Методы и средства измерения расхода нефтегазоводяной смеси

Для измерения расхода нефтегазоводяной смеси (НГВС) применяются следующие методы.

1. Объёмные.
2. Метод измерения расхода основанный на измерении усилия, развиваемого потоком, набегающим на помещённое в него тело (расходомеры обтекания).
3. Измерение расхода с помощью химических и радиоактивных меток.
4. Индукционные расходомеры.
5. Ультразвуковой метод.
6. Метод измерения расхода по перепаду давления.

Анализ вышеприведённых методов показывает, что объёмные методы связаны с использованием тех или иных объёмных измерительных камер в нашем случае невозможны из-за торможения струи и осаживания транспортируемого материала. Расходомеры обтекания требуют помещения в поток воспринимающего тела, которое оказывает тормозящий эффект на поток. Измерение расхода с помощью химических и радиоактивных меток неприемлемо из-за значительной стоимости, опасности заражения окружающей среды и т.п. Индукционные расходомеры, применяемые для измерения расхода электропроводных материалов, и ультразвуковые методы, использующиеся для сред обладающих значительной однородностью, также не имеют места в нашем случае .

Наиболее приемлемым методом измерения расхода нефтегазоводяной смеси является метод измерения расхода по перепаду давления. Рассмотрим основные положения этого метода.

Этот метод основан на использовании энергетических закономерностей, определяющих зависимость кинетической энергии потока, а, следовательно, его скорости от физического состояния среды.

Согласно уравнению Бернулли, в стационарных, свободных от трения потоках, сумма кинетической энергии, потенциальной энергии положения и давления вдоль потока — постоянна. Для единицы массы потока несжимаемой среды, обладающей объемом , уравнение Бернулли записывается в виде:

где: – скорость потока; h – высота над уровнем моря; р –абсолютное давление; –плотность.

Для двух сечений одного потока уравнение Бернулли имеет вид

В сжимаемых средах изменение энергии давления лишь частично переходит в кинетическую и потенциальную энергию, а именно:

только доля . Остальная часть, согласно первому закону термодинамики , взаимодействует с внутренней энергией и или соответственно с подводимой или отводимой тепловой энергией dQ. Таким образом, уравнение (2) для сжимаемых сред имеет вид:

Суммарная кинетическая энергия протекающей в единицу времени массы среды через сечение А равна:

Средняя кинетическая энергия, отнесенная к единице массы вещества, определяется как:

где — усредненная по сечениюА скорость потока, равная:

&#; - безразмерный коэффициент, учитывающий распределение скоростей потока в сечении и называемый поэтому поправочным множителем на неравномерность распределения скорости в данном сечении:

Для потока с прямоугольным профилем эпюры скоростей (равномерное распределение скорости по сечению) &#; = 1. В других случаях &#;> 1, причем, чем острее профиль эпюры скоростей потока, тем больше &#;. На рис. 1 приведена зависимость коэффициента &#; для протекающих в гладких трубах ламинарных и турбулентных потоков от значения чисел Рейнольдса.

Рисунок 1. Поправочный множитель &#;

Поправочный множитель &#;, учитывающий неравномерность распределения скорости в сечениях потока (штриховая линия), и зависимость соотношения максимальной и средней скоростей потоков, протекающих по гладким трубам круглого сечения, от чисел Рейкольдса Re (сплошная линия). Для ламинарных потоков &#; и независимы от Re и равны 2; 1 – ламинарные потоки; 2 – турбулентные потоки.

Как видно из рис. 2, для большинства потоков &#;= 1,04…1,06; для ламинарных потоков &#;= 2. Таким образом, уравнение Бернулли для сечений 1 и 2 (см. рис. 1) горизонтально протекающих потоков несжимаемых сред имеет вид

и для сжимаемых потоков:

при этом h и p могут изменяться в любом слое потока.

Для метода перепада давления, в котором используется сужение сечения (диафрагма, сопло), уравнение (9) упрощается:

При дросселировании потока установленным в трубопроводе сужающим устройством скорость его увеличивается и, согласно уравнению Бернулли (9-10), потенциальная энергия давления превращается в кинетическую. По возникающему перепаду давления на сужающем устройстве может быть определён расход НГВС. Обозначим эти давления p₁ и p₂ с тем, чтобы их впоследствии отличать от далее вводимых измеряемых давлений. Из равенства весовых расходов в обоих сечениях трубопровода получим уравнение неразрывности потока:

Полученное уравнение определяет входную скорость потока и позволяет определить объёмный расход контролируемой среды:

Уравнение Бернулли справедливо для потоков без трения, реально не существующих; поэтому полученные расчётом расходы могут отличаться от действительных.

В реальных условиях для преодоления трения необходима дополнительная энергия давления; корме того, форма потока, проходящего через сужающее устройство, изменяется. В зоне восстановления давления, на некотором расстоянии за сужающим устройством, кинетическая энергия потока переходит обратно в энергию давления. При этом обладающая достаточной кинетической энергией центральная часть потока не изменяет направления своего движения. Проходящие вдоль стенок трубопровода слои потока, обладающие меньшей кинетической энергией, затормаживаются и частично направляются в противоположном направлении, в результате чего непосредственно за сужающим устройством образуются зоны завихрений, отжимающих основной поток от стенок. В результате проходящий через сужающее устройство поток не полностью заполняет сечение дросселирующего органа.

Рисунок 2. График изменения давления и характера потока, проходящего через диафрагму: 1 – потери давления в центре трубопровода: 2 – потери давления у стенки трубопровода; 3 – остаточная потеря давления

Следует различать минимальное сечение потока A₂, в котором измеряется , и минимальное сечение дросселирующего органа A₀ (рис. 2). Вводя коэффициент сужения потока и, обозначив соотношения площадей сечений , преобразуем уравнение расхода:

Согласно DIN 1952, отбор давлений при измерении расхода производится на торцовой и обратной стороне сужающего устройства. Если ввести полученный таким образом перепад давлений (p₁ – p₂) в уравнение расхода, то следует добавить поправочный коэффициент на изменение положения точек отбора давления:

Влияние рассмотренных факторов (сжатие струи, изменение профиля скоростей и положение точек отбора давления) учитывается, так называемым, коэффициентом расхода &#;.

где:

является безразмерным коэффициентом. Значение &#; для сужающих устройств изменяется в зависимости от эквивалентных размеров трубопровода (например, его диаметра D), средней скорости потока на входе дросселирующего устройства &#; и физических параметров протекающей по трубопроводу среды (динамической вязкости &#; и плотности &#;).

Заключение

Таким образом, использование метода измерения расхода по перепаду давления позволяет измерять расход нефтегазоводяной смеси с использованием сужающих устройств и свести к минимуму количество датчиков измерения, поскольку один из датчиков измерения давления, использующихся для измерения расхода по указанному методу можно использовать также в качестве датчика измерения непосредственно давления.