Разходомери за газ

Измервателна техникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2006

Фиг.1 Принципна конструктивна схема на диафрагмен разходомерФиг.2 Принципна конструктивна схема на турбинков разходомерФиг.3 Крива на грешката, характерна за турбинков разходомерФиг.4 а и б Схема на свързван с цел проверка прецизността на работа на измервателната система

 

 

Специфики на диафрагмените и турбинковите конструкции

Широкото използване на природния газ в индустрията и бита в световен мащаб е предпоставка за сериозно пазарно и техническо развитие на разходомери, конструирани специално за нуждите на газовата индустрия в цялата й приложна област. Всички търговски измервания, независимо от различния порядък на количествата природен газ при транзита и преноса на горивото в индустриалните или битовите приложения, са свързани с общо изискване от страна на потребителите - измервателните средства да бъдат колкото е възможно по-точни. От друга страна, спецификите на горивото, включително газообразното му агрегатно състояние, способността му да приема температурата на околната среда и др., налага широкото използване на конструкции газомери и електронни блокове, разработени специално за работа с природен газ. Сред най-широко използваните конструкции разходомери за малки дебити природен газ са диафрагмените. В сферата на преноса и разпределението на природния газ сред наложилите се технически решения са турбинковите разходомери. Двата вида разходомери - диафрагмените и турбинковите, като конструктивни специфики, метрологични характеристики и експлоатационни параметри са обект на настоящата статия.

 

За грешките при измерването

Всеки метролог знае, че стойностите на физичните величини, получени от дадено измервателно средство, са обект на определена грешка. В процеса на конструиране на един измервателен уред производителят като правило се стреми при оптимални условия на измерването да осигури минимална грешка. Разбира се, в техниката идеални измервателни методи, конструкции и условия на провеждане на измервателния процес не съществуват. Оптималният избор е въпрос на обективно и рационално оценяване на всички фактори, които имат отношение към точността на измерване: от една страна - конкретната физическа величина и условията, в които се прави измерването, от друга - изискванията по отношение на точността, които трябва да се гарантират, и, от трета - наличните методи, които биха могли да осигурят постигането й.

При избора на разходомер за природен газ имайте предвид, че грешките при измерването са два основни вида - систематични и случайни. Систематичната съставна на грешката подлежи на определяне. Тя е резултат от обстоятелството, че реалните условия на измерването в почти 100% от случаите са различни от идеалните за конкретното измервателно средство. Съществуват достатъчно точни математически модели за определяне на абсолютната и относителната стойност на систематичната грешка. В зависимост от конкретната физическа величина, за която се отнася измерването, систематичната грешка би могла да се даде като процент от измервателния обхват (напр. ±5%) или като отклонение в плюс и минус от измереното показание с точно определена стойност (напр. ±1 мм).

Случайната съставна на грешката, както би могло да се заключи и от наименованието й, е резултат от комбинация от случайни фактори. Точната стойност на случайната грешка не подлежи на инженерно определяне. Съществуват модели за анализ на измервателната система с цел изясняване на механизма на възникването на случайните грешки, с цел възможното им ограничаване.

Когато става въпрос конкретно за разходомери за природен газ, грешката се представя често като процент от измерената стойност в точно определен период от времето. Производителите на газомери обикновено предоставят информация за грешката при измерването във вид на графичното й изменение във функция на дебита. Прието е тази графика да се нарича крива или характеристика на грешката.

Друга основна характеристика на разходомерите за природен газ - измервателният обхват, се дефинира като диапазона, ограничен от минималната (Q

min) и максималната стойност (Qmax) на дебита, които биха могли да се измерят със съответния уред. Често измервателният обхват се задава като съотношение - например 1:160 за диафрагмените разходомери означава, че Qmax = 160.Qmin.

 

Диафрагмени разходомери за газ

Трудно е да си представим, че принципът на работа на диафрагмените разходомери е разработен в средата на по-миналия век. Въпреки изминалите повече от 150 г. от производството на първите диафрагмени разходомери и бурното развитие на електрониката през последните години, принципът им на работа не е претърпял сериозни промени. Според редица специалисти, дори все още не съществува сериозна алтернатива на диафрагмените разходомери за природен газ с приложение в битовия сектор.

Основен конструктивен елемент на диафрагмените разходомери са четири измервателни камери, разделени с диафрагми. Камерите се пълнят и изпразват периодично с природен газ. Преместването на диафрагмите се предава най-често посредством коляно-мотовилков механизъм към работния орган на вентили, контролиращи последователността на запълване на камерите. Чрез съответен брояч се сумират периодите от време, през които камерите се изпълват с природния газ. На базата на отчетената стойност се определя разходът на преминалия през уреда газ.

Като основни предимства на този вид разходомери специалистите определят големият им измервателен обхват и високата стабилност на работа, обясняваща немислими за друг вид уреди периоди за прекалибриране от седем, осем и дори повече години. Други предимства на диафрагмените разходомери са независимостта на работата им от външен енергиен източник, здравата им конструкция и, не на последно място за българския пазар, относително ниската им цена. Също така, разнообразието от модели диафрагмени разходомери от различни производители, които се предлагат на пазара в страната, дава големи възможности за избор на уред, съответстващ на конкретните изисквания.

Видове диафрагмени газомери

Въпреки възможността да се постигнат широки измервателни обхвати с диафрагмените разходомери, не би било коректно да се твърди, че съществуват универсални газомери от този вид. Водещите производители на разходомери за природен газ предлагат модели за приложение в бита, индустрията и обществения сектор. Обикновено с битовите газомери се измерват дебити до 10 м

3/ч, докато индустриалните газомери могат да измерват дебити от порядъка на 250 м3/ч и повече. Корпусите на моделите с работно налягане до 0.1 bar по принцип са устойчиви на температури до и по-високи от 500 °С. Предлагат се и модели, чиито корпуси са устойчиви и на по-високи температури, както и специални изпълнения, предназначени за работа с високи налягания (над 64 bar) и такива с висока разделителна способност.

Все по-високите изисквания по отношение точността на разходомерите, предназначени за търговски измервания, налагат усъвършенстването на конструкцията им, от една страна, и използването на съвременни електронни блокове с цел разширяване на функционалните им възможности, от друга страна. Новите разработки диафрагмени разходомери включват конструкции със синтетични диафрагми и прецизно лагерувани висококачествени синтетични конструктивни елементи. По този начин се увеличава стабилността на работа за по-дълъг период от време. Други тенденции в техническото усъвършенстване на диафрагмените разходомери са редукция на отделяния при работата им шум, разработването на механични решения за температурна компенсация и др.

Температурната компенсация

при диафрагмените разходомери е важен фактор за постигане на висока точност и повторяемост в измерването на дебита на газа. Известно е, че природният газ се характеризира с висок коефициент на топлопроводност и чрез топлообмен много бързо приема температурата на околната среда. За търговско измерване разхода на природен газ в битови приложения с диафрагмени разходомери се приема, че температурата на горивото има строго определена стойност (обикновено базовата температура е 15 °С).

В случай че температурата на природния газ в мястото на измерването е по-висока, това ще рефлектира върху точността на измерените стойности, тъй като обемът на горивото зависи от температурата му. Установено е, например, че обемът на природния газ, необходим за загряването на един литър вода до точката на кипене, е около 2% по-голям, ако температурата на горивото е 21 °С, в сравнение със случай, при който температурата му е 15 °С. Следователно, в случай на по-висока температура на горивото разходомерът отчита по-високи стойности и следователно потребителят плаща повече.

Описаната ситуация би била реалност, ако направим допускането, че разходомерът е монтиран вътре в апартамента. Ако обаче разходомерът е монтиран в мазето, където средната температура е, например, не по-висока от 10 °С, ситуацията би била обратната, т.е. по-ниската температура на горивото ще рефлектира в отчитането на по-малка консумация и потребителят ще плаща по-малка сметка.

За да се предотврати появата на измервателни грешки от порядъка на няколко процента в резултат на променливата температура на горивото в мястото на измерването, съвременните диафрагмени разходомери за битово приложение разполагат с температурна компенсация. По този начин се преодолява несъответствието между реалната температурата на природния газ и приетата за търговски измервания стойност. Често при диафрагмените разходомери с битово приложение температурната компенсация се реализира, като обемът на газа в измервателната камера се регулира в зависимост от текущата стойност на температурата на горивото.

По-големите модели диафрагмени разходомери обикновено разполагат с отделен електронен температурен коректор, който преобразува обема на газа при текущата му температура към обема, съответстващ на стойността на температурата, която е приета за търговски измервания на разхода. Редица съвременни модели диафрагмени разходомери разполагат с възможности и за дистанционно отчитане.

Турбинкови разходомери

Първата конструкция на турбинков разходомер е разработена в годините преди Втората световна война. През изминалите десетилетия този вид разходомери са се наложили на пазара и днес заемат сериозен пазарен дял при уредите за измерване на големи обеми природен газ. Турбинковите разходомери широко се използват за измерване дебита на газа в преносните и разпределителните газоснабдителни мрежи. Въпреки че принципът им на работа не се е променил от разработването им до наши дни, метрологичните им характеристики са претърпели съществено развитие, обясняващо масовото им използване днес.

Принципът на работа на турбинковите разходомери е широко известен. За обема на преминалия през разходомера газ се съди по оборотите на завъртане на турбинното колело, монтирано в корпуса на уреда. Както бе подчертано, този вид разходомери се използват за измерване на големи дебити, което обяснява високите обороти на въртене на турбинното колело. Високите обороти обикновено се редуцират чрез използването на многостъпален редуктор, след което посредством съответен съединител се подават към брояч, монтиран извън газовата камера. Газовият поток се ускорява и линеализира във входния канал на разходомера, преди да достигне до турбинното колело. По този начин смущенията, внасяни от завихрянето на газовия поток, се премахват. В процеса на ускоряване на газа, част от енергията на налягането, съхранена в газа, се преобразува в кинетична енергия, т.е. статичното налягане намалява. Обратно, след турбинното колело газовият поток преминава през коничен като форма изходен канал, при което скоростта му намалява и част от кинетичната енергия се преобразува в налягане. Съвременните турбинкови разходомери са с оптимизирана геометрия на входящия и изходящия канал и турбинното колело, която позволява с минимални загуби на налягане измервателната грешка за широк измервателен обхват да бъде минимална.

Изисквания при използването на газомерите

Въпреки че турбинковите разходомери измерват обема на газа в реални условия, за целите на търговското измерване се използват т.нар. нормални условия на процеса. Те включват извършването на всички изчисления при стойности на температурата и налягането, постигнати като споразумение между доставчика и ползвателя на горивото. Съответно, за да се преобразува текущият обем на природния газ към т.нар. нормален, се използват съответни коректори. За целта се следят текущите стойности на температурата и налягането. Изборът на място, в което съответните датчици за налягане, температура и плътност се монтират, трябва да бъде много добре прецизирано. От една страна, местоположението следва да бъде избрано така, че датчиците да не внасят смущения в измервателното средство. От друга страна, монтажът им трябва да осигурява правдоподобно снемане на текущото термодинамично състояние в точката на измерването.

Друго съществено изискване, свързано с използването на турбинкови разходомери за природен газ, е необходимостта от осигуряване на прав участък от газопровода преди мястото, в което се монтира уредът. Дължината на правия участък се определя като минимум три пъти диаметъра на газопровода. Приложението на турбинкови разходомери не налага изискването за осигуряване на прав участък от тръбопровода след разходомера.

Точността е важен фактор

при турбинковите разходомери, особено предвид факта, че този вид уреди се използват за измерване на големи обеми природен газ. На фигурата е показана кривата на грешката, характерна за турбинков разходомер, която е получена от изпитвателен стенд, работещ с въздух под барометричното налягане.

Разнообразието от конструктивни изпълнения при турбинковите разходомери е много голямо. Често, турбината и прилежащите й конструктивни елементи са присъединени директно към фланцеви корпус. Предимство на подобни конструкции турбинкови разходомери е елементарността им. Недостатък е, че някои напрежения в газопровода, към който се свързва измервателният уред, могат да окажат неблагоприятно влияние върху работата на разходомера и да понижат точността му на работа.

Предлагат се и конструкции разходомери за природен газ, при които има функционално разделяне на корпуса и измервателната тръба, наричана още сменяем патрон на уредите. Сменяемият патрон се произвежда като отделен възел от корпуса и е възможно да бъде предварително калибриран върху изпитвателен стенд. При използването на подобни като конструкция разходомери замяната на стари патрони с нови се прави на място, без да е необходимо да се закупува и нов корпус на уреда.

Също така, е възможно с помощта на адаптер да се инсталира сменяем патрон с по-малък диаметър от съответстващия на диаметъра на газопровода. По този начин се измерват по-малки обеми газ по-точно, тъй като при използването на работни колела на турбината с по-малки габарити и, следователно по-ниско тегло, се наблюдава по-малко механично триене. Поставянето на по-малък като диаметър сменяем патрон е възможно, когато например в определени периоди от време през газопреносната мрежа се подават по-малки дебити.

Работа при високи налягания и дебити

За да се гарантира дългата и безпроблемна работа на турбинковите разходомери, лагерите на работното колело на турбината и редуктора се преоразмеряват. По този начин в случай на работа на разходомера при по-високо натоварване от максимално определеното от производителя, уредът продължава да работи с относително добри метрологични характеристики. Обикновено свръхнатоварването, което един разходомер би могъл да понесе, е от порядъка на 160% от максималния дебит.

Около 80% от всички турбинкови разходомери се калибрират по съответната калибрационна методология върху тестови стендове с използването на въздух с атмосферно налягане. На практика, обаче, тези разходомери се използват за измерване разхода на природен газ с налягане по-високо от атмосферното. Тъй като внесената систематична грешка се отчита, турбината и редукторът се оптимизират за работа на уреда с природен газ.

Установено е, че има много малка разлика между кривата на грешката във въздушни потоци, характеризиращи се ниски Рейнолдсови числа, и кривата на грешката, характерна за потоци природен газ с високо налягане. Направени проучвания показват, че тази разлика в зависимост от всеки конкретен случай е различна, но е в диапазона ±0.5%. Също така, кривата на грешката е по-малко стръмна при работа на уредите с газови потоци с по-високо налягане в сравнение с газови потоци с по-ниско налягане. Следователно, при по-високи налягания грешката при турбинковите разходомери се колебае в по-тесни граници.

Точността и стабилността на работа на турбинковите разходомери при измерването на газови потоци с високи налягания би могла де се провери в условия, близки до реалните, т.е. на изпитвателен стенд с природен газ под високо налягане. За да се намали систематичната грешка, отклонението в налягането при газомери, измерващи разхода на газови потоци с високи налягания, се отчита при пресмятанията като функция на дебита или на Рейнолдсовото число от електронен коректор.

Връзката между обхвата и налягането

Редица специалисти са на мнение, че измервателният обхват на турбинковите разходомери за газ е по-широк при измерване на газови потоци с по-високо налягане.

При работа на този тип разходомери с дебити, близки до минималната стойност на измервателния им обхват, режимът на работа на уреда се влияе от връзката между въртящия момент, задвижващ работното колело на турбината (привеждано в движение от газа), и въртящия момент, действащ в противоположната посока (дължащ се на силите на механично триене). Тъй като задвижващият работното колело въртящ момент нараства линейно с увеличаването на плътността на газа, въртящият момент, действащ върху работното колело на турбината, се увеличава с нарастването на налягането. Следователно, минималният въртящ момент, необходим за да се постигне желаната точност, се достига по-бързо при по-голяма плътност на газа в сравнение с работа на уреда с газови потоци с по-ниска плътност. Поради изброените причини с увеличаването на налягането нараства и измервателният обхват на турбинковите разходомери за природен газ.

Използването на турбинковите разходомери в газорегулиращите станции е свързано с необходимостта от съобразяване с факта, че в тях високото налягане на природния газ, под което горивото се транспортира в преносната мрежа, се понижава до налягането, характерно за разпределителните мрежи. На практика понижаването на налягането се реализира чрез използването на регулатор на налягане. Обикновено за целите на търговското измерване на горивото, постъпило в газорегулиращите станции, се използват турбинкови разходомери.

Съществуват две алтернативни места за монтаж на разходомерите - преди регулатора, където налягането на потока е високо, или след регулатора, където налягането на газа е ниско. И в двата случая се използват стандартни като изпълнение турбинкови разходомери.

Влиянието на смущенията

Както вече бе подчертано, турбинковите разходомери са много прецизни уреди. Разбира се, метрологичните им характеристики са най-добри, т.е. работят с най-висока точност на измерване, когато турбинното колело се задвижва от поток с постоянна скорост, без смущения. Не бива да се забравя, че записаните в паспортите на уредите метрологични характеристики са постигнати на изпитвателни стендове. Следователно, те биха могли да се възпроизведат в практиката, само ако параметрите на потока са идентични между работата им в практиката и в процеса на изпитване на уредите в съответната лаборатория.

Ако турбинковите разходомери измерват потоци, за които са характерни смущения, включително турбулентни завихряния, е препоръчително използването на съответни технически решения с цел т.нар. изправяне на потока. С помощта им смущенията се ограничават.

Съществуват различни системи за ограничаване смущенията на потока. Изборът им се базира на характерните за конкретния случай смущения на потока. Входният канал на турбинковите разходомери също изпълнява т.нар. изправяща функция. Преминавайки през този участък, газовият поток се ускорява и смущенията автоматично се редуцират чрез използването на направляващи.

Изисквания към монтажа на разходомерите

Тъй ката входният участък на разходомерите изпълнява и функцията да изправя потока, този вид разходомери са по-малко чувствителни към смущения в сравнение с други видове разходомери. По тази причина монтажът им е свързан с по-малки изисквания към дължината на правия участък от газопровода, преди монтирането на измервателния уред.

По принцип повечето производители на турбинкови разходомери препоръчват дължината на правия участък преди уреда да бъде пет пъти диаметъра на газопровода, в случаите, при които налягането на потока е по-високо от 4 bar. Ако налягането на потока е по-ниско от тази стойност, препоръчителната дължина на правия участък е три пъти диаметъра на газопровода. Също така, следва да се има предвид, че когато регулаторът на налягане е монтиран непосредствено преди турбинковия разходомер, минималната дължина на правия участък е равна на десет пъти номиналния диаметър на газопровода.

Както бе подчертано, към диаметъра на газопровода след измервателния уред не съществуват изисквания. Има изискване единствено по отношение на диаметъра на газопровода - той трябва да съответства на този на разходомера.

Разбира се, предлагат се турбинкови разходомери, при които съществуват различни от описаните изисквания към диаметъра и вида на участъка от газопровода преди и след мястото, в което е монтиран уредът.

Проверка
на състоянието
на разходомерите

Както всички измервателни уреди, и турбинковите разходомери изискват периодична проверка. Обикновено, разходомерите се демонтират и проверяват в специализирани за подобна дейност лаборатории.

В големите индустриални предприятия, където спецификата на производствените процеси е свързана с непрекъсната доставка на природен газ и високи изисквания по отношение на използваните измервателни уреди, тези проверки се изпълняват при по-различна процедура. За целта се свързват две измервателни системи в серия, въпреки че това увеличава себестойността на инсталацията. Използват се два вида серийно свързване на разходомерите.

При първия вид, свързването между двете измервателни системи е трайно. В този случай, газовият поток преминава последователно през двете независимо работещи измервателни системи, инсталирани в серия. Чрез специална мониторингова система, показанията на двата разходомера се сравняват непрекъснато и при регистриране на разлики между измерените стойности, се пристъпва към съответните проверки.

Вторият вид свързване на измервателните системи е непостоянно. При него за определен период от време с цел проверка на постоянно работещата измервателна система в инсталацията се включва втора. Изпълнява се двупътна инсталация, при която се реализират два контура с възможност за спиране протичането на природния газ през всяка от тях. По този начин се сравнява работата на измервателните системи за определен период от време




Новият брой 2/2017

брой 2-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top