«Турбулентность-ДОН» – Способы повышения метрологических характеристик измерительной системы на базе ультразвуковых расходомеров TURBO FLOW UFG

выбрано
energybase

В статье описаны перспективы развития ультразвуковых расходомеров газа, проблематика при автоматизированном измерении массового расхода природного газа за счет динамического изменения состава газа и несвоевременного его внесения в вычислитель расходомера.

Авторы:

Возможность измерения скорости звука в ультразвуковых расходомерах Turbo Flow UFG позволила реализовать уникальную функцию оценки физико-химических параметров среды, в частности плотности природного газа и компонентного состава. Это расширяет диагностические возможности УЗ преобразователя расхода, в числе которых отслеживание качества природного газа в реальном времени; исключение ошибок ввода показателя плотности или состава газа; возможность автоматического изменения метода расчета физических параметров природного газа для повышения точности и достоверности измерения. Разработаны способы повышения метрологических характеристик метода определения плотности природного газа по измеренной скорости звука за счет применения автоматической коррекции: по температуре и скорости звука, что подтверждено в ходе проведения испытаний в лабораторных условиях ООО «Турбулентность-ДОН» и в условиях подконтрольной эксплуатации на УУГ ГРП высокого давления. Полученные пределы относительных погрешностей соответствуют требованиям СТО Газпром 5.2−2005 и Р. Газпром 5.6−2008 по части измерения плотности природного газа.

Постановка проблемы

Точное измерение объемного расхода газа (0,3…0,5%) делает ультразвуковые (УЗ) расходомеры наиболее востребованными приборами учета в газовой промышленности. По сравнению с иными преобразователями расхода (основанными на методе перепада давления, тахометрическом методе и др.) высокая точность УЗ измерителей сопровождается следующими преимуществами:

  • Высокой воспроизводимостью результатов измерения (0,15%);
  • Широким динамическим диапазоном (1:200);
  • Возможностью установки на трубопроводы от 25 до 3000 мм [1];
  • Способностью работать с реверсивными потоками;
  • Устойчивостью к загрязнению чувствительных элементов [2].

Кроме того, УЗ метод предполагает отсутствие движущихся элементов и деталей, обладает незначительным падением давления, широким температурным диапазоном среды измерения (-60 °С…+70 °С) и диапазоном избыточного давления от 0 до 25 МПа.

Для вычисления объемного расхода газа, приведенного к стандартным условиям (по ГОСТ 8.611−2013, п. 6.3.1 [3]) применяют один из следующих методов:

  • PTz — пересчет: применительно к газам, для которых имеются данные о коэффициенте сжимаемости (является действующей методикой, реализованной в расходомерах Turbo Flow UFG);
  • ρ - пересчет (по плотности): применительно к газам, для которых отсутствуют данные о коэффициенте сжимаемости или точность существующих расчетных методов не удовлетворяет требованиям ГОСТ.

В первом методе возникают несоответствия, которые приводят к недостоверности измерений расхода газа [4]:

  • Динамическое изменение состава газа обуславливает несвоевременное/некорректное внесение состава газа в вычислитель расходомеров;
  • Повсеместное отсутствие хроматографа (спектрометра) на рядовых газораспределительных пунктах из-за их высокой стоимости.

Второй метод предполагает установку плотномера природного газа, который наряду с высокой стоимостью, имеет погрешность измерения при малых давлениях и высокой скорости потока, что не удовлетворяет требованиям ГОСТ по оснащению узлов учета газа (УУГ).

Цель и задачи исследования

Целью исследования является разработка способов повышения метрологических характеристик измерительной системы на базе ультразвуковых расходомеров Turbo Flow UFG с функцией определения плотности природного газа.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

  • Разработан и реализован способ компенсации влияния температуры в широком диапазоне и скорости потока при измерении скорости звука;
  • Проведены испытания расходомера с использованием поверочных газовых смесей и исследованы его метрологические характеристики.

Решение задач и результаты исследования

Ультразвуковые преобразователи расхода (УЗПР) Turbo Flow UFG производства ООО «Турбулентность-Дон» обладают уникальными функциями автоматической самодиагностики, которая решает следующие задачи:

  • Обеспечение контроля уровня усиления и качества сигнала, контроля отношения скорости газа по акустическим каналам к средней скорости газа в преобразователе расхода, скорости распространения звука [4];
  • Реализация функции отображения свойств потока (профиль, симметрия, оценка завихрения);
  • Реализация функции контроля над состоянием блока электроники с ведением архива событий, нештатных ситуаций и несанкционированного доступа;
  • Разграничение уровней доступа пользователей для разработчика, метролога, конечного пользователя;
  • Интуитивно-понятный человеко-машинный интерфейс, информативный и удобный для любого из пользователей вне зависимости от предоставленного уровня доступа;
  • Реализована уникальная функция оценки плотности природного газа с возможностью приближенного вычисления его компонентного состава, что значительно расширяет диагностические возможности УЗ преобразователя расхода.

В некоторых источниках [5] к одним из недостатков относят зависимость собственной скорости ультразвуковых колебаний от физико-химических свойств измеряемой среды. На самом деле, это одно из существенных преимуществ данного метода, которое позволяет реализовать функцию оценки физико-химических параметров среды, в частности, плотности природного газа.

Основными преимуществами данной функции является:

  • Отслеживание качества природного газа в реальном времени;
  • Исключение ошибок ввода показателя плотности или состава газа;
  • Возможность автоматического изменения метода расчета физических параметров природного газа для повышения точности и достоверности измерения;
  • Возможность применения метода расчета объема природного газа, приведенного к стандартным условиям через рабочую плотность напрямую;
  • Возможность более точно выполнять измерения объема газа в диапазонах состава газа, давлений и температур, которые не описаны стандартизованными методиками измерений (МВИ, ГОСТ, ГСССД).

Непрерывное совершенствование разработанного метода [2] определения плотности природного газа по измеренной скорости звука позволило повысить его точность за счет применения нескольких способов коррекции: по температуре и скорости звука.

Температурная коррекция измеренной скорости звука (времяимпульсным методом) происходит в автоматическом режиме: вне зависимости от химического состава используемого газа происходит фиксация времени задержки распространения звуковой волны в среде. Таким образом, по определенному времени пролета звуковой волны, а также при фиксированной длине базы вычисляется скорость звука в газе. В ней и содержится информация о физико-химическом составе газовой среды, интерпретировать которую (по отдельным компонентам и в единицах плотности) представляется возможным, измеряя дополнительно температуру газа и давление в трубопроводе.

Калибровка по скорости звука основывается на установлении ее значений в зависимости от скорости потока в диапазоне от Vпот. = min и Vпот. = max м/с. В качестве эталона скорости звука задается его расчетное значение, полученное на основе известного состава газа (паспортного значения) и выбранного метода расчета, который используется при процедуре калибровки (воздух или природный газ). Перечисленные виды коррекций допускается применять только лишь после устранения смещения нуля (так называемая «сухая калибровка») УЗПР.

Экспериментальная проверка методики и способов коррекции проведена в лабораторных условиях ООО «Турбулентность-Дон» (при скорости потока Vпот. = 0) и на подконтрольном газораспределительном пункте (ГРП) на переменном расходе (при Vпот. = min и Vпот. = max м/с). В испытаниях принимали участие два типа приборов: UFG-F-V (4 луча, диаметр условный 150 мм, рис. 1) — на ГРП, и UFG-F-C (4 луча, диаметр условный 80 мм) — в лабораторных условиях (рис. 2).

Расходомер UFG-F-V Ду-150 мм
Рис. 1. Расходомер UFG-F-V Ду-150 мм, с помощью которого произведены испытания на линии УУГ ГРП
Стенд для исследования физико-химических параметров газовых сред акустическим способом
Рис. 2. Стенд для исследования физико-химических параметров газовых сред акустическим способом

При проведении лабораторных исследований использовались поверочные газовые смеси (ПГС) с молярной концентрацией метана 83,99%, 93,43% и 98,224%. До проведения испытаний УЗПР на линии трубопровода подконтрольного УУГ ГРП высокого давления предварительно был получен компонентный состав газа из паспорта качества, предоставленного лабораторией Ростовского линейного производственного управления магистральных газопроводов (ЛПУ МГ).

Перед испытаниями фланцы двух приборов UFG-F-C UFG-F-V были закрыты специальными шиберными заглушками с впускным и выпускным вентилями, а из внутреннего объема расходомеров откачан воздух. После наполнения газовой смесью (молярная доля метана МСН4 = 93,3%, паспортная плотность при стандартных условиях ρпасп. = 0,7153 кг/м3), прибор был помещен в климатическую камеру для полной стабилизации температуры. Устранение смещение нуля и коррекция по скорости звука (так называемая «сухая калибровка») выполнена с использованием расчетной методики ГОСТ 30319.3−2015 по определению плотности, фактора сжимаемости и скорости звука.

Для подтверждения эффективности разработанного способа компенсации проведены экспериментальные исследования с использованием климатической камеры: оценено влияние на результат определения плотности газа при измерении скорости звука изменения температуры в диапазоне от -20 °С до +60 °С и состава природного газа при изменении концентрации метана (СН4) от 83,99% до 98,224%. Для выполнения полного термостатирования в виду массы прибора потребовалось не менее 4 часов на каждую температурную точку диапазона. Результаты измерений и расчетов приведены в табл. 1. На рис. 3 приведена зависимость относительной погрешности измерения плотности от температуры при различной концентрации метана в газовой смеси из которой видно, что относительная погрешность определения плотности природного газа по разработанной методике не превышает ±0,4%.

Зависимость относительной погрешности измерения скорости звука и плотности газа от температуры
Таблица 1. Зависимость относительной погрешности измерения скорости звука и плотности газа от температуры в диапазоне от -20 ºС до +60 ºС

Для оценки метрологических характеристик УЗПР по части разработанного алгоритма программной коррекции скорости звука выполнена оценка влияния на нее скорости потока с помощью преобразователя расхода типа UFG-F-V на линии трубопровода газораспределительного пункта. Калибровка по скорости потока и скорости звука выполнена на природном газе известного состава (данные взяты из паспорта качества лаборатории).

Зависимость относительной погрешности измерения плотности газа приведенной к с.у. от температуры
Рис. 3. Зависимость относительной погрешности измерения плотности газа приведенной к с.у. от температуры

На рис. 4 приведены значения измеренной (до калибровки) и расчетной скорости звука в газе при рабочих условиях в зависимости от скорости потока от Vпот. min до Vпот.max. На рис. 4 также приведены значения относительной погрешности измерения скорости звука (от -0,905% до 0,252%) в зависимости от скорости потока до калибровки.

Значения измеренной, расчетной скоростей звука и их относительное отклонение в зависимости от скорости потока
Рис. 4. Значения измеренной, расчетной скоростей звука и их относительное отклонение в зависимости от скорости потока

Из анализа полученных данных можно заметить, что при пересчете на плотность газа, относительная погрешность бы составила в среднем от -2,0% до 0,5%, если не применять коррекцию скорости звука. При использовании данной корректировки в диапазоне скоростей потока от 0,2 до 40 м/с относительная погрешность определения плотности газа составляет менее ±0,2%.

Согласно рекомендациям Р Газпром 5.6−2008 «Методика выполнения измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода при высоких давлениях (до 25 МПа)» относительная погрешность измерения плотности для рабочих условий не должна превышать δ≤0,5%, для стандартных условий δ≤0,44%. В документе СТО Газпром 5.2−2005 «Методика выполнения измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода» данная погрешность для плотномера лимитирована уровнем δ≤0,6% (для рабочих условий). Как следует из полученных экспериментальных данных, пределы относительной погрешности определения плотности газа по измеренной скорости звука соответствуют требованиям перечисленных выше нормативных документов.

Выводы

Описаны перспективы развития ультразвуковых расходомеров газа, проблематика при автоматизированном измерении массового расхода природного газа за счет динамического изменения состава газа и несвоевременного его внесения в вычислитель расходомера. По сложившемуся мнению, одним из недостатков ультразвуковых расходомеров, является зависимость собственной скорости ультразвуковых колебаний от физико-химических свойств измеряемой среды. Но на практике, данное утверждение не совсем корректно, — это одно из существенных преимуществ данного метода, которое позволило реализовать в ультразвуковых расходомерах Turbo Flow UFG функцию оценки физико-химических параметров среды, в частности плотности природного газа.

Разработаны способы повышения метрологических характеристик метода определения плотности природного газа по измеренной скорости звука, за счет применения автоматической коррекции: по температуре и скорости звука, что подтверждено в ходе проведения лабораторных и промышленных испытаний.

В диапазоне температур от -20 °С до +60 °С при изменении состава природного газа (концентрации метана (СН4) от 83,99% до 98,224%) относительная погрешность определения плотности по разработанной методике не превышает ±0,4%. При использовании программной коррекции скорости звука в зависимости от скорости потока в диапазоне скоростей от 0,2 до 40 м/с удалось снизить относительную погрешность определения плотности газа до уровня менее ±0,1%. Полученные пределы погрешностей соответствуют требованиям СТО Газпром 5.2−2005 и Р Газпром 5.6−2008.

Наличие уникальной функции оценки плотности природного газа с возможностью приближенного вычисления его компонентного состава расширяет диагностические возможности УЗ преобразователя расхода, в числе которых отслеживание качества природного газа в реальном времени; исключение ошибок ввода показателя плотности или состава газа; возможность автоматического изменения метода расчета физических параметров природного газа для повышения точности и достоверности измерения.

Литература

  • Андреева М. М., Староверова Н. А., Нурахметов М. Б. Обзор рынка расходомеров для нефтяной и газовой промышленности // Вестник технологического университета. 2015. Т.18, № 10. с. 42−46.
  • Соломичев Р.И. Решения, обеспечивающие метрологическую и эксплуатационную надежность ультразвуковых расходомеров Turbo Flow UFG / Р. И. Соломичев, А. Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. — 2019. № 2/2019 (72). с. 120−125.
  • ГОСТ 8.611−2013. Расход и количество газа. Методика измерений с помощью ультразвуковых преобразователей расхода [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/1… (дата обращения: 30.01.2020).
  • Соломичев Р.И. Оценка физико-химических параметров природного газа акустическим способом / Р.И. Соломичев, А.Н. Слонько // СФЕРА. Нефть и Газ. — 2019. № 4/2019 (72). с. 46−51.
  • Замалетдинова Э. Ю. Имитационный метод поверки ультразвуковых расходомеров. / Э. Ю. Замалетдинова, Л. Т. Ягьяева, Р. Р. Замалетдинов // Вестник Казанского технологического университета. Серия «Машиностроение и приборостроение, вопросы метрологии». — 2011. №.19/2011. с. 214 — 216.