Аналізатор складу природного газу

Номер патенту: 120069

Опубліковано: 25.10.2017

Автор: Прокопенко Олена Олександрівна

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Аналізатор складу природного газу, що містить корпус, збудник вібрації і датчик вимірювання частоти коливань корпусу (п’єзоакселерометр), смуговий фільтр, плату АЦП з комп'ютером, дзвінок, який відрізняється тим, що містить редуктор з трубою, що з'єднують газопровід з корпусом калориметра, датчики температури і тиску, які разом із п’єзоакселерометром зв'язані з підсилювачем заряду.

Текст

Реферат: UA 120069 U UA 120069 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі приладобудування, а саме до пристроїв для вимірювання витрати рідких і газоподібних середовищ, і може бути використаною для нормування, контролю і обліку витрати природного газу за калорійністю на компресорних станціях, газоперекачувальних агрегатах в процесі експлуатації, до і після ремонту. Відомий пристрій для контролю витрати турбулізатором для вимірювання частоти зриву вихорів циліндрового типу, виконаний з кінцями, які виведені через стінку корпусу і грають роль датчиків вібрації. Дані вібрації надходять через ряд перетворювачів (підсилювач заряду, смуговий фільтр, плату АЦП) на комп'ютер, де визначають витрати газу [1]. Недолік пристрою: в таких приладах автоспектр пульсації тиску газу є розкиданим, що не дає можливості точного виміру витрати газу. Відомий диференціальний датчик густини (аналог), що містить два здвоєні камертони із збудниками, встановленими між гілками камертонів [2]. Знімання сигналів коливання гілок здійснюється вібродатчиками з передачею сигналу до змішувача частот і вимірювального приладу. Збудження автоколивань камертона здійснюється із застосуванням магнітокерованих контактів. Недоліком аналогу є відсутність вимірювання швидкості потоку газу, що не дозволяє обчислити масову витрату. Прототипом по технічній суті і результату, що досягають, є вихровий витратомір природного газу [3]. Поставлена в прототипі задача вирішується тим, що у вихровий витратомір, який містить корпус з турбулізатором і електромагнітними датчиками, підсилювач заряду, смуговий фільтр, плату АЦП і комп'ютер, встановлено турбулізатор, який виконаний у вигляді трикутної призми, закріплений на поворотній вертикальній осі, взаємодіє з розташованими за ньому на відстані, яка дорівнює величині зони вихроутворення, електромагнітним датчиком з мембраною, що має резонанс на частоті, яка дорівнює власній частоті акустичного сигналу, які зв'язані через підсилювач заряду, смуговий фільтр і плату АЦП з комп'ютером. Електромагнітна сила, яка діє на соленоїд і яку сформовано електромагнітним датчиком, створює послідовність прямокутних механічних ударних імпульсів, частота проходження яких дорівнює частоті зриву вихорів, і яка порушує автоколивання корпусу витратоміру на його власній частоті. Амплітуду автоколивань корпусу фіксують п'єзоакселерометром з подальшим спектральним аналізом вібрації корпусу, що після обробки спектра вібрації дозволяє виділити частоту зриву вихорів турболізатора і власну частоту коливань корпусу. Отримані таким чином частоти є однозначно пов'язаними з масовою витратою природного газу. Недоліком прототипу є відсутність можливості вимірювання складу природного газу і густини окремих компонент природного газу (метану, бутану, пропану), які є вихідними даними для обчислення теплоти згоряння (калорійності) природного газу. В основу корисної моделі поставлена задача поєднати в одній конструкції вібраційний щільномір та пристрій для визначення густини окремих компонент природного газу за законом Менделєєва-Клайперона з використанням температури і тиску. Поставлена задача вирішується тим, що аналізатор складу природного газу, що містить корпус, збудник вібрації і датчик вимірювання частоти коливань корпусу (п'єзоакселерометр), смуговий фільтр, плату АЦП з комп'ютером, дзвінок, додатково містить редуктор з трубою, що з'єднує газопровід з корпусом калориметру, датчики температури і тиску, які разом із п'єзоакселерометром зв'язані з підсилювачем заряду. Суть корисної моделі пояснює креслення. На кресленні показана схема аналізатора складу природного газу. Аналізатор складу природного газу містить корпус 1 з фланцями 2, які закріплені на газопроводі 3 і забезпечують жорстке кріплення корпусу аналізатору на газопроводі. Усередині корпусу аналізатору природного газу розташовано датчики тиску 4 і температури 5, сигнал з яких надходить на АЦП 6. На корпусі 1 встановлено дзвінок 7 і вібродатчик 8, сигнал з якого надходить в АЦП 6 через підсилювач заряду 9 і смуговий фільтр 10. Тиск газу в аналізаторі природного газу регулюють за допомогою редуктора 11, сполученого з корпусом 1 і газопроводом 3 трубою 12. Корпус з'єднаний з газопроводом 3 трубою 13 з краном 14. Аналіз результатів вимірювань: склад, теплоту згоряння (калорійність) та число Вобле природного газу здійснюють в комп'ютері 15. Аналізатор складу природного газу має пристрій ручного управління 16 і автоматичного управління 17. Робота аналізатора природного газу відбувається наступним чином. Перекривають кран 14. Редуктор 11 змінює тиск газу усередині корпусу 1 на фіксовану величину. Зміна тиску і температури газу фіксуються датчиками 4 і 5, сигнали з яких надходять в АЦП 6. Дзвінок 7 збуджує автоколивання корпусу 1, заповненого газом. Власну частоту коливань корпусу, 1 UA 120069 U 5 10 15 20 25 30 заповненого газом, фіксують вібродатчиком 8, сигнал з якого надходить в АЦП 6. Оброблений сигнал з АЦП 6 надходить в комп'ютер 15. Зміна тиску природного газу в аналізаторі складу природного газу призводить до зміни температури і власної частоти механічних коливань, збуджених дзвінком. Тиск, температура і амплітуда автоколивань корпусу, порушуваних дзвінком, фіксуються датчиками тиску, температури і вібрації з наступним спектральним аналізом вібрації, що після обробки сигналів в персональному комп'ютері (ПК) дозволяє виділити власну частоту автоколивань. Отримана таким чином частота є однозначно пов'язаною із загальною густиною природного газу, що транспортується по газопроводу. Виміряні тиск і температура дозволяють визначити густину компонент природного газу. Порівняння загальної густини, визначеної з допомогою вібродатчика, з густинами окремих компонент природного газу дозволяє обчислити процентний склад природного газу та теплоту його згорання. Густину газу, а, отже, і масову витрату, визначають з співвідношення, що зв'язує різницю частот між власною частотою корпусу порожнього аналізатора і аналізатора з газом f з густиною газу: f  fc.в.  fc.г.  fc.в. ;   mг 2mм ; (1) (див. прототип), де fc.в. , fc.г. - власна частота порожнього корпусу аналізатора і корпусу з газом; mг , mм - маса порожнього корпусу і газу. Для циліндрового корпусу, який заповнено природним газом з робочим тиском Ρ, відношення мас   дорівнює:   d  P , (2)   г.н. 0 4м  h де г.н. , м - густина газу за нормальних умов і густина матеріалу аналізатора; h , d0 - товщина стінки і внутрішній діаметр корпусу аналізатора природного газу (див. креслення); P - тиск робочого середовища (газу) при подачі природного газу у аналізатор природного газу. Із співвідношень (1) і (2) отримаємо вираз для визначення густини газу за нормальних умов і з робочим тиском P у вигляді: ~ 4 f мh   г.н.  Pd 0  , (3) г.  г.н.  P   де ~  fc.в.  fc.г. - відносна частота. f fc.в. Густина реального природного газу г. залежить від компонентного складу та дорівнює сумі густин окремих компонент помножених на відсоткові вмісти компонент xi  : n г.   i  xi , (4) 35 i1 де i - густина і-го компоненту природного газу. Густину окремих компонент реального природного газу визначають з врахуванням фактору стисливості газу z за формулою [4]: 103  i  P , (5) RTz де T  273,15  t ; t - температура газу у градусах Кельвіна та Цельсія; i - молярна маса окремих компонентів газу; R - газова стала (постійна величина). Практично в формулі значення густини газу залежить від густини газу за стандартних умов i  40 c : 45   P  Tc , г.  c R  T К 2 UA 120069 U де К  z - відносний коефіцієнт стисливості; zc , z c - фактори стисливості відповідно за робочих в стандартних умов. Tc - температура z газу за стандартних умов ( tc  20 C;Pc  1ата) . Густину газу за стандартних умов визначають при P  Pc і T  Tc згідно з рівнянням: 5 10 15 10 3    P R  Tc  zc Як правило компонентний склад природного газу є відомим в конкретному газотранспортному управлінні. Він складений з η компонент. За допомогою редуктору утворюють n режимів тиску і вимірюють n параметрів тиску, температури і вібрації (див. густини за формулою (3)). Після цього обчислюють загальну густину газу за формулою (3) і густини компонентів за формулою (5). Складають лінійні рівняння (4) та вирішують його на ПК відносно xi i  n . Таким чином визначають відсотковий склад газу xi . Результати розрахункових випробувань аналізатора для природного газу Боярського і Лубенського ЛВУ УМГ Київтрансгаз приведені у табл. 1 і табл. 2, де показано зсуви частот автоколивань для газу різного складу xi при різних тисках. Для експрес-оцінки складу газу застосовано наближену формулу, де умовно вважали, що газ складається з метану, який характеризує (представляє) усі вуглеводні, вуглекислого газу та азоту. Такий підхід (спрощення) обумовлений тим, що для більшості вуглеводнів ступінь стисливості розраховується з великими похибками. c  Таблиця 1 Результати розрахунків зміни власної частоти коливань аналізатора природного газу природного газу в залежності від тиску та компонентного складу (Лубенське ЛВУМГ) Склад газу Температура, С Тиск, ат Зміна частоти, Гц Густина газу при ст. у., 3 кг/м Нижча теплота згоряння, кКал Число Вобле нижче, 3 кКал/м Вища теплота згоряння, кКал Число Вобле вище, 3 кКал/м СН4-91,7 %; N2-1,44 %; СО2-1,28 %; С2Н6-4,23 %; С3Н8-0,96 % і-С4Н100,1 %; n-С4Н10-0,15 %; і-С5Н12-0,04 %; n-С5Н12-0,03 %; С6Н14-0,06 % 293,15 1 5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 9,056 45,965 95,491 140,970 195,627 236,537 306,002 276,854 380,397 466,142 0,733 8224,455 10543,725 9110,929 11680,182 20 Таблиця 2 Результати розрахунків зміни власної частоти коливань аналізатора природного газу природного газу в залежності від тиску та компонентного складу (Боярське ЛВУМГ) Склад газу Температура, °C Тиск, ат Зміна частоти, Гц Густина газу при ст. у., 3 кг/м Нижча теплота згоряння, кКал СН4-93,26 %; N2-1,13 %; СО2-0,98 %; С2Н6-3,42 %; С3Н8-0,87 % i-С4Н100,1 %; n-С4Н10-0,14 %; i-С5Н12-0,03 %; n-С5Н12-0,02 %; С6Н14-0,03 % 293,15 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 8,898 45,079 92,617 138,971 191,347 234,664 300,461 275,889 372,212 454,828 0,701 8162,982 3 UA 120069 U Продовження таблиці 2 Число Вобле нижче, 3 кКал/м Вища теплота згоряння, кКал Число Вобле вище, 3 кКал/м 10700,506 9049,945 11863,187 Для наближеної оцінки нижчу та вищу теплоту згоряння газу ( Hн і Hв відповідно) обчислюють за такими формулами: Hн  84,45(0,522  c  0,042  0,652  xa  x y ) ; 5 Hв  92,82(0,514  c  0,056  0,657  xa  x y ) . Значення відносних компонент газу x г , x y , x a визначають рішення рівняння (4) при n  3 . За результатами вимірювань частоти коливань корпусу, температури і тиску корисної моделі на комп'ютері було обчислено калорійність, склад та число Вобле [4] для природного газу у двох ЛВУМГ: Лубенському і Боярському, результати наведено у табл. 3 і табл. 4. 10 Таблиця 3 Результати розрахунків зміни власної частоти коливань аналізатора природного газу в залежності від тиску та компонентного складу (Лубенське ЛВУМГ) Склад газу Температура, С Тиск, ат Зміна частоти, Гц Тиск, ат Зміна частоти, Гц Тиск, ат Зміна частоти, Гц 3 Густина газу при ст. у., кг/м Нижча теплота згоряння, кКал 3 Число Вобле нижче, кКал/м 1 8,9 1 8,9 1 8,9 Метан - 92 % Азот - 6 % Вуглекислий газ - 2 % 293,15 30 281,8 15 136,8 8 72 0,72 7333,57 9485,11 60 687,1 30 281,8 15 136,8 Таблиця 4 Результати розрахунків зміни власної частоти аналізатора природного газу природного газу в залежності від тиску та компонентного складу (Боярське ЛВУМГ) Склад газу Температура, °C Тиск, ат Зміна частоти, Гц Тиск, ат Зміна частоти, Гц Тиск, ат Зміна частоти, Гц Густина газу при ст. у., кг/м" Нижча теплота згоряння, кКал Число Вобле нижче, кКал/м' 1 8,4 1 8,4 1 8,4 4 Метан - 98 % Азот - 1 % Вуглекислий газ - 1 % 293,15 30 267,7 15 129,9 8 68,4 0,567 7814,53 10373,53 60 639,2 30 267,7 15 129,9 UA 120069 U 5 Корисна модель дозволяє спростити і прискорити експрес-аналіз складу природного газу та використовувати аналізатори природного газу в системах безперервного контролю. ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ: 1. Заявка Японии № 272922, МКИ G01F 1/32, опублик. 31.10.89 г. 2. Дифференциальный вибрационный плотномер [а.с. СРСР № 1392451 МКИ G01N 9/00 опубл. 30.04.88 г. - Бюл. № 16] 3. Патент України № 100483 МКИ G01F 1/32 (2006.01), опублік. 27.07.2015 р. - Бюл. № 14. 4. Андріїшин Μ.П. і др. Вимірювання витрати та кількості газу: Довідник. - Івано-Франківськ: ПП. "Сімик", 2004. - 160 с. 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Аналізатор складу природного газу, що містить корпус, збудник вібрації і датчик вимірювання частоти коливань корпусу (п’єзоакселерометр), смуговий фільтр, плату АЦП з комп'ютером, дзвінок, який відрізняється тим, що містить редуктор з трубою, що з'єднують газопровід з корпусом калориметра, датчики температури і тиску, які разом із п’єзоакселерометром зв'язані з підсилювачем заряду. Комп’ютерна верстка В. Мацело Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5

Дивитися

Додаткова інформація

МПК / Мітки

МПК: G01F 1/32

Мітки: складу, природного, аналізатор, газу

Код посилання

<a href="http://uapatents.com/7-120069-analizator-skladu-prirodnogo-gazu.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Аналізатор складу природного газу</a>

Подібні патенти