода сужающем устройстве. Разность статических давлений до и после сужающего устройства (перепад давлений), измеряемая дифференциальным манометром, зависит от расхода протекающего вещества и служит мерой расхода. Наиболее распространенным и изученным способом измерения расхода жидкости, пара и газа является метод перепада давлений. Измерение расхода основано на измерении статического давления (потенциальной энергии) вещества, протекающего через местное сужение в трубопроводе. В измерительной технике сужающими устройствами (первичными преобразователями) служат диафрагмы, сопла и сопла Вентури. Из этих трех типов сужающих устройств наиболее часто применяется диафрагма [1].Диафрагма (рисунок 1) представляет собой тонкий диск, установленный в трубопроводе так, чтобы его отверстие было концентрично внутреннему контуру сечения трубопровода. Сужение потока начинается до диафрагмы, затем на некотором расстоянии за ней, благодаря действию сил инерции, поток сужается до минимального сечения, а далее постепенно расширяется до полного сечения трубопровода. Перед диафрагмой и за ней образуются зоны с вихревым движением, причем зона вихрей за диафрагмой больше, чем перед ней.Рисунок 1 - Характер потока и график распределения статического давления при установке сужающего устройства в трубопроводеДавление струи около стенки трубопровода несколько возрастает из-за подпора перед диафрагмой и понижается до минимума за диафрагмой в наиболее узком сечении струи. Далее по мере расширения струи давление потока около стенки снова повышается, но не достигает прежнего значения. Потери части давления рп объясняются главным образом потерей энергии на трение и завихрения. Разность давлений (p'1- p'2) является перепадом, зависящим от расхода среды, протекающей через трубопровод. После прохождения сужающего устройства измеряемый поток продолжает сужаться. В самом узком сечении потока величина статического давления составляет значение р2'. Вследствие того что струя, протекающая через сопло, почти не отрывается от его профилированной части, потери на завихрения возникают в основном за соплом, поэтому остаточная потеря давления рп в сопле, по сравнению с диафрагмой, меньше. Еще меньше потери давления рп в сопле Вентури, профиль которого близок к сечению потока, проходящего через сужение. При измерении расхода по методу переменного перепада давлений протекающее вещество должно целиком заполнять всё сечение трубопровода и сужающего устройства; поток в трубопроводе должен быть практически установившимся; фазовое состояние веществ не должно изменяться при прохождении через сужающее устройство (жидкость не должна испаряться, пар должен оставаться перегретым и т. п.).1.2 Структурная схема расходомера с диафрагмойРисунок 1.2 – Структурная схема расходомера постоянного перепада давления с диафрагмойПервичный элемент (диафрагма) образуют в трубопроводе перепад давления, который является прямым показателем массового или объемного расхода.Две импульсные трубки соединяют первичный элемент с трансмиттером, где разница давления преобразуется в соответствующий выходной сигнал.Диафрагма для получения перепада давления изготавливается в форме кольца в сечении трубопровода. Статическое падение давления находится в зависимости от скорости потока. Измеряемой величиной является разность давлений в областях непосредственно перед и после диафрагмы.1.3 Метрологические и технические характеристикиОсновные технические и метрологические характеристики для многофазного расходомера диафрагменного типа представлены в таблице 1.3.Таблица 1.3 – Технические и метрологические характеристикиНаименование показателяЗначениеДиаметр условного прохода 15 - 2000Погрешность измерения 0,5%Динамический диапазон 1:10Избыточное давление измеряемой средыдо 42 МПАТип соединения фланцевоеТемпература измеряемой среды от -40 до +800 ºСВязкость измеряемой среды до 500 мПа·сТемпература окружающей средыот -40 ºС до +85 ºС *Выходные сигналыCAN; аналоговый токовый 4-20 мА;Напряжение питания *24 В постоянного токаВзрывозащитавзрывонепроницаемая оболочка (1ExdllCT4…T6)1.4 Область примененияОдной из современных технологий измерения потока нефти, газа и воды без предварительного разделения фаз являются многофазные исследования скважин. Во многих случаях они дают более точное представление о расходных параметрах потока в динамических режимах, и особенно эффективны для газоконденсатов и тяжёлых нефтей, где традиционные способы измерения не пригодны из-за трудностей в сепарации фаз, поэтому, область применения многофазных расходомеров – это контроль продукции, извлечённой из скважины (группы скважин) в системах сбора нефти и газа нефтяных промыслов.Постоянные многофазные расходомеры также находят своё применение в России.1.5 Преимущества и недостаткиПреимуществами многофазных расходомеров являются:ЭкономичностьНадёжностьБольшой рабочий диапазонЭффективная работа в нерасчётных условияхОтсутствие радиоактивных элементовОбладают повышенной стойкостью к высоким температурамПотребляет малое количество энергииСпроектированы для использования во взрывоопасных зонах.Недостатки:Большие потери давленияЧувствительны к вибрациям1.6 Задачи, решаемые с помощью стандартизации и сертификацииСвязь измерения расхода веществ с задачами, которые решаются с помощью стандартизации:Обеспечение взаимопонимания между разработчиками, изготовителями, продавцами и потребителями.В первую очередь решение этой задачи должно заключаться в повышении точности измерения расхода и количества среды. Точность измерения расхода поможет обеспечить взаимопонимание между изготовителями и потребителями, что является первой задачей стандартизации. Установление оптимальных требований к номенклатуре и качеству продукции с обеспечением её безопасности для жизни, здоровья окружающей среды и имуществаСогласно закону РФ “Об обеспечении единства измерений”, принятом в 1996 году, измерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Основополагающими, для обеспечения единства и требуемой точности измерений, являются документы, посвящённые применению измерительных комплексов на базе сужающих устройств, например, ГОСТ 8.586.(1-5)-2005. В этих документах должны устанавливаться оптимальные требования к номенклатуре и качеству сужающих устройств для обеспечения её безопасности для окружающей среды, жизни, здоровья и имущества. Установление требований по совместимости и взаимозаменяемости продукцииНаличие на современном рынке средств измерения расхода большое разнообразие сужающих устройств обеспечивает взаимозаменяемость данной продукции.1.7 Измерение расхода по переменному перепаду давленияПринцип измерения расхода расходомером переменного перепада давления основан на том, что в зависимости от расхода вещества изменяется перепад давления на неподвижном сужающем устройстве, установленном в трубопроводе или элементе трубопровода (колено).Расходомеры переменного перепада давления состоят из трех элементов: сужающего устройства, дифференциального манометра для измерения перепада давления и соединительных линий с запорной и предохранительной арматурой.При измерении расхода жидкости широкое распространение получили диафрагмы, благодаря простоте конструкции, удобству монтажа и демонтажа. Стандартные диафрагмы, представляющие собой диск с отверстием, могут быть с угловым или фланцевым способом отбора перепада давления.Диафрагмы выполняются камерными или бескамерными. В бескамерных диафрагмах отбор перепада давления осуществляется через отверстия в трубопроводе или фланцах. Кольцевые камеры предназначаются для осреднения и выравнивания давления по периметру сечения. В результате этого повышается точность измерения. Камеры выполняют в ободах или обоймах диафрагмы. Для труб диаметром более 400 мм камеры выполняются в виде кольцевой трубки, охватывающей трубопровод.Согласно ГОСТ 8.586 – 2005 (ИСО 5167 - 2003) для вывода уравнения расхода и установления размеров сужающихся устройств при измерении расходов методом переменного перепада давления требуется вычислить следующие теплофизические характеристики измеряемой среды:ρсм – плотность смеси, кг/м3;ŋсм – динамическая вязкость смеси, Па×с;ᵞсм - показатель адиабаты смеси, б/р.2 Расчёт теплофизических характеристик природного газаНеобходимыми исходными данными для расчёта теплофизических свойств природного газа являются: равновесное состояние, сведения о теплофизических свойствах индивидуальных газов и об объёмном, массовом или молярном составах смеси.Для расчёта ряда теплофизических параметров газовых смесей широко используются эмпирические формулы, также некоторые характеристики могут успешно определяться по уравнениям, подчиняющихся уравнению Клапейрона, законам Авогадро, Дальтона, Амага.Исходные данные для расчётаПеречень исходных данных:  1.Измеряемая среда ПРИРОДНЫЙ ГАЗ  2.Температура среды 20С - 293,15 К3.Абсолютное давление в МПа 1,1  4.Класс точности дифманометра 1,0  5.Предельное значение числа Рейнольдса 400.000  6.Диаметр условного прохода 400  7.Материал и состояние внутренней поверхности трубопровода: сталь новая бесшовная холоднокатаная 12,5 мкм, горячетянутая 6,3 мкм. 2.1 Расчёт парциальных давлений индивидуальных газовВ большинстве случаев, говоря о природном газе, мы подразумеваем углеводороды, соответствующие ГОСТ 20448-90 «Газы углеводородные сжиженные для коммунально-бытового потребления» и ГОСТ 27578-87 «Газы углеводородные сжиженные для автомобильного транспорта».Они представляют собой смесь, состоящую в основном из пропана, бутана и изобутана. Благодаря идентичности строения их молекул приближенно соблюдается правило аддитивности: параметры смеси пропорциональны концентрациям и параметрам отдельных компонентов. Поэтому по некоторым параметрам можно судить о составе газов.По закону Дальтона давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений индивидуальных газов: p=i=1npi ( 2.2.1)Отсюда получаем, что: p=pC3H8+pC4H10 (2.2.2)Парциальные давления компонентов газовой смеси могут быть определены по следующему соотношению: pi=pgiRiRсм (2.2.3)Для определения парциальных давлений необходимо рассчитать газовую постоянную смеси Rсм по следующей формуле: Rсм=i=1ngiRi (2.2.4) gC3H8=0.75 RC3H8=297 Дж/кг×К gC4H10=0.25 RC4H10.=287 Дж/кг×КRсм=0.25×287+0.75×297=294.5 Дж/кг×К Получаем парциальные давления:pC3H8=0.8×0.25287294.5=0.19 МПаpC4H10=0.8×0.75297294.5=0.6 МпаОпределение плотности для пропанаПо справочнику В.Н.Зубарева получаем следующие данные, записанные в таблицу 2.3.1 Таблица 2.3.1- ТФХ пропана при Т=293,15 КЗначение давления p, МПаЗначение плотности ρ, кг/м3z0.10,661.00041.06,671.0042Для определения плотности при парциальном давлении р=0.6 МПа используем формулу линейной интерполяции: X=Xм+(p-pм)Xб-Xмpб-pм (2.3.1)Где X – значение искомой ТФХ;Xм – табличное значение ТФХ при рм;Хб – табличное значение ТФХ при рб;Рм – ближайшее меньшее табличное значение давления;Рб – ближайшее большее табличное значение давления.X=0,66+0.6-0.16,67-0.661-0.1=3,999 ΡС3Н8=3,999 кг/м3Определение плотности для бутанаПо справочнику В.Н.Зубарева получаем следующие данные, занесённые в таблицу 2.4.1 Таблица 2.4.1 – ТФХ бутана при Т=293,15 КЗначение давления р, МПаЗначение плотности ρ, кг/м3z0.11,051.00041.05,251.0038Для определения плотности при парциальном давлении р=0.19 МПа используем формулу линейной интерполяции (2.3.1)X=1,05+0.19-0.15,25-1,051-0.1=1,47 ΡС4Н10.=1,47 кг/м3Вычисление кажущейся молярной массы газовой смеси Формула для вычисления: µсм=1i=12giµi (2.5.1)Молярные массы для газовых компонентов:µС3Н8.=52 кг/кмоль µС4Н10=66 кг/кмольµсм=10.7552+0.2566=54,912 кг/кмоль Вычисление фактора сжимаемости газовой смесиДля вычисления используем формулу:zсм=1i=12giziИспользуя формулу (2.3.1), таблицу 2.3.1 и таблицу 2.4.1 находим значения фактора сжимаемости для пропана и бутана:zС3Н8=1.0004+0.6-0.1×1.0042-1.00041-0.1=1.0025zС4Н10=1.0004+0.19-0.1×1.0038-1.00041-0.1=1.0007zсм=10.251.0007+0.751.0025=1.0021Вычисление плотности газовой смесиДля вычисления используем следующую формулу:ρсм=pzсм×Rсм×TПосле подстановки данных получаем:ρсм=0.8×1061.0021×294.5×293,15=9,23 кг/м32.2 Расчёт динамического коэффициента вязкостиŋсм=i=1nŋirij=1n(φijrj) где φij=1+ŋiŋj0.5µjµi0.252221+µjµi0.