Применимость того или иного метода измерения расхода природного газа уже неоднократно обсуждалась на страницах специальных изданий и журналов [1-5]. А в принятом в 2010 году стандарте СТО Газпром 5.32-2009 «Организация измерений природного газа» [6, 7] определён перечень основных методов измерения расхода, допускаемых к применению в узлах коммерческого учёта газа.

Однако на практике известны случаи применения в узлах коммерческого учета газа методов измерения, не соответствующих реальным условиям эксплуатации и не прошедших должной апробации и экспертизы с точки зрения надежности, точности и стабильности показаний, реализующего данный метод расходомера-счетчика газа (в дальнейшем – РСГ) в течение всего межповерочного интервала.

В предыдущих статьях [2-4] уже шла речь о струйных автогенераторных РСГ, применяемых при коммерческом учете газа, неоднократно отмечалось несоответствие их метрологических характеристик заявленным и техническим требованиям, предъявляемым к узлам коммерческого учета газа. Однако до настоящего времени так и не проведены независимые испытания данных приборов с целью определения правомочности их применения в составе действующих узлов учёта газа и поверочных установок.

В этой статье хотелось бы еще раз остановиться на этом вопросе и рассмотреть струйный автогенераторный метод в части его применения в бытовых счетчиках газа и поверочных установках [4]. Вопросы точности и метрологической надежности индивидуальных приборов учета газа становятся особенно актуальными в связи с реализацией основных положений принятого в 2009 г. Закона об энергосбережении.

1. Принцип действия струйных расходомеров. Струйные расходомеры, применяемые при учете природного газа в промышленном или коммунально-бытовом секторах, относятся к расходомерам скоростного типа, частота колебаний (переключения струйных элементов, входящих в их состав), пропорциональна объемному расходу [1].

Основными элементами любого струйного расходомера являются струйный автогенератор (САГ), схематично представленный на рисунке 1, или их цепочка.

Рис. 1 Струйный автогенератор (САГ)

Струйный автогенератор представляет собой струйный бистабильный элемент, приемные каналы (3, 7) которого соединены каналами обратной связи (4, 9) с соплами управления (5, 8). Работа САГ заключается в следующем. Струя вещества, вытекающая из сопла 1 в рабочую камеру, отклоняется к одной из стенок, например к стенке 2, и прижимается к ней давлением, которое создается потоком, отраженным вогнутым дефлектором в область между струей и стенкой. Струя течет вдоль стенки 2 и попадает в приемный канал 3; в результате торможения потока давление в канале 3 по сравнению с давлением в камере и канале 7 повышается. Это вызывает разгон среды в канале обратной связи 4. Через промежуток времени запаздывания в линии t_зап расход в сопле управлений 5 достигает величины расхода переключения Q_ср, что приводит к отрыву струи от стенки 2 и перемещение ее к стенке 6. Струя достигает стенки 6, и через отрезок времени запаздывания в струйном элементе t_зап. в канале 7 повышается давление (при этом в канале 3 оно становится равным давлению в камере). Спустя промежуток времени t_зап - время прохождения по каналу обратной связи 9 - расход в сопле управления 8 достигает величины Q_ср в канале управления 8, и струя перемещается к стенке 2, через отрезок времени t_зап. повысится давление в канале 3 и начнется новый период колебания, т.е. возникают устойчивые автоколебания струи. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания 1 струйного элемента.

Как показано в [10, 11], частота колебаний потока пропорциональна расходу через сопло САГ :

[1],

где Sh – число Струхаля, определяемое экспериментально,

l, b, h – характерные размеры, соответственно – длина камеры, ширина и глубина сопла струйного элемента.

В соответствии с известной из гидравлики [12] формулой расхода  

[2]

получается, что частота колебаний потока САГ пропорциональна перепаду давления на струйном элементе (скорости потока через него) и плотности среды:

[3]

Таким образом, данный метод измерения в определенной степени подобен вихревому с телом обтекания, т.к. в обоих случаях обеспечивается создание аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной скорости течения газа, и вычисление расхода как функции, однозначно связанной с данной частотой.

Соответственно, струйные и вихревые расходомеры имеют ряд общих преимуществ, прежде всего таких, как отсутствие подвижных частей, относительная простота конструкции, нечувствительность к пневмоударам.

Также струйному автогенераторному расходомеру, выполненному на базе стандартного сужающего устройства (СУ), присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер, например, повышенная чувст­вительность к искажениям эпюры скоростей потока, а значит, повы­шенные требования к стабильности потока, то есть к длинам прямых участков. Это связано с тем, что точность вычисления расхода струйными счетчиками зависит от перепада давления на САГ (3), точнее, от того, насколько точно перепад да­вления на СУ соответствует скорости потока. А это, как известно, зависит не только от характеристик СУ. но и от того, в какой области пара­метров находится сам поток в изме­рительном сечении. Для формирования установившегося те­чения, характеризующегося устойчи­вым турбулентным режимом с чис­лом Rе в линейной области, как раз необходимы прямые участки опреде­ленной длины, исключающие на­личие местных возмущений потока.

Наряду с этим, есть и дополнительные недостатки, характерные струйным РСГ. Коротко остановимся на некоторых, наиболее важных, из них:

• Струйные РСГ, являясь парциальными расходомерами [1], не могут обеспечить стабильных метрологических характеристик, а при работе на средах с механическими примесями (пыль песок, смолистые вещества, ржавчина и пр.) в существенно большей степени, чем полнопоточные расходомеры, подвержены засорению [2, 4].
• Нестабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне у данного прибора значительно больше, чем у вихревого расходомера. [2] Так, например, при испытаниях струйного РСГ [14] было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций находится в диапазоне от 13,0% до 22,0% при изменении расхода через прибор в диапазоне не более 1:5 (см. рис. 2). Этот недостаток практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки их непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним. Но и это ещё не гарантия того, что при изменении параметров среды (температуры и давления) до определённого порога, результаты измерения окажутся в границах допустимой погрешности, т.к. провести соответствующие корректировки не представляется возможным из-за недостаточности информации о составе и параметрах газа на узле учета и отсутствия точного описания процессов.
• Другими словами, невозможно проводить калибровку струйных РСГ, в отличие от расходомеров объемного и скоростного типа, на воздухе при нормальных условиях, в то время как работать они будут на газе при совершенно других давлении и температурах.
• В струйном парциальном РСГ режимы течения газа при рабочих условиях в измерительном и байпасном каналах, как правило,  являются турбулентными в отличие от режимов при в условиях градуировки, когда, особенно при малых расходах, число Рейнольдса Re в измерительном канале, где установлен САГ, существенно меньше характерного для зоны развитой турбулентности. Такое изменение режимов течения в парциальном расходомере неизбежно приведет к дополнительной систематической погрешности измерения расхода (величина которой, в зависимости от изменения режимов течения и коэффициента байпассирования может составлять от нескольких до 10 и более процентов). И это без учета погрешности, обусловленной нестабильности в диапазоне изменения расхода коэффициента преобразования самого струйного расходомера.

2. Испытания струйных РСГ для бытового сектора. В течение 2010-2011 годов были проведены испытания некоторых типов бытовых струйных расходомеров. Цель проводимых испытаний состояла в том, чтобы оценить возможность применения струйного метода в РСГ, устанавливаемых у населения для организации учета газа. 

Рис. 2 - Коэффициент преобразования струйного РСГ

Основными задачами при проведении испытаний струйных РСГ являлись:

1. Определение порога чувствительности счетчика.
2. Определение максимального расхода счетчика.
3. Определение максимально возможного рабочего давления счетчика.
4. Определение максимального перепада давления на счетчике.
5. Определение влияния температуры окружающей среды на погрешность счетчика.
6. Определение метрологических характеристик счетчика при загрязнении измерительной камеры веществом маслянистого типа (смолистые вещества, содержащиеся в природном газе).

Исследования проводились на поверочной установке класса точности ±0,3%, с минимальным расходом 0,01 м³/ч, при нормальных климатических условиях:  температура окружающего воздуха 15…25°С; относительная влажность окружающего воздуха 30…80 %; атмосферное давление 84…106,7 кПа; рабочая среда воздух; рабочее давление близкое к атмосферному. 

В качестве образцов были взяты струйные РСГ в количестве 8 шт. со следующими параметрами (по паспорту):

• Диаметр условного прохода, Ду - 15 мм
• Минимальный  расход - 0,04 м³/ч
• Максимальный расход - 1,6 м³/ч
• Относительная погрешность измерения
  • в диапазоне от Qмин до 0,2Qмакс - ± 3%
  • в диапазоне от 0,2Qмакс до Qмакс - ±1,5
• Давление не более - 5,0 кПа
• Температура окружающей среды - от - 10 ^оС до плюс 50 ^оС

В результате проведенных испытаний были получены следующие результаты: 

1. Порог чувствительности струйного РСГ с максимальным расходом 1,6 м³/ч составил 0,038 м³/ч (ниже этого значения происходит срыв автоколебаний и показания не изменяются). Однако и данное паспортное значение совершенно недостаточно для применения прибора в бытовой сфере, поскольку оказывается значительно выше расхода одной конфорки газовой плиты (в среднем 0,015-0,020 м³/ч) Для сравнения: минимальный расход диафрагменного счетчика G1,6, на котором регламентирована относительная погрешность равная 3 %, составляет 0,016 м³/ч, т.е. в 2,4 раза меньше, чем у струйного; порог чувствительности диафрагменного счетчика G 1,6 составляет 3,2 л/ч, что является достаточным для регистрации расхода при горении фитиля газовой колонки.
2. Максимальный расход газа через струйный РСГ составил 2,0 м³/ч. На расходах свыше 2,0 м³/ч происходит срыв автоколебаний и показания счетного устройства не изменяются. Для сравнения: максимальный расход диафрагменного счетчика G1,6 составляет 2,5 м³/ч, т.е., как минимум, в 1,25 раза больше. К тому же диафрагменный счетчик может испытывать кратковременные перегрузки по расходу относительно его максимального значения.
3. При превышении максимально допустимого рабочего давления (по паспорту Рмакс = 5 кПа) в 6 раз (свыше 28 кПа) также происходит срыв автоколебаний и соответственно показания счетного механизма РСГ не изменяются (Для сравнения: у большинства диафрагменных счетчиков газа Рмакс = 50 кПа).
4. Максимальный перепад давления на расходе 1,6 м³/ч оказался равным 880 Па (88 мм вод. ст.) и более, что составляет более 50 % от значения избыточного давления в газопроводе для бытового сектора (например, у диафрагменных счетчиков ВК G1,6-G4 перепад на максимальном расходе не превышает 200 Па (20 мм вод. ст.). Такое высокое значение перепада давления не соответствует требованиям, предъявляемым к бытовым счетчикам газа, т.к. избыточное давление газа перед бытовым счетчиком составляет всего 1200…1500 Па (120…150 мм вод. ст.). Соответственно, в данном случае не может быть обеспечена нормальная работа газопотребляющего оборудования.
5. Струйный РСГ имеет нестабильную погрешность в заданном диапазоне температур окружающей среды (по паспорту от минус 10 ^оС до плюс 50 ^оС). Это обусловлено изменением режима течения газа в счетчике в связи с изменением вязкости измеряемой среды при изменении температуры. Так, например, погрешность на минус 10 ^оС составила минус 24 % (см. рис.3). Следовательно, диапазон применения струйных счетчиков по температуре ограничен.
6. При загрязнении РСГ, характерном для эксплуатации (маслянистые отложения на входе РСГ и в каналах струйного автогенератора), уменьшается чувствительность узла съема сигнала, автогенерация продолжается, но счетчиком не регистрируется РСГ начинает считать после его встряхивания. При этом максимальная относительная погрешность РСГ составила (см. табл. 1). 

Таблица 1

В таблице 2 представлены обобщенные сравнительные характеристики диафрагменного счетчика G1,6 и струйного РСГ с максимальным расходом 1,6 м³/ч.

Рис. 3 - Температурная погрешность РСГ

3. Переносная поверочная установка, основанная на струйном методе измерения, для бытовых и коммунальных счетчиков газа. В работе [4] отмечалось, что на рынке появились поверочные установки, в том числе и переносные, предназначенные для поверки бытовых и коммунальных счетчиков газа непосредственно на месте эксплуатации. В качестве эталонных в них используются РСГ струйного типа.

В конце 2011 г. были проведены испытания одной из таких переносных поверочных установок (класса 0,5), принцип действия которой основан на струйном методе измерения. Максимально возможный измеряемый расход установки составлял 6 м³/ч.Испытания установки проводилась путем сличения ее показаний с показаниями стационарной поверочной установки класса 0,3, в состав которой в качестве эталонных средств измерения входят критические сопла и мастер-счетчики.

Результаты испытаний выявили следующие достоинства и недостатки испытуемой установки:

Достоинства:

• Малые габариты и вес;
• Возможность подключения последовательно к газовым счетчикам и поверка их на месте эксплуатации.

Недостатки:

• Зависимость задаваемого расхода от чистоты канала – даже незначительное загрязнение оказывает существенное влияние на расход;
• При расходе от 0,4 м³/ч и выше погрешность измерения зависит от конструкции крана и шероховатости его поверхности (изменяется предустановленное соотношение расходов через основной и байпасный каналы, что является известным негативным свойством парциальных расходомеров);

 Таблица 2

• Отсутствует постоянная индикация расхода;
• В методике поверки отсутствует требование контроля температуры и давления воздуха измеряемой среды;
• Отсутствует возможность проверки работоспособности установки, например, путем сличения показаний расходов, задаваемых разными измерительными линиями.

Испытания установки после двух лет ее эксплуатации, показали:

1. До проведения регламентных работ «погрешность» измерения объема составила более минус 20% на расходе 6 м³/ч (см. рис. 4). Вероятная причина – небольшое загрязнение измерительного канала поверочной установки, обнаруженное в процессе проведения регламентных работ.
2. После промывки измерительного канала максимальная «погрешность» измерительного канала поверочной установки составила около минус 4 %, вместо заданных ± 0,5 %.

Полученная «погрешность» установки в минус 4 % была подтверждена результатами поверки на установке колокольного типа класса 0,15.

Данные испытания лишний раз подтвердили, что технические и метрологические проблемы, характерные при применении струйных РСГ [1 - 5] в качестве приборов учета в промышленном и коммунально-бытовом секторе, точно также проявляются и в рабочих эталонах, основанных на струйном методе измерения. Только последствия этого применения, с метрологической точки зрения, оказываются еще более существенными. Некачественные рабочие эталоны, не обеспечивая передачу размеров единиц расходов газа от государственного первичного эталона к рабочим средствам измерений,  нарушают тем самым основополагающий принцип единства измерений в РФ [8, 9].

Заключение

1. Струйные счетчики-расходомеры не входят в перечень приборов рекомендуемых для применения при коммерческом учете газа. В принятом в 2010 году стандарте СТО Газпром 5.32-2009 «Организация измерений природного газа» [3] определён перечень методов измерения расхода, допускаемых к применению в узлах коммерческого учёта газа. Из этого документа видно, что рекомендуемыми методами измерения являются: измерения с помощью сужающих устройств, турбинный и ротационный, а также, в некоторых случаях, ультразвуковой, вихревой и кориолисов, как метод измерения массы. Струйные РСГ не включены в перечень применяемых методов, видимо, не случайно. Учитывая изложенное, применимость струйных РСГ не только для коммерческого, но и для технологического учета газа вызывает самые серьезные сомнения.
2. Зависимость градуировочного коэффициента от плотности и вязкости  измеряемой среды. При поверке струйных счетчиков-расходомеров на поверочных установках, работающих на всасывании и нагнетание, было выявлено, что погрешность струйных РСГ зависит от плотности среды, что собственно и подтверждается формулой (3). Наиболее вероятной причиной этого является изменение плотности воздуха, проходящего через местное сужение и, соответственно, через струйный элемент. Одновременно было выявлено влияние изменения вязкости на показания приборов данного типа. В связи с этим, ни о какой поверке на месте эксплуатации, только с помощью задаваемого перепада давления, не может идти речи. Для струйных расходомеров требуется индивидуальная градуировка на рабочей среде, на которой будет работать РСГ.

Рис. 4 «Погрешность» переносной поверочной установки до и после проведения регламентных работ

3. Высокое значение перепада давления при максимальном расходе (максимальное значение перепада давления при Qmax =1,6 м³/ч - 800 Па, что составляет более 50 % от значения избыточного давления в газопроводе для бытового сектора);

4. Высокое значение порога чувствительности счетчика-расходомера 0,038 м³/ч (расход одной конфорки газовой плиты в среднем 0,015-0,020 м³/ч);

5. Восприимчивость к загрязнениям: при сильном загрязнении газ проходит через счетчик-расходомер, но показания прибора остаются без изменений; при небольшом загрязнении имеет место, как правило, значительная метрологическая погрешность. Особенно сильно это проявляется в струйных расходомерах-счетчиках парциального типа. Это связано с тем, что уменьшается чувствительность узла съема сигнала, автогенерация продолжается, но счетчиком не регистрируется. РСГ начинает считать после его встряхивания. Требуется проведение регламентных работ.

В соответствии с изложенным, имея преимущественно отрицательную информацию о работоспособности и метрологических характеристиках струйных РСГ и поверочных установок, выполненных на их основе, а также принимая во внимание значительный объем внедрения приборов данного типа, в том числе – и для коммерческого учета газа, авторы  считают целесообразным безотлагательно провести представительные, независимые испытания реализующих данный метод измерения приборов различных производителей. Основной целью испытаний должно стать определение правомочности применения струйных счётчиков-расходомеров для коммерческого и технологического учёта газа, а также в составе поверочных установок. По результатам указанных испытаний  должны быть сформулированы соответствующие рекомендации потребителям и поставщикам газа [4].

Литература:

1. Кремлевский П. П. Расходомеры и счетчики количества веществ: Справочник: Кн. 2 / Под общ. ред. Е. А. Шорникова. — 5-е изд., перераб. и доп. — СПб.: Политехника, 2004. — 412 с
2. Золотаревский С.А. О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого учета газа.//Энергоанализ и энергоэффективность, № 2 (15), 2006 г.
3. Иванушкин И.Ю. Приборы учета – всеми ли можно пользоваться?// Реформа ЖКХ, № 11-12, 2009 г.
4. Иванушкин И.Ю. О применимости струйного метода при измерении расхода газа.// Сборник статей «Коммерческий учет природного газа. Новое газоизмерительное оборудование и системы», 2011 г.
5. Гущин О.Г. Организация измерений природного газа в соответствии с требованиями СТО Газпром 5.32-2009.  // Сборник статей «Коммерческий учет природного газа. Новое газоизмерительное оборудование и системы»,, 2001 г.
6. СТО Газпром СТО Газпром 5.32-2009. «Организация измерений природного газа», 2010 г.
7. МИ 3082 - 2007. Выбор методов и средств измерений расхода и количества потребляемого природного газа в зависимости от условий эксплуатации на узлах учета. Рекомендации по выбору рабочих эталонов для их поверки.
8. ГОСТ Р 8.618-2006. Государственная поверочная схема для средств измерений объемного и массового расходов газа.
9. Федеральный закон об обеспечении единства измерений, 2008 г.
10. Трескунов С.Л., Аристов П.А. и др. Датчики расхода жидкостей и газов. // Приборы и системы управления, 1990, № 11
11. Чаплыгин Э.И. и др. Математическая модель струйного расходомера. // Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 6
12. Лебедев И.В. и др. Элементы струйной автоматики. // М.: Машиностроение, 1973.
13. Золотаревский С.А. Повышение стабильности градуировочного коэффициента тахометрического расходомера с помощью байпасного канала. – В сборнике: Метрологическое обеспечение средств измерения расхода, уровня, давления на стадии разработки, выпуска и эксплуатации. –М: НИИТеплоприбор, 1987, с.84-87.
14. Расходомер-счетчик РС-СПА. ТУ 4213-009-17858566-01. Протокол испытаний//ГАЗТУРБавтоматика, - М.: 2002.