Блочный узел учёта газа на базе диафрагмы определяет расход по перепаду давления, который создаёт установленная в трубопроводе пластина с точно обработанным отверстием. В состав блока входят диафрагма и камерное устройство (orifice fitting) или фланцевый узел её крепления, измерительный трубопровод с контролируемыми размерами, струевыпрямитель, датчики перепада давления, статического давления и температуры, а также вычислитель расхода. Точность определяет не один прибор: важны геометрия и состояние диафрагмы, относительный диаметр (бета), обвязка до сужающего устройства, диапазон измеряемого перепада и то, насколько точно известна плотность газа.
Принцип переменного перепада давления
Проходя через сужение, газ ускоряется, а его давление падает. Разность давлений на отборах до и после диафрагмы измеряется, и расход рассчитывается по стандартным уравнениям с учётом перепада, диаметров трубопровода и отверстия, коэффициента истечения, коэффициента расширения и плотности газа при рабочих условиях. Расход пропорционален квадратному корню из перепада: при снижении расхода вдвое перепад уменьшается примерно в четыре раза.
Требования к геометрии, монтажу и расчёту задают серия ISO 5167 и AGA Report No. 3 / API MPMS, глава 14.3. Они действуют для дозвукового, однофазного, непульсирующего потока в полностью заполненной трубе. ISO 5167-2 дополнительно ограничивает диаметр трубопровода и число Рейнольдса; установка вне этих пределов не может рассматриваться как измерение по стандартным уравнениям.
Состав блока
· Диафрагма: Концентрическая пластина с острой входной кромкой. Отбор давления может быть фланцевым, угловым или трёхрадиусным (D и D/2); AGA 3 / API 14.3 основан на фланцевом отборе.
· Узел крепления диафрагмы: Фланцевая пара, однокамерное или двухкамерное устройство. Двухкамерное устройство позволяет извлечь и осмотреть диафрагму без отключения линии и сброса давления.
· Измерительный трубопровод и струевыпрямитель: Прямые участки с контролируемыми размерами до и после диафрагмы; при необходимости струевыпрямитель для устранения закрутки и выравнивания профиля.
· Датчики: Перепад давления, статическое давление, температура. Для широкого диапазона расходов может применяться несколько датчиков перепада.
· Вычислитель расхода: Реализует стандартные уравнения, расчёт коэффициента сжимаемости и приведение к стандартным условиям; хранит данные о диафрагме и журнал изменений.
Как подчёркивают изготовители измерительных линий, точность системы складывается из точности изготовления диафрагмы и размерной точности измерительного трубопровода. Поэтому измерительный трубопровод и узел крепления проектируются и документируются как единая сборка.
Что определяет точность измерения
Фактор | Почему важен | Как управляется |
Геометрия и состояние диафрагмы | Острота кромки, плоскостность и диаметр отверстия прямо влияют на коэффициент истечения | Периодический осмотр, правильная ориентация, учёт диафрагм |
Относительный диаметр (бета) | Отношение диаметров отверстия и трубы влияет на неопределённость расчёта и потерю давления | Подбор диафрагмы в рекомендуемом стандартом диапазоне |
Обвязка до диафрагмы | Колена, арматура и закрутка искажают профиль и дают систематическую погрешность | Достаточные прямые участки и подходящий струевыпрямитель |
Диапазон измерения перепада | При малых расходах перепад очень мал, относительная погрешность датчика растёт | Каскад датчиков, параллельные линии или замена диафрагмы |
Плотность и состав газа | Расчёт расхода опирается на плотность при рабочих условиях | Точное измерение давления и температуры, актуальный состав |
Пульсации и жидкость | Стандартные уравнения в этих условиях неприменимы | Устранение источника, фильтрация и отделение жидкости |
Относительный диаметр и ограничение динамического диапазона
AGA 3 / API 14.3, часть 2, охватывает значения бета примерно от 0,10 до 0,75 и указывает, что наименьшая неопределённость коэффициента истечения достигается примерно при 0,2–0,6. Большее значение бета даёт при том же расходе меньший перепад и меньшие потери давления; меньшее — повышает перепад, но увеличивает безвозвратную потерю давления.
Из-за квадратичной зависимости рабочий диапазон расходов у диафрагмы ограничен: изменение расхода в десять раз означает изменение перепада в сто раз. При сильных сезонных или суточных колебаниях расхода обычно применяют два датчика перепада с разными диапазонами, параллельные измерительные линии, подключаемые по мере роста расхода, или замену диафрагмы под сезонный режим. Редакция 2022 года стандарта ISO 5167-1 содержит приложения о динамическом диапазоне и безвозвратной потере давления.
Осмотр и обслуживание диафрагмы
Сильная сторона метода в том, что элемент, определяющий точность, можно физически извлечь и осмотреть; слабая — если осмотр не проводится, возникающая погрешность сама по себе в вычислителе не проявляется. API 14.3, часть 2, также отмечает, что наименьшая неопределённость достигается не только проектом, но и правильным применением и обслуживанием системы. При осмотре проверяют повреждение кромки, изгиб, отложения и ориентацию, а номер диафрагмы и диаметр отверстия сверяют с настройками вычислителя.
В двухкамерном устройстве диафрагму переводят в отдельную камеру и заменяют без сброса давления в линии. Фланцевые узлы требуют отключения линии, поэтому нужно предусмотреть резервную измерительную линию или байпас с учётом. Каждая замена диафрагмы и изменение параметров фиксируются в журнале, как того требует прослеживаемость электронного учёта газа. Последняя редакция ISO 5167-1 рассматривает также диагностику и мониторинг состояния расходомеров переменного перепада.
Диафрагма или ультразвук: сравнение
Критерий | Узел с диафрагмой | Ультразвуковой узел |
Принцип измерения | Перепад давления и стандартные уравнения | Разность времени прохождения акустических импульсов |
Рабочий диапазон расходов | Узкий из-за квадратичной зависимости; могут потребоваться каскад датчиков или параллельные линии | Как правило, широкий |
Безвозвратная потеря давления | Заметная, зависит от бета | Низкая в полнопроходном корпусе |
Чувствительность к монтажу | Нужны прямые участки и формирование потока | Нужны прямые участки и формирование потока; чувствителен и к источникам шума |
Подход к проверке | Размеры диафрагмы и трубопровода проверяются на месте | Калибровка на расходе и непрерывная диагностика |
Направление потока | Обычно проектируется на одно направление | Возможно измерение реверсивного потока |
Узел учёта с диафрагмой остаётся сильным вариантом для операторов с существующей инфраструктурой сужающих устройств и привыкшим к ней персоналом, для точек с узким диапазоном расходов и для задач, где ценится возможность геометрической проверки первичного элемента.
Что предлагает TLY Enerji
В портфеле продукции TLY Enerji есть измерительные системы на базе диафрагм и измерительные линии (meter run), а также датчики давления и перепада давления. В зависимости от объёма проекта возможны инженерная поддержка при выборе бета и диапазонов датчиков, поставка оборудования, интеграция вычислителя расхода с системой управления, монтаж, пусконаладка и техническая поддержка в период эксплуатации. Границы поставки уточняются по техническому заданию проекта.
Исходные данные для запроса по узлу с диафрагмой
· Минимальный и максимальный расход в течение года и продолжительность каждого режима
· Диаметр трубопровода, класс давления, рабочие давление и температура
· Для существующих узлов: тип камерного устройства, размер диафрагмы и диапазоны датчиков
· Нужна ли замена диафрагмы без сброса давления
· Допустимая безвозвратная потеря давления
· Состав газа, источники жидкости или пульсаций
· Методика расчёта и стандартные условия, применяемые в вычислителе
Связанные страницы
· Ультразвуковые узлы учёта газа: Альтернатива при широком диапазоне расходов и потребности в диагностике.
· Узлы учёта природного газа: Число измерительных линий, резервирование и компоновка узла.
· Коммерческий учёт газа: Неопределённость и требования к архивам при коммерческом учёте на диафрагмах.
· Блоки фильтрации и учёта газа: Фильтрация, защищающая диафрагму от отложений и жидкости.
Вопросы об учёте газа на диафрагмах
Что даёт двухкамерное устройство для диафрагмы?
Оно позволяет перевести диафрагму из основной камеры в отдельную и извлечь её, пока линия остаётся под давлением. Осмотр или замена на диафрагму другого диаметра не требуют отключения и опорожнения линии. Такое решение подходит для точек, где перерыв в подаче нежелателен, а замены частые; при более простых фланцевых узлах необходима резервная линия.
Нужна ли калибровка измерительной линии с диафрагмой?
При соблюдении требований стандартов к геометрии и монтажу расход можно рассчитывать по уравнениям коэффициента истечения без калибровки, и во многом именно этим объясняется широкое распространение метода. Редакция 2022 года стандарта ISO 5167-2 также предусматривает калибровку как альтернативу стандартным уравнениям. Выбор зависит от пределов применимости стандарта, требуемой неопределённости и условий договора.
Зачем устанавливают два датчика перепада давления?
Поскольку расход пропорционален корню из перепада, при малых расходах перепад становится очень мал и относительная погрешность одного датчика возрастает. С двумя датчиками, настроенными на нижний и верхний диапазоны, вычислитель выбирает подходящий сигнал, и рабочий диапазон расширяется. Альтернативы — параллельные измерительные линии или замена диафрагмы.
Как часто нужно осматривать диафрагму?
Единого интервала нет. Он зависит от чистоты газа, риска появления жидкости или отложений, коммерческой значимости измерения, условий договора и национальных требований. На линиях с загрязнённым газом осмотры проводят чаще, чем на линиях с чистым отфильтрованным газом. Фиксация состояния и размеров диафрагмы при каждом осмотре позволяет обоснованно назначать следующий интервал.