Блочный узел учёта газа с ультразвуковым расходомером объединяет на одной раме (skid) многолучевой ультразвуковой расходомер, струевыпрямитель, прямые участки до и после прибора, измерение давления и температуры и вычислитель расхода. Качество такого узла определяется не только самим расходомером, но и профилем скорости потока на его входе, источниками ультразвукового шума поблизости и тем, как будут использоваться диагностические данные прибора. Ультразвуковую технологию обычно рассматривают для газопроводов с большим расходом, для задач с широким динамическим диапазоном и минимальной потерей давления, а также там, где газ может двигаться в обоих направлениях.
Ниже рассмотрены время-импульсный принцип, компоновка блока, влияние условий монтажа и исходные данные для выбора. Организация коммерческого учёта и бюджет неопределённости системы описаны на странице об узлах коммерческого учёта газа.
Время-импульсный метод и роль нескольких лучей
Ультразвуковой расходомер (время-импульсный) посылает акустические импульсы между парами преобразователей, установленных под углом к оси корпуса. Импульс, идущий по потоку, приходит чуть раньше, чем импульс против потока. Разница времён прохождения даёт среднюю скорость газа вдоль данного акустического луча, а из того же измерения определяется скорость звука в газе. Объёмный расход вычисляется по скоростям на лучах с учётом геометрии прибора.
Один луч «видит» лишь одно сечение трубы. В многолучевых расходомерах лучи расположены на разных хордах, поэтому профиль скорости опрашивается в нескольких точках, а влияние несимметричного профиля и закрутки потока от колен и арматуры снижается. Число и расположение лучей зависят от конструкции и прямо влияют на требуемую длину прямых участков. Поскольку принцип симметричен, прибор способен измерять реверсивный поток, однако точное измерение в обоих направлениях требует продумать формирование потока и калибровку для каждого направления.
Когда ультразвуковой учёт оправдан
· Большие расходы и диаметры: Магистральные газопроводы, входы электростанций, подземные хранилища, где один прибор должен перекрывать широкий диапазон расходов.
· Ограничение потерь давления: В полнопроходном корпусе нет сужающих элементов, поэтому безвозвратная потеря давления на узле учёта остаётся небольшой.
· Реверсивный поток: Хранилища, где закачка и отбор газа идут по одной линии.
· Мониторинг состояния: Точки коммерческого учёта и распределения (allocation), где работоспособность прибора нужно отслеживать непрерывно, не демонтируя его.
При этом стандарты на ультразвуковые газовые расходомеры рассчитаны на однофазный газ. Если ожидаются унос жидкости, отложения на стенке трубы или мощный источник шума рядом с прибором, ультразвуковое решение не следует предлагать, пока проект не покажет, как эти риски будут устранены. Для небольших точек подачи газа низкого давления турбинные, ротационные счётчики или сужающие устройства могут оказаться более сбалансированным вариантом.
Состав блока
Элемент | Функция в ультразвуковом блоке | Примечание к объёму |
Входной фильтр | Ограничивает отложения на поверхностях преобразователей и стенке трубы | По качеству газа; может выполняться отдельным блоком фильтрации |
Струевыпрямитель и входной прямой участок | Подают на прибор развитый профиль без закрутки | Подбираются по числу лучей и целевому классу точности |
Многолучевой ультразвуковой расходомер | Даёт скорости по лучам, скорость звука и диагностику | Базовый состав |
Измерение давления и температуры | Данные для приведения к стандартным условиям и расчёта теоретической скорости звука | Базовый состав |
Вычислитель расхода | Расчёт объёма, энергии, архивы, сбор диагностики | Базовый состав; по числу измерительных линий |
Связь с потоковым газовым хроматографом | Состав газа для расчёта сжимаемости, теплоты сгорания и сверки скорости звука | Опция при учёте по энергии |
Контрольный расходомер или последовательная схема | Сравнение показаний прибора со вторым измерением на объекте | Опция по договору и политике учёта |
Влияние монтажа: профиль потока и прямые участки
Характеристики, полученные на калибровочной установке, сохраняются на объекте лишь тогда, когда трубопроводная обвязка формирует похожий профиль потока. Группы колен, частично открытые задвижки и переходы диаметра непосредственно перед прибором искажают профиль. Рекомендация OIML R 137 требует, чтобы смещение погрешности от возмущений потока не превышало трети максимально допустимой погрешности, поэтому изготовители задают длину входного участка в зависимости от числа лучей, класса точности и наличия струевыпрямителя. Компоновку блока следует разрабатывать вместе с чертежами обвязки с самого начала проекта.
Ультразвуковой шум от регуляторов и регулирующих клапанов
При большом перепаде давления регуляторы и регулирующие клапаны генерируют шум и в неслышимом диапазоне. Если он попадает в рабочую полосу частот расходомера, принятый импульс труднее выделить на фоне шума, и отношение сигнал/шум снижается. Полевые и стендовые исследования показали, что наиболее критична схема, в которой регулятор стоит до расходомера по потоку, а спектр шума зависит от типа регулятора, его внутренней оснастки (trim), перепада давления и расхода.
Типовые проектные меры: по возможности размещать расходомер до регулятора, предусматривать между источником шума и прибором колена, расстояние или шумоглушитель, оценивать расходомер и регулятор как единую пару. Достаточность той или иной меры определяется конкретной комбинацией приборов. Снижение шума со стороны регулятора рассматривается на странице о блочных пунктах редуцирования газа.
Диагностика и мониторинг состояния
Важная особенность ультразвуковых расходомеров в том, что они параллельно с измерением сообщают о собственном состоянии. Отложения, препятствия потоку или изменение режимов могут повлиять на точность, поэтому диагностические данные стоит регулярно анализировать. Типичные параметры:
· Согласованность скорости звука по лучам: В однородном газе все лучи должны показывать близкую скорость звука; расхождение может указывать на проблему преобразователя или синхронизации.
· Сравнение измеренной и расчётной скорости звука: Теоретическое значение рассчитывается по составу, давлению и температуре методом AGA Report No. 10 и сравнивается с измеренным, что косвенно проверяет и сами исходные данные.
· Усиление и отношение сигнал/шум: Ранний признак загрязнения преобразователей или влияния источников шума.
· Коэффициент профиля, симметрия, поперечный поток, закрутка и турбулентность: Показывают изменения профиля скорости, например загрязнение струевыпрямителя или частично закрытую задвижку.
Диагностика сама по себе не заменяет программу поверки и повторной калибровки, но позволяет планировать вмешательство на основе данных. Пороги сигнализации целесообразно задавать при пусконаладке, после фиксации базовых значений прибора на объекте.
Связь расходомера с вычислителем расхода
Расходомер передаёт объём при рабочих условиях в вычислитель расхода через импульсный или частотный выход и по цифровому последовательному интерфейсу, по которому также идут диагностические данные по лучам. Вычислитель по давлению, температуре и составу газа рассчитывает объём, приведённый к стандартным условиям, при необходимости массу и энергию, ведёт архивы событий и передаёт данные в ПЛК, РСУ (DCS) или SCADA. Если электроника расходомера тоже умеет рассчитывать приведённый объём, заранее определяют, какой расчёт является учётным и как сравниваются оба значения.
Исходные данные, определяющие выбор
Параметр | Почему важен при проектировании | Влияние на выбор |
Диапазон расхода и скорость газа | При очень малых скоростях страдает разрешение, при больших растут шум и потери давления | Определяет типоразмер прибора и необходимость параллельных линий |
Направление потока | При реверсе оба конца работают как входной участок | Требует симметричной обвязки, калибровки в двух направлениях и размещения струевыпрямителей |
Возмущения до прибора | Колена, арматура и переходы искажают профиль | Влияют на число лучей, тип струевыпрямителя и длину прямых участков |
Регулятор или клапан поблизости | Ультразвуковой шум ухудшает качество сигнала | Определяет место установки, расстояние, колена или шумоглушитель |
Чистота газа и содержание жидкости | Отложения и жидкость влияют на показания лучей и профиль | Задаёт объём фильтрации и пороги диагностики |
Требуемая точность и подход к калибровке | Калибровка и корректирующая характеристика входят в неопределённость системы | Определяет необходимость калибровки прибора вместе с измерительной линией |
Участие TLY Enerji в проектах ультразвукового учёта
TLY Enerji оказывает инженерную поддержку при анализе данных о расходе, давлении и обвязке, при оценке применимости ультразвукового метода и способов учёта монтажных факторов. В зависимости от объёма проекта это может включать поставку ультразвукового расходомера и приборов давления и температуры, монтаж и ввод расходомера в эксплуатацию, передачу измерительных и диагностических данных в систему мониторинга на базе ПЛК или SCADA, а также техническую поддержку после пуска. Границы поставки, включая сторону, изготавливающую блок, согласуются по техническому заданию проекта.
Какие данные нужны для оценки
· Минимальный, номинальный и максимальный расход; однонаправленный или реверсивный поток
· Диаметр трубопровода, рабочее давление и диапазон температур
· Схема обвязки до и после прибора, существующие колена и арматура
· Расположение регуляторов и регулирующих клапанов на той же линии и перепады давления на них
· Состав газа, риск уноса жидкости и имеющаяся фильтрация
· Назначение измерения, требуемый класс точности и ожидания по калибровке
· Требования к интерфейсам вычислителя расхода, хроматографа и системы управления
Связанные решения
· Узлы учёта газа с диафрагмами: Метод переменного перепада давления и сравнение двух технологий.
· Узлы коммерческого учёта природного газа: Неопределённость системы, архивы и способы проверки при коммерческом учёте.
· Узлы учёта природного газа: Число измерительных линий, резервирование и общая компоновка узла.
· Системы анализа качества природного газа: Данные о составе для сверки скорости звука и расчёта энергии.
· Блочные пункты редуцирования газа: Выбор регулятора и сам источник шума.
Частые вопросы об ультразвуковых узлах учёта
Сколько лучей должно быть у ультразвукового расходомера газа?
Единственно правильного числа нет. Чем больше лучей, тем в большем числе точек опрашивается профиль скорости и тем, как правило, ниже чувствительность прибора к условиям монтажа, что может сократить требуемые прямые участки. Выбор зависит от целевого класса точности, свободного места, возмущений до прибора и от того, нужен ли второй независимый измерительный канал в корпусе для целей контроля.
Можно ли ставить ультразвуковой расходомер после регулятора?
Можно, но это более сложная схема. Высокочастотный шум регулятора способен снизить отношение сигнал/шум расходомера. В таком случае анализируют тип регулятора и перепад давления, закладывают в проект расстояние, колена или шумоглушитель, а качество сигнала подтверждают по диагностике при пусконаладке. Если компоновка позволяет, расходомер предпочтительно размещать до регулятора.
Заменяет ли диагностика калибровку?
Нет. Диагностика показывает, изменилось ли поведение прибора, и помогает заранее выявить ситуации, требующие вмешательства. Погрешность же определяется калибровкой на расходе или методами проверки, установленными договором. Межкалибровочные интервалы задаются национальным законодательством, условиями договора и политикой учёта оператора.
Подходит ли ультразвуковой расходомер для газа с небольшим количеством жидкости?
Стандарты на ультразвуковые газовые расходомеры рассчитаны на однофазный газ. Капли и отложения влияют на акустические лучи и профиль скорости и могут вызывать погрешность и диагностические тревоги. На линиях с риском уноса жидкости перед прибором предусматривают фильтрацию и отделение жидкости, а сам прибор ориентируют так, чтобы жидкость не скапливалась у преобразователей.