научная статья по теме ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА ФАКЕЛЬНОГО ГАЗА Геофизика

Текст научной статьи на тему «ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА ФАКЕЛЬНОГО ГАЗА»

ИЗМЕРЕНИЕ ПОТОКА ФАКЕЛЬНОГО ГАЗА

Возможно^ самые сложные измерения потока газа в нефтегазовой промышленное™

METERING OF THE TORCH GAS STREAM

A. JOHANNESSEN. H. AADLAND, Fluenta Highly effective ultrasonic flowmeters of torch gas are developed and produced by company FLUENTA AS.

Keywords: Fluenta. torch gas, ultrasonic flowmeter

Факельные системы на морских эксплуатационных платформах, НПЗ (нефтеперерабатывающих заводах) и химических заводах устанавливаются, главным образом, в целях обеспечения безопасности. Факельные системы приводятся в действие, в основном, при непредвиденной остановке производства или в случае необходимости быстрого отвода большого объема газа.

Помимо очевидного назначения факельной системы - обеспечения безопасности в государственном законодательстве все большего числа стран выдвигается требование контроля над выбросами в атмосферу, а в некоторых странах владельцы предприятий облагаются налогом на выбросы С02 в атмосферу на их предприятиях. После проведения Киотской конференции по изменению климата в декабре 1997 г. возросло внимание к проблеме глобального потепления, контроль над выбросами С02 в атмосферу вошел в сферу международной ответственности.

ИСТОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПОТОКА ФАКЕЛЬНОГО ГАЗА

Огромной проблемой при измерении потока факельного газа является сама сущность данного процесса, в ходе которого возможны очень быстрые изменения скорости потока, состава, влажности, температуры и давления газа.

По прошествии ряда лет, когда объем сжигаемого на факеле газа оценивали примерно, для измерения потока факельного газа традиционно стали использовать стандартные расходомерные системы. Применяли типы расходомеров:

• вставные турбины,

• термокондуктометрические массовые расходомеры,

• трубки Пито (расходомеры на принципе замера перепада давления).

Другие типы расходомерных устройств, такие как расходомеры объемного типа, вихревые расходомеры, проволочные термоанемометры, массовые расходомеры Кориолиса и звуковые сопла работают в слишком ограниченном диапазоне значений потока, чтобы их можно было рассматривать для измерения расхода потока факельного газа. Кроме того, применение некоторых из этих

принципов измерения расхода приводит к нежелательному перепаду давления в трубе. Накопленный за этот период опыт показал, что ни один из стандартных расходомеров не предназначен для работы при параметрах потока, существующих в факельной линии.

Технология измерения расхода, которая получает все большее распространение для измерений потока, связана с применением ультразвуковых приборов, основанных на принципе измерения времени прохождения. В начале 1980 гг. разными фирмами были разработаны ультразвуковые расходомеры газа, предназначенные специально для работы в условиях факельных систем.

УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ РАСХОДОМЕРЫ

Метод ультразвуковых измерений сейчас является единственной хорошо зарекомендовавшей себя технологией эффективного измерения потока факельного газа. Неинтрузивный ультразвуковой расходомер факельного газа предназначен для разрешения проблем трудности измерений в трубопроводах фа-

А. ИОХАННЕССЕН,

технический директор

компания «Флуэнта»

X, ОДЛАНД,

директор отдела продаж

компании «Флуэнта»

sales@fluenta.com

Компанией Яивл£а 45

разработаны и

производятся

высокоэффективные

ультразвуковые

расходомеры

факельного газа.

И инструмент и оборудование

кельного газа - с низким давлением, широким интервалом скоростей и большими диаметрами труб.

Времяпролетный метод замера потока хорошо известен физикам, работающим над проблемами измерения потоков. Впервые он был использован немецким инженером Рюттеном (Rotten) при измерении потоков воды и пара в больших каналах, которые встречаются в практике эксплуатации электростанций [1].

Работа ультразвукового времяпролетного расходомера газа основана на измерении распространяющихся в противоположных направлениях ультразвуковых импульсов, для которых время пролета акустического сигнала измеряется вдоль одной или более диагональных траекторий в направлениях вверх и вниз по течению. Поток газа служит причиной того, что время прохождения импульса в направлении вниз по течению короче, чем для направления вверх по течению, и эта разность времен является мерой расхода газа (рис. 1).

С помощью формул (1.1) - (1.3) можно рассчитать расход газа. По уравнению (1.1) рассчитывают осевую скорость потока вдоль акустической струны, а (1.2) дает среднюю скорость потока вдоль оси трубы. Объемный расход при нормальных условиях рассчитывается на основании уравнения (1,3), для чего необходимо знать давление и температуру в линии на входе:

V = -

2 cos Ii2

V = К-V

Qv=A

? p-vz»

PDTZ

3600

(1.1)

(1.2)

(1.3)

Как видно из этих уравнений, скорость потока, измеряемая вдоль ультразвуковой струны, не зависит ни от давления и температуры, ни от какого-либо иного параметра процесса. Это очень важно, когда речь идет об ультразвуковом расходомере, поскольку это означает, что нет необходимости в подстройке прибора при изменениях, например, состава газа. Соответственно, измерения потока, выполненные с помощью ультразвукового расходомера, будут достоверными, независимо от условий процесса, в пределах потока: диапазон давления и температуры задан для рассматриваемого расходомера.

Ультразвуковой расходомер с одной траекторией измеряет осевую скорость потока вдоль одной-единственной струны. В зависимости от скорости потока профиль потока протекающего газа будет более или менее полностью развитым турбулентным профилем. Чтобы компенсировать профиль потока с целью получения средней осевой скорости потока, необходимо ввести поправку некоего порядка измеренной скорости потока. Один из способов применения этой поправки - использование числа Рейнольдса как меры про-

М IlTtpH mibHMH

II pL'röpiL юна I L'Jl h 1

jGL

t" ПОТПКЯ

11 im ?рнтелып.1н ri]]4!«fi|>J LCI В it гел!,

Рис. 1. Основной принцип измерения времени пролета

филя потока и корректировка измеренной осевой скорости потока в соответствии с функцией, определяемой расчетным числом Рейнольдса.

УДОВЛЕТВОРЕНИЕ ТРЕБОВАНИЙ ВЛАДЕЛЬЦЕВ

Как говорилось ранее, в целях выполнения нормативных требований были изменены требования владельцев предприятий относительно систем измерений расхода факельного газа. Это произошло не только вследствие необходимости выполнения государственного законодательства, но еще и потому, что все большее внимание уделяется экологическим и экономическим аспектам сжигания газа в факелах. Кроме того, другие области применения ультразвуковых расходомеров газа, такие как определение баланса массы и обнаружение утечек, внесли дополнительные требования к измерению расхода, помимо требований к прямому измерению расхода факельного газа. Следствием этого стало также открытие нового рынка - НПЗ и береговых технологических комплексов (ВТК).

Существуют, однако, требования владельцев, общие для всех областей применения. Очевидными элементами являются высокий коэффициент рабочего регулирования, надежность и стабильность измерений, легкость монтажа и низкие расходы на техобслуживание. Добавьте низкую отпускную цену (но не за счет качества измерения расхода газа), низкую погрешность измерений при всех скоростях и условиях потока - и вы приближаетесь к совершенному расходомеру.

Владельцы просят предоставить им расходомеры факельного газа, которые могут измерять как низкие (обычно < 0,2 м/с), так и высокие (обычно > 80 м/с) скорости факельного газа лишь одним расходомерным прибором. Расхо-домерные приборы для измерений потока газа с диапазоном измерений до 100 м/с и даже выше все более востребованы, что накладывает очень высокие требования на применяемую технологию измерения расхода.

В перспективе будут устанавливаться более высокие скорости потока для расходомеров факельного газа. Ураган определяется скоростью ветра примерно в 30 - 32 м/с. Таким образом, требуемый диапазон измерений более чем в три раза превосходит скорость ветра при урагане. Кто когда-либо сталкивался с ураганом, знает, что и эффект захвата голосов на ветру, и общий уровень шума очень значительны. Если иметь это в виду, очевидно, что как распространение ультразвукового сигнала вдоль измерительной струны, так и система обработки сигнала должны быть очень надежными, чтобы при таких условиях извлекать времяпролетную информацию. При этом расходомер должен выполнять точные измерения и при самых низких скоростях потока. Как в норвежских налоговых правилах в отношении СО„ [2], так и в стандарте NORSOK [3] устанавливаются пределы погрешности измерений ± 5% от измеренного значения для расходомеров факельного газа. Это относится ко всему диапазону измерений в целом. Погрешность измерений расходомера для областей применения, связанных с факельным газом, должна быть проверена с помощью анализа погрешностей в пределах 95% доверительного уровня.

Для удовлетворения этих требований в приборе Fluenta FGM 160 (рис. 2) используются широкополосные ультразвуковые измерительные преобразователи и возбуждение ЛЧМ-импульсов (Chirp)1 для получения соотношения «сиг-нал-шум», необходимого при более высоких скоростях потока. С помощью этого метода при проведении аэродинамических испытаний FGM 160 продемонстрировал измерения потока до 120 м/с [4].

Новая технология, более мощный цифровой сигнал - и микропроцессоры увеличили объем данных от измерений, полученных с ультразвукового расходомера газа. Поскольку программное обеспечение (ПО) может обеспечить обработку сигналов все в большем объеме, можно получать и анализировать как исходные, так и обработанные данные. При получении этой информации в цифровой форме, например по

' Выражение «Chlrp» («чириканье») впервые было использовано как мнемоническое название формы линейного частотно-модулированного сигнала в 1951 г. Б.М, Оливером (В.М. Oliver) в Bell Laboratories. Форма сигнала в диапазоне звуковых частот может восприниматься как птичье чириканье

инструмент и оборудование

Ж

последовательному каналу связи, не происходит потери информации из-за нелинейности, битового разрешения и разбаланса и отклонения коэффициента ус

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»