RU2858103C2 - Ультразвуковой расходомер газа и способ непрерывного контроля метрологических характеристик этого расходомера - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к области измерения параметров потока текучей среды. Ультразвуковой расходомер газа содержит основной ультразвуковой преобразователь расхода с основным корпусом, установленным соосно с магистральным трубопроводом и содержащим одну пару ультразвуковых преобразователей, при этом ультразвуковые волны образуют один основной канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей основного корпуса. Последовательно установленный дублирующий ультразвуковой преобразователь расхода, содержащий дублирующий корпус, имеет аналогичную конструкцию; средства для вычисления скорости потока и расхода текучей среды с использованием сформированных электрических сигналов. При этом основной корпус повернут относительно дублирующего на угол более 0 градусов вокруг общей оси основного и дублирующего ультразвукового преобразователя, при этом проекции одного основного канала измерения и одного дублирующего канала измерения на сечение, перпендикулярное общей оси основного и дублирующего ультразвукового преобразователя расхода, не совпадают. Технический результат – измерение скорости и расхода текучих сред с высокой точностью. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области измерения параметров потока текучей среды, такой как нефть, газ, вода или их комбинации, протекающей по магистральному трубопроводу, а также контроля точности измеряемых характеристик ультразвукового расходомера, установленного на магистральном трубопроводе.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Магистральным газопроводом называется трубопровод, предназначенный для транспорта газа из района добычи или производства в район его потребления или трубопровод, соединяющий отдельные газовые месторождения.

В настоящее время 100% добываемого газа перемещается с помощью магистрального трубопроводного транспорта, а в общем объеме продукции, перемещаемой по магистральным транспортным трубопроводам, доля газа составляет 55,4%. Одной из задач при транспортировке газа является измерение скорости текучих сред и непрерывного контроля точности измеряемых характеристик ультразвукового расходомера, установленного на магистральном трубопроводе. Характеристика скорости текучих сред является важнейшим фактором при обеспечении достоверности результатов измерений расхода и объема текучей среды.

Из уровня техники известны устройства для измерения скорости текучих сред и непрерывного контроля точности измеряемых характеристик ультразвукового расходомера, установленного на магистральном трубопроводе.

Известен из уровня техники RU 2780983 расходомер в составе газоизмерительной станции, содержащей измерительную линию с первым корпусным ультразвуковым преобразователем расхода большого диаметра и систему анализа физико-химических свойств газа, при этом первый корпусный ультразвуковой преобразователь расхода содержит ультразвуковые датчики, установленные на первом измерительном трубопроводе, причем измерительная линия содержит второй корпусный ультразвуковой преобразователь расхода большого диаметра с ультразвуковыми датчиками, установленными на первом измерительном трубопроводе, при этом второй корпусный ультразвуковой преобразователь расхода соединен последовательно с первым корпусным ультразвуковым преобразователем расхода, причем первый и второй корпусные ультразвуковые преобразователи расхода образуют сдвоенный ультразвуковой преобразователь расхода газа большого диаметра с основным и дублирующим каналами измерения расхода для обеспечения полноценного дублирования и бесперебойного измерения расхода газа на магистральном газопроводе. Предпочтительно ультразвуковой преобразователь расхода газа является основным каналом измерения расхода, а второй ультразвуковой преобразователь расхода газа является дублирующим каналом измерения расхода.

Первый ультразвуковой преобразователь расхода газа и второй ультразвуковой преобразователь расхода газа содержат по шестнадцать ультразвуковых датчиков, которые установлены на первом измерительном трубопроводе. Ультразвуковые датчики образуют восемь пар, которые расположены в четырех плоскостях относительно осевой плоскости первого измерительного трубопровода: по два перекрестно расположенных ультразвуковых луча в каждой плоскости. При этом каждая пара создает луч, формируемый по направлению потока и против направления потока среды.

Также из уровня техники RU 160477 известен расходомер, используемый для коммерческого учета расхода на магистральных газопроводах большого диаметра 1400 мм. Известный расходомер содержит трубчатый корпус, на измерительном участке которого попарно установлены обратимые ультразвуковые преобразователи, при этом указанный измерительный участок охвачен жестким бандажом в форме обечайки, а трубчатый корпус снабжен двумя прямыми торцевыми участками. Также в известном расходомере последовательно с указанным измерительным участком размещен второй измерительный участок, охваченный жестким бандажом в форме обечайки. Этот расходомер является наиболее близким аналогом настоящего изобретения.

В этом известном расходомере прямые торцевые участки выполнены бесфланцевыми и предназначены для соосного сварного соединения с трубой газопровода.

В этом известном расходомере имеется два последовательно размещенных измерительных участка, что позволяет дополнительно снизить общую погрешность измерения расхода за счет уменьшения ее случайной составляющей с помощью статистической обработки, например, усреднения, показаний расхода, полученных на измерительных участках. Каждый измерительный участок содержит одну или несколько пар обратимых ультразвуковых преобразователей, установленных в бобышках, приваренных к трубчатому корпусу. Каждый измерительный участок содержит восемь пар обратимых ультразвуковых преобразователей, образующих восемь хордовых измерительных каналов, расположенных по четыре канала в двух взаимно перпендикулярных измерительных плоскостях, наклоненных к оси трубчатого корпуса под углом 45°.

Известным из уровня техники решениям присущи недостатки, вызванные тем, что сдвоенные измерительные комплексы (основной и дублирующий расходомеры) не позволяют контролировать изменение эпюры потока скорости, поскольку зондирование потока основным и дублирующим расходомером осуществляется по одним и тем же хордам в проекции на перпендикулярное сечение потока. В этом случае оба расходомера имеют одинаковый отклик на изменение эпюры потока. Это не позволяет контролировать их метрологические характеристики путем сличения основного и дублирующего измерительных комплексов.

С целью преодоления вышеуказанных недостатков предложен настоящий ультразвуковой расходомер газа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В соответствии с описанием предложен ультразвуковой расходомер газа, содержащий: основной ультразвуковой преобразователь расхода, содержащий основной корпус, установленный соосно с магистральным трубопроводом, и по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей, установленных в основном корпусе и предназначенных для формирования и приема ультразвуковых волн и для генерации электрических сигналов в ответ на прием ультразвуковых волн, пересекающих основной корпус, при этом ультразвуковые волны образуют по меньшей мере один основной канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей основного корпуса; последовательно установленный дублирующий ультразвуковой преобразователь расхода, содержащий дублирующий корпус, установленный соосно с магистральным трубопроводом, содержащий по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей, установленных в дублирующем корпусе и предназначенных для формирования и приема ультразвуковых волн и для генерации электрических сигналов в ответ на прием ультразвуковых волн, пересекающих дублирующий корпус, при этом ультразвуковые волны образуют по меньшей мере один дублирующий канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей дублирующего корпуса; средства для вычисления скорости потока и расхода текучей среды с использованием сформированных электрических сигналов; и отличающийся тем, что проекции по меньшей мере одного основного канала измерения и по меньшей мере одного дублирующего канала измерения на сечение, перпендикулярное общей оси основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода, не совпадают.

Также предложен способ измерения скорости текучих сред и непрерывного контроля точности измеряемых характеристик ультразвукового расходомера.

Также предложен способ изготовления ультразвукового расходомера.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг. 1 - общий вид заявленного расходомера.

Фиг. 2 - перпендикулярное сечение ультразвукового расходомера и измерительными каналами.

Фиг. 3а-3d - эпюры скоростей потока в ультразвуковом расходомере.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 схематически представлен общий вид ультразвукового расходомера (100) газа, устанавливаемого на магистральном трубопроводе (105). Расходомер (100) состоит из основного ультразвуковой преобразователя (101) расхода, содержащего основной корпус (103). Основной корпус (103) может быть выполнен из отрезка магистрального трубопровода либо может быть выполнен любым известным способом, например, литьем или сваркой, и установлен соосно с магистральным трубопроводом (105). В основном корпусе (103) выполнены сквозные отверстия, обработка посадочных мест производится на горизонтально-расточном станке, далее к отверстиям приваривают патрубки углового ввода для установки одной или более пар ультразвуковых преобразователей (106, 106'). Ультразвуковые преобразователи, используемые в данном изобретении, относятся к резонаторному типу, прототипом которого является полуволновый генератор Тонпильца, и работают в режиме «излучение - прием», и они предназначены для формирования и приема ультразвуковых волн и для генерации электрических сигналов в ответ на прием ультразвуковых волн, пересекающих основной корпус (101), при этом ультразвуковые волны образуют по меньшей мере один основной канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей (106, 106') основного корпуса.

Аналогичную конструкцию имеет и последовательно установленный дублирующий ультразвуковой преобразователь (102) расхода, содержащий дублирующий корпус (104), установленный соосно с магистральным трубопроводом (105), содержащий по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей (107, 107^'), установленных в дублирующем корпусе (104) и предназначенных для формирования и приема ультразвуковых волн и для генерации электрических сигналов в ответ на прием ультразвуковых волн, пересекающих дублирующий корпус (104), при этом ультразвуковые волны образуют по меньшей мере один дублирующий канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей дублирующего корпуса. На каждом корпусе могут быть установлены от 2 до 16 ультразвуковых преобразователей. При этом каждый из преобразователей установлен под углом к оси потока от 45 до 60 градусов. Расстояние между основным и дублирующим корпусами не более 10 условных диаметров трубопровода.

С целью обеспечения возможности контроля изменения эпюры потока скорости в трубопроводе в настоящем изобретении предложена конструкция, предусматривающая возможность зондирования потока основным и дублирующим расходомером по отличающимся каналам измерения в проекции на сечение, перпендикулярное общей оси основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода.

На фиг. 2 представлено перпендикулярное сечение магистрального трубопровода (105) с установленными ультразвуковыми преобразователями (106), (107), средствами (108, 108') для вычисления скорости потока и расхода текучей среды и измерительными каналами (209, 209'). Как представлено на фиг. 2, основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) на 30 градусов вокруг оси потока. В качестве дополнительного варианта осуществления поворот основного корпуса (103) относительно дублирующего корпуса (104) может быть осуществлен на угол 15, 30, 45, 60 или другой угол более 0 градусов.

Такой поворот корпусов позволит обнаружить изменения эпюры потока скорости в трубопроводе. Эпюра потока скорости - это распределение скорости потока рабочей среды в трубопроводе.

Расходом является интегральная скорость потока по всему сечению трубопровода, умноженная на площадь сечения, поэтому точность определения эпюры потока напрямую влияет на точность измерения расхода. Ультразвуковой расходомер измеряет среднюю скорость потока вдоль канала измерения и затем пересчитывает на среднюю скорость по потоку, исходя именно из того как эти каналы измерения расположены.

В идеальном случае эпюра потока является осесимметричной относительно оси трубопровода. На фиг. 3а, 3b, 3с, 3d представлены эпюры скоростей потока в ультразвуковом расходомере. В частности, на фиг. 3а представлена эпюра скоростей потока осесимметричная относительно оси трубопровода, и при этом нет поворота основного корпуса (103) относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси потока и, следовательно, нет разницы между основным и дублирующим расходомером.

На фиг. 3с представлена эпюра скоростей потока осесимметричная относительно оси трубопровода, и при этом имеется поворот основного корпуса (103) относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси потока и, следовательно, в этом случае тоже нет разницы между основным и дублирующим расходомером.

Как указано выше, при осесимметричной эпюре потока относительно оси трубопровода показания обоих расходомеров вне зависимости от поворота одного корпуса относительно другого на любой угол будут совпадать по определению.

Если выше по потоку появится местное сопротивление, например загрязнение, пробоотборник, гильза термопреобразователя или отвод трубопровода меньшего диаметра, эпюра перестанет быть осесимметричной и показания обоих расходомеров, в случае отсутствия поворота будут отличаться.

На фиг. 3b представлена эпюра скоростей, неосесимметричная относительно оси трубопровода ввиду наличия зоны возмущения потока, и при этом нет поворота основного корпуса (103) относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси потока, однако в этом случае разницу в показаниях между основным и дублирующим расходомером невозможно отследить.

Однако вышеуказанное местное сопротивление можно будет выявить посредством обеспечения поворота основного корпуса (103) относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси потока на угол, отличающийся от 0 градусов, этот вариант представлен на фиг. 3d. Иными словами, проекции по меньшей мере одного основного канала измерения и по меньшей мере одного дублирующего канала измерения на сечение, перпендикулярное общей оси основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода, не совпадают. Вышеуказанное сопротивление можно выявить посредством поканального сравнения измеренных скоростей потока основного и дублирующего корпусов - показания верхних, средних и нижних измерительных каналов сравнивают с соответствующими показаниями верхних, средних и нижних измерительных каналов. Если возмущение имеет место сверху - в показаниях будет наибольшая разница в верхних каналах, если возмущение имеет место снизу - в нижних. Таким образом можно определять, где расположено возмущение: сверху или снизу.

Можно контролировать форму эпюры потока и соответственно учитывать ее возможное изменение при вычислении расхода. При этом это не создаст дополнительную погрешность измерения. Контроль осуществляется автоматически: какая ни была эпюра потока, она измеряется и рассчитывается расход. Дополнительно, если эпюра не осесимметричная - по разнице показаний можно говорить, что есть местное сопротивление выше по потоку.

Основной и дублирующий корпуса (10 3) и (104) оснащены средствами (108, 108') для вычисления скорости потока и расхода текучей среды с использованием сформированных электрических сигналов, поступающих от ультразвуковых преобразователей (106, 106', 107, 107'). Программное обеспечение каждого средства для вычисления скорости потока и расхода текучей среды обеспечивает управление режимами измерений по восьми каналам и в соответствии с заложенным алгоритмом реализует пять полных циклов измерения в секунду. Блок электроники обеспечивает приведение измеренного расхода к стандартным условиям по давлению и температуре с использованием метода расчета коэффициента сжимаемости NX19mod, GERG-91mod и AGA8 (по выбору оператора). Блок обеспечивает передачу данных в системы верхнего уровня по стандартному интерфейсу RS-485 и оснащен индикаторным устройством, на который выводится оперативная информация о результатах измерения.

С помощью раскрытого выше ультразвукового расходомера можно с высокой точностью измерить скорость и расход текучих сред. В частности, для выполнения измерений обеспечивают основной ультразвуковой преобразователь (101) расхода в сборе и последовательно установленный дублирующий ультразвуковой преобразователь (102) расхода, причем основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси потока на угол, отличающийся от 0 градусов; пропускают поток текучей среды через основной ультразвуковой преобразователь (101) расхода и дублирующий ультразвуковой преобразователь (102) расхода и получают результаты измерения скорости потока и расхода текучей среды из основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода; сравнивают результаты измерения скорости потока и расхода текучей среды из основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода; в случае несовпадения результатов измерения скорости потока и расхода текучей среды между основным ультразвуковым преобразователем (101) расхода и дублирующим ультразвуковым преобразователем (102) расхода выше заранее заданного порога выдают уведомление о наличии местного сопротивления.

В настоящем изобретении также раскрыт способ производства ультразвукового расходомера (100), в соответствии с которым обеспечивают основной корпус (103), выполненный либо из отрезка магистрального трубопровода либо заранее произведенный на заводе любым известным из уровня техники способом, например, литьем, ковкой или сваркой. Затем устанавливают поперечные стяжки на основной корпус (103), убирающие овальность трубы и обеспечивающие необходимую жесткость всей конструкции. Затем выполняют сквозные отверстия и посадочные места для установки ультразвуковых преобразователей (106, 106') в основном корпусе (103) на горизонтально-расточном станке с ЧПУ. Затем аналогичным способом выполняют дублирующий корпус (104) и соосно соединяют основной корпус (103) и дублирующий корпус (104), при этом основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси на угол, отличающийся от 0 градусов. Соединение выполняют стыковым сварочным швом, образуя единую конструкцию измерительного преобразователя расходомера. Устанавливают по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей (106, 106') в посадочные места в основном корпусе (103); устанавливают по меньшей мере одну пару ультразвуковых преобразователей (107, 107') в посадочные места в дублирующем корпусе (104) и устанавливают средства (108, 108') для вычисления скорости потока и расхода текучей среды, соединенные с ультразвуковыми преобразователями (106, 106') (107, 107').

Claims (30)

1. Ультразвуковой расходомер (100) газа, содержащий:

основной ультразвуковой преобразователь (101) расхода, содержащий основной корпус (103), установленный соосно с магистральным трубопроводом (105), и содержащий, по меньшей мере, одну пару ультразвуковых преобразователей (106, 106'), установленных в основном корпусе (103) и предназначенных для формирования и приема ультразвуковых волн и для генерации электрических сигналов в ответ на прием ультразвуковых волн, пересекающих основной корпус (103), при этом ультразвуковые волны образуют по меньшей мере один основной канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей (106, 106') основного корпуса;

последовательно установленный дублирующий ультразвуковой преобразователь (102) расхода, содержащий дублирующий корпус (104), установленный соосно с магистральным трубопроводом (105), содержащий, по меньшей мере, одну пару ультразвуковых преобразователей (107, 107'), установленных в дублирующем корпусе (104) и предназначенных для формирования и приема ультразвуковых волн и для генерации электрических сигналов в ответ на прием ультразвуковых волн, пересекающих дублирующий корпус (104), при этом ультразвуковые волны образуют по меньшей мере, один дублирующий канал измерения между парой ультразвуковых преобразователей дублирующего корпуса;

средства (108, 108') для вычисления скорости потока и расхода текучей среды с использованием сформированных электрических сигналов; и

отличающийся тем, что основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) на угол более 0 градусов вокруг общей оси основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода, и при этом

проекции, по меньшей мере, одного основного канала измерения и, по меньшей мере, одного дублирующего канала измерения на сечение, перпендикулярное общей оси основного корпуса (103) и дублирующего корпуса (104), не совпадают.

2. Ультразвуковой расходомер (100) газа по п. 1, в котором основной корпус (103) и дублирующий корпус (104) выполнены, по меньшей мере, одним из отрезка магистрального трубопровода, литьем, ковкой или сваркой.

3. Ультразвуковой расходомер (100) газа по п. 1, в котором основной корпус (103) и дублирующий корпус (104) содержат поперечные стяжки, предназначенные для устранения овальности корпусов (103, 104) и обеспечивающие заданную жесткость всей конструкции ультразвукового расходомера (100) газа.

4. Ультразвуковой расходомер (100) газа по п. 1, в котором расстояние между основным корпусом и дублирующим корпусом составляет не более 10 диаметров магистрального трубопровода (105).

5. Ультразвуковой расходомер (100) газа по п. 1, в котором каждый из основного корпуса и дублирующего корпуса содержит от 2 до 16 ультразвуковых преобразователей.

6. Ультразвуковой расходомер (100) газа по п. 1, в котором каждый из преобразователей установлен под углом от 45 до 60 градусов к общей оси основного корпуса (103) и дублирующего корпуса (104).

7. Ультразвуковой расходомер (100) газа по п. 1, в котором основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) на угол, выбранный из группы, содержащей 15, 30, 45, 60, 90 градусов вокруг общей оси основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода.

8. Способ измерения скорости потока и расхода текучей среды с помощью ультразвукового расходомера (100) по одному из пп. 1-7, в котором:

обеспечивают основной ультразвуковой преобразователь (101) расхода;

обеспечивают последовательно установленный дублирующий ультразвуковой преобразователь (102) расхода, причем основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) вокруг оси потока на угол, отличающийся от 0 градусов;

пропускают поток текучей среды через основной ультразвуковой преобразователь (101) расхода и дублирующий ультразвуковой преобразователь (102) расхода;

получают результаты измерения скорости потока и расхода текучей среды из основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода;

сравнивают результаты измерения скорости потока и расхода текучей среды из основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода;

в случае несовпадения результатов измерения скорости потока и расхода текучей среды между основным ультразвуковым преобразователем (101) расхода и дублирующим ультразвуковым преобразователем (102) расхода выше заранее заданного порога выдают уведомление о наличии местного сопротивления.

9. Способ производства ультразвукового расходомера (100) газа по одному из пп. 1-7, в котором:

обеспечивают основной корпус (103),

устанавливают поперечные стяжки на основной корпус (103);

выполняют сквозные отверстия и посадочные места для установки ультразвуковых преобразователей (106, 106') в основном корпусе (103);

обеспечивают дублирующий корпус (104);

устанавливают поперечные стяжки на дублирующий корпус (104);

выполняют сквозные отверстия и посадочные места для установки ультразвуковых преобразователей (107, 107') в дублирующем корпусе (104);

соосно соединяют основной корпус (103) и дублирующий корпус (104), при этом основной корпус (103) повернут относительно дублирующего корпуса (104) вокруг общей оси основного ультразвукового преобразователя (101) расхода и дублирующего ультразвукового преобразователя (102) расхода на угол, отличающийся от 0 градусов;

устанавливают, по меньшей мере, одну пару ультразвуковых преобразователей (106, 106') в посадочные места в основном корпусе (103);

устанавливают, по меньшей мере, одну пару ультразвуковых преобразователей (107, 107') в посадочные места в дублирующем корпусе (104);

устанавливают средства (108, 108') для вычисления скорости потока и расхода текучей среды, соединенные с ультразвуковыми преобразователями (106, 106') (107, 107').