Государственный контроль и регулирование в сфере добычи, переработки и потребления углеводородов обусловливают необходимость создания и внедрения различных измерительных систем и комплексов, удовлетворяющих требованиям постоянно меняющегося законодательства. Реальные условия эксплуатации систем имеют множество особенностей, среди которых нестабильность углеводородов, их широкая фракционность, загрязненность, коррозионная агрессивность и многие другие.
Одна из особых ниш в количественном измерении углеводородов — ультразвуковая газовая расходометрия. Ультразвуковой расходомер может применяться там, где не справляются со своей задачей ни сужающие устройства, ни роторные и вихревые расходомеры.
Тем не менее и в ультразвуковой расходометрии имеется множество ограничений и белых пятен. Группа компаний «ЭлМетро», занимаясь разработкой и производством высокоточных приборов и комплексов уже более 15 лет, ведет исследовательские и конструкторские работы, чтобы продвинуться в понимании физики процессов и снять хотя бы часть таких ограничений.
В компании зафиксировали несколько целевых ориентиров:
- расходомер должен стабильно работать в экстремальных условиях: при крайних значениях диапазона расхода, давления и температуры, при наличии жидких и твердых включений, с агрессивными газами;
- цифровая обработка сигналов для возможности учета и компенсации изменений ультразвукового сигнала при существенном изменении температуры и давления;
- разработка должна вестись даже с опережением законодательства, регулирующего применение ультразвуковых приборов учета газа;
- метрология обязана быть честной.
Иными словами, заявленные метрологические характеристики должны соответствовать реальности, а не натягиваться в угоду маркетинговым соображениям.
Теперь подробнее о том, что получилось реализовать в расходомере «ЭЛМЕТРО-Флоус».
Преимущества расходомера «ЭЛМЕТРО-Флоус»
В свое время применение ультразвука начиналось с чистых газов. Однако высокая пропускная способность и отсутствие внутренних местных сопротивлений потоку делает ультразвуковые расходомеры напрашивающимся решением и для измерения грязных газов. Расходомер «ЭЛМЕТРО-Флоус» с самого начала разрабатывался для таких тяжелых условий эксплуатации.
Одним из самых серьезных факторов в измерении загрязненных газов являются капельные включения жидкости. Они скапливаются в пазухах излучателей, искажая измерения. Дело в том, что в жидкости происходит рассеивание акустического сигнала и формирование паразитной связи излучателей с корпусом расходомера. Шум имеет ту же частоту, что полезный сигнал, его фаза стабильна относительно момента излучения. Это делает невозможным подавление такого шума традиционной фильтрацией. Но применение в приборах «ЭлМетро» прямой цифровой обработки сигнала позволяет контролировать соотношение сигнал/шум и своевременно выдавать диагностическую информацию.
Конструкторские новшества предотвращают скопление жидкости в технологических полостях расходомера, а система самодиагностики совместно с комплексом автоматической очистки излучателей позволяет обеспечить непрерывность измерений даже в самых сложных условиях.
Цифровая пакетная обработка сигналов позволяет формировать узкополосную адаптивную фильтрацию сигнала и автоматически компенсировать температурные изменения характеристик излучателей при низком соотношении сигнал/шум. Например, при изменении давления (или температуры) изменяется форма огибающей сигнала. Типовая система детектирования сигнала в таких условиях перескакивает на следующий период синусоиды, внося дополнительную погрешность измерения. Приборы «ЭлМетро», в свою очередь, воссоздавая исходный сигнал, точно определяют момент прихода пачки импульсов. В этом случае даже не требуется температурная компенсация задержки сигнала.
Для работы таких сложных алгоритмов «на лету» потребовались серьезные вычислительные возможности DSP-процессоров. Но современная процессорная техника уже позволяет реализовывать суперкомпьютеры в миниатюрном корпусе. Специалистам ГК «ЭлМетро» мощный процессор позволил встроить в корпус расходомера вычислитель-корректор, обеспечивающий приведение измерений к стандартным условиям по методикам ГОСТов.
Проанализировав рынок узлов учета газа по СТО Газпром 5.37−2011 и ГОСТ Р 8.733−2011, в компании пришли к мнению, что нет необходимости в создании универсального вычислителя, позволяющего обрабатывать сигналы анализаторов влажности, точки росы, хроматографов. В большинстве случаев более чем достаточно вычислить объемный расход газа, приведенный к стандартным условиям, исходя из данных объемного расхода газа в рабочих условиях, давления и температуры.
Сейчас на рынке представлено много вычислителей для систем учета газа. Однако в ГК «ЭлМетро» считают, что встроенный вычислитель имеет ряд преимуществ:
- все компоненты расположены в едином взрывозащищенном корпусе;
- общая система диагностики позволяет организовывать высоконадежные системы;
- погрешность всех компонентов, учитываемых в расчетной формуле, нормирована в одном изделии;
- длина и количество кабельных трасс между компонентами узла учета уменьшаются.
Расходомер «ЭЛМЕТРО-Флоус» аттестован на вычисление объемного расхода и объема газа, приведенного к стандартным условиям по методике
Проведение научно-исследовательских работ в ГК «ЭлМетро»
Тесно работая с производителями блочного оборудования, для которых одновременно важны цена и габаритно-присоединительные размеры как самих приборов, так и их технологической обвязки, инженеры ГК «ЭлМетро» пришли к решению не следовать общепринятой тенденции привязки класса точности к количеству лучей. Ведь оптимальный вариант зачастую находится на уровне компромисса между этими двумя параметрами.
Чтобы все не осталось на уровне решения, а было принято и потребителем, и органами сертификации, разработчики «ЭЛМЕТРО-Флоус» провели научно-исследовательские работы (НИР), позволившие выявить влияние типа местных сопротивлений и длины прямых участков до местных сопротивлений на профиль потока (рис. 2), а как следствие, и на погрешность измерения.
В рамках комплексных НИР на предприятии разработана методика моделирования влияния местных сопротивлений на профиль потока, дающая высокую сходимость с экспериментальными данными. Это позволило нормировать характеристики расходомеров «ЭЛМЕТРО-Флоус» различных исполнений в реальных условиях. В руководстве по эксплуатации на расходомер приведены четкие рекомендации по проектированию измерительной линии.
Результатом таких работ стало удовлетворение требованиям точности 0,5% в рабочих условиях всех выпускаемых расходомеров «ЭЛМЕТРО-Флоус» при первичной поверке. Говоря простым языком, обеспечить точность для того или иного класса можно как за счет формирования стабильного профиля потока внутри расходомера, так и за счет компенсирования нестабильности количеством лучей. В частности, применив однолучевой расходомер с определенным набором прямых участков или, наоборот, четырехлучевой, но минимизировав при этом количество прямых участков между расходомером и ближайшим местным сопротивлением выше по потоку.
Честная метрология в понимании компании «ЭлМетро»
В последнее время наблюдается гонка за повышением точности и расширением динамического диапазона измерений. Казалось бы, прогресс полезен потребителю. Действительно, имея расходомер с динамическим диапазоном измерений по расходу 1:1000, можно одним прибором заменять два, а то и более, не справляющихся с такими задачами. Это очень удобно в системах с разными режимами работы. Например, для газораспределительных станций со своими «зимними» и «летними» потребителями, факельных систем с аварийными сбросами. Однако может ли ультразвуковой расходомер в реальных условиях эксплуатации обеспечить измерение потока газа как на критических скоростях, так и со скоростями несколько сантиметров в секунду? Ведь на сверхнизких скоростях потока конвекционные движения газа становятся соизмеримы с основными — вдоль оси газопровода. В отдельных случаях, при сертификации или первичной поверке, можно и «блоху подковать». Но стоит вопрос: доводится ли до потребителя информация, что он получит в реальных условиях эксплуатации?
Если в целом оценить подход стандартизации решений на базе ультразвуковых расходомеров, можно с уверенностью заявить: невозможно обеспечить метрологические измерения в широком диапазоне, пользуясь стандартами типа соответствия класса точности количеству лучей со стандартными прямыми участками в Ду 20 — до и Ду 5 — после вне зависимости от типа местного сопротивления.
ГК «ЭлМетро» за честную метрологию. Мы не собираемся обвинять кого‑либо в попытке ввести потребителя в заблуждение. Своей открытостью мы только призываем потребителя задуматься. Законность и логику проведенных компанией работ подтверждает введение СТО Газпром 5.37−2020 (взамен 5.37−2011), в котором значительно больше внимания уделено факторам, изменяющим характеристики расходомера при реальном применении относительно лаборатории. Этому же уделено внимание в готовящейся новой редакции
Заключение
Семилетний опыт эксплуатации и усовершенствований ультразвуковых расходомеров позволил инженерам «ЭлМетро» достичь сочетания высоких метрологических характеристик и устойчивости к тяжелым условиям эксплуатации. Подтверждением этого стало успешное применение приборов в системах измерения количества газа и в установках измерения дебита газовых скважин. Основой успеха в компании считают проработанную конструкцию проточной части и излучателей, а также развитый алгоритм обработки измерительной информации, базирующийся на прямом цифровом преобразовании первичного сигнала.
«ЭЛМЕТРО-Флоус» одобрен в Системе добровольной сертификации ИНТЕРГАЗСЕРТ и получил соответствующий сертификат ОГН4.RU.1303.B00898.
Расходомер прошел успешные испытания в Уральском региональном метрологическом центре ПАО «Газпром» (рис. 3) и подтвердил свои метрологические характеристики в условиях применения на магистральном газопроводе. Расходомер «ЭЛМЕТРО-Флоус» показал более чем четырехкратный запас (погрешность в рабочих условиях превысила 0,1% лишь в одной точке измерения).
Да, предприятие потратило много времени на разработку и не форсировало широкий выход на рынок учета газа, но длительный цикл работы над изделием окупается сполна. Ведь в результате получился расходомер, отвечающий многим потребностям клиентов, успешно эксплуатирующийся в самых суровых условиях. И самое главное, ГК «ЭлМетро» ни на минуту не останавливается на достигнутом, ищет новые горизонты, готова сотрудничать с агрегаторами и эксплуатирующими организациями для поиска новых применений и решений.
Газовая промышленность № 9 | 821 | 2021 г.