20.02.2006

Опубликовав в журнале "Энергоанализ и Энергоэффективность" (№4-5, 2005 г.) статью "Современные промышленные узлы коммерческого учета газа. Краткая история и ближайшие перспективы", посвященную проблемам коммерческого учета газа и формулированию основных требований к узлам коммерческого учета газа, наша фирма, как выяснилось, неожиданно дала старт дискуссии на тему "Какие методы измерения наиболее целесообразно использовать для решения данной задачи?". Первым и, надеемся, не последним участником этой дискуссии стала фирма "Глобус" из г. Белгорода, которая уже в течение ряда лет пытается выйти на российский рынок с вихревыми расходомерами газа собственного производства которая уже в течение ряда лет выпускает вихревые расходомеры газа.

Теперь непосредственно по сути вопросов, затронутых в статье фирмы "Глобус".

1. Наша статья посвящена узлам коммерческого учета природного газа, а не методам измерения расхода и количества газов вообще. Т.е. речь идет о максимально точном и надежном измерении количества природного газа по ГОСТ5542-87, т.е. очищенного и осушенного. При этом очистка и осушка газа производятся вовсе не затем, чтобы обеспечить "комфортную" работу счетчиков газа, а прежде всего для того, чтобы увеличить срок службы, надежность и безопасность работы газорегуляторного оборудования (ГРО), газопотребляющего оборудования (ГПО) и самих газораспределительных сетей (ГРС). В соответствии с изложенным эффективность применения различных методов измерения расхода газа была проанализирована именно для решения данной конкретной задачи.

2. В статье никоим образом не ставилась задача "опорочить" вихревой метод измерения расхода. Тем более, что автор (С.А.Золотаревский - прим. ред.) не только детально знаком с данным методом, но и являясь в течение более, чем 10 лет заведующим лабораторией специальных расходомеров НИИТеплоприбора (ведущего института в СССР по разработке средств измерения расхода, давления и уровня), руководил рядом разработок вихревых расходомеров-счетчиков, которые затем были освоены в серийном производстве на заводе "Старорусприбор", а несколько позднее - на Саранском приборостроительном заводе. Поэтому мы на практике могли убедиться как в преимуществах вихревых расходомеров, прежде всего - их работоспособности в тяжелых эксплуатационных условиях, так и в недостатках - относительной нестабильности метрологических характеристик, относительно больших гидравлических потерях на чувствительном элементе (теле обтекания) и относительно низкой помехозащищенности (особенно в случае применения пьезоэлектрического узла съема сигнала, как это сделано в частности в расходомерах фирмы "Глобус"). О признании работ НИИТеплоприбора в области вихревой расходометрии говорит хотя бы тот факт, что тюменские предприятия "Сибнефтеавтоматика" (СИБНА) и Завод "Электрон" (действительно известные в России производители вихревых расходомеров) выбрали тела обтекания для своих расходомеров на основании наших совместных работ. Да и сама фирма "Глобус" использует в своих приборах тело обтекания, крайне близкое по форме к тому, что применялось в разработанных нами в 80-е годы вихревых расходомерах-счетчиках ВИР и счетчиках жидкости СЖ.

3. Одним из недостатков вихревых расходомеров, отмеченных в нашей статье, является повышенная чувствительность к эпюре скоростей потока газа в точке измерения. И это один из самых серьезных недостатков данного метода измерения. Искаженная (т.е. неравномерная) эпюра скоростей формируется после гидравлических сопротивлений (прежде всего - гидравлических колен и запорно-регулирующей арматуры). В ряде случаев такое искажение эпюры скоростей может привести даже к срыву режима вихреобразования, в чем автор неоднократно убеждался на практике. Соответственно, можно с полным основанием утверждать, что при наличии перед вихревым преобразователем расхода такого гидравлического сопротивления как колено (изгиб трубопровода на 900) или не полностью открытый вентиль даже прямого участка длиной в 10d (d - диаметр условного прохода) может не хватить для выравнивания указанной эпюры скоростей и, соответственно, исключения ее влияния на метрологические характеристики устройства.

Для сравнения, диафрагменным или ротационным счетчикам газа прямые участки трубопроводов вообще не требуются. А у современных турбинных счетчиков, таких как TRZ (фирма "ELSTER", Германия), TZ FLUXY (фирма "Actaris", Германия), а также у недавно появившегося на российском рынке СТГ (ЭПО "Сигнал", Россия) необходимые длины прямых участков составляют всего 2 Dу до и 1 Dу после счетчика. Таких же длин прямых участков требуют счетчики СГ-16МТ производства Арзамасского приборостроительного завода (Россия), оснащенные специально для них разработанным стабилизатором потока газа СПГ. Кстати, авторы из фирмы "Глобус" также упоминают струевыпрямители в своих материалах. Однако речь у них идет об устройствах стабилизации потока вообще, а не о конкретно разработанных или используемых изделиях. А ведь любому специалисту понятно, что длины прямых участков зависят от эффективности струевыпрямителя.

Лукавят г-да Горбунов и Хоружев и утверждая авторы И.А. Горбунов и Г.М. Хоружев в своей статье утверждают, что длины прямых участков особого значения вообще не имеют, т.к. замене подлежат в основном сужающие устройства, у которых длины прямых участков достигают 50d. Смею утверждать, что, по крайней мере, в областях центральной европейской части России, в подавляющем большинстве случаев реконструкции подлежат узлы учета, выполненные на базе ротационных счетчиков газа РГ производства ПО "Промприбор" (г. Ивано-Франковск, Украина), которые не только морально и технически устарели, но и просто выработали свой ресурс. Этот тип приборов, как уже отмечалось, вообще не требует прямых участков трубопровода до и после себя. Соответственно, в этом случае минимальные длины прямых участков до и после расходомера позволяют, как минимум в 1,5…2 раза, сократить затраты на реконструкцию такого узла. А вот узлы учета на базе сужающих устройств, в целом ряде случаев, модернизируются путем установки на них многодиапазонных микропроцессорных дифманометров, что позволяет существенно расширить диапазон измерения и повысить его точность.

4. Относительно повышенной чувствительности к режимам течения газа. Наиболее серьезная теоретическая проработка гидродинамических процессов, происходящих в рабочей камере вихревого расходомера в России была произведена в НИИТеплоприборе в 80-е годы прошлого века, причем именно в руководимой мною в то время лаборатории. В связи с этим вынужден рекомендовать господам из фирмы "Глобус", а также всем желающим ознакомиться, например, с работами [1 - 4].
Для тех, у кого нет для этого времени или возможности, должен кратко пояснить, что, зависимость частоты вихреобразования от режима течения потока жидкости или газа вокруг тела обтекания потока может быть записана в критериальном виде, как St = f (Re), где St и Re - гидродинамические критерии, пропорциональные (при неизменных значениях других входящих в их состав параметров) частоте вихреобразования и скорости потока в измерительном сечении расходомера, соответственно. Следовательно, зная такую зависимость, принципиально можно корректировать, а точнее - линеаризовывать градуировочную характеристику вихревого расходомера в зависимости от расхода, давления, температуры и типа измеряемой среды. Однако многочисленные исследования давно показали, что зависимость St = f (Re) однозначна в широком диапазоне изменения влияющих факторов (характерном для режимов работы счетчиков газа) только при обтекании тела неограниченным потоком. В вихревом расходомере тело цилиндрической формы (с основанием в виде трапеции, треугольника или иной формы) обтекается потоком, ограниченным стенками трубопровода. При этом относительная ширина тела обтекания, т.е. отношение ширины тела обтекания к ширине обтекающего потока, является переменной величиной, имеющей минимальной значение в диаметральной плоскости трубопровода, перпендикулярной продольной оси тела обтекания и увеличивающейся по мере удаления от нее. Это, даже без учета влияния пограничных слоев, располагающихся вблизи внутренней поверхности трубопровода, не позволяет рассчитать градуировочную характеристику расходомера при произвольной комбинации указанных выше влияющих факторов с погрешностью менее нескольких процентов. Наши исследования показывали, что, в ряде случаев, указанная погрешность может достигать 5…7% и более.

Исследования целого ряда авторов, в частности представленные в статье [1], показывают, что зависимость St = f (Re) имеет область относительно стабильных значений числа Струхаля St (а следовательно, коэффициента преобразования вихревого расходомера) только при значениях числа Рейнольдса Re 104. В то же время, например, у расходомера ИРГА-РВ с диаметром условного прохода 50 мм при минимальном расходе 10 м³/ч число Re едва достигает значения 5 103.
Поэтому, принимая во внимание, что линейная область градуировочной характеристики вихревого расходомера весьма ограничена, особенно в области малых чисел Re, единственным выходом для обеспечения возможности применения вихревого расходомера в качестве коммерческого счетчика газа является проведение полномасштабных исследований его градуировочных характеристик во всем диапазоне изменения расхода, давления и температуры газа, причем именно того газа, на котором предполагается использовать прибор. Однако, к сожалению, такими стендами российская промышленность пока не располагает, а стоимость таких исследований, по всей вероятности, сделает такую разработку экономически нецелесообразной.
Выход в этой ситуации один - использовать те методы измерения расхода, которые, без дополнительной линеаризации, имеют минимальную нелинейность. Именно поэтому такое широкое применение получили диафрагменные, ротационные и турбинные расходомеры. Да, в них действительно коррекция градуировочного коэффициента не проводится. Но не потому, что это невозможно (думаю, все понимают, что, при современном развитии электроники, это простейшая задача), а потому, что это, в силу указанных выше причин, принципиально недопустимо. Именно поэтому мы обращаем внимание на перспективность ультразвуковых расходомеров. И именно поэтому (прежде всего!) ни в одной стране мира вихревые расходомеры не применяют для коммерческого учета газа.

5. Относительно потерь давления на вихревом расходомере.
Приведенные в статье белгородских авторов данные не только вызывают недоумение, но и просто не соответствуют информации приведенной в их собственном руководстве по эксплуатации (РЭ) на изделие ИРГА-РВ в п. 1.2.2.25, которого записано, что потеря давления на первичном преобразователе расхода в общем случае не более:

(1)

- потеря давления потока газа (пара) на первичном преобразователе расхода
(кПа);

 - плотность газа или пара в рабочих условиях (кг/м³);
Q - расход газа или пара в рабочих условиях (м³/ч);
d - диаметр проточной части (мм).

Ради интереса мы проверили, какой результат дает указанная формула, например, при нормальных условиях (температура 20 °С, атмосферное давление 101,3 кПа) для изделия с диаметром условного прохода 50 мм при номинальном расходе воздуха, который, в соответствии с указанным РЭ, составляет 300 м³/ч. При расчете использовалась плотность воздуха при указанных условиях, равная 1,205 кг/м³ [5]. Подстановка указанных значений в формулу (1) показывает, что потеря давления при данных условиях составляет 3,696 кПа, т.е. почти в 2,5 раза больше, чем декларируют авторы.
Следует также отметить, что если конструкция турбинного расходомера уже включает в себя струевыпрямитель той или иной степени сложности (а это влечет за собой определенные потери давления, включаемые в общие потери давления турбинного расходомера), то в конструкции вихревого расходомера, по крайней мере, расходомера ИРГА-РВ фирмы "Глобус", струевыпрямитель просто отсутствует.

6. Необходимо обратить внимание еще на одно требование к средствам измерения расхода, применяемым в составе узлов коммерческого учета. Это высокая помехозащищенность, а также защищенность от несанкционированного вмешательства, которые должны обеспечить достоверность получаемой информации. Например, к квартирным водосчетчикам предъявляется требование защищенности от воздействия внешнего магнитного поля. Это необходимо для того, чтобы исключить соблазн некоторых недобросовестных потребителей остановить крыльчатку водосчетчика, информация о вращении которой передается из зоны измеряемой среды через магнитную полумуфту, и тем самым уменьшить свои платежи за потребляемую воду.
Применительно к вихревым расходомерам с пьезоэлектрическим узлом съема сигнала, регистрирующим, особенно на малых расходах, ультрамалые колебания давления - это защита от внешнего механического воздействия на частотах равных или кратных частотам вихреобразования. Безусловно, разработчики таких приборов применяют специальные конструктивные и схемные решения для обеспечения такой защиты. Однако, учитывая, что амплитуда принимаемого узлом съема сигнала изменяется, например, в диапазоне декларируемого изменения расхода вихревого преобразователя 1:30, более, чем на 4 порядка, говорить о надежной помехозащищенности такого узла съема (особенно в случаях, когда недобросовестный потребитель будет специально использовать это), к сожалению, не приходится.

7. Относительно выводов, сделанных в нашей статье "Современные промышленные узлы коммерческого учета газа. Краткая история и ближайшие перспективы".
В них ни слова не говорится за или против вихревых расходомеров. Не содержатся в них и рекомендации по выбору изготовителей узлов коммерческого учета газа. Да и цель статьи была другая: обратить внимание потребителей газа, проектных организаций, владельцев ГРС на основные требования, которым должны соответствовать данные изделия. Причем на требования действительно технически и экономически обоснованные. Это тем более актуально сейчас, когда в завершающей стадии находится разработка новых правил учета газа.

Как правильно отмечают авторы из фирмы "Глобус", НПФ "РАСКО" сама не изготавливает счетчики газа. Поэтому мы свободны в выборе своих технических предпочтений. (И у нас нет необходимости отстаивать свою позицию, даже, если она ошибочная, как это вынуждены в ряде случаев делать некоторые производители конкретной продукции. Напротив, - лишнее) Обладая высококвалифицированными специалистами в области расходометрии в целом и коммерческого учета газа в частности (при необходимости господа авторы статьи из фирмы "Глобус" могут навести справки в таких авторитетных организациях, как НИИТеплоприбор, г. Москва, ВНИИ метрологической службы, г. Москва, ВНИИ расходометрии, г. Казань, Росгазификация, г. Москва, ГИПРОНИИГАЗ, г. Саратов, МОСГАЗНИИПРОЕКТ, г. Москва и др.), наша фирма, совместно со своими партнерами, проводит целенаправленную техническую политику, направленную на совершенствование коммерческого учета природного газа. И, естественно, мы работаем с теми партнерами, которые разделяют наши взгляды.

Основные выводы:

1. По указанным выше причинам применение вихревых расходомеров для коммерческого учета природного газа нецелесообразно, т.к. не обеспечивает необходимую точность измерения*). Исключение могут составлять специальные случаи учета загрязненного или агрессивного газа и т.п. Непосредственным подтверждением данного вывода является и весь мировой опыт: автору и его коллегам не известно ни одного случая применения вихревых расходомеров для этих целей ни в одной развитой стране мира, кроме России.

2. В то же время вихревые расходомеры вполне можно использовать для измерения расхода жидкости, газа и пара при автоматизации технологических процессов в различных отраслях промышленности, особенно при работе на средах, содержащих механические включения, хотя по этому показателю с ним успешно могут конкурировать, например, ультразвуковые и корреляционные расходомеры, также не имеющие подвижных частей, но представляющие собой совершенно свободный отрезок трубопровода, а, следовательно, обладающие меньшей невозвратимой потерей напора и большей надежностью.

3. Наиболее перспективной областью применения вихревых расходомеров является учет пара, в том числе коммерческий. Для этих целей данный метод действительно широко используется, причем, например, такими известными фирмами как DANFOSS (Дания), EMKO (США), Endress+Hauser (Австрия). Это объясняется тем, что условия эксплуатации в этом случае гораздо более, тяжелые, чем при измерении расхода природного газа, а метрологические требования существенно менее жесткие.

*) Примечательно, что всемирно известная фирма Endress+Hauser, сама являясь производителем вихревых расходомеров серии Prowirl, в своих рекомендациях по выбору расходомера [6] не рекомендует их применение в тех случаях, когда требуется высокая точность измерения. В то же время данные расходомеры рекомендуются ей для измерения расхода загрязненных газов (дымового, топливного и т.д.), а также насыщенного и перегретого пара.

Литература:
1. Силин М.Д. и др. Вихревой расходомер ВИР//Средства получения и обработки информации. Сборник научных трудов. - М: НИИТеплоприбор, 1982.
2. Маштаков Б.П. Анализ структуры сигнала вихревого расходомера//Теоретические и экспериментальные исследования в области создания измерительных преобразователей расхода. Сборник научных трудов. - М: НИИТеплоприбор, 1984.
3. Маштаков Б.П. Исследование стохастических характеристик потока при его взаимодействии с телом обтекания вихревого расходомера.//Метрологическое обеспечение средств измерения расхода, уровня, давления на стадии разработки, выпуска и эксплуатации. Сборник научных трудов. - М: НИИТеплоприбор, 1987.
4. Грикевич А.В., Золотаревский С.А., Маштаков Б.П. Разработка методики беспроливной градуировки и поверки вихревых расходомеров// Вопросы надежности и метрологического обеспечения приборов контроля технологических параметров. Сборник научных трудов. - М: НИИТеплоприбор, 1990.
5. Стаскевич Н.Л. и др. Справочник по газоснабжению и использованию газа. - Л.: Недра, 1990.
6. Измерение расхода. Руководство по выбору расходомера// Endress+Hauser. CP 001D/06/ru/04.04, 2004.