Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СКОРОСТИ ПОТОКА ТЕКУЧЕЙ СРЕДЫ

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится к области измерения параметров потока текучей среды, протекающей по трубопроводу. В частности, изобретение может использоваться для измерения скорости потока текучих сред, таких как нефть, газ, вода или их комбинации.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известны устройства для измерения скорости текучих сред.

Известным из уровня техники решениям присущи недостатки, вызванные наличием турбулентного потока в зоне измерения, в результате чего точность измерений снижается.

Для уменьшения влияния турбулентности потока в зоне измерения рекомендуется монтировать расходомер на прямолинейных участках без изменения сечения на протяжении 5…10 диаметров трубы до и после расходомера. Однако наличие таких больших прямолинейных участков требует значительных материальных затрат и отведения дополнительного пространства для обустройства таких прямолинейных участков. Более того, точность поддержания прямолинейности на всем этом участке также должна быть соблюдена. На трубопроводах малых диаметров прямолинейность в большинстве случаев обеспечивается автоматически. Но с увеличением диаметра трубопровода соблюсти и проконтролировать необходимую прямолинейность становится все труднее. Также на точность измерений расходомера влияют низкочастотные периодические колебания, связанные с колебаниями гидростатического напора, например колебания, обусловленные наличием перекачивающей станции.

Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является техническое решение согласно RU 2011109911, где предложено ультразвуковое измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды, текущей в трубопроводе в основном направлении потока, причем ультразвуковое измерительное устройство имеет область ультразвуковых измерений, по меньшей мере, с одной парой ультразвуковых преобразователей, блок обработки данных для определения скорости потока по разности времени прохождения ультразвука, излученного и принятого по потоку и против потока, и отклоняющий узел, посредством которого текучая среда может быть отклонена от основного направления потока и подана в область ультразвуковых измерений, отличающееся тем, что отклоняющий узел образует петлю.

В решении RU 2011109911 для исключения влияния турбулентности на определение параметров потока в качестве средства для устранения турбулентности предложена конструкция расходомера с отклоняющим узлом в виде петли. Поток текучей среды, проходя по петле, которая является гладкой и не имеет резких изменений в направлении или сужений, принимает однородные характеристики профиля потока, в результате чего помехи, вызванные турбулентностью, устраняются, а точность измерений повышается.

Однако в решении RU 2011109911 на всех стадиях производства должна быть соблюдена высокая геометрическая точность исполнения деталей отклоняющего узла в виде петли. Более того, предложенная конструкция расходомера не позволяет исключить влияние низкочастотных периодических колебаний, связанных с колебаниями гидростатического напора, например, от работы насоса.

С целью преодоления вышеуказанных недостатков предложено измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в трубопроводе в основном направлении потока, содержащее соединенный с трубопроводом отклоняющий узел, выполненный с возможностью отклонения потока текучей среды от оси основного направления потока трубопровода и направления потока в измерительный участок, при этом отклоняющий узел представляет собой герметичный резервуар, имеющий входную часть, соединенную с входным трубопроводом, выходную часть, соединенную с выходным трубопроводом, и отклоняющую часть, соединенную с входной частью и выходной частью, и содержащий трубчатый элемент, расположенный, по меньшей части частично, в отклоняющей части и выходной части, причем трубчатый элемент имеет измерительный участок, снабженный средствами измерения скорости потока текучей среды, и соединительный участок, соединяющий трубчатый элемент с выходным трубопроводом, причем отношение площади поперечного сечения каждой из входной части, выходной части и отклоняющей части к площади поперечного сечения трубопровода составляет от 1:1 до 4:1.

Заявленное решение позволяет исключить использование геометрически сложных элементов отклоняющего узла, а также благодаря наличию герметичного резервуара позволит устранить влияние низкочастотных периодических колебаний, связанных с колебаниями гидростатического напора. Более того, предложенное решение позволит отказаться от использования длинных прямолинейных участков и, соответственно, снизит материальные затраты и уменьшит необходимое пространство для обустройства прямолинейных участков.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Измерительное устройство для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в трубопроводе в основном направлении потока, содержащее соединенный с трубопроводом отклоняющий узел, выполненный с возможностью отклонения потока текучей среды от оси основного направления потока трубопровода и направления потока в измерительный участок, при этом отклоняющий узел представляет собой герметичный резервуар, имеющий входную часть, соединенную с входным трубопроводом, выходную часть, соединенную с выходным трубопроводом, и отклоняющую часть, соединенную с входной частью и выходной частью, и содержащий трубчатый элемент, расположенный, по меньшей части частично, в отклоняющей части и выходной части, причем трубчатый элемент имеет измерительный участок, снабженный средствами измерения скорости потока текучей среды, и соединительный участок, соединяющий трубчатый элемент с выходным трубопроводом, причем отношение площади поперечного сечения каждой из входной части, выходной части и отклоняющей части к площади поперечного сечения трубопровода составляет от 1:1 до 4:1.

При этом входная часть содержит входное отверстие, соединенное с входным трубопроводом.

При этом выходная часть содержит выходное отверстие, соединенное с выходным трубопроводом.

При этом герметичный резервуар выполнен в форме многогранника, тела вращения или их комбинации.

Причем герметичный резервуар выполнен с возможностью отклонения потока текучей среды от оси основного направления потока на угол от 10° до 170° и предпочтительно на угол 90°.

В соответствии с одним вариантом осуществления входное отверстие и выходное отверстие находятся на противоположных сторонах резервуара относительно оси основного направления потока, предпочтительно входное отверстие и выходное отверстие находятся на одной оси с осью основного направления потока.

Поперечное сечение трубчатого элемента может иметь форму, выбранную из группы, содержащей: круг, овал, квадрат, прямоугольник, многоугольник, криволинейную форму или их комбинацию.

При этом трубчатый элемент имеет криволинейную форму в продольном направлении.

В соответствии с вариантами выполнения трубчатый элемент может иметь площадь поперечного сечения, по существу равную площади поперечного сечения трубопровода, или трубчатый элемент может иметь площадь поперечного сечения больше, чем площадь поперечного сечения трубопровода или меньше, чем площадь поперечного сечения трубопровода.

В одном варианте осуществления измерительный участок трубчатого элемента находится под углом от 10° до 170° к соединительному участку трубчатого элемента.

Один конец трубчатого элемента, к которому примыкает измерительный участок, является открытым, а другой конец на соединительном участке через выходное отверстие резервуара соединен с трубопроводом, при этом измерительный участок трубчатого элемента проходит параллельно боковым стенкам резервуара и находится под углом предпочтительно 90° к соединительному участку трубчатого элемента.

Измерительный участок трубчатого элемента может быть длиннее, чем соединительный участок или короче, чем соединительный участок.

Длина измерительного участка может быть равна длине соединительного участка.

Поток текучей среды может быть потоком, содержащим газ, нефть, воду или их комбинации.

Герметичный резервуар может быть дополнительно снабжен по меньшей мере одним успокоителем потока.

Причем в измерительном устройстве входная часть представляет собой соосный трубопроводу входной патрубок резервуара, соединенный с входным трубопроводом, выходная часть представляет собой соосный трубопроводу выходной патрубок резервуара, соединенный с выходным трубопроводом, а отклоняющая часть выполнена в виде расположенной между входным патрубком резервуара и выходным патрубком резервуара цилиндрообразной выступающей части, имеющей закрытый конец.

Причем в измерительном устройстве входной патрубок, выходной патрубок и цилиндрообразная выступающая часть имеют одинаковую площадь поперечного сечения.

Причем в измерительном устройстве расстояние между точкой присоединения входного трубопровода к входному патрубку и точкой присоединения выходного трубопровода к выходному патрубку равно от 2 до 4 диаметров трубопровода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР

Фиг.1 - вариант осуществления отклоняющего узла с герметичным резервуаром, установленным под углом 90°.

Фиг.2 - вариант осуществления отклоняющего узла с герметичным резервуаром, установленным под углом, отличным от 90°.

Фиг.3 - вариант осуществления отклоняющего узла с герметичным резервуаром, в котором входное отверстие и выходное отверстие герметичного резервуара расположены на противоположных сторонах резервуара, причем входное отверстие расположено выше выходного отверстия.

Фиг.4 - вариант осуществления отклоняющего узла с герметичным резервуаром, установленным под углом 90° к оси трубопровода, и в котором измерительный участок не параллелен боковым стенкам резервуара и находится под углом к соединительному участку, отличным от 90°.

На Фиг.5 представлен вариант осуществления, в соответствии с которым длина измерительного участка больше, чем длина соединительного участка, причем ось трубчатого элемента смещена относительно центральной оси герметичного резервуара.

На Фиг.6 представлен вариант осуществления, в соответствии с которым длина измерительного участка короче, чем длина соединительного участка.

На Фиг.7 представлен вариант осуществления, в соответствии с которым длина измерительного участка по существу равна длине соединительного участка.

На Фиг.8 представлен вариант осуществления, в котором трубчатый элемент (107) имеет площадь поперечного сечения, по существу равную площади поперечного сечения трубопровода (101).

На Фиг.9 представлен вариант осуществления, в котором трубчатый элемент (107) имеет площадь поперечного сечения больше площади поперечного сечения трубопровода (101).

На Фиг.10 представлен вариант осуществления, в котором трубчатый элемент (107) имеет площадь поперечного сечения меньше площади поперечного сечения трубопровода (101).

В соответствии с вариантом осуществления, предложенным на Фиг.11, герметичный резервуар (104) дополнительно снабжен успокоителем потока (111).

На Фиг.12 представлен вариант осуществления, в котором входная часть (105) представляет собой соосный трубопроводу входной патрубок резервуара, соединенный с входным трубопроводом (101), выходная часть (106) представляет собой соосный трубопроводу выходной патрубок резервуара, соединенный с выходным трубопроводом (111), а отклоняющая часть выполнена в виде расположенной между входным патрубком резервуара и выходным патрубком резервуара цилиндрообразной выступающей части (115), имеющей закрытый конец.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг.1 представлено измерительное устройство (100) для измерения скорости потока текучей среды, протекающей в трубопроводе (101), (111) в основном направлении потока, показанном стрелкой. Измерительное устройство содержит соединенный с трубопроводом отклоняющий узел (102), выполненный с возможностью отклонения текучей среды от оси основного направления потока трубопровода и направления потока в измерительный участок (103). Предпочтительно отклоняющий узел установлен под углом 90° к оси основного направления потока.

На Фиг.2 представлен вариант осуществления, в котором отклоняющий узел (102) установлен под углом к оси основного направления потока, текущего по трубопроводу (101), (111), что позволит отклонять поток на угол от 10° до 170°.

Со ссылкой на Фиг.1 отклоняющий узел представляет собой герметичный резервуар (104), установленный по потоку текучей среды. Герметичный резервуар может быть выполнен в виде многогранника или в виде любого тела вращения, предпочтительно герметичный резервуар может представлять собой удлиненный цилиндр, торцевые стороны которого имеют поверхность тела вращения, в частности являются частью шара. Герметичный резервуар может состоять из нескольких частей, например, может представлять собой комбинацию многогранника и тела вращения, соединенных между собой резьбой или болтовым соединением.

Герметичный резервуар можно получить любым известным из уровня техники способом, например сваркой, ковкой или штамповкой из стального листа. Более того, герметичный резервуар может быть также выполнен из любого подходящего материала, выдерживающего давление текучей среды и имеющего достаточную коррозионную стойкость, например, он может быть выполнен из полимерного или композитного материала.

Отношение между линейным размером поперечного сечения трубопровода, в частности диаметром трубопровода, и высотой герметичного резервуара составляет от 1:2 до 1:20, предпочтительно 1:10.

В герметичном резервуаре предусмотрена входная часть (105), имеющая входное отверстие (114), через которое текучая среда из входного трубопровода (101) поступает в герметичный резервуар для последующего измерения скорости потока. Входное отверстие соединяется с входным трубопроводом (101) посредством фитингов и фланцев, имеющих болтовое соединение для облегчения замены неисправного отклоняющего узла, например из-за выхода из строя измерительной аппаратуры. Возможно также любое другое соединение, известное из уровня техники. Герметичный резервуар снабжен выходной частью (106), имеющей выходное отверстие (114), через которое текучая среда, прошедшая через измерительный участок (103) и проходящий через выходную часть (106) резервуара соединительный участок (108) трубчатого элемента, выходит из герметичного резервуара и поступает в выходной трубопровод (111). Измерительный участок (107) и соединительный участок (108) могут быть выполнены как единое целое.

Отношение площади поперечного сечения каждой из входной части, выходной части и отклоняющей части к площади поперечного сечения трубопровода составляет от 1:1 до 4:1, предпочтительно от 1,5:1 до 3:1.

Предпочтительно входное отверстие (113) и выходное отверстие (114) находятся на одной оси, параллельной или совпадающей с осью основного направления потока, как это показано на Фиг.1.

На Фиг.3 представлен вариант осуществления, в котором входное отверстие (113) и выходное отверстие (114) могут располагаться на противоположных сторонах герметичного резервуара относительно оси основного потока, например, входное отверстие может находиться ниже или выше оси основного потока.

Как показано на Фиг.1, внутри герметичного резервуара установлен трубчатый элемент (107), имеющий открытый конец (110), через который текучая среда, поступающая из входного трубопровода (101) в герметичный резервуар (104), направляется для измерения в измерительный участок (103) и затем через соединительный участок (108) трубчатого элемента (107) и выходное отверстие (114) направляется в выходной трубопровод (111). Измерительный участок (103) трубчатого элемента снабжен средствами измерения (109), которые предназначены для измерения параметров текучей среды, например, в качестве средств измерения может выступать по меньшей мере один ультразвуковой приемопередатчик. Трубчатый элемент может иметь любую форму сечения, например квадрат, овал, круг, многоугольник, а также может иметь сечение криволинейной формы, а также любую их комбинацию. Трубчатый элемент в продольном направлении может быть криволинейным. Трубчатый элемент имеет площадь поперечного сечения больше или меньше площади поперечного сечения трубопровода. Предпочтительно трубчатый элемент имеет площадь поперечного сечения, по существу равную площади поперечного сечения трубопровода.

Один конец (110) трубчатого элемента, к которому примыкает измерительный участок (103), является открытым, а другой конец на соединительном участке соединен с выходным отверстием (114) и далее с выходным трубопроводом (111), при этом измерительный участок (103) трубчатого элемента предпочтительно проходит параллельно боковым стенкам резервуара и находится под углом предпочтительно 90° к соединительному участку трубчатого элемента. В такой конфигурации текучая среда поступает во входную часть резервуара через входное отверстие, поворачивает в пространство между трубчатым элементом и стенкой герметичного резервуара и поступает в открытый конец (110) трубчатого элемента, а затем через соединительный участок трубчатого элемента и выходное отверстие (114) поступает в выходной трубопровод (111) и продолжает движение в основном направлении потока текучей среды.

Измерительный участок (103) может быть расположен под углом от 10° до 170° к соединительному участку (108). На Фиг.4 представлен вариант осуществления, в соответствии с которым измерительный участок (103) расположен под углом, отличным от 90°, к соединительному участку (108).

В варианте осуществления, показанном на Фиг.5, длина измерительного участка больше, чем длина соединительного участка и трубчатый элемент установлен так, что ось трубчатого элемента смещена относительно центральной оси герметичного резервуара. В другом варианте осуществления на Фиг.6 длина измерительного участка меньше, чем длина соединительного участка. В варианте осуществления на Фиг.7 длина измерительного участка по существу равна длине соединительного участка.

На Фиг.8 представлен вариант осуществления, в котором трубчатый элемент (107) имеет площадь поперечного сечения, по существу равную площади поперечного сечения трубопровода (101), (111).

На Фиг.9 представлен вариант осуществления, в котором трубчатый элемент (107) имеет площадь поперечного сечения больше площади поперечного сечения трубопровода (101), (111).

На Фиг.10 представлен вариант осуществления, в котором трубчатый элемент (107) имеет площадь поперечного сечения меньше площади поперечного сечения трубопровода (101), (111).

В соответствии с вариантом осуществления, проиллюстрированным на Фиг.11, герметичный резервуар (104) дополнительно снабжен успокоителем потока (112), выполненным, например, из перфорированного листа, который обеспечивает разделение основного потока текучей среды, выходящего из входного отверстия, до поступления в измерительный участок на множество более мелких потоков. Такой успокоитель потока может иметь продольные щели либо отверстия либо может представлять собой установленные параллельно потоку пластинки. Успокоитель потока жидкости в значительной степени улучшает условия формирования струи. Он разделяет поток текучей среды, движущейся по каналу, на несколько частей и способствует гашению возмущений, возникающих в потоке при подходе к успокоителю, а также выравнивает продольные скорости и гасит энергию турбулентных возмущений. Дополнительно трубчатый элемент (107) может крепиться к стенкам герметичного резервуара посредством успокоителя потока (112), например, пайкой или сваркой либо любым другим способом, известным из уровня техники. Дополнительное крепление трубчатого элемента обеспечивает надежную фиксацию трубчатого элемента и соответственно снижает количество ошибок, вызванных колебаниями трубчатого элемента под воздействием потока текучей среды, и повышает точность измерения скорости потока текучей среды.

В соответствии с одним вариантом осуществления, проиллюстрированным на Фиг.12, герметичный резервуар содержит входную часть (105), представляющую собой соосный трубопроводу входной патрубок резервуара, соединенный с входным трубопроводом (101), выходную часть (106), представляющую собой соосный трубопроводу выходной патрубок резервуара, соединенный с выходным трубопроводом (111), и отклоняющую часть, выполненную в виде расположенной между входным патрубком резервуара и выходным патрубком резервуара цилиндрообразной выступающей части (115), имеющей закрытый конец.

Причем входной патрубок, выходной патрубок и цилиндрообразная выступающая часть (115) имеют одинаковую площадь S поперечного сечения.

При этом расстояние L между точкой присоединения входного трубопровода (101) к входному патрубку и точкой присоединения выходного трубопровода (111) к выходному патрубку равно от 2 до 4 диаметров d трубопровода (101), (111).

Герметичный резервуар может быть получен путем сварного соединения цилиндрообразной выступающей части (115), входного патрубка резервуара и выходного патрубка резервуара.

Герметичный резервуар может быть получен в виде единой детали, например, отливкой цилиндрообразной выступающей части (115), входного патрубка резервуара и выходного патрубка резервуара.

Цилиндрообразная выступающая часть (115), входной патрубок резервуара и выходной патрубок резервуара могут быть выполнены из одного материала или комбинации разных материалов.

В одном варианте осуществления входной патрубок, выходной патрубок, цилиндрообразная выступающая часть (115) могут быть соединены между собой под любым углом и к направлению потока.

В частности, герметичный резервуар согласно заявленному изобретению может быть изготовлен на основе трубчатого тройника, имеющего входную часть тройника, выходную часть тройника и боковой штуцер. Для формирования отклоняющей части герметичного резервуара дополнительный цилиндрообразный элемент, имеющий закрытый конец и открытый конец, соединяют с тройником, причем открытый конец соединяют с отверстием бокового штуцера тройника, а закрытый конец формирует закрытый конец отклоняющей части резервуара. При этом входная часть тройника используется в качестве входной части полученного таким образом герметичного резервуара, а выходная часть тройника - в качестве выходной части резервуара.