Разработка измерительных преобразователей расхода природного газа с использованием компьютерных технологий параметрического моделирования

Работа направлена на решение задач разработки современных измерительных преобразователей расхода природного газа (ИПРПГ) для: измерения расхода и количества природного газа в системах технологической подготовки и транспортирования природного газа; измерения расходов природного газа в коммунальном хозяйстве с целью коммерческого его учета при определении размера возмещений за предоставление соответствующих услуг; измерения расходов природного газа при техническом учете в технологическом процессе соответствующих производств.

Проведена оценка современного состояния и определены тенденции развития методов измерения расхода и количества природного газа; проанализированы и разработаны технические требования к современным ИПРПГ; приведена оценка их технических возможностей при реализации конкретных приборов в соответствии с выдвинутыми требованиями. Определена и проанализирована совокупность наиболее важных критериев оценки эффективного использования различных по принципу действия ИПРПГ для создания приборов учета расхода и количества с высокими метрологическими и эксплуатационными характеристиками. Анализ современных методов, приборов и систем измерения расхода природного газа показывает, что заданным требованиям и условиям измерений расхода газообразных топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) в быту и промышленности, наиболее полно соответствуют такие методы: скоростной (с аксиальными турбинными чувствительными элементами), ультразвуковой и вихревой. Широко распространены сегодня скоростные ИПРПГ с аксиальной турбиной. Проведенный анализ показал, что основным недостатком таких турбинных измерительных преобразователей расхода (ТИПР) является трение в опорах чувствительного элемента (ЧЭ), являющееся причиной нестабильности их работы и метрологических характеристик. Для улучшения метрологических и эксплуатационных характеристик ТИПР предложена новая конструкция счетчика с динамическим уравновешиванием ЧЭ. В результате проведенных исследований и анализа методов разгрузки опор ЧЭ ТИПР разработана классификация указанных методов.
Разработана математическая модель функционирования ИПРПГ, которая учитывает взаимосвязь потока измеряемой среды, проточной части (измерительной камеры) и ЧЭ на основе его взаимодействия с телами сложной формы и дальнейшим решением вопросов оптимального проектирования таких приборов с применением современных компьютерных технологий параметрического моделирования. В процессе разработки математической модели получены и исследованы аналитические зависимости динамических и статических характеристик ТИПР. Оценено влияние на их работу геометрических параметров конструкций и основных физико-химических свойств измеряемой среды.

Сформулирована и решена задача оптимизации параметров конструкций ТИПР с помощью комплексных алгоритмов оптимизационных исследований. На базе теоретических и
экспериментальных исследований разработана система оптимального проектирования, ставшая основой для создания методики проектирования ТИПР природного газа. Разработанная система позволяет: вести поиск оптимальной конструкции ИПРПГ по заданным критериям оптимальности; моделировать работу ИПРПГ как в динамическом режиме при условии различного характера изменения расхода, так и в статическом, при изменении геометрических параметров конструкции и свойств измеряемой среды; определять нелинейность градуировочных характеристик прибора; оценивать чувствительность метрологических характеристик ТИПР к изменению различных показателей, определяемых исходными данными; формировать конструкцию ТИПР путем подбора оптимальных значений проектных параметров для конкретных условий их использования.
Создано программное обеспечение, позволяющее на этапе проектирования осуществлять поиск оптимальной конструкции по многим критериям и параметрам, моделировать работу ИПРПГ с динамически уравновешенным ЧЭ в условиях установившихся и неустановившихся режимов, формировать конструкцию прибора для конкретных условий эксплуатации.

Используя полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований, разработан проект технических предложений макетного образца нового ИПРПГ с динамическим уравновешиванием ЧЭ, имеющего более высокие метрологические характеристики по равнению с существующими налогами. Подготовлены рекомендации по созданию обобщенных методик проектирования ИПРПГ с использованием современных компьютерных технологий.