Розробка вимірювальних перетворювачів витрат природного газу з використанням комп'ютерних технологій параметричного моделювання

Abstract

Об’єктом дослідження є: вимірювальні перетворювачі витрат природного газу тахометричного типу із розвантаженими опорами чутливого елементу. Мета роботи: розробка високоточних вимірювальних перетворювачів витрат природного газу з високими технічними, метрологічними та експлуатаційними характеристиками в широкому діапазоні вимірювання, використовуючи комп’ютерні технології параметричного моделювання. Такі вимірювальні прилади дозволять вирішити декілька задач одночасно: вимірювати витрати і кількості газу з високою точністю; розширити діапазон вимірюваних витрат; збільшити термін експлуатації та надійність ПОПГ, завдяки ДВЧЕ. Методи дослідження: У роботі викладені результати теоретичних та експериментальних досліджень тахометричних вимірювальних перетворювачів витрат природного газу (ВПВПГ) з розвантаженими опорами чутливого елементу. При цьому у кожному конкретному випадку обирався необхідний метод дослідження. Для дослідження складних нестаціонарних процесів протікання газів у трубопроводах і взаємодії таких потоків із чутливими елементами (ЧЕ) приладів вимірювання їх витрат застосовувався комплексний підхід, суть якого у поєднанні фізичного експерименту із розв’язанням крайових задачі точній постановці і з комп’ютерним моделюванням нестаціонарних газових потоків на основі математичних моделей. Іншими словами, в роботі прийнятий підхід, який заключається у поєднанні фізичного, математичного і комп’ютерного моделювання процесів взаємодії газових потоків із вимірювальними перетворювачами. Частина поставлених у роботі задач виконувалися на базі положень прикладної геометрії, елементів топології, чисельних методів, диференційних рівнянь у частинних похідних, методів диференціальної та аналітичної геометрії, теорії функцій комплексної змінної, теорії ймовірності та статистики, теорії систем, аналізу систем, дослідження операцій, системотехніки, теорії ефективності, кваліметрії, теорії надійності, теорії ідентифікації, теорії подібності і моделювання, теорії контролю і діагностики, теорії чутливості, теорії інформації, розпізнання образів, теорії обчислювальних систем, чисельного інтегрування, чисельної оптимізації для проведення оптимізаційних досліджень, статистичної обробки результатів експериментальних досліджень метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів витрат природного газу, швидкісний метод метрологічної атестації із комп’ютерною передачею та обробкою вимірювальної інформації та елементів комп’ютерної графіки. Основні наукові результати полягають: в обґрунтуванні в розробці газодинамічного принципу розвантаження опор ЧЕ (турбінки) в осьовому та радіальному напрямах за рахунок профілювання вимірювальної камери та ЧЕ лічильника; в створені математичної моделі взаємодії газового потоку за різних режимів течії із елементами турбінних вимірювальних перетворювачів витрат із динамічно врівноваженими роторами, що дозволяє аналізувати процеси вимірювання за дії будь-яких збуджуючих чинників; в створенні високоточних приладів обліку газоподібного палива з використанням сучасних комп’ютерних технологій. Основні характеристики роботи: Робота спрямована на вирішення задач розроблення сучасних ВПВПГ для: вимірювання витрат та кількості природного газу в системах технологічної підготовки та транспортування природного газу; вимірювання витрат природного газу в комунальному господарстві з метою комерційного його обліку при визначенні величин відшкодувань за надання відповідних послуг; вимірювання витрат природного газу при технічному обліку в технологічному процесі відповідних виробництв. Проведені дослідження дозволили зробити такі висновки теоретичного і науково-практичного характеру: Проведена оцінка сучасного стану і виявлено сучасні тенденції розвитку методів вимірювання витрат та кількості природного газу; проаналізовані та розроблені технічні вимоги до сучасних ВПВПГ; наведена оцінка їх технічних можливостей при реалізації конкретних приладів відповідно до висунутих вимог. Визначена і проаналізована сукупність найбільш важливих критеріїв оцінки ефективного використання різноманітних за принципом дії ВПВПГ для створення приладів обліку витрат та кількості з високими метрологічними та експлуатаційними характеристиками. Аналіз сучасних методів, приладів та систем вимірювання витрат природного газу показує, що заданим вимогам і умовам вимірювань витрат газоподібних паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР) в побуті і в промисловості найбільш повно відповідають такі методи: швидкісний (з аксіальними турбінними чутливими елементами), ультразвуковий та вихровий. Широкого застосування сьогодні набули швидкісні ВПВПГ із аксіальною турбіною. Проведений аналіз показав, що, основним недоліком таких турбінних вимірювальних перетворювачів витрат (ТВПВ) є тертя в опорах ЧЕ (турбінки), що спричиняє нестабільність їх роботи та метрологічних характеристик. Для покращення метрологічних і експлуатаційних характеристик ТВПВ запропонована нова конструкція лічильника, що базується на використанні динамічного врівноважування ЧЕ приладу. Проаналізовано стан досліджень ТВПВ і виявлено відсутність теорії розробки та наукових основ їх оптимального проектування, необхідних для задоволення певних вимог, які висуваються за різних умов використання зазначених приладів. Науково обґрунтована можливість створення швидкісних ВПВПГ з раціональними метрологічними характеристиками та оптимальними конструкторськими параметрами. Розроблена математична модель функціонування ВПВПГ, яка враховує взаємозв’язок потоку вимірюваного середовища, проточної части (вимірювальної камери) і ЧЕ на базі його взаємодії з тілами складної форми обтікання та подальшим вирішенням питань оптимального проектування таких приладів із застосуванням сучасних комп’ютерних технологій параметричного моделювання. В процесі розробки математичної моделі отримані і досліджені аналітичні залежності динамічних і статичних характеристик ТВПВ. Виявлено вплив на їх роботу геометричних параметрів конструкцій та основних фізико – хімічних властивостей вимірювального середовища. Отримала подальший розвиток теорія динамічного врівноважування ЧЕ швидкісних ВПВПГ. Обґрунтовано і досліджені математичні моделі ТВПВ із динамічним врівноваженням ЧЕ, що враховують багато важливих факторів, які при звичайних інженерних розрахунках не беруться до уваги, а саме: вплив характеру розподілу швидкості потоку на вимірювальній ділянці, особливості взаємодії рідини з ЧЕ ТВПВ, взаємний вплив лопатей ЧЕ, прикордонний шар, що утворюється на стінках корпусу ТВПВ, ефекти зриву потоку та утворення рециркуляційних зон. Сформульована і розв’язана задача оптимізації параметрів конструкцій ТВПВ за допомогою комплексних алгоритмів оптимізаційних досліджень. Для оптимізації запропоновані такі критерії: отримання мінімальної відносної похибки ВПВПГ у всьому діапазоні вимірювання, середньоінтегральної відносної похибки ВПВПГ та мінімальної нелінійності градуювальної характеристики. На базі теоретичних і експериментальних досліджень розроблено систему оптимального проектування і на її основі створена методика проектування ТВПВ природного газу. Створена система дозволяє: вести пошук оптимальної конструкції ВПВПГ за заданими критеріями оптимальності; моделювати роботу ВПВПГ як в динамічному режимі за умови різного характеру зміни витрат, так і в статичному при зміні геометричних параметрів конструкції і властивостей вимірюваного середовища; визначати нелінійність градуювальних характеристик приладу; оцінювати чутливість метрологічних характеристик ТВПВ до зміни різних показників, що визначаються вихідними даними; формувати конструкцію ТВПВ шляхом оптимального підбору параметрів для конкретних умов їх використання. Визначена і розв’язана задача оптимізації вимірювальної ділянки ТВПВ на базі застосування чисельного експерименту з використанням СFD (Computational Fluid Dynamics) технологій . Визначена оптимальна форма вимірювальної камери та ЧЕ, які впливають на створення змінного по вісі лічильника статичного тиску. Це дає змогу ефективно організовувати баланс сил, які діють на ЧЕ і тим самим забезпечують його гідродинамічне врівноваження. Визначена оптимальна форма вимірювальної камери та ЧЕ, які впливають на створення змінного по вісі лічильника статичного тиску. Це дає змогу ефективно організовувати баланс сил, які діють на ЧЕ і тим самим забезпечують його гідродинамічне врівноваження Створено програмне забезпечення, яке дозволяє на етапі проектування здійснювати пошук оптимальної конструкції за багатьма критеріями та параметрами, моделювати роботу ВПВПГ з динамічно врівноваженими ЧЕ в умовах усталених та неусталених режимів, формувати конструкцію приладу для конкретних умов експлуатації. Розроблено проект технічних пропозицій макетного зразка нового ВПВПГ із динамічним врівноважуванням, які мають більш високі метрологічні характеристики у порівнянні з існуючими аналогами. Підготовлені рекомендацій зі створення узагальнених методик розробки ВПВПГ з використанням сучасних комп’ютерних технологій. Зміст та отримані результати виконаної роботи відповідають вимогам технічного завдання. Створено ВПВПГ, який має більш високі метрологічні характеристики у порівнянні з існуючими аналогами, а також за своїми експлуатаційними та технологічними показниками задовольняє вимогам, що висуваються до сучасних приладів та систем вимірювання витрат і кількості природного газу. Результати розробки можуть бути реалізовані при впроваджені систем енерго- та ресурсозбереження, а також при організації випуску приладів і систем контролю та обліку витрат газоподібних паливно-енергетичних ресурсів на приладобудівних підприємствах України, в відомствах Міністерств житлового комунального господарства, палива та енергетики, промполітики, структур нафтогазового комплексу. Користувачами результатів роботи можуть бути: приладобудівні підприємства України, Росії, Білорусі, Німеччини, Франції, Словаччини та інш. Результати роботи доцільно використовувати в житлово-комунальному господарстві, на підприємствах приладобудування, НАК „Нафтогаз України”, ДК”Укргазвидобування”, ВАТ”Укрнафта”, ВАТ” Укртранснафта”, ДАТ “Чорноморнафтогаз”, інших організаціях та підприємствах, функції яких пов’язані із видобуванням, переробкою, транспортуванням, збереженням та споживанням газопродуктів. газопереробної та хімічної галузей, які займаються розробкою та виробництвом приладів і систем обліку споживання та регулювання витрат газоподібних речовин різноманітного цільового призначення, а також - у навчальному процесі на кафедрі приладобудування НТУУ “КПІ” при проведенні лекційних, практичних і лабораторних робіт з дисциплін спеціальності “Прилади точної механіки” та при підготовці магістерських дисертаційних робіт, дипломних проектів спеціалістів і бакалаврів та курсових проектів. Ефект від впровадження результатів роботи полягає у випуску ТВПВ природного газу з високими метрологічними і експлуатаційними характеристиками, що дозволить створити ефективні системи їх збереження; в скороченні затрат (часових і матеріальних) на проведення науково-дослідницьких і дослідно-конструкторських робіт. При цьому значно зростає ефективність праці проектувальників, а економія коштів за рахунок отримання в такий спосіб нових конструкцій приладів з оптимальними конструктивними параметрами (при незмінній ідеї) і високими метрологічними та експлуатаційними показниками може скласти декілька мільйонів гривень на рік.