Методы коммерческого учета газа и пара

В данном разделе представлен обзор основных методов и способов измерения расхода газа и пара (в том числе для коммерческого учета), а также приведено краткое описание и сравнение достоинств и недостатков расходомеров с рекомендациями по их выбору:

1.   Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств -"СУ":
             диафрагмы, сопла, подключенные к дифманометрам-расходомерам (в т. ч. на пар)
2.   Объемный метод измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода
3.   Скоростной метод измерения на базе турбинных преобразователей расхода
4.   Вихревой метод (Вихревые расходомеры, в т.ч. на пар)
5.   Ультразвуковой метод (Ультразвуковые (акустические) расходомеры, в т.ч. на пар)
6.   Струйный метод (Струйные автогенераторные расходомеры, в т.ч. на пар)
7.   Кориолисовый метод (Кориолисовые массовые расходомеры)
8.   Термоанемометрический метод (Термоанемометрические (тепловые) расходомеры)
9.  Сравнительный анализ методов измерения расхода газа и видов расходомеров. Выводы и рекомендации.
Также рекомендуем ознакомиться с разделом Методы контроля и измерения расхода жидкости (воды, теплоносителя и пр.)

1. Метод переменного перепада давлений на базе стандартных сужающих устройств (СУ: диафрагмы, сопла) 

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

Недостатки метода:
Недостатками являются, во-первых, малый диапазон измерения (ранее не превышающий значения 1:3, а в настоящее время, с появлением многопредельных интеллектуальных датчиков давления, увеличившийся до 1:10).
Во-вторых, высокая чувствительность к неравномерности эпюры скоростей потока на входе в СУ (диафрагму), обусловленной наличием в подводящем и/или отводящем трубопроводах гидравлических сопротивлений (запорной арматуры,  регуляторов, фильтров, колен и т. д.). Данное обстоятельство определяет необходимость наличия перед указанными СУ прямых участков длиной не менее 10 диаметров условного прохода (Ду) трубопровода. В ряде случаев, например при установке СУ после гидравлических сопротивлений, таких как неполностью открытый вентиль, прямой участок перед СУ достигает длины 50 Ду и более).

2. Объемный метод измерения на базе мембранных и ротационных преобразователей расхода

Недостатками расходомеров являются ограниченная работоспособность на загрязненном газе, возможность поломки при резких пневмоударах и частичное 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.

Главным достоинством, многократно перекрывающим недостатки и сделавшим данный метод измерения самым распространенным по количеству установленных приборов, является то, что это единственный метод, обеспечивающий прямое, а не косвенное измерение объема проходящего газа. Кроме этого, нужно отметить полную нечувствительность к любым искажениям эпюр скоростей потока на входе и выходе, что позволяет отказаться от прямых участков и резко сократить габариты узла учета газа УУГ), а также дает возможность обеспечения самых широких диапазонов измерения — до 1:100 и более. Счетчики газа данного типа прекрасно подходят для случаев учета газа при его циклическом потреблении, например, котлами с импульсным режимом горения.

3. Скоростной метод измерения на базе турбинных преобразователей расхода

Достоинствами расходомеров являются малые габариты и вес, относительно низкие стоимость и нечувствительность к пневмоударам, а также значительный диапазон измерения расхода (до 1:30), который существенно превосходит аналогичный показатель для СУ.

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 Ду), 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 при нулевом избыточном давлении, в то время как работают на газе при совершенно других значениях давления.
Обеспечить достоверную сходимость показаний для этих двух случаев возможно только, 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.

Действительно, описанную выше задачу решить принципиально можно, но необходимо полностью сформулировать ее условия, а этого 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 аэро- 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 в случаях установки приборов учета газа у потребителей отсутствует.

4. Вихревые расходомеры

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

К недостаткам относятся повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (примерно такая же, как и у стандартных сужающих устройств (СУ)) 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, прибор становится энергозависимым, а если он выполнен с использованием пьезоэлементов, возникают весьма серьезные проблемы с обеспечением помехозащищенности при наличии внешних механических вибраций газопровода.

Самым серьезным недостатком вихревых расходомеров является недостаточная стабильность коэффициента преобразования в необходимом диапазоне изменения расхода газа, 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.

5.  Ультразвуковой метод (Ультразвуковые (акустические) расходомеры, в т.ч. на пар)

Достоинством ультразвуковых расходомеров является их наибольшая перспективность в коммерческом учете 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. 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.  

Недостатком является необходимость применения многолучевых ультразвуковых расходомеров (2-лучевых и более) с последующей обработкой информации по весьма сложной программе для того, чтобы практически исключить влияние искажений потока газа на точность измерения. К сожалению, выпускаемые в России ультразвуковые счетчики газа по совокупности своих характеристик пока не отвечают всем необходимым требованиям к приборам коммерческого учета газа и, соответственно, могут найти весьма ограниченное применение.

6. Струйные автогенераторные расходомеры

Струйный автогенераторный метод есть смысл рассмотреть более подробно, т. к. в настоящее время счетчики газа, созданные на базе расходомеров данного типа, без необходимой метрологической экспертизы начали активно применяться для коммерческого учета газа. Расходомер 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 одноименный 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 имеет место создание аэродинамического генератора колебаний с частотой, пропорциональной расходу газа.

Струйному автогенераторному расходомеру присущи те же недостатки, которыми обладает вихревой расходомер, а именно: большие невозвратимые потери напора и повышенная чувствительность к искажениям эпюры скоростей потока (в варианте его применения в комплекте с СУ). Однако, к сожалению, есть и дополнительные минусы.
Во-первых, струйный элемент (основа данного прибора) имеет крайне большие размеры по отношению к величине измеряемого расхода. Поэтому он, с одной стороны, может применяться только в качестве парциального расходомера, через который идет 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).
Во-вторых, нестабильность коэффициента преобразования у данного прибора еще больше, чем у вихревого расходомера. Так, например, при испытаниях одного из видов струйного расходомера было установлено, что изменение коэффициента преобразования у различных модификаций прибора находится в диапазоне 14,5-18,5 % при изменении расхода через прибор в диапазоне не более 1-5.

Достоинства у струйного автогенераторного расходомера те же, что и у вихревого, за исключением работоспособности на загрязненных газах. Они могут применяться вместо 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.

7. Кориолисовые расходомеры

Кориолисовые расходомеры являются одними из самых точных.
Кориолисовые Р. широко применяются для коммерческого учета жидкостей и сжатых газов. Наиболее типовое место применения в газовой промышленности - учет количества природного газа, отпускаемого на автомобильные газонакопительные компрессорные станции. В этом случае газ сжат до давления примерно в 20 МПа (200 бар) и имеет плотность, достаточную для применения данного метода.

Недостатками кориолисовых массовых расходомеров являются большая масса и габариты конструкции, относительно высокая цена, а также влияние внешней механической вибрации на показания прибора.

Кориолисовые расходомеры выпускаются многими ведущими производителями расходомерной техники (правда в основном иностранными), но показательных случаев применения для учета газа в сетях низкого и среднего давления неизвестно.

8. Термоанемометрические (тепловые) расходомеры

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

Основной недостаток термоанемометрических расходомеров, относящихся 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. Это могло стать 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 требуется указанный массовый расход разделить на плотность газа при нормальных условиях. Однако 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 нескольких раз в сутки. Поэтому данные приборы вообще трудно отнести к приборам, пригодным для коммерческого учета газа.

9. Сравнительный анализ методов из измерения расхода газа и видов расходомеров. Выводы и рекомендации.

Проанализировав ситуацию на рынке приборов коммерческого учета газа, можно сформулировать следующие выводы:

1. Основным критерием применимости методов измерения для коммерческого учета газа является стабильность "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. 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 (Ду до 300 мм) при расходах газа до 6 000 м3/ч наиболее целесообразно производить с использованием диафрагменных (мембранных), ротационных и турбинных счетчиков соответственно увеличению диаметров трубопроводов и расхода газа.

4. Расходомеры переменного перепада наиболее целесообразно применять для коммерческого учета газа в газопроводах больших диаметров ( Ду свыше 400 мм), ограничивая по возможности диапазоны измерения расхода, например, создавая "гребенки" параллельно установленных расходомеров и подключая / отключая соответствующие каналы измерения при увеличении или уменьшении расхода газа через данный расходомерный узел.