Газовик — промышленное газовое оборудование Справочник Устройства учета расхода газа Расходомеры переменного перепада давления

Общие положения, классификация

Основаны на зависимости перепада давления, создаваемого устройством, установленным в трубопроводе, или же самим элементом трубопровода, от расхода газа, протекающего через это устройство.

В состав расходомера входят: преобразователь расхода, создающий перепад давления, дифференциальный манометр, измеряющий этот перепад, и соединительные трубки между преобразователем и дифманометром. В зависимости от принципа действия преобразователя расхода данные расходомеры подразделяются на шесть самостоятельных групп, внутри которых имеются конструктивные разновидности преобразователей (рис. 8.1).

1. Принцип действия расходомеров с гидравлическим сопротивлением основан на зависимости перепада давления, создаваемого гидравлическим сопротивлением, от расхода газа. Режим потока в таком сопротивлении стремятся создать ламинарным, с тем чтобы перепад давления был пропорционален расходу. Применяются подобные расходомеры преимущественно для измерения малых расходов, когда сопротивлением является одна или несколько капиллярных трубок (рис. 8.1, у). Для больших расходов применяют иногда сопротивление с шариковой (рис. 8.1, ф) или другой набивкой.

2. Центробежные расходомеры созданы на основе зависимости перепада давления, образующегося в закруглении трубопровода в результате действия центробежной силы в потоке, от расхода газа. В качестве преобразователя применяется колено (рис. 8.1, х) или кольцевой участок трубы (рис. 8.1, ц). Чаще они используются для измерения воды и реже — газа.

3. Расходомеры с напорным устройством, в котором создается перепад давления в зависимости от расхода в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную. На рис. 8.1, ч показан преобразователь, состоящий из трубки Пито и трубки для отбора статического давления, а на рис. 8.1, ш — преобразователь с дифференциальной трубкой Пито, в которой имеются отверстия для отбора полного и статического давления. Кроме этих преобразователей, служащих для измерения местной скорости, встречаются преобразователи с осредняющими напорными трубками. Обычно усреднение полного давления ведется по диаметру (рис. 8.1, щ) или по радиусу, а при сильно деформированном потоке — по двум перпендикулярным диаметрам. В соответствующих трубках имеется ряд отверстий для приема полного давления. Использование осредняющих напорных трубок особенно целесообразно для измерения расхода газа в трубопроводах большого диаметра. Вышеуказанные расходомеры в настоящее время применяют в системе ОАО «Газпром» и во Франции. Основным преимуществом данного метода измерения является простота изготовления и поверки преобразователя, возможность демонтажа и монтажа преобразователя без остановки трубопровода. Кроме того, предложены кольцевая вставка (рис. 8.1, э) для усреднения давления по кольцевой площади и напорное поворотное крыло с двумя отверстиями (рис. 8.1, ю), ориентированными различным образом к потоку.

Рис. 8.1. Первичные преобразователи расходомеров переменного перепада давления.

4. Расходомеры с напорным усилителем имеют преобразователь расхода, в котором сочетаются напорное и суживающее устройства. Перепад давления в них создается как в результате местного перехода кинетической энергии струи в потенциальную, так и частичного перехода потенциальной энергии в кинетическую. Соответствующие преобразователи показаны: на рис. 8.1, я (сочетание диафрагмы и трубки Пито), на рис 8.1, α. (комбинация трубок Пито и Вентури) и на рис. 8.1, β (сдвоенная трубка Вентури). Напорные усилители применяются в основном при небольших скоростях газовых потоков, когда перепад давления, создаваемый напорными трубками, недостаточен.

5. Расходомеры ударно-струйные основаны на принципе измерения перепада давления, возникающего в процессе удара струи о твердое тело непосредственно или через слой измеряемого вещества. Они применяются для измерения малых расходов жидкости и газа.

6. Расходомеры с суживающими устройствами — важнейшие среди расходомеров переменного перепада давления. Они уже давно нашли применение в качестве основных промышленных приборов для измерения расхода газа, жидкостей и пара. Объясняется это следующими достоинствами этих расходомеров:

• исключительная универсальность. Они пригодны для измерения расхода любых однофазных, а в известной мере и двухфазных сред. Кроме того, их можно использовать для измерения расходов самых различных значений в трубах практически любого диаметра и при любых давлениях и температурах;
• отсутствие потребности в поверочных стендах при применении стандартных суживающих устройств, устанавливаемых в трубах диаметром более 50 мм;
• простота комплектации и низкая стоимость расходомера, так как индивидуально изготавливается только суживающее устройство, все остальные комплектующие выпускаются заводами серийно и в достаточных количествах.

Принцип действия вышеуказанных расходомеров основан на зависимости перепада давления, создаваемого суживающим устройством, в результате которого происходит преобразование части потенциальной энергии потока в кинетическую, от расхода газа. Имеется много разновидностей суживающих устройств. Так, на рис. 8.1, а, б показаны стандартные диафрагмы, на рис. 8.1, в — стандартное сопло, на рис. 8.1, г, д, е — диафрагмы для измерения загрязненных веществ — сегментная, эксцентричная и кольцевая. На следующих семи позициях рис. 8.1 показаны суживающие, применяемые при малых числах Рейнольдса (для веществ с большой вязкостью); так, на рис. 8.1, ж, з, и изображены диафрагмы: соответственно двойная, с входным конусом, с двойным конусом, а на рис. 8.1, к, л, м, н — сопла: соответственно «полукруга», «четверть круга», комбинированное и цилиндрическое. На рис. 8.1, о изображена диафрагма с переменной площадью отверстия, автоматически компенсирующая влияние изменения давления и температуры вещества. На рис. 8.1, п, р, с, т приведены расходомерные трубы — соответственно труба Вентури, сопло Вентури, труба Долла и сопло Вентури с двойным сужением. Для них характерна очень малая потеря давления.

Суживающие устройства служат для создания перепада давления и работают в комплекте с дифманометрами или другими преобразователями, измеряющими создаваемый перепад давления в единицах расхода. Суживающие устройства разделяются на стандартные и нестандартные. К стандартным СУ (рис. 8.1) отнесены диафрагмы (а, б), сопло (в), труба и сопло Вентури (п, р); к нестандартным — двойная диафрагма (ж), сопла «четверть круга» (к) и «полукруга» (л); труба Долла (с) и другие. Стандартные СУ изготавливаются и устанавливаются согласно требованиям ГОСТ 8.563.1-97 без индивидуальной калибровки, проверяются только геометрические размеры. Нестандартные СУ требуют индивидуальной калибровки.

Стандартные суживающие устройства — диафрагмы. На рис. 8.2 показано поперечное сечение диафрагмы (буквенные обозначения составных частей и геометрических размеров рисунка будут использованы далее в настоящем разделе).

Рис.8.2. Стандартная диафрагма

Конструкция и требования:

• торцы диафрагмы А и В должны быть плоскими и параллельны друг другу. Неплоскостность входного А и выходного В торцов определяют у диафрагмы, извлеченной из трубопровода. Диафрагму считают плоской, если наклон прямой линии, связывающей две любые точки ее торцовой поверхности А (В), относительно плоскости, перпендикулярной к ее оси, менее 0,005 (0,3°);
• при разработке, изготовлении и применении конструкции узла крепления диафрагмы необходимо учитывать возможность ее деформации от воздействия перепада давления или напряжений, возникших при сборке фланцев. Под воздействием этих факторов перекос диафрагмы в рабочих условиях не должен превышать величины 0,01 (0,6°);
• шероховатость R_a поверхности входного торца диафрагмы должна быть не более или равна 10^-4d,  в пределах круга диаметром D, концентричного отверстию диафрагмы. Шероховатость поверхности выходного торца диафрагмы должна быть R_а<0,01 мм, если диафрагма предназначена для измерения расхода в одном направлении;
• на входной поверхности диафрагмы А должен быть нанесен маркировочный знак для правильной установки. Нанесение маркировочного знака на торцах диафрагмы в пределах круга диаметром D не допускается;
• длина е цилиндрической части отверстия диафрагмы должна быть от 0,005D до 0,02D, значения е, измеренные в любой точке отверстия диафрагмы, не должны различаться между собой более чем на 0,001D;
• толщина Е_д диафрагмы должна находиться в пределах от е до 0,05D. При 50 мм <D<64 мм значения толщины Е_д, измеренные в любой точке поверхности диафрагмы, не должны различаться между собой более чем на 0,001D. Подробно методика расчета диафрагм изложена в ГОСТ 8.563.1-97;
• если толщина диафрагмы превышает длину е отверстия, то оно со стороны выходного торца должно иметь коническую поверхность, чистота обработки которой R_a должна быть не более или равна 10^-4d.  Угол наклона F образующего конуса должен быть 45°±15;
• входная кромка G и выходные кромки Н и I не должны иметь притуплений и заусенцев, заметных невооруженным глазом. Входная кромка G должна быть острой, т. е. радиус ее закругления должен быть не более 0,05 мм. Это требование проверяют или внешним осмотром невооруженным глазом по отсутствию светового луча от входной кромки (в этом случае радиус принимают равным 0,05 мм), или непосредственным измерением;
• за значение диаметра d цилиндрической части отверстия принимают среднее значение результатов не менее четырех измеренных диаметров, расположенных под равными углами с отклонением ±5°. При этом погрешность измерительного инструмента должна быть не более 0,02 %. Отверстие диафрагмы должно быть цилиндрическим, а его ось должна быть перпендикулярна к входному торцу диафрагмы в пределах ±0,5°. Результаты отдельных измерений диаметра отверстия не должны отличаться от среднего значения более чем на 0,05 %. Шероховатость поверхности R_a отверстия не должна быть более 10^-5d.

Существует два основных способа отбора перепада давлений на диафрагмах: фланцевый и угловой. При фланцевом креплении диафрагм отверстия для отбора давления могут быть сделаны в трубопроводе или во фланцах (рис. 8.3).

Рис. 8.3. Расположение отверствий для трехрадиусного (а) и фланцевого (б) способов отбора давления.

Диафрагмы с фланцевым и трехрадиусным отбором давления применяют при следующих условиях:

d≥12,5;

50≤D≤1000;

0,2≤β≤0,75;

1260β²≤Re≤10⁸,

где β — относительный диаметр, равный d/D, Re — число Рейнольдса.

Номинальное расстояние l₁ (рис. 8.3, а) до оси отверстия для отбора давления перед диафрагмой равно D и может находиться в пределах от 0,9D до 1,1D.

Номинальное расстояние l₁ до оси отверстия для отбора давления за диафрагмой равно 0,5D. Расстояния l₁ и l₂ измеряют от входного торца диафрагмы.

Для диафрагмы с фланцевым отбором давления (рис. 8.3, б) номинальное расстояние l₁ и l₂ от отверстия для отбора давлений до входного и выходного торцов диафрагмы равно 25,4 мм и должно, не вызывая изменения коэффициента истечения, находиться в следующих пределах:

• 25,4±0,5 мм при одновременном выполнении условий β>0,6 и D<150 мм;
• 25,4±1 мм в остальных случаях, т. е. при β≤0,6 или β>0,6, но 150 мм≤D≤1000 мм.

Диаметр отверстий для отбора давления должен быть не более 0,13D и не более 13 мм. Отверстия для отбора давления перед СУ и за ним должны отличаться друг от друга не более чем на 0,1 мм, кромки их должны быть заподлицо с внутренней поверхностью ИТ и, насколько возможно, острыми. Оси отверстия для отбора давления и ИТ должны пересекаться под прямым углом в пределах ±3°.

Диафрагмы с угловым отбором давления (рис. 8.4, а, б) применяют при следующих условиях:

d≥12,5;

50≤D≤1000;

0,2≤β≤75;

5000≤Re≤10⁸ при 0,2≤β≤0,45;

10000≤Re≤10⁸ при β>0,45.

Расстояние между осями отверстий для отбора давления и соответствующими торцами диафрагмы равно половине диаметра или половине ширины самих отверстий. В месте выхода во внутреннюю полость ИТ отверстие должно касаться торца диафрагмы. Отбор давления может быть проведен как через отдельные отверстия, так и через кольцевые щели. Отдельные отверстия для отбора давления могут быть выполнены как в трубопроводе, так и в его фланцах. Местом отбора давления при наличии кольцевой щели является отверстие в корпусе кольцевой камеры.

Рис. 8.4. Диафрагма с камерным и точечным угловым отборомдавления:
1 — корпус кольцевой камеры; 2 — ось диска диафрагмы; 3 — диск диафрагмы; 4 — отверстия для отбора давления.

Значения наименьшего диаметра отдельных отверстий (или ширины кольцевых щелей) а определяются требованиями предотвращения засорения и обеспечения удовлетворительных динамических характеристик. Эти значения находят из условий: 0,005D≤а≤0,03D при β≤0,65;  0,01D≤а≤0,02D при β>0,65. Независимо от значения β значение а должно удовлетворять следующим требованиям:

• для жидкостей и газов 1 мм≤а≤10 мм;
• для паров и сжиженных газов в случае применения отдельных отверстий для отбора давления 4 мм≤а≤10 мм.

Кольцевые щели выполняют сплошными или прерывистыми по всему периметру поперечного сечения ИТ.

Внутренний диаметр b корпуса кольцевой камеры должен быть равен (или более) внутреннему диаметру ИТ и находиться в пределах: D≤b≤1,01D.

Длина корпуса с кольцевой камеры перед диском диафрагмы и длина с′ за диафрагмой должна быть не более 0,65D, толщина f стенки камеры должна быть равна или более 2а. Площадь сечения gh кольцевой камеры должна быть равна (или более) половине общей площади щели, соединяющей эту камеру с внутренней полостью ИТ.

Отверстия для отбора давления из кольцевых камер к соединительным линиям измерительных приборов выполняют в стенке корпуса камеры. В месте выхода из стенки отверстие должно иметь круглое сечение j 4–10 мм.