Москва, ул. Митинская, д.12

Связаться с нами

Адрес:

Москва, ул. Митинская, д.12

Прием заявок и консультации:

info@packo.ru

Телефон (многоканальный):

+7 (495) 970 16 83

Ваша Заявка

Купите необходимый Вам товар. Для этого перейдите на страницу с его описанием и нажмите кнопку
"Добавить товар в заявку".

Приборы учёта – всеми ли можно пользоваться?

Автор:
Иванушкин И.Ю., инженер по метрологии 1-й категории Коломенского филиала ФГУ «Менделеевский ЦСМ», при содействии ООО «НПФ «РАСКО»
Издание: Реформа ЖКХ № 11-12 . Год: 2009
21.01.2010

НПФ «РАСКО» уже более 15 лет целенаправленно занимается вопросами коммерческого учета воды, тепла, газа и пара. Этой проблеме посвящен целый ряд статей наших специалистов в различных изданиях. Ниже мы предлагаем для обсуждения статью инженера-метролога Коломенского ЦСМ Иванушкина И.Ю., затрагивающую интересный, по нашему мнению, вопрос внедрения новых приборов коммерческого учета газа.

Приборы учёта – всеми ли можно пользоваться?

В связи с тем значением, которое приобретает сейчас учёт энергоресурсов, особенно в связи с предстоящим принятием новой редакции закона об энергосбережении, хотелось бы ещё раз поговорить о приборах, применяемых для этой цели, в частности о таком классе средств измерений, как струйные расходомеры-счётчики.

Общеизвестно, что к основным требованиям, которые предъявляются к приборам коммерческого учёта, относятся высокая точность измерения в широком диапазоне изменения физических величин, надёжность, стабильность показаний в течение межповерочного интервала, простота обслуживания. К последнему относятся также работы, связанные с поверкой приборов, то есть периодического подтверждения их метрологических характеристик.

Именно на этих показателях и фиксируют внимание потребителей многочисленные организации, производящие и продающие приборы учёта. Обещания высокой точности, широких диапазонов измерения, длительных межповерочных интервалов (МПИ), а иногда и возможности поверки без демонтажа, необязательность прямых участков измерительных трубопроводов (ИТ), либо необыкновенно малые значения, и т.д. и т.п., сыпется на головы потребителей как из рога изобилия. Но так ли всегда на самом деле?

Речь пойдёт, как уже было сказано, о струйных счётчиках-расходомерах. Во-первых, потому, что приборы этого типа появились на рынке сравнительно недавно и известно о них немного, во-вторых, потому, что некоторые производители этих счётчиков прельщают потребителей, особенно владельцев измерительных комплексов на базе сужающих устройств, вышеупомянутым отказом от длинных прямых участков и отсутствием необходимости поверки этих самых сужающих устройств (СУ).

Собственно, сам струйный автогенератор (САГ), являющийся «сердцем» этих счётчиков, известен давно и применяется в системах пневмоавтоматики в качестве одного из звеньев. Применять его для измерения расхода стали относительно недавно и на отечественном рынке имеются несколько моделей таких приборов разных производителей.

Приведу несколько выдержек из рекламных проспектов.

РМ-5-ПГ: «Точное измерение объёмного расхода по ГОСТ 8.586-2005 в широком динамическом диапазоне независимо от плотности измеряемой среды… Диапазон измеряемых расходов 1:20… Погрешность ±1,5%».

(Напомню: ГОСТ 8.586-2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств»).

ИРГА-РС : «В основу работы струйного расходомера положен принцип измерения расхода и количества сред методом переменного перепада давления. Определение величины перепада давления и преобразование его для целей измерения расхода потока производится струйным автогенератором (САГ), который входит в состав струйного расходомера. Он используется вместе с сужающим устройством и фактически заменяет дифманометр в узлах учета на основе сужающих устройств (СУ).

САГ представляет собой бистабильный струйный элемент, охваченный обратными связями, обеспечивающими режим автоколебаний. Колебания струи в САГ генерируют пульсации давления, которые при помощи пьезодатчиков преобразуются в электрический сигнал. Частота этого сигнала пропорциональна объемному расходу (корню квадратному из перепада давлений между входом и выходом САГ, т.е. между плюсовой и минусовой камерами сужающего устройства, входящего в состав струйного расходомера).

В результате замены СУ с дифманометром на «Ирга-РС» улучшаются технические и метрологические характеристики узла учета: диапазон измерений возрастает и становится не менее чем 1:30, а погрешность измерения в диапазоне от 0,03 Qmax до Qmax составит ≤ ±0,5%, без учета систематической погрешности СУ. Затраты на такую реконструкцию сопоставимы со стоимостью старого узла учета».

Turbo Flow GFG-F: «Преимущества:

  • относительная погрешность ± 1%
  • минимальные прямые участки
  • динамический диапазон 1:100, с возможностью расширения до 1:180
  • совместимость присоединительных размеров с распространенными типами счетчиков фланцевого исполнения.

Принцип действия измерительного комплекса Turbo Flow GFG-F:

поток газа, проходя по трубопроводу, попадает в рабочую камеру расходомера, в которой установлена диафрагма. Перед диафрагмой формируется область повышенного давления, за счет которого часть потока попадает в струйный автогенератор (САГ, где образуются колебания потока газа, пропорциональные скорости потока)».

Turbo Flow GFG-ΔP: «Расходомеры газа Turbo Flow GFG-ΔP предназначены для модернизации узлов учета на базе сужающих устройств (СУ), оснащенных преобразователями перепада давления. Для модернизации вместо дифманометра на стандартный вентильный блок устанавливается первичный преобразователь расхода (ПР) и электронный блок обработки информации. Частота, регистрируемая на элементах струйного генератора, функционально зависит от расхода газа через СУ. Преобразованный частотный сигнал линейно пропорционален расходу газа, прошедшему через СУ.

Замена существующих приборов происходит путем установки расходомера-счетчика GFG-ΔP на уже смонтированные трубки, без дополнительных затрат на трубный монтаж. В результате улучшаются метрологические характеристики узла учета. Расширяется динамический диапазон до 1:100, а погрешность измерений снижается до ± 1% во всем диапазоне измерений».

РС-СПА-М: «Достоинства струйных расходомеров-счетчиков:

  • унификация измерительных приборов для различных сред;
  • отсутствие подвижных частей, что обуславливает высокую надежность, стабильность характеристик во времени, высокую технологичность изделия;
  • независимость градуировочного коэффициента от плотности измеряемой среды;
  • возможность измерения малых расходов, агрессивных, неэлектропроводных и криогенных сред;
  • не требуются прямые участки до и после места установки;
  • возможность проверки на месте установки.

Функциональные возможности прибора:

  1. Приведение расхода (объема) к нормальным условиям (при подключении к прибору датчиков температуры и давления).
  2. Измерение плотности измеряемой среды.
  3. Измерение массового расхода (объема).
  4. Осуществление проверки без демонтажа с трубопровода.

Технические характеристики:

  • Измеряемые среды: жидкости, газы, пар
  • Диаметр условного прохода, мм : 5?4000
  • Динамический диапазон измерения, Q max / Q min 50:1
  • Предел допускаемой основной погрешности, %: 0,15».

Последний из названных привлекает особенное внимание, поскольку в нашем регионе примерно от 25 до 30% узлов учёта природного газа оборудовано этими счётчиками и есть тенденция к их увеличению.

Итак, что же, собственно, вызывает тревогу? Во-первых, это сам принцип измерения. (Напомню, что проблемы, обсуждаемые в данной статье, рассматриваются с точки зрения коммерческого учёта с точки зрения особенных требований к приборам учёта, о которых говорилось выше, и не затрагивают различных технологических задач и т.п.) К примеру, статья [13] начинается такими словами: «К настоящему времени не накоплена исчерпывающая экспериментальная база и не получено завершённого теоретического описания рабочего процесса измерительных преобразователей расхода, действующих на данном принципе, что играет не последнюю роль в задержке практического использования расходомеров этого типа». Другие исследователи, на основе анализа различных средств измерений расхода также делали выводы, несколько не совпадающие с рекламными декларациями. Например, в [8], автор пишет следующее:

«Недостатки: струйному автогенераторному расходомеру присущи все недостатки, которыми обладает вихревой расходомер…

(*Примечание: Выше в статье автор перечисляет недостатки вихревых расходомеров: повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (а значит, повышенные требования к стабильности потока, то есть к длинам прямых участков) и относительно большие невозвратимые потери напора, связанные с интенсивным вихреобразованием при обтекании потоком плохо обтекаемого тела. Самым серьёзным недостатком является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне, что практически не позволяет рекомендовать приборы данного типа для коммерческого учёта газа без предварительной калибровки изделия непосредственно в условиях эксплуатации или крайне близких к ним.)

…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 идёт 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. А во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора ещё больше, чем у вихревого расходомера.»

В этой же статье автор приводит результаты испытаний расходомера РС-СПА, проведённых фирмой «ГАЗТУРБавтоматика» совместно с фирмой «Газприборавтоматика», в результате которых было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне от 14,5% до 18,5% при изменении расхода через прибор в диапазоне изменения расхода не более 1:5 (!).

Во-вторых, вызывает недоумение то, что, например, для счётчиков типа РС-СПА разработана собственная методика выполнения измерений (МВИ) МИ 3021-2006, во многом противоречащая ГОСТ 8.586-2005, особенно в части требований к монтажу средств измерений (СИ) и измерительному участку. На этом стоит остановиться подробнее, поскольку аналогичные вопросы возникали и при общении с производителями других моделей, например Turbo Flow GFG. Главное, что служило камнем преткновения, - это требования к СУ и к прямым участкам. Напомню, что и те и другие счётчики выпускаются в двух вариантах : одни служат для замены дифманометров и подключаются к существующим СУ, другие (как правило для ИТ малых диаметров) выполнены в моноблочном исполнении со своим СУ. Например, в счётчиках РС-СПА «первичный преобразователь расхода (ППР) РС включает в себя САГ с устройством преобразования сигнала, выполненных в одном агрегате и установленными на измерительный трубопровод с местным сужением потока [1]». Здесь, мне кажется, нужно разделить два вопроса: зачем нужна диафрагма (местное сужение потока) и зачем необходимы прямые участки определённой длины?

Что бы ни заявляли производители, так или иначе эти приборы используют для вычисления расхода именно перепад давления, который создаётся с помощью СУ. В одном из патентов на счётчик РС-СПА (№2175436) автор после объяснения работы САГ пишет следующее: «…В результате устанавливаются устойчивые колебания струи с частотой, пропорциональной объёмному расходу и корню квадратному из отношения перепада давления на струйном автогенераторе к плотности измеряемой среды...»

Перепад давления на САГ, или, говоря иначе, разность потенциалов, является источником возникновения автоколебаний и от величины этой разности зависит их частота. То есть, вычисление расхода тем точнее, чем точнее измерение частоты колебаний, то есть чем точнее перепад давления на САГ соответствует расходу через данный участок ИТ. Влияют ли на точность воспроизведения перепада давления параметры СУ? Несомненно. Об этом написаны уже десятки томов, сотни статей и ГОСТ 8.586-2005, который в какой-то степени подытожил результаты многочисленных исследований этого вопроса. Почему производители заявляют, что при установке этих счётчиков состояние СУ их больше не волнует, совершенно непонятно. Как известно, на точность воспроизведения перепада влияют и качество входной кромки, и шероховатость, и другие параметры диафрагм.

Приведу пример. Поскольку одна из основных целей, которые сейчас преследуют потребители газа (и которую поддерживают менеджеры по продаже), заключается в том, чтобы облегчить себе жизнь и избавиться от необходимости удлинения прямых участков (!), ежегодного демонтажа и поверки диафрагм (!), свести всю поверку измерительного комплекса к поверке счётчика «на месте» (!), да ещё и раз в два года (!), то очень скоро в балансовых показателях могут появиться расхождения, причины которых будут неявны. В [1] указано, что полный средний срок службы, например, счётчика РС-СПА составляет 8 лет. Вот как изменятся показания счётчика в течение этого интервала времени, если проводить расчёт не по методике [2], а по ГОСТ 8.586, то есть не игнорируя наличие в счётчике сужающего устройства. В качестве данных были взяты значения конкретного узла учёта природного газа одного из нескольких ГРП машиностроительного предприятия и параметры установленного на ГРП счётчика РС-СПА исполнения РС-П3, в том числе параметры диафрагмы. Среднее годовое значение давления газа 3,5 кГс/см?, средняя годовая температура 5°С, максимальный перепад давления (примерно поддерживаемый в течение года) – 25000 Па. Среднее за год изменение внутреннего диаметра диафрагмы было принято +0,01%, значение вполне реальное, даже заниженное, учитывая качество газа. Результаты расчётов:

  • при установке счётчика максимальный расход Qc составит 4148,89 м3/ч;
  • через два года (первый межповерочный интервал счётчика) это значение будет уже равняться 4182,56 м3/ч;
  • через четыре года 4198,56 м3/ч;
  • через шесть лет 4207,21 м3/ч;
  • через восемь лет (гарантированный срок службы счётчика) – 4212,38 м3/ч.

Таким образом, через восемь лет эксплуатации, при прочих равных условиях, счётчик покажет расход , который на 63,58 м3/ч (!) больше реального, будучи при этом полностью исправным и прошедшим поверку, то есть, при сохранении своих метрологических характеристик.

Замечу, что в расчётах учитывалось только изменение внутреннего диаметра диафрагмы и изменение поправочного коэффициента притупления входной кромки (формулы 5.13 и 5.14 ГОСТ 8.586.2-2005), остальные характеристики, в том числе и характеристики измерительного трубопровода, считались неизменными.

Более того, были рассчитаны характеристики измерительного комплекса при минимальном учитываемом перепаде давления (на момент установки счётчика он составлял 1000 Па, при этом относительная расширенная неопределённость измерения расхода равнялась 3,93%). В результате расчётов были получены следующие значения относительной расширенной неопределённости (при тех же условиях изменения внутреннего диаметра диафрагмы и коэффициента притупления входной кромки):

  • через два года 4,06 %;
  • через четыре 4,16 %;
  • через шесть 4,22 %;
  • через восемь 4,25.

То есть, через два года эксплуатации, при следующей поверке, измерительный комплекс уже не соответствовал бы установленным нормам погрешности. Довольно трудно при этом говорить о коммерческом учёте, поскольку его достоверность более чем сомнительна. Хочу добавить, что полные результаты расчётов, которые здесь не приводятся, чтобы не перегружать статью, показывают, что изменение в указанном диапазоне характеристик СУ приведёт к изменению таких показателей, как коэффициент гидравлического сопротивления, коэффициент потерь давления и др., которые приведут к изменению характеристик не только самого ГРП, но и газопотребляющего оборудования.

Замечу, в расчётах предполагалось, что измерительный комплекс выполнен с учётом требований ГОСТ 8.586-2005, то есть в том числе и с прямыми участками ИТ необходимой длины, о необязательности которых заявляют производители счётчиков РС-СПА и некоторых других.

Почему, тоже непонятно. Повторю, точность вычисления расхода струйными счётчиками зависит от перепада давления на САГ, точнее, от того, насколько точно перепад даления 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 того, чтобы в месте установки диафрагмы было сформировано установивишееся течение, характеризующееся устойчивым турбулентным режимом с числом Re в линейной области, как раз необходимы прямые участки определённой длины, исключающие наличие местных возмущений потока. Об этом тоже написано немало, в том числе и в ГОСТ 8.586-2005, который на основании результатов многолетних исследований регламентирует требования к прямым участкам в зависимости от наличия тех или иных местных сопротивлений (МС). То, что до сих пор существуют некоторые разногласия между специалистами, работающими в этой области, по поводу параметров нескольких типов МС, не меняет общей картины в целом. Поэтому кажется не совсем обоснованной политика производителей, определяемая скорее требованиями рыночной конкуренции, чем результатами научных исследований и здравым смыслом. В качестве аргумента за отказ от прямых участков производители, например, РС-СПА и TurboFlow, используют то, что счётчики градуируются на поверочной установке при выпуске из производства. Приведу цитату из уже упоминавшегося патента [14]: «При градуировке струйного расходомера-счётчика значения частот в диапазоне измерения и соответствующих им перепадов давления заносятся в паспорт прибора. Кроме того, в паспорт заносится значение плотности среды». Замечу, что видимо, мне не повезло, и ни в одном из паспортов приборов на известных мне узлах учёта газа (УУГ) таких данных не было. Это бы ничего, ну забыли записать и ладно, но интересно то, что большинство из этих счётчиков поверяется обслуживающей организацией на месте эксплуатации (!) без демонтажа с ИТ. Здесь уместно напомнить о том, что почти во всех рекламных проспектах указывается ещё одно достоинство струйных счётчиков, а именно независимость градуировочного коэффициента от плотности среды. Непонятно, что в этом особенного, если учесть, что плотность среды учитывается при вычислении расхода с помощью показаний датчиков давления и температуры. Другое дело, если этот фактор учитывать при поверке, но тогда действительно, в паспорте должна быть запись о плотности той среды, на которой счётчик проходил заводскую градуировку. Если же она проводилась на воздухе, то поверять счётчик, работающий на узле учёта природного газа, без демонтажа, только задавая перепад давления, недопустимо.

И ещё один аспект не может не вызвать недоумение. Речь идёт о динамическом диапазоне и погрешности счётчиков. Напомню ставшие уже «хрестоматийными» недостатки диафрагмы :

  • узкий динамический диапазон измерения расхода (в среднем от 1:3 до 1:5);
  • нелинейный выходной сигнал, требующий линеаризации;
  • нормирование погрешности с приведением к верхнему пределу измерений, а следовательно, гиперболический рост погрешности, приведённой к точке измерения, при уменьшении расхода;
  • значительное падение давления на сужающем устройстве (СУ), неизбежное в силу принципа действия;
  • неконтролируемое изменение погрешности вследствие затупления кромки при эксплуатации;
  • невозможность извлечения СУ без перекрытия трубопровода;
  • значительная длина необходимых прямых участков без местных сопротивлений;
  • засорение импульсных линий в «грязных» потоках, накопление конденсата, приводящее к неверным показаниям;
  • сложность расчёта СУ, включая расчёт неопределённостей измерения расхода.

Непонятно, куда пропадают эти недостатки при установке в измерительный трубопровод струйного счётчика, в состав которого входит диафрагма (!). Между тем, в многочисленных рекламных проспектах приводятся в качестве достоинств нового прибора, как правило, большой динамический диапазон измерения расхода (до 1:50 у РС-СПА и до 1:100 у других), низкий предел допускаемой основной погрешности (до ±0,15%), возможность поверки без демонтажа и отсутствие требований к прямым участкам до и после места установки. А в том, что касается учёта газа, ещё и методика выполнения измерений [2], исключающая расчёт по ГОСТ 8.586-2005. (То есть то, на что и «клюют» потебители этих приборов).

Я согласен с тем, что благодаря встроенной в счётчик электронике можно в какой-то степени расширить диапазон измерений, линеаризовать характеристику расходомера, снизить общую погрешность комплекса. Но, повторюсь, вряд ли каким-то образом удастся учесть изменение свойств диафрагмы хотя бы за межповерочный интервал (не говоря уже о большем периоде времени), степень засорения соединительных линий (изменение значения перепада давления) и, тем более, искажение потока за счёт местных сопротивлений.

И всё было бы ничего, если бы не то обстоятельство, что счётчики эти используются, как правило, в узлах коммерческого учёта газов и жидкостей, то есть так или иначе связаны с государственными учётными и энергосберегающими операциями. Многочисленные публикации на данную тему говорят о неприменимости данных приборов для этих целей, а в отчёте рабочей группы по подготовке материалов и проекта решения совместного технического совета Департамента топливно-энергетического хозяйства и Префектур г. Москвы [9] комиссия, проводившая анализ теплосчётчиков и расходомеров воды делает вообще категоричный вывод: «Теплосчётчик РС-СПА-М-МАС не отвечает большинству основных и дополнительных критериев и не может быть рекомендован к использованию». Замечу, что среди критериев, выдвинутых рабочей группой, были, например, такие, как «высокая надёжность и точность измерений на протяжении длительного промежутка времени, минимальное гидравлическое сопротивление при номинальном расходе, электромагнитная совместимость» и др.

Вот те основные аспекты, которые хотелось отметить при обсуждении струйных счётчиков-расходомеров. Замечу ещё раз, что в статье не подвергается сомнению применимость метода при измерении расхода вообще. Речь идёт именно о коммерческом учёте энергоресурсов, со своими требованиями и своей спецификой. Поэтому хотелось бы пожелать производителям подобных приборов быть более точными и добросовестными в определении характеристик и рекомендаций по применимости их продукции для тех или иных целей. Я понимаю, и не раз слышал, что рынок диктует свои правила и т.д. и т.п. Но в конце концов не надо забывать, что все мы пользуемся общими запасами. И планета производит нефть, газ, воду, воздух независимо от политических формаций и форм собственности. Так кто кого хочет обмануть?

Литература:

  1. «Расходомеры-счётчики РС-СПА. Описание типа».
  2. МИ 3021-2006 «Рекомендация. ГСИ. Расход природного газа. Методика выполнения измерений измерительными комплексами с расходомерами-счётчиками РС-СПА-М».
  3. «Расходомер-счётчик РС-СПА-М. Руководство по эксплуатации. Часть I. ФИЖТ.423141.027 РЭ».
  4. «Расходомер-счётчик РС-СПА-М. Руководство по эксплуатации. Часть II. ФИЖТ.423141.027 РЭ».
  5. ГОСТ 8.562.1/5 -2005 «Измерение расхода и количества жидкостей и газов с помощью стандартных сужающих устройств».
  6. ПР 50.2.022-99 «ГСИ. Порядок осуществления государственного метрологического контроля и надзора за применением и состоянием измерительных комплексов с сужающими устройствами».
  7. Сычёв Г.И. «Универсальные расходомеры для жидкости, газа и пара». Москва, 1995 г.
  8. Золотаревский С.А. «О применимости различных методов измерения расхода для коммерческого- учёта газа». «ЭСКО», №5, май 2007 г.
  9. Отчёт рабочей группы по подготовке материалов и проекта решения совместного Технического совета Департамента топливо-энергетического хозяйства и Префектур г. Москвы по выбору технических решений при реализации Постановления Правительства г. Москвы от 10.02.04 №77-ПП.
  10. Благов Э.Е. «Расчёт интегральных гидродинамических показателей трубопроводных сужающих устройств», АС №6(45), 2006 г.
  11. И.Е. Идельчик «Справочник по гидравлическим сопротивлениям», М. Машиностроение, 1992 г.
  12. Борисов С.Н., Даточный В.В. «Гидравлические расчёты газопроводов», М. Недра, 1972 г.
  13. Чаплыгин Э.И. и др. «Математическая модель струйного расходомера», журнал технической физики, 2004, том 74, вып.6.
  14. Патент РФ №2175436 «Струйный автогенераторный расходомер-счётчик», 27.10.2001.
  15. Левандовский В.А., Лапин В.Б. «О точности узлов коммерческого учёта газа». ЭСКО, 2005, №2.
  16. «ГСИ. Расход и объём природного газа. Методика выполнения измерений при помощи расходомеров TurboFlow серии GFG». ФР.1.29.2009.05809.