Особенности поверки средств измерений расхода природного газа в рабочих условиях в Уральском метрологическом центре

В настоящее время в соответствии со статьей 9 ФЗ-№261 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» [1–3] государственное регулирование осуществляется путем установления хозяйствующим субъектам РФ обязанности по учету используемых энергетических ресурсов.

В соответствии со Стратегией обеспечения единства средств измерений (СИ) в России [4–7], ожидается:

• повышение точности воспроизведения и передачи размеров единиц величин в среднем в 3–5 раз;
• расширение диапазонов измерений на порядок и более;
• увеличение производительности поверочных работ в 1,5–2 раза;
• повышение уровня метрологического обеспечения (МеО) в приоритетных направлениях науки;
• обеспечение адекватности мировому уровню измерений.

Определенные на государственном уровне задачи в области энергосбережения и обеспечения единства измерений находят свою реализацию в газовой отрасли [8–11].В 2010 г.Правление ПАО «Газпром» утвердило «Комплексную целевую программу МеО предприятий добычи, транспортировки, переработки, подготовки, хранения и поставки газа и жидких углеводородов в ПАО «Газпром» на период 2011–2015 гг.». Одной из ее задач являлось повышение точности измерения расхода газа путем создания эффективных узлов измерения расхода газа, а также создания современных СИ их поверки и калибровки – метрологических газоизмерительных центров [12–14].

Техническая необходимость создания поверочных установок нового типа обусловлена отсутствием воздушных установок, обеспечивающих необходимые расходы среды для таких счетчиков. Необходимо учесть, что физические свойства природного газа при рабочем давлении магистрального газопровода (МГ) отличаются от свойств воздуха при атмосферном давлении [15–17].

Первая очередь УРМЦ – новый тип объектов ПАО «Газпром»

Для решения этой задачи ДО «Мострансгаз» и «Уралтрансгаз» в районе г. Челябинска построены, введены в эксплуатацию и успешно работают первые две очереди Уральского расходоизмерительного метрологического центра (УРМЦ) – первогодействующегообъектаподобного рода в РФ и странах СНГ с реализацией процедур поверки счетчиков при высоком давлении газа. Это – новое направление оказания сервисных услуг, предоставляемых ПАО «Газпром». Уникальное оснащение УРМЦ позволяет осуществить:

• поверку (калибровку) СИ расхода и количества газа, принцип измерения которых основан на разных методах;
• сравнительные испытания СИ расхода и количества газа;
• взаимное сличение эталонов расхода газа с ведущими метрологическими расходоизмерительными центрами мира;
• научные и экспериментальные исследования;
• хранение и передачу единицы СИ расхода природного газа.

УРМЦ создан на базе действующей газоизмерительной станции (ГИС) «Долгодеревенская» Челябинского ЛПУ МГ ООО «ГП ТГ Екатеринбург» и позволяет проводить поверку (калибровку), испытания оборудования, НИР в течение всего года при давлении от 5,6 до 7,5 МПа.

Первая очередь испытательной площадки УРМЦ, сданная в эксплуатацию в 2007 г., включает четыре измерительных трубопровода (ИТ) DN150, DN200, DN300 и DN400, которые оснащены рабочими эталонами Elster Instromet по одному на каждый ИТ. Эталоны представляют собой турбины семейства SM-R-I с номиналами G-400, G-1000, G-2500, G-6500,что позволяет перекрыть диапазон расхода газа от 32 до 10 000 м³/ч при рабочих условиях. На этих же ИТ последовательно с рабочими эталонами устанавливаются испытуемые СИ – турбинные, ультразвуковые (УЗ), вихревые, ротационные, лазерные, термоанемометрические и другие типы счетчиков.

Технологическая схема первой очереди УРМЦ предусматривает подачу части газа с выхода КС на вход УРМЦ, далее через ИТ на вход КС.Перед проведением калибровки в технологическую обвязку УРМЦ подается газ и по специальным алгоритмам проверяется герметичность системы. Во время проведения работ по калибровке, поверке или испытаниях СИ природный газ при рабочем давлении от 5,6 до 7,5 МПа и температуре от 5 до 50 °С проходит последовательно через рабочий эталон и испытуемое СИ расхода газа. Показания приборов эталона фиксируются промышленным контроллером и обрабатываются с учетом других параметров природного газа по отечественным или международным методикам.

Показания поверяемого СИ фиксируются на АРМ оператора УРМЦ. Для турбинных расходомеров поверка производится посредством прямого сличения показаний первичных преобразователей расхода эталона и поверяемого СИ (импульсов турбинки). Испытания прочих СИ, не определяющих расход газа в рабочих условиях прямым способом, производится сравнением полного прошедшего за некий промежуток времени объема газа, приведенного к нормальным условиям, по показаниям эталонных счетчиков и испытуемого СИ. В случае испытаний комплексов расхода с вычислителями расхода газа, цифровой выход вычислителя подключается к АРМ расходомера на базе ПК с модулями расширения по вводу дискретных сигналов. В АРМ расходомера загружается ПО расходоизмерительного комплекса. Данный процесс поверки, калибровки СИ может проводиться только по одному из ИТ.

Для выполнения качественной калибровки и испытаний расходомеров требуется обеспечить стабильные во времени расход и давление газа с высоким показателем повторяемости. Поток газа должен иметь малые значения пульсаций по расходу.Для возможности варьирования расхода при заданном давлении в технологическую схему УРМЦ введены два клапана-регулятора фирмы Mokveld: первый (DN400) – на входе испытательной площадки, второй (DN500) – на выходе. Расход и давление газа на ИТ задаются путем регулирования клапанов-регуляторов Mokveld. Так как испытательные секции УРМЦ перепускают газ с выхода на вход КС «Долгодеревенская» и соответственно влияют на режимы работы КС, допустимые объемы (расход) рециркуляции газа по КС через УРМЦ согласовываются с ДС КС.УРМЦ аккредитован Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии на право проведения поверки и калибровки, а также в качестве государственного центра испытаний СИ.

В настоящее время в центре проводятся испытания отечественных и зарубежных СИ расхода газа с целью под тверждения МХ и подготовки рекомендаций о возможности их применения на объектах ПАО «Газпром». Проведены сравнительные испытания и подготовлены предложения о применении отечественных и зарубежных СИ расхода газа.

В связи с созданием в ПАО «Газпром» таких крупнейших МГ, как «Североевропейский газопровод», МГ «Сахалин–Хабаровск–Владивосток», проектированием МГ «Южный поток» [18–20] на ГИС стали применяться УЗ-расходомеры большого диаметра (Dу= 700мм) вместо системна сужающих устройствах. На входных участках газопроводов (Dу= 1000…1400 мм) перед КС стали применяться накладные УЗ-расходомеры для измерения расхода газа. Увеличение диаметров расходомеров и сокращение числа ИТ на ГИС дало свой положительный экономический эффект, однако эти СИ оказались не обеспечены средствами поверки. Для решения проблемы поверки расходомеров большого диаметра было принято решение о создании второй очереди УРМЦ.

Вторая очередь УРМЦ – расширение возможностей центра

Создание второй очереди УРМЦ направлено на расширение возможностей центра: организацию испытаний, поверки (калибровки) расходомеров DN500, DN700, DN1000,обеспечение расходов газа до 47тыс. м³/ч.Вторая очередь УРМЦ расположена после ГИС (рис. 1).

В состав технологической части второй очереди входят:

• измерительный цех, включающий три ИТ DN500, DN700 и DN1000, на которые устанавливаются испытуемые СИ;
• три клапана-регулятора фирмы Mokveld переменной пропускной способности, установленные на байпасной линии для последовательной цепочки из блока эталонов и измерительного цеха поверяемых (испытуемых) расходомеров;
• блок эталонов, состоящий из семи счетчиков мастер-класса фирмы Elster Instromet и контроллера для обработки информации;
• клапан-регулятор фирмы Mokveld переменной пропускной способности, установленный последовательно с запирающим краном после ИТ для возможности задания малых расходов.

Подача газа на вторую очередь осуществляется с выходного коллектора ГИС, а затем через входной кран на блок эталонов. Непосредственно за входным краном параллельно установлены три клапана-регулятора Mokveld, через которые газ подается в МГ «Челябинск-Петровск» в обход блока эталонов и измерительного КЦ №2.

Расход газа через блок эталонов задается открытием необходимого числа ниток с эталонами и регулированием положения байпасных клапанов-регуляторов Mokveld. Таким образом, СИ, поверяемые во втором измерительном цехе, могут испытываться при давлении выхода КС (с учетом потерь давления на ГИС и входе УРМЦ) и различных расходах от нулевого (когда байпасные клапаны-регуляторы полностью открыты и расход регулируется клапаном, стоящим после измерительного цеха) до максимального, равного пропускной способности ИТ, по которому проводятся измерения (клапаны-регуляторы Mokveld прикрыты).

Особенностью второй очереди УРМЦ является ее расположение на действующем МГ, поэтому основным требованием к САУ является обеспечение стабильности работы МГ и КС «Долгодеревенская» в процессе испытаний расходомеров.

Для обеспечения централизованного контроля и управления технологическими объектами первой и второй очереди УРМЦ с единого пульта оператора, размещаемого в пультовой производственного корпуса, разработана АСУ ТП УРМЦ на базе ПТС поставки фирмы «Метран». Составной частью АСУ ТП является система контроля и регистрации процессов поверки и калибровки СИ расхода газа «Elster Instromet», поставляемая комплектно с эталонным оборудованием.

АСУТП предназначена для управления процессами поверки, калибровки и проведения испытаний в автоматическом или автоматизированном режимах управления. Метрологические процедуры поверки расходомерных устройств для первой и второй очереди УРМЦ одни.

АСУТП на базе ПТС «Метран» управляет процессом в целом, изменением расходами, стабилизацией давления и расходов в заданной точке. ПТС Elster Instromet осуществляет набор данных, необходимых для построения калибровочных линий (определения МХ поверяемых СИ расхода газа). Синхронизация процедур испытания между ПТС ЗАО ПГ«Метран» и ПТС Elster Instromet осуществляется физическими сигналами (старт/стоп) по каждому расходу и всей процедуре в целом. Одновременно работы по испытанию СИ могут вестись по первой и второй очереди.

Для передачи на диспетчерский пункт Челябинского ЛПУ текущих технологических расходов газа по первой и второй очереди, сигналов согласования режимов работы УРМЦ и КС предусматривается цифровой канал связи от АСУ ТП УРМЦ в диспетчерский пункт. Для возможности аварийного останова первой или второй очереди УРМЦ при отказе основных ПТС в составе системы управления предусмотрен релейный блок экстренного аварийного останова (БЭАО), сохраняющий свою работоспособность независимо от работоспособности основных ПТС и выдающий команды управления на краны первой или второй очереди.

Предусматриваются следующие режимы работы УРМЦ:

• типовая процедура поверки расходомеров (в дневное время);
• специфические испытания расходомеров на погрешности СИ;
• испытания стабильности МХ расходомеров в течение длительного времени (недели, месяцы);
• останов УРМЦ, исходя из требований обеспечения режима работы КС «Долгодеревенская».

Технологическое оборудование УРМЦ как первой, так и второй очереди (рис. 2) может работать кратковременно (в 1–2 смены) либо длительно, либо быть остановлено, если условия работы КС «Долгодеревенская» не позволяют проводить испытания расходомеров.

В производственном корпусе размещен ряд лабораторий: электро-радиотехнических измерений, кладовая химреактивов, хроматографическая, помещение физико-химических измерений, тепло- и линейноугловых измерений. Назначение лабораторий – обслуживание рабочих эталонов и датчиков, а также выполнение калибровки соответствующих видов рабочих средств измерений.

В настоящее время первая и вторая очереди являются законченным функционирующим объектом. Согласовано и утверждено Задание на проектирование и технические требования на создание третьей очереди УРМЦ.

Третья очередь УРМЦ – организация поверки и испытаний на низком давлении газа, создание эталонов высокой точности

Первая и вторая очереди УРМЦ создавались для организации поверки и испытаний расходомеров, эксплуатируемых на КС, ГИС, крупных узлах измерения расхода газа на высоком давлении природного газа (5,6…7,5 МПа). Но значительная часть расходомеров ГРС промышленных и коммунально-бытовых потребителей эксплуатируется при низких давлениях (0,3 МПа, 0,6МПа, 1,2МПа). В связи с этим было предложено расширить функциональные возможности центра и создать третью очередь УРМЦ.

Кроме того, создана система эталонов расхода газа, состоящая из блока первичного и вторичного эталонов, блока золотого и серебряного эталонов для передачи размера единицы кубического метра природного газа рабочим СИ, а также организации сличений с эталонами отраслевых центров и зарубежных метрологических центров, что в свою очередь позволило снизить неопределенность измерения расхода газа рабочими эталонами УРМЦ.

Необходимо отметить, что рядом с площадкой центра нет крупных потребителей газа «низкого» давления, куда можно было бы организовать сброс газа после испытаний,поэтому наряду с проточной была рассмотрена кольцевая схема организации потока газа с применением газоперекачивающий агрегатов (ГПА) с низкой степенью сжатия. Выполнено технико-экономическое сравнение вариантов создания третьего пускового комплекса УРМЦ.

Кроме того,проведена оценка стоимости и эксплуатационных затрат, расчет дисконтированных затрат и сделано итоговое сравнение вариантов:

• работа по кольцевой схеме с использованием пятисуществующих ГПА в реконструируемом цехе «А» КС «Долгодеревенская»;
• работа по кольцевой схеме с использованием новых ЭГПА в реконструируемом цехе «А» КС «Долгодеревенская»;
• работа по проточной схеме с использованием сброса газа на выход газораспределительной станции (ГРС) г. Челябинска.

В результате рассмотрения был выбран первый вариант с использованием существующих ГПА и организацией работы по кольцевой схеме, так как он характеризуется наименьшими дисконтированными затратами на создание и дальнейшую эксплуатацию.

В состав третьей очереди предложено включить (рис. 3)

• корпус рабочих эталонов в составе: – блока рабочего первичного эталона кубического метра газа; – блока золотого и серебряного эталонов; – блока вторичных эталонов Dу= 300 мм с прямыми участками; – лаборатории по изготовлению поверочных газовых смесей; – лаборатории влагометрии;
• административно-научный корпус (аудитории, комнаты для совещаний, учебного кабинета, бытовых комнат и технических помещений).
• реконструируемый цех «А» КС «Долгодеревенская» в составе существующих ГПА с заменой проточных частей, АСУ и АВО газа.

Итогом технико-экономического сравнения стала разработка технического задания на проектирование выбранного варианта третьей очереди УРМЦ.

Создание УРМЦ является одним из значимых шагов по реализации Стратегии обеспечения единства измерений в России, применению основных положений Федерального закона Российской Федерации «Об обеспечении единства измерений». После строительства третьей очереди УРМЦ будет представлять многофункциональный центр по выполнению широкого спектра услуг в области измерений количества и параметров качества газа.

Создание такого центра приобретает особую актуальность в свете создания ЕврАзЭС и вступления России в ВТО. Можно ожидать, что Россия в процессе гармонизации своих национальных стандартов в области измерения расхода газа с европейскими стандартами перейдет на выполнение калибровки расходомеров на рабочем давлении газа, как это делается в странах Европы. Эталоны расхода газа, примененные в УРМЦ, позволят получать размер единицы кубического метра природного газа от государственного эталона расхода, эталонов ОМРИЦ, участвовать в сличениях эталонов ведущих европейских стран.

Список литературы

1. Babichev S.A., Kryukov O.V., Titov V.G. Automated safety system for electric driving gas pumping units//Russian Electrical Engineering. 2010. Т. 81. №12. P. 649–655.

2. Крюков О.В.Опыт создания энергоэффективных электроприводов газоперекачивающих агрегатов//Труды VIII Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. Саранск, 2014. С. 157–163.

3. Пужайло А.Ф., Крюков О.В., Рубцова И.Е.Энергосбережение а агрегатах компрессорных станций средствами частотно-регулируемого электропривода//Наука и техника в газовой промышленности. 2012. №2 (50). С. 98–106.

4. 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. T. 54. №8. C. 944–952.

5. Захаров П.А., Крюков О.В.Принципы инвариантного управления электроприводами газотранспортных систем при случайных возмущениях//Вестник Ивановского государственного энергетического университета, 2008. №2. С. 98–103.

6. Крюков О.В., Серебряков А.В.Метод и система принятия решений по прогнозированию технического состояния электроприводных газоперекачивающих агрегатов//Электротехнические системы и комплексы. 2015. №4 (29). С. 35–38.

7. Крюков О.В.Сравнительный анализ приводной техники газоперекачивающих агрегатов//Приводная техника. 2010. №5. С. 2–11.

8. Аникин Д.А., Рубцова И.Е., Крюков О.В., Киянов Н.В.Проектирование систем управления электроприводными ГПА// Газовая промышленность. 2009. №2. С. 44–47.

9. Васенин А.Б., Крюков О.В., Серебряков А.В.Алгоритмы управления электромеханическими системами магистрального транспорта газа//Труды VIII Международной (XIXВсероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. Саранск, 2014. Т. 2. С. 404–409.

10. Хлынин А.С., Крюков О.В. Реализация факторов энергоэффективности электроприводных газоперекачивающих агрегатов в проектах//Электротехника: сетевой электронный научный журнал. 2014. Т. 1. №2. С. 32–37.

11. Крюков О.В.Анализ моноблочных конструкций электрических машин для газоперекачивающих агрегатов //Машиностроение: сетевой научный журнал. 2015. Т. 3. №4. С. 53–58.

12. Бабичев С.А., Крюков О.В., Титов В.Г.Автоматизированная система безопасности электроприводных ГПА //Электротехника. 2010. №12. С. 24–31.

13. Крюков О.В., Серебряков А.В., Васенин А.Б. Диагностика электромеханической части энергетических установок//Електромеханiчнi I енергозберiгаючi системи. 2012. №3 (19). С. 549–552.

14. Крюков О.В.Стратегии инвариантных электроприводов газотранспортных систем//Интеллектуальные системы. Труды XI Международного симпозиума. М.: РУДН, 2014. С. 458–463.

15. Крюков О.В., Степанов С.Е., Бычков Е.В.Инвариантные системы технологически связанных электроприводов объектов магистральных газопроводов//Труды VIIIМеждународной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу АЭП-2014. Саранск, 2014. С.409–414.

16. Крюков О.В., Горбатушков А.В., Степанов С.Е. Принципы построения инвариантных электроприводов энергетических объектов//Автоматизированный электропривод и промышленная электроника//Труды IV ВНПКНовокузнецк, 2010. С. 38–45.

17. Крюков О.В.Методология и средства нейронечеткого прогнозирования состояния электроприводов газоперекачивающих агрегатов//Электротехника. 2012. №9. С. 52–60.

18. Крюков О.В., Репин Д.Г.Системы оперативного мониторинга технического состояния энергоустановок для энергетической безопасности компрессорных станций //Газовая промышленность. 2014. №712. С. 84-87.

19. Крюков О.В.Синтез и анализ электроприводных агрегатов компрессорных станций при стохастических возмущениях//Электротехника. 2013. №3. С. 22–27.

20. Kryukov O.V. Electric drive systems in compressor stations with stochastic perturbations//Russian Electrical Engineering. 2013. Т. 84. С. 135–138.