Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Измерение расхода жидкости и газа

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

По выполнению контрольной работы

 по курсу «Автоматизированные системы обслуживания

Объектов нефти и газа»

 

 

г. Октябрьский, 2015

Общие указания

Студенты выполняют одну контрольную домашнюю работу, состоящую из двух частей: теоретической и практической.

При изложении материала и проведении необходимых расчетов нужно обосновывать правильность выбора исходных данных и методик, давать ссылки на используемые при этом литературные источники.

Контрольная работа выполняется в соответствии с общими требованиями, предъявляемыми к оформлению курсовых заданий.

Контрольная работа выполняется машинописным или рукописным способом на одной стороне листа белой бумаги формата А4. Шрифт – TimesNewRoman, кегль – 14; межстрочный интервал – 1,5. Выравнивание текста по ширине страницы, используя перенос слов. Размер полей, не менее: правое – 10 мм, верхнее – 15 мм, нижнее – 20 мм, левое – 30 мм.

Контрольные работы, выполненные небрежно, с нарушением предъявляемых требований и не соответствующие заданному варианту, не зачитываются.

 

Структурные элементы контрольной работы:

- титульный лист;

- содержание;

- введение;

- основная часть (теоретическая и практическая);

- заключение;

- список использованных источников.

Основная часть:

Теоретическая часть.

 

Вариант задания выбирается по последней цифре зачетной книжки.

 

Объем ответа на каждый вопрос 3-5 стр.

 

Вариант 1 1. Объекты автоматизации в нефтегазовой отрасли. 2. Автоматизированные блочные установки подготовки нефти. 3. Технологический контроль в бурении скважин.  
Вариант 2 1. Выбор архитектуры и профиля автоматизированной системы. 2. Автоматическое измерение массы и качества товарной нефти. 3. Классификация буровой контрольно-измерительной аппаратуры, условия эксплуатации и требования к ней.  
Вариант 3 1. Разработка функциональной схемы автоматизации. 2. Автоматизация нефтеперекачивающих насосных станций. 3. Буровые автоматические системы.
Вариант 4 1. Автоматизация процесса бурения. 2. Автоматизированные групповые измерительные установки. 3. Функциональная схема автоматизации низкотемпературного сепаратора.  
Вариант 5 1. Аппаратура для контроля параметров процесса бурения. 2. Основные элементы системы телемеханики. 3. Общие сведения о SCADA-системах.  
Вариант 6 1. Автоматизация эксплуатационных скважин. 2. Автоматизированные сепарационные установки. 3. Основные подсистемы SCADA-пакетов.  
Вариант 7 1. Функциональные схемы автоматизации скважин. 2. Автоматизация объектов установки низкотемпературной сепарации. 3. Телемеханизация технологических процессов добычи нефти и газа.  
Вариант 8 1. Автоматизация газовых скважин. 2. Автоматизированные блочные дожимные насосные станции. 3. DCS-системы.  
Вариант 9 1. Автоматизация процессов сбора и подготовки нефти. 2. Функциональная схема автоматизации первой ступени сепарации. 3. Фрикционные буровые автоматические регуляторы подачи инструмента.  
Вариант 0 1. 1. Объекты автоматизации. 2. 2. Автоматизация объектов абсорбционной осушки газа. 3. 3. Автоматические регуляторы подачи инструмента в бурении скважин на нефть и газ.

      

       2) Практическая часть.

Вариант задачи выбирается по предпоследней цифре зачетной книжки.

 

Решение:

Измерение температуры

1 Термометры расширения действуют на основании способности жидкости изменять свой объем, а твердых тел – размер при изменении температуры.

Жидкостный термометр расширения состоит из резервуара, заполненного жидкостью (ртуть, спирт), капиллярной трубки и шкалы. Объем жидкости в зависимости от температуры определяется по формуле

 

                           V = V0 [ 1+ αV (Т– Т0)]                                                   (1)                                                                                                                                                                                                                                                                                       

 

где V и V0 – объемы жидкости при температурах Т и Т0, м3;

    αV - коэффициент объемного расширения, 1/K.

Дилатометрический термометр расширения действует на основании использования теплового линейного расширения твердых тел (стержней, пластинок, спиралей). Линейные размеры стержня в зависимости от температуры определяются по формуле

 

                                    l = l 0 [1 +α l (Т – Т0)]                                                       (2)

 

где l и l 0 – линейные размеры при температуре t и t0, м;

  α l - коэффициент линейного расширения, 1/К.

Перемещение стержня с большим коэффициентом линейного расширения передается через рычажную передачу указательной стрелке. Относительное перемещение стрелки l, вызванное изменением температуры, находят по формуле

 

                             l = k l 0    αe Т,                                                             (3)

 

где k – отношение плеч рычага;

   l 0 – начальная длина стержня, м;

   Т - изменение температуры, К.

 

2 Манометрический термометр состоит из чувствительного элемента – термобаллона, погруженного в измерительную среду, капиллярной трубки и трубчато-пружинного манометра. Все элементы соединены герметично, вследствие чего внутренняя полость термометра представляет собой замкнутое пространство, заполненное газом или жидкостью. При нагревании термобаллона в системе создается давление, которое вызывает перемещение механизма указателя.

В газовых термометрах термобаллон заполнен азотом, аргоном или гелием, и зависимость давления от температуры определяется по формуле:

 

                     Р = Р0 [ 1+ αV (Т – Т0)]                                                          (4)

 

где Р, Р0 – давление газа при температурах Т и Т0, Па;

      α V - коэффициент объемного расширения газа, 1/К.

 

3 Термоэлектрический преобразователь (термопара) работает на основании возникновения термо-ЭДС в цепи, состоящей из двух разнородных проводников при наличии разности температур t и t0 соединений их концов.

Одно из соединений термопары (холодный спай) находится в среде с постоянной температурой, а другое (горячий спай) – в измерительной среде. Зависимость Е = f (t,t0), близка к линейной и определяется материалами проводников термоэлектрической цепи. Для расчетов используются градуировочные таблицы значений Е= f (t,t0) при t0=0оС, которые приведены в приложении А.

Обычно измерения проводят в окружающей среде, температура которой отличается от 0оС, поэтому необходимо вводить поправку на температуру холодных спаев. Её можно рассчитать по формуле:

 

                       tист = tи + k(tх – t0)],                                                              (5)

 

где tист и tи – истинное и измеренное значение температуры, оС;

    tх и t0 - температура холодных спаев при измерении и градуировке

                  (t0 = 0оС);

   k - поправочный коэффициент, значение которого приведено в приложении А.

Термопара работает в комплекте со вторичными приборами: милливольтметром и потенциометром.

Напряжение на выводах милливольтметра связано с термо-ЭДС соотношением             

                                                       Et

                                U =                                                                               (6)

                                               1 + Rвн / RV

 

где Rвн – сопротивление измерительной цепи (термопары, соединительных проводов, контактов и т.д.), Ом;

    RV  - внутреннее сопротивление вольтметра, Ом.

 

4 Термопреобразователи сопротивления служат для преобразования температуры в параметр электрической цепи (сопротивление). Они бывают металлические проволочные и полупроводниковые.

Металлические проволочные термосопротивления характеризуются следующими зависимостями сопротивления от температуры: платиновые (ТСП) в диапазоне от 0о до 650оС

 

                                 Rt = Ro (1+ α 1 t + α2 t2),                                               (7)

 


где  α 1 = 3,97 10-3 1/C   температурные коэффициенты

       α 2  = -5,85 10-7 1/C2   сопротивления

медные (ТСМ) в диапазоне от -50оС до 180оС

 

                             Rt = Ro (1+ α t t)                                                          (8)

 

где α t = 4,26 10-3 1/Cо.

Сопротивление Ro градуируют при 0оС. В Приложении Б показаны основные данные термосопротивлений.

Термосопротивления работают в комплекте со вторичными приборами: логометрами и измерительными мостами.

Схема уравновешенного моста приведена на рисунке 1. В одно из плеч моста включено термосопротивление. Питание от источника напряжения GB подключено к одной из диагоналей моста, в другую включен измерительный прибор. Если мост уравновешен, то ток в измерительной диагонали равен нулю. Условие равновесия моста определяется по формуле

 

    R2Rt = R1R3                                             (9)

 

 

 


Рисунок 1 – Схема уравновешенного моста

 

Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления Rt с помощью переменного резистора R3 добиваются равновесия моста. Указатель шкалы связан с подвижным контактом переменного резистора R3 (шкала отградуирована в оС).

 

Измерение давления

1 Жидкостные манометры.

В жидкостных манометрах используется принцип сообщающихся сосудов. Действие их основано на уравновешивании измеряемого давления силой тяжести столба жидкости.

Для U-образного двухтрубного манометра давление определяется по разности уровней жидкости в трубах, в которые подаются атмосферное и абсолютное давления (или разность давлений)

 

                                        Ризб = rgh                                                             (10)

 

                                     P = P1 – P2 = rqh,                                                (11)

 

где   r - плотность заполняющей трубки жидкости, кг/м3

        q - ускорение силы тяжести, м/с2.

 

 


Рисунок 2 – Жидкостный манометр

 

2 Деформационные манометры действуют по принципу преобразования давления в перемещение упругого элемента. В зависимости от типа применяемых элементов различают мембранные, сильфонные, трубчато-пружинные манометры.

 

 

 

 


 

1 – мембрана; 2 - рычаг; 3 – стрелка; 4 – шкала

 

Рисунок 3 – Деформационный манометр (мембранный)

 

Максимальное перемещение центра мембраны dmax, мм под действием давления (рисунок 3) определяется по формуле:

 

                                                      PD4

                       dmax =   0,17                                                                    (12)

                                                     16 EG h3

 

 

где ЕG – модуль упругости, Па;

      D - диаметр мембраны, мм;

      h - толщина мембраны, мм;

        Р – давление, Па.

       Максимальное допустимое механическое напряжение на мембране smax,Па определяется по формуле

 

                                                                         PD2

                                                         smax= 0,75                                           (13)                                                      

                                                                                  4h2

 

3 Электрические преобразователи давления действуют по принципу преобразования давления в электрический сигнал. К таким преобразователям относятся пьезоэлектрические, тензометрические, емкостные.

В пьезоэлектрических преобразователях используется явление возникновения напряжения на гранях кристаллов при воздействии на них механического усилия или давления. Напряжение U, В на гранях пьезокристаллов определяется по формуле

 

                                                                     1012 К Р S

                                                             U =                                                          (14)

                                                                     Cвх/ n + Co

                            

где К- пьезоэлектрическая постоянная, Кл/н

    (для кварца К = 2,2 10-12 Кл/н);

    S – площадь поверхности кристалла, м2

    Свх – емкость измерительной цепи, пФ;

    Со – емкость кристалла, пФ;

    n - число пластинок кристалла;

     Р - давление, Па.

Емкость Со, пФ пьезокристалла определяется по формуле:

            

                                                                        8,9 e S

                                               С0 =                                                         (15)

                                                                   h

 

где e - относительная диэлектрическая проницаемость для кварца e= 4,5);

h - толщина кристалла, м;

S - площадь пластины, м2.

В тензометрических преобразователях давления используется явление изменения сопротивления металлических проволочных и полупроводниковых резисторов при их деформации.

Обычно тензометрические датчики наклеивают на упругие элементы (например, мембраны) преобразователей давления и включают в мостовые измерительные схемы.

Относительное изменение сопротивления R линейно зависит от изменения длины l и определяется по формуле

       

                                      R       Кq l     Кq F

                                                =           =                                      (16)                            

                                          R       l             S EG

 

где Кq - коэффициент тензочувствительности (0,5 – 2,5);

F - сила, приложенная к площади упругого элемента, кН;

ЕG – модуль упругости, ГПа;

S – площадь упругого элемента, мм2.

В емкостных преобразователях давления использовано явление изменения емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между его обкладками под действием давления.

Емкость плоского конденсатора С, Ф определяется по формуле

 

                                                        С =                                                   (17)

 

где eа – абсолютная диэлектрическая постоянная, Ф/м;

       S – площадь пластины, м2;

d – расстояние между пластинами, м.

 

Измерение расхода жидкости и газа

Расход вещества – это масса или объем вещества проходящего через известное сечение в единицу времени (м3/с, кг/с).

 

1 Измерение расхода методом переменного перепада давления

   Расходоизмерительная система состоит из сужающего устройства (диафрагма, сопло), устанавливаемого в трубопроводе, импульсных трубок и дифманометров.

Действие расходомеров этого типа основано на измерении перепада давления потока на сужающем устройстве. Объемный расход газов и жидкостей QV, м3/с через сужающее устройство определяется по формуле:

 

                                                                                                     

                                  QV = αQ*eC*mQ2                                                (18)

 

где αQ - коэффициент расхода (приложение В);

     eC - коэффициент сжимаемости (для жидкости eC = 1);

     rV - плотность жидкости или газа, кг/м3;

    Р - перепад давления, Па;

     mQ - d/D – характеристический коэффициент (0,05  mQ  0,6);

    d - диаметр сужающего устройства, м;

    D - диаметр трубопровода, м.

При измерении расхода с помощью сужающих устройств требуются нормированные условия среды (температура и атмосферное давление).

 

2 Турбинные расходомеры

В турбинных расходомерах основным элементом служит турбинка (крыльчатка), вращающаяся в потоке жидкости. Вращение передается через специальный механизм к счетному устройству. Частота вращения турбинки w, рад/с определяется по формуле

 

                                                    K Vср         K QV

                                           w =                =                                                   (19)

                                               l             S * l

 

где К – постоянный коэффициент для данного типа счетчика;

  l  - шаг лопастей турбинки, м;

S - площадь поперечного сечения трубы, м2;

QV – объемный расход, м3/с;

Vср – средняя скорость потока, м/с.

 

3 Объемные расходомеры

В объемных расходомерах вращаются два подвижных элемента (шестерни), отмеривающие при своем движении определенные объемы жидкости (измерительный объем). Объемный расход определяется по формуле:

 

                                                            q n

                                             QV =                                                                                   (20)

                                                 t1 – t2

 

где q - измерительный объем, м3;

    n – количество измеренных объемов;

     (t1 – t2) – промежуток времени, с.

Контроль и учет расхода жидкости проводится по результатам подсчета числа оборотов шестерен.

 

 

4 Индукционные (электромагнитные) расходомеры

Индукционные расходомеры служат для непосредственного преобразования расхода в электрический сигнал. Они предназначены для измерения расхода проводящих жидкостей. Действие индукционных расходомеров основано на возникновении ЭДС в трубопроводе между полюсами электромагнита, которая снимается с помощью электродов.

       ЭДС определяется по формуле

 

                                                                                B*D*Q

                                              E = B* D* Vср =                                                        (21)

                                                                            S

 

где В - магнитная индукция между полюсами электромагнита, Тл;

   D - внешний диаметр трубы, равный расстоянию между электродами, м;

S - площадь поперечного сечения трубы, м2.

Для тонкостенных трубопроводов ЭДС определяется по формуле:

 

                                               4 В Q

                                    Е =                                                                       (22)

                                                     D

 

Измерение уровня

 

1 Поплавковые уровнемеры действуют по принципу перемещения поплавка на поверхности жидкости. Это перемещение затем с помощью механической или электрической передачи поступает на прибор. Уравнение равновесия систем имеет вид:

 

                                  rV V + mпр = mп  mтр,                                            (23)

 

где V - объем вытесняемой поплавком жидкости, м3;

         rV  - плотность жидкости, кг/м3;

    mпр, mп, mтр, - соответственно масса противовеса, поплавка, неуравновешенной части троса.

 

2 Пьезометрические (гидростатические) уровнемеры основаны на принципе продувания воздуха через пневматическую трубку, опущенную в резервуар и измерения гидростатического давления Р, Па по формуле

 

                                              Р =rqh,                                                          (24)

 

где r - плотность жидкости, кг/м3;

     q - ускорение силы тяжести, м/с2;

     h - высота столба жидкости, м.

3 Принцип работы уровнемеров–дифманометров основан на измерении разности давлений жидкости в резервуаре и уравнительном сосуде. Дифманометры-уровнемеры следует градуировать при определенной плотности жидкости.

       Разность давления в уровнемерах-дифманометрах равна гидростатическому давлению столба жидкости и определяется по формуле

 

                                 Р =rqh                                                              (25)

 

4 Электрические преобразователи уровня (емкостные) основаны на использовании емкостного метода, т.е. зависимости конденсаторного устройства от уровня заполняющей его жидкости. Устройство емкостного уровнемера представляет собой параллельно соединенные цилиндрические конденсаторы С1 (образован частью электродов и жидкостью, уровень которой изменяется) и С0 (образован частью электродов и воздухом). Емкость уровнемера определяется по формуле:

 

                                                                                               2

                         С = С1 + С0 = [ l eа2 + (l 0l) eа1]                                  (26)

                                                                                 ln (D1/D2)

 

где l 0 и l  - полная длина цилиндра (резервуара) и длина его, заполненная жидкостью, м;

   eа1 и eа2 - абсолютные диэлектрические проницаемость воздуха и жидкости,         Ф/м;

   D1 и D2 - диаметры внешнего цилиндра (резервуара) и внутреннего

    цилиндра (электрода), м.

 

 


                                                                                              Сх

 

 

                

 

 

 

 

Рисунок 4 – Емкостной уровнемер

 

5 Волновые уровнемеры действуют по принципу отражения звуковых или электромагнитных волн от поверхности измеряемой жидкости. Обычно в волновых уровнемерах измеряется время запаздывания отраженного сигнала относительно излучаемого по формуле

 

                                                              2h

                                                     t =                                                                       (27)

                                                              V

 

где h – расстояние от излучателя до поверхности, м;

     V – скорость распространения волны в среде над измеряемой

            поверхностью, м/с;

Скорость распространения электромагнитной волны V, м/с зависит от свойств среды и определяется по формуле-

                              

                                 V =                                                                      (28)

 

где ea, ma  - абсолютная диэлектрическая (Ф/м) и магнитная (Гн/м) проницаемость среды.

Например, скорость распространения электромагнитных волн в воздухе составляет 299 106 м/с.

Скорость звуковой волны V, м/с в воздухе определяется по формуле

 

                                          V =  = ecKRT,                                       (29)

                    

где ec - коэффициент сжимаемости газов, м2/Н;

    KR - универсальная газовая постоянная, равная 8134 Дж(кг К);

     Р, Т - давление, Па и температура среды, К;

       r - плотность среды, кг/м3.

 

 

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...