Этапы и предпосылки развития метрологических расходоизмерительных центров в России

Автор: О.В. Крюков (НГТУ им. Р.Е. Алексеева).

Опубликовано в журнале Химическая техника №5/2018

В настоящее время в РФ при выпуске из производства, а также в процессе эксплуатации поверка и калибровка счетчиков газа выполняется на давлении, близком к атмосферному, а в качестве рабочей среды используется воздух [1–3]. Используется также метод «сухой» калибровки ультразвуковых счетчиков без движения рабочей среды. Вместе с тем эксплуатация счетчиков газа производится при давлениях, существенно превышающих атмосферное, и в качестве рабочей среды используются различные газы [4–6]. В ПАО «Газпром» эксплуатируется значительное количество счетчиков различных принципов действия: турбинные, ультразвуковые, ротационные, вихревые. Диапазон рабочих давлений составляет 0,3…9,8 МПа. Основная доля счетчиков укладывается в диапазон условных диаметров 50…700 мм [7–9].

Поверочные установки заводов-изготовителей состоят из воздушного компрессора, работающего на нагнетание или отсасывание, создающего поток воздуха, комплекта трубопроводной арматуры для стабилизации потока, места установки рабочего и эталонного счетчика, а также компьютерной системы для сравнения их показаний и вычисления метрологических характеристик (МХ) рабочих счетчиков [10–12].

Однако различие параметров рабочей среды при поверке и при эксплуатации приводит к дополнительной систематической погрешности измерения расхода и количества газа.

Как показывают исследования, «отмечается увеличение относительной погрешности измерений объемного расхода газа при использовании счетчика с калибровочными коэффициентами, рассчитанными при условиях, отличных от условий измерений. Можно предположить несколько причин такого поведения: паразитные акустические сигналы, изменение коэффициента усиления акустического сигнала или деформация отдельных узлов счетчика и корпуса в целом под влиянием среды» [13–16].

Типичными для современных УЗ-преобразователей являются следующие виды корректировки показаний, основанные на оценке их МХ, полученных в динамических условиях: корректировка по средневзвешенному, полиномиальная корректировка и кусочно-линейная интерполяция. Применение данных видов корректировки показаний УЗ-преобразователей позволяет существенно снизить погрешность измерений расхода газа во всем диапазоне расходов на рабочем давлении. Для турбинных счетчиков существует эффект расширения диапазона расходов с установленной погрешностью при увеличении рабочего давления газа.

Теоретическое обоснование методов улучшения МХ счетчиков

Из теории и практики известно [13–16], что диапазон измерения расхода можно расширить за счет снижения минимального расхода при повышении рабочего давления, что становится особенно актуальным для обеспечения режимов газопотребления типа зима – лето. Так, в зоне малых расходов с уменьшением числа Рейнольдса на коэффициенте преобразования счетчика, а, следовательно, и на его погрешности начинает все сильнее ска¬зываться влияние вязкости измеряемой среды и момента сопротивления узла редуктора. Для снижения данного влияния необходимо увеличить число Рейнольдса.

В дополнение к этому можно отметить, что, если определена погрешность счетчика в точке расхода Q1 при давлении, близком к атмосферному рабс1 = 0,1 МПа, которым соответствует определенное число Рейнольдса, то счетчик будет иметь аналогичную погрешность при работе на абсолютном давлении рабс2 = 0,4 Мпа (ризб2 == 0,3 МПа) на расходе

Это означает, что поверка счетчиков, выполненная при давлении, близком к атмосферному в диапазоне расходов 1/20, является достаточной для счетчика, работающего при избыточном давлении 0,3 МПа в диапазоне расходов 1/80. Специалистами ООО «ЭЛЬСТЕР Газэлектроника» в рамках сертификационных испытаний турбин¬ных счетчиков газа TRZ, проведенных на базе аттестованной и аккредитованной метрологической лаборатории Elster Gmbh (Германия), были подтверждены теоретические выводы о возможном расширении диапазона измерений счетчика TRZ.

Несмотря на острую необходимость в поверочных и испытательных установках на реальном давлении природного газа, в России такие установки большая редкость. В ПАО «Газпром» в настоящее время действует одна такая установка в Уральском региональном метрологическом центре (УРМЦ) в Челябинском ЛПУ ООО «ГП ТГ Екатеринбург» (рис. 1).

Основные задачи расходоизмерительных центров

ПАО «Газпром» на протяжении ряда лет занимается созданием системы метрологических расходоизмерительных центров. Для этого разработана Программа создания метрологических расходоизмерительных центров в дочерних обществах «Мострансгаз» и «Уралтрансгаз», и Комплексная целевая программа МеО ПТП добычи, транспортировки, переработки, подготовки, хранения и поставки газа и жидких углеводородов в ПАО «Газпром» на 2011–2020 гг. В соответствии с этими программами в ПАО «Газпром» создаются четыре метрологических расходоизмерительных центра по газу: Отраслевой метрологический расходоизмерительный центр (ОМРИЦ), Уральский региональный метрологический центр (УРМЦ), Кавказский метрологический расходоизмерительный центр (КМРЦ), Дальневосточный региональный метрологический центр (ДРМЦ).

Для расширения диапазона рабочих давлений и расходов на ряде центров в дополнение к традиционной проточной схеме работы применена кольцевая. Специализация центров проявляется в их различном территориальном расположении по регионам России, в разности задач, диаметров обслуживаемых расходомеров, рабочего давления и т.п. (табл. 1).

Специализация метрологических центров

Таблица 1

Принцип иерархии заключается в том, что по основным измерительным задачам отраслевой центр является головным и передает размеры единиц региональным центрам. Например, размер единицы 1 м3 природного газа передается от первичного эталона ОМРИЦ региональным МЦ. Основные параметры эталонов расхода газа ОМРИЦ показаны в табл. 1, а потока газа – в табл. 2. Указанные параметры центра позволяют проводить поверку, калибровку различных типов расходомерных устройств и счетчиков газа. Для проведения исследовательских работ в ОМРИЦ предусмотрена возможность установки взамен рабочих секций Dу = 200 мм и Dу == 400 мм исследовательских секций, содержащих эталонные расходомеры, прямые участки измерительных трубопроводов различной длины до и после испытываемых расходомеров, измерительные преобразователи давления, датчики температуры и давления. Прямые участки могут заменяться различными местными сопротивлениями (расширитель потока, поворот потока на 90° в двух плоскостях и другие).

Таблица 2

Основные параметры эталонов расхода газа ОМРИЦ

Предусмотрена возможность установки оборудования по искусственному возмущению потока газа (рис. 2, 3):

• различные конфигурации трубопроводов, создающие местные сопротивления по международному стандарту OIML R 137;
• устройство закручивания потока газа;
• устройство измерения скорости потока газа в различных точках потока;
• устройство для генерации и обнаружения пульсаций газа.

  

Параметры потока газа в кольцевом и проточном режимах приведены в табл. 3.

Таблица 3

Параметры потока газа в кольцевом и проточном режимах

Первая очередь испытательной площадки УРМЦ (см. рис. 1), сданная в эксплуатацию, включает четыре измерительных трубопровода (ИТ) DN 150, 200, 300 и 400, которые оснащены рабочими эталонами Elster Instromet по одному на каждый ИТ. Эталоны представляют собой турбинные счетчики семейства SM-R-I с номиналами G-400, G-1000, G-2500, G-6500, позволяющие перекрыть диапазон расхода газа от 32 до 10 000 м3/ч при рабочих условиях. Диапазон рабочих давлений составляет от 5,6 до 7,5 МПа. Вторая очередь позволяет проводить поверку, калибровку, испытания расходомеров с расходом до 47 000 м3/ч при том же давлении. Испытательные секции предназначены для установки расходомеров условными диаметрами от Dу = 500 мм до Dу = 1000 мм. Третья очередь УРМЦ планируется для создания возможности проводить испытания расходомеров на «низком» давлении природного газа (0,3; 0,6; 1,2 и 4,0 МПа). Кроме того, создание третьей очереди позволит организовать систему передачи размера единицы м3 природного газа от первичного эталона ОМРИЦ.

Перспективные задачи и возможные пути их реализации

Включение в систему единства измерений РФ. В таб-лице 3 приведены параметры эталонов ОМРИЦ и первичного гос. эталона расхода газа. Неопределенность измерения их 1 м3 имеет один порядок. Для передачи размера единицы от государственного эталона в ОМРИЦ предусматривается установка с комплектом критических сопл.

Проведение сличений эталонов м3 газа метрологических центров ПАО «Газпром» с эталонами европейских стран. Сличение эталонов может быть проведено с помощью переносных сдвоенных ротационно-поршневых пруверов, а также критических сопл РИЦ.

Обеспечение поверки и калибровки парка счетчиков газа различного типа и размера в различных регионах РФ. Поверка и калибровка счетчиков на рабочем давлении будет востребована для счетчиков повышенной точно¬сти, УЗ-счетчиков диаметров Dу 400 и выше ирасходомеров, используемых при высоких давлениях газа.

Проведение различных испытаний и исследований счетчиков. Технологическое оборудование создаваемых центров позволяет проводить ряд исследований расходомеров в рамках OIML R 137, но по мере освоения методов испытаний будут проведены исследования, имеющие важность для газовой отрасли. Это, в первую очередь, исследования новых типов счетчиков и расходомеров, планируемых к применению, а также испытания с целью оптимизации длин прямых участков до и после расходомеров для случаев различных нестандартных местных сопротивлений. Оборудование центров позволит выполнять широкий спектр НИР в области расходометрии: разработка методики выполнения измерений УЗ-расходомерами для давлений газа выше 7,5 МПа, разработка методов снижения влияния температуры и влажности газа на неопределенность измерения расхода газа, разработка методов снижения влияния пульсаций давления и расхода на неопределенность измерения газа, определение потерь давления на счетчиках и измерительных трубопроводах и т.п.

В настоящее время поверка счетчиков на рабочем давлении газа, некоторые испытания и исследовательские работы выполняются на первой очереди УРМЦ. Построена вторая очередь УРМЦ, проектируется третья. Выполнена проектная документация для ОМРИЦ. Кавказский и Дальневосточный центры находятся в стадии проектирования. После ввода в эксплуатацию основными направлениями деятельности центров должны стать научные задачи по изучению различных физических эффектов в области расходометрии, в частности, исследования и испытания счетчиков и расходомеров газа. Задачи поверки и калибровки должны выполняться для накопления статистических данных о метрологической надежности счетчиков и обеспечения самоокупаемости.

Список литературы

1. Крюков О.В. Стратегии инвариантных систем управления электроприводами объектов ОАО «Газпром»//В сб.: Идентификация систем и задачи управления SICPRO’15/М.: Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова, 2015. С. 368–386.
2. Kadin S.N., Kazachenko A.P., Kryukov O.V., Reunov A.V. Questions related to the development of metrological assurance in the design of Gazprom facilities//Measurement Techniques. 2011. №8. T. 54. C. 944–952.
3. Babichev S.A., Kryukov O.V., Titov V.G. Automated safety sys-tem for electric driving gas pumping units//Russian Electrical Engineering. 2010. Т. 81. №12. P. 649–655.
4. Бабичев С.А., Захаров П.А., Крюков О.В. Автоматизированная система оперативного мониторинга приводных двигателей газоперекачивающих агрегатов//Автоматизация в промышленности. 2009. №6. С. 3–6.
5. Аникин Д.А., Рубцова И.Е., Крюков О.В., Киянов Н.В. Проектирование систем управления электроприводными ГПА//Газовая промышленность. 2009. №2. С. 44–47.
6. Крюков О.В., Серебряков А.В. Метод и система принятия решений по прогнозированию состояния ЭГПА//Электротехнические системы и комплексы. 2015. №4 (29). С. 35–38.
7. Крюков О.В., Титов В.В. Разработка АСУ автономными энергетическими установками//Автоматизация в промышленности. 2009. №4. С. 35–37.
8. Хлынин А.С., Крюков О.В. Реализация факторов энергоэффективности ЭГПА в проектах//Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2014. Т. 1. №2. С. 32–37.
9. Kryukov O.V. Methodology and tools for neuro-fuzzy prediction of the status of electric drives of gas-compressor units//Russian Electrical Engineering. 2012. Т. 83. С. 516–520.
10. Kryukov O.V., Serebryakov A.V. Artificial neural networks of technical state prediction of gas compressor units electric motors//Вестник ЮУрГУ. Энергетика. 2016. №1. Т. 16. С. 66–74.
11. Васенин А.Б., Крюков О.В., Титов В.В. Анализ технико-экономических параметров энергетических установок для объектов «Газпром»//Приводная техника. 2011. №6. С. 2–11.
12. Крюков О.В. Методология и средства нейро-нечеткого прогнозирования состояния электроприводов газоперекачивающих агрегатов//Электротехника. 2012. №№9. С. 52–60.
13. Крюков О.В. Энергоэффективные электроприводы ГПА на базе интеллектуальных систем управления и мониторинга. Дис. … д-ра техн. наук. М.: АО «Корпорация ВНИИЭМ». 2015.
14. Крюков О.В., Репин Д.Г. Системы оперативного мониторинга технического состояния энергоустановок для энергетической безопасности компрессорных станций //Газовая промышленность. 2014. №712. С. 84–87.
15. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков А.В. Алгоритмы управления электромеханическими системами магистрального транспорта газа//В сб.: Труды VIII Международной конференции АЭП-2014 в 2 томах. Саранск, 2014. С. 404–409.
16. Бабичев С.А., Крюков О.В., Титов В.Г. Автоматизированная система безопасности электроприводных ГПА//Электротехника. 2010. №12. С. 24–31.
17. Babichev S.A., Zakharov P.A., Kryukov O.V. Automated monitoring system for drive motors of gas-compressor units//Automation and Remote Control. 2011. T. 72. №6. C. 175–180.
18. Крюков О.В., Киянов Н.В. Электрооборудование и автоматизация водооборотных систем предприятий с вентиляторными градирнями//Н. Новгород: НГТУ, 2007. 260 с.
19. Крюков О.В. Сравнительный анализ приводной техники газоперекачивающих агрегатов//Приводная техника. 2010. №5. С. 2–11.
20. Крюков О.В. Стратегии инвариантных электроприводов газотранспортных систем//Интеллектуальные системы. Труды XI Международного симпозиума. М.: РУДН, 2014. С. 458–463.