книги / Приборы и средства учета природного газа и конденсата
..pdfБИБЛИОТЕКА ЭКСПЛУАТАЦИОННИКА МАГИСТРАЛЬНОГО ГАЗОПРОВОДА
Основана в 1963 году
В.М. Плотников
В.А. Подрешетников Л. Hi Тетеревятников
ПРИБОРЫ
ИСРЕДСТВА
УЧЕТА ПРИРОДНОГО ГАЗА
ИКОНДЕНСАТА
Издание второе, переработанное и дополненное
ЛЕНИНГРАД «НЕДРА» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1«Е9
ББК 39.71 П 39
УДК 622.691.4 : 681.12
Редакционная коллегия: С. Ф. Б а р м и н |
(председатель), |
В А Г о р б е л ь (зам. председателя), |
В. И. Лю б и ч , |
В. М. П и л я к , Л. М. П л а к с и н
Плотников В. М., Подрешетников В. А., Тетеревятни
ков Л. Н.
Приборы и средства учета природного газа и конденса та.— 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Недра, 1989.—238 с. (Б-ка эксплуатационника магистрального газопровода).
ISBN 5—247—00823—5
Рассмотрены современные приборы для измерения расхода и ко личества природного газа и конденсата. Приведены основные соот ношения, положенные в основу измерения расхода и количества при родного газа по методу переменного перепада давления, а также кон
струкции |
сужающих |
устройств |
и специальных |
камер для их |
ревизии |
и поверки. |
|
|
|
|
|
Во втором издании (1-е изд.— 1980) описаны расходомеры кри |
|||||
тического |
истечения, |
вихревые |
и турбинные |
расходомеры, |
приборы |
для измерения дебита на устье газовых скважин, а также счетчики газа, заправляемого в автомобили на автомобильных газонаполнитель
ных компрессорных станциях |
(АГНКС). |
|
|
Для специалистов, занимающихся разработкой и эксплуатацией |
|||
приборов и средств автоматики в нефтяной и газовой промышлен |
|||
ности. |
|
|
|
2503010500- 3 1 ^ 30 |
|
ББК 39.71 |
|
" 043(01)—89 |
|
||
|
|
|
|
|
Издательство |
«Недра», |
1980 |
|
Издательство |
«Недра», |
1989, |
ISBN 5— 247— 00823—5 |
с изменениями и дополне |
||
ниями |
|
|
ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА
С каждым годом в Советском Союзе увеличивается добыча природного газа, строятся и вводятся в эксплуатацию тысячи километров магистральных газопроводов, постоянно растет ар мия работников, обслуживающих их.
В связи с нехваткой книг для кадров массовых профессий Ленинградское отделение издательства «Недра» совместно с Ле нинградским ПО «Лентрансгаз» в 1963 г. предприняло издание серии «Библиотека эксплуатационника магистрального газопро вода», призванной осветить возможно больший круг вопросов, связанных с эксплуатацией и ремонтом магистральных газопро водов.
Книги, входящие в «Библиотеку», освещают вопросы орга низации эксплуатации магистральных газопроводов, их про дувки и испытания, обслуживания линейной части, ведения огневых и газоопасных работ, эксплуатации и ремонта газомо торных, электроприводных, газотурбинных компрессорных стан ций, газораспределительных станций, а также вопросы электро защиты, телемеханики на магистральных газопроводах. В от дельных книгах описываются химический контроль на магист ральных газопроводах и компрессорных станциях, экономика дальнего транспорта газа, техника безопасности и охрана тру да и т. д.
Книги «Библиотеки» в основном предназначены для подго товки и повышения квалификации кадров массовых профес сий— мастеров, операторов, слесарей и других категорий экс плуатационного и ремонтного персонала. Отдельные выпуски рассчитаны на инженерно-технических работников магистраль ных газопроводов.
В течение 1963—1988 гг. выпущено в свет 48 книг. Учиты вая, что спрос на «Библиотеку» растет, издательство в 1965 г. начало переиздание отдельных выпусков. Наряду с этим про должается издание новых книг.
Ваши замечания и отзывы по уже вышедшим книгам, а так же пожелания по выпуску новых просим направлять по адресу: 193171, Ленинград, С-171, Фарфоровская ул., 18, Ленинградское отделение издательства «Недра». Издательство учтет все поже лания и предложения и организует выпуск книг на интересую щие Вас темы.
Информацию о готовящихся к изданию книгах «Библиотеки» можно получить в магазинах местных книготоргов по публи куемым ежегодно темпланам издательства.
Для приобретения книг «Библиотеки» надо до выхода в свет направить заказ в магазины местных книготоргов или в мага зин «Недра» Ленкниги по адресу: 199178, Ленинград, В-178, Средний пр., 61. По выходе из печати книги будут высланы почтой наложенным платежом.
3
Глава 1
СООТНОШЕНИЯ, ПОЛОЖЕННЫЕ В ОСНОВУ ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ПРИРОДНОГО ГАЗА ПО МЕТОДУ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
1.1. ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСХОДА
И КОЛИЧЕСТВА ПРИРОДНОГО ГАЗА ПО МЕТОДУ ПЕРЕМЕННОГО ПЕРЕПАДА ДАВЛЕНИЯ
В настоящее время основным методом измерения расхода и количества природного газа на объектах его добычи, транспор та и переработки как в СССР, так и за рубежом является ме тод переменного перепада давления на сужающих устройствах, в качестве которых используются измерительные диафрагмы и сопла. Метод переменного перепада давления обладает рядом важнейших преимуществ, обеспечивших ему широкое примене ние и длительную живучесть, несмотря на существование боль шого числа других методов измерения расхода и количества газа.
К этим преимуществам в первую очередь относятся про стота первичного преобразователя (диафрагмы, сопла), а также возможность поверки и аттестации сужающих устройств рас четным путем по данным измерений геометрических размеров трубопровода и сужающего устройства. При этом аттестация вторичной расходоизмерительной аппаратуры — дифманометров, преобразователей давления, термометров, плотномеров и дру гих приборов — производится стандартными методами без не обходимости создания точно известных больших расходов газа при различных статических давлениях [8, 11].
Метод переменного перепада давления основан на создании и измерении перепада давления на сужающем устройстве (сопле, диафрагме), установленном в измерительном трубопро воде, при протекании потока жидкости или газа через это уст ройство. Перепад давления, по которому судят о расходе газа, измеряется с помощью дифференциальных манометров (диф манометров)— жидкостных, мембранных, сильфонных и др.— с механическими отсчетными устройствами или электрическими выходными сигналами.
В настоящей главе рассмотрены соотношения, положенные в основу измерения расхода газа методом переменного пере пада давления, а также сужающие устройства, служащие для преобразования расхода газа в измеряемый перепад давлений. В связи с тем что в формулах расхода газа действующих в на-
4
стоящее время «Правил измерения расхода газов и жидкостей стандартными сужающими устройствами РД 50—213—80» [И] давление выражается в килограмм-силах на квадратный сантиметр, а перепад давления в килограмм-силах на квадрат ный метр или килограмм-силах на квадратный сантиметр, при изложении материала приняты те же единицы измерения.
Сужающие устройства являются первичными преобразова телями расхода в приборах, использующих метод переменного перепада давления, в качестве которых используются стандарт ные измерительные диафрагмы, сопла, сопла Вентури, а также
специальные сужающие устройства — сегментные |
диафрагмы, |
трубы Долла, Хупера и др. [4, 8]. |
|
Основные виды стандартных сужающих устройств, рекомен |
|
дуемых «Правилами измерения расхода газов |
и жидкостей |
РД 50—213—80» Госстандарта [11], а также характер распре деления давлений И скоростей потока в них и измерительном
трубопроводе представлены на рис. 1. |
газа через диафрагму |
|
При протекании жидкости |
или |
|
(рис. 1, а) вследствие перехода |
части |
потенциальной энергии |
в кинетическую средняя скорость потока в сужении повышается. В результате этого статическое давление потока после диаф рагмы (рг) становится меньше, чем переднею (р\).
На рис. 1, б показано изменение давления при прохождении жидкости или газа через диафрагму. Обозначим через А —А' то сечение трубопровода, начиная с которого будет сказываться влияние диафрагмы на характер потока. В этом сечении поток начинает сужаться, отрываясь от стенок трубопровода, и, сле довательно, средняя скорость потока v (рис. 1, в ) станет воз растать. Вследствие инерции струя продолжает сужаться и на некотором расстоянии после диафрагмы. Поэтому место наи большего сужения струи будет лежать в сечении В—В'. Рас стояние от сечения А —А' до диафрагмы не превышает диаметра трубопровода D, а расстояние от сечения В—В' до заднего торца диафрагмы приблизительно равно 0,5D.
На jynacTKe от сечения А—А' до сечения В—В' средняя скорость потока возрастает от vA до vB. Соответственно воз растает и кинетическая энергия струи. Это увеличение ско рости кинетической энергии может осуществляться только за счет уменьшения потенциальной энергии и, следовательно, па дения давления от рА Д о рв■Затем струя начинает постепенно расширяться и в сечении С—С' вновь достигает стенок трубо провода. Этот процесс будет сопровождаться постепенным сни жением скорости потока и частичным восстановлением перво начального давления.
В сечении С—С' скорость vc станет равной первоначальной vA, если считать, что плотность среды р не изменилась, но дав ление Рс будет меньше, чем рА, вследствие значительной по тери энергии в застойных зонах Е, находящихся за диафраг-
5
венно в отверстии диафрагмы потери энергии на трение и удары составляют не более 2% от перепада давления рА—рв-
Искомая зависимость между массовым QM (или объемным <Эоб) расходом и перепадом давления (pi—р2), который в об щем случае может измеряться в сечениях, отличных от А—А' и В—В', может быть получена из совместного решения урав нения, выражающего закон сохранения энергии
|
(,) |
и уравнения неразрывности струи |
|
Q* == pvF = const, |
(2) |
где dv и dp — соответствующие изменения скорости и плотности протекающей среды в сечениях потока при его сужении и рас ширении; F — площадь сечения потока в произвольно выбран ном сечении трубопровода. При этом полагаем, что трубопро вод горизонтальный.
Для несжимаемых жидкостей |
(р = const) |
из предыдущих |
выражений получаются уравнения: |
|
|
|
|
(3 ) |
Qu — р0АРЛ = |
PVBFB, |
(4) |
где КА и Кв — поправочные множители на неравномерность распределения скорости потока соответственно в сечениях А —А' и В—В'; | — коэффициент сопротивления на участке от сечения А —А' до В—В', отнесенный к скорости vB; FA и Fa — площади струи в сечениях А—А! и В—В' соответственно.
Отношение наименьшей площади (горла) струи FB к пло щади отверстия диафрагмы FQ называют коэффициентом су жения струи и обычно обозначают через р,- Следовательно,
FB = \iF0. |
(5) |
Коэффициент р указывает степень дополнительного сужения потока, происходящего под влиянием сил инерции, на выходе из сужающего устройства. Для диафрагм р лежит в пределах 0,6—0,78. Для сопла, имеющего плавный вход, р=1.
Отношение площади отверстия сужающего устройства Fo к площади поперечного сечения трубопровода FA называется относительной площадью т, ранее называемой модулем сужа ющего устройства, и определяется соотношением
т — FoI Fa . |
(6) |
|
С учетом уравнений (5) |
и (6) из уравнения |
(2) следует, |
что |
оврт. |
(7) |
vA = |
7
Подставляя значение VA в уравнение (3), решая его отно сительно скорости vs и имея в виду, что точки отбора давления pi до диафрагмы и давления р2 после диафрагмы в общем слу чае могут не совпадать с сечениями А—А' и В—В', получаем
где ф = (р л —рв)/(р1—р2). |
(8) |
уравнение (2) |
принимает вид |
|
С учетом равенств |
(5) и |
|||
QM = aFoV2p(pi—р2), |
(9) |
|||
где |
|
|
|
|
а = |
ii/ П |
+ К |
в - К л ^ . |
|
Величина а называется коэффициентом расхода сужающего устройства. Полученная формула расхода (9) справедлива при условии постоянства плотности измеряемой среды р при про хождении несжимаемой жидкости через сужающее устройство.
При измерении расхода газа его плотность р уменьшается при прохождении через сужающее устройство вследствие пони жения давления, в результате чего массовый QM (или объем ный фоб) расход, отнесенный к начальной плотности, несколько увеличивается. Для учета этого в правую часть формулы (9) вводят поправочный множитель на расширение газа е, меньший единицы.
В таком случае уравнения для определения массового и объемного расходов принимают вид
QM— a&F0y2p(pi—Р2 ); |
(10) |
Qo6 = aefoV (2/p) (Pi—Рг)- |
(11) |
Эти уравнения и являются основными зависимостями между расходом газа или жидкости и перепадом давления на сужаю щем устройстве.
Для несжимаемой среды (жидкости) объемный расход по тока, м3/ч, проходящего через сужающее устройство, связан с перепадом давления на нем формулой
Qo6 = 0,01252сid2 У (pi—pi) /р, |
(12) |
где a — коэффициент расхода сужающего устройства; d —диа метр отверстия (в свету) сужающего устройства, мм; Ар— = р \— — перепад давления на сужающем устройстве, соответ ствующий расходу Qo6, кгс/м2; р — плотность среды в рабочих условиях перед сужающим устройством, кг/м3.
При измерении расхода газа нельзя пренебрегать измене нием его плотности, зависящей от давления и температуры газа в трубопроводе перед сужающим устройством. Зависи
8
мость плотности газа в рабочих условиях р, кг/м3, от темпе ратуры и давления определяется формулой
|
Р = РкР\Тп/(рнТ\2), |
|
|
(13) |
||
где |
рн— плотность сухого |
газа в |
нормальных |
условиях, т. е. |
||
при |
давлении р„= 1,0332 |
кгс/см2 |
(1,01325-105 |
Па) и |
темпера |
|
туре |
78=293,15 К; рв— нормальное давление |
газа; |
7В — нор |
|||
мальная температура газа; pi — абсолютное давление газа |
пе |
|||||
ред |
сужающим устройством, кгс/см2; 7t — температура |
газа |
||||
перед сужающим устройством, К; Z — коэффициент сжимаемо |
||||||
сти газа. |
|
|
|
|
|
|
Подставляя в формулу (13) цифровые значения плотности |
||||||
рн и температуры 7Н при |
нормальных условиях, получаем |
ча |
сто используемую на практике формулу для определения плот ности газа в рабочих условиях по ее значению при нормальных условиях, температуре и давлению:
р = 283,73 рнр ,/ (7,2). |
(14) |
Абсолютное давление среды рi равно сумме избыточного давления ры, измеряемого преобразователем давления или ма нометром, и барометрического (атмосферного) давления ре, т. е.
Р1 = Р1и + Рб- |
(15) |
Из формулы (13) видно, что с увеличением абсолютного давления р\ и снижением фактической температуры газа Т\ плотность газа р при рабочих условиях увеличивается, а при уменьшении давления и повышении температуры—уменьша ется.
Коэффициент сжимаемости газа Z характеризует непропор циональность изменения объема газа с изменением давления и температуры. Методика определения значений коэффициента сжимаемости Z приводится ниже. Влияние коэффициента сжи маемости Z на плотность газа при различных давлениях я темпе ратурах достаточно сильное. Так, для природного газа зна чение Z может изменяться от Z=1 (при р„= 1,0332 кгс/см2 и 7Н=293,15 К) до Z=0,5 (при pi = 100 кгс/см2 и 7i =223,15 К).
Уравнение, связывающее расход газа, приведенный к нор мальным условиям, с расходом газа в рабочих условиях, имеет вид
Qн = Qoep / Рн- |
(15) |
Подставив в это равенство значение фактической плотно сти газа из выражения (13) и значение объемного расхода Qo6 из уравнения (12), получаем формулу объемного расхода газа, приведенного к нормальным условиям:
QH= 0,01252 ае d2 1 / |
^ ~- Р2)тр'1п— , |
(17) |
~ |
РнРв' |
|
9
где QB— объемный расход газа, приведенный к нормальным условиям, м3/ч.
В большинстве практических случаев, имеющих место в га зовой промышленности, расход газа QH при нормальных усло виях выражается в кубических метрах в час, диаметр отверстия диафрагмы d — в миллиметрах, перепад давления Ap=pi—Р2 — в килограмм-силах на квадратный метр, давление р\ в кило грамм-силах на квадратный сантиметр. В этом случае формула (17) при рн= 1,0332 кгс/см2, 7В=293,15 К принимает вид
QH= 0,2109 aed2]f |
/рн*1^( |
1 |
8 |
) |
Если перепад давления Ар=рi—Р2 |
и давление Р\ выразить |
в килограмм-силах на квадратный сантиметр, то формула (18) имеет вид
|
|
Q„ = 21,09 aed2 У |
(19) |
|
По |
формулам (17)— (19) осуществляют условное |
приведе |
||
ние объемного расхода Q0б, прошедшего через сужающее уст |
||||
ройство газа |
к расходу QH при |
нормальных условиях. Выра |
||
жения |
(18) и |
(19) могут также |
быть выражены через значе |
ния плотности газа р в рабочих условиях: |
|
|
QB = |
0,01252 aed2У (pi—рз)р / рн; |
(20) |
QH= |
1,252ае^2У (pi—р2)р /р н. |
(21) |
Обозначения в выражениях (20) и (21) соответствуют обо значениям в выражениях (18) и (19).
Отношение площади Е0= я ^ 2/4 отверстия сужающего уст ройства (в свету) к площади FA = nd2/4 сечения отверстия из мерительного трубопровода, в котором установлено сужающее устройство, определенное по формуле (6), может быть пред ставлено как отношение квадратов диаметров отверстия су жающего устройства и измерительного трубопровода:
т = |
FQ/ FA = |
d21D2, |
(22) |
где D — внутренний диаметр измерительного трубопровода, мм; |
|||
d —диаметр отверстия |
(в свету) |
сужающего |
устройства, мм. |
Безразмерная величина т называется модулем сужающего устройства, а согласно ГОСТ 18083—72* — степенью сужения сечения или относительной площадью сужающего устройства.
Из формулы (22) видно, что сужение потока тем больше, чем меньше модуль т сужающего устройства. Значение т в большинстве практических случаев может изменяться в пре делах от 0,05 до 0,7. При т = 0,7 сужение минимально, а при /п=0,05— максимально.
Подставив значение d2 = mD2 из выражения (22) в уравне
10