Введение

Автоматизация технологических процессов является одним из решающих факторов повышения производительности и улучшения условий труда. Все существующие и строящиеся промышленные объекты в той или иной степени оснащаются средствами автоматизации.

Проектами наиболее сложных производств, особенно в чёрной металлургии, нефтепереработке, химии и нефтехимии, на объектах производства минеральных удобрений, энергетики и в других отраслях промышленности, предусматривается комплексная автоматизация ряда технологических процессов.

Средства автоматизации применяются также на объектах жилищного строительства и социально-бытового назначения в системах кондиционирования воздуха, дымоудаления, энергоснабжения.

Автоматизация технологического процесса в деревообработке, является также перспективной. Например, автоматизация сушильной камеры, где качество изделия зависит от точного и своевременного регулирования основных параметров.

Задание на курсовое проектирование

Дана лесосушильная камера периодического действия , загружаемая материалом, который перемещается вилочным погрузчиком. Процесс сушки в ней протекает переодично.

Для расчёта САР регулируемым параметром служит температура сушильного агента давление пара.

Статические и динамические характеристики объекта автоматизации

Для заданного объекта необходимо:

Разработать функциональную схему автоматизации, выбрать приборы и средства автоматизации, составить спецификации на приборы и средства автоматизации.

Произвести инженерный расчёт системы автоматического регулирования для заданного параметра.

Разработать принципиальную схему автоматического регулирования для заданного параметра

Разработать общий вид щита

Разработать принципиальную схему питания с расчётом и выбором аппаратов управления и защиты.

Функциональная схема автоматизации

При проектировании систем автоматизации технологических процессов в лесной и деревообрабатывающей промышленности все технические решения по автоматизации станков, агрегатов или отдельных участков технологического процесса отображается на схемах автоматизации.

Схемы автоматизации являются основным техническим документом, который определяет структуру и функциональные связи между технологическим процессом, приборами, средствами контроля и управления и отражает характер автоматизации технологических процессов.

При разработке схем автоматизации технологических процессов необходимо решить следующие основные задачи:

сбор и первичная обработка информации;

представление информации диспетчеру;

контроль отклонений технологических параметров;

автоматическое и дистанционное управление;

Расчёт сужающего устройства.

Данные для расчета сужающего устройства.

2. Динамическая вязкость пара:

Поправочный множитель на расширение металла К t:

Внутренний диаметр трубопровода: D = D 20 К t = 150 1,0029 = 150,435 мм

В зависимости от максимального контролируемого расхода пара Q м max выбирается ближайшее большее число из чисел ряда Q пр:

Q м max = 7000 Þ Q пр = 8000 кг/ч

Выбранное число является верхним пределом измерения по шкале дифманометра-расходомера или измерительного прибора:

Определяем расчётную допустимую потерю давления:

р` п.д. = 0,085 × 0,784 =0,067 МПа = 67 кПа

Определим вспомогательную величину:

По вычисленному значению С и заданной величине р п.д найдём по номограмме искомое значение Dр н и приближённое значение m:

Dр н = 100 кПа

Re гр сопла = 10,5 · 10 4

Определим поправочный множитель e на расширение пара по номограмме представленной в методическом пособии:

;

10. Вычисляем вспомогательную величину ma:

11. Определяем модуль m и коэффициент расхода a по величине ma:

12. Определяем потерю давления на диафрагме по формуле:

Определяем по найденному значению m расчётный диаметр отверстия сужающего устройства в рабочих условиях:

По найденному размеру d с учётом коэффициента линейного расширения материала диафрагмы Kt:

Производится проверка расчёта:

Определяем погрешность расчёта:

Необходимо внести исправления в расчёт, т. к. δ > 0,2 %. Принимаем внутренний диаметр трубопровода d = 73 мм и повторяем расчёт:

Расчёт и выбор регулирующего органа.

Регулирующие органы являются основной частью регуляторов. Они предназначены для изменения расхода вещества, отводимого или подводимого к объекту регулирования. РО представляют собой переменные гидравлические сопротивления, устанавливаемые в трубопроводе. Дросселирование протекающего потока осуществляется при изменении проходного сечения дроссельного органа с помощью затвора. Регулирующие клапаны работают нормально, если пределы регулирования составляют от 10% до 90% от значения коэффициента пропускной спосоности клапана. Чем больше рабочий ход затвора, тем более плавно происходит регулирование.

Исходные данные для расчёта

Расчёт плотности перегретого пара по таблице представленной в методическом пособии:

ρ = 3,756 кг/м 3

Динамическая вязкость пара:

Определим число Рейнольдса, отнесённое к диаметру трубопровода при G min . Расчёт можно продолжить при условии Rе ³ 2000.

Определим коэффициент трения l для данного R e:

Определим суммарную длину трубопровода:

Определим среднюю скорость в паропроводе при G max:

Определим потери давления на трение в кПа в прямых участках паропровода при G max:

Определяем потери давления в местных сопротивлениях при G max.

Стандартные сужающие устройства могут применяться в комплекте с дифманометрами для измерения расхода и количества жидкостей, газов и пара в круглых трубопроводах (при любом их расположении), если их расчет, изготовление и установка выполнены в соответствии с ГОСТ 8.563.1-97 .

При необходимости использования сужающих устройств на трубопроводах меньшего диаметра они должны подвергаться индивидуальной градуировке, т.е. экспериментальному определению зависимости G =f(Δp).

В ГОСТ 8.563.1-97 даются восемь вариантов типов сужающих устройств: диафрагмы с угловым, фланцевым и трехрадиусным способами отбора давления, сопла ИСА 1932, трубы Вентури с обработанной и необработанной конической частью короткие и длинные, сопла Вентури короткие и длинные. Стандартные диафрагмы применяются при соблюдении условия 0,2 ≤ β ≤ 0,75, стандартные сопла - при 0,3 ≤ β ≤ 0,8 и сопла Вентури - при 0,3 ≤ β ≤ 0,75. Конкретный тип сужающего устройства выбирается при расчете в зависимости от условий применения, требуемой точности, допустимой потери давления.

Для соблюдения геометрического подобия сужающих устройств должны быть изготовлены в соответствии с требованиями ГОСТ 8.563.1-97, которые кратко рассмотрены применительно к наиболее распространенным сужающим устройствам - диафрагмам, изображенным на рис. 1. Торцы диафрагмы должны быть плоскими и параллельными друг другу. Шероховатость торца в пределах D должна быть не более 10 -4 d, выходной торец должен иметь шероховатость в пределах 0,01 мм. Если диафрагма служит для измерения расхода потока в обоих направлениях, то оба торца должны обрабатываться с шероховатостью не более 10 -4 d, коническое расширение в этом случае отсутствует и кромки с обоих сторон должны быть острыми с радиусом закругления не более 0,05 мм. Если радиус закругления не превышает 0,0004d, ТО поправочный множитель на неостроту входной кромки принимается равным единице. При d ≥ 125 мм это условие выполняется. Шероховатость поверхности отверстия не должна превышать 10 -5 d.

Толщина диафрагмы Е должна находиться в пределах до 0,05D толщина определяется из условия отсутствия деформации под воздействием Δр в при известном пределе текучести материала.

Длина цилиндрической части отверстия диафрагмы должна находиться в пределах от 0,005D до 0,02D, если толщина превышает последнюю цифру, то со стороны выходного торца делается коническая поверхность с углом конусности 45 ± 15°.

Рис. 1. :

а - через отдельные отверстия; б - из кольцевых камер (угловые методы); в - через отверстия во фланцах (фланцевый метод при l1 = l2 = 25,4 мм, трехрадиусный - при l1 = D и l2 = 0,5D)

Отбор давлений р1 и р2 при угловом способе осуществляется либо через отдельные цилиндрические отверстия (рис. 1, а), либо из двух кольцевых камер, каждая из которых соединяется с внутренней полостью трубопровода кольцевой щелью или группой равномерно распределенных по окружности отверстий (рис. 1, б). Конструкция отборных устройств для диафрагм и сопл одинакова. Сужающие устройства с кольцевыми камерами более удобны в эксплуатации, особенно при наличии местных возмущений потока, так как кольцевые камеры обеспечивают выравнивание давления по окружности трубы, что позволяет более точно измерять перепад давления при сокращенных прямых участках трубопровода.?

При фланцевом и трехрадиусном способах отбора давления перепад измеряется через отдельные цилиндрические отверстия, расположенные на расстоянии в первом случае l1 = l2 = 25,4 мм, а во втором l1 = D и l2 = 0,5D от плоскостей диафрагмы (рис. 1, в). Коэффициент истечения С зависит от способа отбора давления.

При установке сужающих устройств необходимо соблюдать ряд условий, влияющих на погрешность измерений.

Сужающее устройство в трубопроводе должно располагаться перпендикулярно оси трубопровода. Для диафрагм неперпендикулярность не должна превышать 1°. Ось сужающего устройства должна совпадать с осью трубопровода.

Участок трубопровода длиной 2D до и после сужающего устройства должен быть цилиндрическим, гладким, на нем не должно быть никаких уступов, а также заметных глазу наростов и неровностей от заклепок, сварочных швов и т.п.

Важным условием является необходимость обеспечения установившегося течения потока перед входом в сужающее устройство и после него. Такой поток обеспечивается наличием прямых участков трубопровода определенной длины до и после сужающего устройства. На этих участках не должны устанавливаться никакие устройства, которые могут исказить гидродинамику потока на входе или выходе сужающего устройства. Длина этих участков должна быть такой, чтобы искажения потока, вносимые коленами, вентилями, тройниками, смогли сгладиться до подхода потока к сужающему устройству. При этом необходимо иметь в виду, что более существенное значение имеют искажения потока перед сужающим устройством и значительно меньшее - за ним, поэтому задвижки и вентили, особенно регулирующие, рекомендуется устанавливать после СУ. Длина L K прямого участка перед сужающим устройством зависит от относительного диаметра

Диаметра трубопровода D и вида местного сопротивления, расположенного до прямого участка, L K1 /D = а к + b к ск, где а к, b к, с к - постоянные коэффициенты, зависящие от вида местного сопротивления. Их величина и наименьшие значения L K1 /D для девяти типов местных сопротивлений приведены в табл. 1.

Таблица 1. Наименьшие относительные длины линейного участка до диафрагмы

Допускается сокращение длины линейного участка после СУ вдвое, но при этом дополнительная погрешность к коэффициенту истечения составит ±0,5 %.

Необходимо, чтобы контролируемая среда заполняла все поперечное сечение трубопровода, причем фазовое состояние вещества не должно изменяться при прохождении через сужающее устройство. Конденсат, пыль, газы или осадки, выделяющиеся из контролируемой среды, не должны скапливаться вблизи сужающего устройства.

Дифманометр подключается к сужающему устройству двумя соединительными линиями (импульсными трубками ) внутренним диаметром не менее 8 мм. Допускается длина соединительных линий до 50 м, однако из-за возможности возникновения большой динамической погрешности не рекомендуется использовать линии длиной более 15 м.

Для правильного измерения расхода перепад давления на входе дифманометра должен быть равен перепаду давления, развиваемому сужающим устройством, т.е. перепад от сужающего устройства к дифманометру должен передаваться без искажения.

Это возможно в случае, если давление, создаваемое столбом среды в обеих соединительных трубках, будет одинаковым. В реальных условиях это равенство может нарушаться. Например, при измерении расхода газа причиной этого может быть скапливание конденсата в неодинаковом количестве в соединительных линиях, а при измерении расхода жидкости, наоборот, скапливание выделяющихся газовых пузырьков. Во избежание этого соединительные линии должны быть либо вертикальными, либо наклонными с уклоном не менее 1:10, причем на концах наклонных участков должны быть конденсато- или газосборники. Кроме того, обе импульсные трубки следует располагать рядом, чтобы избежать неодинакового нагрева или охлаждения их, что может привести к неодинаковой плотности заполняющей их жидкости и, следовательно, к дополнительной погрешности. При измерении расхода пара важно обеспечить равенство и постоянство уровней конденсата в обеих импульсных трубках, что достигается применением уравнительных сосудов.

К одному сужающему устройству может быть подключено несколько дифманометров. При этом допускается подключение соединительных линий одного дифманометра к соединительным линиям другого.

При измерении расхода жидкости дифманометр рекомендуется устанавливать ниже сужающего устройства 1, что исключает попадание в соединительные линии и дифманометр газа, который может выделиться из протекающей жидкости (рис. 2, а).

Рис. 2. Схема соединительных линий при измерении расхода жидкости с установкой дифманометра ниже (а) и выше (6) сужающего устройства :

1 - сужающее устройство; 2 - запорные вентили; 3 - продувочный вентиль; 4 - газосборники; 5 - разделительные сосуды

Для горизонтальных и наклонных трубопроводов соединительные линии должны подключаться через запорные вентили 2 к нижней половине трубы (но не в самой нижней части) во избежание попадания в линии газа или осадков из трубопровода. Если дифманометр все же устанавливается выше сужающего устройства (рис. 2, б), то в наивысших точках соединительных линий необходимо устанавливать газосборники 4 с продувочными вентилями. Если соединительная линия состоит из отдельных участков (например, при обходе какого-либо препятствия), то газосборники устанавливаются в наивысшей точке каждого участка. При установке дифманометра выше сужающего устройства трубки вблизи последнего прокладываются с Сообразным изгибом, опускающимся ниже трубопровода не менее чем на 0,7 м для уменьшения возможности попадания газа из трубы в соединительные линии. Продувка соединительных линий осуществляется через вентили 3.?

При измерении расхода агрессивных сред в соединительных линиях возможно ближе к сужающему устройству устанавливаются разделительные сосуды 5. Соединительные линии между разделительным сосудом и дифманометром, частично и сам сосуд заполнены нейтральной жидкостью, плотность которой больше плотности измеряемой агрессивной среды. Остальная часть сосуда и линии до сужающего устройства заполнены контролируемой средой. Следовательно, поверхность раздела контролируемой среды и разделительной жидкости находится внутри сосуда, причем уровни раздела в обоих сосудах должны быть одинаковыми.

Разделительная жидкость выбирается таким образом, чтобы она химически не взаимодействовала с контролируемой средой, не смешивалась с ней, не давала отложений и не была агрессивной по отношению к материалу сосудов, соединительных линий и дифманометра. Чаще всего в качестве разделительной жидкости используются вода, минеральные масла, глицерин, водоглицериновые смеси.

При измерении расхода газа дифманометр рекомендуется устанавливать выше сужающего устройства, чтобы конденсат, образовавшийся в соединительных линиях, мог стекать в трубопровод (рис. 3, а).

Рис. 3. Схема соединительных линий при измерении расхода газа с установкой дифманометра выше (а) и ниже (б) сужающего устройства :

1 - сужающее устройство; 2 - запорные вентили; 5 - продувочный вентиль; 4 - конденсатосборник

Соединительные линии нужно подключать через запорные вентили 2 к верхней половине сужающего устройства, их прокладку желательно производить вертикально. Если вертикальная прокладка соединительных линий невозможна, то их следует прокладывать с наклоном в сторону трубопровода или конденсатосборников 4. Подобные требования должны выполняться и при расположении дифманометра ниже сужающего устройства (рис. 3, б). При измерении расхода агрессивного газа в соединительные линии должны включаться разделительные сосуды.

При измерении расхода перегретого водяного пара неизолированные соединительные линии оказываются заполненными конденсатом. Уровень конденсата и его температура в обеих линиях должны быть одинаковыми при любом расходе.

Для стабилизации верхних уровней конденсата в обеих соединительных линиях вблизи сужающего устройства устанавливаются уравнительные конденсационные сосуды . Назначение уравнительных сосудов можно пояснить с помощью рис. 4.

Рис. 4. :

а-в - стадии измерения разности давлений

Предположим, что при отсутствии уравнительных сосудов и некотором расходе пара уровень конденсата в обеих импульсных трубках одинаков. При увеличении расхода на сужающем устройстве увеличивается перепад давления, заставляющий нижнюю мембранную коробку сжиматься, а верхнюю растягиваться (рис. 4, б). Из-за изменения объемов коробок в нижнюю, «плюсовую» камеру дифманометра будет затекать конденсат из «плюсовой» импульсной трубки, что приведет к понижению уровня в ней на величину h. Из верхней, «минусовой» камеры дифманометра конденсат будет выталкиваться в импульсную трубку и в паропровод, но высота столба конденсата останется неизменной. Образовавшаяся разница уровней конденсата создает перепад давления, уменьшающий перепад давления в сужающем устройстве. Таким образом, показания расходомера будут заниженными. Нетрудно заметить, что абсолютная погрешность измерения будет расти с увеличением изменений расхода.

Очевидно, что погрешность можно снизить уменьшением h. Для этого на концах импульсных трубок устанавливают уравнительные конденсационные сосуды (рис. 5) - горизонтально расположенные цилиндры большого сечения. Так как сечение этих сосудов велико, вытекание из них конденсата мало изменит его уровень, так что перепад, измеряемый дифманометром, можно считать равным перепаду в сужающем устройстве.

При измерении расхода пара дифманометр следует располагать ниже сужающего устройства 1 и уравнительных сосудов 2 (рис. 5, а) для облегчения удаления воздуха из соединительных линий.

Рис. 5. Схема соединительных линий при измерении расхода пара с установкой дифманометра ниже (а) и выше (б) сужающего устройства :

1 - сужающее устройство; 2 - уравнительные сосуды; 3, 4 - запорные и продувочные вентили; 5 - газосборник

Допускается дифманометр располагать выше сужающего устройства, но в верхней точке соединительных линий в этом случае необходимо устанавливать газосборники 5 (рис. 5, б), позиции 3,4 - запорные и продувочные вентили.

6.1. Задание
на курсовую работу по дисциплине
«Управление, сертификация и инноватика»
на тему: «Расчет измерительного устройства расхода среды»

1) Рассчитать диаметр нормальной диафрагмы, изготовленной из стали марки 1Х18Н9Т, для измерения массового расхода среды методом переменного перепада давления в соответствии с исходными данными, указанными в табл. 1. Номер варианта выбирается по последней цифре шифра студента.

2) Выполнить на листе формата А2 чертеж узла установки диафрагмы в измерительном трубопроводе и схему компоновки измерительного устройства для измерения перепада давления.

Таблица 6.1

Исходные данные для расчета

6.2. Порядок расчета сужающего устройства

Представляются исходные данные по заданному варианту:

а) измеряемая среда – …;

б) наибольший измеряемый массовый расход, кг/ч;

в) средний измеряемый массовый расход, кг/ч;

г) абсолютное давление среды перед сужающим устройством, кгс/см 2 (принять 1 кгс/см 2 = 0,1 МПа);

д) температура среды перед сужающим устройством, °C;

е) внутренний диаметр измерительного трубопровода перед сужающим устройством при температуре 20 °C: D 20 = … мм;

ж) допустимая потеря давления при расходе, равном Q max , = … мм вод. ст.;

з) материал трубопровода – сталь марки …

6.2.1. Определение недостающих для расчета данных

1. Плотность среды при рабочих условиях (определяется по табл. П.1 или П.2):

r = … кг/м 3 .

2. Динамическая вязкость среды (для воды – табл. П.3, для пара – рис. П.1):

m = … кгс×с/м 2 .

3. Поправочный множитель на тепловое расширение материала трубопровода (рис. П.2):

4. Внутренний диаметр трубопровода в рабочих условиях:

, мм.

5. Показатель адиабаты (определяется для водяного пара по графику – рис. П.3):

6.2.2. Выбор сужающего устройства и дифманометра

6. В качестве сужающего устройства выбираем нормальную камерную диафрагму, изготовленную из стали 1Х18Н9Т.

7. Для измерения перепада давления принимаем дифманометр или преобразователь перепада давления (указать тип и модель дифманометра или преобразователя перепада давления – см. табл. П.4, или П.5, или П.6 – по выбору).

8. Верхний предел измерения дифманометра (выбирается по стандартному ряду, см. рекомендации в приложении):

Q п = …, кг/ч.

6.2.3. Расчет

9. Предельный номинальный перепад давления дифманометра (выбирается по стандартному ряду, см. рекомендации в приложении):

= …, кгс/см 2 = …, кгс/м 2 .

10. Вспомогательная величина ma:

,

Расчет расходомеров переменного перепада давления сводится к определению диаметра отверстия и других размеров сопла или диафрагмы, коэффициента расхода, динамического диапазона из­мерения, определяемого числами Рейнольдса, перепада давления и потерь давления на сужающем устройстве, поправочного мно­жителя на расширение, а также погрешности измерения расхода газа. Для расчета должны быть заданы максимальный (предель­ный), средний и минимальный расходы, диапазоны изменения дав­ления и температуры газа, внутренний диаметр и материал изме­рительного трубопровода, состав газа или его плотность при нор­мальных условиях, допустимые потери давления или предельный перепад давления, соответствующий максимальному расходу, а также среднее барометрическое давление в месте установки дифманометра-расходомера.

Методика расчета. Перед началом расчета выбираем типы и классы точности дифманометра-расходомера, манометра и термо­метра. Расчет проводится следующим образом.

1. Определяем округленный до трех значащих цифр вспомога­тельный коэффициент С при подстановке в нее значения максимального (предельного) расхода Q н. пр , темпера­туры и давления, плотности газа при нормальных условиях ρ н , коэффициента сжимаемости Z и диаметра измерительного трубо­провода D :

При найденном значении С возможны два вида расчета: по заданному перепаду давления или по заданным потерям давления. Если задан предельный перепад давления Δр пр , то по номограмме рис. 8.11 определяем предварительное относительное сужение m (модуль) сужающего устройства по найденному коэффициенту С и заданному предельному перепаду давления на сужающем устройстве Δр пр , . Найденное предварительное значение модуля m подставляем в формулу по определению тα и вычисляем предварительный коэффициент расхода α .

2. Вычисляем с точностью до четырех значащих цифр вспомогательный коэффициент mα

где ε - поправочный множитель на расширение газа для верхнего предельного перепада давле­ния дифманометра Δр пр , ; Δр пр , - верхний предельный перепад дав­ления на сужающем устройстве, кгс/м 2 .

3. Определяем уточненное значение модуля m с точностью до четырех значащих цифр по формуле

m = mα/α .

4. По уточненному значению модуля m нахо­дим новое значение поправочного множителя на расширение и вычисляем разность между

первоначально вычисленным значени­ем ε и уточненным. Если эта разность не превышает 0,0005, то вычисленные значения m и ε считаются окончательными.

5. Определяем диаметр d отверстия диафрагмы при оконча­тельно выбранном m

6. Найденные значения коэффициентов расхода α , поправоч­ного множителя на расширение ε , диаметра d отверстия диафраг­мы, а также Δр пр , р 1 , Т 1 , р н и Z используем для определения расхода газа и проверяем расчет пре­дельного расхода газа Q н. пр . Полученное значение Q н. пр . не долж­но отличаться от заданного более чем на 0,2 %. Если найденное значение предельного расхода газа отличается от заданного бо­лее чем на 0,2 %, то расчет повторяется до получения требуемой погрешности расчета предельного расхода газа и параметров диа­фрагмы.

7. Определяем новые уточненные значения модуля m , диамет­ра d отверстия диафрагмы, а также коэффициента расхода α и повторно рассчитываем. Если уточненное расчетное значение предельного расхода газа не отличается от за­данного более чем на 0,2 %, то уточненные значения m , d и α , фик­сируются в расчетном листе сужающего устройства.

8. Рассчитываем минимальное и максимальное числа Рейнольдса и сравниваем минимальное число Рейнольдса с граничными значениями

9. Определяем толщину диафрагмы Е , ши­рину цилиндрической части диафрагмы е ц , ши­рину кольцевой щели с , а также размеры коль­цевых камер a и b .

10. Выбираем длины прямых участков измерительных трубо­проводов до и после диафрагмы.

11. Рассчитываем погрешность измерения расхода

Полученные данные фиксируются в расчетном листе сужающего устройства и являются основой для его изготовления и мон­тажа.

Пример 9.3.3. Рассмотрим расчет диафрагмы при следующих исходных данных. Измеряемая среда - природный углеводородный газ с плотностью при нормальных условиях ρ н =0,727 кг/м 3 . Наибольший измеряемый (предельный) расход газа, приведенный к нормальным условиям, Q н.пр. = 100000 м 3 /ч, средний Q н.ср. =60000 м 3 /ч, минимальный, Q н. min =30000 м 3 /ч. Температура газа перед сужающим устройством Т 1 =278 К. Избыточное давление газа перед сужающим устройством р 1 изб = 1,2 МПа=12 кгс/см 2 . Предельный перепад давления на сужающем уст­ройстве (диафрагме) Δp пр =2500 кгс/м 2 =0,25 кгс/см 2 . Среднее барометрическое давление р б =0,1 МПа = 1 кгс/см 2 . Внутренний диаметр трубопровода перед ди­афрагмой D = 400 мм. Вязкость газа в рабочих условиях μ =1,13·10 -6 кгс·с/м 2 .

Перед диафрагмой находятся местные сопротивления в виде входного кол­лектора с двумя коленами, расположенными в разных плоскостях, и входной отсекающий кран. 3a диафрагмой установлена гильза термометра и выходной кран. Допустимая погрешность от неучета длин прямых участков до и после диафрагмы δ α L не должна превышать 0,3 %. Отбор давлений от диаф­рагмы - угловой. Внутри прямого участка измерительного трубопровода на рас­стоянии l =2 м имеется выступ от стыковки труб высотой h =1 мм. Эксцентриси­тет оси отверстия диафрагмы и измерительного трубопровода е =2 мм.

Приведенные погрешности δ пп и δ пк пропорционального и корневого пла­ниметров одинаковы и не превышают 0,5 % Абсолютные погрешности хода диаграмм дифманометра, манометра и термометра Δτ Δр , Δτ Δр , Δτ р и Δτ Т не превышают 2 мин.

Порядок расчета

1. В качестве сужающего устройства выбираем диафрагму (рис. 9.10, а) из нержавеющей стали марки Х17. В качестве вторичного измерительного прибора выбран сильфонный самопишущий дифманометр типа ДСС-734 класса точности 1,5 с предельным перепадом давления Δр пр = 2500 кгс/м 2 , имеющий дополнительную запись давления класса точности 1,0 с предельным давлением р пр = 25 кгс/см 2 . Для записи температуры газа выбран самопишущий манометрический термометр типа ТЖ класса точности 1,0 с пре­делом измерения от -50 до 50 °С.

2. Определяем абсолютное давление газа перед сужающим устройством по формуле:

p 1 = p 1 изб +p б = 1,2+0,1 = 1,3 МПа=13 кгс/см 2

3. При ρ н =0,727 кг/м 3 коэффициент сжимаемости природного газа будет 0,974.

4. Определяем вспомогательный коэффициент С по формуле:

5. При известном коэффициенте С =11,530 и предельном перепаде давления Δр пр = 2500 кгс/м 2 по фрагменту номограммы, рис. 9.11, определяем численное значение модуля диафрагмы m и необратимые поте­ри давления на диафрагме р п .

Для получения значения модуля т и потерь давления р п откладываем на ось абсцисс номограммы С =11,530 и восстанавливаем перпендикуляр до пере­сечения в точке А с кривой 1, соответствующей предельному перепаду давления Δр пр =2500 кгс/м 2 . Наклонная прямая 2, проходящая через точку А, соответст­вует значению искомого модуля диафрагмы m =0,356. Проведя из точки А горизонтальную прямую до пересечения с осью ординат, получаем значение необра­тимых потерь давления р п на диафрагме, равное 0,16 кгс/см 2 .

6. Рассчитаем минимальное число Рейнольдса Re min , соот­ветствующее минимальному расходу газа Q н. min =30000 м 3 /ч, т. е.

Re min = 0,0361 Q н. min ρн /(Dμ m ах ) = 0,0361·30000 ×

× 0,727/(400·1,13·10 -6) = 1,74·10 6 .

Такое значение минимального числа Рейнольдса удовлетворяет условию.

Рис. 9.11. Фрагмент номограммы для С =f (Δp пр , т , р п ).

8. Определяем значение коэффициента адиабаты х в рабочих условиях при p 1 = 13 кгс/см 2 и Т =278 К:

х = 1,29 + 0,704·10 -6 р 1 = 1,29 +

0,704· 10 -6 · 13 = 1,29 + 0,088 = 1,378.

9. Рассчитаем предварительное значение поправочного множителя на расширения ε при известном предварительном значении модуля m =0,356, коэффициенте адиабаты х = 1,378, предельном перепаде давления Δр пр =0,25 кгс/см 2 и давлении p 1 = 13 кгс/см 2:

ε = 1 - (0,41 + 0,35m 2) Δр пр /(x Р 1) = 1 - (0,41 + 0,35 · 0,356 2) ×

× 0,25/(1,378·13)= 1 - 0,454·0,0140 = 0,99.

10. Вычисляем вспомогательный коэффициент mα при С = 11,530, ε =0,99 и Δр пр =2500 кгс/м 2:

mα = С/(ε ) = 11,530/(0,99 ) = 0,2329.

11. Определяем уточненное значение модуля m при mα =0,2329 и α =0,6466:

m = mα/α = 0,2329/0,6466 = 0,36.

12. При новом уточненном значении m =0,36 коэффициент расхода α равен

α = (1/ ) {0,5959 + 0,0312·0,36 1,05 -0,1840·0,36 4 +

0,0029·0,36 1,25 0,75 } = 1,0715(0,5959 + 0,01067 -

0,00309 + 0,0001324) = 0,6468.

13. При m =0,36 диаметр отверстия диафрагмы

d = = 400 = 240 мм.

14. Подставляем в формулу найденные значения d =240 мм, α =0,6468, ε = 0,99, Δр пр =2500 кгс/м 2 , p 1 = 13 кгс/см 2 , T 1 = 278 К, ρ н =0,727 кг/м 3 и Z =0,974:

Q н.пр = 0,2109αεd 2 = 0,2109·0,6468·0,99·240 2 ×

× = 7778,64·12,85 = 99955,6 м 3 /ч.

15. Находим погрешность расчета максимального расхода газа ΔQ по фор­муле:

Погрешность расчета ΔQ =0,04 % <0,2 %, что вполне допустимо. Здесь Q расч - уточненное расчетное значение максимального (предельного) расхода газа, м 3 /ч. Так как погрешность расчета 0,04 % вполне допустима, окончательно принимаем следующие параметры измерительной диафрагмы. Диаметр отверстия диафрагмы d =240 мм, коэффициент расхода α =0,6468 и модуль m =0,36.

16. Рассчитаем максимальное число Рейнольдса Re ma x , соответствующее предельному (максимальному) расходу газа Q н.пр = 100000 м 3 /ч:

Re max = 0,0361Q н.пр ρ н /(Dμ ) = 0,0361·100000×

×0,727/(400·1,13·10 -6) =2,64·10 6 .

17. Принимаем толщину диска диафрагмы Е =0,05 D .Тогда Е =0,05-400=20 мм. Ширину цилиндрической части отверстия диафрагмы е ц (рис.

9.10, а), которая затем переходит в коническую выходную часть, выбираем из соотношения 0,005 D 0,02 D . Приняв е ц =0,02 D , получаем, что е ц =0,02∙400=8 мм. Угол скоса конической выходной части диафрагмы q должен быть не менее 30 и не более 45°. Принимаем угол скоса .

18. Ширина кольцевой щели c , соединяющей камеры отбора давлений с трубопроводом, не должна превышать 0,03 D при т ≤ 0,45. В этом случае

19. Размеры сечений камер для отбора давлений a и b выбираем из условия:

Приняв b = 1,5a , получаем, что а ≥ 70,8 мм, а b ≥ 1,5а ≥ мм. Толщина h стенки корпуса камеры должна быть не менее 2 с , т. е.

20. Определяем длины прямых участков измерительного трубопровода перед диафрагмой L 1 и L 2 и после диафрагмы l 1 и l 2 исходя из заданной погрешности . Перед диафрагмой согласно условию находится два местных сопротивления. Наиболее удаленное от диафрагмы - входной патрубок с двумя коленами, расположенными в разных плоскостях, а ближайшее к диафрагме - входной кран. За диафрагмой находится гильза термометра и выходной кран. Определяем минимальное расстояние L 2 /D между входным патрубком с группой колен, расположенных в разных плоскостях и входным краном. При указанном расположении местных сопротивлений получаем, что L 2 /D= 30. При D =400 мм = 0,4 м

.

Минимальное расстояние L 2 /D между входным краном и диафрагмой, при модуле m =0,36 и заданной погрешности δ а L = 0,3 % равно 20. При L 2 /D =20

Расстояние l 1 от выходного торца диафрагмы до гильзы термометра должно быть более 2 D , т. е.

Определяем минимальное расстояние l 2 от выходного торца диафрагмы до выходного крана. При m =0,36

С учетом выполненных расчетов длины прямых участков измерительного трубопровода (рис. 9.10, а) имеют следующие размеры: L 1 =8 м, L 2 =12 м, l 1 =0,8 м и l 2 =2,8 м.

Расчет погрешности измерения расхода газа . Для расчета погрешности измерения расхода сухого газа выпишем исходные данные,

полученные при расчёте сужающего устройства (диафрагмы), а также определим ряд дополнительных данных. При диаметре трубопровода D = 400 мм, модуле m =0,36 и минимальном числе Рейнольдса Re min =1,74∙10 6 , исходя из условий, указанных в настоящей главе, можно принять, что и . При измерении фактических размеров измерительного трубопровода и диафрагмы было получено, что высота уступа внутри прямого участка трубопровода перед диафрагмой при стыковке труб h =1 мм на расстоянии l =2 м от диафрагмы, а эксцентриситет оси отверстия диафрагмы и измерительного трубопровода е =2 мм. При выбранных длинах прямых участков перед диафрагмой L 1 =8 м и L 2 =12 м и модуле m =0,36 значение погрешности δ а L = 0,3 %. При высоте уступа L =1 мм и диаметре D =400 мм находим, что:

При меньше 0,3% можно принять, что δ а L =0. При эксцентриситете е =2 мм проверяем выполнение условий:

Из указанных условий видно, что фактическое значение эксцентриситета е =2мм удовлетворяет условию, в связи с чем, погрешность от влияния эксцентриситета . Подставив полученные данные в формулу, получаем погрешность определения коэффициента расхода а .