Оптико-физические измерения
8. Jinping Ou. // Proc. SPIE. — 2004. — V. 5851. — P. 147.
9. Shizhu Tian е. а. // Proc. SPIE. — 2004. — V. 5851. — P. 182.
10. Kulchin Yu. N., Vitrik O. B., Dyshlyuk A. V. // Pacific Science Review. — 2002. — V. 4. — P. 85.
11. Борн М., Вольф Э. Основы оптики / Пер. с англ. — М.: Наука, 1973.
12. Снайдер Д., Лав Дж. Теория оптических волноводов. — М.: Радио и связь, 1987.
Дата одобрения 13.10.2005 г.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
681.121.8
Режимы течения потока среды в стандартных
сужающих устройствах
А. В. ФЕДОРОВ, М. С. САННИКОВ
На основе анализа свойств реального потока природного газа и результатов исследования пульсаций его параметров в условиях эксплуатации предложены классификация режимов течения среды в стандартных сужающих устройствах и способы учета динамической составляющей неопределенности измерения расхода и количества потока, обусловленной влиянием его нестационарности.
Ключевые слова: режим течения, сужающее устройство, классификация, нестационарный поток, неопределенность измерения.
On the basis of the analysis of the real flow of natural gas and the results of the research of its pulsations parameters in the conditions of exploitation, the classification of flow regimes in standard orifice devices and the ways of control of the dynamic component of the uncertainty of flow rate measurement and quantity caused by the unsteady flow influence is offered.
Key words: flow regime, orifice device, classification, unsteady flow, uncertainty of measurement.
A
Разработка нового стандарта [1] взамен [2] осуществлялась с учетом положений международного стандарта [3] и технического отчета [4]. Одним из требований [3, 4] к условиям течения потока среды является ограничение пульсаций параметров потока, выражаемое в виде
^ 0,05
ApS < 0,10; pS < 0,025,
(1)
(2) (3)
где Др5, р5, — относительная среднеквадратическая амплитуда мгновенных значений перепада давления Др(т) на сужающем устройстве (СУ), плотности р(т) и массового расхода цт(т) среды за характерный интервал времени измерения, причем (2), (3) в большей степени относятся к несжимаемой и малосжимаемой среде. При соблюдении (1)—(3), согласно [2], значение составляющей расширенной динамической неопределенности измерения расхода среды ио, вызванной нестационарностью потока, не будет превышать ±0,10 %.
Однако практика эксплуатации измерительных станций (ИС), в частности природного газа, во многих случаях показывает наличие разных видов нестационарного течения [4—6], при которых требования (1)—(3) могут не выполняться. В этих случаях измерения расхода и количества среды, очевидно, переходят из категории статических в категорию динамических, что вызывает необходимость учета влияния динамических свойств нестационарного потока и средств измерений пунктов измерения расхода, входящих в ИС. В связи с растущими темпами добычи и потребления, а также стремительного роста цен сред, используемых в топливно-энергетическом комплексе, ужесточения требований к неопределенности измерения количества, учет влияния нестационарности потока становится необходимым [1].
Представив динамическую составляющую неопределенности измерения массового расхода идт в виде соотноше-
uD = ± [(UD осн)2 + (UD дОП)2]0,5,
где ио осн, ио доп — основная и дополнительная составляющие неопределенности и0, примем следующие способы учета влияния нестационарности потока на измерение расхода и количества.
или
ния
Первый способ предполагает, что влияние нестационарности пренебрежимо мало, в связи с чем значением ио пренебрегают. Этот случай, в основном, относится к «опорным» режимам течений, воспроизводимых в динамических расхо-домерных установках, применяемых для определения влияния различных динамических факторов на измерение расхода, например, влияния частоты и амплитуды пульсаций расхода на среднее значение коэффициента истечения СУ или опробования моделей ио . В реальных (рабочих) условиях измерений такие течения могут наблюдаться только в отдельных случаях. Данному способу соответствует условие и0 < ±0,03 %.
Второй способ предполагает, что влияние нестационарности учитывают путем введения ио в неопределенность измерения расхода и количества среды и^т . Этому способу соответствует условие ±0,03 < и0 < ±0,1 %.
Третий способ предполагает, что влияние нестационарности учитывают путем введения корректирующего коэффициента К0 или функции коэффициента влияния динамических факторов К0 (т), отвечающих за совокупную систематическую составляющую и0 доп, в уравнение массового (объемного) расхода и составляющей ио осн — в неопределенность измерения расхода и количества среды идт . Этому способу соответствует условие ио > ±0,1 %. Значение К0 определяют по соотношению
Кс =
1 + и0
доп
где ио доп, а также ио осн находят по модели погрешности, отвечающей совместному воздействию динамических факторов, обусловленных нестационарностью потока, и метрологических характеристик средств измерений параметров. Считаем, что значение К0, по аналогии с другими условно-постоянными коэффициентами уравнения расхода, например, коэффициентами истечения и расширения [1], следует определять до четвертого знака после запятой.
В связи с изложенным выше возникает необходимость выявления свойств нестационарного потока с последующей классификацией характерных режимов течения и соответствующих им условий, позволяющих в дальнейшем разграничить особенности учета влияния нестационарности потока на измерение расхода и количества для каждого конкретного случая измерений. В этом смысле определение режимов течения в СУ может позволить в полной мере осуществлять проверку требований (1)—(3) для каждого пункта измерения расхода и обусловить выбор соответствующих методов измерений расхода и количества среды. Для удобства введем необходимые термины и определения.
Нестационарный поток среды — поток, в котором мгновенные значения расхода и основных измеряемых параметров Ар(т) и р(т) или давления р(т), температуры ? (т) являются случайной функцией времени с различным характером ее реализации. Для реальных потоков с учетом причин возникновения возмущений в потоке при транспортировке среды по трубопроводам можно принять следующие виды нестационарности (пульсаций) потока и его параметров:
низкочастотные пульсации, обусловленные технологическими особенностями режимов поступления и потребления среды, проходящей через пункт измерения расхода за от-
четный период времени, в основном проявляемые в виде разнообразных переходных и колебательных процессов изменения расхода;
среднечастотные пульсации, обусловленные динамическими свойствами потока на входе в пункт измерения расхода и динамическими характеристиками самого расходомер-ного пункта;
высокочастотные пульсации, обусловленные акустическими, вихревыми эффектами, турбулентными пульсациями и другими колебаниями среды в пункте измерения расхода.
Режим течения нестационарного потока — разновидность течения среды в СУ, при котором характер изменения расхода среды определяется видом нестационарного потока или их совокупностью. Разграничение видов нестационарности потока осуществляется по значениям частот условно разделяющих низко-, средне- и высокочастотные пульсации параметров потока.
Масштабно-временные параметры (МВП) — параметры, характеризующие мгновенные (текущие) изменения параметров потока за время (цикл) измерения. К первым, в частности, можно отнести абсолютные 5у, Ау и относительные ~у, Ау отклонения и амплитуды основных измеряемых
параметров у(т), а ко вторым — частоту 1 гармоник пульсаций, число Струхаля и временные характеристики (время нарастания или спада и т. п.) изменения параметра.
Обобщенные масштабные параметры (ОМП) — статистические параметры потока среды, отвечающие за изменение свойств потока в течение определенного времени (ряд циклов измерений) наблюдения нестационарного процесса. К ним можно отнести амплитудно-частотный спектр (АЧС) пульсаций параметра у(т), среднеквадратические амплитуды пульсаций у3, у5 и т. п.
С учетом принятых выше видов нестационарности потока представим входной сигнал в СУ в виде суммы составляющих мгновенного массового расхода
Ят (т) = я т (т) + Ят (т) + ¿1т (т);
<7 т (т) = Ят I1 ± ~9т )
(4)
(5)
где ят — постоянное значение расхода за время измерений; дт (т) и 5дт (Аят) — низкочастотная, условно постоянная составляющая ят (т) и ее относительное отклонение
(амплитуда); ¿¡т (т) и <т (т) — среднечастотная и высокочастотная пульсирующие составляющие ят (т).
Опираясь на способы учета и0 и соответствующие им требования, а также на (1)—(3) и принятый вид входного сигнала (4), (5), выделим четыре основных режима течения реального потока в СУ: стационарный, переменный, пульсирующий и нестационарный, а также стабилизированный режим течения, являющийся «опорным» по отношению к основным режимам.
Характерный вид изменения ят (т) для каждого режима реального потока, а также соответствующие им АЧС ят (т) с переменным масштабом частоты пульсаций приведены на
Рис. 1. Характер изменения qm (т) в зависимости от режима
чт > течения
рис. 1, 2. Упрощенное отображение АЧС qm (т) в едином масштабе показано на рис. 2, а. Значения qm д min, qm д max, указанные на рис. 1, отвечают минимальному и максимальному значениям диапазона измерения расхода. На рис. 2 показано расположение частот f1, f2, которые соответствуют
значению граничного параметра Ay, 81 y (см. далее таблицу), на восходящей линии АЧС от низкочастотной к средне-частотной его части и нисходящей линии АЧС от среднечас-тотной до высокочастотной его части. Значения f1, f2 зависят от свойств среды, входного сигнала и динамических характеристик пункта измерения расхода. Заметим, что опытные данные исследований нестационарных потоков природного газа показывают, что для этих условий значение f1 находится в диапазоне 0,05—2,0 Гц, а значение f2 — в диапазоне
10—15 Гц. Составляющей qm (т), в связи с малостью ее амплитуд и, соответственно, незначительностью ее влияния на измерение расхода, при определении режимных условий далее пренебрегаем.
Стабилизированный режим
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.