Пристрій експрес-контролю лічильників природного газу

Пристрій експрес-контролю лічильників природного газу, що містить ємності високого і низького тиску, випробовувану ділянку, вимірювачі тиску і температури, мікропроцесорний блок, електромагнітні клапани, компресор-вакуумметр з давачами тиску, який відрізняється тим, що додатково введений турбінний вимірювач швидкості газового потоку, встановлений перед ємністю низького тиску та з'єднаний із мікропроцесорним блоком. (19) (21) u200706278 (22) 06.06.2007 (24) 10.08.2007 (46) 10.08.2007, Бюл. № 12, 2007 р. (72) Карпаш Олег Михайлович, Бакулін Євген Миколайович, Дарвай Ірина Ярославівна (73) ІВАНО-ФРАНКІВСЬКИЙ НАЦІОН АЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ НАФТИ І Г АЗУ 3 25669 метрологічних характеристик за межі встановлених допусків і, як наслідок, призводить до недостовірного обліку. Відома еталона установка соплового типу для випробувань основних метрологічних характеристик лічильників газу [1], яка складається із пристрою, що випробовується (лічильник або витратомір), сопла, джерела витрати, дроселя. Принцип дії установки полягає у створені за допомогою сопла, через яке протікає потік газу, що задається генератором витрати, надкритичного перепаду тиску. В такому випадку швидкість потоку в найвужчому місці сопла встановлюється рівною до швидкості звуку, що забезпечує надзвичайно високу стабільність витрати. Контрольний об'єм обчислюють як добуток поточної витрати газу, що протікає через сопло, на час вимірювань. За різницею показів лічильника та контрольним об'ємом, що пройшов через лічильник, визначають похибку приладу. Для отримання різних величин витрат при повірці використовують відповідну кількість різних сопел або дроселюванням досягають тієї ж мети. Установка використовується для градуювання та повірки витратомірів та лічильників для точного відтворення і вимірювання об'єму та об'ємної витрати. Проте, вузький діапазон витрат газу, необхідність наявності окремого сопла для кожної витрати обмежує можливості установки і не дозволяє її використовувати для контролю лічильників без їх демонтажу з місця використання. До того ж, основним джерелом похибок соплових установок є значний градієнт тиску і масообмінні процеси в застійних зонах між соплом й трубопроводом, що викликають пульсації вимірюваного сигналу. Крім того установка не враховує факторів впливу: кліматичних, географічних, та таких які змінюють фізичний стан газу в момент вимірювання, що спотворює достовірність обліку. Відома установка з робочими еталонами, що складається із взірцевого пристрою, джерела витрати, регулювального клапану, дроселя та пристрою, що повіряється. Принцип дії установки полягає у виділенні із потоку газу, що задається джерелом витрати, за допомогою взірцевого пристрою контрольного об'єму газу. За різницею показів лічильника, з врахуванням відповідних поправок щодо температури та тиску, визначають похибку лічильника. Особливістю цих установок є невисока точність відтворення об'єму та об'ємних витрат, зумовлена похибками взірцевих пристроїв. Як взірцеві пристрої використовують роторні та мембранні лічильники газу спеціально атестовані як взірцеві. Характер зміни кривої похибок цих лічильників залежить від витрати і зумовлений конструктивними похибками, що особливо позначаються на мінімальних витратах [2]. З вищенаведеного випливає, що ці установки не придатні для експрес-контролю побутових лічильників для визначення його метрологічних характеристик, оскільки на мінімальних витратах газу споживачами результати вимірювань будуть недостовірними. Відомий пристрій для контролю та технічної діагностики промислових лічильників газу в експлуатації УНТ [3]. 4 Принцип дії приладу побудований на методі змінного перепаду тиску з використанням усереднювальних напірних трубок. Пристрій складається із двох первинних перетворювачів (окремих спарених напірних трубок) та первинного перетворювача температури. Така конструкція дозволяє вимірювати значення трьох величин, що необхідні для визначення витрати газу: перепад тиску (пропорційний середній швидкості потоку), абсолютний або надлишковий тиск і температуру газ у. Метрологічною характеристикою пристрою є градуювальник коефіцієнт, який характеризує відношення середньовитратної швидкості потоку до швидкості, що визначається за значеннями перепаду тиску. Пристрій дозволяє оперативно вимірювати витрату безпосередньо на діючому газопроводі з метою оцінки працездатності засобу вимірювання і діагностування щодо можливості подальшої експлуатації. Проте, конструкції властива обмежена точність і швидкодія. Інерційність зростає із збільшенням довжини трубок, що з'єднуються із дифманометром. Похибка може лежати у досить широких межах в залежності від стану напірних тр убок. Тому облік спожитого газу цим пристроєм можна вважати недостатньо достовірним. Найбільш близьким до запропонованої корисної моделі є відомий пристрій для градуювання та перевірки витратомірів і лічильників газу [4], який складається із зразкового резервуару (ємності) і випробовуваної ділянки, що містить досліджуваний прилад, стабілізатор тиску, пристрій задавання температури газу перед досліджуваним приладом та обчислювач. Принцип дії пристрою побудований на визначенні об'ємної витрати газу на досліджуваному приладі і приведенні до умов його градуювання шляхом фіксації значень температури і тиску перед ним і в зразковому резервуарі на протязі вибраного проміжку часу і коригуючи при цьому значення коефіцієнта стисливості газу стосовно умов в резервуарі і перед досліджуваним приладом. Пристрій забезпечує розширення сфери застосування, оскільки дає можливість здійснювати градуювання і перевірку приладів як на реальному природному газі, так і на будь-якому газі, для якого відомі табличні значення коефіцієнта стисливості. Разом з тим, цей пристрій не можливо застосува ти для оперативного контролю точності і працездатності побутових лічильників без демонтажу на місці експлуатації, оскільки алгоритм розрахунку витрати газу, задіяний в цьому пристрої, з приведенням до умов градуювання, не враховує змін фізичного стану газ у в процесі роботи лічильника, які залежать від багатьох факторів впливу. Принцип дії пристрою полягає у визначенні об'єму газу що пройшов через лічильник і вимірюванні температури і тиску протягом деякого часу і по цих значеннях розраховують коефіцієнт стисливості, а відтак і об'ємну витрату, Але для оперативного контролю лічильників необхідні вимірювання у реальному часі і з певними значеннями тиску і температури, що характеризують фізичний стан газу саме в цей вимірювальний проміжок часу, і саме в цій географічній точці. Крім того, схема 5 25669 відтворення об'ємної витрати цим пристроєм побудована на безпосередньому порівнянні значень витрати отриманих у зразковому резервуарі витрати і на досліджуваному лічильнику. Проте, для оперативного контролю на місці встановлення лічильника така схема вимірювань не може бути застосована, оскільки між випробовуваною ланкою, що відтворює приведену до стандартних умов об'ємну витрату і досліджуваним лічильником, розташований прилад, що споживає енергію газу, достовірність витрати якого необхідно встановити. До того ж, в пристроях, які використовувалися до цього часу для експрес-контролю лічильників природного газу, неможливо врахувати його точний обсяг, що поступає в ємність низького тиску із-за факторів, які призводять до зміни об'єму цієї ємності, а саме: - після видалення води, яка заповнювала ємність, на її стінках, внаслідок змочування, невелика кількість води залишається; - при технологічних циклах викачування та закачування води стінки ємності деформуються. В першому випадку обсяг корисного об'єму ємності зменшується, у др угому - як зменшується так і збільшується. Задача, що ставилось при створенні корисної моделі вдосконалити пристрій оперативного контролю лічильників, який би шляхом отримання якомога точніших величин об'єму газу стосовно приведених, із врахуванням впливових факторів, що змінюють фізичний стан газу в реальних умовах експлуатації, дозволив встановити відповідність лічильника його метрологічним характеристикам, точність виміряної ним об'ємної витрати газу, що забезпечить достовірний облік спожитої енергії безпосередньо на діючому газопроводі, без демонтажу лічильника з місця експлуатації. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрій експрес-контролю лічильників природного газу, що містить ємності високого і низького тиску, випробовуван у ділянку, вимірювачі тиску і температури, мікропроцесорний блок, електромагнітні клапани, компресор-вакуумметр з давачами тиску, згідно з корисною моделлю, додатково введено турбінний вимірювач швидкості газового потоку, встановлений перед ємністю низького тиску та з’єднаний із мікропроцесорним блоком. Наявність у пристрої двох ємностей високого і низького тиску дає можливість за допомогою певного рівняння стану газу порівняти зміну маси газу, яка протекла через випробовувану ділянку, з масою газу, що протекла через досліджуваний прилад (лічильник), із врахуванням змін температури і тиску, що змінюють фізичний стан газу. Наявність компресора-вакуумметра дозволяє уникнути пульсацій вимірюваного газу при заповненні ємності ЄНТ з виходу досліджуваного лічильника. В такий спосіб газ під магістральним тиском заповнює ЄНТ, а тому зменшується його температура, що може вплинути на результати вимірювань і викликати похибку. Наявність у вимірювальній схемі пристроїв давачів тиску і температури, з'єднаних із мікропроцесорним блоком, дозволяє вводити поправки у зміни фізичного стану газу при обчисленні 6 приведеного до стандартних умов об'єму, що забезпечить достовірність встановлення метрологічних характеристик лічильника і достовірність обліку спожитої енергії. Наявність електромагнітних клапанів дозволяє автоматизувати процес вимірювання. Введення у пристрій турбінного вимірювача швидкості газового потоку, що розташований перед ємністю низького тиску, передає інформацію в мікропроцесорний блок про кількість обертів крильчатки за одиницю часу, яка пропорційна швидкості газового потоку. Цей додатковий параметр, який поступає до мікропроцесорного блоку, дасть можливість точно визначити обсяги газу, що поступають у ємність низького тиску, і, тим самим, підвищити точність вимірювання лічильників. На кресленні зображено пристрій експресконтролю лічильників природного газу для контролю працездатності та точності лічильників, який містить дві ємності об'ємом 4-10л., одна з яких ємність 1 високого тиску, розрахована на тиск всередині до 0,5МПа, друга - ємність 2 низького тиску, розрахована на тиск газової магістралі до 0,1МПа; давачі 3,4,5 температури, давачі 6, 7, 8, 9, 10 тиску, компресор-вакууметр 11, клапани електромагнітні 12, 13, 14, 15, блок мікропроцесорний (МП) 16 для збору, обробки інформації з давачів, виконання розрахунків, та керування процесом вимірювання. Вхід ємності низького тиску (ЄНТ) 2, з'єднаний із електромагнітним клапаном (ЕМК) 15, вхід якого сполучений при експлуатації пристрою із приладом, що споживає енергію газу (наприклад, газовий лічильник побутової газової плити), витрату якого треба виміряти, щоб встановити достовірність обліку спожитої енергії досліджуваним лічильником. Вихід ємності низького тиску 2, з'єднаний із ЕМК 14, вхід якого сполучений із компресором 11. Вихід компресора через ЕМК 13 з'єднаний із входом ємності високого тиску (ЄВТ) 1, на виході якого встановлений ЕМК 12, що своїм вихідним патрубком під'єднаний до другого приладу - споживача енергії газу, наприклад, газового пальника плити. Введений в схему турбінний вимірювач швидкості газового потоку 17, встановлений перед ємністю низького тиску 2, передає інформацію на мікропроцесорний блок 16 про кількість обертів крильчатки за одиницю часу, що пропорційна швидкості газового потоку Пристрій працює наступним чином. Через відкритий кран газового пальника (або інший прилад споживання енергії газу, на кресленні не показано), а також при відкритому ЕМК 15 газ із магістралі, попередньо пройшовши через досліджуваний лічильник, заповнює ємність ЄНТ 2, внаслідок чого тиск в ємності встановлюється рівним тиску газової магістралі. При цьому давач тиску 10 і давач температури 5 вимірюють значення абсолютного тиску і температури на досліджуваній ділянці, а давач тиску 9 і температури 4 дають інформацію про абсолютний тиск і температур у на початку витікання газу з ємності ЄНТ 2 і про момент наповнення ємності газом. Після наповнення ЄНТ 2, мікропроцесорний блок 16 по сигналу давачів 4, 5, 9, 10 дасть команду на ЕМК 15, який перекриє доступ газу в ЄНТ 2 і одночасно з цим відкриє ЕМК 14, через який газ компресо 7 25669 ром-вакуумметром 11 перекачується в ємність ЄВТ 1 через зворотній клапан 13, що пропускає газ тільки в одному напрямку - на вихід з компресора. Після спорожнення ємності 2, що буде зафіксовано давачами тиску 8 і 9, сигнал з яких надійде до МП 16, який в свою чергу дасть команду на закриття клапану ЕМК 14 і одночасно на відкриття клапану ЕМК 15, який пропустить нову порцію газу через лічильник, в ємність ЄНТ 2 і випробовувану ділянку. Сигнал, про кількість обертів крильчатки за одиницю часу із встановленого перед ЄНТ 2 турбінного вимірювача швидкості газового потоку 17, поступить на мікропроцесорний блок 16, що дозволить зменшити похибку вимірювання лічильника, викликану змінами об'єму ЄНТ 2. Цикл повторюється до досягнення в ємності ЄВТ 1 тиску, що дорівнює 0,3-0,4МПа. На протязі усього процесу вимірювання в ЄВТ 1 постійно контролюється абсолютний тиск і температура давачами 6 і 5 відповідно. В такий спосіб отримують ряд значень тиску і температури, що характеризують роботу лічильника. На підставі точної величини об'єму ємності ЄНТ 2 і виміряних за певний проміжок часу ряду значень тиску і температури, завдяки чому вводять поправки у зміни фізичного стану газу, мікропроцесорний блок 16 за алгоритмом, на із використанням методів нечіткої (фаззі) логіки [5] обчислює об'єм газу, приведений до стандартних умов, що пройшов через досліджуваний лічильник при тиску і температурі в газовій магістралі, виміряних давачами 10 і 5 відповідно. Використання елементів нечіткої логіки зумовлене особливостями фізичного процесу запропонованого експресконтролю лічильників газу. Завдяки ряду фізичних властивостей природного газу (стиснуваність, залежність об'єму від тиску та температури одночасно), виміряні значення тиску, температури разом із Комп’ютерна в ерстка Н. Лисенко 8 потрібними значеннями реальної витрати газу складають нечітку множину [6]. Таким чином, найбільш доцільним шляхом розрахунку реальної витрати газу, що пройшов через лічильник за виміряними параметрами (тиск, температура) є застосування методів нечіткої логіки [7]. Лічильник вважають таким, що відповідає вимогам ТУ або Держстандарту, якщо різниця в показах лічильника і об'ємній витраті, виміряній і обчисленій за допомогою запропонованого пристрою, не перевищує значень, що наведені в ТУ на лічильник. Перелік посилань: 1. РД 50-213-80. Правила измерения расходов газов и жидкостей стандартными устройствами.М.6 изд-во стандартов, 1982. 2. Вимірювання витрати та кількості газу і нафтопродуктів: Матеріали третьої всеукраїнської науково-технічної конференції. "Витратометрія 2003" -Івано-Франківськ, Факел, 2003р. 3. Експрес контроль та технічна діагностика промислових лічильників газу в експлуатації І.С.Петришин, Я.В.Безгачнюк, О.Є.Середюк, М.В.Кузь, Б.І.Прудніков, А.Г.Безтелесний. - Журнал "Розвідка та розробка нафтових і газових родовищ" №4. Патент України №54463 G01F25/00, Бюл. №3, 2003р. 5. Прикладные нечеткие системы / Под ред. Т. Тэрано - М: Мир, 1993. - 512 с. 6. Neurofuzzy mathematical model for monitoring flow parameters of natural gas. V.O.S.Olunloyo, A.M.Ajofoyinbo and A.B.Badiru. - Applied Mathematics and Computation, Volume 149, Issue 3, 22 February 2004, Pages 747-770. 7. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / Пер. с англ.- М.: Радио и связь, 1993. 315с. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601