Особенности измерения расхода газа

Введение

Учет и контроль использования энергоресурсов является мощнейшим стимулом к их сбережению, и важнейшая задача в данной области — обеспечение точности результатов измерений. Проанализируем существующие методы измерения объемов газа и сформулируем критерии, помогающие выбору оптимального прибора для конкретной ситуации. Рассмотрим возможности применения расходомеров, разработанных на основе этих методов, для коммерческого учета газа.

1. Газы, приведенные к стандартным условиям Природный газ в настоящее время является основным видом топлива. Он потребляется миллиардами кубометров. И крупнейшая ТЭЦ, потребляющая тысячи кубометров в час, и хозяин частного дома, сжигающий меньше кубометра за сутки должны за этот газ рассчитываться. Цена на газ установлена за тысячу стандартных кубометров. Что же собой представляют стандартные кубометры? Твердые тела и жидкости очень незначительно меняют свой объем при увеличении давления. Изменение температуры в пределах своего агрегатного состояния тоже не вызывает значительного изменения объема ни у жидкостей, ни у твердых тел. Иначе обстоит дело с газами. При неизменной температуре повышение давления на одну атмосферу приводит к уменьшению объема газа в два раза, на две — в три, на три — в четыре и так далее. Повышение температуры при неизменном давлении приводит к увеличению объема газа, а ее снижение к уменьшению. Исторически сложилось, что природный газ отпускается, и расчет за него ведется в кубометрах. Это связано с тем, что счетчики объемного типа появились раньше. Как известно, первыми были счетчики, использующие принцип переменного перепада давления (сужающие устройства). Последующие счетчики турбинного типа тоже являются объемными. Точнее сказать они измеряют скорость потока, но так как измерение производится в определенном, поддающемся вычислению сечении, то эти методы можно считать объемными. Таким образом, подавляющее большинство счетчиков (можно еще назвать камерные, ротационные, вихревые, струйные, ультразвуковые и т. д.) измеряют объем газа протекающего по трубе. Кориолисовы счетчики, которые измеряют непосредственно массу газа, появились сравнительно недавно и из-за своей стоимости не нашли широкого применения. По-видимому, до тех пор пока природный газ не закончится, его расходы будут измеряться счетчиками объемного типа. Зимой по газопроводу идет меньший объем газа, чем летом. Давление в газопроводах поддерживается компрессорными станциями. Если на компрессорной станции работает два компрессора, то объем газа в трубе будет меньше, чем при работающем одном компрессоре. Хотя по массе это могут быть одни и те же количества, что зимой, что летом, что при более высоком давлении в газопроводе, что при более низком. Очевидно, что объемы газа необходимо пересчитывать для каких-то единых для всех условий по давлению и по температуре. Такие единые для всех условия были установлены и, для исполнения этих условий всеми без исключения, они были закреплены в ГОСТ 2939. В этом ГОСТе сказано, что «объем газов должен приводиться к следующим условиям: а) температура 20 °C (293,15°К); б) давление 760 мм рт. ст. (101 325 Н/мІ)…». В настоящее время устоялась следующая терминология: объем газа измеренный в газопроводе называют «объемом в рабочих условиях» или «рабочим объемом», а объем газа пересчитанный в соответствии с ГОСТом — «объемом, приведенным к стандартным условиям» или «стандартным объемом». Иногда применяют термин «объем, приведенный к нормальным условиям», но этот термин ошибочный, так как нормальные условия отличаются от стандартных температурой равной 0 °C (273,15°К), а не 20 °C (293,15°К). Поведение газа при меняющихся параметрах описывается объединенным газовым законом

P1V1 / T1 = P2V2 / T2 (1)

где P — абсолютное давление газа, атм., T — температура газа по абсолютной шкале, V — объем газа, м3. Если левую часть формулы (1) будем считать состоянием газа в стандартных условиях, а правую состоянием того же газа в рабочих условиях, то формула для вычисления объема в стандартных условиях будет выглядеть следующим образом:

Vст = ТстPрVр / TрРст (2)

Подставив известные для стандартных условий значения температуры 293,15°К и давления равного 1 атм. получим формулу для приведения объема газа к стандартным условиям (3)

Vст = 293,15· PрVр / Tр (3)

Для приведения к стандартным условиям измеренных расходов формула (2) примет вид

Qст = 293,15· PрQр / Tр (4)

Для наглядности приведем пример расчета. Предположим, что показания объемного расходомера составляют 1000 м³ за 2 часа. Температура газа +60°С и избыточное давление 8 атм. Определим чему равен измеренный объем газа в стандартных условиях. Для этого подставим значения в формулу (3) учитывая, что температура должна быть в °К, а к избыточному давлению нужно прибавить 1 атм.

Vст = 293,15· 9·1000 / 333,15 = 7919,4 ст. м3 (4)

Проделаем то же самое для расхода учитывая, что расход в нашем случае составит в рабочих условиях 500 м3/час

Qст = 293,15· 9·500 / 333,15 = 3959,7 ст. мі/час (5).

Таким образом, объем и расход газа, замеренный в газопроводе, называется рабочим объемом и рабочим расходом. Использовать эти данные для взаиморасчетов нельзя. Их необходимо привести в соответствие с ГОСТ 2939. Объем и расход газа, пересчитанные в соответствие с ГОСТ 2939 называются объем (расход), приведенный к стандартным условиям. Или кратко стандартный объем и стандартный расход.

2. Сущность измерения объема газов При обыкновенных определениях количества газов измеряют объем, занимаемый газом в стеклянном сосуде, обыкновенно разделенном на куб. сантиметры при 15 °C, температуру газа и его давление; затем, имея по таблицам вес одного кубич. сантиметра данного газа при наблюдаемых температуре и давлении, находят вес газа по формуле: вес тела в пустоте равен (в метрической мере) произведению из его объема на плотность (или вес единицы объема). Но под плотностью газа обыкновенно разумеют отношение веса газа к весу равного объема воздуха, взятых при нормальных условиях, т. е. при температуре 0 °C и давлении 760 мм. Заметим, что для идеального газа, следующего закону Бойля-Мариотта, каковым и считается при обыкновенных определениях всякий газ, достаточно удаленный от сжижения; это отношение не изменится и при иной температуре и ином давлении. Очевидно далее, что для получения веса одного куб. см данного газа, нужно его плотность (по отношению к воздуху) помножить на вес одного куб. см воздуха. Точное определение плотности газа и веса одного куб. см воздуха, равно как и непосредственное взвешивание газа, выходят из ряда обычных определений, так как для таких определений необходимо иметь большие количества газа и весы, допускающие наивысшую степень точности взвешивания.

О точности измерения газов подробные данные имеются в отчетах проф. Менделеева: «Об упругости газов» (1875 г.) и «О весе литра воздуха». Определения Реньо плотности газов и веса куб. см воздуха до сих пор считаются образцовыми; так, например, новейшим определениям веса куб. см воздуха Жолли, Ледюка и лорда Рэлея приходится придать одинаковый вес с Реньовскими. По расчетам Д. Менделеева («Вр. Гл. П. М. и В.»), средняя наивероятнейшая величина для веса куб. см сухого воздуха, лишенного углекислоты:

l₀ = 0,13 1844g г ± 0,10 г, где g — ускорение силы тяжести; для широты СПб. l₀ = 1,29 455 ± 0,10 г.

Способ Реньо для определения плотности газов состоит в следующем: из нескольких стеклянных шаров емкостью около 10 литров, приготовленных на одном и том же заводе при одинаковых условиях, были выбраны два наиболее близкие по емкости; к ним на мастике были приделаны одинаковые арматуры с кранами. Прежде всего уравнивался наружный объем шаров таким образом: оба шара наполнялись водой, затем подвешивались на двух плечах точных весов и, по приведении весов в равновесие, погружались в общую ванну с водой. Вследствие неполного равенства наружных объемов, равновесие весов, конечно, нарушалось, для восстановления которого на одну сторону весов приходилось добавить некоторый груз р. Далее подбирался такой стеклянный грузик, который терял в воде как раз p г. Этот добавочный грузик Реньо подвешивал к меньшему шару, вновь уравновешивал шары в воздухе и потом снова погружал оба шара в воду, и так как равновесие не нарушалось, то этим и констатировалось полное равенство наружных объемов обоих шаров. Таким способом Реньо исключил большую поправку на потерю веса шаров в воздухе, которая зависела бы от изменения температуры, давления и влажности воздуха того помещения, где производились взвешивания; и действительно, равновесие весов с пустыми (без воздуха) запертыми шарами не нарушалось в течение многих дней. Потом один из шаров помещался в ванну с тающим льдом, на арматуру шара навинчивалась трубка с трехходовым краном и двумя трубками, из которых одна вела к дифференциальному барометру, другая шла к другому трехходовому крану, который сообщал внутренность стеклянного шара или с разрежающим насосом, или с резервуаром, содержащим сухой газ. Разрежая газ внутри шара и вновь наполняя шар газом из резервуара при помощи второго трехходового крана, до тех пор, пока не было уверенности, что остатки воздуха были удалены, Реньо производил в последний раз сильное разрежение, разобщал стеклянный шар при помощи второго тройного крана с насосом, отсчитывал разность уровней в дифференциальном барометре; потом запирал кран, находящийся в горле стеклянного шара. Таким образом, шар в момент запирания крана содержал объем V₀ разреженного газа при 0° и давлении h. Затем добавочные части отвинчивались, и шар с разреженным газом подвешивался по-прежнему на весах. По прошествии некоторого времени температуры обоих шаров сравнивалась, объемы их также, некоторый добавочный груз на стороне шара с разреженным газом восстанавливал равновесие весов.

Потом Реньо брал тот же шар, помещал его опять в ванну с тающим льдом и, при помощи добавочных частей, наполнял шар газом уже при давлении H, равном давлению атмосферы; когда температуру можно было считать установившейся, кран в горле шара закрывался и добавочные части отнимались. Очевидно, что в этот раз в шар был введен объем газа V⁰ при 0° и давлении H — h.

При новом взвешивании на весах пришлось снять P г; очевидно, это и есть вес газа, введенного при втором опыте. По Мариоттову закону следует, что вес газа при том же объеме, но при 760 мм давления, будет P[760/(H — h)]. Ввиду того, что Н близко к 760 и h очень мало, конечно, нельзя ждать заметных отступлений в сжатии газа от Мариоттова закона.

Подобным же образом Реньо получил вес воздуха, заключенного в объеме V₀ при 0° и давлении 760 мм равным P'[760/(H' - h')]; искомая плотность газа, таким образом, равна

Д = (P/P')[(H' - h')/(H — h)].

Приводим плотности, полученные Реньо для некоторых газов:

Определение веса куб. сантиметра воздуха, при 0° и 760 мм давления, Реньо произвел таким образом. По только что изложенному способу — Реньо определил вес воздуха, заключенного в стеклянном шаре при 0° в 760 мм

Х = Р[760/(H — h)];

Обычный способ определения емкости сосуда взвешиванием Емкость сосуда поверяется или измеряется обыкновенно таким образом: берут какой-нибудь сосуд с водою или ртутью, взвешивают его и выливают воду или ртуть в измеряемый сосуд до черты; по разности определяют вес вылитой жидкости. Если жидкость имеет на воздухе вес м и плотность ее т, то объем ее равен

v = м / т (1 + л / т — л / д) куб. см

где л — вес кубич. см воздуха и приблизительно равен = 0,0012 г, д — плотность разновесок (для латуни д = 8,4). Для воды и латунных разновесок, при t = 15°, л / т — л / д = 0,106. Вес куб. см воздуха при любой температуре t и давлении H выражается формулой

l = [0,1 293Н]/[(1 + 0 , 00367t)760].

3. О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учёта газа

Традиционно коммерческий учет газа основан на объемном и скоростном методах измерения объема газа, реализованных на базе диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков газа и измерительных комплексов на их основе. В трубопроводах больших диаметров (как правило, от Ду =300 мм и более) применяют метод переменного перепада давлений с использованием стандартных сужающих устройств (прежде всего — диафрагм) в комплексе с современными интеллектуальными преобразователями давления и разности давлений.

Расходомер на базе сужающего устройства «ИРГА»

Одновременно предпринимаются попытки реализации новых методов измерения: вихревой, ультразвуковой, струйно-генераторный, кориолисовый и других. Как правило, новые разработки опираются на результаты современных исследований в области аэро-, термодинамики и электроники и ставят своей целью повышение точности и расширение диапазона измерения расхода газа, обеспечение работоспособности в широком температурном диапазоне, на загрязненном газе, а также в условиях пневмоударов и пульсаций газа. Анализу различных вариантов построения узлов коммерческого учета газа посвящены, в частности, работы [4, 5]. Следует учитывать, что каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки и выбор должен основываться на результатах тщательной метрологической экспертизы как самих методов измерения и реализующих их устройств, так и условий их градуировки и последующей эксплуатации.

Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств (СУ) К достоинствам расходомеров следует отнести простоту конструкции преобразователя расхода и возможность поверки беспроливным методом, т. е. при отсутствии расходомерных стендов. Данная возможность обусловлена наличием наиболее полной научно-технической, в том числе стандартизованной информации по данному методу измерения.

Недостатками являются, во-первых, малый диапазон измерения (ранее не превышающий значения 1:3, а в настоящее время, с появлением многопредельных интеллектуальных датчиков давления, увеличившийся до 1:10). Во-вторых, высокая чувствительность к неравномерности эпюры скоростей потока на входе в СУ, обусловленной наличием в подводящем и/или отводящем трубопроводах гидравлических сопротивлений (запорной арматуры, колен и т. д.). Данное обстоятельство определяет необходимость наличия перед указанными СУ прямых участков длиной не менее 10 диаметров условного прохода (Ду) трубопровода. В ряде случаев, например при установке СУ после гидравлических сопротивлений, таких как неполностью открытый вентиль, прямой участок перед СУ достигает длины 50 Ду и более).

Объемный метод измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода Недостатками расходомеров являются ограниченная работоспособность на загрязненном газе, возможность поломки при резких пневмоударах и частичное перекрытие газопровода при поломке, связанной, например, с заклиниванием роторов ротационного счетчика газа, относительно большие габариты, а также стоимость (для ротационных счетчиков газа больших типоразмеров) по сравнению с приборами других типов.

Главным достоинством, многократно перекрывающим недостатки и сделавшим данный метод измерения самым распространенным по количеству установленных приборов, является то, что это единственный метод, обеспечивающий прямое, а не косвенное измерение объема проходящего газа. Кроме этого, нужно отметить полную нечувствительность к любым искажениям эпюр скоростей потока на входе и выходе, что позволяет отказаться от прямых участков и резко сократить габариты Диафрагменный счетчик газа типа ВК (слева) и ротационный счетчик газа типа RVG (справа) узла учета газа, а также дает возможность обеспечения самых широких диапазонов измерения — до 1:100 и более. Счетчики газа данного типа прекрасно подходят для случаев учета газа при его циклическом потреблении, например, котлами с импульсным режимом горения.

Скоростной метод измерения на базе турбинных преобразователей расхода Достоинствами расходомеров являются малые габариты и вес, относительно низкие стоимость и чувствительность к пневмоударам, а также значительный диапазон измерения расхода (до 1:30), который существенно превосходит аналогичный показатель для СУ. К недостаткам следует отнести некоторую чувствительность к искажениям потока на входе и выходе расходомера (хотя в современных приборах требования к длинам прямых участков до и после прибора минимальные и составляют, соответственно, всего 2 и 1 Ду), неработоспособность на малых расходах — менее 8 — 10 м3/ч, а также повышенную погрешность при измерении пульсирующих потоков газа.

Турбинный счетчик газа типа TRZ

Однако самым главным достоинством расходомеров объемного и скоростного типа является стабильность коэффициента преобразования в самом широком диапазоне числа Рейнольдса Re потока газа. Обусловлено это тем, что все выпускаемые как у нас в стране, так и в мире счетчики газа калибруются на воздухе при нулевом избыточном давлении, в то время как работают на газе при совершенно других значениях давления.

Обеспечить достоверную сходимость показаний для этих двух случаев возможно только, если расходомер изначально имеет стабильный коэффициент преобразования, т. е. постоянное отношение его естественного выходного сигнала к проходящему через прибор расходу воздуха или газа. Например, для турбинного или ротационного счетчика газа (после необходимых сокращений) данный коэффициент преобразования определяется как количество оборотов турбинки или роторов, соответствующее прохождению единицы объема газа.

Оппоненты могут возразить, что поскольку в узле учета газа кроме объемного расхода все равно необходимо измерять температуру и давление газа, то даже при отсутствии необходимой стабильности коэффициента преобразования у прибора всегда имеется возможность при проведении его калибровки линеаризовать его статическую характеристику. А при переходе к реальным условиям эксплуатации также внести соответствующие корректировки, рассчитав число Re для каждого случая измерения. Тем более что современная микроэлектроника позволяет решать и более сложные задачи при относительно небольших затратах. Действительно, описанную выше задачу решить принципиально можно, но необходимо полностью сформулировать ее условия, а этого пока не удается. Дело в том, что при течении газа по трубопроводу, а особенно при его расширении или сжатии (что имеет место, например, при повороте трубопровода или обтекании потоком каких-либо препятствий), имеют место сложные аэрои термодинамические процессы. Соответственно, зависят они не только от величины числа Re, но и от значений других аэрои термодинамических критериев, в частности, чисел Струхаля St, Нусельта Nu, Фруда Fr. А для проведения коррекции с учетом этих значений, во-первых, отсутствует необходимый экспериментальный материал, а во-вторых, для их определения как минимум нужна непрерывная информация о составе газа, которая в случаях установки приборов учета газа у потребителей отсутствует.

Вихревые расходомеры Несомненными достоинствами вихревых расходомеров являются их нечувствительность к пневмоударам и возможность работы на загрязненных газах. К недостаткам относятся повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (примерно такая же, как и у стандартных сужающих устройств (СУ)) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тела (так называемого тела обтекания). Кроме того, если узел съема сигнала расходомера термоанемометрический, прибор становится энергозависимым, а если он выполнен с использованием пьезоэлементов, возникают весьма серьезные проблемы с обеспечением помехозащищенности при наличии внешних механических вибраций газопровода.

Однако самым серьезным недостатком вихревых расходомеров является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне изменения расхода газа, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним. Анализ данных проблем дан в. Не случайно всемирно известная фирма Endress + Hauser, являясь производителем вихревых расходомеров серии Prowirl, не рекомендует их применение в случаях, когда требуется высокая точность измерения.

Ультразвуковые расходомеры Достоинством ультразвуковых расходомеров является их наибольшая перспективность в коммерческом учете газа. Ранее их применение сдерживалось высокой стоимостью изготовления и недостаточной надежностью электронного блока. Однако в настоящее время с развитием микроэлектроники данный недостаток постоянно уменьшается. Приборы этого типа не имеют ни подвижных частей, ни частей, выступающих в поток. Соответственно, они практически не создают дополнительных потерь напора и могут потенциально иметь весьма высокую надежность. Также они могут обеспечивать измерения в широком диапазоне изменения расхода газа и быть энергонезависимыми, т. е. в течение длительного времени работать от встроенного автономного источника питания.

Ультразвуковой счётчик газа Недостатком является необходимость применения многолучевых ультразвуковых расходомеров (2-лучевых и более) с последующей обработкой информации по весьма сложной программе для того, чтобы практически исключить влияние искажений потока газа на точность измерения. К сожалению, выпускаемые в России ультразвуковые счетчики газа по совокупности своих характеристик пока не отвечают всем необходимым требованиям к приборам коммерческого учета газа и, соответственно, могут найти весьма ограниченное применение.

Струйные автогенераторные расходомеры На указанном методе измерения остановимся подробнее, т. к. в настоящее время счетчики газа, созданные на базе расходомеров данного типа, без необходимой метрологической экспертизы начали активно применяться для коммерческого учета газа. Расходомер представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный отрицательными обратными связями, выполненными в виде пневматических каналов, соединяющих выходные каналы струйного элемента с одноименными каналами управления (левый — с левым, правый — с правым). При наличии расхода газа через сопло питания струйного элемента его струя попадает в один из выходных каналов и создает в нем повышенное давление, которое через соответствующий канал обратной связи подается в одноименный канал управления и переключает струю, выходящую из канала питания, в другое устойчивое положение. Затем процесс переключения струи повторяется. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания струйного элемента. Таким образом, в данном методе измерения имеет место создание аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа.

Струйному автогенераторному расходомеру присущи те же недостатки, которыми обладает вихревой расходомер, а именно: большие невозвратимые потери напора и повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (в варианте его применения в комплекте с СУ). Однако, к сожалению, есть и дополнительные минусы. Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может применяться только в качестве парциального расходомера, через который идет незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода газа (а это неминуемо снижает достоверность измерений), а с другой, существенно больше, чем вихревой расходомер, подвержен засорению (т. е. не обладает одним из основных преимуществ вихревого расходомера). Во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера. Так, например, при испытаниях одного из видов струйного расходомера было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне 14,5−18,5% при изменении расхода через прибор в диапазоне не более 1−5.

Достоинства у расходомера те же, что и у вихревого, за исключением работоспособности на загрязненных газах. Они могут применяться вместо датчиков перепада давлений на расходомерах переменного перепада. Принципиально это позволяет расширить диапазон измерения последнего. Однако отмеченные недостатки вряд ли позволяют рассчитывать на серьезное внедрение данного метода для коммерческого учета газа.

Кориолисовые расходомеры Данные расходомеры являются одними из самых точных. Широко применяются для коммерческого учета жидкостей и сжатых газов. Наиболее типовое место применения в газовой промышленности — учет количества природного газа, отпускаемого на автомобильные газонакопительные компрессорные станции. В этом случае газ сжат до давления примерно в 20 МПа (200 бар) и имеет плотность, достаточную для применения данного метода. Недостатками являются большая масса, габариты и цена, а также влияние внешней механической вибрации на показания изделий. Расходомеры выпускаются многими ведущими производителями расходомерной техники. Случаев применения для учета газа в сетях низкого и среднего давления неизвестно.

Термоанемометрические (тепловые) расходомеры Достоинством является отсутствие подвижных частей и, соответственно, потенциально высокая надежность работы в условиях пневмоударов, перегрузок и т. д.

Термоанемометрический расходомер Основной недостаток термоанемометрических расходомеров, относящихся к классу тепловых, является следствием их принципа действия. Они фактически измеряют теплосъем с нагревательного элемента, который (при известной теплоемкости среды) однозначно связан с массовым расходом. Таким образом, приборы данного типа являются счетчиками массового расхода газа. Это могло стать достоинством, если бы расчет за газ производился с оплатой за единицу массы. Однако в нашей стране потребитель платит за объем газа, приведенный к нормальным условиям. Соответственно, для перехода от массового расхода к расходу природного газа при нормальных условиях требуется указанный массовый расход разделить на плотность газа при нормальных условиях. Однако плотность зависит от состава газа, а ее изменения в течение короткого времени могут достигать 10% и более. В то же время состав газа самим прибором не измеряется и может вноситься вручную не чаще нескольких раз в сутки. Поэтому данные приборы вообще трудно отнести к приборам, пригодным для коммерческого учета газа, что обоснованно в [4, 5].

Проанализировав ситуацию на рынке приборов коммерческого учета газа, можно сформулировать следующие выводы:

1. Основным критерием применимости методов измерения для коммерческого учета газа является стабильность «естественного» (т. е. получаемого при градуировке без дополнительной коррекции по температуре и давлению газа) коэффициента преобразования в максимально широком диапазоне изменения режимов течения газа в трубопроводе. Только это позволяет с полным основанием производить градуировку и поверку приборов учета газа на воздушных расходомерных стендах с последующим распространением полученных результатов на случаи измерения природного и других газов, в том числе при давлении и температуре, отличающихся от условий градуировки или поверки.

2. Из появившихся в последние годы новых методов измерения расхода для коммерческого учета газа низкого и среднего давления потенциально применим только ультразвуковой метод измерения с преобразователями расхода в многолучевом исполнении.

3. Коммерческий учет газа в трубопроводах малого и среднего диаметров (до 300 мм) при расходах газа до 6 000 м3/ч наиболее целесообразно производить с использованием диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков соответственно увеличению диаметров трубопроводов и расхода газа.

4. Расходомеры переменного перепада наиболее целесообразно применять для коммерческого учета газа в газопроводах больших диаметров (свыше 400 мм), ограничивая по возможности диапазоны измерения расхода, например, создавая «гребенки» параллельно установленных расходомеров и подключая / отключая соответствующие каналы измерения при увеличении или уменьшении расхода газа через данный расходомерный узел.

4.Анализ факторов влияющих на дисбаланс учета газа. Выводы и рекомендации по оптимизации учета

4.1 Погрешность узла учета газа

Рассмотрим влияние факторов погрешности измерения узлом учета и приведения к стандартным условиям объема газа.

Объем газа, измеренный счетчиком газа, приводится к стандартным условиям по формуле:

где V — объем газа, измеренный счетчиком;Р — абсолютное давление газа в трубопроводе;Z_c — фактор сжимаемости при стандартных условиях (Р_с, Т_с);Т_с — температура газа при стандартных условиях (293,5 К);Р_с — абсолютное давление газа при стандартных условиях (1,1 325 бар).

Из формулы видно, что учет температуры и давления являются необходимыми условиями измерения объема газа и приведения его к стандартным условиям.

Выбор класса точности прибора учета газа

Уменьшение влияния на дисбаланс погрешности измерения, определяемой относительной погрешностью счетчика достигается путем выбора прибора повышенного класса точности.

Турбинные и ротационные счетчики ведущих фирм-изготовителей, таких как Schlumberger, Elster, Dresser имеют очень малую систематическую составляющую погрешности, поэтому при калибровке этих счетчиков, кривая погрешности вполне укладывается в диапазон 0,5%, а при снижении кратности измеряемых расходов Q_min/Q_max до 1:10 возможно откалибровать эти счетчики в пределах 0,3%. Такие счетчики используются как мастер-счетчики в калибровочных стендах.

Выводы и рекомендации по выбору класса точности прибора учета

Требования к классу точности приборов учета должны определяться, в первую очередь, расходом газа. Чем больше расход газа, проходящего через прибор учета, тем должен быть выше класс точности.

Наиболее подходящими типами приборов учета для верхних уровней ГРО являются турбинные и ротационные счетчики.

Учет влияния температуры на погрешность измерения

Погрешность измерения объема газа достаточно сильно зависит от температуры — газ изменяет свой объем примерно на 1% при изменении Температуры на 3 градуса:

где дVc — относительная погрешность расчета объема газа в стандартных условиях;дT — абсолютная погрешность измерения температуры газа в рабочих условиях (°К).

Учитывая, что температура газа в трубопроводе в различное время года может в зависимости от положения трубопровода меняться в широких пределах (от -20°С до +40°С), отсутствие измерения температуры газа и соответственно учета поправки объема газа от температуры может приводить к большим погрешностям в расчетах объема газа в стандартных условиях:

Выводы и рекомендации по учету влияния температуры на погрешность измерения

Для уменьшения погрешности расчета объема газа в стандартных условиях в зависимости от температуры газа необходимо измерять температуру газа в зоне счетчика газа с погрешностью не более (0,5−1)°С и желательно в реальном масштабе времени (или в течение времени, пока температура газа не изменилась более, чем на 0,5°С) вводить поправку на температуру газа. Для расходов газа свыше 10 м³/час и колебании температуры газа, проходящего через прибор учета, свыше 5 °C рекомендуется вводить поправку по температуре.

Наиболее точным способом учета влияния температуры является применение электронных корректоров по температуре — Т или давлению, температуре и коэффициенту сжимаемости — PTZ.

Для бытовых счетчиков, устанавливаемых внутри помещения, требование по температурной коррекции не предъявляется.

На практике, уменьшение дисбаланса в учете потребления газа населением можно решить следующим образом.

Для многоквартирного дома:

· домовой счетчик имеет коррекцию по температуре, и по нему определяется объем газа, потребляемого жильцами дома;

· квартирные счетчики, устанавливаются в одинаковых условиях (либо все в квартирах, либо на лестничных площадках и не имеют коррекции по температуре).

По квартирным счетчикам определяется относительная погрешность потребления газа каждой квартирой от объема, определенного по домовому счетчику. В обобщенном случае, при наличии достоверной статистики, это должно закладываться в тариф оплаты за год по показаниям квартирного счетчика

Влияние давления газа на погрешность измерения

Давление газа прямо пропорционально меняет плотность или объем газа и поэтому относительная погрешность расчета газа в стандартных условиях прямо пропорционально зависит от относительной погрешности в измерении давления газа:

где д V_c — относительная погрешность расчета объема газа в стандартных условиях; д p — относительная погрешность измерения давления газа в рабочих условиях; k_p — коэффициент пропорциональности.

В сети ГРО газ, по мере его распределения проходит несколько ступеней редуцирования. Чем выше давление измеряемого газа, тем существеннее влияние погрешности измерения давления на величину дисбаланса.

Измерение и регистрация давления являются обязательными для измерения объема газа при его подаче из магистрального газопровода в сеть ГРО, а также на всех узлах учета на участках высокого и среднего давления сети ГРО (от 12 бар до 0,05 бар). При этом рекомендуемый диапазон погрешности измерения должен быть в пределах 0,2 — 0,5%.

На все узлы учета, работающие в сетях высокого и среднего давления, рекомендуется устанавливать корректоры PTZ.

Датчик давления, как любой прибор с упругим элементом, со временем теряет свои свойства, и погрешность измерения давления возрастет. Поэтому нужно очень тщательно подойти к выбору надежного датчика давления, сохраняющего свои параметры в течение длительного промежутка времени.

Как показывает мировая практика на сетях низкого (менее 0,05 бар) коррекцию по давлению производить неэффективно по следующим причинам:

· колебания давления газа в сетях низкого давления находятся в пределах 15 мбар, что вызывает погрешность измерения объема в пределах 1,5%;

· в формуле приведения газа к стандартным условиям используется абсолютное давление.

Учитывая, что атмосферное давление колеблется в пределах, соизмеримых с колебаниями давления, приводить газ к стандартным условиям только по колебанию газа в сети, без учета соизмеримого колебания атмосферного давления будет некорректно.

Потребителями газа из сети низкого давления являются, в основном, население и коммерческо-бытовые предприятия, что порой составляет тысячи и десятки тысяч узлов учета (включая квартирные счетчики). Оснащение этой разветвленной периферии сложными приборами резко снижает надежность системы и требует значительных средств на ее поддержание, что экономически не окупает увеличения учитываемого объема газа на 1,5%. Это подтверждает печальный опыт Бритиш Газ (British Gas), который был вынужден демонтировать сотни тысяч ультразвуковых счетчиков и заменять их мембранными из-за низкой надежности системы и дорогостоящего обслуживания.

Проблема решается просто — введением единого коэффициента к показаниям счетчиков низкого давления (скажем 1,03−1,05), который учитывает приведение регистрируемого счетчиком объема к стандартным условиям, заведомо перекрывая возможные колебания давления газа в сети.

Выводы и рекомендации по уменьшению влияния давления на погрешность измерения

Узлы учета сетей высокого и среднего давления рекомендуется в обязательном порядке оснащать корректорами по PTZ.

Узлы учета сетей низкого давления с расходами более 10 мЗ/час рекомендуется оснащать корректорами по Т.

Квартирные счетчики рекомендуется устанавливать внутри помещений, уменьшая тем самым влияние температурной составляющей погрешности и их показания использовать как коэффициент при распределении газа, учтенного домовым счетчиком.

Погрешность обработки результатов измерений

Абсолютная погрешность обработки результатов измерений при использовании самописцев может колебаться от 1 до 5%, что очень существенно при больших расходах.

Для уменьшения погрешности обработки данных необходимо полностью перейти на использование электронных средств регистрации и обработки данных.

Литература

газ измерение расход

1. Золотаревский С. А. О применимости вихревого метода измерения для коммерческого учета газа/ С. А. Золотаревский // Энергоанализ и энергоэффективность. — 2006. — № 1.

2. Измерение расхода: руководство по выбору расходомера // Endress + Hauser. CP 001D/06/ru/04.04, 2004.

3. Расходомер-счетчик РС-СПА. ТУ 4213−009−17 858 566−01. Протокол испытаний / ГАЗТУРБавтоматика. — М., 2002.

4. Золотаревский С. А. Современные промышленные узлы коммерческого учета газа. Краткая история и ближайшие перспективы / С. А. Золотаревский, А. С. Осипов // Энергоанализ и энергоэффективность. — 2005. — № 4−5.

5. Золотаревский С. А. К вопросу о выборе узлов коммерческого учета газа / С. А. Золотаревский, А. С. Осипов // Газ России. — 2006. — № 1.

6. Иванушкин И. Ю. Приборы учета — всеми ли можно пользоваться? / И. Ю. Иванушкин // Реформа ЖКХ. — 2009. — № 11−12.