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+ α_V (Т– Т₀)]                                                   (1)                                                                                                                                                                                                                                                                                       

 

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

    α_V - 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    α_e 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+ α_V (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=0^оС, которые приведены в приложении А.

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

 

                       t_ист = t_и + k(t_х – t₀)],                                                              (5)

 

где t_ист и t_и – истинное и измеренное значение температуры, ^оС;

    t_х и t₀ - температура холодных спаев при измерении и градуировке

                  (t₀ = 0^оС);

   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             

                                                       E_t

                                U =                                                                               (6)

                                               1 + R_вн / R_V

 

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

    R_V  - 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 0^о до 650^оС

 

                                 R_t = R_o (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 -50^оС до 180^оС

 

                             R_t = R_o (1+ α _t t)                                                          (8)

 

где α _t = 4,26 10^-3 1/C^о.

Сопротивление R_o градуируют при 0^оС. 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

 

    R₂R_t = R₁R₃                                             (9)

 

 

Рисунок 1 – Схема уравновешенного моста

 

Принцип измерения температуры состоит в том, что при изменении сопротивления R_t 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)

 

                                        Р_изб = 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 d_max, мм под действием давления (рисунок 3) определяется по формуле:

 

                                                      PD⁴

                       d_max =   0,17                                                                    (12)

                                                     16 E_G h³

 

 

где Е_G – модуль упругости, Па;

      D - диаметр мембраны, мм;

      h - толщина мембраны, мм;

        Р – давление, Па.

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

 

                                                                         PD²

                                                         s_max= 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)

                                                                     C_вх/ n + C_o

                            

где К- пьезоэлектрическая постоянная, Кл/н

    (для кварца К = 2,2 10^-12 Кл/н);

    S – площадь поверхности кристалла, м²

    С_вх – емкость измерительной цепи, пФ;

    С_о – емкость кристалла, пФ;

    n - число пластинок кристалла;

     Р - давление, Па.

Емкость С_о, 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       К_q l     К_q F

                                                =           =                                      (16)                            

                                          R       l             S E_G

 

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

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

Е_G – 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 e_а – 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 Q_V, м³/с через сужающее устройство определяется по формуле:

 

                                                                                                     

                                  Q_V = α_Q*e_C*m_Q²                                                (18)

 

где α_Q - коэффициент расхода (приложение В);

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

     r_V - плотность жидкости или газа, кг/м³;

    Р - перепад давления, Па;

     m_Q - d/D – характеристический коэффициент (0,05  m_Q  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 V_ср         K Q_V

                                           w =                =                                                   (19)

                                               l             S * l

 

где К – постоянный коэффициент для данного типа счетчика;

  l  - шаг лопастей турбинки, м;

S - площадь поперечного сечения трубы, м²;

Q_V – объемный расход, м³/с;

V_ср – 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

                                             Q_V =                                                                                   (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* V_ср =                                                        (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:

 

                                  r_V V + m_пр = m_п  m_тр,                                            (23)

 

где V - объем вытесняемой поплавком жидкости, м³;

         r_V  - плотность жидкости, кг/м³;

    m_пр, m_п, m_тр, - 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 e_а2 + (l ₀ – l) e_а1]                                  (26)

                                                                                 ln (D₁/D₂)

 

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

   e_а1 и e_а2 - абсолютные диэлектрические проницаемость воздуха и жидкости,         Ф/м;

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

    цилиндра (электрода), м.

 

                                                                                              С_х

 

 

                

 

 

 

 

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 e_a, m_a  - 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 =  = e_cK_RT,                                       (29)

                    

где e_c - коэффициент сжимаемости газов, м²/Н;

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

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

       r - плотность среды, кг/м³.

 

 

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: