К вопросу об измерениях расхода многофазных потоков

1. К ВОПРОСУ ОБ ИЗМЕРЕНИЯХ РАСХОДА МНОГОФАЗНЫХ ПОТОКОВ

Ключевые слова: флотация, трёхфазный поток, пульпа, структура течения, отрыв потока, пузырьковый режим, расслоенный режим.

В представленной работе предложена измерительная система, позволяющая производить измерения расхода и плотности двухкомпонентного продукта — пульпы в трёхфазной среде (твёрдой, жидкой и газообразной фаз), транспортируемого по гидротранспортной системе, соединяющей подразделения горнообогатительных предприятий. Рассмотрены пути, позволяющие производить взаиморасчёты между подразделениями горнообогатительного предприятия.

Keywords: flotation, three-phase flow, pulp, the structure of the flow, flow separation, bubble mode, stratified mode.

In the present paper we propose a measuring system that allows to measure the flow rate and density of the two-component productpulp in a three-phase medium (solid, liquid and gaseous phases), transported through hydrotransport system connecting units ore processing enterprises. The ways to allow for mutual settlements between departments ore processing enterprise.

В различных отраслях промышленности применяют сооружения и аппараты, основной технологический процесс в которых связан с перемещением (транспортировкой) однофазного потока (жидкости или газа) и многофазных потоков, которые имеют место при добыче углеводородного сырья (нефть, вода и попутный нефтяной газ), горнодобывающей промышленности — пульпа (жидкость и твёрдые частицы) и т. д.

Сегодня на рынке в достаточном количестве представлены средства измерений расхода однофазных потоков, имеются эталоны (первичные и рабочие), поверочные установки, позволяющие калибровать и поверять приборы учёта и контроля воды и газа.

Гораздо сложнее стоит вопрос с обеспечением отраслей промышленности многофазными расходомерами и измерительными системами — это связано как с физическими свойствами сред, из которых состоит многофазный поток, так и от количественного соотношения (концентрации) отдельных фаз и компонент.

В связи с актуальностью метрологического обеспечения дебита нефтяных скважин сегодня разработано и апробировано множество средств измерений характеристик газожидкостных потоков, каждое из которых имеет свою область применения, а также присущие только им достоинства и недостатки. Традиционным методом определения дебита скважины является сепарация и замер каждой фазы в отдельности. Это самый простой способ измерения характеристик газожидкостного потока, однако, разработка морских месторождений на шельфе, когда для добычи углеводородных топлив необходимо наличии платформы, площадь поверхности которой ограничена, а излишний вес является проблемой, наиболее эффективным методом стал такой, в котором отсутствует необходимость в сепарации фаз, в результате был разработан многофазный расходомер. Многофазный расходомер разработан для измерений дебитов отдельных фаз, проходящих через расходомер, что обусловлено изначальным требованием нефтяной промышленности, основной целью которой является измерение фазовых дебитов нефти, газа и воды. Надо заметить, что разработка многофазных расходомеров предложила экономически эффективное решение для добычи нефти. расходомер горнообогатительный многофазный плотность Однако, вопрос взаиморасчётов, возникший при реструктуризации крупных горнообогатительных предприятий, привёл к проблеме достоверного метрологического обеспечения измерений расхода и плотности передаваемой на различных стадиях переработки по гидротранспортной системе многофазной смеси, принимаемой различными производственными подразделениями.

Метрологические характеристики приборов учёта расхода и плотности, установленные на сегодня в каждом подразделении горнообогатительного предприятия рассчитаны на измерения параметров пульпы, состоящей из воды и находящейся во взвешенном состоянии измельчённой до порошкообразного состояния руды, с размерами частиц 0,5 ч 2 мм. Трудности же, возникающие при проведении взаиморасчётов, как показала практика, в основном связаны с тем, что измеряемая среда — поток двухкомпонентного продукта пульпы, содержит газовую фазу. То есть по пульпопроводу транспортируется трёхфазная среда, состоящая из твёрдой, жидкой и газообразной фаз. Это связано с существующим на предприятиях технологическим процессом по обогащению руды. Так при обогащении медно-никелевой руды на обогатительных комбинатах широкое распространение получила флотация, при которой в камерах флотационных машин осуществляется дробление воздушных пузырьков, поступающих в неё, и взаимодействующих с твёрдыми частицами, находящимися во взвешенном состоянии из-за непрерывного перемешивания пульпы.

Частицы минерала, плохо смачиваемые водой (гидрофобные), при соприкосновении с воздушными пузырьками закрепляются на их поверхности и всплывают, образуя слой минерализированной пены, которая смывается с поверхности флотационной камеры в приёмник, и затем направляется в пульпопровод. В результате этого пульповый продукт, транспортируемый по пульпопроводу, представляет собой трёхфазную среду, в которой воздух находится в виде пузырьков, которые, в отличие от жидкости и твёрдых частиц, подвержены сжатию в пропорциональном отношении к давлению в пульпопроводе [1].

Обычно на горнообогатительных производствах измерения расхода электропроводной смеси, с целью уменьшения гидродинамических потерь и снижения воздействия абразивной среды на средства измерений, проводятся объёмным методом с помощью электромагнитного расходомера с последующим вычислением суммарного объёма пульпы и отражением результатов в периодической отчетности. Как правило, применяются электромагнитные расходомеры фирм-изготовителей «KROHNE», «ABB» и «Fisher — Porter», а для измерения плотности пульпы на пульпопроводах устанавливаются радиоизотопные плотномеры фирм-изготовителей «Krohne», «Berthold Technologies Ltd.» и «Thermo Electron Corporation». Надо заметить, что в описании типа средства измерения, к примеру, фирмы-изготовителя «ABB» прибора MAG-XM [2], упоминается, что расходомеры электромагнитные предназначены для измерения расхода различных электропроводных жидкостей, при этом пределы допускаемой приведенной погрешности расходомера составляют ±1%.

В описании типа средства измерения плотномера радиоизотопного жидких сред и пульпы, например «LB-444» фирмы Berthold Technologies [3], указано, что он предназначен для непрерывного бесконтактного измерения плотности жидких сред различного состава и пульп, при этом допускаемая приведённая погрешность прибора составляет ±1%. Ориентация измерительного участка трубопровода в пространстве при этом может быть любой, однако предпочтительной является установка на вертикальном трубопроводе с направлением потока снизу вверх для снижения влияния газовой фазы в зоне измерения, при этом отмечено увеличение ошибки измерений при наличии газовой фазы в измеряемой среде.

Как следует из вышесказанного, приведённые выше средства измерений могут работать в среде при отсутствии в ней газовой фазы.

При установке систем измерений необходимо учитывать и тот факт, что подразделения горнообогатительного предприятия могут быть удалены друг от друга на расстояние в несколько километров. В соответствии с работой [4], средняя скорость течения пульпы по пульпопроводу составляет 2 ч 4 м/с, следовательно, время прохождения некоторого выделенного объёма пульпы составляет несколько десятков минут. Этого промежутка времени достаточно, чтобы структура течения трёхфазного потока в пульпопроводе из пузырькового преобразовалось в расслоённый [5], который характеризуется границей раздела между двухфазной пульпой и воздушной фазой. Зависимость скорости всплытия пузырей воздуха в воде при температуре 18 ч 21 ⁰С от их диаметра представлена в работе [6].

Экспериментальные исследования, проведённые во ФГУП «ВНИИР» показали, что наличие свободного газа в измеряемой среде приводит к возникновению существенной дополнительной систематической погрешности расходомеров-счётчиков, и гамма-плотномеров, которой нельзя пренебречь. Так увеличение расхода свободного газа до 19% от объёма номинального расхода жидкости приводит к превышению относительной погрешности электромагнитного расходомера в четыре раза и более, а погрешность гамма-плотномера увеличивается на 24% [7].

Из вышесказанного следует, что наличие свободного газа в измерительной среде пульпы приводит к значительной дополнительной систематической погрешности. Кроме того, в пульпопроводе возможны два режима течения трёхфазной пульпы — газированный (пузырьковый) и расслоённый, что существенно осложняет процесс определения характеристик трёхфазного потока.

Рассмотрим методы измерений параметров трёхфазной пульпы для этих двух случаев течения, используя приборы учёта, имеющиеся сегодня на российском рынке.

Запишем уравнения по определению средней скорости и плотности двухкомпонентного продукта пульпы в трёхфазной среде:

(1).

(2).

где: — объёмная концентрация, соответственно, твёрдой, газовой и жидкой фаз;

• — соответственно, скорость твёрдой, газовой и жидкой фаз;
• — соответственно, плотность твёрдой, газовой и жидкой фаз.

Как следует из уравнения (1), при течении трёхфазной пульпы необходимо учитывать скольжение между отдельными фазами, имея в виду, что скорость твёрдой фазы меньше скорости жидкости, которая, в свою очередь, меньше скорости газа, если последний не диспергирован в ней, поэтому делаются допущения о равенстве скоростей фаз. В свою очередь, такие допущения могут привести в определённых условиях к существенной систематической погрешности.

В работе [8] представлена схема устройства, позволяющего произвести измерения расхода и плотности газированной пульпы (пузырьковый режим течения двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы). В соответствии со схемой устройства производится измерение пяти параметров трёхфазной смеси в двух сечениях потока газированной пульпы, с объемным содержанием газа в условиях измерений 2 — 6%. Схема включает пять измерительных преобразователей, три из которых — преобразователи расхода 1, плотности 2 и давления 7 установлены в сечении А-А (рис.1). На достаточном удалении от сечения А-А, в сечении Б-Б размещены преобразователи расхода 3 и давления 4. Сигналы от всех преобразователей поступают на вычислительное устройство 6, на выходе которого имеется измеритель концентрации пульпы 5, принцип работы устройства основан на том, что разность между объёмными расходами в сечениях А-А и Б-Б зависит от расширения газовой фазы при уменьшении давления от в сечении А-А до Р_Б в сечении Б-Б. С учётом ряда допущений автор работы приводит уравнение для определения концентрации газа в сечении А-А:

(3).

где Q_A и Q_Б — соответственно, объёмные расходы смеси в сечениях А-А и Б-Б;

P_A и Р_Б — соответственно, давление в сечениях А-А и Б-Б.

Из уравнения (2) следует выражение для определения концентрации твёрдой фазы:

(4).

Считая, что с_ж>>с_г, выражение (4) примет вид:

(5).

Массовый расход твёрдой фазы G_т в работе определяется в зависимости от объёмного расхода смеси Q_с по уравнению.

(6).

Решая уравнение (3) совместно с уравнениями (5) и (6) автором работы получено выражение для определения массового расхода твёрдой фазы:

(7).

Выражение (7) справедливо при равенстве скоростейфаз, в него входят пять величин, которые измеряются в соответствии со схемой устройства, представленной на рис. 1.

Промышленные испытания устройства, как указано в работе, показали, что предельная приведённая погрешность измерения массового расхода твёрдой фазы не превышает 4%.

Измерительного устройства, позволяющего производить измерения расхода и плотности трёхфазной пульпы при объёмном содержании газовой фазы более 6%, а также при расслоённом течении двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы в канале, в литературе нет. Данная проблема, как было сказано выше, появилась в последнее время в связи с реорганизацией горно-обогатительных предприятий.

Расстояние между подразделениями горнообогатительного комбината может составлять несколько километров, следовательно, давление в магистрали пульпопровода уменьшается, что, в свою очередь, приводит к увеличению объёма газовой фазы. В данной работе авторами предложен метод измерений расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы. Для двухкомпонентного продукта пульпы в трёхфазной среде можно записать следующее соотношение:

(8).

где ц_п — концентрация пульпы в трёхфазной среде;

с_п — плотность пульпы в трёхфазной среде.

С учётом выражения (8) уравнение (2) примет вид:

(9).

или (10).

Используя выражение (10) после простых преобразований можно получить формулу для определения плотности пульпы с_п:

(11).

С целью определения расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы используется радиоизотопный плотномер и ультразвуковой прибор, позволяющий определить объёмный расход и уровень двухкомпонентного продукта (жидкая и твёрдая фазы) в трёхфазной среде (твёрдая, жидкая и газообразная фазы) L (рис.2). Такие приборы имеются на российском рынке. Зная уровень пульпы L и радиус канала R пульпопровода, можно определить угол б (рис.2) а, следовательно, и объёмное содержание газовой фазы, откуда по формуле (11) определяется плотность пульпы.

Схема устройства для измерения расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы (рис.3) включает четыре измерительных первичных преобразователя, — преобразователи расхода и уровня 1, плотности 2 и датчики давления 3, но, следует заметить, что радиоизотопный плотномер необходимо предварительно откалибровать на трёхфазной среде пульпы. Сигналы от всех четырёх преобразователей поступают на вычислительное устройство 5, на выходе которого имеется измеритель расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде 6. Измерения давления в сечениях А-А и Б-Б необходимы для компенсации параметров газовой фазы, так как величина давления в этих сечениях будет разной.

Пространственное расположение приборов для измерений расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы, представленное на рис. 3, связано с тем, что в подразделениях горнообогатительных предприятий горизонтальный пульпопровод переходит в П-образное вертикальное колено с углом поворота направления потока 180⁰, высотой около 10 м, которые необходимы для монтажа средств измерений.

Методы измерений, представленные в данной работе, позволят решить наболевшую проблему, существующую сегодня на горнообогатительных предприятиях, по определению расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы. Решение данного вопроса, в свою очередь, позволит свести сырьевой баланс между подразделениями горнообогатительных предприятий.

• 1. ГОСТ Р 8.741−2011. ГСИ. Объём природного газа. Общие требования к методам измерений.
• 2. Расходомеры электромагнитные MAG мод. (MAG-XM, MAG-XE, MAG-CM, MAG-SM) Описание типа средств измерений. Регистрационный № 18 427−99 в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений. ВНИИМС, г. Москва, 1999 г., с. 4.
• 3. Плотномеры радиоизотопные жидких сред и пульп LB444. Описание типа средств измерений. Регистрационный № 38 919−08 в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений. ГЦИ СИ ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, г. С-Петербург, 1999 г., с. 3.
• 4. Пособие по проектированию гидравлического транспорта (К СНиП 2.05.07−85). ПромтрансНИИПроект. М.: Стройиздат, 1986. с. 18.
• 5. Петров В. Н., Малышев С. Л., Кирпиченков И. А., Махоткин И. А. Измерения расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде пульпы. Вестник Казан. технол. ун-та. т.17, № 6, 2014 г., с. 235−237.
• 6. Абрамович Г. Н. Гидродинамика подводных воздушных завес. Сборник «Итоги науки и техники» серия Механика жидкости и газа. т.20, М.: 1986. с. 85−139.
• 7. Соловьёв В. Г., Петров В. Н., Малышев С. Л., Кирпиченков И. А., Махоткин И. А. Влияние газовых включений в пульповом продукте на определение расхода и плотности двухкомпонентного продукта в трёхфазной среде. Вестник Казан. технол. ун-та. т.17, № 3, 2014 г., с. 96−98.
• 8. Кремлёвский П. П. Расходомеры и счётчики количества. Справочник. Л.: Машиностроение. 1989 г. 701 с.