Ренессанс расходомеров переменного перепада давлений

Расходомеры переменного перепада давлений являются первыми средствами измерения расходов, получившими широкое промышленное применение. До настоящего времени они сохраняют лидирующие позиции в мире.

Принцип действия расходомеров переменного перепада давлений основан на фундаментальном законе сохранения энергии потока, преодолевающего гидростатическое сопротивление в трубопроводе, при условии непрерывности истечения среды для полностью заполненных трубопроводов.

Закон сохранения энергии движущейся жидкости был описан в 1738 г. академиком Петербургской академии наук Даниилом Бернулли. Династия швейцарских ученых Бернулли внесла выдающийся вклад в работу Российской академии наук и развитие математики и физики в 18 веке.

Уравнение Бернулли стало мощным оружием промышленной революции. Сегодня уравнение лежит в основе расчета многочисленных приборов – расходомеров, клапанов, насосов, эжекторов, труб Вентури и других устройств.

Популярность расходомеров дифференциального давления определяется не только историей применения средств измерения данного типа.

Сравнительная простота конструкции первичного элемента или сужающего устройства, дополненная за многие годы многочисленными эмпирическими характеристиками, позволяют ограничиться контролем геометрических параметров сужающего устройства при его изготовлении и эксплуатации. Это очень важное преимущество прибора – возможность проверки его метрологических характеристик по месту эксплуатации.

Несомненным другим достоинством расходомера переменного перепада давлений является возможность его применения при рабочих условиях, соответствующих параметрам трубопровода.

При сверхвысоких значениях давлений и температур стандартные сопла и трубы Вентури остаются незаменимыми сужающими устройствами (рис.1):

Рис.1 Стандартные сопла

Вместе с тем простота геометрических построений сужающего устройства предполагает неизменность эквивалентной известной характеристики потока. Это требование ведет к необходимости соблюдать условия выравнивания эпюры скоростей в потоке после гидравлического сопротивления.

Выполнение данного требования влечет организацию протяженных прямолинейных участков трубопроводов до и после места размещения сужающего устройства.

Длины измерительных участков достигают значений, кратных длине в 40 условных диаметров трубопровода.

Существенно увеличиваются капитальные затраты на оборудование измерительных участков, в том числе из-за необходимости применения дополнительных устройств выравнивания профиля скоростей потока, а в случае ограниченных пространств, например, в контейнерных компрессорных, насосных, приходится мириться с потерей точности измерений, либо искать другие способы и методы измерения расходов.

Эксплуатационные затраты при использовании расходомеров переменного перепада давлений также связаны с длинами измерительных участков. На длинных участках трубопроводов потери давления вырастают до значительных величин, ведущих к заметным потерям энергии на насосных и компрессорных станциях.

Снижение потерь энергии за счет снижения длины измерительного участка оказывается существенным фактором повышения энергоэффективности установок с использованием расходомеров

Инвертированная труба Вентури с встроенным конусом (рис. 2) внесла революционное изменение в качество измерения расходов расходомерами дифференциального давления.

Рис.2 V-cone

Сужающее устройство, получившее имя V-cone, открыло новые возможности популярному и широко развитому методу измерения расходов, совместив в одном устройстве выполнение одновременно трех важных функций.

Во-первых, V-cone выполняет функцию первичного преобразователя расходомера, обеспечивая преобразование скоростного напора в перепад давлений. Динамический диапазон измерения расходов вырос до 1:10, а пограничный слой на конусе придал повышенную износоустойчивость замыкающей кромке конуса.

Применение V-cone расширило область применения расходомеров на абразивные жидкости и газы, такие как сырая нефть, сточные воды, доменный и коксовый газы.

Во-вторых, V-cone выполняет функцию струевыпрямителя, практически исключив требования к прямолинейным измерительным участкам.

Расходомер стало возможным устанавливать непосредственно на устье скважин, на выходе сепараторов, компрессоров, насосов, сократились трубопроводные участки  на ограниченных пространствах контейнерных компрессорных, котельных, буровых платформ, испытательных станций и в других ограниченных условиях (рис.3):

Рис. 3 Измерительные участки с расходомером V-cone

В-третьих, V-cone выполняет функцию статического смесительного устройства, обеспечивая гомогенную среду истечения в трубопроводе после конуса.

Гомогенизация потока, исключение дополнительных трубопроводных участков при использовании V-cone ведет к значительному снижению размеров и веса измерительных станций, а также потерям давления в трубопроводе.

Компактность во многих случаях является основным фактором применения систем.

Рис.4 Системы анализа нефти или дозирования

(дополнительный миксер исключён)

В системах пробоотбора нефти или дозирования присадок применение V-cone исключает необходимость использования статических смесителей (рис.4).

В системах поточного измерения влаги в нефти (подтоварной воды) применение V-cone позволяет также исключить статический смеситель и снизить требования к влагомеру. Например, поточный влагомер Litronic WMS компании Liebherr в случае применения с другими типами расходомеров предусматривает использование многосенсорного зонда (рис.5а), погружаемого в трубопровод (рис.5б). Многосенсорный зонд обеспечивает измерение влаги в разных точках потока, отличающихся наличием влаги. Осреднение показаний сенсоров дает более достоверный повторяемый результат.  

Рис.5а Погружные зонды влагомера

Рис.5б Измерительный участок влагомера

Рис.6 Датчик влагомера нефти

Вместе с тем в системе измерения расходов в комплекте с расходомером V-cone поточный влагомер Litronic WMS может использовать только один сенсор, устанавливаемый на корпусе трубопровода с жидкостью (рис.6). Это снижает капитальные затраты на оборудование измерительного узла, упрощает обслуживание и снижает потери давления истекающей жидкости.

При измерении суммарного объемного расхода многофазной среды V-cone формирует гомогенную среда, что снижает погрешность и повышает повторяемость измерений.

При измерении расходов газа данное свойство позволяет калибровать расходомер V-cone с учетом наличия жидкой фракции в газовом потоке и учесть дополнительную долю объемного расхода в показаниях расходомера, определяемую наличием транспортируемой жидкости с газом.

Компактная безопасная конструкция многофункционального расходомера, смесителя и  струевыпрямителя V-cone открыла возможность создания трехфазных расходомерных станций, не использующих громоздкие сепараторы, а также никакие другие датчики, кроме принятых в массовых расходомерах дифференциального давления (рис.7).

Такая конструкция многофазного расходомера снимает проблемы обслуживания, делает систему измерения безопасной, компактной и мобильной.

Рис.7 Измерение расходов трехфазного потока

Следует подчеркнуть, что в отличие от стандартных сужающих устройств расходомеры V-cone калибруются на стенде, но периодическая поверка приборов может быть выполнена по месту эксплуатации, используя контроль геометрических параметров сужающих устройств.

Плата за калибровку, вызванную возможным смещением конуса при изготовлении прибора, компенсируется его многофункциональностью, робастностью, точностью и повторяемостью измерений расходов, длительностью сроков эксплуатации и совместимостью с широко распространенной технологией измерения расходов методом переменного перепада давления.

Использование инвертированной трубки Вентури, получившей имя V-cone, открывает новые возможности для инновационных решений наиболее близким к физической природе истечения жидкости методом, получившим широкое признание и имеющим массовое применение.