Разработка интеллектуальных решений для устройств измерения расхода газа

В течение 20-го века в энергетическом ландшафте Индии преобладали ископаемые виды топлива, а дизельное топливо, нефть и керосин использовались для большинства промышленных и бытовых целей. В сельской Индии большая часть населения все еще использовала уголь, дрова или навоз для приготовления пищи. Однако в последние несколько десятилетий страна стремится стать более основанной на газе экономикой, широко используя сжиженный нефтяной газ (LPG) и компримированный природный газ (CNG) для приготовления пищи и даже транспорта. В последнее время трубопроводный природный газ также стал доступен для многих городских домохозяйств, что обеспечивает бесперебойную подачу газа для приготовления пищи непосредственно в дома потребителей. Эта новая разработка требует, чтобы поставщики газовых коммунальных услуг измеряли, сколько газа потребляется. Как? С помощью счетчиков газа.

Газовый счетчик — это специализированный расходомер, используемый в жилых, коммерческих и промышленных зданиях для измерения количества топливных газов, таких как СПГ или СНГ, подаваемых по трубопроводу. Газы обладают высокой сжимаемостью, что затрудняет их измерение по сравнению с жидкостями из-за их чувствительности к изменениям температуры и давления. Газовые счетчики измеряют определенный объем, независимо от количества или качества газа, проходящего через счетчик под давлением. Соответственно, для точного измерения фактического количества газа, проходящего через счетчик, необходимо внести поправки в значения температуры, давления и нагрева. Распространено несколько различных конструкций газовых счетчиков, в зависимости от объемного расхода измеряемого газа, ожидаемого диапазона расходов, типа измеряемого газа и других факторов. Некоторые из основных типов газовых счетчиков включают в себя диафрагменные расходомеры, ротационные расходомеры, турбинные расходомеры, ультразвуковые расходомеры и расходомеры Кориолиса.

Raychem RPG является одним из ведущих поставщиков бытовых счетчиков газа в Индии. В Инновационном центре Raychem (RIC) в Гуджарате, Индия, исследователи разработали четыре новых конструкции газовых расходомеров, которые были концептуализированы, оптимизированы и проверены с помощью программного обеспечения для мультифизического моделирования.

Проблемы проектирования газовых расходомеров

Все газовые счетчики, доступные в настоящее время в Индии, имеют свои ограничения. Например, в счетчиках с диафрагмой утечка из движущихся частей и диафрагмы может привести к ошибкам измерения. Ротационные расходомеры и турбинные расходомеры, с другой стороны, имеют около 35 компонентов, что увеличивает вероятность механического отказа и усталости. Кроме того, размер корпуса для любого газового счетчика является фиксированным, поэтому любой новый дизайн счетчика должен соответствовать заданному размеру корпуса. Поэтому размер прибора является еще одним важным критерием для любой новой конструкции счетчика газа. Все эти различные критерии усложняют утверждение этих устройств на заключительных этапах проверки качества. На самом деле процент отказов может быть очень высоким.

Команда Raychem под руководством г-на Ишанта Джайна поставила перед собой задачу минимизировать количество компонентов в газовых расходомерах и снизить процент их брака на этапе проверки качества, тем самым снизив общую стоимость производства этих устройств. Для этого команда Raychem провела анализ моделирования в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®.

Проверка проектов с помощью моделирования

Команда разработала четыре газовых счетчика на основе оптимизации конструкции с использованием ТРИЗ, методологии решения проблем и требований заказчика. Они начали с проверки конечно-элементной модели конструкции обычного газового счетчика. Затем команда расширила свои выводы, чтобы оценить предложенные проекты.

Первая из новых конструкций счетчиков газа представляет собой модификацию существующей диафрагменной системы, в которой узел пантографа заменен механизмом кулисного механизма для уменьшения количества компонентов.

Придя к оптимизированной конструкции (рис. 1), команда смогла исключить из первоначальной конструкции несколько механических компонентов, а также повысить точность и чувствительность измерения. Количество компонентов в измерительной системе было значительно уменьшено с 35 компонентов прежней диафрагменной конструкции до 5 или 6 компонентов, что обеспечило механическую прочность и целостность системы.

Следующая конструкция состоит из турбины с лентой Мёбиуса, в которой вращение турбины используется для измерения расхода газа. Эти газовые счетчики измеряют объем газа, определяя скорость газа, движущегося по ленте Мёбиуса. Ротор в форме ленты Мёбиуса расположен на пути проходящего через него газового потока, который вращает вал. Выходной вал передается на коническую зубчатую передачу. Турбина определяет скорость газа, которая механически передается на электронный или механический счетчик.

Команда Raychem использовала модуль CFD и модуль динамики нескольких тел для моделирования турбулентного потока газа (рис. 2), а также напряжений и крутящего момента, возникающих в турбине.

Важно отметить, что турбинный счетчик газа с лентой Мёбиуса хорошо работает при высоком расходе газа. Поскольку объем газа определяется его расходом, эффективность прибора при измерении расхода при низком перепаде давления ограничена. Чтобы обойти эту проблему, команда разработала еще один расходомер, основанный на хорошо известном принципе:магниты одной полярности отталкиваются друг от друга.

В конструкции третьего счетчика объект, обычно шар или диск, расположен внутри трубы таким образом, что магнитная сила заставляет его плавать. Объект поднимается потоком газа в трубе, а расход газа измеряется высотой, на которую поднимается магнитная пластина. Этот тип расходомера очень чувствителен и может измерять даже небольшое падение давления. Исследователи изучили магнитные свойства и производительность устройства с помощью модуля AC/DC и модуля CFD и пришли к оптимизированной конструкции (рис. 3).

В этом случае команда смогла предложить высокочувствительное устройство, которое хорошо работает даже при незначительных изменениях расхода газа.

Окончательная конструкция также основана на вращении турбины, но используется другая конструкция турбины. Здесь турбинный агрегат с неподвижными направляющими и рабочими лопатками размещен в основном канале в качестве заграждающего элемента (рис. 4). Энергия, полученная вращающейся турбиной, используется для питания термодатчиков, что делает это устройство самоподдерживающейся системой.

Направляющие лопатки действуют как сопла, направляя поток газа к рабочим лопаткам, которые вращают вал и пару конических шестерен. Расход газа измеряется по вращению пары конических шестерен или по падению температуры с помощью термодатчиков.

Будущие перспективы и применение

Исследования методом моделирования позволили команде Raychem спроектировать интеллектуальный газовый счетчик с U-образной трубкой и датчиком в корпусе, что сделало его очень компактным и простым в установке. Проверенные результаты моделирования лежат в основе четырех новых конструкций счетчиков газа Raychem.

Команда Raychem уверена, что характеристики этих расходомеров соответствуют требованиям бытового и промышленного применения. Эти конструкции вошли в шорт-лист для производства и вскоре должны быть доступны для городских потребителей по всей Индии, которые можно будет установить непосредственно в газовые счетчики, установленные в их домах.

Эта статья была написана Адити Карандикар, менеджером по маркетингу COMSOL Inc. Для получения дополнительной информации посетите здесь .

Команда Raychem выражает благодарность Тито Кишану за помощь в применении ТРИЗ и Ганешу Бхойе за проектирование.