7.3. Расходомеры

Расходомеры в промышленности используются для измерения количества жидкости, газа, пара, сыпучих веществ. Они необходимы для управления производственным процессом, обеспечения оптимального режима во всех отраслях народного хозяйства и для автоматизации производства, достижения при этом максимальной эффективности.

В последние годы ОАО «Газпром», ОАО «АК Транснефть», другие компании большое внимание уделяют коммерческому учёту перекачиваемой продукции. Устаревшие типы расходомеров заменяются на современное оборудование с высокой надёжностью и точностью измерений.

Расход – это количество (масса или объём) вещества, протекающего через данное сечение в единицу времени.

Прибор, измеряющий расход вещества, называется расходомером, а массу или объём вещества – счётчиком количества или просто счётчиком. Прибор, который одновременно измеряет расход и количество вещества, называется расходомером со счётчиком. К этим терминам следует добавлять название измеряемого вещества, например: расходомер газа, счётчик воды, расходомер пара со счётчиком.

Устройство, непосредственно воспринимающее измеряемый расход (например, диафрагма, сопло, напорная трубка) и преобразующее его в другую величину (например, в перепад давления), которая удобна для измерения, называется преобразователем расхода. Количество вещества измеряется или в единицах массы (килограммах, тоннах, граммах), или в единицах объёма (кубических метрах и кубических сантиметрах). Соответственно расход измеряют в единицах массы, делённых на единицу времени (килограммах в секунду, килограммах в час и т.д.), или в единицах объёма, также делённых на единицу времени (кубических метрах в секунду, кубических метрах в час и т.д.). В первом случае имеем массовый расход, во втором – объёмный.

С помощью единиц объёма можно правильно определять количество вещества (особенно газа), если известны его давление и температура. В связи с этим результаты измерения объёмного расхода газа обычно приводят к стандартным (нормальным) условиям, т.е. к температуре 293,15°К (20°С) и давлению 101325Па (760 мм рт.ст.). При этом у буквы, обозначающей объём или объёмный расход, надо ставить индекс «п» (приведённый) или индекс «с» (стандартный).

Подробная классификация расходомеров и счётчиков разработана ВНИИМ и опубликована в ГОСТ 15528-86.

Современные требования к расходомерам и счётчикам многочисленны и разнообразны. Удовлетворить все требования, предъявляемые к прибору очень сложно, а порой и невозможно. Поэтому при выборе того или иного типа прибора следует исходить из приоритетной важности тех или иных требований, предъявляемых к измерению расхода или количества в данном конкретном случае.

1. Высокая точность измерения. Если раньше погрешность измерения в 1,5-2% считалось приемлемой нормой, то теперь нередко требуется иметь погрешность не более 0,2-0,5%. Такая весьма малая погрешность уже достигнута в камерных счётчиках жидкостей (лопастных, роликово-лопастных). Но такие счётчики не предназначены для больших диаметров труб. На магистральных трубопроводах преимущественно используют расходомеры с сужающими устройствами (СУ) и силовые. Для повышения их сравнительно ограниченной точности используют преобразователи давления, температуры или плотности, измерительные сигналы которые поступают в вычислительные устройства, вносящие коррекцию в показания расходомера – дифманометра. Имеются расходомеры с погрешностью всего 0,25-1% (тахометрические, вихревые, электромагнитные, ультразвуковые), но не все из них пригодны для больших трубопроводов.

2. Высокая надёжность. Зависит от типа прибора и от условий его применения. Некоторые расходомеры и их элементы, не имеющие движущихся частей, могут надёжно работать очень долго. Но тахометрические расходомеры и счётчики с движущимся ротором имеют срок службы, зависящий от степени чистоты измеряемого вещества и его смазывающей способности. В технических условиях на некоторые отечественные и зарубежные турбинные расходомеры, которые применяются на магистральных трубопроводах, установлен шестилетний межповерочный срок нормальной работы.

3. Малая зависимость точности измерения от изменения плотности вещества. Этим преимуществом обладает тепловые и силовые расходомеры, измеряющие массовый расход. У других типов приборов надо иметь устройства, автоматически вводящие коррекцию на изменение плотности или температуры и давления измеряемого вещества. Это особенно необходимо при измерении расхода газа.

4. Быстродействие прибора или его высокие динамические характеристики. Это требование важно, когда расходомер применяют в системах автоматического регулирования и при измерении быстроменяющихся расходов. Существует большая градация быстродействия, измеряемого от сотых долей секунды у турбинных, до десятка секунд у тепловых расходомеров.

5. Большой диапазон измерения (q_max/q_min). У приборов с линейной характеристикой он равен 8-20 и более, а у расходомеров с СУ, имеющих квадратичную характеристику, он равен лишь 3-10. В случае необходимости его можно повысить до 16, подключая к СУ два дифманометра с разными ΔР_max.

6. Обеспеченность метрологической базой. Образцовые расходомерные установки, необходимые для градуировки и поверки различных расходомеров, сложны и дороги, особенно при больших поверяемых расходах. В стране их сравнительно немного, и предназначены преимущественно для поверки расходомеров воды и водосчётчиков. Одни лишь расходомеры с СУ не требует образцовых расходомерных установок, потому что для большинства их разновидностей были экспериментально установлены и нормированы их коэффициенты расходов и расширения в международном стандарте ISO 5167 и других рекомендациях. На их основе выпускаются в отдельных странах Правила по применению расходомеров с СУ. Поэтому преимущественно применяются расходомеры с СУ, потому что почти все остальные типы требуют для своей поверки образцовых установок. В связи с их отсутствием и сложностью транспортирования первичных преобразователей расхода, особенно больших размеров, весьма актуальна как разработка имитационных методов поверки (например, магнитных), так и разработка методов поверки на месте установки расходомеров без их демонтажа (концентрационный, меточный и другие методы).

7. Очень большой диапазон расходов, подлежащих измерению. Для жидкости надо измерять расходы в пределах от 10^-2до 10⁷-10⁸кг/ч, а для газов – в пределах от 10^-4до 10⁵-10⁶кг/ч, т.е. расходы, отличающиеся на десять порядков. Особые трудности возникают при измерении как очень малых, так и очень больших расходов. Здесь нередко приходится применять особый метод измерения, например парциальный (при больших расходах). Относительно проще измерять средние расходы.

8. Необходимость измерения расхода не только в обычных, но и в экстремальных условиях, при очень низкой или очень высокой температуре и давлении. Расход криогенных жидкостей надо измерять при очень низких температурах (до минус 255°С), а расход перегретого пара сверхвысокого давления и расход расплавленных металлов при температурах, достигающих 600°С и более.

Подобные условия создают дополнительные трудности для надёжного измерения расхода.

9. Широкая номенклатура измеряемых веществ. Они могут быть не только однофазными и однокомпонентными, но также многофазными и многокомпонентными. При этом надо учитывать как особые свойства вещества (агрессивность, абразивность, токсичность, взрывоопасность и т.д.), так и его параметры (давление, температура). Особая задача – измерение расхода расплавленных металлов – теплоносителей. Между тем основные методы измерения расхода были разработаны для однофазных сред (для жидкости, газа и пара). Теперь же всё актуальнее становится задача измерения двухфазных и даже иногда трёхфазных веществ. Основные разновидности двухфазных сред: гидросмесь или пульпа – смесь жидкой и твёрдой фаз – водогрунтовая смесь, целлюлозно-бумажная пульпа; смесь газообразной и твёрдой фаз – пылеугольное топливо, пневмотранспорт цемента и т.п.; смесь жидкости с газом – нефтегазовая смесь и влажный насыщенный пар. Измерение их расхода очень важно, хотя и представляет определённые трудности. Пример трёхфазной смеси – газированная пульпа, а трёхкомпонентной – двухфазная смесь нефти, воды и газа.