Метрологическая надежность методов измерений расхода и количества природного газа и узлов учета на их базе

В статье объясняются преимущества традиционных методов измерений расхода и количества природного газа перед новыми, появившимися в последние десятилетия. 

ООО «НПФ «РАСКО», г. Москва,
ООО «РАСКО Газэлектроника», г. Арзамас, Нижегородская обл.

скачать pdf >>

Автор статьи – C. А. Золотаревский, к. т. н., директор по развитию ООО «НПФ «РАСКО»	Автор статьи –  А. С. Осипов, к. э. н., генеральный директор ООО «РАСКО Газэлектроника»

В настоящее время известно и применяется на практике достаточно большое число методов измерений расхода и количества природного га­за. Одни известны достаточно давно, а средства измерений на их основе применяются 100 лет и более. Другие появились в последние десятилетия и да­же го­ды, но уже нашли достаточно широкое применение как в бы­ту, так и в промышленности. Естественно, перед потребителями и эксплуатирующими организациями возникает вопрос: средства измерений на ба­зе каких методов целесообразно применять в каждом конкретном случае?

В данной статье предпринята еще одна (см. также, например, статью [1]) попытка ответить на не­го, исходя из основного принципа традиционной метрологии: обеспечения максимальной метрологической надежности приборов учета га­за в реальных условиях эксплуатации в течение всего срока их службы, под которой для средств измерений понимается обеспечение измерений с паспортизованной погрешностью в течение всего межповерочного интервала. Причем не только в стендовых (по су­ти, тепличных) условиях, но и в реально существующих в эксплуатации, при воздействии на них таких влияющих факторов, как загрязнение, изменение температуры и влажности га­за, вибрация, акустические шу­мы, электромагнитные помехи и т. д.

До середины XX ве­ка для учета объема потребляемого природного га­за использовались счетчики объема га­за трех типов:
- диафрагменные – для учета газа в бытовом и коммунальном секторе;
- ротационные – в коммунальной сфере и промышленности;
- турбинные – в промышленности.

При этом коррекция показаний данных приборов по давлению и температуре с приведением показаний приборов к нормальным условиям производилась или вручную – с использованием показаний самописцев, регистрирующих изменение температуры и давления га­за на специальных диаграммах, или с применением сложных механических корректоров объема газа.

Кроме этого, для учета га­за, особенно в газопроводах больших диаметров, применялись расходомеры переменного перепада давлений, измеряющие перепад давлений на сужающих устройствах: стандартной диафрагме, трубке Вентури, сопле Витошинского и т. д. Однако необходимо отметить, что указанный перепад давлений пропорционален так называемому полумассовому расходу ρv², где ρ – плотность га­за, а v – скорость га­за, пропорциональная расходу Q га­за через измерительное сечение. Таким образом, для то­го чтобы измерить объем га­за, прошедшего через измерительное сечение такого прибора, необходимо бы­ло, во‑первых, знать и постоянно контролировать плотность га­­за ρ (а она, как известно, зависит не только от давления и температуры, но и от состава га­за и может меняться в достаточно широких пределах) и, во‑вторых, одновременно измерять давление p и температуру T га­за, а из полученного после всех указанных корректировок результата извлечь квадратный корень. Соответственно, погрешность измерения объема га­за таким устройством да­же в узком диапазоне измерения достигала 4–5 % и более, а стоимость устройства бы­ла явно неконкурентоспособной по сравнению с устройствами, упомянутыми выше.

Взрывоподобное развитие в конце XX – начале XXI ве­ка электроники и сенсорики, базирующееся на достижениях полупроводниковой промышленности и цифровой техники, привело не только к появлению первых электронных корректоров объема га­за, но и новых методов измерений расхода и количества природного га­за (рис. 1): вихревых, ультразвуковых, струйных автогенераторных, тепловых (микротермальных), кориолисовых, которые ранее если и применялись, то только для измерения расхода и количества жидкостей, плотность которых на два-три порядка вы­ше плотности га­за. Эти же достижения позволили создать электронные приборы для измерения давления и перепада давлений нового поколения, в том числе повышенной точности и многопредельные, что на определенном этапе обеспечило сохранение расходомерами переменного перепада давлений своих позиций при измерении объема га­за в трубопроводах больших диаметров, где применение, например, турбинных расходомеров бы­ло невозможно или нецелесообразно.

Рис. 1. Конструктивные схемы новых методов измерения расхода и количества газа: а – объемного; б – ультразвукового; в – струйного автогенераторного, массового; г, д – микротермального; е – кориолисового (увеличить изображение)

Соответственно, выбор вариантов исполнения приборов учета га­за в последние го­ды резко вырос, а газовый рынок, ранее всегда отличавшийся своей консервативностью (слишком дорого здесь обходятся ошибки!), оказался наводнен приборами учета га­за различного ти­па. При этом далеко не все из новых приборов учета га­за, прежде всего базирующихся на новых методах измерений, как показали результаты эксплуатации, выдержали испытание временем в процессе эксплуатации.

Указанная ситуация, имевшая место не только в сегменте учета природного га­за, но и в других областях (учета жидкости, па­ра и т. д.), позволила ведущим разработчикам и наиболее компетентным потребителям сформулировать основные критерии оценки метрологической надежности приборов учета энергоресурсов, а также других сред, что особенно важно в настоящее время, так как тенденция применения новых достижений науки и технических решений на их основе сохраняется и даже усиливается.

Применительно к приборам учета природного га­за данные критерии оценки сводятся в основном к следующему.

1. Наивысшую метрологическую надежность имеют полнопоточные средства измерений расхода, то есть те, через измерительное сечение которых проходит весь измеряемый поток. Метрологическая надежность парциальных расходомеров априори ни­же, чем полнопоточных. И эта разница тем больше, чем меньше до­ля расхода, проходящего через измерительное сечение парциального расходомера.

2. Метрологическая надежность расходомеров и счетчиков, реализующих прямой метод измерений, априори вы­ше, чем у расходомеров и счетчиков, реализующих косвенный метод измерений. При этом, учитывая появившиеся в последнее время новые толкования то­го, какие методы измерений являются прямыми, а какие косвенными, определимся, что под счетчиками, реализующими прямой метод измерений объема га­за, понимаются устройства, в которых проходящим со входа на выход потоком га­за попеременно заполняются одна или несколько измерительных камер известного объема. Соответственно, прошедший через устройство объем га­за пропорционален количеству циклов наполнения-опорожнения. И никакие другие! Данный метод используется в барабанных, мембранных (камерных) и ротационных счетчиках газа.

3. Из приборов, реализующих косвенные методы измерений (точнее – вычисления) объема га­за, наивысшей метрологической надежностью обладают счетчики га­за, в которых вычисление объема га­за производится умножением «естественного» сигнала счетчика, прямо пропорционального скорости потока га­за в измерительном канале, на коэффициент, прямо пропорциональный площади измерительного канала. К таким приборам относятся турбинные, вихревые и ультразвуковые расходомеры-счетчики газа.

4. Метрологическая надежность прибора в условиях эксплуатации тем выше, чем меньше влияние на его показания любых искажений эпюры скоростей потока на его входе (например, после установленных перед ним гидросопротивлений – одиночного или сдвоенного колена, частично открытого шарового крана, неподвижного закручивающего устройства и т. д.), а также внешних или внутренних (гидродинамических) шумов, вибрации, электромагнитных помех и т. д. Вполне очевидно, что наивысшую защиту от воздействия указанных факторов имеет диафрагменный или ротационный счетчик с механическим отсчетным устройством. Именно это определяет такую феноменальную живучесть этих, по су­ти, самых древних приборов, с которыми, в си­лу конструктивных особенностей, может сравниться только турбинный счетчик га­за с аналогичным отсчетным устройством.

Анализ технических характеристик применяемых в настоящее время приборов учета га­за на соответствие указанным критериям показывает, что, как ни парадоксально, ни один из приборов учета га­за, использующих новые методы измерения (вихревой, ультразвуковой, струйный автогенераторный, тепловой), сравниться с перечисленными вы­ше «традиционными» методами учета га­за по данным параметрам не может. Как и по еще одному достаточно важному параметру – энергонезависимости: ни один другой из рассматриваемых здесь методов измерения не может работать без использования внешнего источника энергии, сетевого или батарейного. При этом следует понимать, что потенциальная уязвимость метода измерений и реализующего данный метод прибора – это не только уменьшение метрологической надежности само по се­бе, но и окно возможностей для не вполне чистоплотных «специалистов», желающих «подкорректировать» показания счетчика га­за в своих интересах.

Одновременно по результатам эксплуатации выявились и конструктивные особенности некоторых приборов учета, влияющие на метрологическую надежность. Например, основной «болезнью» парциальных расходомеров, в которых через измерительный канал проходит только небольшая часть от общего расхода через устройство (в некоторых случаях – всего несколько процентов), является постепенное «зарастание» именно этого канала, а как результат – перераспределение расходов между измерительным и байпасным каналами и занижение показаний прибора. При этом потребитель начинает меньше платить, а газоснабжающая организация – недополучать денежные средства за поставляемый газ. К приборам парциального ти­па можно отнести струйные автогенераторные и микротермальные счетчики га­за, конструктивные схемы которых представлены на рис. 1в и 1д. Конкретные примеры метрологических рисков, возникающих при эксплуатации парциальных расходомеров‑счетчиков га­за представлены, в частности, в статье [2]. На заимствованных из указанной статьи рис. 2 и 3 приведены результаты испытаний (которые проводились на стендах ООО «ЭЛЬС­ТЕР Газэлектроника» и Коломенского ЦСМ) представленных на поверку струйных автогенераторных счетчиков РС-СП-А. Их основная погрешность до проведения регламентных работ, заключавшихся прежде всего в очистке проточной части, как и температурная погрешность уже очищенного от загрязнений прибора, превышала 25 %. О какой метрологической надежности здесь вообще может идти речь?

Рис. 2. Зависимость погрешности струйного автогенераторного счетчика газа G1,6 от температуры

Рис. 3. Погрешность струйного автогенераторного расходомера-счетчика до и после проведения регламентных работ

Еще одной «болезнью» струйных автогенераторых, а также вихревых и ультразвуковых расходомеров и счетчиков га­за на их основе является потенциальная чувствительность к внешним и внутренним шумам и вибрациям. У целого ря­да приборов данных типов, выпускавшихся еще 8–10 лет назад, этот недостаток наглядно проявлялся в ви­де «самохода», то есть увеличения показаний счетчика при отсутствии расхода га­за через не­го. Сейчас такое встречается редко, но это не значит, что проблема полностью решена. Скорее, она просто скрыта от посторонних глаз командой запрета на изменение показаний при отсутствии расхода. Однако эта «особенность» может проявляться в процессе эксплуатации. Такие случаи хорошо известны. Но для то­го, чтобы их выявить, необходимо последовательно с таким прибором установить дополнительный образцовый счетчик га­за другого ти­па, например турбинный. Это и бы­ло сделано на одном из сахарных заводов Тамбовской области. В результате бы­ло установлено, что ультразвуковой счетчик одного из российских производителей, нормально работающий в условиях поверки на предприятии-изготовителе, в реальных условиях эксплуатации, где присутствуют промышленная вибрация и акустические помехи, завышал показания почти на 20 %. В результате счетчик по решению су­да был заменен, а предприятию компенсированы избыточно перечисленные средства. Но стоит ли доводить до этого?

Перечисленные недостатки особенно сложно устранимы при малых давлениях га­за, когда его плотность максимально низка и, соответственно, регистрируемые сенсорами давления или температуры инновационных приборов отношения «полезный сигнал/шум» минимальны. Неслучайно поэтому да­же мировые лидеры по разработке и производству ультразвуковых расходомеров не рекомендуют применять свои приборы для учета га­за при его давлении ни­же 0,8 атм.

Приводя соответствующие примеры, мы не хотим утверждать, что, например, вихревые или ультразвуковые счетчики га­за заведомо ху­же, чем ротационные или турбинные. Совсем нет. У них есть вполне очевидные преимущества:
- отсутствие подвижных частей;
- нечувствительность к пневмоударам;
- малая невозвратимая потеря напора (у ультразвуковых счетчиков газа);
- работоспособность на загрязненном газе (у вихревых счетчиков газа);
- возможность беспроливной имитационной поверки (у вихревых и ультразвуковых счетчиков газа);
- меньшие затраты на техническое обслуживание в процессе эксплуатации и т. д.

И этими преимуществами, безусловно, на­до пользоваться. Тем более, что по ме­ре внедрения новых технологий область применения инновационных методов измерения расхода и объема природного га­за неуклонно расширяется. Так, в частности, вихревые расходомеры в ря­де случаев незаменимы при измерении расхода попутного га­за, а ультразвуковые расходомеры в последние го­ды отлично зарекомендовали се­бя в качестве приборов учета в магистральных газопроводах высокого давления.

Тем не менее традиционные методы измерений по-прежнему надежно сохраняют высокую конкурентоспособность в качестве приборов коммерческого и технологического учета. Естественно, в случае их дооснащения современными электронными корректорами объема га­за и блоками телеметрии, что обеспечивает успешное встраивание в региональные и отраслевые системы контроля, сбора и обработки информации о режимах газопотребления. Тем более, что развитие науки и техники коснулось и областей механической обработки: современные диафрагменные, ротационные, турбинные счетчики га­за существенно надежнее и точнее своих предшественников, а современные методы контроля качества технологических процессов изготовления на всех этапах, новые смазки, покрытия, конструкционные материалы не только значительно увеличили срок службы приборов, но и существенно сократили затраты на их техническое обслуживание в процессе эксплуатации.

Именно поэтому рынок приборов учета газа в Германии распределен (табл. 1, информация получена из доступных авторам открытых источников) между приборами учета различных типов следующим образом: ротационные – 60–70 %, турбинные – 10–20 %, ультразвуковые – 10–20 %. Похожая ситуация в Италии, Франции, Китае, США. В то же время в Республике Корея ротационные счетчики занимают 70–75 % рынка, турбинные – 20–25 %, а ультразвуковые практически не применяются. При этом ни в одной из перечисленных стран нет и в ближайшем будущем не предполагается существенного изменения ситуации на рынке в пользу новых методов измерения объема га­за, а основные усилия сосредоточены на повышении технического уровня и надежности систем телеметрии, сбора и обработки информации.

Таблица 1. Мировой опыт применения счетчиков газа различных типов (компиляция осредненных оценочных значений из различных источников)

Исходя из данной концепции на производство приборов учета природного га­за, имеющих наивысшую метрологическую надежность, ООО «РАСКО Газэлектроника» предлагает в настоящее время счетчики га­за и измерительные комплексы на их основе, указанные в табл. 2.

Таблица 2. Счетчики газа и измерительные комплексы на их основе ООО «РАСКО Газэлектроника»

В то же время, учитывая современные тенденции и имея возможность работать в тесном партнерстве с мировыми лидерами в разработке и производстве современных приборов учета га­за, которые встречно видят в нашем предприятии одного из лидеров России в данном сегменте рынка ООО «РАСКО Газэлектроника» в настоящее время разрабатывает ультразвуковой смарт-счетчик ВК-У и промышленный ультразвуковой счетчик РГ-У. Однако и при их разработке мы продолжаем следовать концепции обеспечения высочайшей метрологической надежности.

Подводя итог представленным в статье аргументам и фактам, считаем необходимым отметить:
- основу продуктовой линейки ООО «РАСКО Газэлектроника», как и прежде, составляют полнопоточные счетчики га­за – диафрагменные, ротационные, турбинные;
- искажения эпюры скоростей на входе и выходе счетчиков га­за, обусловленные изгибом газопроводов или наличием в них гидросопротивлений, не влияют на метрологические характеристики диафрагменных и ротационных счетчиков га­за и минимальны, по сравнению с вихревыми или ультразвуковыми, у турбинных счетчиков га­за. Это не только снижает метрологические риски эксплуатации приборов, но и обеспечивает возможность уменьшения габаритов и металлоемкости узлов учета га­за на их основе;
- диафрагменные, ротационные и турбинные счетчики газа не только полностью энергонезависимы, но и обладают повышенной устойчивостью к воздействию внешних акустических шумов, вибраций и электромагнитных полей;
- особенности российских условий эксплуатации, прежде всего возможное наличие в измеряемом природном га­зе механических примесей – продуктов коррозии стальных газопроводов, повышенной влажности, вплоть до образования конденсата и льда (особенно зимой), предопределяют повышенные метрологические риски применения в данных условиях счетчиков га­за парциального ти­па, особенно тех, в которых через измерительный канал счетчика проходит расход га­за существенно меньший, чем через байпасный канал;
- новые типы счетчиков га­за, предназначенные для применения в бытовой и коммунальной сфере, а значит, предлагаемые взамен диафрагменных и ротационных счетчиков га­за, кроме полнопоточной конструкции, не должны, как и заменяемые аналоги, требовать наличия прямых участков газопроводов до и после счетчика.

И наконец последнее. Наиболее распространенным типом расходомерных стендов, которые установлены на большинстве предприятий-производителей приборов учета га­за, а также во многих метрологических центрах, являются установки, в которых показания поверяемых приборов сравниваются с показаниями образцовых – так называемых «мастер-счетчиков». Естественно, дополнительно откалиброванных методом сличения с эталонами 1‑го (колокольными мерниками) или 2‑го разряда (образцовыми соплами) и работающих в узком диапазоне расходов при стандартных условиях, что позволяет довести их погрешность до 0,3 % и менее. При этом в качестве таких «мастер-счетчиков» применяются практически исключительно ротационные и турбинные счетчики га­за. Именно по причине их наивысшей метрологической надежности в течение всего времени эксплуатации. Так что, коллеги, если вы заинтересованы в достоверном учете га­за на вашем предприятии без рисков «неожиданного» увеличения газопотребления по непонятным причинам и других подобных событий, если не хотите, чтобы показания ваших приборов зависели от близости проведения сварочных работ или уровня акустических шумов и вибраций в результате работы вашего технологического оборудования, делайте выводы! В том числе с учетом информации, приведенной в данной статье.

Литература

1. Золотаревский С. А., Гущин О. Г. Организация учета природного га­за. Основные принципы, методы и средства обеспечения метрологической надежности узлов коммерческого учета га­за // ООО «ЭЛЬС­ТЕР Газэлектроника». Ежегодный сборник научно-технических статей. 2012.
2. Золотаревский С. А., Гущин О. Г. О применении струйного автогенераторного метода измерения в бытовых счетчиках га­за и поверочных установках // ООО «ЭЛЬСТЕР Газэлектроника». Ежегодный сборник научно-технических статей. 2012.

Опубликовано_в журнале ИСУП № 4(112)_2024

C. А. Золотаревский, к. т. н., 
директор по развитию,
ООО «НПФ «РАСКО», г. Москва,

А. С. Осипов, к. э. н., 
генеральный директор,
ООО «РАСКО Газэлектроника», г. Арзамас,
Нижегородская обл.

Иллюстрации предоставлены компанией ООО «НПФ «РАСКО»