способ измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, характеризующийся тем, что из полости закрытого шарового крана создают контролируемое стационарное истечение газа через сообщающийся с полостью шарового крана патрубок, снабженный полнопроходным краном и оканчивающийся мерным звуковым соплом, и определяют расход газа при этом истечении, измеряют полное давление в полости шарового крана при контролируемом стационарном истечении газа из полости шарового крана и без истечения газа из полости закрытого шарового крана при закрытом полнопроходном кране, определяют давление на входе и на выходе из шарового крана, а перетечку газа через шаровой кран вычисляют по формуле

где q_n - величина перетечки, м³/сутки;

q_g - расход газа при контролируемом стационарном истечении, кг/с;

p_k* и p_k - полное давление в полости крана при контролируемом стационарном истечении газа и без истечения соответственно, МПа;

p₁ и р₂ - давление на входе и на выходе из шарового крана, МПа.

2. Устройство для реализации способа измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, характеризующееся тем, что оно состоит из сообщающегося с полостью шарового крана цилиндрического патрубка, снабженного полнопроходным краном и оканчивающегося мерным звуковым соплом с сужающимся входным и цилиндрическим выходным участками, содержит датчики для измерения давления на входе и на выходе из шарового крана и температурный датчик, включает установленный в цилиндрическом патрубке перед полнопроходным краном датчик для измерения полного давления в полости шарового крана, а цилиндрический выходной участок мерного звукового сопла снабжен датчиком для измерения статического давления.

3. Устройство по п.2, характеризующееся тем, что температурный датчик установлен на входе в шаровой кран или в цилиндрическом патрубке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, находящийся в процессе эксплуатации, в частности на линиях магистральных газопроводов.

Известен способ (а.с. СССР №1567899 от 21.03.88 г., кл. G 01 М 3/26) испытания двухполостного изделия на герметичность, позволяющий обеспечить испытание изделий типа кранов, в соответствии с которым в одной полости изделия создается избыточное контрольное давление, а в другой - вакуум, затем измеряется абсолютное изменение давления в полостях через время выдержки, после этого меняют давление на противоположное и повторно измеряют изменение абсолютного давления через то же время выдержки. О негерметичности изделия судят по наибольшей абсолютной величине изменения давления.

К недостаткам способа следует отнести необходимость вакуумирования полостей и создания в них избыточного давления, что приводит к необходимости проведения испытаний в стендовых условиях. Кроме этого известным способом невозможно измерить количество газа, перетекающего через закрытый негерметичный шаровой кран (из трубы на входе в кран в трубу на выходе из крана).

Следует отметить, что из уровня техники не известен способ, который можно было бы принять за аналог заявленного способа.

Известно устройство, представляющее из себя пробку, установленную на запорном кране шарового типа, которая применяется для осуществления истечения газа из полости крана (Г.В.Суховнин, Л.И.Борщенко. Опыт монтажа и эксплуатации импортных запорных кранов с шаровым затвором на магистральных газопроводах. Научно-технический обзор, серия «Транспорт и хранение газа». Изд. ВНИИЭГАЗПРОМ, Москва, 1976 г.). Характер истечения газа из полости крана при открытии пробки позволяет качественно оценить поступление газа в полость крана через негерметичные уплотнения.

Однако указанное устройство не позволяет не только количественно, но даже качественно оценить перетечку газа через закрытый шаровой кран.

Следует отметить, что из уровня техники не известно устройство, которое можно было бы принять за аналог заявленного устройства.

Задачей данного изобретения является создание способа измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, в условиях его эксплуатации без нарушения технологического процесса, а также создание устройства, с помощью которого может быть реализован этот способ.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении данного изобретения, заключается в увеличении производительности магистральных газопроводов за счет выявления и устранения негерметичных запорных шаровых кранов с большой величиной перетечки газа.

Указанный технический результат в части способа достигается тем, способ измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, характеризуется тем, что из полости закрытого шарового крана создают контролируемое стационарное истечение газа через сообщающийся с полостью шарового крана патрубок, снабженный полнопроходным краном и оканчивающийся мерным звуковым соплом, и определяют расход газа при этом истечении, измеряют полное давление в полости шарового крана при контролируемом стационарном истечении газа из полости шарового крана и без истечения газа из полости закрытого шарового крана при закрытом полнопроходном кране, определяют давление на входе и на выходе из шарового крана, а перетечку газа через закрытый шаровой кран вычисляют по формуле:

где q_n - величина перетечки, м³/сутки,

q_g - расход газа при контролируемом стационарном истечении, кг/с,

P_k* и p_k- полное давление в полости крана при контролируемом стационарном истечения газа и без истечения соответственно, МПа,

p₁ и р₂ - давление на входе и на выходе из шарового крана, МПа.

Указанный технический результат в части устройства достигается тем, что устройство для реализации способа измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, состоит из сообщающегося с полостью шарового крана цилиндрического патрубка, снабженного полнопроходным краном и оканчивающегося мерным звуковым соплом с сужающимся входным и цилиндрическим выходным участками, содержит датчики для измерения давления на входе и на выходе из шарового крана и температурный датчик, включает установленный в цилиндрическом патрубке перед полнопроходным краном датчик для измерения полного давления в полости шарового крана, а цилиндрический выходной участок мерного звукового сопла снабжен датчиком для измерения статического давления. Температурный датчик может быть установлен на входе в шаровой кран или в цилиндрическом патрубке.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 показана принципиальная схема шарового крана 1 с подсоединенным к нему заявленным устройством 2. На фиг.2 дана принципиальная схема устройства 2.

Устройство 2 состоит из цилиндрического патрубка 3 и установленного в нем полнопроходного крана 4, с помощью которого можно обеспечивать как режим контролируемого стационарного истечения газа из полости закрытого шарового крана 1, так и режим без истечения газа из полости закрытого шарового крана 1 (при закрытом полнопроходном кране). Цилиндрический патрубок имеет внутренний диаметр D, близкий к внутреннему диаметру дренажной трубки (на чертеже условно не показана) шарового крана 1. Входным концом цилиндрический патрубок ввертывают непосредственно в выходной кран (вентиль) дренажной трубки, а в случае, когда шаровой кран не снабжен дренажной трубкой, цилиндрический патрубок соединяется с полостью шарового крана через переходник, подсоединяемый к пробке шарового крана (на чертеже условно не показаны). Выходной конец цилиндрического патрубка снабжается мерным звуковым соплом 5 с сужающимся входным и цилиндрическим выходным участками. Сменные мерные звуковые сопла могут быть выполнены сменными с различными диаметрами D_c цилиндрического выходного участка.

Внутри цилиндрического патрубка перед полнопроходным краном и по направлению потока расположен датчик полного давления 6, снабженный штуцером, позволяющим подключить его к измерителю давления, например к манометру (измеренное с помощью датчика 6 полное давление считают равным давлению в полости шарового крана). На цилиндрической части мерного звукового сопла установлен датчик 7 - отверстие со штуцером - для измерения статического давления.

Устройство дополняется датчиками для измерения давления p₁ на входе в шаровой кран и для измерения давления р₂ на выходе из него и может быть дополнено температурным датчиком на входе в шаровой кран (условно не показаны).

На выходе из мерного звукового сопла 5 может быть установлен ряд сеток 8 для торможения струи газа и повышения безопасности обслуживания устройства. Если на входе в шаровой кран температура газа не измеряется, то в центре последней (по потоку) сетки размещают датчик температуры газа 9. Сетки должны устанавливаться от среза мерного звукового сопла на расстоянии 3-5 его диаметров для снижения нагрузок от воздействия струи. Рекомендуется количество сеток - 3, скважность сеток 0.5.

Если на выходе из мерного звукового сопла сетки не установлены и на входе в шаровой кран температура газа не измеряется, то температуру газа измеряют с помощью температурного датчика 10, размещенного в полости цилиндрического патрубка 3 на датчике полного давления 6.

Способ измерения количества газа (перетечки), протекающего через закрытый шаровой кран, осуществляют с помощью заявленного устройства следующим образом. Подсоединяют устройство 2 к полости закрытого шарового крана 1. Измеряют полное давление на входе и на выходе из шарового крана p₁ и р ₂ соответственно. Перекрывают полнопроходный кран 4 и измеряют полное давление газа в полости закрытого шарового крана в режиме без истечения газа из полости шарового крана (при закрытом полнопроходном кране). Открывают полнопроходный кран 4 и измеряют полное давление p* _k датчиком полного давления 6.

Определение расхода газа при контролируемом стационарном истечении q_g может быть осуществлено любым известным способом.

Перетечку вычисляют по зависимости (1).

Зависимость для определения величины перетечки следует из уравнений сохранения расхода и уравнений, связывающих расход газа q через уплотнения с давлением перед уплотнением и p_y1 и за уплотнением р_у2 , которые для каждого из уплотнений имеют вид:

Величина С, характеризующая сопротивление уплотнения, предполагается постоянной при всех давлениях для каждого из уплотнений. Указанные уравнения выписываются для режимов с контролируемом стационарном истечением из полости шарового крана и без истечения из него при закрытом полнопроходном кране. Из решения полученной системы уравнений определяют перетечку как расход газа через каждое уплотнение в режиме без контролируемого стационарного истечения газа из полости закрытого шарового крана.

При использовании предлагаемого устройства определение расхода газа при контролируемом стационарном истечении газа q_g может быть осуществлено любым известным образом, а также по сниже следующей методике.

На входе в шаровой кран, или в полости устройства температурным датчиком 10, или в струе, заторможенной на сетках, температурным датчиком 9 измеряют температуру торможения газа Т_о и статическое давление р_с в цилиндрической части мерного звукового сопла. В случае, если давление в мерном звуковом сопле равно атмосферному р_с=р_а , то расход q_g определяют по общеизвестным зависимостям для совершенного газа (с показателем адиабаты =1.3 для метана). В случае, если р_с>р_а в мерном звуковом сопле реализуется звуковой режим истечения. В этом случае определяют полную энтальпию газа Н₀ с помощью таблиц термодинамических функций для реального газа по температуре Т₀ и давлению, измеренному в той же точке. Затем, зная статическое давление р_с и полную энтальпию Н₀ и используя известное соотношение H₀ =H_c+a_c ²/2 по указанным таблицам определяют скорость звука a_с и плотность газа р _с. И наконец, зная площадь сечения сопла F_c, определяют контролируемый расход газа q_g по известной зависимости:

Для газа, в котором содержание метана не ниже 85%, расход q_g определяют по значениям F_c, р_с , и Н₀ с помощью зависимости (4), полученной путем аппроксимации табличных данных. Эта зависимость справедлива с погрешностью не выше 10% для p_k21 МПа при звуковом истечении из мерного звукового сопла.

где р_с - давление на выходе из сопла, МПа,

D_c - диаметр сопла, см,

Н₀ - полная энтальпия газа (абсолютное значение), кДж/кг.

В случае, когда измеряется температура Т₀ струи газа, заторможенной в атмосфере, полную энтальпию газа определяют по зависимости:

где Т₀ - температура заторможенной струи, °К.

Предлагаемый способ реализовывался с помощью опытного образца предлагаемого устройства в условиях эксплуатации шарового крана без нарушения технологического процесса, при этом контролируемое стационарное истечение газа осуществлялось через мерное звуковое сопло без сеток. В процессе испытаний реализовались звуковой и дозвуковой режимы истечения, температура измерялась на входе в кран, газ (метан) при рассматриваемых давлениях - совершенный газ.

В проведенных испытаниях опытный образец устройства подсоединялся к полости шарового крана через переходник, вворачиваемый в "пробку" крана "Борзиг", расположенную в верхней части крана. При смене сопел или установке заглушки сообщение с полостью крана прерывалось путем закрытия полнопроходного крана. При испытаниях использовались сопла: D_c=5 мм, 7 мм или 10 мм.

Температура газа на входе в кран измерялась штатным термометром. Результаты измерений перетечки показали, что предлагаемый способ и опытный образец устройства для контроля герметичности обеспечивают определение перетечек в диапазоне 200-500000 м³/сутки с погрешностью около 10%.