14.08.2006

В Советском Союзе, в условиях практического отсутствия рыночных отношений, учету газа, а тем более – для коммерческих расчетов, уделялось крайне малое внимание. В связи с этим во многих случаях учет газа просто отсутствовал, а там, где он осуществлялся, производился с использованием или стандартных сужающих устройств, укомплектованных самописцами, или при помощи ротационных счетчиков РГ, не отвечающих современным требованиям ни по точности, ни по диапазону измерения, ни по допустимым значениям рабочего давления газа.

Переход страны к рыночной экономике заставил потребителей газа искать пути снижения необоснованных затрат на газопотребление. При этом наиболее дальновидные потребители, естественно, обратили внимание на то, как данная проблема решается в странах со сформированной рыночной экономикой.  В результате, после соответствующей сертификации, на нашем рынке появились первые импортные счетчики газа и электронные корректоры таких известных фирм как Elster, Actaris (бывший Schlumberger), Instromet  и др.

Первым шагом отечественных производителей к повышению точности учета газа стало появление на советском, а затем - российском рынке турбинных счетчиков газа производства ПО «Промприбор» (г. Ивано-Франковск), СП «ЕНХА» (г. Белгород), а затем Арзамасского приборостроительного завода.

Одновременно различными производителями стали предприниматься попытки использовать для коммерческого учета газа новые методы измерения: вихревой, ультразвуковой, струйно-генераторный, кориолисовый и другие. Как правило, новые разработки опирались на результаты современных исследований в области аэродинамики, термодинамики и электроники и ставили своей целью повышение точности и расширение диапазона измерения расхода газа, обеспечение работоспособности в широком температурном диапазоне, на загрязненном газе, а также в условиях пневмоударов и пульсаций газа. Анализу различных вариантов построения узлов коммерческого учета газа посвящены, в частности, работы [1 и 2].

До этого учет газа осуществлялся с использованием трех типов средств измерения расхода:

• расходомеров переменного перепада давлений, при котором расход газа определяется по результатам измерений перепада давлений на стандартном сужающем устройстве (чаще всего – стандартной диафрагме), а также абсолютного давления и абсолютной температуры в зоне установки данного сужающего устройства,
• расходомеров объемного типа, в которых, в процессе работы,  происходит перемещение фиксированных объемов газа от входа к выходу, а количество прошедшего газа определяется как сумма перемещенных объемов. Из приборов данного типа наибольшее распространение получили диафрагменные (или мембранные) и ротационные счетчики газа,
• расходомеров скоростного типа, в основном – турбинных, в которых расход газа определяется, как величина, пропорциональная скорости вращения ротора, чаще всего – турбинки

Данные методы измерения имеют самое широкое применение до настоящего времени. Они хорошо известны специалистам. Однако следует учитывать, что каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки и, применять их целесообразно в случаях, когда максимально используются достоинства и минимально проявляются недостатки каждого из них. Рассмотрим их последовательно:

Расходомеры переменного перепада (на базе стандартных сужающих устройств (СУ)

К достоинствам следует отнести простоту конструкции преобразователя расхода и возможность поверки беспроливным методом, т.е. при отсутствии расходомерных стендов. Данная возможность обусловлена наличием наиболее полной научно-технической, в том числе – стандартизованной информации по данному методу измерения.

Недостатками являются малый диапазон измерения (не превышающий ранее, как отмечалось выше, значения 1:3, а в настоящее время, с появлением многопредельных «интеллектуальных» датчиков давления, увеличившийся до 1:10), а также высокая чувствительность к неравномерности эпюры скоростей потока на входе в СУ, обусловленной наличием в подводящем и/или отводящем трубопроводах гидравлических сопротивлений (запорной арматуры, колен и т.д.). Данное обстоятельство определяет необходимость наличия перед указанными СУ прямых участков длиной не менее 10 диаметров условного прохода (Ду) трубопровода, а в ряде случаев (при установке СУ после таких гидравлических сопротивлений как, например, неполностью открытый вентиль) достигающих значений 50Ду и более).

Расходомеры объемного типа (на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода)

Недостатками являются неработоспособность на загрязненном газе, возможность поломки при резких пневмоударах и перекрытие газопровода при поломке, связанной, например, с заклиниванием роторов ротационного счетчика газа, относительно большие   габариты, а также стоимость (для ротационных счетчиков газа больших типоразмеров), по сравнению с приборами других типов.

Достоинствами, многократно перекрывающими недостатки и сделавшими данный метод измерения, безусловно, самым распространенным по количеству установленных приборов, являются прежде всего то, что это – единственный метод измерения, обеспечивающий прямое, а не косвенное измерение объема проходящего газа (отсюда и название метода), полная нечувствительность к любым искажениям эпюр скоростей потока на входе и выходе (а это позволяет оказаться от прямых участков и резко сократить габариты узла учета газа) и возможность обеспечения самых широких диапазонов измерения (до 1:100 и более). Соответственно, счетчики газа данного типа прекрасно подходят для случаев учета газа при его циклическом потреблении, например, котлами с импульсным режимом горения.

Расходомеры скоростного типа (на базе турбинных преобразователей расхода)

Достоинствами являются малые габариты и вес, а также относительно низкая стоимость, относительно низкая чувствительность к пневмоударам, значительный диапазон измерения расхода (до 1:30), который существенно превосходит аналогичный показатель для сужающих устройств.

К недостаткам следует отнести некоторую чувствительность к искажениям потока на входе и выходе расходомера (хотя в современных приборах требования к длинам прямых участков до и после прибора минимальные и составляют, соответственно, всего 2 и 1 диаметр условного прохода расходомера), неработоспособность на малых расходах (менее 8…10 м3/ч), а также повышенную погрешность при измерении пульсирующих потоков газа.

Однако самым главным достоинством расходомеров объемного и скоростного типа является стабильность коэффициента преобразования в самом широком диапазоне числа Рейнольдса Re потока газа. Обусловлено это тем, что все выпускаемые как у нас в стране, так и в мире счетчики газа калибруются на воздухе и при нулевом избыточном давлении, в то время как работают на газе и при совершенно другом давлении. Обеспечить достоверную сходимость показаний для этих двух случаев возможно только в случае, если расходомер изначально имеет стабильный коэффициент преобразования, т.е. постоянное отношение его естественного выходного сигнала к проходящему через прибор расходу воздуха или газа. Например, для турбинного или ротационного счетчика газа (после необходимых сокращений) данный коэффициент преобразования определяется как количество оборотов турбинки или роторов, соответствующее прохождению единицы объема газа.

Оппоненты могут возразить, что поскольку в узле учета газа, кроме объемного расхода, все равно необходимо измерять температуру и давление газа, то, даже при отсутствии необходимой стабильности коэффициента преобразования у прибора, всегда имеется возможность при проведении его калибровки линеаризовать его статическую характеристику, а при переходе к реальным условиям эксплуатации также внести соответствующие корректировки, рассчитав число Re для каждого случая измерения.  Тем более что современная микроэлектроника позволяет решать и более сложные задачи при относительно небольших затратах.

Полностью согласен, что описанную выше задачу решить принципиально можно. Современное развитие науки и техники позволяет решать и существенно более сложные задачи. Проблема в другом: необходимо полностью сформулировать задачу, а это пока не удается. Дело в том, что при течении газа по трубопроводу, а особенно при его расширении или сжатии (что имеет место, например, при повороте трубопровода или обтекании потоком каких-либо препятствий) имеют место сложные аэродинамические и термодинамические процессы. Соответственно, зависят они не только от величины числа Re, но и от значений других аэро- и термодинамических критериев, в частности - чисел Струхаля St, Нусельта  Nu, Фруда Fr. А для проведения коррекции с учетом этих  значений, во-первых, отсутствует необходимый экспериментальный материал, а во-вторых, для их определения, как минимум, нужна непрерывная информация о составе газа, которая, по крайней мере, в случаях установки приборов учета газа у потребителей, отсутствует.

С учетом изложенного рассмотрим возможность применения расходомеров, разработанных на основе упомянутых выше методов измерения расхода, для коммерческого учета газа.

1. Вихревые расходомеры

Несомненными достоинствами вихревых расходомеров является их нечувствительность к пневмоударам и возможность работы на загрязненных газах.

Недостатки: повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (примерно такая же как и у стандартных сужающих устройств) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тела (так называемого тела обтекания). Кроме того, если узел съема сигнала расходомера термоанемометрический (как например, у расходомера-счетчика ВРСГ производства НПП «Ирвис») прибор становится энергозависимым, а если он выполнен с использованием пьезоэлементов (как, например, в расходомерах СВГ.М производства ИПФ «Сибнефтеавтоматика»,  а также ИРГА-РВ фирма «Глобус») возникают весьма серьезные проблемы с обеспечением помехозащищенности при наличии внешних механических вибраций газопровода.

Однако самым серьезным недостатком вихревых расходомеров является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учета газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним. Анализу данных проблем посвящена работа [3]. Неслучайно, всемирно известная фирма Endress+Hauser, сама являясь производителем вихревых расходомеров серии Prowirl, в своих рекомендациях по выбору расходомера [4] не рекомендует их применение в тех случаях, когда требуется высокая точность измерения.

2. Ультразвуковые расходомеры

Достоинства: Ультразвуковые расходомеры являются одними из наиболее перспективных для применения для коммерческого учета газа. Ранее их применение сдерживалось высокой стоимостью изготовления и недостаточной надежностью электронного блока. Однако в настоящее время, с развитием микроэлектроники данный недостаток постоянно уменьшается. Приборы этого типа не имеют ни подвижных частей, ни частей выступающих в поток. Соответственно, они практически не создают дополнительных потерь напора и могут потенциально иметь весьма высокую надежность. Принципиально также они могут обеспечивать измерения в широком диапазоне изменения расхода газа и быть энергонезависимыми, т.е. в течение длительного времени работать от встроенного, автономного источника питания.

Недостатки: Для того, чтобы практически исключить влияние искажений потока газа на точность измерения необходимо применение многолучевых ультразвуковых расходомеров (двух лучевых и трех лучевых), с последующей обработкой информации по весьма сложной программе. К сожалению, такие приборы действительно пригодные для коммерческого учета газа, в России пока не выпускаются. Выпускаемые ультразвуковые счетчики газа ГОБОЙ-1 производства рязанского завода «Теплоприбор» и УБСГ-1 и АГАТ производства фирмы «Газдевайс» по совокупности своих характеристик пока не отвечают всем необходимым требованиям к приборам коммерческого учета газа и, соответственно, в настоящее время могут найти весьма ограниченное применение.

3. Струйные автогенераторные расходомеры

Данный метод измерения может быть недостаточно известен некоторым специалистам. Поэтому несколько слов о принципах расходомера, реализующего данный метод. Он представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный отрицательными обратными связями, выполненными в виде пневматических каналов, соединяющих выходные каналы струйного элемента с одноименными каналами управления (левый – с левым, правый – с правым). При наличии расхода газа через сопло питания струйного элемента его струя попадает в один из выходных каналов и создает в нем повышенное давление, которое через соответствующий канал обратной связи подается в одноменный канал управления и переключает струю, выходящую из канала питания, в другое устойчивое положение. Затем процесс переключения струи повторяется. Частота переключений пропорциональна расходу газа через сопло питания струйного элемента.

Таким образом, в данном методе измерения, также как и в вихревом используется принцип создания аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа. Примером приборов данного типа является струйный автогенераторный расходомер РС-СПА-М, разработанный фирмой «Интер Инвест Прибор».

Недостатки: струйному автогенераторному расходомеру присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер. Однако, к сожалению, есть и дополнительные. Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может использоваться только в качестве парциального расходомера, через который идет только незначительная часть проходящего через измерительное сечение расхода газа (а это неминуемо снижает достоверность измерений), а с другой, существенно больше, чем вихревой расходомер подвержен засорению (т.е. не обладает одним из основных преимуществ вихревого расходомера). А во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера.

Так например, при испытаниях расходомера РС-СПА, проведенных фирмой «ГАЗТУРБавтоматика» совместно с фирмой «Газприборавтоматика» в 2002 г. [5]  было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций данного расходомера находится в диапазоне от 14,5% до 18,5% при изменении расхода через прибор в диапазоне изменения расхода не более 1:5.

Достоинства: те же, что и у вихревого расходомера, за исключением работоспособности на загрязненных газах.

Возможное место применения – взамен датчиков перепада давлений на расходомерах переменного перепада. Принципиально это позволяет расширить диапазон измерения последнего.  Однако отмеченные недостатки вряд ли позволяют рассчитывать на серьезное внедрение данного метода для коммерческого учета газа.

4. Кориолисовые расходомеры

Достоинства: Одни из самых точных расходомеров. Широко применяются для коммерческого учета жидкостей и сжатых газов. Наиболее типовое место применения в газовой промышленности – учет количества природного газа, отпускаемого на АГНКС. В этом случае газ сжат до давления примерно в 20 МПа (200 бар) и имеет плотность, достаточную для применения данного метода.

Недостатки: большие масса, габариты и цена, а также влияние внешней механической вибрации на показания изделий.

Выпускаются многими ведущими производителями расходомерной техники, Например, фирмами Krohne (Германия), MicroMotion (США), Endress+Hauser (Австрия). Случаев применения для учета газа в сетях низкого и среднего давления неизвестно.

5. Термоанемометрические (тепловые) расходомеры

Примером термоанемометрического расходомера является счетчики газа - РГА-100 (300), выпускаемые НПО «Турбулентность – Дон».

Достоинства: отсутствие подвижных частей и, соответственно, потенциально высокая надежность работы в условиях пневмоударов, перегрузок и т.д.

Основной недостаток термоанемометрических расходомеров, относящиеся к классу тепловых, является следствием их принципа действия. Они фактически измеряют теплосъем с нагревательного элемента, который (при известной теплоемкости среды) однозначно связан с массовым расходом. Таким образом, приборы данного типа являются счетчиками массового расхода газа. И это было бы их, также как и кориолисовых расходомеров потенциальным достоинством, если бы расчет за газ производился с оплатой за единицу массы. Однако в нашей стране потребитель платит за объем газа, приведенный к нормальным условиям. Соответственно, для перехода от массового расхода к расходу природного газа при нормальных условиях (который и должен оплачиваться потребителями) требуется указанный массовый расход разделить на плотность газа при нормальных условиях. Однако указанная плотность зависит от состава газа, а ее изменения в течение короткого времени могут достигать 10% и более. В то же время состав газа самим прибором не измеряется и может вноситься вручную не чаще, чем несколько раз в сутки. С учетом изложенного, приборы РГА-100 (300) вообще трудно отнести к приборам, пригодным для коммерческого учета газа. Об этом мы уже писали в статьях [1 и 2].

Основные выводы:

1. Основным критерием применимости методов измерения для коммерческого учета газа является стабильность его «естественного» (т.е. получаемого при градуировке без дополнительной коррекции по температуре и давлению газа) коэффициента преобразования в максимально широком диапазоне изменения режимов течения газа в трубопроводе. Только это позволяет с полным основанием производить градуировку и поверку приборов учета газа на воздушных расходомерных стендах, с последующим распространением полученных результатов на случаи измерения природного и других газов, в том числе при давлении и температуре, отличающихся от условий градуировки или поверки.
2. Проведенный анализ показывает, что из появившихся в последние годы новых методов измерения расхода для коммерческого учета газа низкого и среднего давления потенциально применим только ультразвуковой метод измерения с преобразователями расхода в многолучевом исполнении.
3. Коммерческий учет газа в трубопроводах малого и среднего диаметров (до 300 мм) при расходах газа до 6000 м3/ч наиболее целесообразно производить с использованием диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков соответственно, по мере увеличения диаметров трубопроводов и расхода газа.
4. Расходомеры переменного перепада наиболее целесообразно применять для коммерческого учета газа в газопроводах больших диаметров (свыше 400 мм), ограничивая по возможности диапазоны измерения расхода. Например, создавая «гребенки» параллельно установленных расходомеров и подключая или отключая соответствующие каналы измерения при увеличении или уменьшении расхода газа через данный расходомерный узел.

Литература:

1. Золотаревский С.А., Осипов А.С. Современные промышленные узлы коммерческого учета газа. Краткая история и ближайшие перспективы//Энергоанализ и энергоэффективность – 2005, №№ 4-5.
2. Золотаревский С.А., Осипов А.С. К вопросу о выборе узлов коммерческого учета газа//Газ России – 2006, № 1.
3. Золотаревский С.А. О применимости вихревого метода измерения для коммерческого учета газа// Энергоанализ и энергоэффективность – 2006, № 1.
4. Измерение расхода. Руководство по выбору расходомера// Endress+Hauser. CP 001D/06/ru/04.04, 2004.
5. Расходомер-счетчик РС-СПА. ТУ 4213-009-17858566-01. Протокол испытаний//ГАЗТУРБавтоматика, - М.: 2002.