Узлы учета с сужающими устройствами (диафрагмами)

Что такое узел учета с сужающим устройством?

Узел учета с сужающим устройством определяет расход по разности давлений, возникающей до и после тонкой пластины с концентричным отверстием, установленной в потоке. Это распространенный и давно проверенный практикой вариант метода переменного перепада давления. Поскольку геометрия диафрагмы и правила расчета установлены международными стандартами, первичный элемент дает прослеживаемый результат без калибровки на расходомерной установке; основным способом подтвердить достоверность измерений служит контроль геометрических размеров диафрагмы.

Узел учета с диафрагмой — это не отдельный прибор. Устройство для замены диафрагмы удерживает ее в правильном положении в трубопроводе; измерительный трубопровод обеспечивает необходимые прямолинейные участки до и после диафрагмы; формирователь потока устраняет закрутку и искажения профиля скоростей; датчики перепада давления, давления и температуры измеряют параметры процесса, а вычислитель расхода преобразует эти значения в расход. Качество измерения определяется самым слабым звеном этой цепи, поэтому так важна совместная механическая обработка устройства и измерительного трубопровода.

На этой групповой странице продукция EPS Leading рассматривается с позиций системы в целом, а сама страница помогает выбрать подходящий тип устройства. Подробные сведения приведены на отдельных страницах, посвященных измерительным трубопроводам, однокамерным и двухкамерным устройствам, устройствам с двойной изоляцией, а также дроссельным шайбам и формирователям потока. Важно подчеркнуть, что дроссельные шайбы не предназначены для измерения расхода: их задача — создать расчетный перепад давления.

Принцип измерения расхода методом переменного перепада давления

Измерение с помощью диафрагмы основано на законе сохранения массы (уравнение неразрывности) и законе сохранения энергии потока (уравнение Бернулли). Измерительную цепь можно представить в виде четырех этапов:

1.      Сужение потока: Отверстие диафрагмы уменьшает площадь проходного сечения. Чтобы тот же массовый расход прошел через меньшее сечение, скорость среды возрастает; сразу за диафрагмой струя достигает наименьшего сечения — сжатого сечения струи (vena contracta).

2.      Снижение статического давления: С ростом скорости статическое давление падает. Между отборами давления до и после диафрагмы возникает перепад давления (Δp), связанный с расходом. Часть давления за диафрагмой восстанавливается, остальное составляет безвозвратную потерю давления.

3.      Измерение перепада давления: Давление от отборов через импульсные линии и клапанный блок передается на датчик перепада давления. Статическое давление и температура среды измеряются отдельными датчиками: эти значения нужны для расчета плотности и учета расширения среды.

4.      Вычисление расхода: Вычислитель расхода рассчитывает массовый расход по уравнению, установленному стандартом: qm = C / √(1 − β⁴) · ε · (π/4) · d² · √(2 · Δp · ρ₁). Здесь C — коэффициент истечения, β — относительный диаметр (отношение диаметра отверстия диафрагмы к внутреннему диаметру трубопровода), ε — коэффициент расширения, d — диаметр отверстия диафрагмы, ρ₁ — плотность среды перед диафрагмой.

Квадратичная зависимость и динамический диапазон

Расход пропорционален квадратному корню из перепада давления. При снижении расхода вдвое перепад уменьшается в четыре раза, поэтому на малых расходах используется лишь небольшая часть диапазона датчика. Динамический диапазон, достижимый с одной диафрагмой и одним датчиком, ограничен этой квадратичной зависимостью. На узлах учета с широким диапазоном расходов обычно переходят на диафрагмы с другим относительным диаметром или применяют несколько датчиков перепада давления, работающих каскадно. Устройства, позволяющие менять диафрагму без остановки трубопровода, делают такой подход удобным в повседневной эксплуатации.

Влияние профиля потока на измерение

Коэффициент истечения справедлив для потока, который подходит к диафрагме с полностью развитым симметричным профилем скоростей без закрутки. Закрутка и несимметричный профиль, создаваемые отводами, арматурой, переходами или коллекторами, приводят к погрешности измерения. Поэтому стандарты устанавливают длины прямолинейных участков до и после диафрагмы, выраженные в диаметрах трубопровода. Формирователи потока, перераспределяя профиль скоростей, помогают сократить эти длины.

Как тип устройства влияет на доступ к диафрагме

Принцип измерения одинаков для всех типов устройств; различается то, как и при каких условиях можно добраться до диафрагмы. В однокамерном устройстве диафрагму извлекают через крышку доступа после того, как соответствующий участок трубопровода отсечен и давление из него сброшено. В двухкамерном устройстве диафрагму поднимают во вторую камеру, пока трубопровод остается под давлением, после чего эту камеру отделяют от линии и сбрасывают из нее давление. В исполнении с двойной изоляцией отсечение выполняется двумя независимыми барьерами с дренажной точкой между ними, а манометры наглядно показывают, что изоляция обеспечена.

Состав узла учета с диафрагмой

Семейство продукции EPS Leading объединяет механические компоненты узла учета с диафрагмой и подключаемые к ним средства измерений в единую системную архитектуру.

·         Однокамерное устройство для замены диафрагмы (meter1): Устройство простой конструкции для горизонтальных и вертикальных трубопроводов: диафрагма меняется через крышку доступа без разборки фланцевого соединения. Предназначено для точек, где участок трубопровода можно отсечь на время замены.

·         Однокамерное устройство высокого давления (HPmeter1): Переносит тот же однокамерный принцип на высокие классы давления; для них применяется другой материал литого корпуса.

·         Двухкамерное устройство для замены диафрагмы (meter2): Позволяет поднять диафрагму в верхнюю камеру и извлечь ее, пока трубопровод находится под давлением: осмотр и замена выполняются без прерывания потока. Модульная конструкция позволяет модернизировать уже установленное однокамерное устройство до двухкамерного прямо на трубопроводе.

·         Двухкамерное устройство с двойной изоляцией (meter2di): Обеспечивает подтвержденную изоляцию по принципу двойной изоляции с дренажом (DBB); манометры HP и LP делают изоляцию наглядной, а валы клапанов и внутренней камеры можно заблокировать.

·         Измерительный трубопровод: Прецизионно обработанные участки трубы до и после устройства; контроль соосности, качества поверхности и радиографический контроль образуют механическую основу точности системы.

·         Формирователи потока: Пластинчатый формирователь потока типа Zanker, спроектированный по ISO 5167-1:2003, уменьшает закрутку и перераспределяет профиль скоростей, а пучковый струевыпрямитель из 19 труб только гасит закрутку. Оба типа помогают сократить длину прямолинейных участков, требуемую стандартами.

·         Дроссельные шайбы и многоступенчатые катушки: Предназначены не для измерения, а для создания расчетного перепада давления. Если одна шайба не обеспечивает требуемого перепада, давление снижается ступенчато в многоступенчатой дроссельной катушке.

·         Точки подключения приборов: Присоединения для защитных гильз и плотномеров, необходимые для дополнительных измерений температуры и плотности, можно предусмотреть в нужных местах еще при изготовлении измерительного трубопровода.

·         Датчики, вычислитель расхода и диагностика: Дополнив механические компоненты датчиками, вычислителем расхода и шкафом, получают готовый к установке на объекте узел учета, при необходимости с диагностикой для мониторинга технического состояния (CBM).

Семейство продукции и технические характеристики

В таблице обобщен системный объем семейства продукции EPS Leading для узлов учета с диафрагмой. Типоразмеры, классы давления и материалы конкретных изделий приведены на страницах соответствующей продукции; окончательные значения подтверждаются на стадии проекта.

Типоразмеры и классы давления зависят от типа устройства: например, самые высокие классы давления доступны не во всех диаметрах. Подробные сочетания приведены на странице соответствующего изделия.

Основные преимущества

·         Первичный элемент без калибровки по расходу: Диафрагмы подтверждаются контролем геометрических размеров вместо калибровки на расходомерной установке, что снижает затраты на узел учета за весь срок службы.

·         Прослеживаемый расчет по стандартам: Проектирование по ISO 5167 и API MPMS 14.3.2 делает расчет расхода проверяемым и воспроизводимым.

·         Устройство под сценарий обслуживания: Там, где трубопровод можно остановить, подходит простая однокамерная конструкция; где поток должен сохраняться — двухкамерная или с двойной изоляцией.

·         Адаптируемый диапазон измерений: При изменении расходов переход на диафрагму с другим относительным диаметром заново оптимизирует диапазон измерений; в двухкамерных конструкциях это делается без остановки потока.

·         Точность системы из одних рук: Совместная обработка устройства и измерительного трубопровода уменьшает неопределенность, связанную с несоосностью и погрешностями центрирования.

·         Широкий выбор давлений и материалов: Варианты от стандартного литья из углеродистой стали до дуплексных сталей и сплавов на никелевой основе, от ANSI 150# до 10 000 psi, охватывают тяжелые условия эксплуатации.

·         Ремонтопригодность на месте: Конструкция с небольшим числом деталей и современные уплотнения позволяют быстро выполнять обслуживание непосредственно на объекте.

Области применения

Узлы учета с диафрагмой применяются на газотранспортных и газораспределительных, энергетических и технологических трубопроводах, на которые распространяются нормы проектирования; дроссельные шайбы служат для снижения давления на газовых, паровых и жидкостных линиях.

Магистральные и распределительные газопроводы

На газоизмерительных станциях устройства для замены диафрагмы проектируются для трубопроводов в области действия ASME B31.8. Там, где поток нельзя прерывать, двухкамерные устройства и устройства с двойной изоляцией позволяют осматривать диафрагму без остановки работы.

Объекты добычи нефти и газа

На трубопроводах высокого давления применяются фланцы по API 6A и исполнения до 10 000 psi. Требования к работе в сероводородсодержащих средах оцениваются по NACE MR0175.

Электростанции

Устройства для замены диафрагмы и измерительные трубопроводы применимы для измерения расхода на энергетических трубопроводах, на которые распространяется ASME B31.1.

Технологические установки

Для газовых и жидкостных потоков на технологических трубопроводах по ASME B31.3 широкий выбор материалов позволяет создавать точки измерения, стойкие к коррозионным средам.

Точки снижения давления и ограничения расхода

Дроссельные шайбы и многоступенчатые катушки создают расчетный перепад давления на газовых, паровых и жидкостных линиях и часто используются как вспомогательное оборудование узлов учета.

Выбор типа устройства для замены диафрагмы и конфигурации узла

Конфигурация узла учета с сужающим устройством зависит не только от измеряемой среды, но и от принятых на объекте принципов обслуживания и безопасности. Для технической оценки рекомендуем уточнить следующее:

Выбор типа устройства

·         Участок трубопровода можно отсечь и сбросить из него давление на время замены диафрагмы или есть байпас: однокамерное устройство (meter1; для высокого давления — HPmeter1)

·         Осмотр и замена диафрагмы должны выполняться без прерывания потока: двухкамерное устройство (meter2)

·         Принципы изоляции на объекте требуют подтвержденной двойной изоляции с дренажом: устройство с двойной изоляцией (meter2di)

·         В будущем может потребоваться обслуживание без остановки потока: модульная конструкция с возможностью модернизации на трубопроводе

Данные о процессе и среде

·         Тип и состав среды (природный газ, технологический газ, жидкость или пар)

·         Минимальный, номинальный и максимальный расход; ожидаемая изменчивость расхода

·         Рабочие и расчетные давление и температура

·         Плотность или молекулярная масса, вязкость

·         Наличие сероводорода, коррозионно-активных компонентов или механических примесей

Трубопровод, монтаж и механическое исполнение

·         Диаметр трубопровода, класс давления и применяемые нормы проектирования трубопроводов

·         Местные сопротивления перед диафрагмой и доступная длина прямолинейных участков; необходимость формирователя потока

·         Горизонтальный или вертикальный монтаж, тип присоединения и уплотнительной поверхности фланцев

·         Материалы корпуса, внутренних деталей и уплотнений

Интеграция в систему измерений

·         Размещение точек измерения перепада давления, статического давления и температуры

·         Вычислитель расхода, шкаф и интерфейс с системой управления

·         Необходимость диагностики для мониторинга технического состояния (CBM)

·         Требуемые сертификаты на материалы, документы о проверке измерений и документация на оборудование, работающее под давлением

Если точка измерения находится во взрывоопасной зоне, пригодность подключаемых электронных приборов для такой зоны следует отдельно оценить на стадии проекта.

Нормы проектирования и стандарты измерений

В зависимости от типа изделия продукция EPS Leading для узлов учета с диафрагмой проектируется с учетом следующих стандартов измерений, норм проектирования и стандартов на фланцы.

Какие нормы относятся к какому изделию, указано на страницах продукции. Требования к сертификации для конкретного проекта следует согласовать с инженерами TLY Enerji на стадии подготовки предложения.

Решения TLY Enerji для узлов учета с сужающими устройствами

Для TLY Enerji измерение расхода диафрагмой не сводится к поставке диафрагмы и устройства: правильная система складывается, когда профиль потока, рабочее давление, принципы обслуживания и правила изоляции в точке измерения оцениваются вместе. Наши инженеры собирают данные о процессе, выполняют предварительный подбор относительного диаметра и диапазона перепада давления, анализируют длины прямолинейных участков и необходимость формирователя потока, а затем предлагают тип устройства, подходящий для вашего объекта.

Мы сопровождаем проект на всех этапах: определение устройства, измерительного трубопровода, датчиков и вычислителя расхода как единой системы, подготовка технических требований, документации на материалы и оборудование, работающее под давлением, интеграция измерения в систему управления и пусконаладка. Для действующих узлов учета мы оцениваем варианты модернизации с учетом ограничений на площадке, плановых остановов и непрерывности данных учета.

Часто задаваемые вопросы

Из чего состоит узел учета с сужающим устройством?

Основные элементы — диафрагма, устройство, в котором она установлена, измерительный трубопровод с прямолинейными участками до и после диафрагмы и, при необходимости, формирователь потока. К ним добавляются датчики перепада давления, статического давления и температуры, а также вычислитель расхода. Точность системы зависит от того, насколько правильно все эти элементы подобраны и смонтированы как единый комплект.

Как рассчитывается расход по перепаду давления на диафрагме?

Измеряется перепад давления между сторонами диафрагмы до и после нее; расход пропорционален квадратному корню из этого перепада. Вычислитель расхода по уравнению стандарта рассчитывает массовый или объемный расход с использованием коэффициента истечения, относительного диаметра, коэффициента расширения, диаметра отверстия и плотности среды перед диафрагмой. Для газов плотность непрерывно определяется по измерениям давления и температуры.

Чем однокамерное устройство для замены диафрагмы отличается от двухкамерного?

Оба позволяют менять диафрагму без разборки фланцевого соединения. В однокамерном устройстве перед заменой нужно отсечь соответствующий участок трубопровода и сбросить из него давление. В двухкамерном диафрагму поднимают во вторую камеру, пока трубопровод под давлением; после отделения этой камеры от линии и сброса давления диафрагму извлекают. Так осмотр и замена выполняются без прерывания потока.

Когда нужно устройство с двойной изоляцией?

Устройство с двойной изоляцией выбирают, когда принципы изоляции на объекте требуют подтвержденной изоляции — двух независимых барьеров с дренажом между ними — прежде чем вскрывать любую камеру под давлением. Конструкция соответствует подходу двойной изоляции с дренажом из руководства HSG253; манометры HP и LP наглядно подтверждают изоляцию, а валы клапанов можно заблокировать.

Нужна ли калибровка диафрагмы на расходомерной установке?

Диафрагмы, изготовленные и установленные в соответствии со стандартами, не требуют калибровки на расходомерной установке: доверие к измерению обеспечивается контролем геометрии диафрагмы. При периодическом осмотре проверяют остроту входной кромки, плоскостность и диаметр отверстия. Благодаря этому метод дает преимущество по эксплуатационным затратам перед рядом других технологий измерения расхода.

Зачем нужен формирователь потока перед диафрагмой?

Отводы, арматура и коллекторы создают закрутку и несимметричный профиль скоростей, которые влияют на коэффициент истечения и, следовательно, на результат измерения. Формирователь потока выравнивает профиль до диафрагмы и помогает сократить длину прямолинейного участка, требуемую стандартами. Пластинчатый формирователь типа Zanker и гасит закрутку, и перераспределяет профиль, а пучковый струевыпрямитель только гасит закрутку.

Чем дроссельная шайба отличается от измерительной диафрагмы?

Измерительная диафрагма создает перепад давления, отражающий расход, чтобы это значение можно было измерить; безвозвратную потерю давления при этом стремятся ограничить. Дроссельная (ограничительная) шайба, напротив, создает в определенной точке линии намеренный расчетный перепад давления и измерительной функции не имеет. Если одной шайбы недостаточно, давление снижают ступенчато в многоступенчатых катушках.

Как расширить динамический диапазон узла учета с диафрагмой?

Квадратичная зависимость между расходом и перепадом давления ограничивает диапазон, достижимый с одной диафрагмой и одним датчиком. Чтобы расширить его, при изменении расхода диафрагму заменяют на другую с иным относительным диаметром или используют несколько датчиков перепада давления, работающих каскадно. Двухкамерные устройства, позволяющие менять диафрагму без прерывания потока, упрощают такой подход в эксплуатации.